第三章 酶
第一节 酶通论
第二节 酶促反应动力学
第三节 酶的作用机制
第四节 酶的活性调节
第一节 酶通论
一、酶的研究历史
? 1857巴斯德提出酒精发酵是 酵母细胞活动的结果 。
1分子 Glc→ 2分子乙醇 +2分子 CO2 从 Glc开始，
经过 12种酶催化,12步反应，生成乙醇。
? 1897Buchner兄弟证明发酵与细胞的活动无关，
不含细胞的酵母汁也能进行乙醇发酵 。
? 1913Michaelis和 Menten提出 米氏学
说 — 酶促动力学原理。
? 1926Sumner首次从刀豆中提出脲酶结
晶，并 证明具有蛋白质性质 。
? 1930年 Northrop等得到了胃蛋白酶、
胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶，并进
一步证明了 酶是蛋白质 。
J.B.Sumner J.H.Northrop
? 1969 化学合成核糖核酸酶 。
? 1967-1970 从 E.coli 中发现第 I,第 II类限制性
核酸内切酶 。
20世纪 80年代发现 某些 RNA有催化活性，
还有 一些抗体也有催化活性,甚至 有些 DNA
也有催化活性,使酶是蛋白质的传统概念受
到很大冲击。
· 某些 RNA有催化活性 （ ribozyme，核酶）
1982年美国 T,Cech等人发现四膜虫的 rRNA前
体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，发
现 RNA有催化活性 。
Thomas Cech
University of Colorado at
Boulder,USA
· 1983年美国 S.Altman等研究 RNaseP（由 20%蛋
白质和 80%的 RNA组成），发现 RNaseP中的
RNA可催化 E,coli tRNA的前体加工。
Sidney Altman
Yale University New
Haven,CT,USA
Cech和 Altman各自独立地发现了 RNA的催化活
性，并命名这一类酶为 ribozyme（核酶）, 2人共
同获 1989年诺贝尔化学奖。
1,Cell vol 31,147～ 157,1982年。
2,Sci,Amer,Vol 255,64～ 75,1986。
· 抗体酶（ abzyme）
抗体：与抗原特异结合的免疫球蛋白。
抗体酶：指具有催化功能的抗体分子，在抗体分子的可变区
（即肽链的 N端）是识别抗原的活性区域，这部分区
域被赋予了酶的属性。
1986年美国 Schultz和 Lerner两个实验室同时在 Science上
发表论文，报道他们成功地运用单克隆抗体技术制备了具有
酶活性的抗体（ catalytic antibody）。
· 有些 DNA也有催化活性 （脱氧核酶,Deoxyribozyme ）
1995年 Cuenoud等发现有些 DNA分子亦
具有催化活性。
酶及生物催化剂概念的发展
……
克隆酶、遗传修饰酶
蛋白质工程新酶
生物催化剂
（ Biocatalyst）
蛋白质类,Enzyme
(天然酶, 生物工程酶 )
核酸类,Ribozyme ; Deoxyribozyme
模拟生物催化剂
二、酶的概念
酶 是一类由活性细胞产生的具有催化作
用和高度专一性的特殊 蛋白质或核酸 。
简单说，酶是一类由活性细胞产生的 生
物催化剂 。
三、酶作为生物催化剂的特点
1．高效性
2．专一性
3．反应条件温和
4,酶的催化活性可调节控制
? 酶的催化效率比化学催化剂高 107 -1013 倍，比
非催化反应高 108 -1020 倍。
? 例如：过氧化氢分解
2H2O2 2H2O + O2
用 Fe+ 催化，效率为 6× 10-4 mol/mol· S,而用
过氧化氢酶催化，效率为 6 × 106 mol/mol· S。
? 用 ?-淀粉酶催化淀粉水解,1克结晶酶在 65?C条
件下可催化 2吨淀粉水解。
1．高效性
E+S
P+ E
ES
能量
水平
反应过程
?G
?E1
?E2
转换数 （ turnover number,TN or kcat）,
每秒钟或每分钟，每个酶分子转换底物的分子
数，或每秒钟或每分钟每摩尔酶转换底物的摩尔
数。
即酶只能对特定的一种或一类底物起作用，这种
专一性是由酶蛋白的立体结构所决定的。可分为,
绝对专一性：有些酶只作用于一种底物，催化一个
反应,而不作用于任何其它物质。
相对专一性：这类酶对结构相近的一类底物都有作
用。包括 键专一性和基团专一性 。
立体异构专一性：这类酶不能辨别底物不同的立体异构
体，只对其中的某一种构型起作用，而
不催化其他异构体。包括 光学专一性
和几何异构专一性 。
2．专一性
? 基团 (group)专一性。 如 ?-葡萄糖苷酶，
催化由 ?-葡萄糖所构成的糖苷水解，但
对于糖苷的另一端没有严格要求。
? 键 (Bond)专一性。如酯酶催化酯的水解，
对于酯两端的基团没有严格的要求。
相对专一性
? 酶促反应一般在常温、常压、中性 pH
条件下进行。
? 高温或其它苛刻的物理或化学条件，
将引起酶的失活。
3．反应条件温和
4.酶的催化活性可调节控制
如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈
调节、酶原激活及激素控制等。
某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属
离子有关 。
（一）根据酶的化学组成分类,
1 单纯酶,只含有蛋白质成分，如,脲酶、溶菌
酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等。
2 结合酶,含有蛋白成分（酶蛋白） 决定酶的专一性
和非蛋白成分（辅助因子） 传递电子、原子或某
些化学基团（决定反应类型）。
四、酶的分类
全酶 = 酶蛋白 + 辅助因子
辅助因子
与酶蛋白结合比较疏松的小分子有机物。
与酶蛋白结合紧密的小分子有机物。
金属离子作为辅助因子。 金属离子
辅酶
辅基
酶蛋白和辅助因子单独存在均无催化活性，只有二者
结合为全酶才有催化活性。
? 参与的酶促反应主要为氧化 -还原反
应或基团转移反应 。
? 大多数辅酶的前体主要是水溶性 B
族维生素。许多维生素的生理功能
与辅酶的作用密切相关。
辅酶在酶促反应中的作用特点
? 辅酶在催化反应过程中, 直接参加了反应 。
? 每一种辅酶都具有特殊的功能, 可以特定地催
某一类型的反应 。
? 同一种辅酶可以和多种不同的酶蛋白结合形成
不同的全酶 。
? 一般来说, 全酶中的辅酶决定了酶所催化的类
型 （ 反应专一性 ）, 而酶蛋白则决定了所催化
的底物类型 （ 底物专一性 ） 。
（二）根据酶蛋白结构特点分类
? 单体酶,由一条或多条共价相连的肽链组成的酶分子。
一般为水解酶。
? 寡聚酶, 由两条或多条肽链组成的酶分子。 为大多数
酶。
? 多酶复合体,由多种酶彼此镶嵌成的复合体,它们相
互配合依次进行,催化 连续的 一系列 相关 反应。 丙酮
酸脱氢酶复合体。
? 多功能酶,一条多肽链上含有两种或两种以上催化活
性的酶，往往是基因融合的产物。 脂肪酸合成酶。
五、酶的命名
（ 1）习惯命名方法
1.根据作用 底物 来命名，如 淀粉酶, 蛋白酶 等。
2.根据所催化的 反应的类型 命名，如 脱氢酶, 转
移酶 等。
3.两个原则结合起来命名，如 丙酮酸脱羧酶 等。
4.根据酶的 来源或其它特点 来命名，如 胃蛋白酶、
胰蛋白酶 等。
(2)国际系统命名法
系统名称包括底物名称、构型、反应性质。
例如,
酶催化的反应,
谷氨酸 + 丙酮酸 ?-酮戊二酸 + 丙氨酸
习惯名称,谷丙转氨酶
系统名称,丙氨酸,?-酮戊二酸氨基转移酶
(3)酶的国际分类法及编号
国际 酶学委员会根据酶催化的反应类型，将
酶分为六大类，分别用 1,2,3,4,5,6
的编号来表示。
? 氧化 -还原酶催化氧化 -还原反应。
? 主要包括脱氢酶 (dehydrogenase)和氧化酶
(Oxidase)。
? 如,乳酸 (Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。
C H 3 C H C O O H
O H
N A D + H +C H 3 C C O O H
O
N A D H
1 氧化 -还原酶
Oxidoreductase
AH2 + B（ O2） + BH2（ H2O2,H2O） A
? 转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的
基团或原子转移到另一个底物的分子上。
例如,谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。
C H 3 C H C O O H
N H 2
H O O C C H 2 C H 2 C C O O H
O
H O O C C H 2 C H 2 C H C O O H
N H 2
C H 3 C C O O H
O
2 转移酶 Transferase
?A·X + B A +B·X
? 水解酶催化底物的加水分解反应。
? 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。
? 例如，脂肪酶 (Lipase)催化的脂的水解反应,
3 水解酶 hydrolase
H 2 OC O O C H
2 C H 3R R C O O H C H 3 C H 2 O H
AOH+BH AB + H2O
? 裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或
原子形成双键的反应及其逆反应。
? 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。
? 例如,延胡索酸水合酶催化的反应。
H O O C C H = C H C O O H H 2 O H O O C C H 2 C H C O O H
O H
4 裂合酶 Lyase
AB A+B
? 异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即
底物分子内基团或原子的重排过程。
例如,6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。
O
C H 2 O H
O H
O H
O H
O H O
C H 2 O H C H 2 O H
O H
O H
O H
5 异构酶 Isomerase
A B
常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类 。
? 合成酶，又称为连接酶，能够催化 C-C,C-O、
C-N 以及 C-S 键的形成反应。 这类反应必须与
ATP分解反应相互偶联 。
? A + B + ATP + H2O ===AB + ADP +Pi
? 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应,
丙酮酸 + CO2 + ATP + H2O ? 草酰乙酸 + ADP +Pi
6 合成酶 Ligase or Synthetase
? 核酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的 RNA，
能够催化 RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反
应。
3'3'
3'3'3'
3'3'3'3'
3'
5'5'5'5'
5'
5'5'5'5'5'
BBBBB
PP P
+
P O HPP
BBBB
PPPP
P
B
P
7 核酶（催化核酸） ribozyme
乳酸脱氢酶 EC 1,1,1,27
第 1大类，氧化还原酶
第 1亚类，氧化基团 CHOH
第 1亚亚类,H受体为 NAD+
该酶在亚亚类中的顺序编号
每个酶都有一个有四个数字组成的编号
六,酶活力 的测定
1.酶活力,又称为酶活性，指 酶催化一定化学
反应的能力 。通常 以在一定条件下酶所催化的
化学反应 (初 )速度来表示 。
因此酶活力可用 单位时间内底物的减少量或 产
物的增加量 表示,单位为浓度 /单位时间。
研究酶促反应速度, 以酶促反应的初速度
为准 （ 底物消耗低于 5%） 。
酶促反应的速度曲线
2.酶活力测定的基本原理
一般对酶的测定不是直接测定其酶蛋白浓度,
而是测定其催化化学反应的能力。这是基于
①在最优化条件下 (最适温度、最适 pH、最适缓冲液等 ),
②当底物足够（过量,[S]>>[E] ）,
③在酶促反应的初始阶段,
酶促反应的速度（初速度）与酶的浓度成正比
（即 V=K［ E］）。故酶活力测定的是化学反应速度,
一定条件下可代表酶活性分子浓度。
3.酶活力的表示方法
(1)酶活力单位 U （ Unit）, 是衡量酶活力大小的计量单位,
又称 酶单位,规定条件（最适条件）下一定时间内催化完
成一定化学反应量所需的酶量。
① 国际单位 IU,1961年,在 最适条件 下每分钟 转化 1μ mol
底物 所需要的酶量为一个酶活力单位。
即 1IU= 1μ mol/min
② 国际单位 Kat,1972年，指在最适条件下 1秒钟内转化 1mol
底物所需的酶量。
即 1 Kat=1mol/s
Kat和 IU的换算关系, 1 Kat=6× 107 IU,
1 IU =16.67n Kat
③ 习惯单位,
在实际使用中,不同酶有各自的规定,如,
糖化酶活力单位,在规定条件下,每小时转化可溶性淀粉
产生 1mg还原糖 (以葡萄糖计 )所需的酶量为 1个酶单位。
蛋白酶活力单位：规定条件下，每分钟分解底物酪蛋白
产生 1μ g酪氨酸所需的酶量。
(2)比活力（ specific activity）
酶的比活力（比活性）：每单位（一般是 mg）蛋白质中
的酶活力单位数（酶单位 /mg蛋白）。
实际应用中也用每单位制剂中含有的酶活力数表示（如：酶
单位 /mL（液体制剂），酶单位 /g（固体制剂））,
对同一种酶来讲，比活力愈高则表示酶的纯度越高 （含杂质
越少），所以 比活力是评价酶纯度高低的一个指标 。
在评价纯化酶的操作方法是优劣时，要同时考虑两个概念,
纯化倍数与回收率
纯化倍数 =某纯化操作后的比活力 /第一步操作后的比活力
回收率 =某纯化操作后的总活力 /第一步操作后的总活力
总活力＝单位体积的酶活力 (U/ml)× 分离溶液总体积 (ml)
第二节 酶促反应动力学
酶促反应动力学是研究 酶促反应的速度 以及
影响酶反应速度的各种因素 的科学。
影响酶反应速度的因素有,
底物浓度、酶浓度、温度,pH值、激活剂、抑制剂等。
? 在低底物浓度时,反应速
度与底物浓度成正比，为
一级反应。
? 底物浓度增大与速度的增
加不成正比,为混合级反应,
? 当底物浓度达到一定值，
几乎所有的酶都与底物结
合后，反应速度达到最大
值（ V max），此时再增加
底物浓度，反应速度不再
增加，表现为零级反应。
一,底物浓度对酶促反应速度的影响
(一 )V-S曲线
底物浓度对酶促反应初速度的影响
V 初
V max
? 1913年，德国化学家 Michaelis和 Menten根据 中
间产物学说 对酶促反应的动力学进行研究，推
导出了表示整个反应中底物浓度和反应速度关
系的著名公式，称为 米氏方程 。
V=
V m a x [ S ]
K m + [ S ]
（二）米氏方程
根据中间产物学说，酶促反应分两步进行,
? 米氏方程的推导,
米氏方程
V=
V m a x [ S ]
K m + [ S ]
?当反应速度等于最大速度
一半时,即 V = 1/2 Vmax,
Km = [S]
?上式表示,米氏常数是反应
速度为最大值的一半时的底
物浓度。
?因此,米氏常数的单位为
mol/L。
（三）米氏常数的意义及测定
Km — 米氏常数
Vmax — 最大反应速度
米氏常数 Km的意义
? 不同的酶具有不同 Km值，它是酶的一个重
要的特征物理常数。
? Km值只是在固定的底物，一定的温度和 pH
条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同
条件下具有不同的 Km值。
? Km值表示酶与底物之间的亲和程度,Km值
大表示亲和程度小，酶的催化活性低 ; Km
值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。
米氏常数的测定
基本原则, 将米氏方程变化成相当于 y=ax+b的
直线方程, 再用作图法求出 Km。
例,双倒数作图法 （ Lineweaver-Burk法 ）
米氏方程的双倒数形式,
1 Km 1 1
??? = ?? ? ??? + ??
V Vmax [S] Vmax
取米氏方程式的倒数形式,
-4 -2 0 2 4 6 8 10
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1/[S ](1/m m ol,L
-1
)
1/v
1/Vmax
斜率 =Km/Vmax
-1/Km
?米氏常数 Km的 测定,
酶的 Km在实际应用中的意义
? 鉴定酶：通过测定 Km，可鉴别不同来源或相同来
源但在不同发育阶段，不同生理状态下催化相同
反应的酶是否是属于同一种酶。
? 判断酶的最适底物（天然底物） 。
? 计算一定速度下底物浓度。
? 了解酶的底物在体内具有的浓度水平。
? 判断反应方向或趋势。
? 判断抑制类型。
二、酶浓度对酶反应速度的影响
在有足够底物和其他条件不变的情况下，反应速度
与酶浓度成正比 。
当 [S]>>[E]时,V=K3× [E]
0
酶 浓 度
反
应
速
度
三、温度对酶反应速度的影响
? 一方面是温度升高,酶
促反应速度加快。
? 另一方面,温度升高,酶
的高级结构将发生变化
或变性，导致酶活性降
低甚至丧失。
? 因此大多数酶都有一个
最适温度。 在最适温
度条件下,反应速度最
大。
最适温度不是一个固定的常数,它随底物的种类、
浓度,溶液的离子强度,pH,反应时间等的影响。
例, 反应时间短，最适温度高。
反应时间长，最适温度低。
四,pH对酶反应速度的影响
1．酶反应的最适 pH（ optimum pH）
反
应
速
度
p H
最 适 p H
6 8 1 0
0
酶的最适 pH也不是一个固定的常数,它受到
底物的种类、浓度 ; 缓冲液的种类、浓度 ; 酶的纯
度 ;反应的温度、时间等的影响。
例, 碱性磷酸酶催化磷酸苯酯水解时
[s]为 2.5x10-5 M，最适 pH为 8.3
[s]为 2.5x10-2 M，最适 pH为 10.0
2,pH影响反应速度的原因
( 1 ) pH影响了酶分子、底物分子和 ES复合物的
解离状态。
( 2 ) 过高、过低的 pH导致酶蛋白变性。
五、激活剂对酶反应速度的影响
酶的激活剂
1,无机离子 （ 1）一些金属离子，如 Na+,K+,Mg2+,Ca2+,
Cu2+,Zn2+,Fe2+等。
（ 2）阴离子：如 Cl-,Br-,I-,CN- 等
（ 3）氢离子
凡能提高酶活力的物质都是酶的激活剂。如：
Cl-是唾液淀粉酶的激活剂。
2,有机分子 还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽
金属螯合剂,EDTA
激活酶原的酶
六、抑制剂对酶活性的影响
? 使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制作
用。能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制
剂。抑制剂并非变性剂，抑制剂具有不同程度的
选择性。
? 酶的抑制剂一般具备两个方面的特点,
a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过
渡状态相似。
b.能够与酶以非共价或共价的方式形成比较稳定
的复合体或结合物。
抑制剂类型和特点
竞争性抑制剂
可逆抑制剂 非竞争性抑制剂
反竞争性抑制剂
非专一性不可逆抑制剂
不可逆抑制剂
专一性不可逆抑制剂
抑制作用的类型,
(一 )不可逆抑制作用,
抑制剂与酶反应中心的
活性基团以 共价 形式 结
合,引起 酶的永久性失
活 。如有机磷毒剂二异
丙基氟磷酸酯。
（二）可逆抑制作用 (reversible inhibition)
及其动力学
E+I EI
抑制剂与酶蛋白以 非共价方式结合,引起酶活
性暂时性丧失。抑制剂 可以通过透析等方法被
除去,并且能部分或全部恢复酶的活性。根椐
抑制剂与酶结合的情况，又可以分为三类。
1,竟争性抑制
某些抑制剂的化学结构与
底物相似，因而能与底物
竟争与酶活性中心结合。
当抑制剂与活性中心结合
后，底物被排斥在反应中
心之外，其结果是酶促反
应被抑制了。
+
I
EI
ES P+ E E+S
竞争性抑制作用
实例：磺胺药物的药用机理
H2N- -SO2NH2
对氨基苯磺酰胺
H2N- -COOH
对氨基苯甲酸
对氨基苯甲酸 谷氨酸 蝶呤
叶酸
例, 丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用
C O O -
C O O -
C O C O O -
C H 2 C O O -
C H 2 C O O -
C H 2
C H 2 C O O -
草 酸 草 酰 乙 酸 戊 二 酸
此酶的竞争性抑制剂还有,
竞争性抑制作用特点,
1）竞争性抑制剂的结构与底物结构十分相似，
二者竞争酶的结合部位。
4） Vmax不变,Km增大 2
） 抑制程度取决于 I和 S
的浓度以及与酶结合的
亲和力大小。
[S]
v
V/2
km km ′
无 I
有 I
3） 可以通过增大底物
浓度，即提高底物的竞
争能力来消除。
2,非竟争性抑制
? 酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变
化，并导致酶活性下降。抑制剂与活性中心以外的
基团结合，不与底物竞争酶的活性中心，所以称为
非竞争性抑制剂。
? 如某些金属离子（ Cu2+,Ag+,Hg2+）以及 EDTA等，
通常能与酶分子的调控部位中的 -SH基团作用，改
变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。
非竞争性抑制作用
+
I
EI+S ESI
ES P+ E E+S
+
I
实例：重金属离子（ Cu2+,Hg2+,Ag+,Pb2+）
金属络合剂（ EDTA,F-,CN-,N3-）
非竞争性抑制特点,
1）抑制剂与底物结构不相似，抑制剂与酶活性
中心以外的基团结合。
2） Vm下降,Km不变
3）非竟争性抑制不能通过增大底物浓度的方法
来消除 。
[S]
v 无 I
V/2
km
有 I
(′)
3、反竞争性抑制作用
ESI
ES P+ E E+S
+
I
酶只有在与底物结合后，才能与抑制剂结合，引起酶
活性下降。
反竞争性抑制特点,
1）抑制剂与酶和底物的复合物结合。
2） Km和 Vm下降
3）底物浓度增加，抑制作用加强。
有无抑制剂存在时酶促反应的动力学方程
表观
第三节 酶的作用机制
酶
活
性
中
心
结合 部位, 与 底物结合,使底物与酶的一定构象形成复
合物,决定酶的专一性。
催化 部位, 影响底物中某些化学键的稳定性,催
化底物转变成产物的部位,决定酶的催
化效率和催化 反应的性质。
一、酶的活性中心
1,活性中心, 酶分子中结合底物并起催化作用的
少数氨基酸残基形成的一定空间结构。
包括 底物结合部位 和 催化部位 。
? 结合部位 (Binding site)：酶分子中与底物结合的部
位或区域 。
酶活性中心的特点
酶活性中心的特点
a,酶的活性中心只有几个氨基酸组成，多为极性氨基酸。
b,酶的活性中心是一个三维实体结构，活性中心的几个氨基酸
残基在一级结构上可能相距很远，甚至位于不同肽链上，通
过肽链的盘绕折叠而在空间结构上相互靠近，形成一个能与
底物结合并催化底物形成产物的位于酶蛋白分子表面的特化
的空间区域。
c,酶的活性中心与底物的结合通过次级键。
d,酶的活性中心具有柔性，可与底物诱导契合发生相互作用。
e,酶的活性中心位于酶分子表面的”空穴“中，为非极性环境。
2.必需基团,在酶分子中有一些 基团对维持 酶
活性中心应有的空间构象及发挥正常的 催化 活
性是必需的，若将这些基团改变后会导致酶的
催化活性减弱甚至丧失，这些基团称为必需基
团。
活性中心内外都可以有必需基团。
酶
必需基团
非必需基团
活性中心
活性中心外基团
结合基团
催化基团
二、酶作用专一性的机制
酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有
催化活性的手性中心，这些手性中心对底物
分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反
应可以按单一方向进行。
1,锁 钥 学 说
锁钥学说,
? 认为整个酶分子的天然构象是具有
刚性结构的，酶表面具有特定的形
状。酶与底物的结合如同一把钥匙
对一把锁一样。
2,诱导契合学说
诱导契合学说
? 该学说认为酶表面并没有一种与底物互
补的固定形状，而只是由于底物的诱导
才形成了互补形状,
E+S
P+ E
ES
能
量
水
平
反应过程
?G
?E1
?E2
酶（ E）与底物（ S）
结合生成不稳定的中间
物（ ES），再分解成产
物（ P）并释放出酶，使
反应沿一个低活化能的
途径进行，降低反应所
需活化能，所以能加快
反应速度。
E + S E-S ??? P + E
（一） 中间产物学说
三、酶作用高效性的机制
（二）影响酶催化效率的有关因素
1,邻近效应和定向效应
在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心,
? 一方面底物在 酶活性中心的有效浓度大大增加,
有利于提高反应速度；
? 另一方面，由于活性中心的立体结构和相关基
团的诱导和定向作用，使底物分子中 参与反应
的基团相互接近,并被严格 定向定位,使酶促
反应具有高效率和专一性特点。
邻 近 定 向 效 应
? 底物与酶结合诱导酶的分子构象变化，变化的酶分子
又使底物分子的敏感键产生, 张力, 甚至, 形变,,
从而促使酶－底物中间产物进入过渡态。
2., 张力, 与, 形
变,
? 酶分子中的广义酸、碱基团通过提供部
分质子或接受部分质子的作用，达到降
低反应活化能的作用 。
3,酸－碱催化
His 是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化
功能团。
4,共价催化
? 催化剂通过与底物形成反应活性很高的 共
价过渡产物,使反应活化能降低，从而提
高反应速度的过程，称为共价催化 。
? 某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛
等也可以参与共价催化作用。
5,金属离子催化作用
? 金属离子可以和水分子的 OH-结合，
使水显示出更大的亲核催化性能。
? 提高水的亲核性能
? 电荷屏蔽作用
? 电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能。
? 多种激酶 (如磷酸转移酶 )的底物是 Mg2+－ ATP复合
物。
? 电子传递中间体
? 许多氧化 -还原酶中都含有铜或铁离
子，它们作为酶的辅助因子起着传
递电子的功能。
6.酶活性中心的疏水环境效应
第四节 酶的活性调节
酶的活性调节包括两个方面,
调节酶浓度,
酶的诱导与阻遏、酶的选择性降解
调节酶活性,
别构调节、可逆的共价修饰、酶原激
活、同工酶形式的调节。
一、别构调节（ allosteric regulation）
1,别构调节
当酶分子与某些化合物非共价结合后发生构象改变,从
而引起酶活性的变化，这种调节称别构调节。受别构调节
的酶称 别构 酶（或变构酶），引起酶的活性受到别构调节
的化合物称效应物（或别构剂）。
正 效应物 —— 别构激活
负效应物 —— 别构抑制
具有类似血红蛋白那样的别构效应！
酶的别构（变构）效应示意图
效应物
别
构
中
心
活性
中心
（ 1）一般是 寡聚酶,由多亚基组成。
（ 2）具有活性中心和 别构中心,它们位于不同的亚基或同
一亚基的不同部位上。
（ 3）多数别构酶不止一个活性中心,活性中心间有协同效
应,酶和一个配体（底物，调节物）结合后可以影响
酶和另一个配体（底物）的结合能力 ；有的别构酶
不止一个别构中心，可以接受不同化合物的调节。
（ 4） 不遵循米氏方程,动力学曲线为 S型（正协同效应）或表
观双曲线（负协同效应）
2.别构酶的特点
别构酶与非调节酶动力学曲线的比较
?别构酶举例：天冬氨酸转氨甲酰酶，简称 ATCase
ATCase的结构及其别构作用
无催化活性构象 (T-型 )
C
C
C C
C C
R R R R R R
有催化活性构象 (R-型 )
C C C
C C C
R R R R R R
ATP（正效应剂）
CTP（负效应剂）
C C C
C C C
R
汞 盐
完 整 的
催 化 亚 基 调 节 亚 基
C C C
C C C
+
（ 三 聚 体 ） （ 二 聚 体 ）（ 活 性 ）
A T C a s e
R R R R R
R R R R R R
相同（均为底物）：同促效应（ homotropic effect）
不同（效应调节物）：异促效应 （ heterotropic effect）
根据配体结合
后对后继配体
的影响
根据配体性质
正协同效应 （ positive cooperative effect）
负协同效应 （ negative cooperative effect）
3,别构酶调节酶活性的机理
a,齐变模型 (MWC模型）
该模型的要点,
b,序变模型（ sequential model，也称 KNF模型）
该模型的要点,
二、共价调节酶（ covalently modulated enzymes）
常见的是 磷酸化 /脱磷酸化,腺苷酰化 /脱
腺苷酰化，乙酰化 /脱乙酰化，尿苷酰化 /脱
尿苷酰化，甲基化 /脱甲基化,S-S/SH相互
转变，共 6种类型。
共价调节酶：酶分子被其他酶催化进行可逆的共
价修饰，从而引起酶活性的改变。
共价调节酶最典型的例子是动物组织的 糖原磷酸化酶
磷酸化酶
磷酸酶 磷酸化酶激酶
磷酸化酶 a
（有活性）
磷酸化酶 b
（无活性）
磷酸化酶 a和磷酸化酶 b的转变过程
+
三,酶原及酶原的激活
1,酶原（ zymogen）,酶无活性的前体。
2,酶原的激活,从无活性的酶原转变为有活性
的酶的过程。
4,酶原激活的 本质, 酶原的激活实质上是 酶活
性部位形成或暴露的过程 。
3,激活 剂,能使无活性的酶原激活的物质。
胰蛋白酶原
胰蛋白酶
六肽
肠
激
酶
活性中心
胰蛋白酶原的激活示意图
胰蛋白酶原
胰蛋白酶
六肽 肠
激
酶
胰蛋白酶对各种胰脏蛋白酶的激活作用
胰凝乳蛋白酶原
胰凝乳蛋白酶
弹性蛋白酶原
弹性蛋白酶
羧肽酶原 羧肽酶
5,酶原存在的意义
消化道内蛋白酶以酶原形式分泌，避免细胞产
生的蛋白酶对细胞进行自身消化，并使酶在特
定部位和环境中发挥作用；此外，酶原可视为
酶的储存形式，如凝血和纤维蛋白溶解酶类以
酶原的形式在血液循环中运行，一旦需要便转
化为有活性的酶。
四,同工酶 ( isoenzyme )
同工酶：能 催化相同的化学反应,但在蛋白质 分
子的结构、理化性质和免疫性能 等方面
都 存在明显差异 的 一组酶 。
同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织或同
一细胞的不同亚细胞结构中，在生长发育的不同时
期和不同条件下，都有不同的同工酶分布。
来源：由 不同基因或等位基因编码 的不同多肽链所
组成；或由 同一基因转录生成的不同 mRNA翻
译 的不同多肽链组成；或由相同多肽链的 不同
亚基组合方式 所组成。
活性中心相似或相同：催化同一化学反应。
分子结构不同：理化性质和免疫学性质不同。
乳酸脱氢酶 （ LDH),由 H和 M两种亚基组成的四
聚体，有五种同工酶。
M
M
M M
M
M4
H M
M M
M3H
M M
H H
M2H2
M
H
H
H
MH3
H H
H H
H4
H
LDH5 LDH4 LDH3 LDH2 LDH1
骨肌型
心肌型
在骨骼肌中占优势，
富含碱性氨基酸 在心肌中占优势，富含酸性氨基酸
不同组织中 LDH同工酶的电泳图谱
LDH1(H4)
LDH2(H3M)
LDH3(H2M2)
LDH4(HM3)
LDH5(M4)
心肌 肾 肝 骨骼肌 血清
-
+
点样槽位置
乳酸脱氢酶同工酶形成示意图
多肽
亚基
mRNA
四聚体
结构基因 a b
乳酸 丙酮酸
LDH5
骨骼肌,
乳酸 丙酮酸 心肌,
LDH1
丙酮酸 乳酸
乳酸脱氢酶
同工酶存在的意义
同工酶可能是机体对环境变化或代谢变化的一
种调节方式，当一种同工酶受到抑制或破坏时，
其他同工酶仍起作用，从而保证代谢的正常进
行。
同工酶在各学科中的应用
(1) 遗传学和分类学,提供了一种精良的判别遗传标志的工具。
(2) 发育学,有效地标志细胞类型及细胞在不同条件下的分化情
况，以及个体发育和系统发育的关系。
(3) 生物化学和生理学,根据不同器官组织中同工酶的动力学,
底物专一性、辅助因子专一性、酶的变构性等性质的差异,
从而解释它们代谢功能的差别。
（ 4） 医学和临床诊断,体内同工酶的变化，可看作机体组织损
伤，或遗传缺陷，或肿瘤分化的的分子标志。
本章重点,
1,酶的催化功能与结构的关系
2,酶促反应动力学 --米氏方程
3,酶催化活性的调节方式
4,酶活力、比活力的测定方法和计算
第
四
章
核
酸
化
学
第一节 概述
第二节 核酸的化学组成
第三节 核酸的分子结构
第四节 核酸的性质
第五节 核酸的研究方法
本章内容
第一节 概 述
核酸（ nucleic acid— NA）是一类重要的
生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。
核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研
究领域，是基因工程操作的核心分子。
?1868 F,Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一 种
含磷酸的有机物, 当时称为核素 （ nuclein）,后称为核
酸 （ nucleic acid） 。
?1944 Avery 等通过肺炎球菌转化试验证明 DNA是遗
传物质 。
?1952 Hershey,Chase-噬菌体标记实验 。
?1953 Watson和 Crick提出 DNA结构的双螺旋模型 。
?1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则 。
?1973 Boyer,Cohen-DNA Cloning(克隆 ） 。
?1976 DNA Sequencing(序列分析 ） 。
?1990 Human Genome Project（ 人类基因组计划 ） 。
一、核酸的研究历史
光滑型细胞
（有毒）
粗糙型细胞
（无毒） 破碎细胞
DNAase降
解后的 DNA
粗糙型细胞接
受光滑型 DNA
只有粗糙型 大多数仍为粗糙型 少数光滑型
细胞被转化
S
S R R
R
+
DNA
1944年 Avery细菌转化实
验
肺炎球菌（ pneumococcus）
1928年细菌学家 Griffith 细菌毒性实验
噬菌体感染实验
1952年美国 Hershey
噬菌体感染实验
真核生物 原核生物
细胞核（ 98%） 拟核
线粒体 mDNA （少量） 质粒 DNA（ plasmid）
叶绿体 ctDNA （少量）等 病毒 DNA
细胞质（ 90%） 细胞质
核仁（少量） 病毒 RNA
二、核酸的种类和分布
DNA
脱氧核糖核酸
RNA
核糖核酸
注：生物细胞都含有 DNA 和 RNA；
病毒中只含 DNA 或 只含 RNA。
第二节 核酸的化学组成
核酸 是由几十个甚至几千万个 核苷酸 聚合而成的 具有一
定空间结构 的 生物大分子 。
基本元素,C,H,O,N,P ；
其中 P 的含量比较稳定，占 9%-10%，通过测
定 P 的含量来推算核酸的含量（定磷法）。
磷酸
核苷
碱基
戊糖
核酸 → 核苷酸
一,戊糖
组成核酸的戊糖有两种。 DNA所含的糖为
β-D-2-脱氧核糖； RNA所含的糖则为 β-D-
核糖。 O
H
H
O H
H
O H
O H
H
H O C H 2 H O C H
2
O
H
H
O H
H
H
O H
H
D- 核糖 D - 2 - 脱 氧 核 糖
二、碱基
1,嘌呤（ Purine）
腺嘌呤 Adenine
A
鸟嘌呤 guanine
G
2,嘧啶（ Pyrimidine）
胸腺嘧啶 T
胞嘧啶
C 尿嘧啶 U
核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱
基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。
N
N
C H 3
N H 2
5 - M e t h y l - d C
O
d R
二氢尿嘧啶
（ DHU）
修饰碱基的简写符号
m N
2
2
取 代 位 置
核 苷
取 代 基 的 数 目
取 代 基
( 为 1时可以不写 )
三、核苷（ nucleoside）
?核苷：戊糖 +碱基
?糖与碱基之间的 C-N键，称为 C-N糖苷键
?核苷中戊糖与碱基的连接方式,
1’
2’ 3’
4’
5’
(OH)
1’
2’ 3’
4’
5’
(OH)
修饰核苷 /稀有核苷
修饰核苷包括三种情况,
（ 1）由 修饰碱基 和糖组成的核苷
（ 2）由非修饰碱基和 2'-O-甲基核糖 组成的核苷
（ 3）由碱基与糖 连接方式特殊 的核苷
N
N N
N
N
H C H
3
d R
N
6
- M e t h y l- d A
（ 1） H N
N
H
O
5,6 - d ih y d r o u r id in e
O
R
H
H
H
( D o r h U )
（ 2） OC H 2
H
H
O H
H
O C H 3
H
H O
2 ' - O - 甲 基 腺 苷
A d e
( A m )
N
N
C H
3
N H
2
5 - M e t h y l- d C
O
d R
二氢尿嘧啶核苷
(Am)
（ 3）
O
C H
2
H
H
O H
H
O H
H
H O
( p s e u d o u r i d i n e )
H N N H
O
O
5
1 '
假 尿 嘧 啶 核 苷
(ψ)
取代基用下列小写英文字母表示,
甲基 m 乙酰基 ac 氨基 n
甲硫基 ms 羟基 o或 h 硫基 s
异戊烯基 i 羧基 c
例,H N
NO
R
S
H N
NO
R
O
C H 2 O H
s4 U
o m 5 U 或 h m 5 U
四、核苷酸（ nucleotide）
核苷酸,核苷 +磷酸
戊糖 +碱基 +磷酸
H
五、游离核苷酸及其衍生物的形式
1,继续磷酸化
2.环化磷酸
化
cAMP cGMP
3.辅酶
NAD,NADP,FAD,HSCoA
FAD NAD,NADP HSCoA
4,GDP-半乳糖,GDP-葡萄糖等是糖蛋白
生物合成和多糖生物合成的活性糖
基供体。
第三节 核酸的分子结构
一,DNA的结构
一级结构, DNA核苷酸链中脱氧核苷
酸的组成和排列顺序。
二级结构,DNA的两条多聚链间通过
氢键形成的双螺旋结构。
三级结构,DNA双链进一步折叠卷曲
形成的构象。
（一） DNA的一级结构
由 dAMP,dGMP,dCMP,dTMP核苷酸单体通
过 3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。
5’
5’
3’
3’
结构式
? 5′ -磷酸端（常用 5′-P表
示）； 3′-羟基端（常用 3
′-OH表示）
? 核苷酸链具有方向性，当
表示一个核苷酸链时，必
须注明它的方向是
5′→3′ 或是 3′→5′ 。
字母式
5′ PAPCPGPCPTPGPTPAOH 3′
5′ PACGCTGTAOH 3′
线条式
P P
5'
3' 3'
5'
P P
5'
3'
P
5'
3'
A C G T
OH
DNA的一级结构也可指 DNA分子中碱基的顺序。
DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形
式。生物界物种的多样性即寓于 DNA分子中四种
核苷酸千变万化的不同排列组合之中。
（二） DNA的二级结构
?Watson 和 Crick 于 1953年提出了 DNA
双螺旋结构模型，说明了 DNA 的二级结
构。（即 B型 DNA）
（ 1） Chargaff定则
（ 1950s,E,Chargaff发现）
I,DNA碱基组成符合,A=T； G=C； A+G=T+C。
II.不对称比率,A+T/G+C；
物种不同,DNA碱基组成不同；
物种亲缘愈接近，碱基组成也愈接近，该比
率越相近似。
Ⅲ,具有种的特异性，没有器官和组织的特异性，
年龄、营养状况、环境的改变不影响 DNA的
碱基组成。
1．提出 DNA双螺旋结构模型的根据
（ 2） x-光衍射分析
20世纪 40年代 Astbury 1952年 M.Wilkins
2,DNA双螺旋结构模型（ double-helical structure）
1953年 Watson和 Crick提出了 DNA双螺旋结构。
DNA双螺旋结构模型要点
（ 1）
? 螺旋中的两条链 反向平行,即其中一条链的方
向为 5′→3′,而另一条链的方向为 3′→5′,
两条链共同围绕一个假想的中心轴呈 右手双螺
旋 结构。
DNA双螺旋结构模型要点（ 2）
? 疏水的碱基位于双螺旋的内侧，亲水的磷酸和
脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基平面与螺旋轴
垂直，脱氧核糖平面与中心轴平行。
? 由于几何形状的限制，碱基对只能由嘌呤和嘧
啶配对，即 A与 T,G与 C。这种配对关系，称为
碱基互补 。 A和 T之间形成两个氢键,G与 C之
间形成三个氢键。
T-A碱基对
C-G碱基对
DNA双螺旋结构模型要点（ 3）
? 由于碱基对排列的方向性，
使得碱基对占据的空间是
不对称的，因此，在双螺
旋的表面形成大小两个凹
槽，分别称为 大沟和小沟，
二者交替出现。
2.0 nm
小
沟
大
沟
DNA双螺旋结构模型要点
（ 4）
? 双螺旋横截面的 直径 约为 2
nm，相邻两个碱基平面之间
的距离（ 轴距 ）为 0.34 nm，
每 10个核苷酸形成一个螺旋，
其 螺距 （即螺旋旋转一圈）
的高度）为 3.4 nm。
2.0 nm
小
沟
大
沟
DNA双螺旋结构模型要点
（ 5）
? 两条链借碱基之间的氢
键和碱基堆积力（即碱
基之间的范德华力）牢
固的连接起来，维持
DNA双螺旋的三维结构。
? 两条链是碱基互补关系。
3,DNA的双螺旋结构稳定因
素
? 氢键
?碱基堆积力
?磷酸基上负电荷被胞内
组蛋白或正离子中和
?碱基处于疏水环境中
4,DNA的双螺旋结构的意义
该模型揭示了 DNA作为遗传物质的稳定性特征,
最有价值的是确认了 碱基配对 原则, 这是 DNA复制,
转录和反转录的分子基础, 亦是遗传信息传递和表达
的分子基础 。 该模型的提出是上个世纪生命科学的重
大突破之一, 它奠定了生物化学和分子生物学乃至整
个生命科学飞速发展的基石 。
DNA双螺旋构
象的类型
（三） DNA的三级结构 ---超螺旋
1）超螺旋是指双螺旋进
一步扭曲或再螺旋的构
象。
2）正超螺旋（变紧，过
旋）和负超螺旋（变松,
欠旋）。
3）人类 46条染色体的
DNA总长可达 1.7m，经过
螺旋化压缩，实际总长只
有 200nm。
负超螺旋
核小体盘绕及染色质示意图
DNA的存在形式 --核小体
? 真核生物中 DNA双螺旋沿着组蛋白八聚体
核心的短轴绕 1.75圈，形成左手超螺旋，
称 核小体 。
? 染色质的基本结构单位是核小体。
? 串珠状结构进一步卷曲形成螺线管，后者
再进一步卷曲形成超螺旋管，形成染色单
体。
基因和基因组
? 基因即 一段有功能的 DNA片段，生物细胞中 DNA
分子的最小功能单位（交换单位）。
? 一个细胞或生物体所含的全套基因称基因组。
二,RNA的分子结构
（一） RNA的分类及特点
（二） RNA分子的结构特点
（一） RNA的特点及分类
结构特点,
1,碱基组成,A,G,C,U （ A＝ U/G≡ C）；
2,稀有碱基较多，稳定性较差，易水解；
3,多为 单链 结构，少数局部形成螺旋（发夹结构）；
4,分子较小。
分类,
1,信使 RNA（ mRNA）
2,转运 RNA （ tRNA）
3,核糖体 RNA （ r RNA）
Messenger RNA
1.约占总 RNA的 3%-5%，含量最少，种类最多。
2.成熟 mRNA不含内含子,hnRNA含有。
3.mRNA从 DNA转录遗传信息，并作为蛋白质合成
的模板，决定蛋白质的氨基酸顺序。
Ribosome RNA
? 约占全部 RNA的 80%,含量最多 。
? 与多种蛋白质结合成核糖体, 后者是合
成蛋白质的场所 。
原核生物 真核生物
核糖体 rRNA 核糖体 rRNA
30s
70s
50s
16s
5s, 23s
40s
80s
50s
18s
5s,5.8s、
28s
Transfer RNA
? 约占总 RNA的 10-15%,分子最小 。
? 它在蛋白质生物合成中起翻译 mRNA信息,
并将相应的氨基酸转运到核糖体, 参与蛋
白质体的合成 。
? 已知每一个氨基酸至少有一个相应的 tRNA。
（二） RNA分子的结构特点
? tRNA 的结构
二级结构 特征,
单链
三叶草叶形
四臂四环
三级结构 特征,
在二级结构基础上
进一步折叠扭曲形成倒
L型
酵母 tRNA Ala
的二级结构
DHU环
I G C
反密码子
反密码环
氨基酸臂
可变环
TψC环
C
C
A Ala 3′
5′
2） rRNA的分子结
构
特征, ? 单链, 螺旋化程度较 tRNA低
? 与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能
5SRNA的二级结构
3） mRNA的分子结构
在转录一章讲授
第四节 核酸的性质
一、一般物理性质
二、核酸的水解
三、两性解离
四、紫外吸收性质
五、稳定性
六、变性
七、复性与杂交
一、一般物理性质
1,DNA白色纤维状固体,RNA白色粉末状固
体，都微溶于水，不溶于乙醇，因此常用乙醇来
沉淀 DNA ； DNA溶液黏度大于 RNA 。
2,DNA难溶于 0.14mol/L的 NaCl溶液，可溶于
1— 2 mol/L的 NaCl溶液,RNA则相反，可据此
分离二者。
3,加热条件下,
D－核糖＋浓盐酸＋苔黑酚 绿色
D－ 2－脱氧核糖＋酸＋二苯胺 蓝紫色
二、核酸的水解
? 核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条
件下水解切断。
? DNA和 RNA对酸或碱的耐受程度有很大差别。
室温条件下,DNA在碱中变性，但不水解，
RNA水解。
? 在细胞内核酸分子受 DNA酶作用。
三、两性解离
? 核酸含酸性的磷酸基团，又含弱碱性的碱基，
为两性电解质，可发生两性解离；
? 核酸相当于多元酸,pH大于 4时，呈阴离子状
态；
? 等电点
四、紫外吸收
? 在核酸分子中嘌呤碱和嘧啶碱都含有共轭双
键体系，在 260 nm有吸收；
? 可以作为区别蛋白质和对核酸及其组份定性
和定量测定的依据，进行核酸纯度鉴定，也
可作为核酸变性和复性的指标。
DNA的紫外吸收光谱
天然 DNA
变性 DNA
核苷酸总吸收值
1
2
3
220 240 260 280
0.1
0.2
0.3
0.4
波长（ nm）
光
吸
收
1
2
3
根据 A260/A280的比值判断核酸样品的 纯度
纯 DNA,A260/A280=1.8
纯 RNA,A260/A280=2.0
（若样品中含有杂蛋白或苯酚，则 A260/A280比值明显降低）
纯的核酸样品可根据 260nm的光吸收值算出其 含量
若 260nm光吸收值 为 1相当于 50μg/ml双螺旋 DNA
或相当于 40μg/ml单链 DNA或 RNA
或相当于 20μg/ml寡核苷酸 。
五,DNA的稳定性
1.DNA的溶液呈粘稠状，但实际上 DNA
的双螺旋结构僵直而有刚性，易断成
碎片，这也是目前难以获得完整大分
子 DNA的原因。
2.溶液状态的 DNA易受 DNA酶作用而降
解，抽干水分的 DNA性质十分稳定。
六,DNA的变性
1,概念
2,变性条件
3,变性的特征
1,概念
是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢
键断裂，变成单链结构的过程 。
2.DNA的变性的条件
能够引起核酸变性的因素有,
1）温度升高；
2）酸碱度改变,pH（ >11.3或 <5.0）；
3）有机溶剂如甲醛和尿素,甲酰胺 等；
4）低离子强度。
3.DNA变性的特征
? 变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。
? 变性改变了 DNA的二级结构。核酸的变性并
不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结
构 (碱基顺序 )保持不变。
? DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度
区间内完成。 DNA解链温度
? 紫外吸收值明显增加，即 增色效应 。
? 粘度降低，沉降系数增加。
DNA解链温度（熔点,Tm ）
? 当 50% 的 DNA变性时的温度称为该 DNA的解链温
度，即增色效应达到一半时的温度；一般 DNA的
Tm值在 70-85?C之间。
? 均一 DNA（如病毒）的 Tm值范围较小。
? 分子中 G和 C的含量越高，越不易变性,Tm值越
高。 可通过经验公式计算：（ G+C)%=(Tm-
69.3)X2.44
? Tm值随溶液盐浓度增加而增大,
? Tm值较低，易变性，不易保存。
溶解曲线 与 Tm。
。
影响 Tm值的因素
① DNA的均一性
② DNA中 G-C对的含量
经验式,
(G-C)%=(Tm-69.3)× 2.44
③ 盐离子强度
增色效应与减色效应
天然 DNA分子在热变性条件下，双螺
旋结构破坏，碱基暴露，在紫外光 260nm
波长处的吸收度明显增加，此现象称为
增色效应。
变性 DNA分子复性形成双螺旋结构时
其紫外吸收降低的现象称为减色效应。
七,DNA的复性
? 概念
? 复性的条件
3,影响复性的因素
4,复性动力学
5,分子杂交
1,概念
1.变性 DNA在适当的条件下，两条彼此分
开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构,
其物理性质和生物活性随之恢复，这一过
程称为复性；
2.对于热变性的 DNA，在缓慢冷却的条件
下可重新结合恢复双螺旋结构，称为退
火。
3.DNA复性后，一系列性质将得到恢复,
但是生物活性一般只能得到部分的恢复。
DNA的复性图示
2.DNA的复性条件
1.将热变性的 DNA骤然冷却至低温
时, DNA不可能复性 。 即淬火 。
2.将变性的 DNA缓慢冷却时, 可以复
性 。 退火温度＝ Tm－ 25℃
3.分子量越大复性越难 。 浓度越大,
复性越容易 。 此外, DNA的复性需要
一定的盐浓度, 也与它本身的组成和
结构有关 。
高于 Tm值 5℃
复性
也称退火
3,影响复性的因素
① 样品的性质
② DNA的浓度
③ DNA片段的大小
④ 温度
⑤ 离子强度
4.复性动力学
DNA的复性过程是一种双分子反应
DSS k? ????
S,single strand DNA
D,double strand DNA
2
1
C
C
0
?
Cot,
2
1 时的 Cot值，即指复性完成一半时的 Cot值。
5.分子杂交
1.在变性的 DNA溶液中加入外源 DNA单链分子或
RNA单链分子（与原 DNA具有同源性），去掉变
性条件后复性形成双螺旋结构的过程。
2.这样形成的新分子称为杂交 DNA分子。
3.利用核酸杂交可检测特定的核苷酸片段或研
究同源性等。
分子杂交
探针,用于杂交的
异源 DNA或 RNA序
列，其核苷酸序列是
人工特定的、已知的，
经放射性标记的一条
链。
核酸 的变性、复性和杂交
变性 （加热）
探针
杂交 （缓慢冷却）
复性 （缓慢冷却）
分子杂交的种类
? Southern Blot,DNA-DNA杂交
? Northern Blot,DNA-RNA杂交
? Western Blot：抗原 -抗体进行杂交
? 原位杂交：活体组织上进行杂交，显
出荧光
Souther
n印迹法 DNA分子
限制片段 限制性酶切割
琼脂糖电泳
转移至硝酸纤维素膜上
与放射性标记
DNA探针杂交
放射自显影
带有 DNA片
段的凝胶
凝胶
滤膜
用缓冲液
转移 DNA
吸附有 DNA
片段的膜
第五节 核酸的研究方法
一、核酸的分离、提取通则
为了得到完整的大分子核酸，一般要注意 3点,
1．保持低温（ 0o～ 4℃ ）。
2．防止过酸、过碱，避免剧烈搅拌。
3．防止核酸酶的作用。
抑制 DNase,
可加柠檬酸钠,EDTA等金属螯合剂；或加去污剂 十
二烷基硫酸钠（ SDS）；或加蛋白变性剂。
抑制 RNase,
（ 1）实验器皿高温，或高压灭菌，不能高压灭菌的用
具用 0.1%二乙基焦碳酸盐（ diethyl pyrocarbonate,
DEPC）处理。
（ 2）加强的蛋白变性剂如硫氰酸胍、异硫氰酸胍等。
（ 3）加核糖核酸酶阻抑蛋白（ RNasin）等 RNase的抑制剂。
二、大分子 DNA的提取
1．材料的选择
2．细胞破碎
3,DNA-蛋白质（ DNP）的提取
真核细胞 DNA与蛋白质结
合成核蛋白（ DNP）,RNA与蛋
白质结合成 RNP，而且 DNP和
RNP常常混在一起。利用 DNP和
RNP在不同浓度 NaCl中溶解度的
不同来分离 DNP和 RNP。
可用 1mol/LNaCl溶液提取 DNP。
0.5 1.0
0
1
2
0.14
相
对
溶
解
度
NaCl（ mol/L）
DNP在 NaCl中的溶解度
4．去蛋白质
（ 1） SDS
（ 2）苯酚法
（ 3）氯仿法
（ 4）酚,氯仿,异戊醇 ＝ 25:24:1
5．沉淀 DNA
6．去杂质
（ 1）去 RNA
（ 2）去多糖
7．进一步纯化
生物材料 DNP（ RNP） DNP
纤维状 DNA 较纯 DNA 纯 DNA
*原核生物的 DNA是裸露的，与蛋白质结合不多，分离纯化要简单些。
破细胞 1.0mol/L NaCl* 去蛋白质
酒精沉淀 去 RNA 柱层析，电泳
密度梯度离心 去多糖
三,RNA的提取
1．不同种类 RNA的提取
2．大分子 RNA的提取
（ 1）酚提取
（ 2）酚 -氯仿 -SDS法
3,mRNA的提取
四、核酸纯度鉴定
1.A260/A280
2.电泳
五、核酸含量的测定
1.定磷法
2.定糖法
3.紫外吸收法
本章重点,
1,核酸的化学本质、结构和性质
2,DNA双螺旋结构的基本特征
DNA
转录
翻译 复制
逆转录
RNA复制
RNA 蛋白质
为什么子女与父母非常相象？
基因就是指 DNA中能编码蛋白质和功能
RNA的特定核苷酸序列。
第五章 DNA的复制
和修复
一,DNA复制方式
二、参与 DNA复制的因子
三,DNA复制过程
四、逆转录
五,DNA损伤的修复
一,DNA的复制方式
半保留复制 (semiconservative
replication)----在 DNA复制过程
中，双螺旋结构解开而成为单链，
分别以 DNA双螺旋中的一条链为
模板，按碱基互补配对的原则合
成两条新的互补链。这样新合成
的 DNA双链中一股单链是从亲代
完整地接受过来的，另一股单链
完全重新合成。
DNA半保留复制的证据
第一代
第二代
细菌
（含
15
N - D N A )
普通 DNA
普通 DNA
重 DNA
重 DNA
普通培养基
普通培养基
细菌 DNA 双链 密度梯度离心
15
N- DNA
14
N - D N A
二,DNA复制的酶学
? 1.底物
dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)
? 2.聚合酶 DNA聚合酶 I, II,III
? 3.模板 单链的 DNA母链
? 4.引物 寡核苷酸引物（ RNA)
? 5.其他酶和蛋白质因子 解链酶，解旋
酶,
单链结合
蛋白，连接酶
（一） DNA聚合酶的活性
? 5′至 3′的聚合活性
– 5′→ 3′方向
? 核酸 外切酶活性
– 5′→ 3′外切酶活性
– 3′→ 5′外切酶活性
? 5′至 3′的聚合活性（ 5′→ 3′ ）
? 核酸外切酶活性
? 3′→ 5′外切酶活性
? 5′→ 3′外切酶活性
（ 二） DNA拓扑异构酶 (解旋酶）
?既能水解，又能打断碱基互补配对的氢键
?拓扑酶 Ⅰ 切断 DNA双链中的一股
?拓扑酶 Ⅱ 切断 DNA双链
（三）单链 DNA结合蛋白（ SSB）
?维持模板处于单链状态
?保护单链的完整
（四）引物酶
?是 RNA聚合酶，合成一段 RNA引物
（五） DNA连接酶
（ ligase）
?催化两段 DNA之间的连接
3
5
5
3 5
35
3
HO P
D N A l ig a s e
NAD
A T P
N M N
A M P +P P i
′
′
′
′
′
′
′
′
+
P
O H
P5 5
3
3
+
5
3
′
′
′
′
′
′
DNA
l i g a s e
O
O H
PO
O
O -
O
O H
PO
O
O
PP
-
-
αβγ
P P i
三,DNA的复制过程
（一） 复制的起始
（二） 复制的延伸
（三） 复制的终止
1,DNA复制的起点 原核生物从一个固定
的起始点开始，同时向两个方向进行的，
称为 双向复制
起点
起点 起点
θ复制
原核生物 DNA的复制
（一） 复制的起始
2.复制叉的形成
复制叉 ----
复制开始后由
于 DNA双链解
开，在两股单
链上进行复制，
形成在显微镜
下可看到的叉
状结构。
拓扑异构酶
解链酶
单链结合蛋白
DNA 聚合酶
引物酶及引发体
DNA 连接酶
引物
领头链
随从链
冈崎片段
5
′
5
′
3 ′3 ′
3.起始的过程
打开 DNA超螺链
打开双螺旋
防止复螺旋 单链结合蛋白
解链酶
引物复合体
引物酶
拓扑异构酶
合成
DNA复制起始的过程
拓扑异构酶
解链酶
单链结合蛋白
DNA聚合酶
引物酶及引发体
DNA连接酶
引物
DNA双链
′ 5 ′ 3
′ 5 ′ 3
拓扑异构酶
解链酶
单链结合蛋白
DNA聚合酶
引物酶及引发体
DNA连接酶
引物
DNA复制起始的过程
拓扑异构酶
与 DNA双链
结合，解开
超螺旋。
′ 5 ′ 3
′ 5 ′ 3
拓扑异构酶
解链酶
单链结合蛋白
DNA聚合酶
引物酶及引发体
DNA连接酶
引物
DNA复制起始的过程
解链酶解开
DNA双螺旋
′ 5 ′ 3
′ 5 ′ 3
拓扑异构酶
解链酶
单链结合蛋白
DNA聚合酶
引物酶及引发体
DNA连接酶
引物
单链结合蛋白
防止复螺旋
′ 5 ′ 3
′ 5 ′ 3 DNA复制起始的过程
拓扑异构酶
解链酶
单链结合蛋白
DNA聚合酶
引物酶及引发体
DNA连接酶
引物
DNA复制起始的过程
引物酶合成引物 ′ 5 ′ 3
′ 5 ′ 3
(二 )DNA复制的延伸
1,DNA聚合酶把新生链的第一个脱
氧核苷酸加到引物的 3′-OH上，开始
新生链的合成过程。
A G T A C T A A T
DNA
聚合酶 引物
A G T A C T A A T
G
T T
组成 DNA 的脱氧核糖核苷酸一个个连接起来
3′,5′-磷酸二酯键 引物
A G T A C T A A T
G
T T A
引物
A G T A C T A A T
G
G T T A
引物
A G T A C T A A T
G
G T T A A
引物
A G T A C T A A T
G
G T T A A T
引物
A G T A C T A A T
G
G T T A A T A
引物
A G T A C T A A T
G
G T T A A T A T
引物
A G T A C T A A T
G
G T T A A T A T C
引物
A G T A C T A A T
G
G T T A A T A T C
DNA模板链
DNA新链
引物
3
35
5
′
′′
′
3
35
5
′
′′
′
3
35
5
′
′′
′
D N A连接酶
3
35
5
′
′′
′
DNA聚合酶
DNA聚合酶
5′3′
3′
5′
2,冈崎片段
冈崎片段 冈崎用电
子显微镜看到了 DNA
复制过程中出现一些
不连续片段，这些不
连续片段只存在与
DNA复制叉上其中的
一股。后来就把这些
不连续的片段称为 冈
崎片段 。 D N A连接酶
3.半不连续复制
领头链 随从链
冈崎片段
5 ′ 3 ′ ′ 5 ′ 3
?半不连续复制 DNA复
制时,一条链是连续的,
另一条链是不连续的,称
为半 不连续复制 。
(三 ) 复制的终
止
复制有终止信号
?polⅠ 5′→ 3′外切酶活性 水解引物
?polⅠ 聚合活性 填补空隙
?DNA连接酶 连接缺口 。
领头链 随从链
冈崎片段
5 ′ 3 ′ ′ 5 ′ 3
拓扑异构酶
解链酶
单链结合蛋白
DNA聚合酶
引物酶及引发体
DNA连接酶
引物
课堂小结
四、逆转录
1,逆转录：是以 RNA为模板合成
DNA的过程。
2,逆转录酶：是一种以 RNA为模
板的 DNA聚合酶。
没有 3’ 5’外切酶的活性,
所以没有校对功能，逆转录的
错配率高。
五,DNA的损伤修复
突变 可分为,
– 自发突变、人工诱变
? 突变的意义
– 突变是进化、分化的分子基础
– 只有基因型改变的突变
– 致死性的突变
– 突变是某些疾病的发病基础
1,DNA 的损伤 也称突变, 是指 DNA分子上
碱基的改变。
2,引发突变的因素
诱变因素 突变类型
物理因素 紫外线照射 形成胸腺嘧啶二聚体
离子辐射 打断 DNA 分子上的共价键
化学因素 5- 溴尿嘧啶 ( 5- B U ) 5- B U 取代 A,并异构成 G,结果是 A-T 配对变
为 G -T 配对，最后变为 C-G 配对
羟胺 转换 T 为 C,结果是 A-T 配对改为 C-G 配对
亚硝酸盐 使 C 脱氨成 U,原 G-C 配对变为 G-U 配对，最
后使 G -C 变为 A-T
氮芥类 使 G 的 N -7 烷化后除去，成为无鸟嘌呤的链
生物因素 肿瘤病毒 插入宿主细胞基因组中，引起细胞癌变
诱变因素及突变类型
3,突变分子改变的类型
? 错配 （点突变）
– 一个碱基改变
? 缺失、插入和框移突变
– 片段插入或缺失
? 重排
– 较大片段重组或重排
4,损伤的修复
? 损伤 --复制过程中发生的 DNA突变
?光修复
?切除修复
?重组修复
?SOS修复
（ 一）光修复
? 紫外光照射可使相邻的两个 T 形成二聚体
? 光修复酶 可使二聚体解聚为单体状态,DNA完全恢
? 复正常。光修复酶的激活需 300-600μm波长的光。
N
N
C H 3
O
O
R
H
P
H
R
O
O
C H 3
N
N
N
N
C H 3
O
O
R
H
H
N
N
C H 3
O
O
R
P
UV
TT
光修复酶
（二）切除修复
参与的酶有 核酸内切酶, polⅠ,DNA连接酶
特异核酸内切酶
pol Ⅰ
D N A 连接酶
（三） 重组修复
? 重组蛋白 RecA,polⅠ,连接酶参与
? 损伤会保留下去
（四） SOS修复
?DNA损伤面太大，复制难以继续。
?通过 SOS修复,复制有可能继续，细胞
有可能存活，但 SOS修复机制 的特异性低。
?对碱基的识别、选择能力差、错误多。
本章重点,
1.DNA半保留半不连续复制的机制
2.DNA复制时保证遗传稳定的内在因素
第六章 RNA的生物合成
DNA携带的遗传信息（基因）传
递给 RNA分子的过程称转录
（ transcription ）。
在生物界,RNA合成有两种方式：一
是 DNA指导的 RNA合成，此为生物体内
的主要合成方式。另一种是 RNA指导的
RNA合成，此种方式常见于病毒。转录
产生的初级转录本是 RNA前体（ RNA
precursor），需经加工过程
（ processing）方具有生物学活性。
反应体系,DNA模板,NTP,酶,Mg2+,Mn2+，合成方向 5'→3' 。
连接方式 -- 3',5'磷酸二酯键。
转录特点,不对称转录 --DNA片段转录时，双链 DNA中只有一条
链作为转录的模板，这种转录方式称作 不对称转录。
模板链 (template strand)及反意义链 (antisense strand):指导 RNA
合成的 DNA链为模板链，又称反意义链。
编码链 (coding strand)及有意义链 (sense strand),不作为转录
的另一条 DNA链为编码链，又称有意义链。由于基因分布于不
同的 DNA单链中，即某条 DNA单链对某个基因是模板链，而对另
一个基因则是编码链。
原料,四种磷酸核苷 NTP,DNA中的 T在 RNA合成中变为 U
合成过程,连续,
方向,5‘→3 ’从头合成,5′— 末端的起始核苷酸常为 GTP或 ATP
一、转录基本特点
? 不对称转录
?, 转录单位, （ transcription unit）
以 操纵子 （ operon）为转录的功能单位,结构上包括
四个功能区：多顺反子（结构基因区）、启动子、操作
子、终止子和调节基因。
? 原核 RNA聚合酶
? 转录过程
二、原核细胞 RNA转录合成特点
调节基因 启动子
操纵
基因 lacZ lacY lacA
CAP
cAMP CAP-cAMP 复合物
mRNA +
?-半乳糖苷酶
?-半乳糖苷透过酶
?-半乳糖苷乙酰
基转移酶酶
大肠杆菌的 RNA聚合酶
全酶由 5种亚基 α 2ββ ’ ?σ 组成, σ 因
子与其它部分的结合不是十分紧密，它易于与
β ’βα 2分离,没有 σ, ?亚基的酶称为核心
酶 —— 只催化链的延长，对起始无作用。
五种亚基的功能分别为,
α 亚基,与启动子结合功能。
β 亚基,含催化部位，起催化作用，催化形
成磷酸二酯键。
?亚基：在全酶中存在，功能不清楚。
β ’ 亚基,与 DNA模板结合功能。
σ 亚基,识别起始位点。
识别
解链
起始
延伸
终止
1,起始位点的识别
σ 识别正确的启动位点,启动子的结构至少由三部分组
成,-35序列提供了 RNA聚合酶全酶识别的信号； -10序列是
酶的紧密结合位点（富含 AT碱基，利于双链打开）；第三
部分是 RNA合成的起始点。
3’
5’
+1
转录起始点
AACTGT ATATTA
TTGACA TATAAT
5’
3’
－ 35序列
Sextama 框
－ 10序列
Pribnow框
2,转录起始
加入的第一个核苷三磷酸常是 GTP或 ATP。所形成的 启动
子、全酶和核苷三磷酸复合物称为三元起始复合物,第一
个核苷三磷酸一旦掺入到转录起始点,σ 亚基就会被释
放脱离核心酶。
-35 -10 pppG或 pppA
5‘
5‘
3‘
3‘
模板链
E ?
3.链的延伸
以 NTP为原料和能量,DNA模板链为模板,靠核心酶的催
化,核苷酸间通过 3′,5′-磷酸二酯键成核糖核酸链 (RNA)
4,转录终止
转 录终止信号有两种情况
弱终止子,依赖 ρ 因子（终止因子,terminators） 的终
止
NusA蛋白识别 DNA链上的终止信号，在 ρ 因子帮助终止。
强终止子,（ 1 ）在终止点之前具有一段富含 G-C的回
文区域。（ 2）富含 G-C的区域之后是一连串的 dA碱基序
列，它们转录的 RNA链的末端为一连串 U（连续 6个） 。
三、真核生物的转录
作用
酶类
分布
产物
活性
分子量
(KDa)
反应条件
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
核仁
核质
核质
rRNA（ 5.8S、
18S,28S ）
mRNA
tRNA,5S
rRNA
50～ 70％
20～ 40％
10％
500
～ 700
～ 700
低离子强度要
求 Mg2+或
Mn2+
高离子强度
高 Mn2+浓度
1.真核 RNA聚合酶
2,转录
真核 RNA转录基本过程与原核类似，但其产生的 mRNA为
,单顺反子,,只编码一条肽链。
四、转录过程的选择性抑制剂
放线菌素 D 利福平 α －鹅膏蕈碱
原核 抑制 抑制 不抑制
真核 抑制 不抑制 抑制 RNA聚合酶 Ⅱ
五、转录产物的, 加工, （成熟过程）
在细胞内，由 RNA聚合酶合成的原初转录物（ primary
transcript）往往需要一系列的变化，包括链的裂解,5?
和 3?末端的切除和特殊结构的形成、核苷的修饰、以及拼
接和编辑等过程，才转变为成熟的 RNA分子。此过程总称
为 RNA的成熟 或称为 RNA的转录后加工。
原核生物 的 mRNA转录后一般不需要加工，转录的同时
即进行翻译（半寿期短）。
rRNA前体的转录后加工
tRNA前体的加工
真核 mRNA前体的加工
?rRNA前体的加工
? rRNA基因之间以纵向串联的方式重复排列。
? 加工过程,
1、剪切作用：需核酸酶参与。
2、甲基化修饰：修饰在碱基上。
3、自我剪接：一种核酶的作用。
原核 rRNA加工,rRNA含非转录的间隔区，其产物中含 tRNA
真核 rRNA加工,
1.5S自成体系加工少无修饰和剪接。
2.45S加工中含剪切和甲基化修饰，需核酸酶。
大肠杆菌 rRNA前体加工
真核生物 rRNA前体加工
? tRNA前体的加工
? tRNA前体在 tRNA剪切酶的作用下，切成一定在小的
tRNA分子
? 3’末端加上 CCA
? 碱基的修饰：甲基化、脱氨和还原作用
? 真核 mRNA前体的加工
? 剪接（ Splicing） 去除内含子，连接外显子
? 5’帽端结构的生成（如图）
? 3’端多聚 A（ polyA）的附加
六,RNA的复制合成（ RNA指导的 RNA合成）
?噬菌体 Qβ 的 RNA复制两阶段
（ 1）其单链 RNA可充当 mRNA，利用寄主中的核糖体合成 外壳
蛋白 和 RNA复制酶的 β 亚基。
（ 2）复制酶的 β 亚基可与来自寄主细胞的亚基 α ?δ 自动装配
成 RNA复制酶,可进行 RNA的复制，以分子中单链 RNA为模板
（正链），复制出一条新的 RNA链（负链），再复制出 正链,
与外壳蛋白组装成新的噬菌体颗粒。
?某些 RNA病毒可以以自身 RNA为模板进行复制。
?不同的 RNA病毒复制方式不同
5 ? RNA-
5 ?
3 ?
3 ?
RNA+
释放 释放
3? 5 ? 3 ?
3 ?
5 ?
5 ?
RNA+ RNA+
RNA-
?RNA-及 RNA+的合成方向均为 5‘ 3’
本章重点,
1,RNA合成的机制
2,RNA的转录后加工
第七章 蛋白质的生物合成
一、概述
? 基因的遗传信息在转
录过程中从 DNA转移
到 mRNA，再由 mRNA将
这种遗传信息表达为
蛋白质中氨基酸顺序
的过程叫做翻译。
? 合成体系,20种氨基
酸,mRNA,tRNA、核
蛋白体、酶和因子,
以及无机离子,ATP,
GTP 合成方向,N→C
端。
二,参与蛋白质合成的三类 RNA及核糖体
1.rRNA
与蛋白质一起构成核糖体 —— 蛋白质合成, 工厂,
核糖体结构组成
核糖体的基本功能
?结合 mRNA,在 mRNA上选择适当的区域开始翻译
?密码子 （ mRNA） 和反密码子 （ tRNA） 的正确配对
?肽键的形成
存在
核糖体可游离存在, 真核中, 也可同内质网结合, 形成粗糙的内
质网 。 原核中, 与 mRNA形成串状 —— 多核糖体
原核生
物核糖
体组成
真核生
物核糖
体组成
? 2,tRNA
结合氨基酸,一种氨基酸
有几种 tRNA携带，结合
需要 ATP供能,氨基酸结
合在 tRNA3‘-CCA的位臵。
反密码子,每种 tRNA的反
密码子，决定了所带氨
基酸能准确的在 mRNA上
对号入座 。
反密码子与 mRNA的第三个
核苷酸配对时，不严格遵从碱基配对原则
? 3,mRNA
携带着 DNA的遗传信息，是
多肽链的合成模板
在 原核 细胞内，存在时间
短，在转录的同时翻译
在 真核 细胞内，较稳定
? 蛋白质合成时,mRNA结合
于核糖体小亚基上，大亚
基结合带氨基酸的 tRNA，
tRNA的反密码子与 mRNA密
码子配对,ATP供能，合成
蛋白质。
三、遗传密码子
1.密码子
? 为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线
性位臵的三个核苷酸单位称为密码子（ Coden）或
三联体密码。
? 密码子的发现
? 统计学方法
? 人工合成仅由一种核苷酸组成的多聚核苷酸，推测由哪一
种氨基酸合成的多肽
? 核糖体结合试验 1965年,Nirenberg用 poly u加入 C14
标记的 20种 aa,仅有苯丙氨酸的寡肽,UUU=苯丙氨酸,用此
法破译了全部密码，编出遗传密码表。
遗传密码
2,遗传密码子的特点
? 无标点、不重叠 密码子是不重叠的，每个三联体中
的三个核苷酸只编码一个氨基酸，核苷酸不重叠使用噬
菌体 ?x174中某些基因之间有重叠现象
? 简并 (degeneracy) 几种密码子对应于相同一种氨基酸。
这些密码子为同义密码子
? 通用性 绝大多数密码子对各种生物都适用，某些线
粒体中遗传密码有例外
? 终止信号 UAG,UAA,UGA
? 起始信号 AUG（真核中起始为 Met、原核中起始为 fMet,
翻译中间为 Met）和 氨酸的密码子 (GUG)(极少出现）
四、蛋白质生物合成过程
? 以 mRNA为模板，氨基酸经活化获得的氨酰 tRNA为原料，
GTP,ATP供能，在核糖体中完成 。
1.氨基酸的活化
? tRNA在氨基酰 -tRNA 合成酶的帮助下, 能够识别相应
的氨基酸, 并通过 tRNA氨基酸臂的 3'-OH 与氨基酸的
羧基形成活化酯－氨基酰 -tRNA。
? 氨基酰 -tRNA的形成是一个两步反应过程：第一步是氨
基酸与 ATP 作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸； 第二
步是氨基酰基转移到 tRNA 的 3'-OH 端上,形成氨基
酰 -tRNA。
氨基酸活化图示
氨基酸活化的总反应式是,
氨基酰 -tRNA 合成酶
? 氨基酸 + ATP + tRNA + H2O ?? 氨基酰 -tRNA + AMP + PPi
? 每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰 -tRNA 合成酶 。 它
既催化氨基酸与 ATP 的作用,也催化氨基酰基转移到
tRNA。
? 氨基酰 -tRNA 合成酶具有高度的专一性 。 每一种氨基酰 -
tRNA 合成酶只能识别一种相应的 tRNA。
? tRNA 分子能接受相应的氨基酸,决定于它特有的碱基顺
序,而这种碱基顺序能够被氨基酰 -tRNA 合成酶所识别 。
氨基酸的活化
2.在核糖体上合成肽链
? 氨基酰 -tRNA通过反密码臂上的三联体反密码
子识别 mRNA上相应的遗传密码, 并将所携带的
氨基酸按 mRNA遗传密码的顺序安臵在特定的位
臵, 最后在核糖体中合成肽链 。
肽链的合成过程（以原核为例）
? 起始
? 延伸
? 终止与释放
肽链合成的起始
起始密码的识别
首先辨认出 mRNA链上的起
始点（ AUG），核糖体小
亚基上的 16S rRNA和 mRNA
的 SD序列（位于起始位点
上游 4－ 13个核苷酸）结
合
N－甲酰甲硫氨酸－ tRNA
的活化形成
起始复合物的形成 （图示）
肽链的延长
进位 （氨酰 tRNA进入 A位点）
参与因子：延长因子 EFTu（ Tu）,EFTs（ Ts）、
GTP、氨酰 tRNA
肽链的形成
肽酰基从 P位点转移到 A位点，形成新的肽链
移位 （ translocase）
在移位因子（移位酶） EF－ G的作用下，核糖体沿
mRNA（ 5’-3’）作相对移动，使原来在 A位点的肽酰
－ tRNA回到 P位点
核糖体移动方向
P位
点
A位
点
进位
核糖体移位
肽链的形成
延长过程中肽链的生成
肽基转移酶
肽
链
的
延
伸
过
程
肽链合成的终止与释放
识别 mRNA的终止密码子，水解所
合成肽链与 tRNA间的酯键，释放
肽链
R1识别 UAA,UAG
R2识别 UAA,UGA
R3影响肽链的释放速度
RR帮助 P位点的 tRNA残基脱落，而
后核糖体脱落
多核糖体
? 在细胞内一条 mRNA链上结合着多
个核糖体，甚至可多到几百个。
蛋白质开始合成时，第一个核糖
体在 mRNA的起始部位结合，引入
第一个蛋氨酸，然后核糖体向
mRNA的 3’端移动一定距离后，第
二个核糖体又在 mRNA的起始部位
结合，现向前移动一定的距离后，
在起始部位又结合第三个核糖体，
依次下去，直至终止。每个核糖
体都独立完成一条多肽链的合成，
所以这种多核糖体可以在一条
mRNA链上同时合成多条相同的多
肽链，这就大大提高了翻译的效
率
五、真核细胞蛋白质合成的特点
? 核糖体为 80S，由 60S的大亚基和 40S的小亚基组成
? 起始密码 AUG
? 起始 tRNA为 Met－ tRNA
? 起始复合物 结合在 mRNA 5’端 AUG上游的 帽子结构,真
核 mRNA无富含嘌呤的 SD序列（除某些病毒 mRNA外）
? 已发现的真核起始因子有近 9种（ eukaryote Initiation
factor,eIF） eIF4A.eIF4E.P220复合物称为帽子结构结合
蛋白复合物（ CBPC）
? 肽链终止因子（ EF1α EF1βγ ）及释放因子（ RF）
线粒体、叶绿体内蛋白质的合成同于原核细胞
蛋白质合成过程小结
? 肽链合成方向 N C（同位素证明）
? 以 mRNA的 5’-3’方向阅读遗传密码
? 该合成过程是一个耗能过程
肽链的起始需要 5ATP，延长时只需 4ATP，合成一个 n肽
所需能量 4× n＋ 1 ATP，原核生物中，肽链的终止不需
GTP，则合成 n肽所需能量 3× n＋ 1
六、肽链合成后的“加工处理”
1,N端改造 fMet的切除
2,信号肽 （能透膜，进行蛋白质的锚定）的切除
3,氨基酸的修饰 /改造
肽链内或肽链间的二硫键的形成、乙酰化、甲基化
氨基酸残基的修饰（ Pro-OH/Cys-OH）
4.糖基化 （ Asp,Ser,Thr,Asn）
5,某些多肽要经特殊 的酶切一段肽链 后才有生物活性 (如：
胰岛素 )
6,高级结构的形成 在分子伴侣的协助下形成正确的结构
7.锚定（定位）
七、蛋白质生物合成的调节
1.转录水平调节
2.转录后水平调节
3.翻译水平调节
蛋白质合成抑制剂,
抗生素类阻断剂
a,链霉素、卡那霉素、新霉素等，主要抑制革兰氏阴性
细菌蛋白质合成的三个阶段：① 50S起始复合物的形
成，使氨基酰 tRNA从复合物中脱落；②在肽链延伸阶
段，使氨基酰 tRNA与 mRNA错配；③在终止阶段，阻碍
终止因了与核蛋白体结合，使已合成的多肽链无法释
放，而且还抑制 70S核糖体的介离。
? b.四环素和土霉素
? c.氯霉素
? d.白喉霉素（ diphtheria toxin）
由白喉杆菌所产生的白喉霉素是真核细胞蛋白质合成抑制剂。它对
真核生物的延长因子 -2（ EF-2）起共价修饰作用，生成 EF-2腺苷
二磷酸核糖衍生物，从而使 EF-2失活，它的催化效率很高，只需
微量就能有效地抑制细胞整个蛋白质合成，而导致细胞死亡
? e.亚胺环己酮（放线菌酮）
只抑制真核 60S亚基的肽酰转移酶活性
干扰素对病毒蛋白合成的抑制
本章重点,
1,遗传密码的特性
2,蛋白质生物合成的一般过程
第一节 酶通论
第二节 酶促反应动力学
第三节 酶的作用机制
第四节 酶的活性调节
第一节 酶通论
一、酶的研究历史
? 1857巴斯德提出酒精发酵是 酵母细胞活动的结果 。
1分子 Glc→ 2分子乙醇 +2分子 CO2 从 Glc开始，
经过 12种酶催化,12步反应，生成乙醇。
? 1897Buchner兄弟证明发酵与细胞的活动无关，
不含细胞的酵母汁也能进行乙醇发酵 。
? 1913Michaelis和 Menten提出 米氏学
说 — 酶促动力学原理。
? 1926Sumner首次从刀豆中提出脲酶结
晶，并 证明具有蛋白质性质 。
? 1930年 Northrop等得到了胃蛋白酶、
胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶，并进
一步证明了 酶是蛋白质 。
J.B.Sumner J.H.Northrop
? 1969 化学合成核糖核酸酶 。
? 1967-1970 从 E.coli 中发现第 I,第 II类限制性
核酸内切酶 。
20世纪 80年代发现 某些 RNA有催化活性，
还有 一些抗体也有催化活性,甚至 有些 DNA
也有催化活性,使酶是蛋白质的传统概念受
到很大冲击。
· 某些 RNA有催化活性 （ ribozyme，核酶）
1982年美国 T,Cech等人发现四膜虫的 rRNA前
体能在完全没有蛋白质的情况下进行自我加工，发
现 RNA有催化活性 。
Thomas Cech
University of Colorado at
Boulder,USA
· 1983年美国 S.Altman等研究 RNaseP（由 20%蛋
白质和 80%的 RNA组成），发现 RNaseP中的
RNA可催化 E,coli tRNA的前体加工。
Sidney Altman
Yale University New
Haven,CT,USA
Cech和 Altman各自独立地发现了 RNA的催化活
性，并命名这一类酶为 ribozyme（核酶）, 2人共
同获 1989年诺贝尔化学奖。
1,Cell vol 31,147～ 157,1982年。
2,Sci,Amer,Vol 255,64～ 75,1986。
· 抗体酶（ abzyme）
抗体：与抗原特异结合的免疫球蛋白。
抗体酶：指具有催化功能的抗体分子，在抗体分子的可变区
（即肽链的 N端）是识别抗原的活性区域，这部分区
域被赋予了酶的属性。
1986年美国 Schultz和 Lerner两个实验室同时在 Science上
发表论文，报道他们成功地运用单克隆抗体技术制备了具有
酶活性的抗体（ catalytic antibody）。
· 有些 DNA也有催化活性 （脱氧核酶,Deoxyribozyme ）
1995年 Cuenoud等发现有些 DNA分子亦
具有催化活性。
酶及生物催化剂概念的发展
……
克隆酶、遗传修饰酶
蛋白质工程新酶
生物催化剂
（ Biocatalyst）
蛋白质类,Enzyme
(天然酶, 生物工程酶 )
核酸类,Ribozyme ; Deoxyribozyme
模拟生物催化剂
二、酶的概念
酶 是一类由活性细胞产生的具有催化作
用和高度专一性的特殊 蛋白质或核酸 。
简单说，酶是一类由活性细胞产生的 生
物催化剂 。
三、酶作为生物催化剂的特点
1．高效性
2．专一性
3．反应条件温和
4,酶的催化活性可调节控制
? 酶的催化效率比化学催化剂高 107 -1013 倍，比
非催化反应高 108 -1020 倍。
? 例如：过氧化氢分解
2H2O2 2H2O + O2
用 Fe+ 催化，效率为 6× 10-4 mol/mol· S,而用
过氧化氢酶催化，效率为 6 × 106 mol/mol· S。
? 用 ?-淀粉酶催化淀粉水解,1克结晶酶在 65?C条
件下可催化 2吨淀粉水解。
1．高效性
E+S
P+ E
ES
能量
水平
反应过程
?G
?E1
?E2
转换数 （ turnover number,TN or kcat）,
每秒钟或每分钟，每个酶分子转换底物的分子
数，或每秒钟或每分钟每摩尔酶转换底物的摩尔
数。
即酶只能对特定的一种或一类底物起作用，这种
专一性是由酶蛋白的立体结构所决定的。可分为,
绝对专一性：有些酶只作用于一种底物，催化一个
反应,而不作用于任何其它物质。
相对专一性：这类酶对结构相近的一类底物都有作
用。包括 键专一性和基团专一性 。
立体异构专一性：这类酶不能辨别底物不同的立体异构
体，只对其中的某一种构型起作用，而
不催化其他异构体。包括 光学专一性
和几何异构专一性 。
2．专一性
? 基团 (group)专一性。 如 ?-葡萄糖苷酶，
催化由 ?-葡萄糖所构成的糖苷水解，但
对于糖苷的另一端没有严格要求。
? 键 (Bond)专一性。如酯酶催化酯的水解，
对于酯两端的基团没有严格的要求。
相对专一性
? 酶促反应一般在常温、常压、中性 pH
条件下进行。
? 高温或其它苛刻的物理或化学条件，
将引起酶的失活。
3．反应条件温和
4.酶的催化活性可调节控制
如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈
调节、酶原激活及激素控制等。
某些酶催化活力与辅酶、辅基及金属
离子有关 。
（一）根据酶的化学组成分类,
1 单纯酶,只含有蛋白质成分，如,脲酶、溶菌
酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等。
2 结合酶,含有蛋白成分（酶蛋白） 决定酶的专一性
和非蛋白成分（辅助因子） 传递电子、原子或某
些化学基团（决定反应类型）。
四、酶的分类
全酶 = 酶蛋白 + 辅助因子
辅助因子
与酶蛋白结合比较疏松的小分子有机物。
与酶蛋白结合紧密的小分子有机物。
金属离子作为辅助因子。 金属离子
辅酶
辅基
酶蛋白和辅助因子单独存在均无催化活性，只有二者
结合为全酶才有催化活性。
? 参与的酶促反应主要为氧化 -还原反
应或基团转移反应 。
? 大多数辅酶的前体主要是水溶性 B
族维生素。许多维生素的生理功能
与辅酶的作用密切相关。
辅酶在酶促反应中的作用特点
? 辅酶在催化反应过程中, 直接参加了反应 。
? 每一种辅酶都具有特殊的功能, 可以特定地催
某一类型的反应 。
? 同一种辅酶可以和多种不同的酶蛋白结合形成
不同的全酶 。
? 一般来说, 全酶中的辅酶决定了酶所催化的类
型 （ 反应专一性 ）, 而酶蛋白则决定了所催化
的底物类型 （ 底物专一性 ） 。
（二）根据酶蛋白结构特点分类
? 单体酶,由一条或多条共价相连的肽链组成的酶分子。
一般为水解酶。
? 寡聚酶, 由两条或多条肽链组成的酶分子。 为大多数
酶。
? 多酶复合体,由多种酶彼此镶嵌成的复合体,它们相
互配合依次进行,催化 连续的 一系列 相关 反应。 丙酮
酸脱氢酶复合体。
? 多功能酶,一条多肽链上含有两种或两种以上催化活
性的酶，往往是基因融合的产物。 脂肪酸合成酶。
五、酶的命名
（ 1）习惯命名方法
1.根据作用 底物 来命名，如 淀粉酶, 蛋白酶 等。
2.根据所催化的 反应的类型 命名，如 脱氢酶, 转
移酶 等。
3.两个原则结合起来命名，如 丙酮酸脱羧酶 等。
4.根据酶的 来源或其它特点 来命名，如 胃蛋白酶、
胰蛋白酶 等。
(2)国际系统命名法
系统名称包括底物名称、构型、反应性质。
例如,
酶催化的反应,
谷氨酸 + 丙酮酸 ?-酮戊二酸 + 丙氨酸
习惯名称,谷丙转氨酶
系统名称,丙氨酸,?-酮戊二酸氨基转移酶
(3)酶的国际分类法及编号
国际 酶学委员会根据酶催化的反应类型，将
酶分为六大类，分别用 1,2,3,4,5,6
的编号来表示。
? 氧化 -还原酶催化氧化 -还原反应。
? 主要包括脱氢酶 (dehydrogenase)和氧化酶
(Oxidase)。
? 如,乳酸 (Lactate)脱氢酶催化乳酸的脱氢反应。
C H 3 C H C O O H
O H
N A D + H +C H 3 C C O O H
O
N A D H
1 氧化 -还原酶
Oxidoreductase
AH2 + B（ O2） + BH2（ H2O2,H2O） A
? 转移酶催化基团转移反应，即将一个底物分子的
基团或原子转移到另一个底物的分子上。
例如,谷丙转氨酶催化的氨基转移反应。
C H 3 C H C O O H
N H 2
H O O C C H 2 C H 2 C C O O H
O
H O O C C H 2 C H 2 C H C O O H
N H 2
C H 3 C C O O H
O
2 转移酶 Transferase
?A·X + B A +B·X
? 水解酶催化底物的加水分解反应。
? 主要包括淀粉酶、蛋白酶、核酸酶及脂酶等。
? 例如，脂肪酶 (Lipase)催化的脂的水解反应,
3 水解酶 hydrolase
H 2 OC O O C H
2 C H 3R R C O O H C H 3 C H 2 O H
AOH+BH AB + H2O
? 裂合酶催化从底物分子中移去一个基团或
原子形成双键的反应及其逆反应。
? 主要包括醛缩酶、水化酶及脱氨酶等。
? 例如,延胡索酸水合酶催化的反应。
H O O C C H = C H C O O H H 2 O H O O C C H 2 C H C O O H
O H
4 裂合酶 Lyase
AB A+B
? 异构酶催化各种同分异构体的相互转化，即
底物分子内基团或原子的重排过程。
例如,6-磷酸葡萄糖异构酶催化的反应。
O
C H 2 O H
O H
O H
O H
O H O
C H 2 O H C H 2 O H
O H
O H
O H
5 异构酶 Isomerase
A B
常见的有消旋和变旋、醛酮异构、顺反异构和变位酶类 。
? 合成酶，又称为连接酶，能够催化 C-C,C-O、
C-N 以及 C-S 键的形成反应。 这类反应必须与
ATP分解反应相互偶联 。
? A + B + ATP + H2O ===AB + ADP +Pi
? 例如，丙酮酸羧化酶催化的反应,
丙酮酸 + CO2 + ATP + H2O ? 草酰乙酸 + ADP +Pi
6 合成酶 Ligase or Synthetase
? 核酶是唯一的非蛋白酶。它是一类特殊的 RNA，
能够催化 RNA分子中的磷酸酯键的水解及其逆反
应。
3'3'
3'3'3'
3'3'3'3'
3'
5'5'5'5'
5'
5'5'5'5'5'
BBBBB
PP P
+
P O HPP
BBBB
PPPP
P
B
P
7 核酶（催化核酸） ribozyme
乳酸脱氢酶 EC 1,1,1,27
第 1大类，氧化还原酶
第 1亚类，氧化基团 CHOH
第 1亚亚类,H受体为 NAD+
该酶在亚亚类中的顺序编号
每个酶都有一个有四个数字组成的编号
六,酶活力 的测定
1.酶活力,又称为酶活性，指 酶催化一定化学
反应的能力 。通常 以在一定条件下酶所催化的
化学反应 (初 )速度来表示 。
因此酶活力可用 单位时间内底物的减少量或 产
物的增加量 表示,单位为浓度 /单位时间。
研究酶促反应速度, 以酶促反应的初速度
为准 （ 底物消耗低于 5%） 。
酶促反应的速度曲线
2.酶活力测定的基本原理
一般对酶的测定不是直接测定其酶蛋白浓度,
而是测定其催化化学反应的能力。这是基于
①在最优化条件下 (最适温度、最适 pH、最适缓冲液等 ),
②当底物足够（过量,[S]>>[E] ）,
③在酶促反应的初始阶段,
酶促反应的速度（初速度）与酶的浓度成正比
（即 V=K［ E］）。故酶活力测定的是化学反应速度,
一定条件下可代表酶活性分子浓度。
3.酶活力的表示方法
(1)酶活力单位 U （ Unit）, 是衡量酶活力大小的计量单位,
又称 酶单位,规定条件（最适条件）下一定时间内催化完
成一定化学反应量所需的酶量。
① 国际单位 IU,1961年,在 最适条件 下每分钟 转化 1μ mol
底物 所需要的酶量为一个酶活力单位。
即 1IU= 1μ mol/min
② 国际单位 Kat,1972年，指在最适条件下 1秒钟内转化 1mol
底物所需的酶量。
即 1 Kat=1mol/s
Kat和 IU的换算关系, 1 Kat=6× 107 IU,
1 IU =16.67n Kat
③ 习惯单位,
在实际使用中,不同酶有各自的规定,如,
糖化酶活力单位,在规定条件下,每小时转化可溶性淀粉
产生 1mg还原糖 (以葡萄糖计 )所需的酶量为 1个酶单位。
蛋白酶活力单位：规定条件下，每分钟分解底物酪蛋白
产生 1μ g酪氨酸所需的酶量。
(2)比活力（ specific activity）
酶的比活力（比活性）：每单位（一般是 mg）蛋白质中
的酶活力单位数（酶单位 /mg蛋白）。
实际应用中也用每单位制剂中含有的酶活力数表示（如：酶
单位 /mL（液体制剂），酶单位 /g（固体制剂））,
对同一种酶来讲，比活力愈高则表示酶的纯度越高 （含杂质
越少），所以 比活力是评价酶纯度高低的一个指标 。
在评价纯化酶的操作方法是优劣时，要同时考虑两个概念,
纯化倍数与回收率
纯化倍数 =某纯化操作后的比活力 /第一步操作后的比活力
回收率 =某纯化操作后的总活力 /第一步操作后的总活力
总活力＝单位体积的酶活力 (U/ml)× 分离溶液总体积 (ml)
第二节 酶促反应动力学
酶促反应动力学是研究 酶促反应的速度 以及
影响酶反应速度的各种因素 的科学。
影响酶反应速度的因素有,
底物浓度、酶浓度、温度,pH值、激活剂、抑制剂等。
? 在低底物浓度时,反应速
度与底物浓度成正比，为
一级反应。
? 底物浓度增大与速度的增
加不成正比,为混合级反应,
? 当底物浓度达到一定值，
几乎所有的酶都与底物结
合后，反应速度达到最大
值（ V max），此时再增加
底物浓度，反应速度不再
增加，表现为零级反应。
一,底物浓度对酶促反应速度的影响
(一 )V-S曲线
底物浓度对酶促反应初速度的影响
V 初
V max
? 1913年，德国化学家 Michaelis和 Menten根据 中
间产物学说 对酶促反应的动力学进行研究，推
导出了表示整个反应中底物浓度和反应速度关
系的著名公式，称为 米氏方程 。
V=
V m a x [ S ]
K m + [ S ]
（二）米氏方程
根据中间产物学说，酶促反应分两步进行,
? 米氏方程的推导,
米氏方程
V=
V m a x [ S ]
K m + [ S ]
?当反应速度等于最大速度
一半时,即 V = 1/2 Vmax,
Km = [S]
?上式表示,米氏常数是反应
速度为最大值的一半时的底
物浓度。
?因此,米氏常数的单位为
mol/L。
（三）米氏常数的意义及测定
Km — 米氏常数
Vmax — 最大反应速度
米氏常数 Km的意义
? 不同的酶具有不同 Km值，它是酶的一个重
要的特征物理常数。
? Km值只是在固定的底物，一定的温度和 pH
条件下，一定的缓冲体系中测定的，不同
条件下具有不同的 Km值。
? Km值表示酶与底物之间的亲和程度,Km值
大表示亲和程度小，酶的催化活性低 ; Km
值小表示亲和程度大,酶的催化活性高。
米氏常数的测定
基本原则, 将米氏方程变化成相当于 y=ax+b的
直线方程, 再用作图法求出 Km。
例,双倒数作图法 （ Lineweaver-Burk法 ）
米氏方程的双倒数形式,
1 Km 1 1
??? = ?? ? ??? + ??
V Vmax [S] Vmax
取米氏方程式的倒数形式,
-4 -2 0 2 4 6 8 10
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1/[S ](1/m m ol,L
-1
)
1/v
1/Vmax
斜率 =Km/Vmax
-1/Km
?米氏常数 Km的 测定,
酶的 Km在实际应用中的意义
? 鉴定酶：通过测定 Km，可鉴别不同来源或相同来
源但在不同发育阶段，不同生理状态下催化相同
反应的酶是否是属于同一种酶。
? 判断酶的最适底物（天然底物） 。
? 计算一定速度下底物浓度。
? 了解酶的底物在体内具有的浓度水平。
? 判断反应方向或趋势。
? 判断抑制类型。
二、酶浓度对酶反应速度的影响
在有足够底物和其他条件不变的情况下，反应速度
与酶浓度成正比 。
当 [S]>>[E]时,V=K3× [E]
0
酶 浓 度
反
应
速
度
三、温度对酶反应速度的影响
? 一方面是温度升高,酶
促反应速度加快。
? 另一方面,温度升高,酶
的高级结构将发生变化
或变性，导致酶活性降
低甚至丧失。
? 因此大多数酶都有一个
最适温度。 在最适温
度条件下,反应速度最
大。
最适温度不是一个固定的常数,它随底物的种类、
浓度,溶液的离子强度,pH,反应时间等的影响。
例, 反应时间短，最适温度高。
反应时间长，最适温度低。
四,pH对酶反应速度的影响
1．酶反应的最适 pH（ optimum pH）
反
应
速
度
p H
最 适 p H
6 8 1 0
0
酶的最适 pH也不是一个固定的常数,它受到
底物的种类、浓度 ; 缓冲液的种类、浓度 ; 酶的纯
度 ;反应的温度、时间等的影响。
例, 碱性磷酸酶催化磷酸苯酯水解时
[s]为 2.5x10-5 M，最适 pH为 8.3
[s]为 2.5x10-2 M，最适 pH为 10.0
2,pH影响反应速度的原因
( 1 ) pH影响了酶分子、底物分子和 ES复合物的
解离状态。
( 2 ) 过高、过低的 pH导致酶蛋白变性。
五、激活剂对酶反应速度的影响
酶的激活剂
1,无机离子 （ 1）一些金属离子，如 Na+,K+,Mg2+,Ca2+,
Cu2+,Zn2+,Fe2+等。
（ 2）阴离子：如 Cl-,Br-,I-,CN- 等
（ 3）氢离子
凡能提高酶活力的物质都是酶的激活剂。如：
Cl-是唾液淀粉酶的激活剂。
2,有机分子 还原剂：抗坏血酸、半胱氨酸、谷胱甘肽
金属螯合剂,EDTA
激活酶原的酶
六、抑制剂对酶活性的影响
? 使酶的活性降低或丧失的现象，称为酶的抑制作
用。能够引起酶的抑制作用的化合物则称为抑制
剂。抑制剂并非变性剂，抑制剂具有不同程度的
选择性。
? 酶的抑制剂一般具备两个方面的特点,
a.在化学结构上与被抑制的底物分子或底物的过
渡状态相似。
b.能够与酶以非共价或共价的方式形成比较稳定
的复合体或结合物。
抑制剂类型和特点
竞争性抑制剂
可逆抑制剂 非竞争性抑制剂
反竞争性抑制剂
非专一性不可逆抑制剂
不可逆抑制剂
专一性不可逆抑制剂
抑制作用的类型,
(一 )不可逆抑制作用,
抑制剂与酶反应中心的
活性基团以 共价 形式 结
合,引起 酶的永久性失
活 。如有机磷毒剂二异
丙基氟磷酸酯。
（二）可逆抑制作用 (reversible inhibition)
及其动力学
E+I EI
抑制剂与酶蛋白以 非共价方式结合,引起酶活
性暂时性丧失。抑制剂 可以通过透析等方法被
除去,并且能部分或全部恢复酶的活性。根椐
抑制剂与酶结合的情况，又可以分为三类。
1,竟争性抑制
某些抑制剂的化学结构与
底物相似，因而能与底物
竟争与酶活性中心结合。
当抑制剂与活性中心结合
后，底物被排斥在反应中
心之外，其结果是酶促反
应被抑制了。
+
I
EI
ES P+ E E+S
竞争性抑制作用
实例：磺胺药物的药用机理
H2N- -SO2NH2
对氨基苯磺酰胺
H2N- -COOH
对氨基苯甲酸
对氨基苯甲酸 谷氨酸 蝶呤
叶酸
例, 丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用
C O O -
C O O -
C O C O O -
C H 2 C O O -
C H 2 C O O -
C H 2
C H 2 C O O -
草 酸 草 酰 乙 酸 戊 二 酸
此酶的竞争性抑制剂还有,
竞争性抑制作用特点,
1）竞争性抑制剂的结构与底物结构十分相似，
二者竞争酶的结合部位。
4） Vmax不变,Km增大 2
） 抑制程度取决于 I和 S
的浓度以及与酶结合的
亲和力大小。
[S]
v
V/2
km km ′
无 I
有 I
3） 可以通过增大底物
浓度，即提高底物的竞
争能力来消除。
2,非竟争性抑制
? 酶可同时与底物及抑制剂结合，引起酶分子构象变
化，并导致酶活性下降。抑制剂与活性中心以外的
基团结合，不与底物竞争酶的活性中心，所以称为
非竞争性抑制剂。
? 如某些金属离子（ Cu2+,Ag+,Hg2+）以及 EDTA等，
通常能与酶分子的调控部位中的 -SH基团作用，改
变酶的空间构象，引起非竞争性抑制。
非竞争性抑制作用
+
I
EI+S ESI
ES P+ E E+S
+
I
实例：重金属离子（ Cu2+,Hg2+,Ag+,Pb2+）
金属络合剂（ EDTA,F-,CN-,N3-）
非竞争性抑制特点,
1）抑制剂与底物结构不相似，抑制剂与酶活性
中心以外的基团结合。
2） Vm下降,Km不变
3）非竟争性抑制不能通过增大底物浓度的方法
来消除 。
[S]
v 无 I
V/2
km
有 I
(′)
3、反竞争性抑制作用
ESI
ES P+ E E+S
+
I
酶只有在与底物结合后，才能与抑制剂结合，引起酶
活性下降。
反竞争性抑制特点,
1）抑制剂与酶和底物的复合物结合。
2） Km和 Vm下降
3）底物浓度增加，抑制作用加强。
有无抑制剂存在时酶促反应的动力学方程
表观
第三节 酶的作用机制
酶
活
性
中
心
结合 部位, 与 底物结合,使底物与酶的一定构象形成复
合物,决定酶的专一性。
催化 部位, 影响底物中某些化学键的稳定性,催
化底物转变成产物的部位,决定酶的催
化效率和催化 反应的性质。
一、酶的活性中心
1,活性中心, 酶分子中结合底物并起催化作用的
少数氨基酸残基形成的一定空间结构。
包括 底物结合部位 和 催化部位 。
? 结合部位 (Binding site)：酶分子中与底物结合的部
位或区域 。
酶活性中心的特点
酶活性中心的特点
a,酶的活性中心只有几个氨基酸组成，多为极性氨基酸。
b,酶的活性中心是一个三维实体结构，活性中心的几个氨基酸
残基在一级结构上可能相距很远，甚至位于不同肽链上，通
过肽链的盘绕折叠而在空间结构上相互靠近，形成一个能与
底物结合并催化底物形成产物的位于酶蛋白分子表面的特化
的空间区域。
c,酶的活性中心与底物的结合通过次级键。
d,酶的活性中心具有柔性，可与底物诱导契合发生相互作用。
e,酶的活性中心位于酶分子表面的”空穴“中，为非极性环境。
2.必需基团,在酶分子中有一些 基团对维持 酶
活性中心应有的空间构象及发挥正常的 催化 活
性是必需的，若将这些基团改变后会导致酶的
催化活性减弱甚至丧失，这些基团称为必需基
团。
活性中心内外都可以有必需基团。
酶
必需基团
非必需基团
活性中心
活性中心外基团
结合基团
催化基团
二、酶作用专一性的机制
酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有
催化活性的手性中心，这些手性中心对底物
分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反
应可以按单一方向进行。
1,锁 钥 学 说
锁钥学说,
? 认为整个酶分子的天然构象是具有
刚性结构的，酶表面具有特定的形
状。酶与底物的结合如同一把钥匙
对一把锁一样。
2,诱导契合学说
诱导契合学说
? 该学说认为酶表面并没有一种与底物互
补的固定形状，而只是由于底物的诱导
才形成了互补形状,
E+S
P+ E
ES
能
量
水
平
反应过程
?G
?E1
?E2
酶（ E）与底物（ S）
结合生成不稳定的中间
物（ ES），再分解成产
物（ P）并释放出酶，使
反应沿一个低活化能的
途径进行，降低反应所
需活化能，所以能加快
反应速度。
E + S E-S ??? P + E
（一） 中间产物学说
三、酶作用高效性的机制
（二）影响酶催化效率的有关因素
1,邻近效应和定向效应
在酶促反应中，底物分子结合到酶的活性中心,
? 一方面底物在 酶活性中心的有效浓度大大增加,
有利于提高反应速度；
? 另一方面，由于活性中心的立体结构和相关基
团的诱导和定向作用，使底物分子中 参与反应
的基团相互接近,并被严格 定向定位,使酶促
反应具有高效率和专一性特点。
邻 近 定 向 效 应
? 底物与酶结合诱导酶的分子构象变化，变化的酶分子
又使底物分子的敏感键产生, 张力, 甚至, 形变,,
从而促使酶－底物中间产物进入过渡态。
2., 张力, 与, 形
变,
? 酶分子中的广义酸、碱基团通过提供部
分质子或接受部分质子的作用，达到降
低反应活化能的作用 。
3,酸－碱催化
His 是酶的酸碱催化作用中最活泼的一个催化
功能团。
4,共价催化
? 催化剂通过与底物形成反应活性很高的 共
价过渡产物,使反应活化能降低，从而提
高反应速度的过程，称为共价催化 。
? 某些辅酶，如焦磷酸硫胺素和磷酸吡哆醛
等也可以参与共价催化作用。
5,金属离子催化作用
? 金属离子可以和水分子的 OH-结合，
使水显示出更大的亲核催化性能。
? 提高水的亲核性能
? 电荷屏蔽作用
? 电荷屏蔽作用是酶中金属离子的一个重要功能。
? 多种激酶 (如磷酸转移酶 )的底物是 Mg2+－ ATP复合
物。
? 电子传递中间体
? 许多氧化 -还原酶中都含有铜或铁离
子，它们作为酶的辅助因子起着传
递电子的功能。
6.酶活性中心的疏水环境效应
第四节 酶的活性调节
酶的活性调节包括两个方面,
调节酶浓度,
酶的诱导与阻遏、酶的选择性降解
调节酶活性,
别构调节、可逆的共价修饰、酶原激
活、同工酶形式的调节。
一、别构调节（ allosteric regulation）
1,别构调节
当酶分子与某些化合物非共价结合后发生构象改变,从
而引起酶活性的变化，这种调节称别构调节。受别构调节
的酶称 别构 酶（或变构酶），引起酶的活性受到别构调节
的化合物称效应物（或别构剂）。
正 效应物 —— 别构激活
负效应物 —— 别构抑制
具有类似血红蛋白那样的别构效应！
酶的别构（变构）效应示意图
效应物
别
构
中
心
活性
中心
（ 1）一般是 寡聚酶,由多亚基组成。
（ 2）具有活性中心和 别构中心,它们位于不同的亚基或同
一亚基的不同部位上。
（ 3）多数别构酶不止一个活性中心,活性中心间有协同效
应,酶和一个配体（底物，调节物）结合后可以影响
酶和另一个配体（底物）的结合能力 ；有的别构酶
不止一个别构中心，可以接受不同化合物的调节。
（ 4） 不遵循米氏方程,动力学曲线为 S型（正协同效应）或表
观双曲线（负协同效应）
2.别构酶的特点
别构酶与非调节酶动力学曲线的比较
?别构酶举例：天冬氨酸转氨甲酰酶，简称 ATCase
ATCase的结构及其别构作用
无催化活性构象 (T-型 )
C
C
C C
C C
R R R R R R
有催化活性构象 (R-型 )
C C C
C C C
R R R R R R
ATP（正效应剂）
CTP（负效应剂）
C C C
C C C
R
汞 盐
完 整 的
催 化 亚 基 调 节 亚 基
C C C
C C C
+
（ 三 聚 体 ） （ 二 聚 体 ）（ 活 性 ）
A T C a s e
R R R R R
R R R R R R
相同（均为底物）：同促效应（ homotropic effect）
不同（效应调节物）：异促效应 （ heterotropic effect）
根据配体结合
后对后继配体
的影响
根据配体性质
正协同效应 （ positive cooperative effect）
负协同效应 （ negative cooperative effect）
3,别构酶调节酶活性的机理
a,齐变模型 (MWC模型）
该模型的要点,
b,序变模型（ sequential model，也称 KNF模型）
该模型的要点,
二、共价调节酶（ covalently modulated enzymes）
常见的是 磷酸化 /脱磷酸化,腺苷酰化 /脱
腺苷酰化，乙酰化 /脱乙酰化，尿苷酰化 /脱
尿苷酰化，甲基化 /脱甲基化,S-S/SH相互
转变，共 6种类型。
共价调节酶：酶分子被其他酶催化进行可逆的共
价修饰，从而引起酶活性的改变。
共价调节酶最典型的例子是动物组织的 糖原磷酸化酶
磷酸化酶
磷酸酶 磷酸化酶激酶
磷酸化酶 a
（有活性）
磷酸化酶 b
（无活性）
磷酸化酶 a和磷酸化酶 b的转变过程
+
三,酶原及酶原的激活
1,酶原（ zymogen）,酶无活性的前体。
2,酶原的激活,从无活性的酶原转变为有活性
的酶的过程。
4,酶原激活的 本质, 酶原的激活实质上是 酶活
性部位形成或暴露的过程 。
3,激活 剂,能使无活性的酶原激活的物质。
胰蛋白酶原
胰蛋白酶
六肽
肠
激
酶
活性中心
胰蛋白酶原的激活示意图
胰蛋白酶原
胰蛋白酶
六肽 肠
激
酶
胰蛋白酶对各种胰脏蛋白酶的激活作用
胰凝乳蛋白酶原
胰凝乳蛋白酶
弹性蛋白酶原
弹性蛋白酶
羧肽酶原 羧肽酶
5,酶原存在的意义
消化道内蛋白酶以酶原形式分泌，避免细胞产
生的蛋白酶对细胞进行自身消化，并使酶在特
定部位和环境中发挥作用；此外，酶原可视为
酶的储存形式，如凝血和纤维蛋白溶解酶类以
酶原的形式在血液循环中运行，一旦需要便转
化为有活性的酶。
四,同工酶 ( isoenzyme )
同工酶：能 催化相同的化学反应,但在蛋白质 分
子的结构、理化性质和免疫性能 等方面
都 存在明显差异 的 一组酶 。
同工酶存在于同一种属或同一个体的不同组织或同
一细胞的不同亚细胞结构中，在生长发育的不同时
期和不同条件下，都有不同的同工酶分布。
来源：由 不同基因或等位基因编码 的不同多肽链所
组成；或由 同一基因转录生成的不同 mRNA翻
译 的不同多肽链组成；或由相同多肽链的 不同
亚基组合方式 所组成。
活性中心相似或相同：催化同一化学反应。
分子结构不同：理化性质和免疫学性质不同。
乳酸脱氢酶 （ LDH),由 H和 M两种亚基组成的四
聚体，有五种同工酶。
M
M
M M
M
M4
H M
M M
M3H
M M
H H
M2H2
M
H
H
H
MH3
H H
H H
H4
H
LDH5 LDH4 LDH3 LDH2 LDH1
骨肌型
心肌型
在骨骼肌中占优势，
富含碱性氨基酸 在心肌中占优势，富含酸性氨基酸
不同组织中 LDH同工酶的电泳图谱
LDH1(H4)
LDH2(H3M)
LDH3(H2M2)
LDH4(HM3)
LDH5(M4)
心肌 肾 肝 骨骼肌 血清
-
+
点样槽位置
乳酸脱氢酶同工酶形成示意图
多肽
亚基
mRNA
四聚体
结构基因 a b
乳酸 丙酮酸
LDH5
骨骼肌,
乳酸 丙酮酸 心肌,
LDH1
丙酮酸 乳酸
乳酸脱氢酶
同工酶存在的意义
同工酶可能是机体对环境变化或代谢变化的一
种调节方式，当一种同工酶受到抑制或破坏时，
其他同工酶仍起作用，从而保证代谢的正常进
行。
同工酶在各学科中的应用
(1) 遗传学和分类学,提供了一种精良的判别遗传标志的工具。
(2) 发育学,有效地标志细胞类型及细胞在不同条件下的分化情
况，以及个体发育和系统发育的关系。
(3) 生物化学和生理学,根据不同器官组织中同工酶的动力学,
底物专一性、辅助因子专一性、酶的变构性等性质的差异,
从而解释它们代谢功能的差别。
（ 4） 医学和临床诊断,体内同工酶的变化，可看作机体组织损
伤，或遗传缺陷，或肿瘤分化的的分子标志。
本章重点,
1,酶的催化功能与结构的关系
2,酶促反应动力学 --米氏方程
3,酶催化活性的调节方式
4,酶活力、比活力的测定方法和计算
第
四
章
核
酸
化
学
第一节 概述
第二节 核酸的化学组成
第三节 核酸的分子结构
第四节 核酸的性质
第五节 核酸的研究方法
本章内容
第一节 概 述
核酸（ nucleic acid— NA）是一类重要的
生物大分子，担负着生命信息的储存与传递。
核酸是现代生物化学、分子生物学的重要研
究领域，是基因工程操作的核心分子。
?1868 F,Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一 种
含磷酸的有机物, 当时称为核素 （ nuclein）,后称为核
酸 （ nucleic acid） 。
?1944 Avery 等通过肺炎球菌转化试验证明 DNA是遗
传物质 。
?1952 Hershey,Chase-噬菌体标记实验 。
?1953 Watson和 Crick提出 DNA结构的双螺旋模型 。
?1958 Crick提出遗传信息传递的中心法则 。
?1973 Boyer,Cohen-DNA Cloning(克隆 ） 。
?1976 DNA Sequencing(序列分析 ） 。
?1990 Human Genome Project（ 人类基因组计划 ） 。
一、核酸的研究历史
光滑型细胞
（有毒）
粗糙型细胞
（无毒） 破碎细胞
DNAase降
解后的 DNA
粗糙型细胞接
受光滑型 DNA
只有粗糙型 大多数仍为粗糙型 少数光滑型
细胞被转化
S
S R R
R
+
DNA
1944年 Avery细菌转化实
验
肺炎球菌（ pneumococcus）
1928年细菌学家 Griffith 细菌毒性实验
噬菌体感染实验
1952年美国 Hershey
噬菌体感染实验
真核生物 原核生物
细胞核（ 98%） 拟核
线粒体 mDNA （少量） 质粒 DNA（ plasmid）
叶绿体 ctDNA （少量）等 病毒 DNA
细胞质（ 90%） 细胞质
核仁（少量） 病毒 RNA
二、核酸的种类和分布
DNA
脱氧核糖核酸
RNA
核糖核酸
注：生物细胞都含有 DNA 和 RNA；
病毒中只含 DNA 或 只含 RNA。
第二节 核酸的化学组成
核酸 是由几十个甚至几千万个 核苷酸 聚合而成的 具有一
定空间结构 的 生物大分子 。
基本元素,C,H,O,N,P ；
其中 P 的含量比较稳定，占 9%-10%，通过测
定 P 的含量来推算核酸的含量（定磷法）。
磷酸
核苷
碱基
戊糖
核酸 → 核苷酸
一,戊糖
组成核酸的戊糖有两种。 DNA所含的糖为
β-D-2-脱氧核糖； RNA所含的糖则为 β-D-
核糖。 O
H
H
O H
H
O H
O H
H
H O C H 2 H O C H
2
O
H
H
O H
H
H
O H
H
D- 核糖 D - 2 - 脱 氧 核 糖
二、碱基
1,嘌呤（ Purine）
腺嘌呤 Adenine
A
鸟嘌呤 guanine
G
2,嘧啶（ Pyrimidine）
胸腺嘧啶 T
胞嘧啶
C 尿嘧啶 U
核酸中也存在一些不常见的稀有碱基。稀有碱
基的种类很多，大部分是上述碱基的甲基化产物。
N
N
C H 3
N H 2
5 - M e t h y l - d C
O
d R
二氢尿嘧啶
（ DHU）
修饰碱基的简写符号
m N
2
2
取 代 位 置
核 苷
取 代 基 的 数 目
取 代 基
( 为 1时可以不写 )
三、核苷（ nucleoside）
?核苷：戊糖 +碱基
?糖与碱基之间的 C-N键，称为 C-N糖苷键
?核苷中戊糖与碱基的连接方式,
1’
2’ 3’
4’
5’
(OH)
1’
2’ 3’
4’
5’
(OH)
修饰核苷 /稀有核苷
修饰核苷包括三种情况,
（ 1）由 修饰碱基 和糖组成的核苷
（ 2）由非修饰碱基和 2'-O-甲基核糖 组成的核苷
（ 3）由碱基与糖 连接方式特殊 的核苷
N
N N
N
N
H C H
3
d R
N
6
- M e t h y l- d A
（ 1） H N
N
H
O
5,6 - d ih y d r o u r id in e
O
R
H
H
H
( D o r h U )
（ 2） OC H 2
H
H
O H
H
O C H 3
H
H O
2 ' - O - 甲 基 腺 苷
A d e
( A m )
N
N
C H
3
N H
2
5 - M e t h y l- d C
O
d R
二氢尿嘧啶核苷
(Am)
（ 3）
O
C H
2
H
H
O H
H
O H
H
H O
( p s e u d o u r i d i n e )
H N N H
O
O
5
1 '
假 尿 嘧 啶 核 苷
(ψ)
取代基用下列小写英文字母表示,
甲基 m 乙酰基 ac 氨基 n
甲硫基 ms 羟基 o或 h 硫基 s
异戊烯基 i 羧基 c
例,H N
NO
R
S
H N
NO
R
O
C H 2 O H
s4 U
o m 5 U 或 h m 5 U
四、核苷酸（ nucleotide）
核苷酸,核苷 +磷酸
戊糖 +碱基 +磷酸
H
五、游离核苷酸及其衍生物的形式
1,继续磷酸化
2.环化磷酸
化
cAMP cGMP
3.辅酶
NAD,NADP,FAD,HSCoA
FAD NAD,NADP HSCoA
4,GDP-半乳糖,GDP-葡萄糖等是糖蛋白
生物合成和多糖生物合成的活性糖
基供体。
第三节 核酸的分子结构
一,DNA的结构
一级结构, DNA核苷酸链中脱氧核苷
酸的组成和排列顺序。
二级结构,DNA的两条多聚链间通过
氢键形成的双螺旋结构。
三级结构,DNA双链进一步折叠卷曲
形成的构象。
（一） DNA的一级结构
由 dAMP,dGMP,dCMP,dTMP核苷酸单体通
过 3’,5’-磷酸二酯键相连而成的链状聚合物。
5’
5’
3’
3’
结构式
? 5′ -磷酸端（常用 5′-P表
示）； 3′-羟基端（常用 3
′-OH表示）
? 核苷酸链具有方向性，当
表示一个核苷酸链时，必
须注明它的方向是
5′→3′ 或是 3′→5′ 。
字母式
5′ PAPCPGPCPTPGPTPAOH 3′
5′ PACGCTGTAOH 3′
线条式
P P
5'
3' 3'
5'
P P
5'
3'
P
5'
3'
A C G T
OH
DNA的一级结构也可指 DNA分子中碱基的顺序。
DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形
式。生物界物种的多样性即寓于 DNA分子中四种
核苷酸千变万化的不同排列组合之中。
（二） DNA的二级结构
?Watson 和 Crick 于 1953年提出了 DNA
双螺旋结构模型，说明了 DNA 的二级结
构。（即 B型 DNA）
（ 1） Chargaff定则
（ 1950s,E,Chargaff发现）
I,DNA碱基组成符合,A=T； G=C； A+G=T+C。
II.不对称比率,A+T/G+C；
物种不同,DNA碱基组成不同；
物种亲缘愈接近，碱基组成也愈接近，该比
率越相近似。
Ⅲ,具有种的特异性，没有器官和组织的特异性，
年龄、营养状况、环境的改变不影响 DNA的
碱基组成。
1．提出 DNA双螺旋结构模型的根据
（ 2） x-光衍射分析
20世纪 40年代 Astbury 1952年 M.Wilkins
2,DNA双螺旋结构模型（ double-helical structure）
1953年 Watson和 Crick提出了 DNA双螺旋结构。
DNA双螺旋结构模型要点
（ 1）
? 螺旋中的两条链 反向平行,即其中一条链的方
向为 5′→3′,而另一条链的方向为 3′→5′,
两条链共同围绕一个假想的中心轴呈 右手双螺
旋 结构。
DNA双螺旋结构模型要点（ 2）
? 疏水的碱基位于双螺旋的内侧，亲水的磷酸和
脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基平面与螺旋轴
垂直，脱氧核糖平面与中心轴平行。
? 由于几何形状的限制，碱基对只能由嘌呤和嘧
啶配对，即 A与 T,G与 C。这种配对关系，称为
碱基互补 。 A和 T之间形成两个氢键,G与 C之
间形成三个氢键。
T-A碱基对
C-G碱基对
DNA双螺旋结构模型要点（ 3）
? 由于碱基对排列的方向性，
使得碱基对占据的空间是
不对称的，因此，在双螺
旋的表面形成大小两个凹
槽，分别称为 大沟和小沟，
二者交替出现。
2.0 nm
小
沟
大
沟
DNA双螺旋结构模型要点
（ 4）
? 双螺旋横截面的 直径 约为 2
nm，相邻两个碱基平面之间
的距离（ 轴距 ）为 0.34 nm，
每 10个核苷酸形成一个螺旋，
其 螺距 （即螺旋旋转一圈）
的高度）为 3.4 nm。
2.0 nm
小
沟
大
沟
DNA双螺旋结构模型要点
（ 5）
? 两条链借碱基之间的氢
键和碱基堆积力（即碱
基之间的范德华力）牢
固的连接起来，维持
DNA双螺旋的三维结构。
? 两条链是碱基互补关系。
3,DNA的双螺旋结构稳定因
素
? 氢键
?碱基堆积力
?磷酸基上负电荷被胞内
组蛋白或正离子中和
?碱基处于疏水环境中
4,DNA的双螺旋结构的意义
该模型揭示了 DNA作为遗传物质的稳定性特征,
最有价值的是确认了 碱基配对 原则, 这是 DNA复制,
转录和反转录的分子基础, 亦是遗传信息传递和表达
的分子基础 。 该模型的提出是上个世纪生命科学的重
大突破之一, 它奠定了生物化学和分子生物学乃至整
个生命科学飞速发展的基石 。
DNA双螺旋构
象的类型
（三） DNA的三级结构 ---超螺旋
1）超螺旋是指双螺旋进
一步扭曲或再螺旋的构
象。
2）正超螺旋（变紧，过
旋）和负超螺旋（变松,
欠旋）。
3）人类 46条染色体的
DNA总长可达 1.7m，经过
螺旋化压缩，实际总长只
有 200nm。
负超螺旋
核小体盘绕及染色质示意图
DNA的存在形式 --核小体
? 真核生物中 DNA双螺旋沿着组蛋白八聚体
核心的短轴绕 1.75圈，形成左手超螺旋，
称 核小体 。
? 染色质的基本结构单位是核小体。
? 串珠状结构进一步卷曲形成螺线管，后者
再进一步卷曲形成超螺旋管，形成染色单
体。
基因和基因组
? 基因即 一段有功能的 DNA片段，生物细胞中 DNA
分子的最小功能单位（交换单位）。
? 一个细胞或生物体所含的全套基因称基因组。
二,RNA的分子结构
（一） RNA的分类及特点
（二） RNA分子的结构特点
（一） RNA的特点及分类
结构特点,
1,碱基组成,A,G,C,U （ A＝ U/G≡ C）；
2,稀有碱基较多，稳定性较差，易水解；
3,多为 单链 结构，少数局部形成螺旋（发夹结构）；
4,分子较小。
分类,
1,信使 RNA（ mRNA）
2,转运 RNA （ tRNA）
3,核糖体 RNA （ r RNA）
Messenger RNA
1.约占总 RNA的 3%-5%，含量最少，种类最多。
2.成熟 mRNA不含内含子,hnRNA含有。
3.mRNA从 DNA转录遗传信息，并作为蛋白质合成
的模板，决定蛋白质的氨基酸顺序。
Ribosome RNA
? 约占全部 RNA的 80%,含量最多 。
? 与多种蛋白质结合成核糖体, 后者是合
成蛋白质的场所 。
原核生物 真核生物
核糖体 rRNA 核糖体 rRNA
30s
70s
50s
16s
5s, 23s
40s
80s
50s
18s
5s,5.8s、
28s
Transfer RNA
? 约占总 RNA的 10-15%,分子最小 。
? 它在蛋白质生物合成中起翻译 mRNA信息,
并将相应的氨基酸转运到核糖体, 参与蛋
白质体的合成 。
? 已知每一个氨基酸至少有一个相应的 tRNA。
（二） RNA分子的结构特点
? tRNA 的结构
二级结构 特征,
单链
三叶草叶形
四臂四环
三级结构 特征,
在二级结构基础上
进一步折叠扭曲形成倒
L型
酵母 tRNA Ala
的二级结构
DHU环
I G C
反密码子
反密码环
氨基酸臂
可变环
TψC环
C
C
A Ala 3′
5′
2） rRNA的分子结
构
特征, ? 单链, 螺旋化程度较 tRNA低
? 与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能
5SRNA的二级结构
3） mRNA的分子结构
在转录一章讲授
第四节 核酸的性质
一、一般物理性质
二、核酸的水解
三、两性解离
四、紫外吸收性质
五、稳定性
六、变性
七、复性与杂交
一、一般物理性质
1,DNA白色纤维状固体,RNA白色粉末状固
体，都微溶于水，不溶于乙醇，因此常用乙醇来
沉淀 DNA ； DNA溶液黏度大于 RNA 。
2,DNA难溶于 0.14mol/L的 NaCl溶液，可溶于
1— 2 mol/L的 NaCl溶液,RNA则相反，可据此
分离二者。
3,加热条件下,
D－核糖＋浓盐酸＋苔黑酚 绿色
D－ 2－脱氧核糖＋酸＋二苯胺 蓝紫色
二、核酸的水解
? 核酸分子中的磷酸二酯键可在酸或碱性条
件下水解切断。
? DNA和 RNA对酸或碱的耐受程度有很大差别。
室温条件下,DNA在碱中变性，但不水解，
RNA水解。
? 在细胞内核酸分子受 DNA酶作用。
三、两性解离
? 核酸含酸性的磷酸基团，又含弱碱性的碱基，
为两性电解质，可发生两性解离；
? 核酸相当于多元酸,pH大于 4时，呈阴离子状
态；
? 等电点
四、紫外吸收
? 在核酸分子中嘌呤碱和嘧啶碱都含有共轭双
键体系，在 260 nm有吸收；
? 可以作为区别蛋白质和对核酸及其组份定性
和定量测定的依据，进行核酸纯度鉴定，也
可作为核酸变性和复性的指标。
DNA的紫外吸收光谱
天然 DNA
变性 DNA
核苷酸总吸收值
1
2
3
220 240 260 280
0.1
0.2
0.3
0.4
波长（ nm）
光
吸
收
1
2
3
根据 A260/A280的比值判断核酸样品的 纯度
纯 DNA,A260/A280=1.8
纯 RNA,A260/A280=2.0
（若样品中含有杂蛋白或苯酚，则 A260/A280比值明显降低）
纯的核酸样品可根据 260nm的光吸收值算出其 含量
若 260nm光吸收值 为 1相当于 50μg/ml双螺旋 DNA
或相当于 40μg/ml单链 DNA或 RNA
或相当于 20μg/ml寡核苷酸 。
五,DNA的稳定性
1.DNA的溶液呈粘稠状，但实际上 DNA
的双螺旋结构僵直而有刚性，易断成
碎片，这也是目前难以获得完整大分
子 DNA的原因。
2.溶液状态的 DNA易受 DNA酶作用而降
解，抽干水分的 DNA性质十分稳定。
六,DNA的变性
1,概念
2,变性条件
3,变性的特征
1,概念
是指核酸双螺旋区的多聚核苷酸链间的氢
键断裂，变成单链结构的过程 。
2.DNA的变性的条件
能够引起核酸变性的因素有,
1）温度升高；
2）酸碱度改变,pH（ >11.3或 <5.0）；
3）有机溶剂如甲醛和尿素,甲酰胺 等；
4）低离子强度。
3.DNA变性的特征
? 变性核酸将失去其部分或全部的生物活性。
? 变性改变了 DNA的二级结构。核酸的变性并
不涉及磷酸二酯键的断裂，所以它的一级结
构 (碱基顺序 )保持不变。
? DNA的变性过程是突变性的，它在很窄的温度
区间内完成。 DNA解链温度
? 紫外吸收值明显增加，即 增色效应 。
? 粘度降低，沉降系数增加。
DNA解链温度（熔点,Tm ）
? 当 50% 的 DNA变性时的温度称为该 DNA的解链温
度，即增色效应达到一半时的温度；一般 DNA的
Tm值在 70-85?C之间。
? 均一 DNA（如病毒）的 Tm值范围较小。
? 分子中 G和 C的含量越高，越不易变性,Tm值越
高。 可通过经验公式计算：（ G+C)%=(Tm-
69.3)X2.44
? Tm值随溶液盐浓度增加而增大,
? Tm值较低，易变性，不易保存。
溶解曲线 与 Tm。
。
影响 Tm值的因素
① DNA的均一性
② DNA中 G-C对的含量
经验式,
(G-C)%=(Tm-69.3)× 2.44
③ 盐离子强度
增色效应与减色效应
天然 DNA分子在热变性条件下，双螺
旋结构破坏，碱基暴露，在紫外光 260nm
波长处的吸收度明显增加，此现象称为
增色效应。
变性 DNA分子复性形成双螺旋结构时
其紫外吸收降低的现象称为减色效应。
七,DNA的复性
? 概念
? 复性的条件
3,影响复性的因素
4,复性动力学
5,分子杂交
1,概念
1.变性 DNA在适当的条件下，两条彼此分
开的单链可以重新缔合成为双螺旋结构,
其物理性质和生物活性随之恢复，这一过
程称为复性；
2.对于热变性的 DNA，在缓慢冷却的条件
下可重新结合恢复双螺旋结构，称为退
火。
3.DNA复性后，一系列性质将得到恢复,
但是生物活性一般只能得到部分的恢复。
DNA的复性图示
2.DNA的复性条件
1.将热变性的 DNA骤然冷却至低温
时, DNA不可能复性 。 即淬火 。
2.将变性的 DNA缓慢冷却时, 可以复
性 。 退火温度＝ Tm－ 25℃
3.分子量越大复性越难 。 浓度越大,
复性越容易 。 此外, DNA的复性需要
一定的盐浓度, 也与它本身的组成和
结构有关 。
高于 Tm值 5℃
复性
也称退火
3,影响复性的因素
① 样品的性质
② DNA的浓度
③ DNA片段的大小
④ 温度
⑤ 离子强度
4.复性动力学
DNA的复性过程是一种双分子反应
DSS k? ????
S,single strand DNA
D,double strand DNA
2
1
C
C
0
?
Cot,
2
1 时的 Cot值，即指复性完成一半时的 Cot值。
5.分子杂交
1.在变性的 DNA溶液中加入外源 DNA单链分子或
RNA单链分子（与原 DNA具有同源性），去掉变
性条件后复性形成双螺旋结构的过程。
2.这样形成的新分子称为杂交 DNA分子。
3.利用核酸杂交可检测特定的核苷酸片段或研
究同源性等。
分子杂交
探针,用于杂交的
异源 DNA或 RNA序
列，其核苷酸序列是
人工特定的、已知的，
经放射性标记的一条
链。
核酸 的变性、复性和杂交
变性 （加热）
探针
杂交 （缓慢冷却）
复性 （缓慢冷却）
分子杂交的种类
? Southern Blot,DNA-DNA杂交
? Northern Blot,DNA-RNA杂交
? Western Blot：抗原 -抗体进行杂交
? 原位杂交：活体组织上进行杂交，显
出荧光
Souther
n印迹法 DNA分子
限制片段 限制性酶切割
琼脂糖电泳
转移至硝酸纤维素膜上
与放射性标记
DNA探针杂交
放射自显影
带有 DNA片
段的凝胶
凝胶
滤膜
用缓冲液
转移 DNA
吸附有 DNA
片段的膜
第五节 核酸的研究方法
一、核酸的分离、提取通则
为了得到完整的大分子核酸，一般要注意 3点,
1．保持低温（ 0o～ 4℃ ）。
2．防止过酸、过碱，避免剧烈搅拌。
3．防止核酸酶的作用。
抑制 DNase,
可加柠檬酸钠,EDTA等金属螯合剂；或加去污剂 十
二烷基硫酸钠（ SDS）；或加蛋白变性剂。
抑制 RNase,
（ 1）实验器皿高温，或高压灭菌，不能高压灭菌的用
具用 0.1%二乙基焦碳酸盐（ diethyl pyrocarbonate,
DEPC）处理。
（ 2）加强的蛋白变性剂如硫氰酸胍、异硫氰酸胍等。
（ 3）加核糖核酸酶阻抑蛋白（ RNasin）等 RNase的抑制剂。
二、大分子 DNA的提取
1．材料的选择
2．细胞破碎
3,DNA-蛋白质（ DNP）的提取
真核细胞 DNA与蛋白质结
合成核蛋白（ DNP）,RNA与蛋
白质结合成 RNP，而且 DNP和
RNP常常混在一起。利用 DNP和
RNP在不同浓度 NaCl中溶解度的
不同来分离 DNP和 RNP。
可用 1mol/LNaCl溶液提取 DNP。
0.5 1.0
0
1
2
0.14
相
对
溶
解
度
NaCl（ mol/L）
DNP在 NaCl中的溶解度
4．去蛋白质
（ 1） SDS
（ 2）苯酚法
（ 3）氯仿法
（ 4）酚,氯仿,异戊醇 ＝ 25:24:1
5．沉淀 DNA
6．去杂质
（ 1）去 RNA
（ 2）去多糖
7．进一步纯化
生物材料 DNP（ RNP） DNP
纤维状 DNA 较纯 DNA 纯 DNA
*原核生物的 DNA是裸露的，与蛋白质结合不多，分离纯化要简单些。
破细胞 1.0mol/L NaCl* 去蛋白质
酒精沉淀 去 RNA 柱层析，电泳
密度梯度离心 去多糖
三,RNA的提取
1．不同种类 RNA的提取
2．大分子 RNA的提取
（ 1）酚提取
（ 2）酚 -氯仿 -SDS法
3,mRNA的提取
四、核酸纯度鉴定
1.A260/A280
2.电泳
五、核酸含量的测定
1.定磷法
2.定糖法
3.紫外吸收法
本章重点,
1,核酸的化学本质、结构和性质
2,DNA双螺旋结构的基本特征
DNA
转录
翻译 复制
逆转录
RNA复制
RNA 蛋白质
为什么子女与父母非常相象？
基因就是指 DNA中能编码蛋白质和功能
RNA的特定核苷酸序列。
第五章 DNA的复制
和修复
一,DNA复制方式
二、参与 DNA复制的因子
三,DNA复制过程
四、逆转录
五,DNA损伤的修复
一,DNA的复制方式
半保留复制 (semiconservative
replication)----在 DNA复制过程
中，双螺旋结构解开而成为单链，
分别以 DNA双螺旋中的一条链为
模板，按碱基互补配对的原则合
成两条新的互补链。这样新合成
的 DNA双链中一股单链是从亲代
完整地接受过来的，另一股单链
完全重新合成。
DNA半保留复制的证据
第一代
第二代
细菌
（含
15
N - D N A )
普通 DNA
普通 DNA
重 DNA
重 DNA
普通培养基
普通培养基
细菌 DNA 双链 密度梯度离心
15
N- DNA
14
N - D N A
二,DNA复制的酶学
? 1.底物
dNTP(dATP,dGTP,dCTP,dTTP)
? 2.聚合酶 DNA聚合酶 I, II,III
? 3.模板 单链的 DNA母链
? 4.引物 寡核苷酸引物（ RNA)
? 5.其他酶和蛋白质因子 解链酶，解旋
酶,
单链结合
蛋白，连接酶
（一） DNA聚合酶的活性
? 5′至 3′的聚合活性
– 5′→ 3′方向
? 核酸 外切酶活性
– 5′→ 3′外切酶活性
– 3′→ 5′外切酶活性
? 5′至 3′的聚合活性（ 5′→ 3′ ）
? 核酸外切酶活性
? 3′→ 5′外切酶活性
? 5′→ 3′外切酶活性
（ 二） DNA拓扑异构酶 (解旋酶）
?既能水解，又能打断碱基互补配对的氢键
?拓扑酶 Ⅰ 切断 DNA双链中的一股
?拓扑酶 Ⅱ 切断 DNA双链
（三）单链 DNA结合蛋白（ SSB）
?维持模板处于单链状态
?保护单链的完整
（四）引物酶
?是 RNA聚合酶，合成一段 RNA引物
（五） DNA连接酶
（ ligase）
?催化两段 DNA之间的连接
3
5
5
3 5
35
3
HO P
D N A l ig a s e
NAD
A T P
N M N
A M P +P P i
′
′
′
′
′
′
′
′
+
P
O H
P5 5
3
3
+
5
3
′
′
′
′
′
′
DNA
l i g a s e
O
O H
PO
O
O -
O
O H
PO
O
O
PP
-
-
αβγ
P P i
三,DNA的复制过程
（一） 复制的起始
（二） 复制的延伸
（三） 复制的终止
1,DNA复制的起点 原核生物从一个固定
的起始点开始，同时向两个方向进行的，
称为 双向复制
起点
起点 起点
θ复制
原核生物 DNA的复制
（一） 复制的起始
2.复制叉的形成
复制叉 ----
复制开始后由
于 DNA双链解
开，在两股单
链上进行复制，
形成在显微镜
下可看到的叉
状结构。
拓扑异构酶
解链酶
单链结合蛋白
DNA 聚合酶
引物酶及引发体
DNA 连接酶
引物
领头链
随从链
冈崎片段
5
′
5
′
3 ′3 ′
3.起始的过程
打开 DNA超螺链
打开双螺旋
防止复螺旋 单链结合蛋白
解链酶
引物复合体
引物酶
拓扑异构酶
合成
DNA复制起始的过程
拓扑异构酶
解链酶
单链结合蛋白
DNA聚合酶
引物酶及引发体
DNA连接酶
引物
DNA双链
′ 5 ′ 3
′ 5 ′ 3
拓扑异构酶
解链酶
单链结合蛋白
DNA聚合酶
引物酶及引发体
DNA连接酶
引物
DNA复制起始的过程
拓扑异构酶
与 DNA双链
结合，解开
超螺旋。
′ 5 ′ 3
′ 5 ′ 3
拓扑异构酶
解链酶
单链结合蛋白
DNA聚合酶
引物酶及引发体
DNA连接酶
引物
DNA复制起始的过程
解链酶解开
DNA双螺旋
′ 5 ′ 3
′ 5 ′ 3
拓扑异构酶
解链酶
单链结合蛋白
DNA聚合酶
引物酶及引发体
DNA连接酶
引物
单链结合蛋白
防止复螺旋
′ 5 ′ 3
′ 5 ′ 3 DNA复制起始的过程
拓扑异构酶
解链酶
单链结合蛋白
DNA聚合酶
引物酶及引发体
DNA连接酶
引物
DNA复制起始的过程
引物酶合成引物 ′ 5 ′ 3
′ 5 ′ 3
(二 )DNA复制的延伸
1,DNA聚合酶把新生链的第一个脱
氧核苷酸加到引物的 3′-OH上，开始
新生链的合成过程。
A G T A C T A A T
DNA
聚合酶 引物
A G T A C T A A T
G
T T
组成 DNA 的脱氧核糖核苷酸一个个连接起来
3′,5′-磷酸二酯键 引物
A G T A C T A A T
G
T T A
引物
A G T A C T A A T
G
G T T A
引物
A G T A C T A A T
G
G T T A A
引物
A G T A C T A A T
G
G T T A A T
引物
A G T A C T A A T
G
G T T A A T A
引物
A G T A C T A A T
G
G T T A A T A T
引物
A G T A C T A A T
G
G T T A A T A T C
引物
A G T A C T A A T
G
G T T A A T A T C
DNA模板链
DNA新链
引物
3
35
5
′
′′
′
3
35
5
′
′′
′
3
35
5
′
′′
′
D N A连接酶
3
35
5
′
′′
′
DNA聚合酶
DNA聚合酶
5′3′
3′
5′
2,冈崎片段
冈崎片段 冈崎用电
子显微镜看到了 DNA
复制过程中出现一些
不连续片段，这些不
连续片段只存在与
DNA复制叉上其中的
一股。后来就把这些
不连续的片段称为 冈
崎片段 。 D N A连接酶
3.半不连续复制
领头链 随从链
冈崎片段
5 ′ 3 ′ ′ 5 ′ 3
?半不连续复制 DNA复
制时,一条链是连续的,
另一条链是不连续的,称
为半 不连续复制 。
(三 ) 复制的终
止
复制有终止信号
?polⅠ 5′→ 3′外切酶活性 水解引物
?polⅠ 聚合活性 填补空隙
?DNA连接酶 连接缺口 。
领头链 随从链
冈崎片段
5 ′ 3 ′ ′ 5 ′ 3
拓扑异构酶
解链酶
单链结合蛋白
DNA聚合酶
引物酶及引发体
DNA连接酶
引物
课堂小结
四、逆转录
1,逆转录：是以 RNA为模板合成
DNA的过程。
2,逆转录酶：是一种以 RNA为模
板的 DNA聚合酶。
没有 3’ 5’外切酶的活性,
所以没有校对功能，逆转录的
错配率高。
五,DNA的损伤修复
突变 可分为,
– 自发突变、人工诱变
? 突变的意义
– 突变是进化、分化的分子基础
– 只有基因型改变的突变
– 致死性的突变
– 突变是某些疾病的发病基础
1,DNA 的损伤 也称突变, 是指 DNA分子上
碱基的改变。
2,引发突变的因素
诱变因素 突变类型
物理因素 紫外线照射 形成胸腺嘧啶二聚体
离子辐射 打断 DNA 分子上的共价键
化学因素 5- 溴尿嘧啶 ( 5- B U ) 5- B U 取代 A,并异构成 G,结果是 A-T 配对变
为 G -T 配对，最后变为 C-G 配对
羟胺 转换 T 为 C,结果是 A-T 配对改为 C-G 配对
亚硝酸盐 使 C 脱氨成 U,原 G-C 配对变为 G-U 配对，最
后使 G -C 变为 A-T
氮芥类 使 G 的 N -7 烷化后除去，成为无鸟嘌呤的链
生物因素 肿瘤病毒 插入宿主细胞基因组中，引起细胞癌变
诱变因素及突变类型
3,突变分子改变的类型
? 错配 （点突变）
– 一个碱基改变
? 缺失、插入和框移突变
– 片段插入或缺失
? 重排
– 较大片段重组或重排
4,损伤的修复
? 损伤 --复制过程中发生的 DNA突变
?光修复
?切除修复
?重组修复
?SOS修复
（ 一）光修复
? 紫外光照射可使相邻的两个 T 形成二聚体
? 光修复酶 可使二聚体解聚为单体状态,DNA完全恢
? 复正常。光修复酶的激活需 300-600μm波长的光。
N
N
C H 3
O
O
R
H
P
H
R
O
O
C H 3
N
N
N
N
C H 3
O
O
R
H
H
N
N
C H 3
O
O
R
P
UV
TT
光修复酶
（二）切除修复
参与的酶有 核酸内切酶, polⅠ,DNA连接酶
特异核酸内切酶
pol Ⅰ
D N A 连接酶
（三） 重组修复
? 重组蛋白 RecA,polⅠ,连接酶参与
? 损伤会保留下去
（四） SOS修复
?DNA损伤面太大，复制难以继续。
?通过 SOS修复,复制有可能继续，细胞
有可能存活，但 SOS修复机制 的特异性低。
?对碱基的识别、选择能力差、错误多。
本章重点,
1.DNA半保留半不连续复制的机制
2.DNA复制时保证遗传稳定的内在因素
第六章 RNA的生物合成
DNA携带的遗传信息（基因）传
递给 RNA分子的过程称转录
（ transcription ）。
在生物界,RNA合成有两种方式：一
是 DNA指导的 RNA合成，此为生物体内
的主要合成方式。另一种是 RNA指导的
RNA合成，此种方式常见于病毒。转录
产生的初级转录本是 RNA前体（ RNA
precursor），需经加工过程
（ processing）方具有生物学活性。
反应体系,DNA模板,NTP,酶,Mg2+,Mn2+，合成方向 5'→3' 。
连接方式 -- 3',5'磷酸二酯键。
转录特点,不对称转录 --DNA片段转录时，双链 DNA中只有一条
链作为转录的模板，这种转录方式称作 不对称转录。
模板链 (template strand)及反意义链 (antisense strand):指导 RNA
合成的 DNA链为模板链，又称反意义链。
编码链 (coding strand)及有意义链 (sense strand),不作为转录
的另一条 DNA链为编码链，又称有意义链。由于基因分布于不
同的 DNA单链中，即某条 DNA单链对某个基因是模板链，而对另
一个基因则是编码链。
原料,四种磷酸核苷 NTP,DNA中的 T在 RNA合成中变为 U
合成过程,连续,
方向,5‘→3 ’从头合成,5′— 末端的起始核苷酸常为 GTP或 ATP
一、转录基本特点
? 不对称转录
?, 转录单位, （ transcription unit）
以 操纵子 （ operon）为转录的功能单位,结构上包括
四个功能区：多顺反子（结构基因区）、启动子、操作
子、终止子和调节基因。
? 原核 RNA聚合酶
? 转录过程
二、原核细胞 RNA转录合成特点
调节基因 启动子
操纵
基因 lacZ lacY lacA
CAP
cAMP CAP-cAMP 复合物
mRNA +
?-半乳糖苷酶
?-半乳糖苷透过酶
?-半乳糖苷乙酰
基转移酶酶
大肠杆菌的 RNA聚合酶
全酶由 5种亚基 α 2ββ ’ ?σ 组成, σ 因
子与其它部分的结合不是十分紧密，它易于与
β ’βα 2分离,没有 σ, ?亚基的酶称为核心
酶 —— 只催化链的延长，对起始无作用。
五种亚基的功能分别为,
α 亚基,与启动子结合功能。
β 亚基,含催化部位，起催化作用，催化形
成磷酸二酯键。
?亚基：在全酶中存在，功能不清楚。
β ’ 亚基,与 DNA模板结合功能。
σ 亚基,识别起始位点。
识别
解链
起始
延伸
终止
1,起始位点的识别
σ 识别正确的启动位点,启动子的结构至少由三部分组
成,-35序列提供了 RNA聚合酶全酶识别的信号； -10序列是
酶的紧密结合位点（富含 AT碱基，利于双链打开）；第三
部分是 RNA合成的起始点。
3’
5’
+1
转录起始点
AACTGT ATATTA
TTGACA TATAAT
5’
3’
－ 35序列
Sextama 框
－ 10序列
Pribnow框
2,转录起始
加入的第一个核苷三磷酸常是 GTP或 ATP。所形成的 启动
子、全酶和核苷三磷酸复合物称为三元起始复合物,第一
个核苷三磷酸一旦掺入到转录起始点,σ 亚基就会被释
放脱离核心酶。
-35 -10 pppG或 pppA
5‘
5‘
3‘
3‘
模板链
E ?
3.链的延伸
以 NTP为原料和能量,DNA模板链为模板,靠核心酶的催
化,核苷酸间通过 3′,5′-磷酸二酯键成核糖核酸链 (RNA)
4,转录终止
转 录终止信号有两种情况
弱终止子,依赖 ρ 因子（终止因子,terminators） 的终
止
NusA蛋白识别 DNA链上的终止信号，在 ρ 因子帮助终止。
强终止子,（ 1 ）在终止点之前具有一段富含 G-C的回
文区域。（ 2）富含 G-C的区域之后是一连串的 dA碱基序
列，它们转录的 RNA链的末端为一连串 U（连续 6个） 。
三、真核生物的转录
作用
酶类
分布
产物
活性
分子量
(KDa)
反应条件
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
核仁
核质
核质
rRNA（ 5.8S、
18S,28S ）
mRNA
tRNA,5S
rRNA
50～ 70％
20～ 40％
10％
500
～ 700
～ 700
低离子强度要
求 Mg2+或
Mn2+
高离子强度
高 Mn2+浓度
1.真核 RNA聚合酶
2,转录
真核 RNA转录基本过程与原核类似，但其产生的 mRNA为
,单顺反子,,只编码一条肽链。
四、转录过程的选择性抑制剂
放线菌素 D 利福平 α －鹅膏蕈碱
原核 抑制 抑制 不抑制
真核 抑制 不抑制 抑制 RNA聚合酶 Ⅱ
五、转录产物的, 加工, （成熟过程）
在细胞内，由 RNA聚合酶合成的原初转录物（ primary
transcript）往往需要一系列的变化，包括链的裂解,5?
和 3?末端的切除和特殊结构的形成、核苷的修饰、以及拼
接和编辑等过程，才转变为成熟的 RNA分子。此过程总称
为 RNA的成熟 或称为 RNA的转录后加工。
原核生物 的 mRNA转录后一般不需要加工，转录的同时
即进行翻译（半寿期短）。
rRNA前体的转录后加工
tRNA前体的加工
真核 mRNA前体的加工
?rRNA前体的加工
? rRNA基因之间以纵向串联的方式重复排列。
? 加工过程,
1、剪切作用：需核酸酶参与。
2、甲基化修饰：修饰在碱基上。
3、自我剪接：一种核酶的作用。
原核 rRNA加工,rRNA含非转录的间隔区，其产物中含 tRNA
真核 rRNA加工,
1.5S自成体系加工少无修饰和剪接。
2.45S加工中含剪切和甲基化修饰，需核酸酶。
大肠杆菌 rRNA前体加工
真核生物 rRNA前体加工
? tRNA前体的加工
? tRNA前体在 tRNA剪切酶的作用下，切成一定在小的
tRNA分子
? 3’末端加上 CCA
? 碱基的修饰：甲基化、脱氨和还原作用
? 真核 mRNA前体的加工
? 剪接（ Splicing） 去除内含子，连接外显子
? 5’帽端结构的生成（如图）
? 3’端多聚 A（ polyA）的附加
六,RNA的复制合成（ RNA指导的 RNA合成）
?噬菌体 Qβ 的 RNA复制两阶段
（ 1）其单链 RNA可充当 mRNA，利用寄主中的核糖体合成 外壳
蛋白 和 RNA复制酶的 β 亚基。
（ 2）复制酶的 β 亚基可与来自寄主细胞的亚基 α ?δ 自动装配
成 RNA复制酶,可进行 RNA的复制，以分子中单链 RNA为模板
（正链），复制出一条新的 RNA链（负链），再复制出 正链,
与外壳蛋白组装成新的噬菌体颗粒。
?某些 RNA病毒可以以自身 RNA为模板进行复制。
?不同的 RNA病毒复制方式不同
5 ? RNA-
5 ?
3 ?
3 ?
RNA+
释放 释放
3? 5 ? 3 ?
3 ?
5 ?
5 ?
RNA+ RNA+
RNA-
?RNA-及 RNA+的合成方向均为 5‘ 3’
本章重点,
1,RNA合成的机制
2,RNA的转录后加工
第七章 蛋白质的生物合成
一、概述
? 基因的遗传信息在转
录过程中从 DNA转移
到 mRNA，再由 mRNA将
这种遗传信息表达为
蛋白质中氨基酸顺序
的过程叫做翻译。
? 合成体系,20种氨基
酸,mRNA,tRNA、核
蛋白体、酶和因子,
以及无机离子,ATP,
GTP 合成方向,N→C
端。
二,参与蛋白质合成的三类 RNA及核糖体
1.rRNA
与蛋白质一起构成核糖体 —— 蛋白质合成, 工厂,
核糖体结构组成
核糖体的基本功能
?结合 mRNA,在 mRNA上选择适当的区域开始翻译
?密码子 （ mRNA） 和反密码子 （ tRNA） 的正确配对
?肽键的形成
存在
核糖体可游离存在, 真核中, 也可同内质网结合, 形成粗糙的内
质网 。 原核中, 与 mRNA形成串状 —— 多核糖体
原核生
物核糖
体组成
真核生
物核糖
体组成
? 2,tRNA
结合氨基酸,一种氨基酸
有几种 tRNA携带，结合
需要 ATP供能,氨基酸结
合在 tRNA3‘-CCA的位臵。
反密码子,每种 tRNA的反
密码子，决定了所带氨
基酸能准确的在 mRNA上
对号入座 。
反密码子与 mRNA的第三个
核苷酸配对时，不严格遵从碱基配对原则
? 3,mRNA
携带着 DNA的遗传信息，是
多肽链的合成模板
在 原核 细胞内，存在时间
短，在转录的同时翻译
在 真核 细胞内，较稳定
? 蛋白质合成时,mRNA结合
于核糖体小亚基上，大亚
基结合带氨基酸的 tRNA，
tRNA的反密码子与 mRNA密
码子配对,ATP供能，合成
蛋白质。
三、遗传密码子
1.密码子
? 为一个氨基酸编码进入蛋白质多肽链特定线
性位臵的三个核苷酸单位称为密码子（ Coden）或
三联体密码。
? 密码子的发现
? 统计学方法
? 人工合成仅由一种核苷酸组成的多聚核苷酸，推测由哪一
种氨基酸合成的多肽
? 核糖体结合试验 1965年,Nirenberg用 poly u加入 C14
标记的 20种 aa,仅有苯丙氨酸的寡肽,UUU=苯丙氨酸,用此
法破译了全部密码，编出遗传密码表。
遗传密码
2,遗传密码子的特点
? 无标点、不重叠 密码子是不重叠的，每个三联体中
的三个核苷酸只编码一个氨基酸，核苷酸不重叠使用噬
菌体 ?x174中某些基因之间有重叠现象
? 简并 (degeneracy) 几种密码子对应于相同一种氨基酸。
这些密码子为同义密码子
? 通用性 绝大多数密码子对各种生物都适用，某些线
粒体中遗传密码有例外
? 终止信号 UAG,UAA,UGA
? 起始信号 AUG（真核中起始为 Met、原核中起始为 fMet,
翻译中间为 Met）和 氨酸的密码子 (GUG)(极少出现）
四、蛋白质生物合成过程
? 以 mRNA为模板，氨基酸经活化获得的氨酰 tRNA为原料，
GTP,ATP供能，在核糖体中完成 。
1.氨基酸的活化
? tRNA在氨基酰 -tRNA 合成酶的帮助下, 能够识别相应
的氨基酸, 并通过 tRNA氨基酸臂的 3'-OH 与氨基酸的
羧基形成活化酯－氨基酰 -tRNA。
? 氨基酰 -tRNA的形成是一个两步反应过程：第一步是氨
基酸与 ATP 作用,形成氨基酰腺嘌呤核苷酸； 第二
步是氨基酰基转移到 tRNA 的 3'-OH 端上,形成氨基
酰 -tRNA。
氨基酸活化图示
氨基酸活化的总反应式是,
氨基酰 -tRNA 合成酶
? 氨基酸 + ATP + tRNA + H2O ?? 氨基酰 -tRNA + AMP + PPi
? 每一种氨基酸至少有一种对应的氨基酰 -tRNA 合成酶 。 它
既催化氨基酸与 ATP 的作用,也催化氨基酰基转移到
tRNA。
? 氨基酰 -tRNA 合成酶具有高度的专一性 。 每一种氨基酰 -
tRNA 合成酶只能识别一种相应的 tRNA。
? tRNA 分子能接受相应的氨基酸,决定于它特有的碱基顺
序,而这种碱基顺序能够被氨基酰 -tRNA 合成酶所识别 。
氨基酸的活化
2.在核糖体上合成肽链
? 氨基酰 -tRNA通过反密码臂上的三联体反密码
子识别 mRNA上相应的遗传密码, 并将所携带的
氨基酸按 mRNA遗传密码的顺序安臵在特定的位
臵, 最后在核糖体中合成肽链 。
肽链的合成过程（以原核为例）
? 起始
? 延伸
? 终止与释放
肽链合成的起始
起始密码的识别
首先辨认出 mRNA链上的起
始点（ AUG），核糖体小
亚基上的 16S rRNA和 mRNA
的 SD序列（位于起始位点
上游 4－ 13个核苷酸）结
合
N－甲酰甲硫氨酸－ tRNA
的活化形成
起始复合物的形成 （图示）
肽链的延长
进位 （氨酰 tRNA进入 A位点）
参与因子：延长因子 EFTu（ Tu）,EFTs（ Ts）、
GTP、氨酰 tRNA
肽链的形成
肽酰基从 P位点转移到 A位点，形成新的肽链
移位 （ translocase）
在移位因子（移位酶） EF－ G的作用下，核糖体沿
mRNA（ 5’-3’）作相对移动，使原来在 A位点的肽酰
－ tRNA回到 P位点
核糖体移动方向
P位
点
A位
点
进位
核糖体移位
肽链的形成
延长过程中肽链的生成
肽基转移酶
肽
链
的
延
伸
过
程
肽链合成的终止与释放
识别 mRNA的终止密码子，水解所
合成肽链与 tRNA间的酯键，释放
肽链
R1识别 UAA,UAG
R2识别 UAA,UGA
R3影响肽链的释放速度
RR帮助 P位点的 tRNA残基脱落，而
后核糖体脱落
多核糖体
? 在细胞内一条 mRNA链上结合着多
个核糖体，甚至可多到几百个。
蛋白质开始合成时，第一个核糖
体在 mRNA的起始部位结合，引入
第一个蛋氨酸，然后核糖体向
mRNA的 3’端移动一定距离后，第
二个核糖体又在 mRNA的起始部位
结合，现向前移动一定的距离后，
在起始部位又结合第三个核糖体，
依次下去，直至终止。每个核糖
体都独立完成一条多肽链的合成，
所以这种多核糖体可以在一条
mRNA链上同时合成多条相同的多
肽链，这就大大提高了翻译的效
率
五、真核细胞蛋白质合成的特点
? 核糖体为 80S，由 60S的大亚基和 40S的小亚基组成
? 起始密码 AUG
? 起始 tRNA为 Met－ tRNA
? 起始复合物 结合在 mRNA 5’端 AUG上游的 帽子结构,真
核 mRNA无富含嘌呤的 SD序列（除某些病毒 mRNA外）
? 已发现的真核起始因子有近 9种（ eukaryote Initiation
factor,eIF） eIF4A.eIF4E.P220复合物称为帽子结构结合
蛋白复合物（ CBPC）
? 肽链终止因子（ EF1α EF1βγ ）及释放因子（ RF）
线粒体、叶绿体内蛋白质的合成同于原核细胞
蛋白质合成过程小结
? 肽链合成方向 N C（同位素证明）
? 以 mRNA的 5’-3’方向阅读遗传密码
? 该合成过程是一个耗能过程
肽链的起始需要 5ATP，延长时只需 4ATP，合成一个 n肽
所需能量 4× n＋ 1 ATP，原核生物中，肽链的终止不需
GTP，则合成 n肽所需能量 3× n＋ 1
六、肽链合成后的“加工处理”
1,N端改造 fMet的切除
2,信号肽 （能透膜，进行蛋白质的锚定）的切除
3,氨基酸的修饰 /改造
肽链内或肽链间的二硫键的形成、乙酰化、甲基化
氨基酸残基的修饰（ Pro-OH/Cys-OH）
4.糖基化 （ Asp,Ser,Thr,Asn）
5,某些多肽要经特殊 的酶切一段肽链 后才有生物活性 (如：
胰岛素 )
6,高级结构的形成 在分子伴侣的协助下形成正确的结构
7.锚定（定位）
七、蛋白质生物合成的调节
1.转录水平调节
2.转录后水平调节
3.翻译水平调节
蛋白质合成抑制剂,
抗生素类阻断剂
a,链霉素、卡那霉素、新霉素等，主要抑制革兰氏阴性
细菌蛋白质合成的三个阶段：① 50S起始复合物的形
成，使氨基酰 tRNA从复合物中脱落；②在肽链延伸阶
段，使氨基酰 tRNA与 mRNA错配；③在终止阶段，阻碍
终止因了与核蛋白体结合，使已合成的多肽链无法释
放，而且还抑制 70S核糖体的介离。
? b.四环素和土霉素
? c.氯霉素
? d.白喉霉素（ diphtheria toxin）
由白喉杆菌所产生的白喉霉素是真核细胞蛋白质合成抑制剂。它对
真核生物的延长因子 -2（ EF-2）起共价修饰作用，生成 EF-2腺苷
二磷酸核糖衍生物，从而使 EF-2失活，它的催化效率很高，只需
微量就能有效地抑制细胞整个蛋白质合成，而导致细胞死亡
? e.亚胺环己酮（放线菌酮）
只抑制真核 60S亚基的肽酰转移酶活性
干扰素对病毒蛋白合成的抑制
本章重点,
1,遗传密码的特性
2,蛋白质生物合成的一般过程
