3．氨基酸的化学反应
（1）茚三酮反应
所有具有自由α-氨基的氨基酸与过量茚三酮共热形成蓝紫色化合物（脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生黄色物质）。
（2）与2，4-二硝基氟苯（DNFB）的反应
在弱碱性溶液中，氨基酸的α-氨基很容易与DNFB作用生成稳定的黄色2，4-二硝基苯氨基酸（DNP-氨基酸），这一反应在蛋白质化学的研究史上起过重要作用，Sanger等人应用它测定胰岛素一级结构。
三、肽（peptide）
1．肽键与肽链
一个氨基酸的α-羧基和另一个氨基酸的α-氨基脱水形成的酰胺键称为肽键。
由氨基酸通过肽键相连而成的化合物称为肽。
肽键及其两端的α-碳原子相连所形成的长链骨架，即…Cα—C—N—Cα—C—N—Cα—C—N—Cα…称为多肽主链，—CαCN—是重复单位。
肽键是蛋白质分子中的主要共价键。
多肽链的方向性是从N末端指向C末端。
肽分子中所有的氨基酸都参与脱水反应，因此都是不完整的氨基酸，称为氨基酸残基。
肽链的书写顺序是按其序列从N端到C端。
一般10肽以下属寡肽，10肽以上为多肽。
2．生物活性肽
（1）谷胱甘肽（glutathione，GSH）
顾名思义，由谷、半胱、甘氨酸组成的一种三肽，半胱氨酸的-SH（巯基）是主要功能基团，GSH是一种抗氧化剂，是某些酶的辅酶，可保护蛋白质分子中的-SH免遭氧化，保护巯基蛋白和酶的活性。
在GSH过氧化物酶的作用下，GSH还原细胞内产生的H2O2，生成H2O，2分子GSH被氧化成GSSG，后者在GSH还原酶催化下，又生成GSH。
（2）多肽类激素和神经肽
人体内有许多激素属寡肽或多肽，如下丘脑—垂体分泌的催产素（9肽）、加压素（9肽）、促肾上腺皮质激素（ACTH，39肽）等。
催产素和加压素结构仅第3、第8位两个氨基酸残基不同，前者使平滑肌收缩，有催产和使乳腺泌乳的作用；后者能使小动脉收缩，增高血压，也有减少排尿的作用。
神经肽是在神经传导过程中起信号转导作用的肽类。
如脑啡肽（5肽）、β-内啡肽（31肽）、强啡肽（17肽）等。
随着脑科学的发展，会发现更多的生物活性肽。
第一章蛋白质的分子结构
（2）
第一章蛋白质的结构与功能
第二节蛋白质的分子结构
蛋白质是生物大分子，结构比较复杂，人们用4个层次来描述，包括蛋白质的一级、二级、三级和四级结构。
一级结构描述的是蛋白质的线性（或一维）结构，即共价连接的氨基酸残基的序列，又称初级或化学结构。
二级以上的结构称高级结构或构象（conformation）。
一、蛋白质的一级结构（primarystructure）
蛋白质分子中，从N端到C端的氨基酸排列顺序称为蛋白质的一级结构，主要的化学链是肽键。
二、蛋白质的二级结构（secondarystructure）
蛋白质的二级结构是指其分子中主链原子的局部空间排列，是主链构象（不包括侧链R基团）。
维持二级结构的化学键主要是氢键。
肽单元（或称肽平面，肽单位等）
肽键及其两端的α-C共6个原子处于同一平面上，组成了肽单位（所在的平面称肽键平面）。
肽键有部分双键的性质，不能自由旋转。
蛋白质的主链骨架由许多肽键平面连接而成。
1.α-螺旋（α-helix）
α-螺旋是肽键平面通过α-碳原子的相对旋转形成的一种紧密螺旋盘绕，是有周期的一种主链构象。
其特点是：
①螺旋每转一圈上升3.6个氨基酸残基，螺距约0.54nm（每个残基上升0.15nm，旋转100O）。
②螺旋的走向绝大部分是右手螺旋，残基侧链伸向外侧。
R基团的大小、荷电状态及形状均对α-螺旋的形成及稳定有影响。
2.β-折叠（β-pleated,β-sheet）
β-折叠是一种肽链相当伸展的周期性结构。
①相邻肽键平面间折叠成锯齿状。
②两个以上具β-折叠的肽链或同一肽链内不同肽段相互平行（方向相同）或反平行（方向相反）排列，其稳定因素是肽链间的氢键。
3．β-转角（β-turn）
多肽链180度回折成β-转角。
稳定β-转角的作用力是第一个氨基酸残基羰基氧（O）与第四个氨基酸残基的氨基氢（H）之间形成的氢键。
β-转角常见于连接反平行β-折叠片的端头。
4．无规卷曲（randomcoil）
多肽链的主链呈现无确定规律的卷曲。
模体（motif）
或称为模序、基序、超二级结构等，指的都是Motif。
指蛋白质中两个或三个具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成一特殊的组合体，又称为模体（motif）。
最常被提及的是钙结合蛋白质中的螺旋-环-螺旋模序及锌指结构。
三、蛋白质的三级结构（tertiarystructure）
指一条多肽链中所有原子的整体排布，包括主链和侧链。
维系三级结构的作用力主要是次级键（疏水相互作用、静电力、氢键等）。
通常疏水性基团被包在蛋白分子内部，而亲水基团在表面，增加蛋白水溶性。
四、蛋白质的四级结构（quaternarystructure）
有些蛋白质的分子量很大，由2条或2条以上具有独立三级结构的多肽链通过非共价键相互结合而成，称为蛋白质的四级结构。
构成四级结构的每条多肽链称为亚基（subunit），亚基单独存在时一般没有生物学功能，构成四级结构的几个亚基可以相同或不同。
如血红蛋白（hemoglobin,Hb）是由两个α-亚基和两个β-亚基形成的四聚体（α2β2）。
最后，来个视频看一下氨基酸和蛋白质的四级结构。
结构
概念
化学键
一级结构
ＡＡ排列顺序
肽键、二硫键
二级结构
局部主链空间位置
氢键
三级结构
全部AA空间位置
疏水键、离子键、氢键、van derwaals力
四级结构
各亚基的空间排布
氢键、盐键
第三节蛋白质结构与功能的关系
一、蛋白质一级结构与功能的关系
（一）一级结构是空间构象的基础
蛋白质的空间结构被破坏，而一级结构未破坏，保持了氨基酸的排列顺序就可能回复到原来的三级结构，功能依然存在。
（二）分子病
最常见的例子：
镰状红细胞贫血，是β亚基第6位的谷氨酸被缬氨酸替代而造成的。
视频中蓝色发光的是氧分子，正常的血红蛋白能可逆地也氧分子结构，而突变的血红蛋白（绿色的缬氨酸）聚合在一起形成纤维状。
失去运氧能力。
二、蛋白质空间结构与功能的关系
蛋白质的空间结构是其生物活性的基础，空间结构变化，其功能也随之改变。
Hb未与氧结合时，其亚基处于一种空间结构紧密的构象（紧张态，T型），与氧的亲和力小。
只要有一个亚基与氧结合，就能使4个亚基间的盐键断裂，变成松弛的构象（松弛态，R型），与氧的亲和力增大。
T型和R型的相互转换对调节Hb运氧的功能有重要作用。
一个亚基与其配体结合后能促进另一亚基与配体的结合是正协同效应，其理论解释是Hb是别构蛋白，有别构效应。
第一章蛋白质的理化性质（3）
第一章蛋白质的结构与功能
第四节蛋白质的理化性质
蛋白质的理化性质和氨基酸相似，有两性解离及等电点、紫外吸收和呈色反应。
作为生物大分子，还有胶体性质、沉淀、变性和凝固等特点。
要了解和分析蛋白质结构和功能的关系就要利用其特殊的理化性质，采取盐析、透析、电泳、层析及离心等不损伤蛋白质空间构象的物理方法分离纯化蛋白质。
一、蛋白质的两性解离
蛋白质和氨基酸一样是两性电解质，在溶液中的荷电状态受pH值影响。
当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为该蛋白质的等电点。
pH＞pI时，该蛋白质颗粒带负电荷，反之则带正电荷。
电泳技术就是根据这一特性而设计的。
在人体体液中多数蛋白质的等电点接近pH5，所以在生理pH7.4环境下，多数蛋白质解离成阴离子。
二、蛋白质的胶体性质
蛋白质的相对分子质量在1万~100万，其颗粒平均直径约为4.3nm（胶粒范围是1~100nm）。
颗粒表面的水化膜和同种电荷是其稳定的重要因素，破坏这两个因素，可使蛋白质发生沉淀。
三、蛋白质的变性、沉淀和凝固
蛋白质在某些理化因素的作用下，空间结构被破坏，导致理化性质改变，生物学活性丧失，称为蛋白质的变性（denaturation）。
变性主要是空间结构的改变，不涉及一结构的改变。
蛋白质自溶液中析出的现象，称为蛋白质的沉淀。
盐析、有机溶剂、重金属盐、生物碱试剂都可沉淀蛋白质。
盐析指使用硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等中性盐可破坏蛋白质溶液的表面电荷及水化膜，使蛋白质沉淀，盐析沉淀的蛋白质不变性，是分离制备蛋白质的常用方法。
乙醇、丙酮均为脱水剂，可破坏水化膜，降低水的介电常数，使蛋白质的解离程度降低，表面电荷减少，从而使蛋白质沉淀析出。
低温时，用丙酮沉淀蛋白质，可保留原有的生物学活性。
但用乙醇，时间较长则会导致变性。
重金属盐（Hg2+、Cu2+、Ag+），在pH>pI时，与蛋白质结合发生不可逆的变性并沉淀。
pH>pI时，蛋白质带负电荷，才有可能与带正电荷的金属离子结合
蛋白质变性不一定沉淀（如强酸、强碱作用变性后仍然能溶解于强酸、强碱溶液中）；凝固一定变性，因为是蛋白质变性发展的不可逆的结果。
沉淀的蛋白质不一定变性（如盐析）。
第二章核酸的结构与功能
第一节 核酸的化学组成
天然存在的核酸有两类，即脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA）和核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）。
DNA分子是生物体的遗传信息库，分布在原核细胞的核区，真核细胞的细胞核和线粒体中；RNA分子参与遗传信息表达的一些过程，主要存在于细胞质。
一、核酸的基本组成单位
核酸是一种多聚核苷酸，用不同的降解法得到其组成单位——核苷酸。
而核苷酸又由碱基、戊糖和磷酸组成。
（一）戊糖
DNA含β-D-2-脱氧核糖，RNA含β-D-核糖。
这是核酸分类的依据。
核糖中的C记为1＇……5＇，脱氧核糖之所以叫脱氧核糖，是脱掉了第2位碳原子上连接的氧。
（二）碱基（base）
核酸中的碱基有两类：
嘌呤碱和嘧啶碱。
有5种基本的碱基外，还有一些含量甚少的稀有碱基。
DNA和RNA中常见的两种嘌呤碱是腺嘌呤（adenine，A）、鸟嘌呤（guanine，G）。
而嘧啶碱有所不同：
RNA主要含胞嘧啶（cytosine，C）、尿嘧啶（uracil，U），DNA主要含胞嘧啶、胸腺嘧啶（thymine，T）。
tRNA中含有较多的稀有碱基（修饰碱基），多为甲基化的。
（三）核苷
碱基和戊糖通过糖苷键连接生的糖苷。
碱基连接在戊糖的第1位碳原子上。
（四）核苷酸
是核苷与磷酸形成的磷酸酯。
常见的核苷酸为AMP、GMA、CMP、UMP。
常见的脱氧核苷酸有dAMP、dGMA、dCMP、dTMP。
AMP是一些重要辅酶的结构成分（如NAD+、NADP+、FAD等）；环化核苷酸（cAMP/cGMP）是细胞功能的调节分子和信号分子。
ATP在能量代谢中起重要作用。
三个字母的简写中第一个字母代表碱基，如AMP的A代表腺嘌呤，第二个字母代表数字，M=mono（单，一），D=di（双，二），T＝tri（三），第三个字母P指磷酸。
因此AMP就是一磷酸腺苷，而常说的ATP就是三磷酸腺苷。
脱氧核苷酸简写前面的小写d＝deoxy（脱氧），这些简写在生物化学中经常遇到，应该知道。
二、核苷酸的连接方式
RNA和DNA链都有方向性，从5＇→ 3＇。
前一位核苷酸的3＇-OH与下一位核苷酸的5＇位磷酸基之间形成3＇，5＇-磷酸二酯键，从而形成一个没有分支的线性大分子，两个末端分别称为5＇末端和3＇末端。
大分子的主链由相间排列的戊糖和磷酸构成，而碱基可看作主链上的侧链基团，主链上的磷酸基是酸性的，在细胞pH下带负电荷；而碱基有疏水性。
第二节 DNA的分子结构
一、 DNA的一级结构（primarystucture）
DNA的一级结构是指分子中脱氧核苷酸的排列顺序，碱基序有严格的方向性（ 5＇→ 3＇）。
二、DNA的二级结构——双螺旋（doublehelix）
1953年，Watson和Crick提出了著名的双螺旋模型。
Watson-Crick双螺旋结构模型如下图：
1．两条反向平行的多核苷酸链形成右手螺旋。
一条链为5＇→ 3＇，另一条为3＇→ 5＇。
2．碱基在双螺旋内侧，A与T，G与C配对，A与T形成两个氢键，G与C形成三个氢键。
糖基-磷酸基骨架在外侧。
表面有一条大沟和一小沟。
3．螺距为3.4nm，含10个碱基对（bp），相邻碱基对平面间的距离为0.34nm。
螺旋直径为2nm。
4.氢键维持双螺旋的横向稳定。
碱基对平面几乎垂直螺旋轴，碱基对平面间的疏水堆积力维持螺旋的纵向稳定。
DNA构象有多态性。
其结构与温度、湿度、盐浓度等条件有关，前面介绍的经典的双螺旋称为B-DNA。
另外还有A-DNA、C-DNA、D-DNA。
1979年Rich发现Z-DNA（左手螺旋、螺距4.5nm、直径1.8nm）
三、DNA的三级结构
DNA双螺旋进一步盘曲所形成的空间构象称DNA的三级结构。
某些病毒、细菌、真核生物线粒体和叶绿体的DNA是环形双螺旋，再次螺旋化形成超螺旋；在真核生物细胞核内的DNA是很长的线形双螺旋，通过组装形成非常致密的超级结构。
1．原核生物的环形DNA
原核生物的DNA多数形成封闭的环状，环可以再次盘绕形成超螺旋。
2．真核细胞染色体
真核细胞DNA是线形分子，与组蛋白结合，核小体是染色体的基本结构单位，是DNA包装的第一步，它由DNA结合到组蛋白上形成复合物，在电镜下显示为成串的“念珠”状。
组蛋白是富含精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白质，其氨基酸序列在进化中是高度保守的。
组蛋白有5种，H2A、H2B、H3和H4各两分子组成的八聚体是核小体核心颗粒，DNA缠绕其上，相邻核小体间的DNA称为连接DNA且结合H1。
串珠状结构再次盘曲形成纤维状，纤维状盘曲成柱状，最后形成染色体。
DNA就是通过这种方式，将直线长度约1米长的人类DNA容纳于数个微米的细胞核中。
四、DNA的功能
DNA的功能是贮存遗传信息，并作为复制和转录的模板。
DNA分子中的最小功能单位称作基因，为RNA或蛋白质编码的基因称结构基因，DNA中具调节功能而不转录生成RNA的片段称调节基因。
基因组（genome）是某生物体所含的全部基因，人类基因组有3×109 bp，含4万个基因。
第二章核酸的结构与功能（3-4节）
第三节RNA的分子结构
RNA通常以单链形式存在，比DNA分子小得多，由数十个至数千个核苷酸组成。
RNA链可以回折且通过A与U，G与C配对形成局部的双螺旋，不能配对的碱基则形成环状突起，这种短的双螺旋区和环称为发夹结构。
按照功能的不同和结构的特点，RNA主要分为tRNA、rRNA和mRNA三类。
此外，细胞的不同部位还存在着另一些小分子RNA，如核内小RNA（snRNA）、不均一核RNA（heterogeneous nuclearRNA，hnRNA，是成熟mRNA的前体）
一、信使RNA（messengerRNA，mRNA）
hnRNA经过剪接加工转变为成熟的mRNA。
mRNA的功能，是转录DNA中贮存的遗传信息，并作为直接模板指导蛋白质的合成。
∙细胞内含量较少的一类RNA，约占总RNA的3%。
∙代谢活跃，寿命较短。
∙真核细胞的mRNA有不同于原核细胞的特点：
5＇-末端加有一个“帽”式结构,（m7Gppp）， 3＇- 末端有多聚A（polyA）尾。
这两种结构具有稳定mRNA结构，调控蛋白质翻译等功能。
∙中间是每三个核苷酸一组组成的密码子，与所翻译的蛋白质的氨基酸序列相对应。
二、转运RNA（transferRNA，tRNA）
主要功能是在蛋白质生物合成过程中，起着转运氨基酸的作用。
∙分子量最小的RNA。
∙含有稀有碱基（rarebases），指出了前面介绍的A,U,C,G之外的其他碱基，如氢尿嘧啶，假尿嘧啶和甲基化的嘌呤等。
∙形成茎环状结构（stem-loop）
∙3'-末端有CCA,能与氨基酸结合，称氨基酸接纳茎。
∙含有反密码子环，识别mRNA上的密码子。
∙二级结构：
三叶草形；三级结构：
倒L形。
三、核糖体RNA（ribosomalRNA，rRNA）
功能是与多种蛋白质组成核糖体，是蛋白质合成的场所。
∙含量最多的RNA，约占细胞总RNA的80%。
∙核糖体在结构上可分离为大小两个亚基。
原核细胞的rRNA有3种，23S与5SrRNA在大亚基，16S在小亚基。
真核细胞有4种rRNA，其中大亚基含28S、5.8S、5S，小亚基只有18S。
RNA
特点
功能
mRNA
帽子、尾巴、密码子
蛋白合成的模板
tRNA
稀有碱基，茎环、反密码子
转运氨基酸
rRNA
含量最多
与蛋白结合形成核糖体，是蛋白合成的场所
第四节 核酸的性质
一、一般理化性质
1．微溶于水，不溶于一般有机溶剂。
常用乙醇从溶液中沉淀核酸。
2．RNA在室温下易被稀碱水解，DNA较稳定，此特性用来测定RNA的碱基组成和纯化DNA。
4．紫外吸收，嘌呤和嘧啶环中含有共轭双键，具有紫外吸收特性最大吸收峰在260nm处，注意：
蛋白质的紫外吸收峰值是280nm。
二、核酸的变性和复性
1．变性的概念
在理化因素作用下，核酸的双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规线团状态的过程。
变性的因素有热、酸、碱、乙醇、尿素等。
变性的本质是双螺旋之间的氢键断裂，核苷酸排列顺序并没有改变。
变性的结果是紫外吸收值明显增加（增色效应）。
2．DNA的变性和Tm
DNA热变性过程中，紫外吸收值增高，有一个特征性曲线称熔解曲线，通常将熔解曲线的中点，即紫外吸收值达到最大值50%时的温度称为解链温度，又叫熔点（Tm）。
变性温度与碱基组成、DNA长度及变性条件有关。
GC含量越高，Tm越大（GC之间是三个氢键，而AT之间只有两个，故打开GC多的DNA需要更高的温度）；DNA越长，Tm越大。
3．DNA的复性与分子杂交
变性DNA在适当条件下，两条互补链可重新配对，恢复天然双螺旋构象，这一现象称为复性。
热变性的DNA经缓慢冷却后即可复性，这一过程称为退火（annealing）。
分子杂交是以核酸的变性和复性为基础，只要不同来源的核酸分子的核苷酸序列含有可以形成碱基互补配对的片段，就可以形成DNA/DNA，RNA/RNA或DNA/RNA杂化双链，这个现象称为核酸分子杂交（hybridization）。
第三章酶
第一节酶的结构与功能
酶（enzyme）是由活细胞合成的，对其特异底物起高效催化作用的蛋白质。
另外还有一类具有催化作用的核酸，称为核酶。
几个基本概念：
酶所催化的反应称为酶促反应。
在酶促反应中被催化的物质称为底物，反应的生成物称为产物。
酶所具有的催化能力称为酶活性。
一、酶的作用特点
酶作为生物催化剂，具有一般催化剂的共性，如在反应前后酶的质和量不变；只催化热力学允许的化学反应，即自由能由高向低转变的化学反应；不改变反应的平衡点。
但是，酶是生物大分子，又具有与一般催化剂不同的特点。
1．极高的催化效率
2．高度的特异性
特异性又分三类：
∙绝对特异性：
一种酶只催化一种底物。
如脲酶仅催化尿素水解。
∙相对特异性：
一种酶可催化一大类底物。
如酯酶可水解各种有机酸和醇形成的酯。
∙立体异构特异性：
只催化某一构象的底物。
如L-氨基酸氧化酶只作用L-氨基酸，对D-氨基酸无作用。
3．酶活性的可调节性
酶促反应受多种因素的调控，可通过酶的合成与分解、酶活性的抑制或激活等形式的调节，以适应机体在不同环境下的需求。
4．酶的不稳定性
酶主要是蛋白质，凡能使蛋白质变性的理化因素均可影响酶活性，甚至使酶完全失活。
酶催化作用一般需要比较温和的条件（37℃、pH7）。
二、酶的分类
根据国际酶学委员会（InternationalEnzymeCommission，IEC）的规定，按照酶促反应的性质，分为六大类：
1．氧化还原酶（oxidoreductases）催化底物进行氧化还原反应。
如乳酸脱氢酶、琥珀酸脱氢酶、细胞色素氧化酶、过氧化氢酶、过氧化物酶等。
2．转移酶（transferases）催化底物之间某些基团的转移或交换。
如甲基转移酶、氨基转移酶、磷酸化酶等。
3．水解酶（hydrolases）催化底物发生水解反应。
如淀粉酶、蛋白酶、核酸酶、脂肪酶等。
4．裂解酶（lyases）催化底物裂解或移去基团（形成
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