第七講生物化學(xué)

一、競賽中涉及的問題

在中學(xué)生物學(xué)教學(xué)大綱中，已簡單介紹過蛋白質(zhì)、核酸、ATP的

結(jié)構(gòu)和功能、酶和酶特性以及蛋白質(zhì)的生物合成等知識，根據(jù)國際生

物學(xué)奧林匹克競賽綱要和全國中學(xué)生生物學(xué)競賽大綱（試行）的要求,

有關(guān)生物化學(xué)的內(nèi)容在競賽中經(jīng)常要用到的一些知識，還必須在原有

高中生物基礎(chǔ)上加以充實(shí)和提高。

（一）蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)功能

蛋白質(zhì)是構(gòu)成細(xì)胞和生物體的基本物質(zhì)，占細(xì)胞干重的一半，生

物膜中蛋白質(zhì)的含量占60%?70%,蛋白質(zhì)在原生質(zhì)的有機(jī)成分中

占80%。所有蛋白質(zhì)的元素組成都很近似，都含有C、H、O、N四

種元素，其中平均含氮量約占16%,這是蛋白質(zhì)在元素組成上的一

個(gè)特點(diǎn)。蛋白質(zhì)是一類極為復(fù)雜的含氮高分子化合物，其基本組成單

位是氨基酸。

1.蛋白質(zhì)的基本組成單位——氨基酸

H

組成蛋白質(zhì)的氨基酸有20種，其中19種結(jié)構(gòu)可用通式R-卜COOH

NHj

表示。另一種為脯氨酸，它也有類似結(jié)構(gòu)，但側(cè)鏈與氮原子相接形成

亞氨基酸。除甘氨酸外，蛋白質(zhì)中的氨基酸都具有不對稱碳原子，都

有L—型與D一型之分，為區(qū)別兩種構(gòu)型，通過與甘油醛的構(gòu)型相比

較，人為地規(guī)定一種為L型，另種為D一型。當(dāng)書寫時(shí)一NH2寫在

左邊為L型，一NH2在右為D一型。已知天然蛋白質(zhì)中的氨基酸都

屬L型。

20種基本氨基酸中，有許多是能在生物體內(nèi)從其他化合物合成

的。但其中有8種氨基酸是不能在人體內(nèi)合成的，叫必需氨酸。它們

是：蘇氨酸（Thr）、亮氨酸（Leu）、異亮氨酸（lie）、甲硫酸（Met）、

苯丙氨酸（Phe）^色氨酸（Try）、賴氨酸（Lys）和綴氨酸（Vai）。

20種氨基酸的分類，主要是根據(jù)R基來區(qū)分的。早些年根據(jù)R基的

結(jié)構(gòu)把氨基酸分為脂肪族、芳香族和雜環(huán)族三類，其中脂肪族又分為

中性（一氨基一竣基）、酸性（一氨基二竣基）和堿性（二氨基一竣

基）氨基酸。近年來都按R基的極性來區(qū)分氨酸的種類。

對于含有一個(gè)氨基和一個(gè)竣基的a-氨基酸來說，在中性溶液中

或固體狀態(tài)下，是以中性分子的形式還是以兩性離子的式存在呢？許

多實(shí)驗(yàn)證明主要是以兩性離子的形式存在。

+

NH2NH3

H-C—COOHH—C-OOQ-

II

RR

中性分子形式兩性離子形式

氨基酸由于含有氨基和竣基，因此在化學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)為是的一種

兼有弱堿和弱酸的兩性化合物。氨基酸在溶液中的帶電狀態(tài)，會隨著

溶液的pH值而變化，如果氨基酸的凈電荷等于零，在外加電場中不

發(fā)生向正極或負(fù)極移動(dòng)的現(xiàn)象，在這種狀態(tài)下溶液的pH值稱為其等

電點(diǎn)，常用pl表示。由于各種氨基酸都有特定的等電點(diǎn)，因此當(dāng)溶

液的pH值低于某氨基酸的等電點(diǎn)時(shí)，則該氨基酸帶凈正電荷，在電

場中向陰極移動(dòng)。若溶液的pH值高于某氨基酸的等電點(diǎn)時(shí)，則該氨

基酸帶凈負(fù)電荷，在電場中向陽極移動(dòng)。氨基酸等電點(diǎn)的計(jì)算方法：

對于單氨基單竣基的氨基酸，其等電點(diǎn)是pK和Pk2的算術(shù)平均值，

即從pI=l/2(pK,+pK2)公式中求得；對于含有3個(gè)可解離基團(tuán)的

氨基酸來說，只要依次寫出它從酸性經(jīng)過中性至堿性溶溶解高過程中

的各種離子形式，然后取兩性離子兩側(cè)的pK值的算術(shù)平均值，即可

得其pl值。例如Asp解離時(shí)，有3個(gè)pK值，在不同pH條件下可以

有4種離子形式，如下圖所示。

COOHcooOOO"產(chǎn)f

1\I

+OH-.+OH-.

CHNH/CHNH；CHNH；CHNH：

r+H*11+H*|

CH?pKi=2.09CH：pK=3.86

2CH2PKJ=9.82CH2

(or-COOH)

11(P-OOOH)1(a-NH；)1

COOHOQOH000-GOO

Asp*1

AspAsp*Asp二

pH<1.0pHJ.O左右pH6~8pH>11.0

在等電點(diǎn)時(shí),兩性離子形式主要是Asp1',毗Asp的pl=l/2(pK]

+pK2)=1/2(2.09+3.86)=2.98。同樣方法可以求得其他含有3

個(gè)pK值的氨基酸的等電點(diǎn)。各種氨基酸在可見光區(qū)都沒有光吸收，

而在紫外光區(qū)僅色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸有吸收能力。其中色氨酸

的最大吸收波長為279nm,酪氨酸的最大吸收波長為278nm,苯丙氨

酸的為259nm。利用紫外光法可以測定這些氨基酸的含量。蛋白質(zhì)在

280nm的紫外光吸收絕大部分是由色氨酸和酪氨酸所引起的。因此測

定蛋白質(zhì)含量時(shí)，用紫外分光光度法測定蛋白質(zhì)在280nm的光吸收

值是一種既簡便而又快速的方法。

2.蛋白質(zhì)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與空間結(jié)構(gòu)

組成蛋白質(zhì)的氨基酸，是借助肽鍵連接在一起的。肽鍵是由一個(gè)

氨基酸分子中的a氨基與相鄰的另一個(gè)氨基酸分子中a-竣基，通過

失水縮合而成，這樣連起來的氨基酸聚合物叫做肽。肽鏈上的各個(gè)氨

基酸，由于在相互連接的過程中丟失了a-氨上的H和a-竣基上

的OH,被稱之為氨基酸殘基。在多肽鏈一端氨基酸含有一個(gè)尚未反

應(yīng)的游離氨基（一NH2）,稱為肽鏈的氨末端氨基酸或N末端氨基酸;

另一端的氨基酸含有一個(gè)尚未反應(yīng)的游離竣基（一COOH）,稱為肽

鏈的竣基末端氨基酸或C末端氨基酸。一般表示多肽鏈時(shí)，總是把N

末端寫在左邊，C末端寫右邊。合成肽鏈時(shí)，合成方向是從N末端開

始，逐漸向C末延伸。

各種蛋白質(zhì)分子都有特定的空間結(jié)構(gòu)，即構(gòu)象。

蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)：又稱初級結(jié)構(gòu)或化學(xué)結(jié)構(gòu)，是指組成蛋質(zhì)分

子的多肽鏈中氨基酸的數(shù)目、種類和排列順序，多肽鏈的數(shù)目，同時(shí)

也包括鏈內(nèi)或鍵間二硫鍵的數(shù)目和位置等。蛋白質(zhì)分子的一級結(jié)構(gòu)是

由共價(jià)鍵形成的，肽鍵和二硫鍵都屬于共價(jià)鍵。肽鍵是蛋白質(zhì)分子中

氨基酸連接的基本方式，形成共價(jià)主鏈。二硫鍵（一S-S）是由兩個(gè)

半胱氨酸（殘基）脫氫連接而成的，是連接肽鏈內(nèi)或肽鏈間的主要化

學(xué)鍵。二硫鍵在蛋白質(zhì)分子中起著穩(wěn)定肽鏈空間結(jié)構(gòu)的作用，往往與

生物活力有關(guān)。二硫鍵被破壞后，蛋白質(zhì)或多肽的生物活力就會喪失。

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，二硫鍵的數(shù)目多，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性就越強(qiáng)。在生

物體內(nèi)起保護(hù)作用的皮、角、毛發(fā)的蛋白質(zhì)中，二硫鍵最多。

蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)：是指多肽鏈本身折疊和盤繞方式，是指蛋白

質(zhì)分子中的肽鏈向單一方向卷曲而形成的有周期性重復(fù)的主體結(jié)構(gòu)

或構(gòu)象。這種周期性的結(jié)構(gòu)是以肽鏈內(nèi)或各肽鏈間的氫鍵來維持。常

見的二級結(jié)構(gòu)有a-螺旋、B-折疊、B-轉(zhuǎn)角等。例如動(dòng)物的各種

纖維蛋白，它們的分子圍繞一個(gè)縱軸纏繞成螺旋狀，稱為a-螺旋。

相鄰的螺旋以氫鍵相連，以保持構(gòu)象的穩(wěn)定。指甲、毛發(fā)以及有蹄類

的蹄、角、羊毛等的成分都是呈a-螺旋的纖維蛋白，又稱a-角蛋

白。B-折疊片是并列的比a-螺旋更為伸展的肽鏈，互相以氫鑄連

接起來而成為片層狀，如蠶絲、蛛絲中的B-角蛋白。

蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)：是指在二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步卷曲折疊,

構(gòu)成一個(gè)很不規(guī)則的具有特定構(gòu)象的蛋白質(zhì)分子。維持三級結(jié)構(gòu)的作

用力主要是一些所謂弱的相互作用，即次級鍵或稱非共價(jià)鍵，包括氫

鍵、鹽鍵、疏水鍵和范德華力等。鹽鍵又稱離子健，是蛋白質(zhì)分子中

正、負(fù)電荷的側(cè)鏈基團(tuán)互相接近，通過靜電吸引而形成的，如竣基和

氨基、胭基、咪哇基等基團(tuán)之間的作用力。疏水鍵是多肽鏈上的某些

氨基酸的疏水基團(tuán)或疏水側(cè)鏈（非極性側(cè)鏈）由于避開水而造成相互

接近、粘附聚集在一起。它在維持蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)方面占有突出地位。

范德華引力是分子之間的吸引力。此外二硫鍵也對三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)象起

穩(wěn)定作用。

具有三級結(jié)構(gòu)的球蛋白是一類比纖維蛋白的構(gòu)象更復(fù)雜的蛋白

質(zhì)。肽鏈也有a-螺旋、B-折疊片等構(gòu)象單元，這些構(gòu)象單元之間

由肽鏈中不規(guī)則卷曲的肽段相連接，使整個(gè)肽鑄折疊成近乎球狀的不

規(guī)則形狀。酶、多種蛋白質(zhì)激素、各種抗體以及細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞膜中的

蛋白質(zhì)都是球蛋白。和纖維蛋白不同，球蛋白的表面富有親水基團(tuán)，

因此都能溶于水。

蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)：是由兩條或兩條以上的具有三級結(jié)構(gòu)的多肽

聚合而成特定構(gòu)象的蛋白質(zhì)分子。構(gòu)成功能單位的各條肽鏈，稱為亞

基，一般地說，亞基單獨(dú)存在時(shí)沒有生物活力，只有聚合成四級結(jié)構(gòu)

才具有完整的生物活性。例如，磷酸化酶是由2個(gè)亞基構(gòu)成的，谷氨

酸脫氫酶是由6個(gè)相同的亞基構(gòu)成的，血紅蛋白是由4個(gè)不同的亞基

(2個(gè)a肽鏈，2個(gè)B鏈)構(gòu)成的，每個(gè)鏈都是一個(gè)具三級結(jié)構(gòu)的球

蛋白。亞基聚合成四級結(jié)構(gòu)，是通過分子表面的一些次級鍵，主要是

鹽鍵和氫鍵結(jié)合而聯(lián)系在一起的。有些蛋白質(zhì)分子只有一、二、三級

結(jié)構(gòu)，并無四級結(jié)構(gòu)，如肌紅蛋白、細(xì)胞色素C、核糖核酸酶、溶菌

酶等。另一些蛋白質(zhì)，則一、二、三、四級結(jié)構(gòu)同時(shí)存在，如血紅蛋

白、過氧化氫酶、谷氨酸脫氫酶等。

3.蛋白質(zhì)的性質(zhì)及生物學(xué)功能

蛋白質(zhì)是由許多氨基酸分子組成的，分子量很大。所以它有的性

質(zhì)與氨基酸相同，有的性質(zhì)又與氨基酸不同，如膠體性質(zhì)、變構(gòu)作用

和變性作用等。

(1)膠體性質(zhì)：蛋白質(zhì)分子量很大，容易在水中形成膠體粒，

具有膠體性質(zhì)。在水溶液中，蛋白質(zhì)形成親水膠體，就是在膠體顆粒

之外包含有一層水膜。水膜可以把各個(gè)顆粒相互隔開，所以顆粒不會

凝聚成塊而下沉。

(2)變構(gòu)作用：含2個(gè)以上亞基的蛋白質(zhì)分子，如果其中一個(gè)

亞基與小分子物質(zhì)結(jié)合，那就不但該亞基的空間結(jié)構(gòu)要發(fā)生變化，其

他亞基的構(gòu)象也將發(fā)生變化，結(jié)果整個(gè)蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象乃至活性均

將發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為變構(gòu)或別構(gòu)作用。例如，某些酶分子可以

和它所催化的最終產(chǎn)物結(jié)合，引起變構(gòu)效應(yīng)，使酶的活力降低，從而

起到反饋抑制的效果。

（3）變性作用：蛋白質(zhì)在重金屬鹽（汞鹽、銀鹽、銅鹽等）、酸、

堿、乙醛、尿素等的存在下，或是加熱至70?100℃,或在X射線、

紫外線的作用下，其空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變和破壞，從而失去生物學(xué)活性,

這種現(xiàn)象稱為變性。變性過程中不發(fā)生肽鍵斷裂和二硫鍵的破壞，因

而不發(fā)生一級結(jié)構(gòu)的破壞，而主要發(fā)生氫鍵、疏水鍵的破壞，使肽鏈

的有序的卷曲、折疊狀態(tài)變?yōu)樗缮o序。

種類繁多的蛋白質(zhì)具有多種多樣的生物學(xué)功能，歸納起來主要具

有下列5個(gè)方面：（1）作為酶，蛋白質(zhì)具有催化功能。（2）作為結(jié)構(gòu)

成分，它規(guī)定和維持細(xì)胞的構(gòu)造。（3）作為代謝的調(diào)節(jié)者（激素或阻

遏物），它能協(xié)調(diào)和指導(dǎo)細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)過程。（4）作為運(yùn)輸工具，它

能在細(xì)胞內(nèi)或者透過細(xì)胞膜傳遞小分子或離子。（5）作為抗體，它起

著保護(hù)有機(jī)體，防御外物入侵的作用。蛋白質(zhì)是一切生命現(xiàn)象不可缺

少的，即使像病毒、類病毒那樣以核酸為主體的生物，也必須在它們

寄生的活細(xì)胞的蛋白質(zhì)的作用下，才能表現(xiàn)出生命現(xiàn)象。

（-）核酸的結(jié)構(gòu)與生物學(xué)功能

核酸是生物體內(nèi)極其重要的生物大分子，是生命的最基本的物質(zhì)

之一。最早是瑞士的化學(xué)家米歇爾于1870年從膿細(xì)胞的核中分離出

來的，由于它們是酸性的，并且最先是從核中分離的，故稱為核酸。

核酸的發(fā)現(xiàn)比蛋白質(zhì)晚得多。核酸分為脫氧核糖核酸（簡稱DNA）

和核糖核酸（簡稱RNA）兩大類，它們的基本結(jié)構(gòu)單位都是核甘酸

(包含脫氧核甘酸)。

1.核酸的基本單位―核甘酸

每一個(gè)核甘酸分子由一分子戊糖(核糖或脫氧核糖)、一分子磷

酸和一分子含氮堿基組成。堿基分為兩類：一類是喋吟，為雙環(huán)分子;

另一類是口密咤，為單環(huán)分子。喋吟一般均有A、G2種，口密咤一般有

C、T、U3種。這5種堿基的結(jié)構(gòu)式如下圖所示。

喋吟g)朦黑蜂(A)鳥/吟(G)

由上述結(jié)構(gòu)式可知：腺喋吟是喋吟的6位碳原子上的H被氨基

取代。鳥喋吟是喋吟的2位碳原子上的H被氨基取代，6位碳原子上

的H被酮基取代。3種喀咤都是在口密咤2位碳原子上由酮基取代H,

在4位碳原子上由氨基或酮基取代H而成，對于T,喀咤的5位碳原

子上由甲基取代了Ho凡含有酮基的喀咤或口票吟在溶液中可以發(fā)生酮

式和烯醇式的互變異構(gòu)現(xiàn)象。結(jié)晶狀態(tài)時(shí)，為這種異構(gòu)體的容量混合

物。在生物體內(nèi)則以酮式占優(yōu)勢，這對于核酸分子中氫鍵結(jié)構(gòu)的形成

非常重要。例如尿口密咤的互變異構(gòu)反應(yīng)式如下圖。

酮式（2,4-二氧口密嚏）烯酸式（2,4-二羥喀

咤）

在一些核酸中還存在少量其他修飾堿基。由于含量很少，故又稱

微量堿基或稀有堿基。核酸中修飾堿基多是4種主要堿基的衍生物。

tRNA中的修飾堿基種類較多，如次黃喋吟、二氫尿啼咤、5-甲基尿

口密咤、4-硫尿嗑咤等，tRNA中修飾堿基含量不一，某些tRNA中的

修飾堿基可達(dá)堿基總量的10%或更多。

核昔是核糖或脫氧核糖與喋吟或口密嗟生成的糖甘。戊糖的第1碳

麻（G）通常與喋吟的第9氮原子或喀咤的第1氮原子相連。在tRNA

中存在少量5-核糖尿嗑咤，這是一種碳甘，其C1是與尿喀咤的第5

位碳原子相連，因?yàn)檫@種戊糖與堿基的連接方式特殊（為C-C連接）,

故稱為假尿昔如下圖。

腺昔（A）脫氧胸昔（dT）假尿甘（W）

核昔酸是由核昔中糖的某一羥基與磷酸脫水縮合而成的磷酸酯。

核甘酸的核糖有3個(gè)自由的羥基，可與磷酸酯化分別生成2，-、3'

-和5'-核甘酸。脫氧核甘酸的脫氧核糖只有2個(gè)自由羥基，只能

生成3'-和5'-脫氧核甘酸。生物體內(nèi)游離存在的核甘酸都是5'

-核甘酸。以RNA的腺甘酸為例：當(dāng)磷酸與核糖5位碳原子上羥基

縮合時(shí)為5'-腺甘酸，用5'-AMP表示；當(dāng)磷酸基連接在核糖3

位或2位碳原子上時(shí)，分別為3'-AMP和2'-AMPo5'-腺普

酸和3'-脫氧胞甘酸的結(jié)構(gòu)式如下圖所示。

5'-腺甘酸A3,-胞嗑庭脫氧核普

(5'-AMP)(3Z-dCMP)

核甘酸結(jié)構(gòu)也可以用下面簡式(如下圖)表示。B表示喋吟或口密

咤堿基，直線表示戊糖，P表示磷酸基。

BBB

2,、l/P

、P3'p

、5,

2'-核甘酸3'-核甘酸5'-核甘酸

3'-或5'-核甘酸簡式也可分別用Np和pN表示(N代表核

昔)。即當(dāng)P在N右側(cè)時(shí)為3'-核昔核，P在N左側(cè)的為5'-核

甘酸，如3'-核甘酸和5'-核甘酸可分別用Ap和pA表示。

在生物體內(nèi)，核甘酸除了作為核酸的基本組成單位外，還有一些

核甘酸類物質(zhì)自由存在于細(xì)胞內(nèi)，具有各種重要的生理功能。

(1)含高能磷酸基的ATP類化合物：5'-腺甘酸進(jìn)一步磷酸

化，可以形成腺甘二磷酸和腺甘三磷酸，分別為ADP和ATP表示。

ADP是在AMP接上一分子磷酸而成，ATP是由AMP接上一分子焦

磷酸（PPi）而成，它們的結(jié)構(gòu)式如下圖所示。

fb

l(T

pI

P=POP

HO-=H0-H

OooO

腺甘二磷酸（ADP）腺甘三磷酸（ATP）

這類化合物中磷酸之間是以酸酎形式結(jié)合成鍵，磷酸酊鍵具有很

高的水解自由能，習(xí)慣上稱為高能鍵，通常用“?”表示。ATP分子

中有2個(gè)磷酸配鍵，ADP中只含1個(gè)磷酸酎鍵。

在生活細(xì)胞中，ATP和ADP通常以Mg2+或Mi?+鹽的復(fù)合物形

式存在。特別是ATP分子上的焦磷酸基對二價(jià)陽離子有高親和力；

加上細(xì)胞內(nèi)常常有相當(dāng)高濃度的Mg2+,使ATP對Mg2+的親和力遠(yuǎn)

大于ADP。在體內(nèi)，凡是有ATP參與的酶反應(yīng)中，大多數(shù)的ATP是

以Mg2+—ATP復(fù)合物的活性形式起作用的。當(dāng)ATP被水解時(shí)，有兩

種結(jié)果：一是水解形成ADP和無機(jī)磷酸；另一種是水解生成AMP

和焦磷酸。ATP是大多數(shù)生物細(xì)胞中能量的直接供體，ATP—ADP循

環(huán)是生物體系中能量交換的基本方式。

在生物細(xì)胞內(nèi)除了ATP和ADP外，還有其他的5'-核昔二磷

酸和三磷酸，如GDP、CDP、UDP和GTP、CTP、UTP；5'-脫氧

核昔二磷酸和三磷酸，如dADP、dGDP、dTDP、dCDP和dATP、

dCTP、dGTP、dTTP,它們都是通過ATP的磷酸基轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化來的，

因此ATP是各種高能磷酸基的主要來源。除ATP外，由其他有機(jī)堿

構(gòu)成的核甘酸也有重要的生物學(xué)功能，如鳥普三磷酸(GTP)是蛋白

質(zhì)合成過程中所需要的，鳥昔三磷酸(UTP)參與糖原的合成，胞昔

三磷酸(CTP)是脂肪和磷脂的合成所必需的。還有4種脫氧核糖核

甘的三磷酸酯。即dATP、dCTP、dGTP、dTTP則是DNA合成所必

需的原材料。

(2)環(huán)狀核甘酸；核甘酸可在環(huán)化酶的催化下生成環(huán)式的一磷

酸核甘。其中以3',5'-環(huán)狀腺甘酸(以cAMP)研究最多，它是

由腺甘酸上磷酸與核糖3',5'碳原子酯化而形成的，它的結(jié)構(gòu)式如

下圖所示。

3'.5'-環(huán)腺昔酸(cAMP)

正常細(xì)胞中cAMP的濃度很低。在細(xì)胞膜上的腺甘酸環(huán)化酶和

Mg2+存在下，可催化細(xì)胞中ATP分子脫去一個(gè)焦磷酸而環(huán)化成

cAMP,使cAMP的濃度升高，但cAMP又可被細(xì)胞內(nèi)特異性的磷酸

二酯酶水解成5'-AMP,故cAMP的濃度受這兩種酶活力的控制，

使其維持一定的濃度。該過程可簡單表示如下：

腺甘酸環(huán)化酶入、cl2加布公硝酸二酯,,八、n

ATP----布丁*cAM71P+焦磷酸~五石方/*5-AM71P

現(xiàn)認(rèn)為cAMP是生物體內(nèi)的基本調(diào)節(jié)物質(zhì)。它傳遞細(xì)胞外的信

號，起著某些激素的“第二信使”作用。不少激素的作用是通過cAMP

進(jìn)行的，當(dāng)激素與膜上受體結(jié)合后，活化了腺甘酸環(huán)化酶，使細(xì)胞內(nèi)

的cAMP含量增加。再通過cAMP去激活特異性的蛋白激酶，由激

酶再進(jìn)一步起作用。近年來發(fā)現(xiàn)3'、5'-環(huán)鳥甘酸（cGMP）也有

調(diào)節(jié)作用，但其作用與cAMP正好相拮抗。它們共同調(diào)節(jié)著細(xì)胞的生

長和發(fā)育等過程。止匕外，在大腸桿菌中cAMP也參與DNA轉(zhuǎn)錄的調(diào)

控作用。

2.核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)（或一級結(jié)構(gòu)）

核酸分子是由核甘酸單體通過3',5'-磷酸二酯鍵聚合而成的

多核甘酸長鏈。核甘酸單體之間是通過

脫水縮合而成為聚合物的，這點(diǎn)與蛋白

質(zhì)的肽鏈形成很相似。在脫水縮合過程

中，一個(gè)核甘酸中的磷酸給出一個(gè)氫原子；另一個(gè)相鄰核甘酸中的戊

糖給出一個(gè)羥基，產(chǎn)生一分子水，每個(gè)單體便以磷酸二酯鍵的形式連

接起來。由許多個(gè)核甘酸縮合而形成多核甘酸鏈。如果用脾磷酸二酯

酶來水解多核甘酸鏈，得到的是3'-核甘酸，而用蛇毒磷酸二酯酶

來水解得到的卻是5'-核甘酸。這證明多核甘酸鏈?zhǔn)怯蟹较虻?，?/p>

端叫3'-未端，一端叫5'?■末端。所謂3'-末端是指多核甘酸

鏈的戊糖上具有3'-磷酸基（或羥基）的末端，而具有5'-磷酸

基（或羥基）的末端則稱為5'末-端。多核甘酸鏈兩端的核甘酸為

末端核甘酸，末端磷酸基與核音相連的鍵稱為磷酸單酯鍵。書寫多核

甘酸鏈時(shí)，通常將5'端寫在左邊，3'端寫在右邊。但在書寫一條

互補(bǔ)的雙鏈DNA時(shí)-，由于二條鏈?zhǔn)欠聪蚱叫械?，因此每條鏈的末端

必須注明5'或3'。通常寡核甘酸鏈可用右面的簡式表示（如右圖所

SO

述簡式還可簡化為pApCpGpUoH，若進(jìn)一步簡化，還可將核甘酸

鏈中的p省略，或在核甘酸之前加小點(diǎn)，則變?yōu)镻ACGUOH或

pA?C?G?UOHO

3.核酸的性質(zhì)

(1)一般性質(zhì)

核酸和核甘酸既有磷酸基，又有堿性基團(tuán)，為兩性電解質(zhì)，因磷

酸的酸性強(qiáng)，通常表現(xiàn)為酸性。核酸可被酸、堿或酶水解成為各種組

分，其水解程度因水解條件而異。RNA在室溫條件下被稀堿水解成

核甘酸而DNA對堿較穩(wěn)定，常利用該性質(zhì)測定RNA的堿基組成或

除去溶液中的RNA雜質(zhì)。DNA為白色纖維狀固體，RNA為白色粉

末；都微溶于水，不溶于一般有機(jī)溶劑。常用乙醇從溶液中沉淀核酸。

(2)核酸的紫外吸收性質(zhì)

核酸中的喋吟堿和喀I定堿均具有共麗雙鍵，使堿基、核甘、核普

酸和核酸在240?290nm的紫外波段有一個(gè)強(qiáng)烈的吸收峰，最大吸收

值在260nm附近。不同的核甘酸有不同的吸收特性。由于蛋白質(zhì)在

這一光區(qū)僅有很弱的吸收，蛋白質(zhì)的最大吸收值在280nm處，利用

這一特性可以鑒別核酸純度及其制劑中的蛋白質(zhì)雜質(zhì)。

(3)核酸的變性和復(fù)性

①核酸的變性：是指核酸雙螺旋區(qū)的氫鍵斷裂，堿基有規(guī)律的堆

積被破壞，雙螺旋松散，發(fā)生從螺旋到單鍵線團(tuán)的轉(zhuǎn)變，并分離成兩

條纏繞的無定形的多核甘酸單鍵的過程。變性主要是由二級結(jié)構(gòu)的改

變引起的，因不涉及共價(jià)鍵的斷裂，故一級結(jié)構(gòu)并不發(fā)生破壞。多核

甘酸骨架上共價(jià)鍵（3',5,一磷酸二酯?。┑臄嗔逊Q為核酸的降解,

降解引起核酸分子量降低。引起核酸變性的因素很多，如加熱引起熱

變性，pH值過低（如pHV4=的酸變性和pH值過高（pH>11.5）的

堿變性，純水條件下引起的變性以及各種變性試劑，如甲醇、乙醇、

尿素等都能使核酸變性。此外，DNA的變性還與其分子本身的穩(wěn)定

性有關(guān)，由于C—C中有三對氫健而A—T對只有兩對氫鍵，故C+

G百分含量高的DNA分子就較穩(wěn)定，當(dāng)DNA分子中A+T百分含量

高時(shí)就容易變性。環(huán)狀DNA分子比線形DNA要穩(wěn)定，因此線狀

DNA較環(huán)狀DNA容易變性。

核酸變性后，一系列物理和化學(xué)性質(zhì)也隨之發(fā)生改變，如260nm

區(qū)紫外吸收值升高，粘度下降，浮力密度升高，同時(shí)改變二級結(jié)構(gòu)，

有的可以失去部分或全部生物活性。DNA的加熱變性一般在較窄的

溫度范圍內(nèi)發(fā)生，很像固體結(jié)晶物質(zhì)在其熔點(diǎn)突然熔化的情況，因此

通常把熱變性溫度稱為“熔點(diǎn)”或解鍵溫度，用Tm表示。對DNA

而言，通常把DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)失去一半時(shí)的溫度（或變性量達(dá)最

大值的一半時(shí)的溫度）稱為該DNA的熔點(diǎn)或解鏈溫度。在此溫度可

由紫外吸收（或其他特性）最大變化的半數(shù)值得到。DNA的Tm值

一般在70℃?85℃。RNA變性時(shí)發(fā)生與DNA變性時(shí)類似的變化，

但其變化程度不及DNA大，因?yàn)镽NA分子中只有部分螺旋區(qū)。

②核酸的復(fù)性：變性DNA在適當(dāng)條件下，又可使兩條彼此分開

的鏈重新締合成為雙螺旋結(jié)構(gòu)，這個(gè)過程稱為復(fù)性。DNA復(fù)性后，

許多物理、化學(xué)性質(zhì)又得到恢復(fù)，生物活性也可以得到部分恢復(fù)。

DNA的片段越大，復(fù)性越慢；DNA的濃度越高，復(fù)性越快。

DNA或RNA變性或降解時(shí)，其紫外吸收值增加，這種現(xiàn)象叫做

增色效應(yīng)，與增色效應(yīng)相反的現(xiàn)象稱為減色效應(yīng)，變性核酸復(fù)性時(shí)則

發(fā)生減色效應(yīng)。它們是由堆積堿基的電子間相互作用的變化引起的。

（三）酶的特點(diǎn)及功能

酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的、具有催化活性和高度專一性的特殊蛋白

質(zhì)。酶被稱為生物催化劑。生物體內(nèi)錯(cuò)綜復(fù)雜的代謝反應(yīng)必須具有酶

才能按一定規(guī)律有條不紊地進(jìn)行。酶缺陷或酶活性被抑制都會引起疾

病。例如，人體缺乏酪氨酸酶會引起白化病。許多中毒性疾病，如有

機(jī)磷中毒、鼠化物中毒、重金屬的中毒等，都是由于某些酶的活性被

抑制所引起的。

1.酶促反應(yīng)的特點(diǎn)

酶是生物催化劑，因而它既有與一般催化劑相同的性質(zhì)，也有與

一般催化劑不同的特點(diǎn)。酶和一般催化劑的共同點(diǎn)是：①酶在催化反

應(yīng)加快進(jìn)行時(shí)，在反應(yīng)前后酶本身沒有數(shù)量和性質(zhì)上的改變，因而很

少量的酶就可催化大量的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。②酶只能催化熱力學(xué)上允許

進(jìn)行的反應(yīng)，而不能使本來不能進(jìn)行的反應(yīng)發(fā)生。③酶只能使反應(yīng)加

快達(dá)到平衡，而不能改變達(dá)到平衡時(shí)反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度。因此，酶

既能加快正反應(yīng)進(jìn)行，也能加快逆反應(yīng)進(jìn)行。酶促反應(yīng)究竟朝哪個(gè)方

向進(jìn)行，取決于反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度。酶與一般的催化劑相比又有其

特點(diǎn)，最突出的是它的高效性和專一性。

2.酶的化學(xué)本質(zhì)

通過對酶的性質(zhì)、組成和結(jié)構(gòu)等等方面的研究證實(shí)，酶是蛋白質(zhì)

（也有RNA）。蛋白質(zhì)分為簡單蛋白質(zhì)和結(jié)合蛋白質(zhì)兩大類。酶按照

化學(xué)組成也可分為單純酶和結(jié)合酶兩大類。服酶、胃蛋白酶和核糖核

酸酶等一般水解酶都屬于簡單蛋白質(zhì)，這些酶只由氨基酸組成，此外

不含其他成分。轉(zhuǎn)氨酶、碳酸酎酶、乳酸脫氫酶及其他氧化還原酶等

均屬于結(jié)合蛋白質(zhì)。這些酶除了蛋白質(zhì)組分外，還含有對熱穩(wěn)定的非

蛋白的小分子物質(zhì)，前者稱酶蛋白，后者稱輔因子。酶蛋白與輔因子

單獨(dú)存在時(shí)一，均無催化活力，只有二者結(jié)合成完整的分子時(shí);才具有

活力。此完整的酶分子稱為全酶（全酶=酶蛋白十輔因子）。有的酶

的輔因子是金屬離子，有的是小分子有機(jī)化合物。通常將這些小分子

有機(jī)化合物稱為輔酶或輔基。輔酶或輔基并沒有本質(zhì)的差別，只不過

是它們與蛋白質(zhì)部分結(jié)合的牢固程度不同而已。通常把與酶蛋白結(jié)合

比較松的，用透析法可除去的小分子有機(jī)物稱為輔酶；反之為輔基。

在酶的催化過程中，輔酶或輔基的作用是作為電子、原子或某些基團(tuán)

的載體參與反應(yīng)并促進(jìn)整個(gè)催化過程。金屬在酶分子中或作為酶活性

部位的組成成分，或幫助形成酶活性所必需的構(gòu)象。一種輔酶常可與

多種不同的酶蛋白結(jié)合而組成具有不同專一性的全酶。可見決定酶催

化專一性的是酶的蛋白質(zhì)部分。

3.酶的活性中心和必需基團(tuán)

酶作為蛋白質(zhì)，其分子比大多數(shù)底物要大得多，因此在反應(yīng)過程

中酶與底物的接觸只限于酶分子的少數(shù)基團(tuán)或較小的部位。因分子中

雖然有許多基團(tuán)，但并不是所有的基團(tuán)都與酶的活性有關(guān)，其中有些

基團(tuán)若經(jīng)化學(xué)修飾（如氧化、還原、?；?、烷化等）使其改變，則酶

的活性喪失，這些基團(tuán)就稱為必需基團(tuán)。常見的必需基團(tuán)有Ser的羥

基，His的咪哇基，Cys的筑基，Asp、Glu的側(cè)鏈竣基等。

活性中心（或稱活性部位）是指酶分子中直接和底物結(jié)合，并和

酶催化作用直接有關(guān)的部位。對于單純酶來說，它是由一些氨基酸殘

基的側(cè)鏈基團(tuán)組成的。對于結(jié)合酶來說，輔酶或輔基上的某一部分結(jié)

構(gòu)往往也是活性部位的組成部分。

酶的活性中心的必需基團(tuán)可分為兩種：一種是與作用物結(jié)合的必

需基團(tuán)，稱為結(jié)合基團(tuán)，它決定酶的專一性；另一種是促進(jìn)作用物發(fā)

生化學(xué)變化的基團(tuán)，稱為催化基團(tuán)，它決定酶的催化能力。但也有些

必需基團(tuán)同時(shí)具有這兩種作用。另外還有些必需基團(tuán)位于酶活性中心

以外的部位，但仍是維持酶催化作用所必需的，這種稱為酶活性中心

以外的必需基團(tuán)。由此可見，酶除了活性中心以外，其他部分并不是

可有可無的。活性中心必需基團(tuán)的作用，一方面使底物與酶依一定構(gòu)

型而結(jié)合成為復(fù)合物，這樣有利于相互影響和作用；另一方面影響底

物分子某些鍵的穩(wěn)定性，鍵被打斷或形成新的鍵，從而催化其轉(zhuǎn)變。

某些酶，特別是一些與消化作用有關(guān)的酶,在最初合成和分泌時(shí),

沒有催化活性，這種沒有活性的酶的前體稱為“酶原”。酶原在一定

條件下經(jīng)適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)作用可轉(zhuǎn)變?yōu)橛谢钚缘拿?。酶原轉(zhuǎn)變成酶的過程

稱為酶原的激活。這個(gè)過程實(shí)質(zhì)上是酶活性部位形成或暴露的過程。

4,酶的催化機(jī)理

個(gè)反應(yīng)體系中，任何反應(yīng)物分子都有進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)的可能，但并非全部反應(yīng)物分子都進(jìn)行反應(yīng)。因?yàn)樵诜磻?yīng)

體系中各個(gè)反應(yīng)物分子所含的能量高低不同，只有那些含能量達(dá)到或超過一定數(shù)值（此能量數(shù)值稱為此反應(yīng)的

能閾）的分子，才能發(fā)生反應(yīng)，這些分子稱為活化分子，使一般分子變?yōu)榛罨肿铀璧哪芰浚捶肿蛹せ顟B(tài)

與基態(tài)之間的能量差）稱為活化能。在一個(gè)反應(yīng)體系中，活化分子越多，反應(yīng)就越快，設(shè)法增加活化分子的數(shù)

目就能加快反應(yīng)的速度。降低活化能，能使本來不夠活化水平的分子也成為活化分子，從而增加了活化分子的

數(shù)目?；罨苡档停瑒t活化分子的數(shù)目就愈多°陋的催化作用就是降低化學(xué)反應(yīng)的活化能，如下圖圖所示。

由于在催化反應(yīng)中只需較少的能量就可使反應(yīng)物進(jìn)入“激活態(tài)”，所以同非催化反應(yīng)相比，活化分子的數(shù)量大大

增加，從而加快了反應(yīng)速度。

自

由

能激活態(tài)

葬痂拔應(yīng)所

需活化自由能

罹論反應(yīng)所需

，活出包由能

反應(yīng)前后

自由能之差

反應(yīng)過程

非催化過程與催化過程自由能的變化

目前認(rèn)為酶降低活化能的原因在于酶參與了反應(yīng)，即它先與底物

結(jié)合形成不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物，然后使中間產(chǎn)物再分解，釋放出酶及生

成反應(yīng)產(chǎn)物。此過程可用下式表示:

扁LV與

這樣，把原來無酶參加的一步反應(yīng)S===P（能閾較高），變成能

閾較低的兩步反應(yīng)（S+E==ES和ES===E+P）o反應(yīng)的總結(jié)果是相

同的，但由于反應(yīng)的過程不同，活化能就大大降低了。這就是目前所

公認(rèn)的中間產(chǎn)物學(xué)說。關(guān)于酶與底物如何結(jié)合形成中間產(chǎn)物，又如何

完成催化作用，目前有鎖鑰學(xué)說和誘導(dǎo)契合學(xué)說。

5.影響酶作用的因素

影響酶促反應(yīng)的因素有酶的濃度、底物濃度、

V

pH值、溫度、抑制劑和激活劑等。酶促反應(yīng)速度

0(E)

指的是反應(yīng)初速度，此時(shí)反應(yīng)速度與酶的濃度成正比關(guān)系，避免反應(yīng)

產(chǎn)物以及其他因素的影響。研究某一因素對酶促反應(yīng)速度的影響時(shí)，

在保持其他因素不變的情況下，單獨(dú)改變研究的因素。

（1）酶的濃度；當(dāng)?shù)孜餄舛却蟠蟪^酶的濃度，酶的濃度與反

應(yīng)速度呈正比關(guān)系（見右圖所示）。

（2）底物濃度：在酶濃度不變的情況下，底vr____（Y）,.

物濃度對反應(yīng)速度影響的作圖呈現(xiàn)矩形雙曲線

（見右圖所示）。當(dāng)?shù)孜餄舛群艿蜁r(shí)，反應(yīng)速度隨°e⑸

底物濃度的增加而急驟加快，兩者呈正比關(guān)系。隨著底物濃度的升高,

反應(yīng)速度的增加幅度不斷下降。如果繼續(xù)加大底物濃度，其反應(yīng)速度

不再增加，說明酶已被底物所飽和。所有酶都有飽和現(xiàn)象，只是達(dá)到

飽和時(shí)所需的底物濃度各不相同。

（3）溫度：在一定的溫度范圍內(nèi)一般化學(xué)反應(yīng)速度均隨溫度升

高而加快，酶促反應(yīng)也服從這個(gè)規(guī)律。酶是蛋白質(zhì)，其本身因溫度升

高而達(dá)到一定高度時(shí)會變性，破壞其活性中心的結(jié)構(gòu)，從而減低反應(yīng)

速度或完全失去其催化活性。在某一溫度時(shí)，酶促反應(yīng)的速度最大，

此時(shí)的溫度稱為酶作用的最適溫度。

（4）pH：酶分子中含有許多極性基團(tuán)，在不同的pH環(huán)境中，

這些基團(tuán)的解離狀態(tài)不同，所帶電荷的種類和數(shù)量也不盡相同，酶的

活性中心往往只處于某一解離狀態(tài)時(shí)最有利于同底物結(jié)合。酶催化活

性最大時(shí)的pH值稱為酶作用的最適pHo溶液的pH值高于或低于最

適pH時(shí)都會使酶的活性降低，遠(yuǎn)離最適pH值時(shí)甚至導(dǎo)致酶的變性

失活。

（5）激活劑和抑制劑：激活劑是指能增強(qiáng)酶活性的物質(zhì)，如C1

一是唾液淀粉酶的激活劑。與激活劑相反，凡能降低酶的活性，甚至

使酶完全喪失活性的物質(zhì)稱為酶的抑制劑。抑制劑對酶活性的抑制作

用包括不可逆抑制和可逆抑制兩類：

①不可逆抑制作用，其抑制劑通常以共價(jià)鍵與酶活性中心上的必

需基團(tuán)相結(jié)合，使酶失活。如有機(jī)磷化合物能與許多種酶活性中心絲

氨酸殘基上的羥基結(jié)合，使酶失活。

②可逆的抑制作用：包括競爭性抑制與非競爭性抑制兩種。在競

爭性抑制中，抑制劑常與底物的結(jié)構(gòu)相似，它與底物共同競爭酶的活

性中心，從而阻礙底物與酶的結(jié)合，如丙二酸對琥珀酸脫氫酶的抑制。

非競爭性抑制中的抑制劑可以與酶活性中心外的部位可逆結(jié)合，這種

結(jié)合不影響酶對底物的結(jié)合。底物與抑制劑之間無競爭關(guān)系，但酶一

底物一抑制劑不能進(jìn)一步釋放出產(chǎn)物。對酶促反應(yīng)速度及其影響因素

的研究具有重要的理論和實(shí)踐意義。

（四）生物氧化

生物體需要的能量主要是通過代謝物在體內(nèi)氧化而獲得的。物質(zhì)

在生物體內(nèi)經(jīng)過氧化最后生成水和CO?并釋放能量的過程，稱為生物

氧化，由于這一過程是在組織細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的，表現(xiàn)為細(xì)胞攝取。2而

釋放CO2,因此生物氧化又稱為組織呼吸或細(xì)胞呼吸。雖然糖、脂肪

及蛋白質(zhì)等在體內(nèi)外氧化分解，都產(chǎn)生水和CO2,并釋放出等量的能

量，但生物氧化與燃燒的過程有顯著不同：生物氧化反應(yīng)是在溫和的

條件下進(jìn)行的酶促反應(yīng)，所釋放的能量，有一部分以化學(xué)能的形式儲

存在ATP分子中。

1.生物氧化的方式和酶類

(1)生物氧化中二氧化碳生成的方式

生物體內(nèi)二氧化碳的生成并不是物質(zhì)中所含的碳、氧原子的直接

化合，而是來源于糖、脂肪等轉(zhuǎn)變來的有機(jī)酸的脫竣。根據(jù)脫去二氧

化碳的竣基在有機(jī)酸分子中的位置，可將脫竣反應(yīng)分為a-脫竣與3

-脫竣兩種類型。有些脫竣反應(yīng)不伴有氧化，稱為單純脫竣；有些

則伴有氧化，稱為氧化脫竣。例如蘋果酸的氧化脫竣：

CH?—COOHCH3

浜果檢能

CHOH-COOH—5n-CO-COOH+CO.

(2)生物氧化中物質(zhì)氧化的方式

在化學(xué)反應(yīng)中，失電子、脫氫、加氧都屬于氧化；得電子、加氫、

脫氧都屬于還原。這種變化規(guī)律，無論在體內(nèi)或體外，都是一樣的。

不同的是，體內(nèi)氧化都是酶促反應(yīng)。常見的氧化類型有脫電子、脫氫、

加水脫氫和加氧反應(yīng)。生物體內(nèi)并不存在游離的電子或氫原子，在上

述氧化反應(yīng)中脫下的電子或氫原子必須為另一物質(zhì)所接受。這種既能

接受又能供出電子或氫原子的物質(zhì)稱為遞電子體或遞氫體。

(3)與生物氧化有關(guān)的酶類

①氧化酶類：能直接利用氧分子作為受氫體，其中氧化酶含銅，

反應(yīng)產(chǎn)物是水，如細(xì)胞色素氧化酶。

②需氧脫氫酶類：通常以黃素腺喋吟二核甘酸(FAD)為輔基，

反應(yīng)產(chǎn)物為過氧化氫。習(xí)慣上有時(shí)將需氧脫氫酶不嚴(yán)格地稱為氧化

酶，如黃喋吟氧化酶。

③不需氧脫氫酶：不能以氧分子而只能以體內(nèi)某些輔酶為直接受

氫體，這些輔酶包括尼克酰胺腺喋吟二核甘酸（NADP+）、尼克酰胺

腺喋吟二核甘酸磷酸（NAD+）、黃素單核甘酸（FMN）或黃素腺喋

吟二核昔酸（FAD）等。

2.生物氧化中水的生成

生物氧化中水的生成，即代謝物脫下的成對氫原子通過多種酶和

輔酶所組成的連鎖反應(yīng)，逐步傳遞，使之最終與氧結(jié)合生成水。由遞

氫體和遞電子體按一定順序排列構(gòu)成的此連鎖反應(yīng)與細(xì)胞攝取氧的

呼吸過程有關(guān)，通常稱為呼吸鏈。

（1）呼吸鏈的組成

呼吸鏈由許多個(gè)組分組成，參加呼吸鏈的氧化還原酶有尼克酰胺

脫氫酶類、黃素脫氫酶類、鐵硫蛋白類、細(xì)胞色素類、輔酶Q類等。

①尼克酰胺脫氫酶類：以NAD+、NADP+為輔酶，它們能夠可逆

地加氫還原、脫氫氧化，故可作為遞氫體而起作用。尼克酰胺只能接

受一個(gè)氫原子和一個(gè)電子，而另一個(gè)質(zhì)子則留在介質(zhì)中（如下圖所

于O

②黃素脫氫酶類：其輔基為FMN、FAD,其分子中都含有異咯

嗪。異咯嗪的1和5位的兩個(gè)氮原子都可以進(jìn)行脫氫和加氫反應(yīng)，故

它們都可作為遞氫體(如下圖所示)。

R

③鐵硫蛋白類：其分子中含非嚇咻鐵和對酸不穩(wěn)定的硫，其作用

是借鐵的變價(jià)進(jìn)行電子傳遞：

Fe31+e===Fe21

因其分子中含有兩個(gè)活潑的硫和兩個(gè)鐵原子，故稱鐵硫中心。

④輔酶Q類：此類酶是一種脂溶性的酯類化合物，因廣泛存在

于生物界，故又名泛釀。其分子中的苯醍結(jié)構(gòu)能可逆地加氫還原而形

成對苯二酚衍生物，故屬于傳氫體。

⑤細(xì)胞色素類：細(xì)胞色素是一類以鐵咋琳為輔基的蛋白質(zhì)，在呼

吸鏈中，也依靠鐵的化合價(jià)的變化而傳送電子。目前發(fā)現(xiàn)的細(xì)胞色素

有多種，包括a,a3,b,c,5等。不同種類的細(xì)胞色素的輔基結(jié)構(gòu)

及與蛋白質(zhì)連接的方式是不同的。在典型的線粒體呼吸鏈中，其順序

是bf“fcfaa3fo2，其中僅最后一個(gè)a?可被氧分子直接氧化，但

目前還不能把a(bǔ)和a3分開，故把a(bǔ)和a3合稱為細(xì)胞色素氧化酶。除

aa3外，其余的細(xì)胞色素中的鐵原子均與其外嚇啾環(huán)和蛋白質(zhì)形成六

個(gè)配位健，惟有aa3的鐵原子形成五個(gè)配位鍵，還保留一個(gè)配位鍵，

能。2、CO、CN-等結(jié)合，其正常功能是與氧結(jié)合。

(2)呼吸鏈中傳遞體的排列順序

呼吸鏈中傳遞體的排列順序是根據(jù)下列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定的：

①根據(jù)呼吸鍵各組分的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位，按氧還電位遞增的

順序依次排列;

②利用阻斷呼吸鍵的特殊抑制劑，阻斷鏈中某些特定的電子傳

遞環(huán)節(jié)。若加入某種抑制劑后，則在阻斷環(huán)節(jié)的負(fù)電子性側(cè)速電子體

（遞氫體）因不能再氧化而大多處于還原狀態(tài)，但在阻斷環(huán)節(jié)的正電

子性側(cè)遞氫、送電子體不能被還原而大多處于氧化狀態(tài)。現(xiàn)已基本確

定的兩條主要的呼吸鏈中各傳遞體的排列順序如下:

（1）NADH氧化呼吸鍵（如下圖所示）。

r--2H'_-

fFMNH2],

隗、/NAD，kzCoQ、”2CytF+、，I*

?（Fe-S）JVYV

A/TFMN1A八J

Rj、NADH+Hl\|，、COQH2,、02

L（Fe-S）J

（2）琥珀酸氫化呼吸鏈（如下圖所示）。

（3）胞液中NADH及NADPH的氧化

NADH必須通過線粒體內(nèi)膜上的呼吸鏈,其中的氫才能被氧化成

水，但是在胞液中形成的NADH（見糖代謝）不能透過正常線粒體內(nèi)

膜，因此線粒體外的NADH尚需通過穿梭系統(tǒng)才能將氫帶入線粒體

內(nèi)，而后進(jìn)行氧化?，F(xiàn)已證明，動(dòng)物體內(nèi)有下列兩種主要的穿梭系統(tǒng)。

①蘋果酸穿梭系統(tǒng)（如下圖所示）。

胞液內(nèi)展線粒體

率果酸穿梭系統(tǒng)

①蘋果酸脫氫酶：②谷草轉(zhuǎn)氨酶；①?④線粒體內(nèi)膜上的不同轉(zhuǎn)位酶

②a-磷酸甘油穿梭系統(tǒng)（如下圖所示）。

ZADH+H'_______,NAT）1

畸破/丙陽a-rtttHirt

—T崎陂:涇內(nèi)赭。-俏版tr油

線粒體FADHa.二FAD

內(nèi)膜?一1,八

ICoQfb_*cLcfaaLQ

a-磷酸甘油穿梭系統(tǒng)

①胞液中a-磷酸甘油脫氫酶（輔酶為NAD+）

②線粒體內(nèi)a-磷酸甘油脫氫酶（輸基為FAD）

3.ATP與能量的轉(zhuǎn)換和利用

生物體需要利用生物氧化過程中所釋放的能量維持生命活動(dòng)。生

物氧化所釋放的一部分能量以熱能形式散發(fā)于周圍環(huán)境中，約占總能

量的60%左右；另一部分則以化學(xué)能的形式儲存于某些特殊類型的

有機(jī)磷酸化合物之中。

（1）高能磷酸化合物的生成

在物質(zhì)氧化過程中大約有40%能量用于ADP的磷酸化合成

ATP,該過程有兩種方式：一是直接由代謝物分子轉(zhuǎn)移磷酸鍵至ADP,

以合成ATP,即所謂底物水平磷酸化；二是在呼吸鍵的電子傳遞過程

中偶聯(lián)的磷酸化，稱氧化磷酸化或電子傳遞水平磷酸化。

（2）氧化磷酸化的偶聯(lián)部位

根據(jù)下述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以大致確定氧化磷酸化的偶聯(lián)部位，即ATP

的生成部位。

①P/O比值測定及意義：研究氧化磷酸化最常用的方法是測定

線粒體的P/O比值。該比值是指每消耗一摩爾氧原子所消耗無機(jī)磷

的摩爾數(shù)，即合成ATP的摩爾數(shù)。代謝物脫下的一對氫原子通過

NADH呼吸鏈傳遞，P/O比值為3；若通過琥珀酸呼吸鏈傳遞，P

/O比值為2,即分別合成了3或2摩爾ATP。

②根據(jù)氧化還原電位之間的電位差計(jì)算能量：呼吸鏈中的三個(gè)偶

聯(lián)部位，亦可根據(jù)呼吸鏈傳遞過程中自由能的變化計(jì)算求得，三個(gè)

ATP分子的形成截獲了呼吸鏈中電子由NADH傳遞到氧所產(chǎn)生的全

部自由能的42%。

(3)氧化磷酸化的抑制作用

①呼吸鏈阻斷劑：能夠阻斷呼吸鏈中某一部位電子流的物質(zhì)稱為

電子傳遞阻斷劑或呼吸鍵阻斷劑。已知的阻斷劑及阻斷部。如下圖所

示。

作用物—NAD->[]-?CoQ-?Cytb-?Cytc.1-?Cytc-,Cytnaj-'Oa

7ttf

阿米妥抗騫*CO

魚/陰CN-

②解偶聯(lián)劑：解偶聯(lián)劑對于電子傳遞沒有抑制作用，只抑制由

ADP變?yōu)锳TP的磷酸化作用，即它使產(chǎn)能過程與貯能過程相脫離。2,

4-二硝基苯酚是最早發(fā)現(xiàn)的一種解偶聯(lián)劑。

磷酸肌酸是動(dòng)物體內(nèi)高能磷酸化合物的貯存形式。在酶的催化

下，ATP把高能磷酸鍵傳遞給肌酸，以生成磷酸肌酸。當(dāng)肌肉收縮時(shí)，

除ATP直接分解供能外，磷酸肌酸又可以轉(zhuǎn)出高能磷酸鍵，使ADP

生成ATP,供組織利用。

二、典型例題

例1請用最簡便的方法，鑒別核糖、葡萄糖、果糖、蔗糖和淀

粉。

分析鑒別核糖、葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉最簡便的方法是顯

色法。首先在這五種糖中各加入適量碘液，只有淀粉變藍(lán)色，其余四

糖不變色。然后在除淀粉外的四糖中分別加適量的鹽酸和間苯二酚，

核糖呈綠色，葡萄糖呈淡紅色，果糖呈紅色，而蔗糖不變色。這一下

可鑒別出核糖和蔗糖。再在葡萄糖和果糖中分別加入幾滴清水，由于

葡萄糖具有還原性而使濱水褪色，果糖無還原性，不能使濱水褪色，

從而就能達(dá)到區(qū)分這兩種糖的目的。

【參考答案】

鑒別核糖、葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉的最簡便方法。

核糖葡賽糖果糖蔗糖淀粉

劑

礁液一一?——藍(lán)色

鹽酸、間茶二酚綠色淡紅色紅色——

裴林或本尼

紅黃色紅黃色紅黃色——

迪特試劑

加淡水褪色梃色——一

例2根據(jù)蛋白質(zhì)的有關(guān)知識回答下列問題：

（1）氨基酸的極性由什么決定？組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸中具

有極性的氨基酸有多少種？

（2）組成蛋白質(zhì)的氨基酸中，哪一種不能參與形成真正的肽鍵？

為什么。

（3）什么是蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)（pl）?為什么說在等電點(diǎn)時(shí)蛋白

質(zhì)的溶解度最低？

分析（1）氨基酸的極性由其側(cè)鏈基團(tuán)（R）決定，組成蛋白

質(zhì)的20種氨基酸中具有極性的氨基酸有11種（2）組成蛋白質(zhì)的氨

基酸中，脯氨酸（Pro）不能參與形成真正的肽鎮(zhèn)，因?yàn)镻ro是亞氨

基酸，沒有游離的氨基。（3）蛋白質(zhì)分子所帶凈電荷為零時(shí)，溶液的

pH值為該蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。處于等電點(diǎn)狀態(tài)的蛋白質(zhì)分子外層的凈

電荷被中和，分子之間相互聚集形成較大的顆粒而沉淀下來，故此時(shí)

蛋白質(zhì)的溶解度最低。

【參考答案】見分析過程。

例3（1）下列氨基酸的混合物在pH3.9時(shí)進(jìn)行紙電泳，指出

哪一些氨基酸朝正極移動(dòng)，哪一些氨基酸如負(fù)極移動(dòng)？氨基酸混合物

的構(gòu)成為丙氨酸（Ala）、韁酸（Ser）、啊酸（Phe）、板酸（Leu）、

精氨酸（Arg）、天門冬氨酸（Asp）和組氨酸（His）。（2）具有相

同電荷的氨基酸，如Gly和Leu在紙電泳時(shí)總是稍稍分離，你能作出

解釋嗎？

（3）一個(gè)含有Ala、Vai、Glu、Lys和Thr的氨基酸混合物，在

pH6.0時(shí)進(jìn)行紙電泳，然后用苗三酮顯色。請畫出電泳后各氨基酸斑

點(diǎn)的位置，并標(biāo)明正極、負(fù)極、原點(diǎn)和不分開的氨基酸。

分析(1)因?yàn)锳la、Ser、Phe和Leu的等電點(diǎn)在pH6.0左右，

將其放在pH3.9條件下電泳時(shí)，Ala、Ser、Phe和Leu都帶有電荷，

因此它們均向負(fù)極移動(dòng)。由于His和Arg等電點(diǎn)分別7.6和10.8,在

PH3.9時(shí)雖都帶正電荷，向負(fù)極移動(dòng)，但因兩者帶正電荷數(shù)量不同，

因此兩者能分開。Asp的等電點(diǎn)是3.0,在pH3.9條件下帶負(fù)電荷，

故向正極移動(dòng)。

(2)在電泳時(shí)，如果氨基酸帶有相同的電荷，則分子量大的氨

基酸比分子量小的氨基酸移動(dòng)慢些，由于Leu的分子量比Gly大，所

以Leu比Gly移動(dòng)慢，因此能達(dá)到稍稍分離的目的。

(3)在pH6.0時(shí)，Ghi帶負(fù)電荷朝正極移動(dòng)，Lys帶正電荷負(fù)

極移動(dòng)。Vai、Ala、Thr的等電點(diǎn)在pH6.0附近，移動(dòng)距離很小，故

不能完全分開。電泳后谷氨基酸斑點(diǎn)的位置如下圖所示。

【參考答案】見分析過程。

例4有一個(gè)蛋白質(zhì)分子在pH7的水溶液中可以折疊成球狀，通

常是帶極性側(cè)鏈的氨基酸位于分子外部，帶非極性側(cè)鏈的氨基酸位于

分子內(nèi)部。請回答：

(1)在Vai、Pro、Phe、Asp>Lys、lie和His中，哪些位于分

子內(nèi)部，哪些位于分子外部?

(2)為什么在球蛋白內(nèi)部和外部都能發(fā)現(xiàn)Gly和Ala?

(3)Ser>Thr、Asn和Gin都是極性氨基酸，為什么會在分子內(nèi)

部發(fā)現(xiàn)？

(4)在球蛋白的分子內(nèi)部和外部都能找到Gys,為什么？

分析(1)Vai、Pro、Phe、He是帶有非極性測鏈的氨基酸，這

些氨基酸殘基位于分子內(nèi)部；Asp、Lys、His是帶有極性側(cè)鍵的氨

基酸，這些氨基酸殘基位于分子的外部。

(2)因?yàn)锳la和Gly兩者的側(cè)鏈都比較小，疏水性和極性都??；

Gly只有一個(gè)H+與a-碳原子相連，Ala只有一(2出與a-碳原子相

連，故它們既可以出現(xiàn)在分子內(nèi)部，也可以出現(xiàn)在分子外部。

(3)Ser、Thr、Asn、Gin在pH7.0時(shí)含有不帶電荷的極性側(cè)鏈,

參與分子內(nèi)部的氫鍵形成，從而減少了它們的極性，故會在分子內(nèi)