生物化学(第4版)(全国高等学历继续教育“十三五”(临床专科)规划教材)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者:徐跃飞

出版社:人民卫生出版社

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生物化学(第4版)(全国高等学历继续教育“十三五”(临床专科)规划教材)

生物化学(第4版)(全国高等学历继续教育“十三五”(临床专科)规划教材)试读:

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图书在版编目(CIP)数据

生物化学/徐跃飞主编.—4版.—北京:人民卫生出版社,2018

全国高等学历继续教育“十三五”(临床专科)规划教材

ISBN 978-7-117-26979-7

Ⅰ.①生… Ⅱ.①徐… Ⅲ.①生物化学-成人高等教育-教材 Ⅳ.①Q5

中国版本图书馆CIP数据核字(2018)第244994号人卫社官网 www.pmph.com 出版物查询,在线购书人卫医学网 www.ipmph.com 医学考试辅导,医学数据库服务,医学教育资源,大众健康资讯

版权所有,侵权必究!生物化学第4版

主  编:徐跃飞

出版发行:人民卫生出版社有限公司       人民卫生电子音像出版社有限公司

地  址:北京市朝阳区潘家园南里19号

邮  编:100021

E - mail:ipmph@pmph.com

制作单位:人民卫生电子音像出版社有限公司

排  版:人民卫生电子音像出版社有限公司

制作时间:2019年5月

版 本 号:V1.0

格  式:mobi

标准书号:ISBN 978-7-117-26979-7

策划编辑:王洁

责任编辑:王洁打击盗版举报电话:010-59787491 E-mail:WQ @ pmph.com注:本电子书不包含增值服务内容,如需阅览,可购买正版纸质图书。纸质版编者名单

数字负责人 徐跃飞

编  者(以姓氏笔画为序)

    马红雨/开封大学医学部

    王秀宏/哈尔滨医科大学

    王宏娟/首都医科大学

    王海生/内蒙古医科大学

    田余祥/大连医科大学

    何 艳/福建医科大学

    郑 纺/天津中医药大学

    徐文华/青岛大学医学部

    徐跃飞/大连医科大学

数字秘书 刘丽红/大连医科大学全国高等学历继续教育规划教材临床医学专业(专科)第四轮修订说明

随着我国医疗卫生体制改革和医学教育改革的深入推进,我国高等学历继续教育迎来了前所未有的发展和机遇。为了全面贯彻党的十九大报告中提到的“健康中国战略”“人才强国战略”和中共中央、国务院发布的《“健康中国2030”规划纲要》,深入实施《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》《中共中央国务院关于深化医药卫生体制改革的意见》,贯彻教育部等六部门联合印发《关于医教协同深化临床医学人才培养改革的意见》等相关文件精神,推进高等学历继续教育的专业课程体系及教材体系的改革和创新,探索高等学历继续教育教材建设新模式,经全国高等学历继续教育规划教材评审委员会、人民卫生出版社共同决定,于2017年3月正式启动本套教材临床医学专业(专科)第四轮修订工作,确定修订原则和要求。

为了深入解读《国家教育事业发展“十三五”规划》中“大力发展继续教育”的精神,创新教学课程、教材编写方法,并贯彻教育部印发《高等学历继续教育专业设置管理办法》文件,经评审委员会讨论决定,将“成人学历教育”的名称更替为“高等学历继续教育”,并且就相关联盟的更新和定位、多渠道教学模式、融合教材的具体制作和实施等重要问题进行探讨并达成共识。

本次修订和编写的特点如下:

1.坚持国家级规划教材顶层设计、全程规划、全程质控和“三基、五性、三特定”的编写原则。

2.教材体现了高等学历继续教育的专业培养目标和专业特点。坚持了高等学历继续教育的非零起点性、学历需求性、职业需求性、模式多样性的特点,教材的编写贴近了高等学历继续教育的教学实际,适应了高等学历继续教育的社会需要,满足了高等学历继续教育的岗位胜任力需求,达到了教师好教、学生好学、实践好用的“三好”教材目标。

3.本轮教材从内容和形式上进行了创新。内容上增加案例及解析,突出临床思维及技能的培养。形式上采用纸数一体的融合编写模式,在传统纸质版教材的基础上配数字化内容,以一书一码的形式展现,包括PPT、同步练习、图片等。

4.整体优化。注意不同教材内容的联系与衔接,避免遗漏、矛盾和不必要的重复。

本次修订全国高等学历继续教育“十三五”规划教材临床医学专业专科教材25种,于2018年出版。全国高等学历继续教育规划教材临床医学专业(专科)第四轮教材目录*注:1.为临床医学专业专科、专科起点升本科共用教材2.本套书部分配有在线课程,激活教材增值服务,通过内附的人卫慕课平台课程链接或二维码免费观看学习3.《医学伦理学》本轮未修订第四届全国高等学历继续教育规划教材评审委员会名单

顾  问 郝 阳 秦怀金 闻德亮

主任委员 赵 杰 胡 炜

副主任委员(按姓氏笔画排序)

龙大宏 史文海 刘文艳 刘金国 刘振华 杨 晋

佟 赤 余小惠 张雨生 段东印 黄建强

委   员(按姓氏笔画排序)

王昆华 王爱敏 叶 政 田晓峰 刘 理 刘成玉

江 华 李 刚 李 期 李小寒 杨立勇 杨立群

杨克虎 肖 荣 肖纯凌 沈翠珍 张志远 张美芬

张彩虹 陈亚龙 金昌洙 郑翠红 郝春艳 姜志胜

贺 静 夏立平 夏会林 顾 平 钱士匀 倪少凯

高 东 陶仪声 曹德英 崔香淑 蒋振喜 韩 琳

焦东平 曾庆生 虞建荣 管茶香 漆洪波 翟晓梅

潘庆忠 魏敏杰

秘 书 长 苏 红 左 巍

秘  书 穆建萍 刘冰冰前 言《生物化学》系国家卫生健康委员会“十三五”规划教材全国高等学历继续教育(专科)规划教材。第3版自2013年出版以来,在全国医学院校广泛使用,受到了广大师生的好评和肯定。鉴于生物化学与分子生物学的发展趋势以及教学模式不断更新的需求,人民卫生出版社启动了第四轮教材的修订工作,以适应各医学院校生物化学教学的需要。

本教材遵循高等学历继续教育目标的要求,在编写过程中注意突出针对性、职业性和再教育性的特点,本着强调基本理论、基本知识、基本技能的精神,继承上一版的基本框架、结构与主要内容的基础上,对全书进行了内容更新,在章节编排上做了更为合理的优化与增减,使之教学层次更加清晰,更加符合学生的学习特点。首先,对部分内容的编排进行了调整,将“维生素与微量元素”作为基本的生物分子,编入到“酶”之前,前四章的内容都是讨论生命体内重要生物分子的结构与功能,使内容更系统化。其次,依据学科发展前沿更新了部分内容,增加如印迹技术、基因敲除等分子生物学领域新技术。为满足学生自主学习的需要,纸质教材增加了“问题与思考”“相关链接”“理论与实践”及“案例”学习模块。为了启发读者阅读和提高思维分析能力,本版教材配套有同步练习、PPT,扫描二维码即可查看。

参加本教材编写的9位编者来自全国8所高等医学院校,他们长期坚持在教学科研第一线,有丰富的教学经验,为保证教材的编写质量做出了不懈努力。

本教材在编写过程中,得到了本套教材评审委员会的指导,也得到了各参编学校给予的大力支持,在此一并表示衷心的感谢。由于我们的学术水平有限,本书难免存在不足和疏漏之处,请同行专家以及使用本教材的广大师生和其他读者提出宝贵意见。徐跃飞2018年10月绪 论

学习目标

掌握  生物化学的概念。

熟悉  生物化学的主要研究内容。

了解  生物化学的发展简史、生物化学与医学。

生物化学(biochemistry)是运用化学、物理学和数学的原理和方法,并融入了生理学、细胞生物学、遗传学和免疫学等理论与技术研究生物体的化学组成和生命活动过程中的化学变化及其规律的一门科学。它的主要任务是从分子水平上阐述生物体的基本物质如糖、脂、蛋白质、核酸、酶等的结构、性质和功能,及其这些物质在生物体的代谢规律与复杂的生命现象如生长、生殖、衰老、运动、免疫等之间的关系。由于生物化学与分子生物学的迅速发展,目前已成为新世纪生命科学领域的前沿学科。

相关链接分子生物学

分子生物学就是研究生物大分子之间相互关系和作用的一门学科,而生物大分子主要是指核酸和蛋白质两大类;分子生物学以遗传学、生物化学、细胞生物学等学科为基础,从分子水平上对生物体的多种生命现象进行研究。分子生物学的发展揭示了生命本质的高度有序性和一致性,是人类在认识论上的重大飞跃。从广义上理解,分子生物学是生物化学的重要组成部分,也被视为生物化学的发展和延续,因此,分子生物学的飞速发展,无疑为生物化学的发展注入了生机和活力。一、生物化学的发展简史

生物化学是较为年轻的学科,它的研究可追溯至18世纪,但作为一门独立的学科是在20世纪初期,近50年来又有许多重大的进展和突破,成为生命科学领域重要的前沿学科之一。18世纪中叶至20世纪末是生物化学发展的初级阶段,主要研究生物体的化学组成。期间的主要贡献有:对糖类、脂类及氨基酸进行了系统的研究;发现了核酸;证实了氨基酸之间肽键的形成,化学方法合成了寡肽;从酵母发酵中发现了可溶性催化剂,奠定了酶学的基础,并证明酶的化学本质为蛋白质。20世纪30年代,重要的物质代谢途径相继被阐明:如糖代谢途径的酶促反应过程、脂肪酸β-氧化;尿素的合成及三羧酸循环等;在营养学方面,发现了营养必需氨基酸、营养必需脂肪酸和多种维生素;在内分泌方面,发现了多种激素,并将其合成与分离。20世纪50年代,发现了蛋白质的α-螺旋的二级结构形式,用化学方法完成了胰岛素序列分析。更为重要的是1953年J.D.Watson和F.H.Crick提出DNA双螺旋模型,为揭示遗传信息传递规律奠定了基础,是生物化学发展迈入分子生物学阶段的重要标志。20世纪60年代提出了遗传信息传递的中心法则、破译了遗传密码。70年代重组DNA技术的建立不仅促进了对基因表达调控的研究,使基因操作无所不能,而且使人们主动改造生物体成为可能。80年代,发现了核酶,发明了聚合酶链反应(PCR)技术。90年代启动了人类基因组计划(HGP)等。目前,生物化学已成为一门重要的基础医学主干学科,并对临床医学产生越来越重要的影响。二、生物化学的主要研究内容

生物化学的研究内容十分广泛,当代生物化学的研究主要集中在以下几方面。(一)生物体的化学组成、结构与功能

生物体由各种组织、器官和系统构成,细胞是组成各种组织和器官的基本单位。每个细胞又由成千上万种化学物质组成,其中包括无机物、有机小分子和生物大分子等。有机小分子主要包括各种有机酸、氨基酸、核苷酸、单糖及维生素等,与体内物质代谢、能量代谢等密切相关。生物大分子主要指蛋白质(酶)、核酸、糖复合物和复合脂4类等,分子量一般超过10,都是由特殊的亚单位按一定的顺序,首尾连接形成的多聚物。例如,蛋白质是由相邻氨基酸通过肽键连接形成的多肽链;核酸是由核苷酸之间通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸链;聚糖也是由单糖与单糖连接形成的多聚糖链。对这些生物大分子研究,不仅要研究其一级结构和空间结构,还要研究结构与功能的关系。结构是功能的基础,而功能则是结构的体现。生物大分子的功能还通过分子间的相互识别和相互作用而实现。(二)物质代谢及其调节

物质代谢是生命的基本特征之一。有机体不断地从环境摄取营养物质,同时也不断将代谢终产物排出体外。物质代谢包括合成代谢和分解代谢。合成代谢是从小分子合成机体的构件分子、能量物质及生物活性物质的过程,并伴有能量的消耗。分解代谢是机体的构件分子分解成小分子物质的过程,并伴有能量的释放。物质代谢能有条不紊地进行与体内各种代谢途径之间相互协调有关,同时也受到内外环境多种因素的影响。物质代谢的调节主要是通过对酶的活性和含量的调节实现的,并在神经体液的调节下有条不紊地进行。此外细胞信息传递参与多种物质代谢及与其生长、增殖、分化等生命过程的调节。(三)遗传信息的贮存与表达

自我复制是生命的又一基本特征。DNA是遗传的物质基础,基因是DNA分子中可表达的功能片段。DNA通过转录将其携带的遗传信息传递给RNA,RNA再将这些遗传信息通过翻译合成能执行各种生理功能的蛋白质。DNA还通过自我复制,将其遗传信息传给子代。上述过程与遗传、变异、生长、发育、分化等诸多生命过程,也与遗传病、恶性肿瘤、心血管病、免疫系统疾病等发病机制有关。研究DNA复制、RNA转录及蛋白质生物合成中遗传信息传递的机制及基因表达时空调控的规律等是生物化学极为重要的课题。DNA重组、转基因、基团剔除、新基因克隆及人类基因组计划等的大力开展,将极大推动这一领域的研究。三、生物化学与医学

生物化学是医学的重要基础学科,讲述正常人体的生物化学以及疾病过程中生物化学相关问题,与医学有着紧密的联系,其理论和技术已渗透到基础医学和临床医学的各个领域。例如,生理学、药理学、遗传学、免疫学及病理学等基础医学的研究均深入到分子水平,并应用生物化学的理论与技术解决各学科的许多问题,由此产生了“分子生理学”“分子药理学”“分子遗传学”“分子免疫学”及“分子病理学”等新学科。同样,临床医学的发展也经常运用生物化学的理论和技术来应用于疾病的诊断、治疗和预防,而且许多疾病的发病机制也需要从分子水平进行探讨,这又促进了人们对遗传性疾病、恶性肿瘤、心血管疾病、免疫性疾病等病因、诊断、治疗的研究。因此,掌握生物化学的基本知识,将为今后深入学习其他基础医学、临床医学、预防医学、口腔医学和药学等各专业课程以及毕业后的继续教育,都具有重要而深远的意义。(徐跃飞)复习参考题

1.何谓生物化学?

2.简述生物化学的主要研究内容。

3.简述生物化学与医学的关系。

第一章 蛋白质的结构与功能

学习目标

掌握 L-α-氨基酸的特点;蛋白质的一、二、三、四级结构的概念及特点。

熟悉  氨基酸的分类;蛋白质结构与功能的关系;蛋白质的理化性质。

了解  蛋白质的分类。

蛋白质(protein)是由氨基酸构成的具有特定空间结构的高分子有机物,约占人体固体成分的45%,分布广泛,是构成组织细胞的最基本物质。人体的蛋白质种类繁多,各具有其特殊的结构和功能,几乎所有的生命现象均有蛋白质参与。例如物质代谢、血液凝固、免疫防御、肌肉收缩、物质运输、细胞信号转导、组织修复以及生长、繁殖等重要的生命过程都是通过蛋白质来实现的。蛋白质是生命的物质基础,没有蛋白质就没有生命。第一节 蛋白质的分子组成

组成蛋白质的元素主要有碳(50%~55%)、氢(6%~7%)、氧(19%~24%)、氮(13%~19%)和硫(0%~4%)。有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼,个别蛋白质还含有碘。各种蛋白质的含氮量很接近,平均为16%。由于在生物体内,氮元素主要存在于蛋白质中,所以测定生物样品的含氮量就可按下式推算出蛋白质的大致含量。每100g样品中蛋白质含量=每克样品含氮克数×6.25×100

问题与思考

2008年,中国爆发由于婴幼儿奶粉中加入三聚氰胺,导致食用了受污染奶粉的婴幼儿出现肾结石病症的事件。三聚氰胺是一种三嗪类含氮杂环有机化合物,其分子最大的特点为含氮原子多。三聚氰胺是一种微溶于水的化工原料,能引起泌尿系统结石。

思考:1.奶粉中蛋白质的含量如何测定?

2.不法商人为什么在奶粉中加入三聚氰胺?一、氨基酸

氨基酸(amino acid)是组成蛋白质的基本单位。蛋白质受蛋白酶、酸和碱的作用易水解产生游离氨基酸。(一)氨基酸的结构特点

天然氨基酸有300多种,但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种。除甘氨酸之外,均属于L-α-氨基酸。其结构通式如下(R代表氨基酸侧链)。

各种氨基酸结构各不相同,但都具有以下共同特点:①除脯氨酸为α-亚氨基酸外,均属α-氨基酸;②除甘氨酸外,其余氨基酸的α-碳原子是不对称碳原子,有两种不同的构型,即L型和D型,组成人体蛋白质的氨基酸都是L型;③各种氨基酸侧链R基团结构和性质不同,它们在决定蛋白质性质、结构和功能上起着重要作用。

除20种编码氨基酸外,体内还存在一些不参与蛋白质组成但具有重要生理功能的氨基酸,如鸟氨酸、瓜氨酸等。(二)氨基酸的分类

20种氨基酸根据其侧链的结构和理化性质可分为4类:①非极性疏水性氨基酸;②极性中性氨基酸;③酸性氨基酸;④碱性氨基酸(表1-1)。第1-1 氨基酸分类续表(三)氨基酸的理化性质

1.两性解离及等电点

由于氨基酸都含有碱性的α-氨基和酸性的α-羧基,可在酸性溶液+中与质子(H)结合成带正电荷的阳离子(),也可在碱性溶液--中与OH结合,失去质子变成带负电荷的阴离子(—COO),因此氨基酸是一种两性电解质,具有两性解离的特性。氨基酸的解离方式取决于其所处溶液的酸碱度。在某一pH的溶液中,氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等,成为兼性离子,呈电中性,此时溶液的pH称为该氨基酸的等电点(isoelectric point,pI)。

2.紫外吸收性质

芳香族氨基酸(酪氨酸、色氨酸)含有共轭双键,具有吸收紫外线的性质,在280nm波长处有最大吸收峰(图1-1)。由于大多数蛋白质含有酪氨酸和色氨酸残基,所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值,是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。图1-1 芳香族氨基酸的紫外吸收

3.呈色反应

氨基酸与茚三酮水合物共加热,茚三酮水合物被还原,其还原物可与氨基酸加热分解产生的氨结合,再与另一分子茚三酮缩合成为蓝紫色的化合物,此化合物在570nm波长处有最大吸收峰。其吸收峰值的大小与氨基酸释放出的氨量成正比,因此可作为氨基酸的定量分析方法。二、肽(一)肽

一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合形成的酰胺键称为肽键(peptide bond)。 蛋白质分子中的氨基酸通过肽键连接。

氨基酸通过肽键连接起来的化合物称为肽(peptide)。由两个氨基酸形成的肽称为二肽,三个氨基酸形成的肽称三肽,以此类推。通常将十肽以下氨基酸形成的肽称为寡肽(oligopeptide),十肽以上称为多肽。多肽链有两端:有自由α-氨基的一端称为氨基末端(N-端),通常写在多肽链的左侧;有自由α-羧基的一端称为羧基末端(C-端),通常写在多肽链的右侧。肽链中的氨基酸因脱水缩合而基团不全,被称为氨基酸残基。(二)生物活性肽

生物体内存在许多具有生物活性的低分子量的肽,在神经传导、代谢调节等方面起着重要的作用。如谷胱甘肽(glutathione,GSH)是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽。第一个肽键与一般的肽键不同,由谷氨酸的γ-羧基与半胱氨酸的氨基组成(图1-2),分子中半胱氨酸的巯基是该化合物的主要功能基团。GSH的巯基具有还原性,可作为体内重要的还原剂,保护体内蛋白质或酶分子中的巯基不被氧化,同时谷胱甘肽能与进入人体的有毒化合物、重金属离子或致癌物质等相结合,并促进其排出体外,起到中和解毒作用。图1-2 谷胱甘肽

体内有许多激素属寡肽或多肽,如催产素(9肽)、促肾上腺皮质激素(39肽)、促甲状腺激素(3肽)等。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)等。随着生物科学的发展,相信更多地在神经系统中起着重要作用的生物活性肽或蛋白质将被发现。三、蛋白质的分类

蛋白质的结构复杂,种类繁多,功能多样,分类方法也有多种。(一)按组成分类

根据蛋白质的分子组成特点,可将蛋白质分为单纯蛋白质和结合蛋白质。

1.单纯蛋白质

蛋白质分子仅由氨基酸组成。清蛋白、球蛋白、精蛋白、组蛋白和硬蛋白等都属此类。

2.结合蛋白质

除蛋白质部分外,还包含非蛋白部分(称为辅基)。结合蛋白质根据辅基不同分类,主要有核蛋白(含核酸)、糖蛋白(含多糖)、脂蛋白(含脂类)、磷蛋白(含磷酸)、金属蛋白(含金属离子)及色蛋白(含色素,如血红蛋白含血红素)等。(二)按分子形状分类

根据蛋白质分子形状不同,可将蛋白质分为球状蛋白质和纤维状蛋白质两大类。前者长短轴之比小于10,外形近似球状,如酶及免疫球蛋白等功能蛋白质均属此类;后者长短轴之比大于10,如结缔组织中的胶原蛋白、毛发中的角蛋白等结构蛋白均属于此类。第二节 蛋白质的分子结构

蛋白质是由许多的氨基酸通过肽键相连接而形成的生物大分子。蛋白质的氨基酸种类和排列顺序、组成百分比以及肽链特定的空间排布位置决定蛋白质特定的功能。蛋白质的分子结构分为一级结构和空间结构,空间结构又分为二级结构、三级结构和四级结构。空间结构又称构象(conformation),是蛋白质中所有原子在三维空间的排布。一、蛋白质的一级结构

构成蛋白质的各种氨基酸在多肽链中的排列顺序,称为蛋白质的一级结构(primary structure)。多肽链氨基酸的顺序是由基因上遗传信息,即DNA分子中的核苷酸排列顺序所决定。一级结构是蛋白质的基本结构,它决定蛋白质的空间结构。一级结构的主要化学键是肽键,有的蛋白质尚含有二硫键,它是由两个半胱氨酸脱氢组成的化学键(—S—S—)。图1-3是牛胰岛素的一级结构,胰岛素有A和B二条多肽链,A链和B链分别有21和30个氨基酸残基。胰岛素分子中有3个二硫键,1个位于A链内,称为链内二硫键,由A链中的第6位和第11位半胱氨酸的巯基通过脱氢而形成,另外2个二硫键位于A、B两条链间,称为链间二硫键。图1-3 牛胰岛素一级结构

体内种类繁多的蛋白质,其一级结构各不相同。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础,但并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。二、蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构(secondary structure)是指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构,也就是该段肽链主链骨架原子的相对空间位置,并不涉及氨基酸残基侧链的构象。(一)肽单元

形成蛋白质主链空间构象的基本单位是肽单元。参与肽键的6个原子C、C、O、N、H和C位于同一平面,C和C在平面上所处α1α2α1α2的位置为反式构型,此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元或肽键平面(图1-4)。其中肽键(C—N)具有双键的性质,其键长(0.132nm)介于C—N单键(0.149nm)和C═N双键(0.127nm)之间,不能自由旋转。而C分别与N和CO相连的键都是典型的单键,α可以自由旋转,C与CO的键旋转角度以φ表示,C与N的键角以ψ表αα示(图1-4)。也正由于肽单元上C原子所连的两个单键的自由旋转α角度,决定了两个相邻的肽单元平面的相对空间位置。图1-4 肽单元(二)蛋白质二级结构的形式

蛋白质的肽链以肽单元为基本单位,通过局部盘曲折叠,形成不同的构象形式。常见的有α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲。维持蛋白质二级结构稳定的主要化学键是氢键。

1.α-螺旋

肽链的某段局部盘曲成螺旋形,称为α-螺旋(图1-5)。其特点是:①多肽链以C为转折点,以肽单元为单位,通过其两侧单键的旋α转,形成稳固的右手螺旋。②每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈,螺距为0.54nm。③相邻螺旋圈之间借肽键的N-H和C=O形成氢键,其方向与螺旋长轴基本平行。肽链中的全部肽键都可形成氢键,以稳固α-螺旋结构。④氨基酸残基的R基团伸向螺旋外侧,其空间形状、大小及电荷影响α-螺旋的形成和稳定性。酸性或碱性氨基酸集中的区域,由于同性电荷相斥,妨碍α-螺旋的形成;天冬酰胺、亮氨酸的侧链很大,也会影响α-螺旋的形成;脯氨酸是亚氨基酸,形成肽键后不能参与氢键的形成,结果肽链走向转折,不形成α-螺旋。图1-5 α-螺旋结构

2.β-折叠

肽链中肽单元间折叠呈锯齿状结构称为β-折叠(图1-6A)。其特点是:①多肽链充分伸展,相邻两肽单元间折叠成110°,形成锯齿状。侧链R基团交替地位于锯齿状结构上下方。②两条以上肽链或一条肽链内的若干个锯齿状结构走向可相同(顺向平行)或相反(反向平行),并通过肽链间肽键的C═O与N—H形成氢键从而稳固β-折叠结构。

3.β-转角

多肽链进行180°回折时的结构称为β-转角(图1-6B)。β-转角通常由4个氨基酸残基组成,第2个残基常为脯氨酸,其他常见的有甘氨酸等。第1个氨基酸残基羰基氧与第4个残基的氨基氢之间形成氢键,以维持β-转角的稳定性。图1-6 β-折叠和β-转角A.β-折叠,上图为俯视,下图为侧视;B.为β-转角

4.无规卷曲

是没有确定规律性的肽链结构,也是蛋白质分子中一种有序的构象。蛋白质有序的非重复性结构构成酶活性部位和其他蛋白质特异的功能部位。三、蛋白质的三级结构

蛋白质的三级结构(tertiary structure)是指整条肽链中的全部氨基酸残基的相对空间位置,即整条多肽链中所有原子的排布方式。包括多肽链分子的主链及侧链的构象,也就是多肽链在二级结构的基础上再进一步盘曲、折叠,形成一定规律性的空间结构。球状蛋白质的三级结构有某些共同的特征,如折叠成紧密的球状或椭球状;含有多种二级结构且折叠层次明显,形成超二级结构,并进一步折叠成相对独立的三维空间结构;疏水侧链常分布在分子内部等。

肌红蛋白是由153个氨基酸残基构成,属于单一肽链蛋白质,含1个血红素辅基(图1-7)。其分子结构中α-螺旋占75%,有A至H共8个螺旋区,两个螺旋区间有一段无规卷曲,脯氨酸位于转角处。由于侧链R基团的相互作用,多肽链相互缠绕形成一个球状分子(4.5nm×3.5nm×2.5nm),球表面有亲水侧链,疏水侧链位于分子内部。蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠次级键如疏水键、氢键、离子键、范德华力等。图1-7 肌红蛋白的三级结构四、蛋白质的四级结构

蛋白质的四级结构(quarternarystructure)是指两个或两个以上具有独立三级结构的多肽链借助次级键(氢键、疏水键、离子键)结合而形成的寡聚体,四级结构中的每条具有独立三级结构的多肽链称为亚基(subunit)。对于2个以上亚基构成的蛋白质,单一的亚基通常没有生物学功能,只有四级结构完整时才具有生物功能。血红蛋白是由2个α-亚基和2个β亚基组成的四聚体(图1-8),两种亚基的三级结构相似,且每个亚基都可结合1个血红素辅基,具有运输氧和二氧化碳的功能。但每个亚基单独存在时,虽可结合氧且与氧亲和力增强,但在体内组织中难于释放氧。图1-8 血红蛋白的四级结构第三节 蛋白质的结构与功能的关系

体内存在种类众多的蛋白质。各种蛋白质的一级结构和空间构象各不相同,而且每一种蛋白质都执行各自特异的生物学功能,可见蛋白质结构与功能之间存在密切的关系。一、蛋白质的一级结构与功能的关系(一)一级结构是空间构象的基础

20世纪60年代,Anfinsen在研究核糖核酸酶时发现,蛋白质的氨基酸序列与其空间构象密切相关。核糖核酸酶由124个氨基酸残基组成,有4对二硫键(图1-9a)。用尿素和β-巯基乙醇处理该酶溶液,分别破坏次级键和二硫键,使其空间结构遭到破坏,但肽键不受影响,故一级结构仍存在,此时该酶活性丧失。从理论上推算,核糖核酸酶中的二硫键被还原成—SH后,若要再形成4对二硫键,有105种不同配对方式,唯有与天然核糖核酸酶完全相同的配对方式,才能呈现酶活性。当用透析方法去除尿素和β-巯基乙醇后,松散的多肽链,循其特定的氨基酸序列,卷曲折叠成天然酶的空间构象,4对二硫键也正确配对,这时酶活性又逐渐恢复至原来水平(图1-9b)。这充分证明空间构象遭破坏的核糖核酸酶只要其一级结构(氨基酸序列)未被破坏,就可能恢复到原来的三级结构,功能依然存在。图1-9 牛核糖核酸酶一级结构与空间结构的关系(a)核糖核酸酶的氨基酸序列;(b)核糖核酸酶的变性与复性(二)一级结构是功能的基础

蛋白质的一级结构比较,常被用来预测蛋白质之间结构与功能的相似性。同源性较高的蛋白质之间,可能具有相似的功能。同源蛋白质是指由同一基因进化而来的由相关基因表达的一类蛋白质。大量的研究发现,一级结构相似的多肽或蛋白质,其空间构象及功能也相似。例如腺垂体分泌的39肽的促肾上腺皮质激素(ACTH)和促黑素(MSH)共有一段相同的氨基酸序列,因此,ACTH也可促进皮下黑色素生成但作用较弱。(三)一级结构与物种进化的关系

对广泛存在于生物界、不同种系的蛋白质的一级结构进行比较,可以帮助了解物种进化间的关系。如细胞色素c,物种间亲缘关系越近,则细胞色素c的一级结构越相似,其空间构象和功能也相似;反之,进化位置相差愈远,其氨基酸序列之间的差别愈大。如人类和黑猩猩的细胞色素c一级结构完全相同,与猕猴只相差1个氨基酸残基;从物种进化看,蚕蛾与人类两者相差极远,故两者的细胞色素c一级结构相差达31个氨基酸。(四)一级结构与分子病

蛋白质分子中起关键作用的氨基酸残基缺失或被替代,都会严重影响空间构象乃至生理功能,甚至导致疾病产生。例如镰状细胞贫血是由于血红蛋白β亚基的第6位谷氨酸被缬氨酸取代所致,只是一个氨基酸之差,这一改变却导致血红蛋白的表面上产生一个疏水小区,本是水溶性的血红蛋白溶解度降低,聚集成丝,相互黏着,导致红细胞形成镰刀状而极易破碎,产生贫血,输氧能力降低。这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病,被称之为“分子病”,其病因为基因突变所致。但并非一级结构中的每个氨基酸都很重要,如去除胰岛素B链N端的苯丙氨酸,其功能依然不变。二、蛋白质空间结构与功能的关系

蛋白质的多种功能与其特定的空间构象密切相关,空间构象是其功能活性的基础,构象发生变化,其功能活性也随之改变。以下以肌红蛋白和血红蛋白为例说明蛋白质空间结构与功能的关系。(一)肌红蛋白和血红蛋白的结构

肌红蛋白与血红蛋白都是含有血红素辅基的蛋白质。肌红蛋白(myoglobin,Mb),是只有三级结构的单链蛋白质,有8个螺旋结构,整条肽链折叠成紧密球状分子,氨基酸残基上的疏水侧链大都在分子内部,富极性及电荷的侧链则在分子表面(见图1-7)。Mb分子内部有一个袋形空穴,血红素居于其中。血红素分子中的两个丙氨酸侧链以离子键形式与肽链中的两个碱性氨基酸侧链上的正电荷相连,肽链2+中的F8组氨酸残基与Fe形成配位结合。所以血红素辅基可以与蛋白质稳定结合。血红蛋白(Hb)具有4个亚基组成的四级结构(见图1-8)。每个亚基结构中间有一个疏水局部,可结合1个血红素并携带1分子氧。一分子Hb共结合4分子氧。Hb各亚基的三级结构与Mb相似,Hb亚基之间通过8对离子键(图1-10)使4个亚基紧密结合形成球状蛋白质。图1-10 脱氧血红蛋白亚基间和亚基内的离子键(二)血红蛋白的构象变化与结合氧

Hb与Mb均可逆地与O结合。氧合Hb占总Hb的百分数(称百分2饱和度)随着O浓度变化而变化。图1-11为Hb和Mb的氧解离曲线,2前者为S状曲线,后者为直角双曲线。可见Mb易与O结合,而Hb与2O的结合在O分压低时较难。Hb与O结合的S形曲线提示Hb与4个222O结合时平衡常数不同,从S形曲线的后半部呈直线上升可得知Hb最2后一个亚基与O结合时其常数最大。根据S形曲线的特征可知,Hb中2第1个亚基与O结合以后,促进第2个和第3个亚基与O的结合。前322个亚基与O结合后,又可促进第4个亚基与O结合,这种效应称为正22协同效应(positive cooperativity)。协同效应是指一个亚基与其配体(Hb中的配体为O)结合后,影响该寡聚体中另一亚基与配体的结合2能力。如果是促进作用称为正协同效应,反之为负协同效应。图1-11 血红蛋白和肌红蛋白的氧解离曲线

未结合O时,Hb的α/β和α/β呈对角排列,结构较为紧密,称21122为紧张态(tense state,T态),T态Hb与O的亲和力较弱,随着的O22的结合,4个亚基羧基末端之间的离子键(图1-12)断裂,其二级、三级和四级结构也发生变化,使α/β和α/β的长轴形成15°的夹角,1122结构相对疏松,称为松弛态(relaxedstate,R态)。在脱氧Hb中,2+2+Fe的位置高于卟啉环平面0.075nm,当O与血红素Fe结合后,22+Fe即嵌入卟啉环平面中(图1-13),牵动F8组氨酸残基连同F螺旋段的位移,再波及附近肽段构象,进而引起两个α亚基间离子键断裂,使亚基间结合松弛,促进了第二个亚基与O结合,依此方式可影响2第三个、四个亚基与O结合。此种一个氧分子与Hb亚基结合后引起2亚基构象变化,称为别构效应。别构效应普遍存在,酶的别构效应对于物质代谢的调控具有重要的意义。图1-12 Hb的T态与R态互变图1-13 血红蛋白与O结合示意图2三、蛋白质空间结构的改变与疾病

生物体内蛋白质的加工、合成和成熟过程复杂,而多肽链的正确折叠对其正确构象的形成和功能的发挥起着至关重要的作用。除一级结构改变导致“分子病”外,近年来已发现,蛋白质一级结构不变而仅构象发生改变也可导致疾病的发生。蛋白质的空间三维构象是蛋白质发挥其功能的结构基础,由于蛋白质的空间构象改变而产生的疾病称为“构象病”。某些蛋白质错误折叠后可相互聚集,形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀,从而产生毒性而致病,这类疾病包括疯牛病、老年痴呆症及亨廷顿病等。

相关链接朊病毒与疯牛病

疯牛病是由于朊病毒蛋白(prion protein,PrP)引起的一组人和动物神经性的退行性病变。朊病毒蛋白主要有2型:一型是正常型C(PrP),分子中大约含有40%的α-螺旋组分,且很少发生β-折叠;另Sc一种是致病型(PrP),分子中含有更多的β折叠,只有少量的α-螺ScSc旋。一旦摄入含有朊病毒(PrP)的异常牛肉,因PrP对蛋白酶不敏感,不易被肠道的消化酶分解,并且可到达神经组织;当其接触到CC神经系统中的PrP,可导致PrP构象发生改变,并与其结合,成为可致病的朊病毒二聚体,此二聚体再攻击其他正常的朊病毒蛋白,形成四聚体,如此周而复始的进行攻击,使脑组织中的朊病毒不断蓄积,产生蛋白淀粉样斑沉积,导致大脑皮层的神经元细胞发生退化、空泡变性、丢失、死亡和消失,因而造成大脑皮层(灰质)变薄而白质相对较明显,即海绵脑病。第四节 蛋白质的理化性质

蛋白质是由氨基酸组成的,故其理化性质必然与氨基酸的相同或相似。如,两性解离及等电点、呈色反应、紫外线吸收性质等;但蛋白质是生物大分子,具有氨基酸没有的理化性质。一、蛋白质的两性解离和等电点

蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外,侧链上还存在许多可解离的基团。如赖氨酸残基中的ε-氨基、精氨酸残基的胍基和组氨酸残基的咪唑基都可解离出阳离子的基团;而谷氨酸残基和天冬氨酸残基γ和β-羧基都可解离出带阴离子的基团。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,即净电荷为零,蛋白质成为兼性离子,此时溶液的pH称为该蛋白质的等电点(isoelectric point,pI)。溶液的pH大于蛋白质的pI时,蛋白质带负电荷;反之则带正电荷。人体内多数蛋白质的等电点在pH5.0左右,故在生理情况下(pH7.4)以负离子形式存在。含碱性氨基酸较多的蛋白质等电点偏碱性,如组蛋白、鱼精蛋白等;含酸性氨基酸较多的蛋白质等电点偏酸性,如酪蛋白、胃蛋白酶等。

电泳(electrophoresis)是指带电粒子在电场中向电性相反的电极移动的现象。带电粒子在电场移动的速度主要取决于带电粒子所带净电荷的数量。在同一pH溶液中,由于各种蛋白质所带电荷的性质和数量不同,蛋白质分子大小和形状不同,因此,它们在电场中移动速度也有差别。利用这个原理,通过电泳的方法,可以对蛋白质进行分离、纯化和鉴定。电泳技术是临床检验室常用的技术,如利用该技术可作血清蛋白电泳、尿蛋白电泳及同工酶的鉴定,以帮助诊断疾病。二、蛋白质的高分子性质

蛋白质是高分子有机化合物,其分子量多在1万至100万之巨,分子的直径在胶体颗粒(1~100nm)范围之内。蛋白质胶体在水中稳定因素主要是分子表面的水化膜和电荷。在蛋白质表面有不少的亲水基团,能与水发生水合作用,水分子受蛋白质极性基团的影响,定向排列在蛋白质分子的周围,形成水化膜,将蛋白质颗粒分开,不致相聚而沉淀。在偏离等电点的溶液中,形成电荷层,同性电荷相斥,防止蛋白质颗粒相聚沉淀。如果破坏水化膜和电荷,蛋白质极易从溶液中沉淀。

蛋白质溶液具有胶体溶液的性质,扩散慢,黏度大,不能透过半透膜。蛋白质的胶体性质是某些蛋白质分离、纯化方法的基础。最简单的纯化蛋白质方法是将蛋白质放入半透膜内,小分子物质可透过半透膜,蛋白质分子保留在半透膜内,这种方法称透析法,利用透析法可除去蛋白质溶液的无机盐等小分子物质。蛋白质分子不易透过半透膜的性质,决定了它在维持生物体内渗透压的平衡中起着重要的作用。

蛋白质溶液在高速离心时,由于离心力的作用,蛋白质会下沉,这就是蛋白质的沉降现象。蛋白质分子在单位力场的沉降速度,称为沉降系数(S)。通常情况下,分子愈大,沉降愈快,沉降系数愈高。故可用超速离心分离蛋白质以及测定其分子量。三、蛋白质的变性、沉淀与凝固

1.蛋白质的变性

在某些理化因素作用下,蛋白质特定的空间结构被破坏而导致理化性质改变和生物学活性丧失,称为蛋白质的变性(denaturation)。一般认为蛋白质的变性主要由于非共价键和二硫键的破坏,不改变一级结构中氨基酸序列。蛋白质变性后,其溶解度降低、黏度增加、结晶能力消失、生物活性丧失、易被蛋白酶水解。引起蛋白质变性的物理因素有高温、高压、超声波、紫外线、X射线等;化学因素有强酸、强碱、乙醇、重金属、尿素、去污剂等。变性在临床医学上具有重要意义。如采用高温、高压、紫外线、乙醇使病原微生物蛋白质变性,失去致病性和繁殖能力。在保存血清、疫苗抗体等生物制品时,应低温贮存,以防止蛋白质变性。

若蛋白质变性的程度较轻,去除变性因素后,有些蛋白质仍可恢复其活性,称为蛋白质的复性(renaturation)。图1-9所示,用尿素和β-巯基乙醇作用于核糖核酸酶,可使该酶的天然构象遭到破坏,失去生物学活性,去除尿素和β-巯基乙醇,该酶的活性又可逐渐恢复。但是许多蛋白质变性后,其空间构象被严重破坏,不能复原,称为不可逆性变性。

2.蛋白质的沉淀

蛋白质从溶液析出的现象称蛋白质的沉淀。沉淀出来的蛋白质有时是变性的,但如控制实验条件(如低温和使用温和的沉淀剂),便可得到不变性的蛋白质沉淀。沉淀蛋白质的方法有以下几种:(1)盐析:

在蛋白质溶液中加入高浓度的中性盐如硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等,使蛋白质从溶液中析出的现象,称为盐析。中性盐在水中溶解性大、亲水性强,与蛋白质争夺与水结合,破坏蛋白质的水化膜。另外中性盐又是强电解质,解离作用强,能中和蛋白质的电荷,破坏蛋白质的电荷层。因此稳定蛋白质溶液的因素遭到破坏,蛋白质溶解度下降,从溶液中析出。盐析法沉淀蛋白质并未破坏蛋白质天然状态,沉淀出的蛋白质不变性,因此盐析法是分离制备蛋白质或蛋白类生物制剂的常用方法。如用饱和硫酸铵可使血浆中清蛋白沉淀出来,而球蛋白则在半饱和硫酸铵溶液中析出。混合蛋白质溶液可用不同的盐浓度使其分别沉淀,这种分级沉淀的方法称为分段盐析。(2)有机溶剂沉淀法:

乙醇、甲醇、丙酮等有机溶剂能破坏蛋白质的水化膜,同时也降低溶液的介电常数,使蛋白质之间相互吸引而沉淀。在常温下,有机溶剂沉淀蛋白质可引起蛋白质变性,乙醇消毒灭菌就是如此,但是在低温下,蛋白质变性速度减慢,因此,用有机溶剂沉淀蛋白质,为防止蛋白质的变性,常需在低温条件下快速进行。(3)重金属盐沉淀法:2+2+2+2+2+

金属离子(Zn、Cu、Hg、Pb、Fe等)可与带负电的蛋白质结合形成不溶性蛋白质盐沉淀,引起蛋白质变性。临床上抢救重金属盐中毒的病人,给病人口服大量新鲜牛奶或鸡蛋清,然后用催吐剂将结合的重金属盐呕出以解毒。(4)生物碱试剂沉淀法:

生物碱试剂如苦味酸、三氯乙酸、钨酸等可与蛋白质正离子结合形成不溶性盐而沉淀。临床检验常用这类方法沉淀蛋白质,制备无蛋白血滤液,或用这类酸作尿蛋白的检查试剂。

3.蛋白质的凝固

蛋白质经强碱、强酸作用后,易发生变性,但仍能溶解于强酸或强碱溶液中;若将pH调至等电点,则变性的蛋白质立即结成絮状的不溶物,但此絮状物仍可溶解于强酸和强碱中。若再加热,则絮状物可变成比较坚固的凝块,此凝块不易再溶于强酸和强碱中,这种现象称为蛋白质的凝固作用(protein coagulation)。

变性的蛋白质不一定沉淀,沉淀的蛋白质也不一定变性,但变性的蛋白质容易沉淀,凝固的蛋白质均已变性,而且不再溶解。四、蛋白质的呈色反应

蛋白质分子中,肽键及某些氨基酸残基的化学基团,可与某些化学试剂反应显色,称为蛋白质呈色反应。利用这些呈色反应可以对蛋白质进行定性、定量测定。常用的颜色反应有:

1.茚三酮反应

蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应,详见本章第一节。

2.双缩脲反应

蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热,呈现紫色或红色,称为双缩脲反应(biuret reaction)。氨基酸不出现此反应,故此法还可检测蛋白质水解的程度。五、蛋白质的紫外吸收

由于蛋白质分子中常含酪氨酸、色氨酸等芳香族氨基酸,因此在280nm波长处有特征性吸收峰。在此波长范围内,蛋白质的A与其280浓度成正比关系,因此用于蛋白质的定量测定。(徐文华)学习小结

蛋白质是重要的生物大分子,其基本组成单位是L-α-氨基酸,有20种,可分为非极性疏水性氨基酸、极性中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸四类。

蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中氨基酸在多肽链中的排列顺序,即氨基酸序列,其连接键是肽键,还包括二硫键。 二级结构是指主链局部或某一段肽链的空间结构,不涉及氨基酸残基侧链构象。 主要有α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规卷曲,以氢键维持其稳定性。 三级结构是指整条多肽链所有原子的排布方式,包括多肽链分子主链及侧链的构象。 稳定三级结构主要是通过次级键的作用。 四级结构是指蛋白质亚基之间的缔合,也主要靠次级键维系。

体内存在许多如GSH、甲状腺释放激素等重要的生物活性肽。

蛋白质的一级结构是空间结构的基础,也是功能的基础。 一级结构相似的蛋白质,其空间结构与功能也相近。 若蛋白质的一级结构发生改变则影响其正常功能,由此引起的疾病称为“分子病”。

蛋白质空间结构与功能密切相关,血红蛋白亚基与O结合可引2起其他亚基构象变化,使之更易与O结合,这种别构效应是蛋白质2中普遍存在的功能调节方式之一。 若蛋白质的折叠发生错误,虽然其一级结构不变,但蛋白质的空间结构发生改变,可导致疾病的发生,此类疾病称为“构象病”。

蛋白质的空间结构改变,可导致其理化性质变化和生物学活性丧失。 蛋白质变性后,只要其一级结构未遭到破坏,仍可在一定条件下复性,恢复原有的空间构象和功能。复习参考题

1.试述蛋白质的一级结构、二级结构、三级结构、四级结构的结构要点。

2.举例说明蛋白质结构与功能的关系。

3.何谓蛋白质的变性?举例说明其在临床上的应用。第二章 核酸的结构与功能

学习目标

掌握  核酸的分子组成;DNA双螺旋结构模型要点,RNA的结构特点及功能;DNA变性、复性和分子杂交。

熟悉 DNA的三级结构、真核生物染色体的组装。

了解  核酸的一般理化性质。

核酸(nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子,具有复杂的结构和重要的功能。核酸分为核糖核酸(ribonucleic acid,RNA)和脱氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid,DNA)两大类。 真核生物DNA存在于细胞核和线粒体内,携带遗传信息,决定细胞及个体的基因型(genotype)。RNA存在于细胞质、细胞核和线粒体内,参与细胞内DNA遗传信息的表达。病毒中,RNA也可作为遗传信息的载体。第一节 核酸的化学组成

组成核酸的化学元素有C、H、O、N、P等。各种核酸分子中P的含量较多并且恒定,约占9%~10%,故在测定生物组织中核酸的含量时,通常通过测定P的含量来计算。

核酸在核酸酶的作用下水解为核苷酸,核苷酸进一步分解可生成核苷和磷酸。因此,DNA的基本组成单位是脱氧核糖核苷酸,而RNA的基本组成单位是核糖核苷酸。一、戊糖

构成核酸的戊糖均为β-D-型结构,有核糖(ribose)和2-脱氧核糖(deoxyribose)两种,分别存在于核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸中。为了区别碱基上原子的编号,戊糖的C原子编号都加上“′”,如C-1′表示戊糖的第一位碳原子(图2-1)。核糖与2-脱氧核糖的区别仅在于C-2′原子所连接的基团。在核糖的C-2′原子上有一个羟基,而脱氧核糖的C-2′原子上则没有羟基。图2-1 两种核糖的结构二、碱基

构成核苷酸的碱基有五种,分别属于嘌呤和嘧啶两类含氮杂环化合物。自然界存在许多重要的嘌呤衍生物。核苷酸中的嘌呤碱(purine)主要是鸟嘌呤(G)和腺嘌呤(A)。嘧啶碱(pyrimidine)主要是胞嘧啶(C)、尿嘧啶(U)和胸腺嘧啶(T)。G、A和C三种碱基是DNA和RNA所共有的,T一般只存在于DNA中,不存在于RNA中;而U只存在于RNA中,不存在于DNA中。这五种碱基成分中的氨基或酮基受所处环境pH的影响可以形成氨基-亚氨基互变异构体或酮-烯醇互变异构体,这为碱基间形成氢键提供了结构基础(图2-2)。

除了上述的五种基本碱基外,自然界存在的嘌呤碱基衍生物还有次黄嘌呤、黄嘌呤、尿酸、茶碱等(图2-3)。RNA分子中还有少量的稀有碱基。稀有碱基的种类很多,大多是甲基化碱基。tRNA中含有可高达10%的稀有碱基。核酸中的碱基甲基化的过程发生在核酸的生物合成以后,对核酸的生物学功能具有极其重要的意义。图2-2 嘌呤环、嘧啶环和五种含氮碱基的结构图2-3 常见的稀有碱基三、核苷

碱基和核糖或脱氧核糖通过糖苷键相连形成核苷(nucleoside)或脱氧核苷(deoxynucleoside)。戊糖的C-1′原子与嘌呤碱的N-9原子或嘧啶碱的N-1原子通过缩合形成β-N-糖苷键。其命名是在相应核苷前面加上碱基的名字,如胞嘧啶核苷简称胞苷、腺嘌呤脱氧核苷简称脱氧腺苷。若是脱氧核苷则糖基的2′位为“H”。四、核苷酸

核苷或脱氧核苷中戊糖基的自由羟基与磷酸通过磷酸酯键结合成核苷酸或脱氧核苷酸(deoxynucleotide)。 核糖核苷的糖基在 2′、3′、5′位上有自由羟基,故能分别形成 2′-、3′-或 5′-核苷酸;脱氧核糖核苷的糖基上只有3′、5′两个自由羟基,所以只能形成3′-或5′-两种脱氧核苷酸。生物体内游离存在的多是5′-核苷酸。根据连接的磷酸基团的数目不同,核苷酸可分为核苷一磷酸(nucleoside monophosphate,NMP)、核苷二磷酸(nucleoside diphosphate,NDP)和核苷三磷酸(nucleoside triphosphate,NTP)。 核苷三磷酸的磷原子分别标以α,β和γ(图2-4A)。其命名是在相应核苷或脱氧核苷后面加上“酸”字即可。核酸中主要的碱基、核苷、核苷酸的中英文对照名称及其代号见表2-1。第2-1 核酸中主要的碱基、核苷、核苷酸的名称、中英文对照及其代号∗A、G、U、C、T除了用来代表相应的含氮碱基之外,还常常被用来表示相应的核苷和核苷酸(见本表右栏):在脱氧核苷和核苷酸代号之前加上小写的d以表示脱氧

核苷酸除了作为核酸的基本组成单位外,在生物体内还有重要的代谢及调节功能。例如,AMP参与FAD、泛酸和辅酶Ⅰ等辅酶的组成;环腺苷酸(cyclic AMP,cAMP)和环鸟苷酸(cyclic GMP,cGMP)在细胞信号转导过程中起着重要调控作用(图2-4B)。此外,细胞内参与物质代谢的酶分子的一些辅酶结构中都含有腺苷酸,如辅酶Ⅰ(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸),它是生物氧化体系的重要组成成分,在传递电子或质子的过程中起着重要的作用。图2-4 核苷酸的化学结构A.核苷酸的通式;B.3′,5′-环腺苷酸和 3′,5′-环鸟苷酸

核酸就是由很多核苷酸以特定方式聚合所形成的多核苷酸链。核苷酸之间的连接方式是:前一位核苷酸的3′-OH与后一位核苷酸的5′磷酸之间形成3′,5′-磷酸二酯键,从而形成不分支的线性大分子,具有严格的方向性。核酸的两个末端分别称为5′-端(游离磷酸基)和3′-端(游离羟基)。这条多聚核苷酸链只能从3′-OH端得以延长,因此,DNA链具有了从5′→3′的方向性。DNA与RNA的差别在于:①DNA的糖环是脱氧核糖,RNA的糖环是核糖;②DNA是胸腺嘧啶,RNA的嘧啶是胞嘧啶和尿嘧啶。图2-5 核苷酸的连接方式及书写方式

表示一个核酸分子的书写方法由繁至简有多种(图2-5),规则是从5′-端到3′-端。由于多核苷酸链的主链骨架都是由糖基和磷酸基组成,所不同的只是侧链上的碱基排列顺序,因此,最简洁的方式是直接以碱基字母缩写式来表示相应的核苷酸。

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