生物化学(第三版)课后习题解答

第三章氨基酸1.写出下列氨基酸的单字母和三字母的缩写符号：精氨酸、天冬氨酸、谷氨酰氨、谷氨酸、苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸。[见表3-1]2、计算赖氨酸的εα-NH3+20%被解离时的溶液PH。[9.9]解：pH=pKa+lg20%pKa=10.53(见表3-3，P133)pH=10.53+lg20%=9.833、计算谷氨酸的γ-COOH三分之二被解离时的溶液pH。[4.6]解：pH=pKa+lg2/3pKa=4.25pH=4.25+0.176=4.4265、根据表3-3中氨基酸的pKa值，计算下列氨基酸的pI值：丙氨酸、半胱氨酸、谷氨酸和精氨酸。[pI:6.02;5.02;3.22;10.76]解：pI=1/2（pKa1+pKa2）pI(Ala)=1/2（2.34+9.69）=6.02pI(Cys)=1/2（1.71+10.78）=5.02pI(Glu)=1/2（2.19+4.25）=3.22pI(Ala)=1/2（9.04+12.48）=10.766、向1L1mol/L的处于等电点的甘氨酸溶液加入0.3molHCl，问所得溶液的pH是多少？如果加入0.3molNaOH以代替HCl时，pH将是多少？[pH：2.71；9.23]解：pH1=pKa1+lg(7/3)=2.71pH2=pKa2+lg(3/7)=9.237、将丙氨酸溶液（400ml）调节到pH8.0，然后向该溶液中加入过量的甲醛，当所得溶液用碱反滴定至Ph8.0时，消耗0.2mol/LNaOH溶液250ml。问起始溶液中丙氨酸的含量为多少克？[4.45g]8、计算0.25mol/L的组氨酸溶液在pH6.4时各种离子形式的浓度（mol/L）。[His2+为1.78×10-4，His+为0.071，His0为2.8×10-4]解：由pH=pK1+lg（His2+/10-6.4）=pKr+lg（His+/His2+）=pK2+lg（His0/His+）得His2+为1.78×10-4，His+为0.071，His0为2.8×10-49、说明用含一个结晶水的固体组氨酸盐酸盐（相对分子质量=209.6；咪唑基pKa=6.0）和1mol/LKOH配制1LpH6.5的0.2mol/L组氨酸盐缓冲液的方法[取组氨酸盐酸盐41.92g(0.2mol)，加入352ml1mol/LKOH，用水稀释至1L]10、为什么氨基酸的茚三酮反应液能用测压法定量氨基酸？解：茚三酮在弱酸性溶液中与α-氨基酸共热，引起氨基酸氧化脱氨脱羧反映，（其反应化学式见P139），其中，定量释放的CO2可用测压法测量，从而计算出参加反应的氨基酸量。11、L-亮氨酸溶液（3.0g/50ml6mol/LHCl）在20cm旋光管中测得的旋光度为+1.81º。计算L-亮氨酸在6mol/LHCl中的比旋（[a]）。[[a]=+15.1º]14、指出在正丁醇：醋酸：水的系统中进行纸层析时，下列混合物中氨基酸的相对迁移率（假定水相的pH为4.5）：([Ile>lys；Phe,>Ser；Leu>Val>Ala,；Val>Pro；Glu>Asp；Tyr>Ala>Ser≌His]解：根据P151图3-25可得结果。15．将含有天冬氨酸(pI=2.98)、甘氨酸(pI=5.97)、亮氨酸(pI=6.53)和赖氨酸(pI=5.98)的柠檬酸缓冲液，加到预先同样缓冲液平衡过的强阳离交换树脂中，随后用爱缓冲液析脱此柱，并分别收集洗出液，这5种氨基酸将按什么次序洗脱下来？[Asp,Thr,Gly,Leu,Lys]解：在pH3左右，氨基酸与阳离子交换树脂之间的静电吸引的大小次序是减刑氨基酸(A2+)>中性氨基酸(A+)>酸性氨基酸(A0)。因此氨基酸的洗出顺序大体上是酸性氨基酸、中性氨基酸，最后是碱性氨基酸，由于氨基酸和树脂之间还存在疏水相互作用，所以其洗脱顺序为：Asp,Thr,Gly,Leu,Lys。14 第四章蛋白质的共价结构1.如果一个相对分子质量为12000的蛋白质，含10种氨基酸，并假设每种氨基酸在该蛋白质分子中的数目相等，问这种蛋白质有多少种可能的排列顺序？[10100]解：1012000/120=101003、某多肽的氨基酸序列如下：Glu-Val-Lys-Asn-Cys-Phe-Arg-Trp-Asp-Leu-Gly-Ser-Leu-Glu-Ala-Thr-Cys-Arg-His-Met-Asp-Gln-Cys-Tyr-Pro-Gly-Glu_Glu-Lys。（1）如用胰蛋白酶处理，此多肽将产生几个肽？并解释原因（假设没有二硫键存在）；（2）在pH7.5时，此多肽的净电荷是多少单位？说明理由（假设pKa值：α-COOH4.0；α-NH3+6.0；Glu和Asp侧链基4.0；Lys和Arg侧链基11.0；His侧链基7.5；Cys侧链基9.0；Tyr侧链基11.0）；（3）如何判断此多肽是否含有二硫键？假如有二硫键存在，请设计实验确定5，17和23位上的Cys哪两个参与形成？[（1）4个肽；（2）-2.5单位；（3）如果多肽中无二硫键存在，经胰蛋白酶水解后应得4个肽段；如果存在一个二硫键应得3个肽段并且个肽段所带电荷不同，因此可用离子交换层析、电泳等方法将肽段分开，鉴定出含二硫键的肽段，测定其氨基酸顺序，便可确定二硫键的位置]4、今有一个七肽，经分析它的氨基酸组成是：Lys、Pro、Arg、Phe、Ala、Tyr和Ser。此肽未经糜蛋白酶处理时，与FDNB反应不产生α-DNP-氨基酸。经糜蛋白酶作用后，此肽断裂城两个肽段，其氨基酸组成分别为Ala、Tyr、Ser和Pro、Phe、Lys、Arg。这两个肽段分别与FDNB反应，可分别产生DNP-Ser和DNP-Lys。此肽与胰蛋白酶反应能生成两个肽段，它们的氨基酸组成分别是Arg、Pro和Phe、Tyr、Lys、Ser、Ala。试问此七肽的一级结构怎样？[它是一个环肽，序列为：-Phe-Ser-Ala-Tyr-Lys-Pro-Arg-]解：（1）此肽未经糜蛋白酶处理时，与FDNB反应不产生α-DNP-氨基酸，说明此肽不含游离末端NH2，即此肽为一环肽；（2）糜蛋白酶断裂Phe、Trp和Tyr等疏水氨基酸残基的羧基端肽键，由已知两肽段氨基酸组成（Ala、Tyr、Ser和Pro、Phe、Lys、Arg）可得：-()-()-Tyr-和-()-()-()-Phe-；（3）由（2）得的两肽段分别与FDNB反应，分别产生DNP-Ser和DNP-Lys可知该两肽段的N-末端分别为-Ser-和-Lys-，结合（2）可得：-Ser-Ala-Tyr-和-Lys-()-()-Phe-；（4）胰蛋白酶专一断裂Arg或Lys残基的羧基参与形成的肽键，由题生成的两肽段氨基酸组成（Arg、Pro和Phe、Tyr、Lys、Ser、Ala）可得：-Pro-Arg-和-()-()-()-()-Lys；综合（2）、（3）、（4）可得此肽一级结构为：-Lys-Pro-Arg-Phe-Ser-Ala-Tyr-5、三肽Lys-Lys-Lys的pI值必定大于它的任何一个个别基团的pKa值，这种说法是否正确？为什么？[正确，因为此三肽处于等电点时，七解离集团所处的状态是C-末端COO-（pKa=3.0），N末端NH2（pKa≌8.0），3个侧链3（1/3ε-NH3+）（pKa=10.53）,因此pI>最大的pKa值（10.53）]6、一个多肽可还原为两个肽段，它们的序列如下：链1为Ala-Cys-Phe-Pro-Lys-Arg-Trp-Cys-Arg-Arg-Val-Cys；链2为Cys-Tyr-Cys-Phe-Cys。当用嗜热菌蛋白酶消化原多肽（具有完整的二硫键）时可用下列各肽：（1）（Ala、Cys2、Val）；（2）（Arg、Lys、Phe、Pro）；（3）(Arg2、Cys2、Trp、Tyr)；（4）(Cys2、Phe)。试指出在该天然多肽中二硫键的位置。（结构如下图）解：嗜热菌蛋白酶作用专一性较差，根据题中已知条件：（1）消化原多肽得到（Ala、Cys2、Val），说明链1在2位Cys后及11位Val前发生断裂，2位Cys与12位Cys之间有二硫键；（2）由链1序列可得该肽段序列为：-Phe-Pro-Lys-Arg-；（3）由（1）（2）可知该肽段(Arg2、Cys2、Trp、Tyr)中必有一Cys来自链2，另一Cys为链1中8位Cys，即链1中8位Cys与链2中的一个Cys有二硫键；（4）嗜热菌蛋白酶能水解Tyr、Phe等疏水氨基酸残基，故此肽（Cys2、Phe）来自链2，结合（3）中含Tyr，可知（3）中形成的二硫键为链18位Cys与链2中3位Cys与链2中3位Cys之间；（4）中（Cys2、Phe）说明链2中1位Cys与5位Cys中有二硫键。8、一个四肽，经胰蛋白酶水解得两个片段，一个片段在280nm附近有强的光吸收，并且Pauly反应和坂口反应（检测胍基的）呈阳性。另一片段用溴化氰处理释放出一个与茚三酮反应呈黄色的氨基酸。写出此四肽的氨基酸序列。[YRMP]14 解：胰蛋白酶酶专一水解Lys和Arg残基的羧基参与形成的肽键，故该四肽中含Lys或Arg；一肽段在280nm附近有强光吸收且Pauly反应和坂口反应（检测胍基的）呈阳性，说明该肽段含Tyr和Arg；溴化氰专一断裂Met残基的羧基参加形成的肽键，又因生成了与茚三酮反应呈黄色的氨基酸，故该肽段为-Met-Pro-；所以该四肽的氨基酸组成为Tyr-Arg-Met-Pro，即YRMP。9、蜂毒明肽（apamin）是存在蜜蜂毒液中的一个十八肽，其序列为CNCKAPETALCARRCQQH，已知蜂毒明肽形成二硫键，不与碘乙酸发生反应，（1）问此肽中存在多少个二硫键？（2）请设计确定这些（个）二硫键位置的策略。[（1）两个；（2）二硫键的位置可能是1-3和11-15或1-11和3-15或1-15和3-11，第一种情况，用胰蛋白酶断裂将产生两个肽加Arg；第二种情况和第三种，将产生一个肽加Arg，通过二硫键部分氧化可以把后两种情况区别开来。]10、叙述用Mernfield固相化学方法合成二肽Lys-Ala。如果你打算向Lys-Ala加入一个亮氨酸残基使成三肽，可能会掉进什么样的“陷坑”？解：（1）用BOC保护Ala氨基端，然后将其羧基挂接在树脂上；（2）除去N端保护，将用BOC保护的Arg用缩合剂DDC与Ala相连；（3）将把树脂悬浮在无水三氟乙酸中，通人干燥的HBr，使肽与树脂脱离，同时保护基也被切除。若打算向Lys-Ala加入一个亮氨酸残基使成三肽，可能的坑为：Leu可能接在Arg的非α-氨基上。第五章蛋白质的三维结构1.（1）计算一个含有78个氨基酸的α螺旋的轴长。（2）此多肽的α螺旋完全伸展时多长？[11.7nm；28.08nm]解：（1）考虑到α螺旋中每3.6个氨基酸残基上升0.54nm，故该α螺旋的轴长为：78×0.54/3.6=11.7nm(2)考虑到完全伸展时每个氨基酸残基约占0.36nm，故此时长为：78×0.36=28.08nm3.虽然在真空中氢键键能约为20kj/mol，但在折叠的蛋白质中它对蛋白质的稳定焓贡献却要小得多（<5kj/mol）。试解释这种差别的原因。[在伸展的蛋白质中大多数氢键的供体和接纳体都与水形成氢键。这就是氢键能量对稳定焓贡献小的原因。]4.多聚甘氨酸是一个简单的多肽，能形成一个具有φ=-80°ψ=+120°的螺旋，根据拉氏构象图（图5-13），描述该螺旋的（a）手性；（b）每圈的碱基数。[（a）左手；（b）3.0]解：据P206图5-13拉氏构象图，=φ-80°ψ=+120°时可知该螺旋为左手性，每圈残基数为3.0。6.多聚甘氨酸的右手或左手α螺旋中哪一个比较稳定？为什么？[因为甘氨酸是在α-碳原子上呈对称的特殊氨基酸，因此可以预料多聚甘氨酸的左右手α螺旋（他们是对映体）在能量上是相当的，因而也是同等稳定的。]8.两个多肽链A和B，有着相似的三级结构。但是在正常情况下A是以单体形式存在的，而B是以四聚体（B4）形式存在的，问A和B的氨基酸组成可能有什么差别。[在亚基-亚基相互作用中疏水相互作用经常起主要作用，参与四聚体B4的亚基-亚基相互作用的表面可能比单体A的对应表面具有较多的疏水残基。]9.下面的序列是一个球状蛋白质的一部分。利用表5-6中的数据和Chou-Faman的经验规则，预测此区域的二级结构。RRPVVLMAACLRPVVFITYGDGGTYYHWYH[残基4-11是一个α螺旋，残基14-19和24-30是β折叠片。残基20-23很可能形成β转角]10.从热力学考虑，完全暴露在水环境中和完全埋藏在蛋白质分子非极性内部的两种多肽片段，哪一种更容易形成α螺旋？为什么？[埋藏在蛋白质的非极性内部时更容易形成α螺旋。因为在水环境中多肽对稳定焓（ΔH折叠）的贡献要小些。]11.一种酶相对分子质量为300000，在酸性环境中可解离成两个不同组分，其中一个组分的相对分子质量为100000，另一个为50000。大的组分占总蛋白质的三分之二，具有催化活性。用β-巯基乙醇（能还原二硫桥）处理时，大的失去催化能力，并且它的沉降速度减小，但沉降图案上只呈现一个峰（参见第7章）。关于该酶的结构作出什么结论？[此酶含4个亚基，两个无活性亚基的相对分子质量为50000，两个催化亚基的相对分子质量为100000，每个催化亚基是由两条无活性的多肽链（相对分子质量为50000）组成。彼此间由二硫键交联在一起。]12.今有一种植物的毒素蛋白，直接用SDS凝胶电泳分析（见第7章）时，它的区带位于肌红蛋白（相对分子质量为16900）和β-乳球蛋白（相对分子质量37100）两种蛋白之间，当这个毒素蛋白用β14 -巯基乙醇和碘乙酸处理后，在SDS凝胶电泳中仍得到一条区带，但其位置靠近标记蛋白细胞素（相对分子质量为13370），进一步实验表明，该毒素蛋白与FDNB反应并酸水解后，释放出游离的DNP-Gly和DNP-Tyr。关于此蛋白的结构，你能做出什么结论？[该毒素蛋白由两条不同的多肽链通过链间二硫键交联而成，每条多肽链的相对分子质量各在13000左右。]13.一种蛋白质是由相同亚基组成的四聚体。（a）对该分子说出两各种可能的对称性。稳定缔合的是哪种类型的相互作用（同种或异种）？（b）假设四聚体，如血红蛋白，是由两个相同的单位（每个单位含α和β两种链）组成的。问它的最高对称性是什么？[（a）C4和D2，C4是通过异种相互作用缔合在一起，D2是通过同种相互作用缔合在一起，（b）C2因为每个αβ二聚体是一个不对称的原聚体]14.证明一个多阶段装配过程比一个单阶段装配过程更容易控制蛋白质的质量。考虑一个多聚体酶复合物的合成，此复合物含6个相同的二聚体，每个二聚体由一个多肽A和一个B组成，多肽A和B的长度分别为300个和700个氨基酸残基。假设从氨基酸合成多肽链，多肽链组成二聚体，再从二聚体聚集成多聚体酶，在这一建造过程中每次操作的错误频率为10-8，假设氨基酸序列没有错误的话，多肽的折叠总是正确的，并假设在每一装配阶段剔除有缺陷的亚结构效率为100%，试比较在下列情况下有缺陷复合物的频率：（1）该复合物以一条6000个氨基酸连续的多肽链一步合成，链内含有6个多肽A和6个多肽B。（2）该复合物分3个阶段形成：第一阶段，多肽A和B的合成；第二阶段，AB二聚体的形成；第三阶段，6个AB二聚体装配成复合物。[（1）有缺陷复合物的平均频率是6000×10-8=6×10-5][（2）由于有缺陷的二聚体可被剔除，因此有缺陷复合物的平均率只是最后阶段的操作次数（5次操作装配6个亚基）乘以错误频率，即：5×10-8。因此它比一步合成所产生的缺陷频率约低1000倍。]习题1.蛋白质A和B各有一个配体X的结合部位，前者的解离常数Kd为10-6mol/L，后者Kd为10-9mol/L。（a）哪个蛋白质对配体X的亲和力更高？（b）将这两个蛋白质的Kd转换为结合常数Ka。[（a）蛋白质B；（b）蛋白质A的Ka=106(mol/L)-1，蛋白质B的Ka=109(mol/L)-12.下列变化对肌红蛋白和血红蛋白的O2亲和力有什么影响？（a）血浆的pH从7.4降到7.2；（b）肺中CO2分压从45torr（屏息）降到15torr（正常）；（c）BPG水平从4.5mmol/L（海平面）增至7.5mmol（高空）。[对肌红蛋白：（a）无；（b）无；（c）无。对血红蛋白：（a）降低；（b）增加；（c）降低]4.如果已知P50和n，可利用方程（6-15）Y/（1-Y）=[p（O2）/P50]n计算Y（血红蛋白氧分数饱和度）。设P50=26torr，n=2.8，计算肺（这里p（O2）=100torr）中的Y和毛细血管（这里p（O2）=40torr）中的Y。在这些条件下输氧效率（Y肺-Y毛细血管=ΔY）是多少？除n=1.0外，重复上面计算。比较n=2.8和n=1.0时的ΔY值。并说出协同氧结合对血红蛋白输氧效率的影响。[n=2.8时，Y肺=0.98，Y毛细血管=0.77，所以，ΔY=0.21，n=1.0时，Y肺=0.79，Y毛细血管=0.61，所以，ΔY=0.18，两ΔY之差0.21-0.18=0.03，差值似乎不大，但在代谢活跃的组织中p（O2）<40torr，因此潜在输氧效率不小，参见图6-15]解：Y肺/（1-Y肺）=[100/26]2.8Y肺=0.98Y毛/（1-Y毛）=[40/26]2.8Y毛=0.77ΔY=0.98-0.77=0.21当n=1.0时，同理，Y肺=0.79Y毛=0.61ΔY=0.185.如果不采取措施，贮存相当时间的血，2.3-BPG的含量会下降。如果这样的血用于输血可能会产生什么后果？[贮存过时的红血球经酵解途径代谢BPG。BPG浓度下降，Hb对O2的亲和力增加，致使不能给组织供氧。接受这种BPG浓度低的输血，病人可能被窒息。]6.HbA能抑制HbS形成细长纤维和红细胞在脱氧后的镰刀状化。为什么HbA具有这一效应？[去氧HbA含有一个互补部位，因而它能加到去氧HbS纤维上。这样的纤维不能继续延长，因为末端的去氧HbA分子缺少“粘性”区。]7.一个单克隆抗体与G-肌动蛋白结合但不与F-肌动蛋白结合，这对于抗体识别抗原表位能告诉你什么？[该表位可能是当G-肌动蛋白聚合成F-肌动蛋白时被埋藏的那部分结构。]14 8．假设一个Fab-半抗原复合体的解离常数在25℃和pH7时为5×10-7mol/L。（a）结合的标准自由能（25℃和pH7时）是多少？（b）此Fab的亲和力结合常数是多少？（c）从该复合体中释放半抗原的速度常数为120S-1。结合的速度常数是多少？此说明在结合半抗原时抗体中的结构变化是大还是小？[（a）ΔG0ˊ=35.9kJ/mol；（b）Ka=2×106mol-1L；（c）结合速度常数k=2×108mol-1S-1L，此值接近于小分子与蛋白质相遇（结合）的扩散控制限制（108至109mol-1S-1L）]解：(a)ΔG0ˊ=-RTlnKa=-8.31×298×ln2000000=-35.9kJ/mol(b)Ka=1/Keq=1/5×10-7=2×106mol-1L9.抗原与抗体的结合方式与血红蛋白的氧结合相似。假设抗原是一价，抗体是n价，即抗体分子有n个结合部位，且各结合部位的结合常数Ka值是相同的，则可证明当游离抗原浓度为[L]时，结合到抗体上的抗原浓度[Lp]与抗体的总浓度[Pr]之比值:N=[Lp]/[Pr]=(nKa[L])/(1+Ka[L]),N实际上表示被一个抗体分子结合的抗原分子平均数。（a）证明上面的方程可重排为N/[L]=Kan-KaN此方程式称Scatchard方程，方程表明，N/[L]对N作图将是一条直线。（b）根据Scatchard方程，利用下列数据作图求出抗体-抗原反应的n和Ka值。[L]mol/LN1.43×10-50.52.57×10-50.776.00×10-51.201.68×10-41.683.70×10-41.85[（a）第一个方程两边各乘（1+Ka[L]），然后两边各除以[L]，并重排第2个方程；（b）根据第二方程，N/[L]对N作图的斜率是-Ka，N/[L]=0时的截距给出n。利用数据作图得Ka=2.2×10-4mol/L，n=2.1。因为结合部位数目只可能是整数，所以n=2]10.一个典型的松弛肌节中细丝长约2μm，粗丝长约为1.5μm。（a）估算在松弛和收缩时粗丝和细丝的重叠情况。（b）一次循环中肌球蛋白沿细丝滑行“一步”移动约7.5nm，问一次收缩中每个肌动蛋白纤维需要进行多少个步？[（a）约0.75nm，（b）约67步]解：（a）根据P281图6-35A所示，当松弛时重叠总长度为：（1+1）-（3-1.5）=0.5μm0.5/2=0.25μm当收缩时重叠总长度为：（1+1）-（2-1.5）=1.5μm1.5/2=0.75μm（b）（3-2）÷2×103÷7.5≈67步第七章蛋白质的分离、纯化和表征蛋白质也是一种两性电解质。它的酸碱性质主要决定于肽链上可解离的R基团。对某些蛋白质说，在某一pH下它所带的正电荷与负电荷相等，即净电荷为零，此pH称为蛋白质的等电点。各种蛋白质都有自己特定的等电点。在等电点以上的pH时蛋白质分子带净负电荷，在等电点以下的pH时带净正电荷。蛋白质处于等电点时溶解度最小。在无盐类干扰情况下，一种蛋白质的质子供体基团解离出来的质子数与质子受体基团结合的质子数相等时的pH是它的真正等电点，称为等离子点，它是该蛋白质的特征常数。测定蛋白质相对分子质量（Mr）的最重要的方法是利用超速离心机的沉降速度法和沉降平衡法。沉降系数（s）的定义是单位离心场强度的沉降速度。s也常用来近似地描述生物大分子的大小。凝胶过滤是一种简便的测定蛋白质Mr的方法。SDS-聚丙乙酰胺凝胶电泳（PAEG）用于测定单体蛋白质或亚基的Mr。蛋白质溶液是亲水胶体系统。蛋白质分子颗粒（直径1～100nm）是系统的分散相，水是分散介质。蛋白质分子颗粒周围的双电层和水化层是稳定蛋白质胶体系统的主要因素。14 分离蛋白质混合物的各种方法主要根据蛋白质在溶液中的下列性质：（1）分子大小；（2）溶解度；（3）电荷；（4）吸附性质；（5）对配体分子特异的生物学亲和力。透析和超过滤是利用蛋白质不能通过半透膜的性质使蛋白质分子和小分子分开，常用于浓缩和脱盐。密度梯度离心和凝胶过滤层析都已成功地用于分离蛋白质混合物。等电点沉淀、盐析和有机溶剂分级分离等方法常用于蛋白质分离的头几步。移动界面电泳、各种形式的区带电泳，特别是圆盘凝胶电泳、毛细血管电泳以及等电聚焦具有很高的分辨率。纤维素离子交换剂和Sephadex离子交换剂的离子交换柱层析已广泛地用于蛋白质的分离纯化。HPLC和亲和层析法是十分有效的分离纯化方法。蛋白质制品的纯度鉴定通常采用分辨率高的物理化学方法，例如PAGE、等电聚焦、毛细血管电泳、沉降分析和HPLC等。如果制品是纯的，在这些分析的图谱上只呈现一个峰或一条带。必须指出，任何单独鉴定只能认为是蛋白质分子均一性的必要条件而不是充分条件。第八章酶通论1.酶作为生物催化剂有哪些特点？答：酶是细胞所产生的，受多种因素调节控制的具有催化能力的生物催化剂，与一般非生物催化剂相比较有以下几个特点：1、酶易失活；2、具有很高的催化效率；3、具有高度专一性；4、酶活性受到调节和控制。2.何谓酶的专一性？酶的专一性有哪些？如何解释酶作用的专一性？研究酶的专一性有何意义？答：酶的专一性是指酶对催化的反应和反映物有严格的选择性。酶的专一性分为两种类型：1、结构专一性，包括绝对专一性、相对专一性（族专一性或基团专一性、键专一性）；2、立体异构专一性，包括旋光异构专一性、几何异构专一性。通过对酶结构与功能的研究，确信酶与底物作用的专一性是由于酶与底物分子的结构互补，诱导契合，通过分子的相互识别而产生的。对酶的专一性研究具有重要的生物学意义。它有利于阐明生物体内有序的代谢过程，酶的作用机制等。3.酶的活性受那些因素调节，试说明之。答：酶的调节和控制有多种方式，主要有：（1）调节酶的浓度：主要有2种方式：诱导或抑制酶的合成；调节酶的降解；（2）通过激素调节酶活性、激素通过与细胞膜或细胞内受体相结合而引起一系列生物学效应，以此来调节酶活性；（3）反馈抑制调节酶活性：许多小分子物质的合成是由一连串的反应组成的，催化此物质合成的第一步的酶，往往被他们终端产物抑制；（4）抑制剂和激活剂对酶活性的调节：酶受大分子抑制剂或小分子物质抑制，从而影响酶活性；（5）其他调节方式：通过别构酶、酶原的激活、酶的可逆共价修饰和同工酶来调节酶活性。４.辅基和辅酶有何不同？在酶催化反应种起什么作用？答：辅酶通常指与脱辅酶结合比较松弛的小分子有机物质。通过透析方法可以除去，如辅酶Ⅰ和辅酶Ⅱ等。辅基是以共价键和脱辅酶结合，不能通过透析除去，需要经过一定的化学处理才能与蛋白分开，如细胞色素氧化酶中的铁卟啉，丙酮氧化酶中的黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）都属于辅基。它们的区别只在于它们与脱辅酶结合的牢固程度不同。辅酶、辅基在酶催化反应中通常是起着电子、原子或某些化学基团的传递作用。５.酶分哪几大类？举例说明酶的国际系统命名法及酶的编号。答：国际酶学委员会根据酶所催化反应的类型，把酶分为６大类：即氧化还原酶类、转移酶类、水解酶类、裂合酶类、异构酶类和连接酶类。分别利用1、2、3、4、5、6来表示。例如：1.1.3表示氧化还原酶，作用于CHOH基团，受体是分子氧。根据底物中别所用的基团或键的特点将每一大类分为若干亚类，每一个亚类又按顺序变成1、2、3……等数字；每一个亚基可再分亚亚类，仍用1、2、3……编号，每一个酶的分类编号由4个数字组成，数字间由由“·”隔开。第一个数字指明该酶属于哪一个大类；第二个数字指明酶属于哪一个亚类；第三个数字指出该酶属于一个亚亚类；第四个数字则表明该酶在亚亚类中的排号。编号之间冠以EC（EnzymeCommision）。6.什么叫酶的活力和比活力？测定酶活力应注意什么？为什么测定酶活力时以测定初速率为宜，并且底物浓度远远大于酶浓度？答：酶活力指酶催化某一化学反应的能力，其大小可用在一定条件下所催化的某一化学反应的反应速率来表示；酶的比活力代表酶的纯度，根据国际酶学委员会的规定比活力用每mg蛋白质所含的酶活力单位数表示。14 酶的催化作用受测定环境的影响，因此测定酶活力要在最适条件下进行，即最适温度、最适pH、最适底物浓度和最适缓冲离子强度等。只有在最适条件下测定才能真实反映酶活力的大小。随时间的延长，酶促反应中底物浓度降低，产物浓度增加，加速逆反应的进行，产物对酶抑制或激活作用以及随时间的延长引起酶本身部分分子失活等，酶促反应速率降低，因此测定活力，应测定酶促反应的初速率，从而避免上述种种复杂因素对反应速率的影响。底物浓度太低时，5%以下的底物浓度变化实验上不易测准，所以在测定酶的活力时，往往使底物浓度足够大，这样整个酶反应对底物来说是零级反应，而对酶来说却是一级反应，这样测得的速率就比较可靠地反映酶的含量。7.什么叫核酶和抗体酶？它们的发现有什么重要意义？答：具有催化功能的RNA叫核酶。它的发现，表明RNA是一种既能携带遗传信息又有生物催化功能的生物分子。因此很可能RNA早于蛋白质和DNA，是生命起源中首先出现的生物大分子，而一些有酶活性的内含子可能是生物进化过程中残存的分子“化石”。酶RNA的发现，提出了生物大分子和生命起源的新概念，无疑促进对生物进化和生命起源的研究。抗体酶是20实际80年代后期才出现的一种具有催化能力的蛋白质，其本质上是免疫球蛋白，但是在易变区被赋予了酶的属性，所以又称“催化性抗体”，抗体酶的发现，不仅为酶的过渡态理论提供了有力的实验证据，而且抗体酶将会得到广泛的应用。8.解释下列名词：（1）生物酶工程：酶学和以DNA重组技术为主的现代分子生物学技术相结合的产物。（2）固定化酶：将水溶性酶用物理或化学方法处理，使之成为不溶于水的、但仍具有酶活性的状态。（3）活化能：在一定温度下1mol底物全部进入活化状态所需要的自由能（kJ/mol）（4）酶的转化数：在一定条件下每秒钟每个酶分子转换底物的分子数。（5）寡聚酶：由两个以上亚基组成的酶。（6）Kat单位：在最适条件下，每秒钟催化1mol底物转化为产物所需的酶量，为Kat单位。（7）酶偶联分析法：由于分光光度法有其独特的优点，因此把一些原来没有光吸收变化的酶反应，可以通过与一些能引起光吸收变化的酶反映偶联使第一个酶反应的产物转变成第二个酶的具有光吸收变化的产物来进行测量。（8）诱导契合说：1958年Koshland提出，当酶分子与底物分子接近时，酶蛋白受底物分子诱导，其构象发生有利于底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补契合进行反应。（9）反馈抑制：许多小分子物质的合成是由一联串的反应组成的，催化此物质生成的第一步的酶，往往被它们终端产物抑制。这种抑制叫反馈抑制。（10）多酶复合体：由几种酶靠非共价键彼此嵌合而成。第九章酶促反应动力学提要酶促反应动力学是研究酶促反应的速率以及影响此速率各种因素的科学。它是以化学动力学为基础讨论底物浓度、抑制剂、pH、温度及激活剂等因素对酶反应速率的影响。化学动力学中在研究化学反应速率与反应无浓度的关系时，常分为一级反应、二级反应及零级反应。研究证明，酶催化过正的第一步是生成酶-底物中间产物，Michaelis-Menten根据中间产物学说的理论推导出酶反应动力学方程式，即Km、Vmax、kcat、kcat/Km。Km是酶的一个特征常数，以浓度为单位，Km有多种用途，通过直线作图法可以得到Km及Vmax。Kcat称为催化常数，又叫做转换数（TN值），它的单位为s-1，kcat值越大，表示酶的催化速率越高。kcat/Km常用来比较酶催化效率的参数。酶促反应除了单底物反应外，最常见的为双底物反应，按其动力学机制分为序列反应和乒乓反应，用动力学直线作图法可以区分。14 酶促反应速率常受抑制剂影响，根据抑制剂与酶的作用方式及抑制作用是否可逆，将抑制作用分为可逆抑制作用及不可逆抑制作用。根据可逆抑制剂与底物的关系分为竞争性抑制、非竞争性抑制及反竞争性抑制3类，可以分别推导出抑制作用的动力学方程。竞争性抑制可以通过增加底物浓度而解除，其动力学常数Kˊm变大，Vmax不变；非竞争性抑制Km不变，Vˊmax变小；反竞争性抑制Kˊm及Vˊmax均变小。通过动力学作图可以区分这3种类型的可逆抑制作用。可逆抑制剂中最重要的是竞争性抑制，过度态底物类似物为强有力的竞争性抑制剂。不可逆抑制剂中，最有意义的为专一性Ks型及kcat型不可逆抑制剂。研究酶的抑制作用是研究酶的结构与功能、酶的催化机制、阐明代谢途径以及设计新药物的重要手段。温度、pH及激活剂都会对酶促反应速率产生重要影响，酶反应有最适温度及最适pH，要选择合适的激活剂。在研究酶促反应速率及测定酶的活力时，都应选择酶的最适反应条件。习题1.当一酶促反应进行的速率为Vmax的80%时，在Km和[S]之间有何关系？[Km=0.25[S]]解：根据米氏方程：V=Vmax[S]/(Km+[S])得：0.8Vmax=Vmax[S]/(Km+[S])Km=0.25[S]2.过氧化氢酶的Km值为2.5×10-2mol/L，当底物过氧化氢浓度为100mmol/L时，求在此浓度下，过氧化氢酶被底物所饱和的百分数。[80%]解：fES=[S]/（Km+[S]）=100×10-3/(2.5×10-2+100×10-3)=80%5.某酶的Km为4.7×10-5molL-1，Vmax为22μmolL-1min-1，底物浓度为2×10-4molL-1。试计算：（1）竞争性抑制剂，（2）非竞争性抑制剂，（3）反竞争性抑制剂的浓度均为5×10-4molL-1时的酶催化反映速率？这3中情况的Ki值都是3×10-4molL-1，（4）上述3种情况下，抑制百分数是多少？[（1）13.54μmolL-1min-1，24%；（2）6.68μmolL-1min-1，62.5%；（3）7.57μmolL-1min-1，57.5%]解：（1）竞争性抑制剂的米氏方程为：V=Vmax[S]/(Km(1+[I]/Ki)+[S])代入数据得：V=13.54μmolL-1min-1i%=（1-a）×100%=（1-Vi/Vo）×100%=24%（2）非竞争性抑制剂的米氏方程为：V=Vmax[S]/((Km+[S])(1+[I]/Ki))代入数据得：V=6.68μmolL-1min-1i%=（1-a）×100%=（1-Vi/Vo）×100%=62.5%（3）反竞争性抑制剂的米氏方程：V=Vmax[S]/(Km+[S](1+[I]/Ki))代入数据得：V=7.57μmolL-1min-1i%=（1-a）×100%=（1-Vi/Vo）×100%=57.5%15.举例说明什么是Ks型和kcat型不可逆抑制剂。什么是过度态底物类似物？它属于何种类型抑制剂？答：Ks型抑制剂根据底物的化学结构设计，具有底物类似的结构，可以和相应的酶结合，同时还代有一个活泼的化学基团，能与酶分子中的必需基团反应进行化学修饰，从而抑制酶。因其专一性取决于抑制剂与活性部位必需基团在反应前形成非共价络合物的解离常数以及非活性部位同类基团形成非共价络合物的解离常数之比，即Ks比值，故这类抑制剂称不可逆Ks抑制剂。例如：胰蛋白酶要求催化的底物具有一个带正电荷的侧链，如Lys、Arg侧链。对甲苯磺酰-L-赖氨酰氯甲酮（TLCK）和胰蛋白酶活性部位必需集团His57共价结合，引起不可逆失活。Kcat型不可逆抑制剂具有天然底物的类似结构，其本身也是酶的底物，能与酶结合发生类似于底物的变化。但抑制剂还有一个潜伏的反应基团，当酶对它进行催化反应时，这个潜伏反映基团被暴露或活化，并作用于酶活性部位的必需基团或酶的辅基，使酶不可逆失活，其专一性极高。例如β-卤代-D-Ala是细菌中丙氨酸消旋酶（AR）的不可逆抑制剂，属于磷酸吡哆醛类的自杀性底物。过渡态底物类似物是化学结构类似过渡态底物（底物和酶结合成中间复合物后被活化的过渡形式）的抑制剂，属于竞争性抑制剂，如嘌呤腺苷水合形成是小牛脱氨酶反应过渡类似物。14 第十章酶的作用机制和酶的调节习题1.阐明酶活性部位的概念。可使用那些主要方法研究酶的活性部位？答：酶的活性部位对于不需要辅酶的酶来说，就是指酶分子在三维结构上比较靠近的几个氨基酸残基负责与底物的结合与催化作用的部分；对于需要辅酶的灭来说，辅酶分子或辅酶分子上的某一部分结构，往往也是酶活性部位的组成部分。研究酶活性部位的方法有：酶分子侧链基团的化学修饰法、动力学参数测定法、X射线晶体结构分析法和定点诱变法。2.简要阐明胰RnaseA的活性部位如何确定？答：用化学修饰法研究RnaseA活性的必须氨基酸残基。在pH5.5下，用等摩尔碘乙酸处理RnaseA，羧甲基化的His119是主要产物，而羧甲基化的His12产物较少。RnaseA中其他组氨酸对这个试剂的反应弱得多。所得RnaseA的两个羧甲基化的衍生物均无活性，因此可推测His119和His12为酶活性的必需基团。2，4二硝基氟苯可选择地同酶Lysε-NH2反应，酶引起失活。该结果表明Lys41也是酶活性部位的必需氨基酸。以上研究结果可认为His119、His12、Lys41构成了RnaseA的活性部位。3.与酶催化效应有关的因素有哪些？它们是怎样提高反应速率的？答：与酶催化速率有关的因素有7个：1.底物和酶的邻近效应与定向效应：酶和底物复合物的形成过程既是专一性的识别过程，更重要的是分子间反应变成分子内反应的过程。在这一过程中包括两种效应、邻近效应和定向效应。邻近效应是指酶与底物结合形成中间复合物以后，使底物和底物（如双分子反应）之间，酶的催化基团与底物之间结合于同一分子而使有效浓度得以极大的升高，从而使反应速率大大增加的一种效应。定向效应是指反应物的反应基团之间和酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确取位产生的效应。2.底物的形变和诱导契合：当酶遇到其专一性底物时，酶中某些基团或离子可以使底物分子内敏感键中的某些基团的电子云密度增高或降低，产生“电子张力”，使敏感键的一端更加敏感，底物分子发生形变，底物比较接近它的过渡态，降低了反应活化能，使反应易于发生。3.酸碱催化：通过瞬时的向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态，加速反应的一类催化机制。4.共价催化（亲核催化或亲电子催化）：在催化时，亲核催化剂或亲电子催化剂能分别放出电子或吸取电子并作用于底物的缺电子中心或负电中心，迅速形成不稳定的共价中间复合物，降低反应活化能，使反应加速。5.金属离子催化：金属离子以3种主要途径参加催化过程：（1）通过结合底物为反应定向；（2）通过可逆地改变金属离子的氧化态调节氧化还原反应；（3）通过静电稳定或屏蔽负电荷，作用比质子强，不少金属离子有络合作用，并且在中性pH溶液中，H+浓度很低，但金属离子却容易维持一定浓度。金属离子通过电荷的屏蔽促进反应。金属离子通过水的离子化促进亲核催化。6.多元催化和协同效应：酶催化反应中常常几个基元催化反应配合在一起共同起作用，加速酶反应。7.活性部位微环境的影响：在酶分子的表面有一个裂缝，而活性部位就位于疏水环境的裂缝中，大大有利于酶的催化作用。4.推测下列寡聚糖被溶菌酶水解的相对速率：（G：N-乙酰氨基葡糖；M：N-乙酰氨基葡糖乳酸）（1）M-M-M-M-M-M；（2）G-M-G-M-G-M；（3）M-G-M-G-M-G5.假设在合成（NAG）时D和E糖残基之间的糖苷氧已为18O所标记，当溶菌酶水解时，18O将出现在哪个产物中？答：溶菌酶催化C1-O键断裂，故18O将出现在由A、B、C、D残基组成的四聚体中。6.请比较溶菌酶、羧肽酶A、胃蛋白酶和胰凝乳蛋白酶：（1）哪一种酶的催化活性需要金属离子？（2）哪种酶只含一条多肽链？（3）哪种酶被DFP迅速地失活？（4）哪种酶是由酶原激活成的？答：（1）羧肽酶A；（2）溶菌酶；（3）胰凝乳蛋白酶；（4）羧肽酶A、胃蛋白酶、胰凝乳蛋白酶。7.上题4种酶的催化机制中是否有从酶到底物的质子转移过程？若有请指出它们的质子供体是什么？14 答：溶菌酶中的Glu35的-COOH提供一个H+；羧肽酶A中的Glu270的-COOH提供一个H+；胃蛋白酶中的Asp32的-COOH提供一个H+；胰凝乳蛋白酶中Ser195提供一个H+。8.TPCK是胰凝乳蛋白酶的亲和标记试剂，它对His57烷基化后使胰凝乳蛋白酶失活。（1）为胰蛋白酶设计一个像TPCK那样的亲和标记试剂。（2）你认为怎样可以检验它的专一性？（3）能被胰蛋白酶的这个亲和标记试剂失去活性的还有哪个丝氨酸蛋白酶？9.胰凝乳蛋白酶、胰蛋白酶和弹性蛋白酶作为催化剂有哪些相似之处？有哪些不同之处？在酶的分子结构上是哪些因素引起这些差异？答：相似之处：①执行相同的反应——裂解肽键；②其结构和作用机制很相似；③相对分子质量范围在2.5×103，并且具有相似的顺序和三级结构；④3个极性残基——His57、Asp102和Ser195在活性部位形成催化三联体。不同之处：①专一性不同：胰蛋白酶裂解碱性氨基酸Arg和Lys羧基侧链肽；胰凝乳蛋白酶选择裂解芳香氨基酸如Phe和Tyr羰基侧链；弹性蛋白主要裂解小的中性氨基酸残基羰基侧链肽；②酶活性部位不同：胰蛋白酶口袋中，有一个负电荷Asp189在底部，有利于结合正电荷Arg和Lys残基；胰凝乳蛋白酶口袋被疏水氨基酸环绕，大的足以容纳一个芳香残基；弹性蛋白口袋浅，开口处具有大的Thr和Val残基，仅小的，部大的残基能够容纳在它的口袋中。10.ATCase是一种别构酶，其活性部位与别构效应物结合部位分别处于不同亚基之上，有可能设想别构酶上这两种部位存在于同一亚基上吗？为什么？112.试解释为什么胰凝乳蛋白不能像胰蛋白酶那样自我激活？答：胰凝乳蛋白酶无法断裂Arg15羧基端肽键，故无法自我激活；而胰蛋白酶专一断裂碱性氨基酸羧基端肽键，故可断裂Lys6羧基端肽而自我激活。13.羧肽酶A促使底物的水解，下面哪个是其重要的机制：（1）结构重排将必需氨基酸残基靠近敏感键。（2）形成一个C端环肽的共价中间物。（3）活性部位Try残基脱质子形成亲核作用。（4）通过结合Zn2+的活化水。答：（4）正确。14.左边列出的每一种酶，按照提出的催化机制，从右边选择出它们适当的过渡态或化学本质。（1）溶菌酶——（4）（2）RNA酶——（3）（3）羧肽酶A——（1）（4）胰凝乳蛋白酶（2）（5）（5）胃蛋白酶——（6）（1）Zn2+的活化水（2）氧阴离子（3）五价磷（4）碳正离子（5）四面体肽键（6）天冬氨酸——活化水5.对蛋白酶激A的叙述中哪一个是正确的？（1）通过ATP活化。（2）在没有激活剂时有2个催化亚基（C）和两个调节亚基（R）组成。（3）激活剂结合后解离成一个C2和2个R亚基。（4）在C亚基中含有一个假底物顺序。答：（2）正确。原因：（1）通过cAMP激活；（3）激活剂结合后解离成一个R2和2个C亚基；（4）在R亚基中含有一个假底物顺序，占据了C的催化部位。16.苯甲脒（Ki=1.8×10-5mol/L）和亮抑蛋白酶肽（LeupeptinKi=3.8×10-7mol/L）是胰蛋白酶的两种特异竞争性抑制剂，试解释它们的抑制机制。设计亮抑蛋白酶肽的类似物抑制胰凝乳蛋白酶和弹性蛋白酶。14 第十一章维生素与辅酶1.例举水溶性维生素与辅酶的关系及其主要生物学功能。答：水溶性维生素包括维生素B族、硫辛酸和维生素C。维生素B族的主要维生素有维生素B1、B2、PP、B6、泛酸、生物素、叶酸及B12等。维生素B族在生物体内通过构成辅酶而发挥对物质代谢的影响。这类辅酶在肝脏内含量最丰富，体内不能多储存，多余的自尿中排出。维生素B1在生物体内常以硫胺素焦磷酸（TPP）的辅酶形式存在，与糖代谢密切，可抑制胆碱脂酶活性。维生素PP包括烟酸和烟酰胺，在体内烟酰胺与核糖、磷酸、腺嘌呤组成脱氢酶的辅酶，烟酰胺的辅酶是电子载体，在各种酶促氧化-还原过程中起着重要作用。维生素B2有氧化型和还原型两种形式，在生物体内氧化还原过程中起传递氢的作用，以黄素单核苷酸（FMN）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）形式存在，是生物体内一些氧化还原酶（黄素蛋白）的辅基。泛酸是辅酶A和磷酸泛酰巯基乙胺的组成成分，辅酶A主要起传递酰基的作用。维生素B6包括3中物质：吡哆醇、吡哆醛、吡哆胺；在体内以磷酸脂形式存在。维生素B12在体内转变成2种辅酶形式，参与3种类型的反应：①分子内重排；②核苷酸还原成脱氧核苷酸；③甲基转移。生物素在种种酶促羧化反应中作为活动羧基载体。叶酸除了CO2外，是所有氧化水平碳原子一碳单位的重要受体和供体。四氢叶酸是叶酸的活性辅酶形式。硫辛酸常不游离存在，而同酶分子中赖氨酸残基的ε-NH2以酰胺键共价结合，是一种酰基载体。维生素C具有机酸性质，有防治坏血病功能。3.为谷氨酸变位酶反应选择一种适宜的辅酶并写出一个正确的机制：[化学方程式略]解：该反应适宜的辅酶可为5ˊ-脱氧腺苷钴胺素，重排机制：Co-碳键裂解，钴还原成Co2+状态，产生一个-CH2基，从底物吸取氢原子形成5ˊ-脱氧腺苷，并脱离底物上的基团（未成电子对），该中间物重排，-CH2-从一个碳原子移动到另一个碳原子，随后氢原子从5ˊ-脱氧腺苷是甲基转移，5ˊ-脱氧腺苷钴胺素重生。7.蛋清可防止蛋黄的腐败，将鸡蛋贮存在冰箱4-6周不腐败。而分离的蛋黄（没有蛋清）甚至在冷冻下也迅速腐败。（1）腐败是什么引起的？（2）你如何解释观察到的蛋清存在下防止蛋黄腐败？答：（1）细菌生长；（2）抗生物素蛋白结合生物素抑制细菌生长。8.肾营养不良（renalosleodystrophy）也叫肾软骨病，是和骨的广泛脱矿物质作用相联系的一种疾病，常发生在肾损伤的病人中。什么维生素涉及到肾的矿质化？为什么肾损伤引起脱矿物质作用？答：1，25-二羟维生素D3能诱导钙结合蛋白（CaBP）的合成和促进Ca-ATP酶的活性，这都有利于Ca2+的吸收。它也能促进磷的吸收；促进钙盐的更新及新骨的生成；促进肾小管细胞对钙磷的重吸收，减少从尿中排出。1，25-二羟维生素D3的主要靶细胞是小肠粘膜、骨骼和肾小管，肾损伤将影响1，25-二羟维生素D3的作用，故会引起脱矿物质作用。9.一个临床病人由于代谢紊乱引起酸中毒，即低血和低尿pH。病人体液中化学分析显示分泌大量的甲基丙二酸。将这种化合物饲喂动物时，可以转变成琥珀酸。对于这一观察你能提供营养上的解释吗？答：VB12（钴氨素）的缺乏，导致以腺苷钴氨素为辅因子的甲基丙二酸单酰CoA变位酶的酶促反应受阻，奇数碳脂肪酸代谢产生的丙酰CoA羧化生成甲基丙二酸单酰CoA后，无法进一步生成琥珀酰CoA而进入柠檬酸循环，于是在体内堆积。10.四氢叶酸（THF）都以何种形式传递一碳单位？答：四氢叶酸（THF）传递一碳单位的形式有：N5-甲基-THF、N5，N10-亚甲基-THF、N5-甲酰基-THF、N10-甲酰基-THF、N5-亚胺甲基-THF、N5，N5-次甲基-THF。14 第十二章核酸通论1.核酸是如何被发现的？为什么早期核酸研究的进展比蛋白质研究缓慢？答：1868年瑞士青年科学家F.Mescher由脓细胞分离得到细胞核，并从中提取出一种含磷量很高的酸性化合物，称为核素。核酸中的碱基大部分由Kossel等所鉴定。1910年因其在核酸化学研究中的成就授予他诺贝尔医学奖，但他却认为决定染色体功能的是蛋白质，以后转而研究染色体蛋白质。Levene对核酸的化学结构以及核酸中糖的鉴定作出了重要贡献，但是他的“四核苷酸假说”认为核苷酸中含等量4种核苷酸，这4种核苷酸组成结构单位，核酸是由四核苷酸单位聚合而成。照这一假说，核酸只是一种简单的高聚物，从而使生物学家失去对它的关注，严重阻碍核酸的研究。当时还流行一种错误的看法，认为胸腺核苷酸代表动物核苷酸，酵母核苷酸代表植物核苷酸，这种观点也不利于对核酸生物功能的认识。2.Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型的背景和依据是什么？答：背景：20世纪上半叶，数理学科进一步渗入生物学，生物化学本身是一门交叉学科，也就成为数理学科与生物学之间的桥梁。数理学科的渗入不仅带来了新的理论和思想方法，而且引入了许多新的技术和实验方法。依据：已知核酸的化学结构知识；E.Chargaff发现的DNA碱基组成规律；M.Wilkins和R.Franklin得到的DNAX射线衍射结果。此外，W.T.Astbury对DNA衍射图的研究以及L.Pauling提出蛋白质的α-螺旋结构也都有启发作用。2．为什么科学界将Watson和Crick提出DNA双螺旋结构模型评为20世纪自然科学最伟大的成就之一？答：因为DNA双螺旋结构模型的建立说明了基因的结构、信息和功能三者之间的关系，使当时分子生物学先驱者形成的三个学派（结构学派、信息学派和生化遗传学派）得到统一，并推动了分子生物学的迅猛发展。4.什么是DNA重组技术？为什么说它的兴起导致了分子生物学的第二次革命？答：DNA重组技术——在细胞体外将两个DNA片段连接成一个DNA分子的技术。在适宜的条件下，一个重组DNA分子能够被引入宿主细胞并在其中大量繁殖。DNA重组技术极大推动了DNA和RNA的研究，改变了分子生物学的面貌，并导致了一个新的生物技术产业群的兴起，所以被认为是分子生物学的第二次革命。5．人类基因组计划是怎样提出来的？它有何重大意义？答：1986年，著名生物学家、诺贝尔奖获得者H.Dubecco在Sience杂志上率先提出“人类基因组计划”，经过了3年激烈争论，1990年10月美国政府决定出资30亿美元，用15年时间（1990-2005年）完成“基因组计划”。重大意义：人类对自己遗传信息的认识将有益于人类健康、医疗、制药、人口、环境等诸多方面，并且对生命科学也将有极大贡献。6．为什么说生命科学已进入后基因时代？它的意思是什么？答：由于技术上的突破，“人类基因组计划”进度一再提前，全序列的测定现已进入后基因组时代。意思：科学家的研究重心已从揭示基因组DNA的序列转移到在整体水平上对基因组功能的研究。7.核酸可分为哪几种类？它们是如何分布的？答：核酸分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两大类。原核细胞中DNA集中在核区，其核细胞DNA分布在核内，病毒只含DNA或只含RNA，RNA存在于原核生物、真核生物或部分RNA病毒中。8.如何证明DNA是遗传物质？答：用35S和32P标记的噬菌体T2感染大肠杆菌，结果发现只有32P标记的DNA进入大肠杆菌细胞内，而35S标记的蛋白质仍留在细胞外，由此证明：噬菌体DNA携带了噬菌体的全部遗传信息，DNA是遗传物质。9.参与蛋白质合成的三类RNA分别起什么作用？答：rRNA起装配和催化作用；tRNA携带氨基酸并识别密码子；mRNA携带DNA的遗传信息并作为蛋白质合成的模板。0.如何看待RNA功能的多样性？它的核心作用是什么？答：RNA有5类功能：①控制蛋白质合成；②作用于RNA转录后加工与修饰；③基因表达与细胞功能的调节；④生物催化与其他细胞持家功能；⑤遗传信息的加工与进化。核心作用是：遗传信息由DNA到蛋白质的中间传递体。14 第十三章核酸的结构1.比较DNA和RNA在化学结构上、大分子结构上和生物学功能上的特点。答：DNA的一级结构中组成成分为脱氧核糖核苷酸，核苷酸残基的数目由几千至几千万个；而RNA的组成成分是核糖核苷酸，核苷酸数目仅有几十到几千个。另外在DNA分子中A=T，G=C,而在RNA分子中A≠U，G≠C。二者的相同点在于：它们都是以单核苷酸作为基本组成单位，核苷酸残基之间都是由3，5-磷酸二酯键连接的。二级结构：DNA是双链分子，2条链之间通过氢键和碱基完全配对（A-T，G-C）形成双螺旋的二级结构，一般是右手螺旋，也有左手螺旋。RNA是单链分子，分子内部的不同部位（有的近距离，也有远距离）能够通过碱基发生配对（A-U，G-C和G-U），形成既有单链，又有双链的RNA二级结构，RNA二级结构元件有：茎环（发夹）结构、内部环结构、分支环结构和中心环结构等。2.从已经揭示的人类基因组结构有何特点？答：人类细胞有23对染色体，单倍体基因组大约有3×109碱基对。3.原核生物与真核生物mRNA有何特点？答：原核生物以操纵子为转录单位，产生顺反子mRNA，即一条mRNA链上有多个编码区，5ˊ端和3ˊ端各有一段非翻译区（UTR）。原核生物mRNA，包括噬菌体RNA，都无修饰碱基。真核生物的mRNA都是单顺反子，5ˊ端有帽子（cap）结构，然后依次是5ˊ非编码区、编码区、3ˊ非编码区、3ˊ端为聚腺苷酸（poly(A)）尾巴，其分子内有时还有极少甲基化的碱基。4.DNA双螺旋结构类型有那些基本要点？这些特点能解释哪些基本的生命现象？答：DNA双螺旋结构模型的基本要点有：（1）两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴相互缠绕，两条链均为右手螺旋。（2）嘌呤与嘧啶位于双螺旋的内侧，磷酸与核糖在外侧，彼此通过3’,5’-磷酸二酯键相连接，形成DNA分子的骨架，碱基平面与纵轴垂直，糖环平面则与纵轴平行。多核苷酸链的方向取决于核苷酸间磷酸二酯键的走向，习惯上以C3’-C5’为正向。两条链配对偏向一侧，形成一条大购和一条小沟。（3）双螺旋的平均直径为2nm，两个相邻的碱基对之间的高度，即碱基堆积距离为0.34nm，两个核苷酸之间的夹角为36°，沿中心轴每旋转一周有10个核苷酸，每一转的高度（即螺距）为3.4nm。（4）两条核苷酸依靠彼此碱基之间形成的氢键相联系而结合在一起。（5）碱基在一条链上的排列顺序不受任何限制。但根据碱基配对原则，当一条多核苷酸链的序列彼此确定后，即可决定另一互补的序列。解释生命活动：双螺旋DNA是储存遗传信息的分子，通过半保留复制，储存遗传信息，通过转录和翻译表达出生命活动所需信息（蛋白质和酶）。5．应用DNA晶体X射线衍射技术分析DNA对Watson-Crik模型有何修正？比较A-DNA、B-DNA、Z-DNA的主要特点。答：（1）Watson-Crick模型认为每一螺周含有10个碱基对，所以两个核苷酸之间夹角是36°。但在Dickerson的十二聚体中，两个碱基间的夹角可由28°至42°不等，实际平均每一螺周含10.4个碱基对。分子大小的各参数也随序列不同而有变动。（2）Dikerson所研究的十二聚体结构中，组成碱基对的两个碱基分布并非在同一平面上，而是碱基对沿长轴旋转一定角度，从而使碱基对的形状像螺旋桨叶片的样子，故称螺旋桨状扭曲，这种结构可提高碱基堆积力，使DNA结构更稳定。A-DNA、B-DNA、Z-DNA的主要特点：A型B型Z型外形粗短适中细长螺旋方向右手右手左手螺旋直径2.55nm2.371.84nm碱基轴升0.23nm0.340.38nm14 碱基夹角32.7°34.6°60°(1)每圈碱基数1110.412螺距2.53nm3.54nm4.56轴心与碱基对不穿过碱基对穿过碱基对不穿过碱基对碱基倾角19°1°9°糖环折叠C3’内式C2’内式嘧啶C2’内式，嘌呤C3’内式糖苷键构象反式反式嘧啶反式，嘌呤顺式大沟很狭、很深很宽、较深平坦小沟很宽、浅狭、深较狭、很深(1)注：Z-DNA的嘌呤和嘧啶核苷酸交替出现顺反式，故以二个核苷酸为单位，转角为60°6.如果人体有1014个细胞，每一细胞DNA含量为6.4×109bp，试计算一下人体DNA的总长度为多少米？它相当于地球到太阳的距离（2.2×109km）之几倍？[2.2×1014km，100倍]解：6.4×109bp×0.34nm×1014个=2.2×1014m=2.2×1011km2.2×1011÷2.2×109km=100倍。7.何谓H-DNA？它有何生物学意义？答：当DNA的一段多聚嘧啶核苷酸或多聚嘧啶核苷酸组成镜像重复时，可折回产生H-DNA。由于这种结构形成分子内三螺旋时胞嘧啶需发生H+化，故称为H-DNA。H-DNA存在于基因调控区和其他重要区域，从而显示出它具有重要生物学意义。实验表明，启动子的S1核酸酶敏感区存在一些短的、同向或镜像重复的聚嘧啶-嘌呤区，该区域可以形成H-DNA，因而产生可被S1酶消化的单链结构。8.何谓Hoogsteen碱基对?它与Watson-Crick碱基对有何不同?答：Hoogsteen于1963年首先描述了三股螺旋螺旋结构。在三股螺旋中，通常是一条同型寡核苷酸与寡嘧啶核苷酸-寡嘌呤核苷酸双螺旋的大沟结合。第三股的碱基可与Watson-Crick碱基对中的嘌呤碱形成Hoogsteen配对。Hoogstecn模型，即第三个碱基以A或T与A=T碱基对中的A配对；G或C与G≡C碱基对中的G配对，C必须质子化，以提供与G的N7结合的氢键供体，并且它与G配对只形成两个氢键(图13-10)。9.病毒DNA有哪些种类?为什么病毒DNA的种类繁多、结构各异?答：动物病毒DNA通常是环状双链或线型双链。前者如乳头瘤病毒、多瘤病毒、杆状病毒和嗜肝DNA病毒等。后者如痘病毒、虹彩病毒、庖疹病毒和腺病毒的DNA。痘病毒nNA的末端很特别，是封闭的，形成突环〔loop)。微小病毒科的病毒，如小鼠微小病毒(Minutevirusofmice,MVM)，却是线型单链DNA(linearsingle-strandedDNA)，病毒粒子内正负链数量不同，末端常形成发夹结构。植物病毒基因组大多是RNA,DNA较少见。少数植物病毒DNA或是环状双链，或是环状单链。噬菌体DNA多数是线型双链，如λ噬菌体、T系列噬菌体，也有为环状双链如覆盖噬菌体PM2，或环状单链如微噬菌体φX174和丝杆噬菌体fd和M13。10.细菌拟核的主要结构特点是什么?答：拟核(nucleoid)约占细胞体积的三分之一，在细胞内紧密缠绕形成致密的小体。细菌的基因组为双链环状DNA，其上结合碱性蛋自和少量RNA,组成许多突一环(图13-15)。其DNA分子长度大约是其菌体长度的1000倍，所以必须以一定的组织结构压缩在细胞内。11.DNA绕在组蛋白八聚体核心构成一个核小体，其△L0平均为-1.2，核小体链并无扭曲张力，为什么?试计算此DNA的超螺旋密度(每圈碱基对按10计算)。[λ=0.06]解：每个核小体重复单位DNA约占200bp，L0=200/10=20，λ=△L0/L0=0.0614