一、蛋白质结构与功能
二、核酸结构与功能
三、酶
四、糖代谢

本文总结自人卫社2023口腔执业医师资格考试-医学综合指导用书。

一、蛋白质结构与功能

1.氨基酸与多肽：
氨基酸是蛋白质的基本构成单位。天然氨基酸有20多种，基本结构是C原子上连接H、COOH、NH2和R基团（侧链基团），又称α-氨基酸，其有旋光异构现象，大多数为L-α-氨基酸，少数为D型。氨基酸可根据R基团分为5类：
（1）非极性脂肪族氨基酸：丙、缬、亮、异亮（R为脂肪烃），甘氨酸（R为1个H），脯氨酸（亚氨基酸，环状）。
（2）极性中性氨基酸：丝、苏（含羟基），谷氨酰胺、天冬酰胺（含酰胺），半胱、甲硫（含硫）。
（3）含芳香环氨基酸：酪、苯丙、色。
（4）碱性氨基酸：赖氨酸（R含ε氨基），精氨酸（R含胍基），组氨酸。
（5）酸性氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸（含2个羧基）。
两个氨基酸脱水通过酰胺键（——CO——NH——）连接为二肽，又称肽键。氨基酸形成肽链后称为氨基酸残基。多肽链中有自由NH2的一端称氨基末端或N端，有COOH的一端称羧基末端或C端，多肽链一般编号、命名都是从N端到C端。另外，两个半胱氨酸的巯基（——SH）可脱氢形成二硫键（——S——S——）。

2.蛋白质结构：
蛋白质可分为单纯蛋白质（仅氨基酸）和结合蛋白质（加非蛋白物质，即辅基，辅基与单纯蛋白质通过共价键连接）。
蛋白质包括4种结构：
（1）一级结构：从N端到C端的氨基酸排列顺序。肽键、二硫键是一级结构的基本结构键。一级结构决定了空间构象、生物学活性。
（2）二级结构：蛋白质中某一段肽链的局部空间结构，即多肽链骨架中不包括侧链的原子的局部空间排列。二级结构有α-螺旋、β-折叠、β-转角等，二级结构主要靠氢键维持。α-螺旋有3个特点：每3.6个氨基酸残基上升1圈，每个残基上升0.15nm，螺距为0.54nm；第一个肽平面羰基的O与第四个肽平面氨基的H形成氢键，方向基本平行于α-螺旋长轴，氢键弱但数量多；L-α-氨基酸导致右手螺旋，R基团在螺旋外侧。
β-折叠含5~8个残基，3个特点：锯齿状，R基团在外侧；羰基的O与亚氨基的H形成氢键，方向垂直于长轴；多个β-折叠可平行排列，包括同向、反向，反平行折叠更稳定。
β-转角在肽链180°转角处。
（3）三级结构：蛋白质中所有原子在三维空间的排布。比如含疏水基团的氨基酸残基，会排斥水分子而自然结合（一般在蛋白质内部），称为疏水键，是三级结构最主要的结合力。其他还有正负电荷形成的盐键，两个半胱氨酸之间的二硫键，和氢键、范德华力。
结构模体，指蛋白质的局部在二级结构基础上，在三维空间上互相接近形成的特殊空间结构，又称超二级结构，包括α-螺旋组合、β-折叠组合、α螺旋-β折叠组合、锌指结构、亮氨酸拉链等。
结构域，指大分子量的蛋白质形成了多个结构紧密的区域，可行使部分功能。结构域一般含100~200个残基。
肌红蛋白，153个残基构成的单肽链蛋白，疏水R基团位于分子内部，里面还有血红素辅基，Fe离子配位连组氨酸。
（4）四级结构：如果蛋白质由不止1条肽链组成，则每个有三级结构的肽链称亚基，亚基的空间排布、相互作用称为四级结构，作用力主要是氢键、离子键。亚基只有形成完整的四级结构才能发挥功能。
血红蛋白，含4个亚基（α2β2）、4个血红素辅基，四级结构含8个离子键，如果单独的亚基，和氧结合力强但难释放氧。
蛋白质的一级结构决定了高级结构，只有具有高级结构的蛋白质才能行使功能。

3.蛋白质结构与功能的关系：
（1）一级结构与功能：不同生物学功能的蛋白质，一级结构不同；一级结构相似的蛋白质，空间构象、功能相似。
镰状红细胞贫血：血红蛋白β亚基第6位谷氨酸变为缬氨酸，血红蛋白水溶性变差、相互黏着，红细胞变为镰刀状、易破碎。
现已知几乎所有遗传病都和蛋白质结构改变有关。
（2）高级结构与功能：只有具有高级结构才能有生物学功能。比如蛋白质的前体、酶原，可以通过一级结构或高级结构的形成而具有生物活性。
人血红蛋白（Hb）的4个亚基各可结合1个O2，第1个亚基结合O2后可促进第2、3个亚基结合O2，3个亚基都结合O2后可促进第4个亚基结合O2，这种效应称正协同效应。O2与Hb亚基结合后引起亚基构象变化，称别构效应（别构效应还见于一些酶发挥功能时），O2的角色是别构剂（又称效应剂），亚基是别构蛋白。
人肌红蛋白（Mb）的结构类似Hb的一个亚基，前文提到Hb单独一个亚基与O2易结合不易释放，Mb同理，其主要功能是贮存O2。
蛋白质的一级结构不变，高级结构错误，可引起一些疾病。比如蛋白质错误折叠后聚集、形成淀粉样沉淀、抗蛋白酶，这类疾病有阿尔茨海默病、亨廷顿舞蹈病、疯牛病、人纹状体脊髓变性病等。疯牛病，通过不含核酸的朊病毒传染，正常的PrP二级结构含多个α-螺旋，朊病毒的二级结构则为β折叠。

4.蛋白质的理化性质：
蛋白质有些理化性质和氨基酸相似，但也具有额外性质。
（1）等电点：蛋白质两端的氨基、羧基，和R基团的某些基团，在不同pH条件下可电离。当某一pH下，蛋白质解离为正负离子的趋势相同，净电荷为0，该pH称为该蛋白质的等电点pI。大于pI时蛋白质带负电，反之带正电。人体内大多数蛋白质pI在5.0左右，因此多解离为阴离子；含碱性或酸性氨基酸多的蛋白质，pI可发生变化。
（2）沉淀、变性：蛋白质从溶液析出称为沉淀。在体外，盐、重金属离子、生物碱、有机溶剂都可使蛋白质沉淀。
盐析一般用硫酸铵、硫酸钠、氯化钠，盐析法蛋白质不变性，常用于分离蛋白质。
重金属如Ag+、Hg2+、Pb2+等与蛋白质负离子结合为沉淀，临床重金属中毒可大量口服酪蛋白、白蛋白等，然后服用催吐剂。
生物碱试剂如硝酸、苦味酸等，与蛋白质的正离子结合。一般在血液化学分析时用于制备无蛋白的血滤液，或者检测尿蛋白。
有机溶剂如乙醇、丙酮，可与蛋白质争水、破坏蛋白质胶粒的水化膜、使蛋白质沉淀析出，常引起蛋白质变性，比如酒精消毒。低温、低浓度、短时间也可不变性，用于提取蛋白质。
蛋白质的高级结构破坏，理化性质改变、生物活性丧失，称为变性。变性主要发生二硫键、非共价键的改变。导致变性的物理因素有高温、高压、紫外线、X线、超声、振荡、搅拌等，化学因素如有机溶剂、重金属盐、强酸碱等。变性分为可逆性、不可逆性。
蛋白质结絮作用：蛋白质被强酸碱变性后可溶于强酸碱溶液，将溶液pH调至pI时蛋白质可形成絮状不溶物，称结絮。pH调回去，结絮的蛋白质又可再溶。
蛋白质凝固：结絮后再加热，絮状物变为较坚固的凝块，不可再溶。如鸡蛋煮熟，点豆腐。变性、凝固常相继发生，凝固可看作进一步的变性。

二、核酸结构与功能

1.核酸化学组成：基本单位是核苷酸，DNA中为脱氧核糖核苷酸，RNA是核糖核苷酸。核苷酸可水解为核苷、磷酸。
（1）碱基：分嘌呤和嘧啶。DNA中的碱基有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C），RNA则以尿嘧啶（U）代替胸腺嘧啶。除了这5种碱基，还有一些稀有碱基（又称修饰碱基），是这5种碱基的衍生物。碱基之间可形成氢键。
（2）戊糖：含5个C原子，分核糖、脱氧核糖2种。
（3）核苷：核苷酸水解的中间产物。
（4）核苷酸：核苷戊糖C-5-上的羟基与磷酸脱水形成磷酯键，生成核苷酸或脱氧核苷酸。人体内还有其他形式的核苷酸，比如腺苷酸，腺苷一磷酸AMP、ADP、ATP。AGCTU都有M/D/TP，统称为核苷X磷酸，比如核苷三磷酸写作NTP，4种NTP和4种dNTP是合成RNA、DNA的原料。
（5）核酸：核苷酸之间C-3的羟基连另一个的5-磷酸基团，缩合形成3,5-磷酸二酯键相连。多聚核苷酸链像多肽链一样分5端（游离磷酸基）和3端（游离羟基），新的核苷酸只能加到3端，因此DNA或RNA链的方向性是5->3。一般书写时从左到右，左边是5端。
核酸可分为RNA和DNA，核酸占细胞干重的5~15%。病毒含有RNA或DNA其中一种。真核细胞中，98%的DNA在细胞核中，剩下2%DNA主要在线粒体；90%RNA在胞质中，10%在胞核中。RNA可分为3大类，核糖体RNA（rRNA）、转运（tRNA）、信使（mRNA），以及snRNA、siRNA、microRNA等。

2.DNA的结构与功能：
1950年代，Chargaff总结出DNA的4条规律：
（1）数量上，A=T，G=C。
（2）不同生物的DNA碱基组成比例不同。
（3）同一生物体不同器官的DNA碱基组成相同。
（4）特定组织的DNA碱基组成一般不受年龄、营养、环境等影响。
DNA像蛋白质一样也有几种结构。DNA的一级结构是5->3端的排列顺序。DNA的二级结构是双螺旋（右手螺旋，碱基在内侧、通过氢键形成碱基对，A和T之间2个氢键、G和C3个，两个碱基对平面相距0.34nm，螺距3.54nm，每个螺距含10.5个碱基对。碱基堆积力是平行于DNA长轴的力，是维持二级结构的主要作用力）。DNA进一步盘曲形成三级结构，即超螺旋结构，真核生物的三级结构是DNA双链盘绕在组蛋白核心的结构表面形成核小体（核小体是染色质的基本组成单位），大量核小体连接成串珠状、再反复折叠形成染色单体，长度大大压缩。
DNA的基本功能是以基因的形式承载遗传信息。

3.DNA理化性质及应用：
（1）变性：一些理化因素可使碱基对之间的氢键断裂、DNA双链变单链，该过程称为DNA变性。DNA变性没有一级结构改变。DNA双链在260nm波长处有特征性光吸收，变性后在260nm处吸光度增强，称为增色效应。高温可导致DNA变性，该温度范围的中点称融解温度Tm，达到Tm时DNA中50%的双螺旋结构破坏，DNA的GC含量越高、分子越长、溶液离子浓度越高则Tm越大。
（2）复性：DNA变性可逆，复性后理化性质也恢复。
（3）核酸杂交：两条DNA链、DNA与RNA、RNA与RNA之间，如有碱基互补配对的序列，也可形成杂交双链。核酸杂交可用于确认核酸序列（核酸探针）。
（4）紫外光吸收：如前所述，核酸分子的碱基共轭双键对260nm波长光有特征吸收。

4.RNA结构与功能：
（1）mRNA：遗传信息从DNA抄录为RNA分子的过程称转录。转录的一种RNA可作为蛋白质生物合成的模板，即mRNA，占RNA总量的2~5%。mRNA的大小波动大，不稳定、代谢活跃。真核、原核生物的mRNA有一些不同之处。
真核生物mRNA结构特点：5端有特殊帽子结构，大部分情况下5端第一个核苷酸都是甲基化鸟嘌呤（7-甲基鸟苷），而且帽子和第二个核苷酸是5连5（不是3,5-磷酸二酯键）。帽子的作用是避免核酸酶从5端降解，以及在翻译中起作用；3端大部分有多聚腺苷酸尾巴（poly A），长度为80~250，尾巴生成没有DNA模板，尾巴和帽子共同负责mRNA从核到质转运、维持mRNA稳定、调控翻译；可能含修饰碱基（稀有碱基，主要形式是甲基化）；mRNA分编码区（从5端起第一个AUG起始密码子到随机终止密码子之间，又称可读框ORF）、非编码区UTR（两端，分别为5UTR和3UTR，5UTR含翻译起始信号，3UTR含丰富AU序列、可能与mRNA不稳定有关）。
原核生物mRNA特点：一般无帽子、尾巴、修饰碱基；常为多顺反子（一个mRNA含几个基因的信息），因此编码区的序列之间还有间隔序列。
（2）tRNA：作用是按mRNA指定的蛋白质顺序将氨基酸运送到核糖体，即氨基酸的载体。每种氨基酸至少有1种tRNA，有的氨基酸有对应多种tRNA。tRNA占RNA总量15%，特征如下：
单链小分子，74~95个核苷酸；稀有碱基多，常甲基化（甲基化可防止碱基对形成、赋予疏水性）；5端磷酸化，一般是pG；3端是CpCpA-OH，氨基酸将结合到3端羟基上以被转运；约半数碱基形成碱基对、形成双螺旋，所以tRNA也有二级结构，类似三叶草，含环、臂各4个，环分别称二氢尿嘧啶环（DHU）、可变环（又称附加叉）、TψC环、反密码环（7~9个碱基，中间3个反密码子）；三级结构为倒L形。
（3）rRNA：与核糖体蛋白质共同构成核糖体，占RNA总量80%以上。原核生物的核糖体很相似，由沉降系数50S、30S两个亚基构成70S的核糖体；真核生物的核糖体比原核生物大得多，40S+60S=80S。
（4）其他RNA：snRNA、miRNA等。

三、酶

1.酶的催化作用：
酶的本质为蛋白质，所以酶可分为单纯蛋白（少数）和结合蛋白（大多数），结合蛋白酶中分为酶蛋白和辅因子（金属离子或有机化合物，后者称辅酶），酶蛋白和辅因子结合才有活性，若辅因子与酶蛋白以共价键紧密结合，则称辅基（辅基难以分离出来）。酶蛋白种类很多、辅酶种类却很少，因此一种辅酶常可与多种酶蛋白结合。
酶中只有一小部分基团和催化直接相关。酶中与酶活性有关的化学基团称必需基团，一些必需基团在空间上形成特定结构、是酶发挥催化作用的关键部位，称活性中心（必需基团也分活性中心内外），辅酶也常参与构成活性中心。活性中心常依赖于蛋白质的高级结构。
酶促反应有如下特点：
首先是催化剂的共同规律，即不能新生反应，不能改变反应平衡点，反应前后质量不变。
极高催化效率，比一般催化剂效率高10^6~10^12倍，催化是通过降低反应所需活化能实现的。
高度特异性，一般催化剂可催化同类型的多种反应，比如H+催化蛋白质、脂肪、淀粉水解，但酶只对一种或一类化合物，催化一种类型的反应，得到一定产物，比如绝对特异（脲酶对尿素有作用，对甲基尿素无用），相对特异（磷酸酶对多种磷酸酯键），立体异构特异（参与氨基酸代谢的只对L-氨基酸有作用，对D-型无作用）。
可调节性，酶促反应受多种因素调节。
不稳定性，酶是蛋白质，所以不稳定。
2.辅酶因子：
一些酶有辅因子，辅因子可分有机化合物（辅酶）和金属离子。一些酶也可含多种辅因子。
许多维生素可参与构成辅酶。辅酶主要作为电子、质子、基团的运载体。
金属离子和含金属离子的有机化合物都可作为辅因子。金属离子作辅因子的酶可分2类，一种是金属全程与酶蛋白结合紧密，另一种是结合不紧密、反应过程中金属离子起活化酶的作用。
3.酶促反应动力学：
Km和Vmax：用底物浓度[S]和反应速度v作图，从S=0开始，一开始S增加v也快速增加，然后v增加趋势缓和、达到最大反应速度即Vmax，当v=1/2Vmax时的底物浓度为Km，即米氏常数，是酶的特征性常数（可区分同工酶）。另外还有米氏方程，即v=Vmax[S]/(Km+[S])，但是该方程不适用于所有酶促反应。
最适ph和温度：通常在某一pH时酶活性最大，即酶的最适pH。在某一温度时酶活性最大，也即酶的最适温度。通常来说，pH或温度与反应速度的图像只有一个高峰。
4.抑制剂与激活剂：
抑制剂：一些物质可在不使酶变性的前提下降低或减弱酶作用，称抑制剂I。抑制剂可分为不可逆抑制（与活性中心形成共价键结合）、可逆性抑制（与酶或中间产物可逆性结合），可逆性抑制分为3种：
（1）竞争性抑制：结构与底物类似，和底物竞争结合酶的活性中心。特点是底物浓度提升时可降低甚至解除抑制作用。Vmax几乎不变，Km增加。
（2）非竞争性抑制：与活性中心外的必需基团结合（与游离酶E或酶-底物复合物ES结合，或者酶-抑制剂复合物EI也可结合底物S），而不影响底物和酶的结合。此时Km不变，Vmax减小。
（3）反竞争性抑制：只与酶-底物复合物ES结合为废品ESI。Km、Vmax都减小（Km减小是因为ES可以转变为产物或ESI，实际上增加了S的消耗速度）。
激活剂：使酶的活性出现或增强的物质。多为金属阳离子，少数为阴离子，也有有机化合物。如前金属辅因子中提到，激活剂可分必需激活剂（没有激活剂就没有反应活性）和非必需激活剂（缺少激活剂也有一定反应活性）。
5.酶活性的调节：有4种调节方式。
（1）别构调节：一些小分子物质以非共价键与酶连接，影响酶的空间构象、活性，这种酶称别构酶。比如一条有多种中间产物、多种酶参与的代谢途径，中间的代谢产物就常可对别构酶进行别构调节。一般来说，代谢途径的第一个酶，和多条代谢途径交汇处的酶，多为别构酶。别构酶分为催化亚基、调节亚基，别构调节可激活可抑制。有别构调节的酶促反应动力学呈S形。
（2）化学修饰调节：一种酶在另一种酶催化下发生共价键变化、活性变化。多种化学修饰的酶可组合，形成级联放大效应。
（3）酶原激活：少部分酶合成后是无活性的酶原，在蛋白酶等作用下才有活性。比如胰腺合成的各种酶，糜蛋白酶原被胰蛋白酶中间切除两段肽段后才被激活。酶原激活可保护细胞本身的蛋白质，还可让酶在特定地点才发挥作用。
（4）同工酶：有相同功能，但分子结构、理化性质、免疫学性质不同的一组酶（前文提到可通过Km区分）。同工酶在体内的分布、含量可有不同。

四、糖代谢

糖类是多羟基醛酮。
1.糖的分解代谢：
（1）糖酵解：即1葡萄糖在胞质中裂解为2丙酮酸的过程。糖酵解是葡糖有氧、无氧氧化的共同起始。糖酵解可分为2个阶段：
第一阶段：磷酸丙糖的生成。
葡糖 磷酸化 -> 葡糖-6-磷酸，酶为 己糖激酶或肝内的葡糖激酶 ，ATP提供磷酸基、能量，不可逆反应
葡糖-6-磷酸 -> 果糖-6-磷酸，可逆
果糖-6-磷酸 -> 果糖-1,6-双磷酸，酶为 磷酸果糖激酶-1 ，不可逆。第二次磷酸化
果糖-1,6-双磷酸 -> 磷酸二羟丙酮 和 甘油醛-3-磷酸（2分子产物，可互变），可逆
第二阶段：丙酮酸的生成。
甘油醛-3-磷酸 氧化 -> 1,3二磷酸甘油酸（含一个高能磷酸键）和 NADH+H+
1,3-二磷酸甘油酸 -> 甘油酸-3-磷酸 和 ATP（底物水平的磷酸化作用，即底物的高能磷酸键转移给ADP得到ATP）
甘油酸-3-磷酸 -> 甘油酸-2-磷酸 ，可逆
甘油酸-2-磷酸 -> 磷酸烯醇式丙酮酸（含高能磷酸键） ，可逆
磷酸丙烯醇式丙酮酸 -> 丙酮酸 和 ATP ，酶为 丙酮酸激酶 ，不可逆

糖酵解的关键酶有 己糖激酶/葡糖激酶，磷酸果糖激酶-1，丙酮酸激酶 ，可起限速的作用。
（2）糖的无氧氧化：除了糖酵解的2步，还有一步。
第三阶段：丙酮酸还原为乳酸。
丙酮酸 和 NADH+H+ -> 乳酸 ，可逆

无氧氧化的意义在于氧缺乏时也可提供能量，1mol葡糖无氧氧化得到2molATP。
成熟红细胞无细胞器，完全通过无氧氧化提供能量。神经、骨髓、白细胞等代谢旺盛的细胞，无氧氧化常作为补充。
（3）糖的有氧氧化：彻底氧化，最终得到H2O、CO2。在糖酵解的基础上可分为三步。
第四阶段：
NADH+H+ 和 O2 -> H2O 和 ATP ，场所在线粒体
第五阶段：

第六阶段：