王鏡巖生物化學(xué)筆記(整理版)

1、第一章第一章蛋白質(zhì)化學(xué)蛋白質(zhì)化學(xué)教學(xué)目標(biāo)：教學(xué)目標(biāo)：1.掌握蛋白質(zhì)的概念、重要性和分子組成。2.掌握α氨基酸的結(jié)構(gòu)通式和20種氨基酸的名稱、符號(hào)、結(jié)構(gòu)、分類；掌握氨基酸的重要性質(zhì)；熟悉肽和活性肽的概念。3.掌握蛋白質(zhì)的一、二、三、四級(jí)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其重要化學(xué)鍵。4.了解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能間的關(guān)系。5.熟悉蛋白質(zhì)的重要性質(zhì)和分類導(dǎo)入：100年前，恩格斯指出“蛋白體是生命的存在形式”；今天人們?nèi)绾握J(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)的概念和重要性？1839年荷蘭化學(xué)家馬

2、爾德（G.J.Mulder）研究了乳和蛋中的清蛋白并按瑞典化學(xué)家Berzelius的提議把提取的物質(zhì)命名為蛋白質(zhì)（Protein，源自希臘語(yǔ)，意指“第一重要的”）。德國(guó)化學(xué)家費(fèi)希爾(E.Fischer)研究了蛋白質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)，在1907年奠立蛋白質(zhì)化學(xué)。英國(guó)的鮑林(L.Pauling)在1951年推引出蛋白質(zhì)的螺旋；桑格(F.Sanger)在1953年測(cè)出胰島素的一級(jí)結(jié)構(gòu)。佩魯茨(M.F.Perutz)和肯德魯(J.C.kendrew

3、)在1960年測(cè)定血紅蛋白和肌紅蛋白的晶體結(jié)構(gòu)。1965年，我國(guó)生化學(xué)者首先合成了具有生物活性的蛋白質(zhì)——胰島素（insulin）。蛋白質(zhì)是由Lα氨基酸通過(guò)肽鍵縮合而成的，具有較穩(wěn)定的構(gòu)象和一定生物功能的生物大分子（biomacromolecule）。蛋白質(zhì)是生命活動(dòng)所依賴的物質(zhì)基礎(chǔ)，是生物體中含量最豐富的大分子。單細(xì)胞的大腸桿菌含有3000多種蛋白質(zhì)，而人體有10萬(wàn)種以上結(jié)構(gòu)和功能各異的蛋白質(zhì)，人體干重的45%是蛋白質(zhì)。生命是物質(zhì)運(yùn)動(dòng)

4、的高級(jí)形式，是通過(guò)蛋白質(zhì)的多種功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。新陳代謝的所有的化學(xué)反應(yīng)幾乎都是在酶的催化下進(jìn)行的，已發(fā)現(xiàn)的酶絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)。生命活動(dòng)所需要的許多小分子物質(zhì)和離子，它們的運(yùn)輸由蛋白質(zhì)來(lái)完成。生物的運(yùn)動(dòng)、生物體的防御體系離不開蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)在遺傳信息的控制、細(xì)胞膜的通透性，以及高等動(dòng)物的記憶、識(shí)別機(jī)構(gòu)等方面都起著重要的作用。隨著蛋白質(zhì)工程和蛋白質(zhì)組學(xué)的興起和發(fā)展，人們對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的認(rèn)識(shí)越來(lái)越深刻。第一節(jié)第一節(jié)蛋白質(zhì)的分子組成蛋白質(zhì)的

5、分子組成一、蛋白質(zhì)的元素組成經(jīng)元素分析，主要有C（50%～55%）、H（6%～7%）、O（19%～24%）、N（13%～19%）、S（0%～4%）。有些蛋白質(zhì)還含微量的P、Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo、I等。各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16%。因此，可以用定氮法來(lái)推算樣品中蛋白質(zhì)的大致含量。每克樣品含氮克數(shù)6.25100=100g樣品中蛋白質(zhì)含量（g%）二、蛋白質(zhì)的基本組成單位——氨基酸蛋白質(zhì)在酸、堿或蛋白酶的作用下，最終水解

6、為游離氨基酸（aminoacid），即蛋白質(zhì)組成單體或構(gòu)件分子。存在于自然界中的氨基酸有300余種，但合成蛋白質(zhì)的氨基酸僅20種（稱編碼氨基酸），最先發(fā)現(xiàn)的是天門冬氨酸（1806年），最后鑒定的是蘇氨酸（1938年）。（一）氨基酸的結(jié)構(gòu)通式組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸有共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：1氨基連接在αC上，屬于α氨基酸（脯氨酸為α亞氨基酸）。2R是側(cè)鏈，除甘氨酸外都含手性C，有D型和L型兩種立體異構(gòu)體。天然蛋白質(zhì)中的氨基酸都是L型。注意：構(gòu)型

7、是指分子中各原子的特定空間排布，其變化要求共價(jià)鍵的斷裂和重新形成。旋光性是異構(gòu)體的光學(xué)活性，是使偏振光平面向左或向右旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)，（）表示左旋，（）表示右旋。構(gòu)型與旋光性沒(méi)有直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。（二）氨基酸的分類1按R基的化學(xué)結(jié)構(gòu)分為脂肪族、芳香族、雜環(huán)、雜環(huán)亞氨基酸四類。2按R基的極性和在中性溶液的解離狀態(tài)分為非極性氨基酸、極性不帶電荷、極性帶負(fù)電荷或帶正電荷的四類。帶有非極性R（烴基、甲硫基、吲哚環(huán)等，共9種）：甘（Gly）、丙（Ala）、

8、纈（Val）、亮（Leu）、異亮（Ile）、苯丙（Phe）、甲硫（Met）、脯（Pro）、色（Trp）帶有不可解離的極性R（羥基、巰基、酰胺基等，共6種）：絲（Ser）、蘇（Thr）、天胺（Asn）、谷胺（Gln）、酪（Tyr）、半（Cys）帶有可解離的極性R基（共5種）：天（Asp）、谷（Glu）、賴（Lys）、精（Arg）、組（His），前兩個(gè)為酸性氨基酸，后三個(gè)是堿性氨基酸。蛋白質(zhì)分子中的胱氨酸是兩個(gè)半胱氨酸脫氫后以二硫鍵結(jié)合而成

9、，膠原蛋白中的羥脯氨酸、羥賴氨酸，凝血酶原中的羧基谷氨酸是蛋白質(zhì)加工修飾而成。酶水解將蛋白質(zhì)裂解成大小不同的肽段，測(cè)出它們的序列，對(duì)照不同水解制成的兩套肽段，找出重疊片段，最后推斷蛋白質(zhì)的完整序列。重組DNA法是基于分子克隆的分子生物學(xué)方法，比較簡(jiǎn)單而高效，不必先純化該種蛋白質(zhì)，而是先要得到編碼該種蛋白質(zhì)的基因（DNA片段），測(cè)定DNA中核苷酸的序列，再按三個(gè)核苷酸編碼一個(gè)氨基酸的原則推測(cè)蛋白質(zhì)的完整序列。這兩種方法可以相互印證和補(bǔ)充。

10、目前，國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(kù)已有3千多種一級(jí)結(jié)構(gòu)清楚。蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。二、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)（secondarystructure）蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指其分子中主鏈原子的局部空間排列，是主鏈構(gòu)象（不包括側(cè)鏈R基團(tuán)）。構(gòu)象是分子中原子的空間排列，但這些原子的排列取決于它們繞鍵的旋轉(zhuǎn)，構(gòu)象不同于構(gòu)型，一個(gè)蛋白質(zhì)的構(gòu)象在不破壞共價(jià)鍵情況下是可以改變的。但是蛋白質(zhì)中任一氨基酸殘基的實(shí)際構(gòu)象自由度是非常有限的，在生理

11、條件下，每種蛋白質(zhì)似乎是呈現(xiàn)出稱為天然構(gòu)象的單一穩(wěn)定形狀。20世紀(jì)30年代末，L.Panling和R.B.Cey應(yīng)用X射線衍射分析測(cè)定了一些氨基酸和寡肽的晶體結(jié)構(gòu)，獲得了一組標(biāo)準(zhǔn)鍵長(zhǎng)和鍵角，提出了肽單元（peptideunit）的概念還提出了兩種主鏈原子的局部空間排列的分子模型（α螺旋）和（β折疊）。1肽單位肽鍵及其兩端的αC共6個(gè)原子處于同一平面上，組成了肽單位（所在的平面稱肽鍵平面）。肽鍵C—N鍵長(zhǎng)為0.132nm，比相鄰的單鍵（0

12、.147nm）短，而較C=N雙鍵（0.128nm）長(zhǎng)，有部分雙鍵的性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。肽鍵平面上各原子呈順?lè)串悩?gòu)關(guān)系，肽鍵平面上的O、H以及2個(gè)α碳原子為反式構(gòu)型（transconfiguration）。主鏈中的Cα—C和Cα—N單鍵可以旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角φ、ψ決定了兩個(gè)相鄰的肽鍵平面相對(duì)關(guān)系。由于肽鍵平面的相對(duì)旋轉(zhuǎn)，使主鏈可以以非常多的構(gòu)象出現(xiàn)。事實(shí)上，肽鏈在構(gòu)象上受到很大限制，因?yàn)橹麈溕嫌?3不能自由旋轉(zhuǎn)的肽鍵，另外主鏈上有很多側(cè)鏈R的

13、影響。蛋白質(zhì)的主鏈骨架由許多肽鍵平面連接而成。2.α螺旋(αhelix)α螺旋是肽鍵平面通過(guò)α碳原子的相對(duì)旋轉(zhuǎn)形成的一種緊密螺旋盤繞，是有周期的一種主鏈構(gòu)象。其特點(diǎn)是：①螺旋每轉(zhuǎn)一圈上升3.6個(gè)氨基酸殘基，螺距約0.54nm（每個(gè)殘基上升0.15nm，旋轉(zhuǎn)100O）。②相鄰的螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鍵，氫鍵的取向幾乎與中心軸平行。典型α螺旋一對(duì)氫鍵O與N之間共有13個(gè)原子（3.613），前后間隔3個(gè)殘基。③螺旋的走向絕大部分是右手螺旋，殘基側(cè)

14、鏈伸向外側(cè)。R基團(tuán)的大小、荷電狀態(tài)及形狀均對(duì)α螺旋的形成及穩(wěn)定有影響。3.β折疊(βpleatedsheet)β折疊是一種肽鏈相當(dāng)伸展的周期性結(jié)構(gòu)。①相鄰肽鍵平面間折疊成110O角，呈鋸齒狀。②兩個(gè)以上具β折疊的肽鏈或同一肽鏈內(nèi)不同肽段相互平行排列，形成β折疊片層，其穩(wěn)定因素是肽鏈間的氫鍵。③逆向平行的片層結(jié)構(gòu)比順向平行的穩(wěn)定。α螺旋和β折疊是蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式。毛發(fā)中的α角蛋白和蠶絲中的絲心蛋白是其典型，在許多球蛋白中也存在，但

15、所占比例不一樣。膠原蛋白中存在的螺旋結(jié)構(gòu)不同于一般的α螺旋，是由3條具有左手螺旋的鏈相互纏繞形成右手超螺旋分子。鏈間氫鍵以及螺旋和超螺旋的反向盤繞維持其穩(wěn)定性。4β轉(zhuǎn)角（βturn）為了緊緊折疊成球蛋白的緊密形狀，多肽鏈180O回折成發(fā)夾或β轉(zhuǎn)角。其處由4個(gè)連續(xù)的氨基酸殘基構(gòu)成，常有Gly和Pro存在，穩(wěn)定β轉(zhuǎn)角的作用力是第一個(gè)氨基酸殘基羰基氧（O）與第四個(gè)氨基酸殘基的氨基氫（H）之間形成的氫鍵。β轉(zhuǎn)角常見于連接反平行β折疊片的端頭。5

16、無(wú)規(guī)卷曲（romcoil）多肽鏈的主鏈呈現(xiàn)無(wú)確定規(guī)律的卷曲。典型球蛋白大約一半多肽鏈?zhǔn)沁@樣的構(gòu)象。6超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)二級(jí)至三級(jí)結(jié)構(gòu)層次的一種過(guò)渡態(tài)構(gòu)象。超二級(jí)結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)中兩個(gè)或三個(gè)具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的肽段在空間上相互接近，形成一特殊的組合體，又稱為模體（motif）。通常有αα，ββ，βαβ等，例如鈣結(jié)合蛋白質(zhì)中的螺旋環(huán)螺旋模序及鋅指結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)域是球狀蛋白質(zhì)的折疊單位，是在超二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步繞曲折疊有獨(dú)特構(gòu)象

17、和部分生物學(xué)功能的結(jié)構(gòu)。對(duì)于較小的蛋白質(zhì)分子或亞基，結(jié)構(gòu)域和三級(jí)結(jié)構(gòu)是一個(gè)意思，即這些蛋白質(zhì)是單結(jié)構(gòu)域的；對(duì)于較大的蛋白質(zhì)分子或亞基，多肽鏈往往由兩個(gè)或兩個(gè)以上的相對(duì)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)域締合成三級(jí)結(jié)構(gòu)。三、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)（tertiarystructure）指一條多肽鏈中所有原子的整體排布，包括主鏈和側(cè)鏈。維系三級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力主要是次級(jí)鍵（疏水相互作用、靜電力、氫鍵等）。在序列中相隔較遠(yuǎn)的氨基酸疏水側(cè)鏈相互靠近，形成“洞穴”或“口袋”狀結(jié)構(gòu)，