王鏡巖生物化學筆記(整理版)

1、第一章第一章蛋白質化學蛋白質化學教學目標：教學目標：1.掌握蛋白質的概念、重要性和分子組成。2.掌握α氨基酸的結構通式和20種氨基酸的名稱、符號、結構、分類；掌握氨基酸的重要性質；熟悉肽和活性肽的概念。3.掌握蛋白質的一、二、三、四級結構的特點及其重要化學鍵。4.了解蛋白質結構與功能間的關系。5.熟悉蛋白質的重要性質和分類導入：100年前，恩格斯指出“蛋白體是生命的存在形式”；今天人們如何認識蛋白質的概念和重要性？1839年荷蘭化學家馬

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

3、)在1960年測定血紅蛋白和肌紅蛋白的晶體結構。1965年，我國生化學者首先合成了具有生物活性的蛋白質——胰島素（insulin）。蛋白質是由Lα氨基酸通過肽鍵縮合而成的，具有較穩(wěn)定的構象和一定生物功能的生物大分子（biomacromolecule）。蛋白質是生命活動所依賴的物質基礎，是生物體中含量最豐富的大分子。單細胞的大腸桿菌含有3000多種蛋白質，而人體有10萬種以上結構和功能各異的蛋白質，人體干重的45%是蛋白質。生命是物質運動

4、的高級形式，是通過蛋白質的多種功能來實現(xiàn)的。新陳代謝的所有的化學反應幾乎都是在酶的催化下進行的，已發(fā)現(xiàn)的酶絕大多數(shù)是蛋白質。生命活動所需要的許多小分子物質和離子，它們的運輸由蛋白質來完成。生物的運動、生物體的防御體系離不開蛋白質。蛋白質在遺傳信息的控制、細胞膜的通透性，以及高等動物的記憶、識別機構等方面都起著重要的作用。隨著蛋白質工程和蛋白質組學的興起和發(fā)展，人們對蛋白質的結構與功能的認識越來越深刻。第一節(jié)第一節(jié)蛋白質的分子組成蛋白質的

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

6、為游離氨基酸（aminoacid），即蛋白質組成單體或構件分子。存在于自然界中的氨基酸有300余種，但合成蛋白質的氨基酸僅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）氨基酸的結構通式組成蛋白質的20種氨基酸有共同的結構特點：1氨基連接在αC上，屬于α氨基酸（脯氨酸為α亞氨基酸）。2R是側鏈，除甘氨酸外都含手性C，有D型和L型兩種立體異構體。天然蛋白質中的氨基酸都是L型。注意：構型

7、是指分子中各原子的特定空間排布，其變化要求共價鍵的斷裂和重新形成。旋光性是異構體的光學活性，是使偏振光平面向左或向右旋轉的性質，（）表示左旋，（）表示右旋。構型與旋光性沒有直接對應關系。（二）氨基酸的分類1按R基的化學結構分為脂肪族、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），前兩個為酸性氨基酸，后三個是堿性氨基酸。蛋白質分子中的胱氨酸是兩個半胱氨酸脫氫后以二硫鍵結合而成

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加工修飾而成。酶水解將蛋白質裂解成大小不同的肽段，測出它們的序列，對照不同水解制成的兩套肽段，找出重疊片段，最后推斷蛋白質的完整序列。重組DNA法是基于分子克隆的分子生物學方法，比較簡單而高效，不必先純化該種蛋白質，而是先要得到編碼該種蛋白質的基因（DNA片段），測定DNA中核苷酸的序列，再按三個核苷酸編碼一個氨基酸的原則推測蛋白質的完整序列。這兩種方法可以相互印證和補充。

10、目前，國際互聯(lián)網(wǎng)蛋白質數(shù)據(jù)庫已有3千多種一級結構清楚。蛋白質一級結構是空間結構和特異生物學功能的基礎。二、蛋白質的二級結構（secondarystructure）蛋白質的二級結構是指其分子中主鏈原子的局部空間排列，是主鏈構象（不包括側鏈R基團）。構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，構象不同于構型，一個蛋白質的構象在不破壞共價鍵情況下是可以改變的。但是蛋白質中任一氨基酸殘基的實際構象自由度是非常有限的，在生理

11、條件下，每種蛋白質似乎是呈現(xiàn)出稱為天然構象的單一穩(wěn)定形狀。20世紀30年代末，L.Panling和R.B.Cey應用X射線衍射分析測定了一些氨基酸和寡肽的晶體結構，獲得了一組標準鍵長和鍵角，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鍵長為0.132nm，比相鄰的單鍵（0

12、.147nm）短，而較C=N雙鍵（0.128nm）長，有部分雙鍵的性質，不能自由旋轉。肽鍵平面上各原子呈順反異構關系，肽鍵平面上的O、H以及2個α碳原子為反式構型（transconfiguration）。主鏈中的Cα—C和Cα—N單鍵可以旋轉，其旋轉角φ、ψ決定了兩個相鄰的肽鍵平面相對關系。由于肽鍵平面的相對旋轉，使主鏈可以以非常多的構象出現(xiàn)。事實上，肽鏈在構象上受到很大限制，因為主鏈上有13不能自由旋轉的肽鍵，另外主鏈上有很多側鏈R的

13、影響。蛋白質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α碳原子的相對旋轉形成的一種緊密螺旋盤繞，是有周期的一種主鏈構象。其特點是：①螺旋每轉一圈上升3.6個氨基酸殘基，螺距約0.54nm（每個殘基上升0.15nm，旋轉100O）。②相鄰的螺圈之間形成鏈內氫鍵，氫鍵的取向幾乎與中心軸平行。典型α螺旋一對氫鍵O與N之間共有13個原子（3.613），前后間隔3個殘基。③螺旋的走向絕大部分是右手螺旋，殘基側

14、鏈伸向外側。R基團的大小、荷電狀態(tài)及形狀均對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伸展的周期性結構。①相鄰肽鍵平面間折疊成110O角，呈鋸齒狀。②兩個以上具β折疊的肽鏈或同一肽鏈內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逆向平行的片層結構比順向平行的穩(wěn)定。α螺旋和β折疊是蛋白質二級結構的主要形式。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構不同于一般的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轉角。其處由4個連續(xù)的氨基酸殘基構成，常有Gly和Pro存在，穩(wěn)定β轉角的作用力是第一個氨基酸殘基羰基氧（O）與第四個氨基酸殘基的氨基氫（H）之間形成的氫鍵。β轉角常見于連接反平行β折疊片的端頭。5

16、無規(guī)卷曲（romcoil）多肽鏈的主鏈呈現(xiàn)無確定規(guī)律的卷曲。典型球蛋白大約一半多肽鏈是這樣的構象。6超二級結構和結構域超二級結構和結構域是蛋白質二級至三級結構層次的一種過渡態(tài)構象。超二級結構指蛋白質中兩個或三個具有二級結構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，例如鈣結合蛋白質中的螺旋環(huán)螺旋模序及鋅指結構。結構域是球狀蛋白質的折疊單位，是在超二級結構基礎上進一步繞曲折疊有獨特構象

17、和部分生物學功能的結構。對于較小的蛋白質分子或亞基，結構域和三級結構是一個意思，即這些蛋白質是單結構域的；對于較大的蛋白質分子或亞基，多肽鏈往往由兩個或兩個以上的相對獨立的結構域締合成三級結構。三、蛋白質的三級結構（tertiarystructure）指一條多肽鏈中所有原子的整體排布，包括主鏈和側鏈。維系三級結構的作用力主要是次級鍵（疏水相互作用、靜電力、氫鍵等）。在序列中相隔較遠的氨基酸疏水側鏈相互靠近，形成“洞穴”或“口袋”狀結構，