第二章 生物大分子結構及性質

第二章

生物分子的結構及性質1

在生物體內與金屬配位并具有生物功能的配體稱為生物配體。

大分子配體：分子量從幾千到數(shù)百萬，為蛋白質、多糖、核酸等。

小分子配體：氨基酸、羧酸、卟啉、咕啉等。生物配體與金屬結合一般遵循軟硬酸堿規(guī)則。

2第一節(jié)氨基酸

氨基酸(aminoacid)是蛋白質(protein)的基本結構單位。構成蛋白質的氨基酸僅有20種。在這20氨基酸中，除脯氨酸外，其余19種氨基酸在結構上的共同點是與羧基相鄰的α碳原子上都有一個氨基，因此稱為α—氨基酸。

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一、氨基酸的分類

α—氨基酸1.含非極性、脂肪族側鏈2.含極性、不帶電荷側鏈3.含芳香族側鏈4.含負電荷側鏈4

除甘氨酸外（氨基乙酸），α—氨基酸的α—碳原子都是不對稱碳原子，因此有立體異構。二、氨基酸的立體異構5

實驗表明，氨基酸以偶極離子或稱兩性離子+H3N―CHR―COO-的形式存在（在等電點時）。氨基酸的兩性離子在水溶液中有如下平衡：

正離子兩性離子負離子

三、氨基酸的酸堿性6半胱氨酸的巰基組氨酸的咪唑基谷氨酸和天冬氨酸的羧基酪氨酸的苯酚基蛋氨酸的甲硫基氨基酸中參與和金屬離子配位的主要基團包括：7第二節(jié)蛋白質

蛋白質是動物、植物和微生物細胞中最重要的有機物質之一。除含有C、H、O和N外，還含有S和P，有些蛋白質還含有Fe、Zn、Cu、Mn和I。

由于蛋白質在幾乎所有的生物過程中起著極其重要的作用，因此，研究蛋白質的結構與功能的關系是從分子水平認識生命現(xiàn)象的一個重要方面。8

一、蛋白質的分類

簡單的化合物通常按結構分類。蛋白質結構極為復雜，且種類成千上萬種，測定困難，因此無法按結構分類，只能按分子形狀、組成來分類。1.按分子形狀和大?。呵驙畹鞍祝╣lobularprotein）纖維狀蛋白（fibrousprotein）膜蛋白（membraneprotein）9

2.按化學組成：

簡單蛋白（simpleprotein）和結合蛋白（conjugatedprotein）。簡單蛋白只由氨基酸組成，如卵清蛋白、胰島素。結合蛋白由單純蛋白質與非蛋白物質結合而成（結合蛋白=單純蛋白質+非蛋白），如血紅蛋白。非蛋白質部分稱為輔基。10

二、蛋白質的組成

簡單蛋白質由α—氨基酸組成，氨基酸聯(lián)接的基本方式是彼此以肽鍵結合成肽鏈，再由一條或多條肽鏈按各種特殊方式組合成蛋白質分子。

（甘氨酸）（丙氨酸）（甘氨酰丙氨酸）11

肽鏈中的氨基酸分子已不是原來的氨基酸分子，因此稱為氨基酸殘基（reside）。少于10個殘基的肽稱為寡肽，超過10個殘基的肽稱為多肽。肽鏈中帶自由氨基的一端稱為氨基末端或N—末端，帶自由羧基的一端稱為羧基末端或C—末端。12N—末端

C—末端13

肽鏈的主干稱為主鏈（backbone）,肽鏈上各殘基的R基稱為側鏈（sidechain）。肽鏈有開鏈與環(huán)狀之分。在蛋白質分子和多肽分子中，連接氨基酸殘基的共價鍵除肽鍵之外，較常見的還有二硫鍵。它可以使兩條肽鍵共價交聯(lián)（鏈間二硫鍵），或使一條肽鏈的某一部分成環(huán)（鏈內二硫鍵）。14

肽的命名通常以肽鏈的N—末端氨基酸殘基開始，按殘基出現(xiàn)順序逐一記載。習慣把N—末端寫在結構式的左側，C—末端寫在右側。丙氨酰甘氨酸

甘氨酰丙氨酸15含有3種不同殘基的三肽：A-B-C;A-C-B;C-A-B;C-B-A;B-A-C;B-C-A;

4種不同殘基的四肽有24種同分異構體

16蛋白質的一級結構是指肽鏈的數(shù)目、肽鏈中氨基酸的連接方式和排列順序以及二硫鍵的數(shù)目和位置。

三、蛋白質的一級結構17

四、蛋白質的二級結構

蛋白質分子的多肽鏈并非呈直線型伸張，而是盤曲折疊成特有的空間構象。蛋白質的二級結構是指多肽鏈盤曲折疊的方式，目前公認的二級結構主要是α-螺旋結構，其次為β-折疊結構。它們都是由Pauling學派提出來的。氫鍵對于維持二級結構有主要意義。181、α-螺旋結構Pauling設計了α-螺旋模型，在α-螺旋結構中，氨基酸殘基繞螺旋軸盤旋上升。相鄰兩個殘基的旋轉角為100°，軸心距148pm，每隔3.6個殘基旋轉一圈（360°），螺旋上升一圈相當于平移533pm，相鄰螺圈之間形成鏈內氫鍵。19

2．β-折疊結構

Pauling等提出另一種結構β-折疊結構。在β-折疊結構中，各條肽鏈的長軸平行，相鄰肽鏈間借助氫鍵連成片狀結構。20五、蛋白質的三級和四級結構

1．三級結構-----肽鏈進一步折疊，指一條肽鏈完整折疊后形成的構象。

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2．四級結構------各亞基（肽鏈）在天然蛋白質中的排列方式蛋白質由兩條多肽鏈構成，這些肽鏈稱為蛋白質的亞基。每條肽鏈均有一、二及三級結構，相互以非共價鍵（結合）連結。四級結構就是各個亞基（各條肽鏈）在蛋白質的天然構象中的排列方式。

22血紅蛋白分子結構血紅蛋白分子的晶體結構示意圖23

六、蛋白質的性質

1、蛋白質的膠體性質

蛋白質的相對分子質量很大，在水中形成膠體溶液，不能穿過半透膜，透析就是利用蛋白質的這種性質，使蛋白質與無機鹽、單糖（monose）等小分子分離。24

2、蛋白質的兩性解離與等電點

與氨基酸一樣，蛋白質也有酸性和堿性解離及等電點。蛋白質含氨基酸殘基很多，解離情況復雜。用通式表示：25蛋白質作為兩性電解質，可與定量酸或堿作用生成鹽，如蛋白質鹽酸鹽（兩性離子+HCl）

蛋白質鈉鹽（兩性離子+NaOH）26

天然蛋白質受到外界（物理、化學）因素的影響，使氫鍵等非共價鍵受到破壞，肽鏈高度規(guī)則的排列方式變?yōu)殡s亂松散的方式，部分或全部失去原有的理化性質和生理活性，這種作用稱為蛋白質的變性作用。

3、蛋白質的變性作用27七、金屬蛋白分類1.催化功能2.運輸功能3.營養(yǎng)儲存功能4.結構功能5.防御功能6.調控功能28一、核酸的元素組成組成核酸的基本元素：C、H、O、N、P；其中P的含量比較穩(wěn)定，占9%-10%，通過測定P的含量來推算核酸的含量（定磷法）。DNA平均含磷量為9.9%，RNA為9.4%。任何核酸都含磷酸，所以核酸呈酸性。第三節(jié)核酸29二、核酸的基本組成單位-核苷酸戊糖堿基核苷磷酸核苷酸低聚核苷酸核酸30三、戊糖結構組成核酸的戊糖有兩種，DNA所含的糖為脫氧核糖；RNA所含的糖則為核糖。31四、核苷結構糖與堿基之間的C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵。1’1’1’1’991132核苷的種類DNA中的脫氧核苷：dA、dG、dC、dT；RNA中的核苷：A、G、C、U。331）核苷酸結構5’5’3’3’磷酸與核苷5’位-OH脫水形成磷酸酯鍵五、核苷酸342）核苷酸種類RNA中含有腺苷酸AMP，鳥苷酸GMP，胞苷酸CMP，尿苷酸UMP，

DNA中含有脫氧腺苷酸dAMP脫氧鳥苷酸dGMP脫氧胞苷酸dCMP脫氧胸苷酸dTMP35六、核酸的分子結構一、磷酸二酯鍵與多核苷酸鏈二、DNA的分子結構三、RNA的分子結構

361、磷酸二酯鍵RNADNA磷酸二酯鍵堿基堿基5’末端3’末端37多核苷酸鏈注意鏈的方向性3’末端5’末端DNA中多核苷酸鏈的一部分示意圖382、DNA的結構概念：DNA多核苷酸鏈中脫氧核苷酸的組成和排列順序為DNA一級結構。也可指DNA分子中堿基的順序。DNA的堿基順序本身就是遺傳信息存儲的分子形式。生物界物種的多樣性即寓于DNA分子中四種核苷酸千變萬化的不同排列組合之中。DNA的一級結構39DNA一級結構的表示方法5′PAPCPGPCPTPGPTPAOH3′

5′PACGCTGTAOH3′線條式縮寫字母式縮寫OH40Chargaff定則DNA堿基組成符合：A+G=T+C不對稱比率：A+T/G+C；物種不同，DNA堿基組成不同，物種親緣愈接近，堿基組成也愈接近，該比率越相近似。具有種的特異性，沒有器官和組織的特異性，年齡、營養(yǎng)狀況、環(huán)境的改變不影響DNA的堿基組成。41DNA的二級結構Watson和Crick于1953年提出了DNA雙螺旋結構模型，說明了DNA的二級結構。42DNA雙螺旋結構模型要點（1）螺旋中的兩條鏈反向平行，即其中一條鏈的方向為5′→3′，而另一條鏈的方向為3′→5′，兩條鏈共同圍繞一個假想的中心軸呈右手雙螺旋結構。43DNA雙螺旋結構模型要點（2）疏水的堿基位于雙螺旋的內側，親水的磷酸和脫氧核糖基位于螺旋外側。堿基平面與螺旋軸垂直，脫氧核糖平面與螺旋軸平行。由于幾何形狀的限制，堿基對只能由嘌呤和嘧啶配對，即A與T，G與C。這種配對關系，稱為堿基互補。A和T之間形成兩個氫鍵，G與C之間形成三個氫鍵。44堿基間的氫鍵配對情況45DNA雙螺旋結構模型要點（3）由于堿基對排列的方向性，使得堿基對占據(jù)的空間是不對稱的，因此，在雙螺旋的表面形成大小兩個凹槽，分別稱為大溝和小溝，二者交替出現(xiàn)。2.0nm小溝大溝46DNA雙螺旋結構模型要點（4）雙螺旋橫截面的直徑約為2nm，相鄰兩個堿基平面之間的距離（軸距）為0.34nm，每10個核苷酸形成一個螺旋，其螺距（即螺旋旋轉一圈）的高度）為3.4nm。47DNA雙螺旋結構模型要點（5）兩條鏈借堿基之間的氫鍵和堿基堆積力（即堿基之間的范德華力）牢固的連接起來，維持DNA雙螺旋的三維結構。兩條鏈是互補關系。48DNA雙螺旋結構三種主要類型49DNA的三級結構---超螺旋超螺旋是指雙螺旋進一步扭曲或再螺旋的構象正超螺旋（變緊）和負超螺旋（變松）人類46條染色體的DNA總長可達1.7m，經(jīng)過螺旋化壓縮，實際總長只有200nm50堿基組成：A、G、C、U；多為單鏈結構，少數(shù)局部形成螺旋（發(fā)夾結構）；分子較小。3、RNA的分子結構511）RNA分子的一級結構特點

RNA分子都是單鏈，是由核苷酸以磷酸二酯鍵相連形成的長而無分枝的大分子，其一級結構是直線形。522）RNA的二級結構特點533)RNA的三級結構--倒L型

指RNA的二級結構通過進一步扭曲折疊形成548、金屬-核酸配合物配位能力：堿基>磷酸基>戊糖環(huán)上的羥基較硬金屬離子（Ca2+Mg2+Ln3+）---磷酸基（O）過渡金屬離子---堿基（N,O）軟硬度居中的金屬離子（Cu2+）---既能與磷酸基成鍵，同時能與堿基配位。55小測驗（單選）蛋白質分子中氨基酸連接的基本方式是

（）A.肽鍵

B.氫鍵

C.二硫鍵

D.范德華力

A56氨基酸中參與和金屬離子配位的主要基團不包括

（）A.半胱氨酸巰基

B.脯氨酸次甲基

C.組氨酸咪唑基D.蛋氨酸甲硫基

B57含芳香族側鏈的氨基酸，不包括

（）A.苯丙氨酸

B.色氨酸

C.酪氨酸D.谷氨酸

D58蛋白質的二級結構也稱為構象單元，常見的構象單元不包括

（）A.球形結構B.β折疊

C.α螺旋

D.β轉角

A591.DNA的核苷酸單體所含的糖是核糖，RNA所含的是脫氧核糖。

（）2.生物無機化學的主體部分由金屬元素的配位化合物所構成。在生命體系中，金屬中心常常被給電子的配體所“包圍”。（）3.氨基酸是蛋白質的基本結構單元，已發(fā)現(xiàn)的自然中存在的氨基酸有100多種，但參與組成蛋白質的氨基酸卻只有20種，稱為必需氨基酸。

（）×判斷√√60第四節(jié)其他生物分子61輔酶是一類可以將化學基團從一個酶轉移到另一個酶上的有機小分子，與酶較為松散地結合，對于特定酶的活性發(fā)揮是必要的。有許多維他命及其衍生物，如核黃素、硫胺素和葉酸，都屬于輔酶。不同的輔酶能夠攜帶的化學基團也不同：NAD+或NADP+攜帶氫離子，輔酶A攜帶乙?；?，葉酸攜帶甲?；?，S-腺苷基蛋氨酸也可攜帶甲?；］o酶62輔基酶的輔因子或結合蛋白質的非蛋白部分（其中較小的非蛋白質部分稱輔基），與酶或蛋白質結合的非常緊密，用透析法不能除去。按照化學組成，酶可以分為簡單蛋白質和結合蛋白質兩大類。胃蛋白酶、核糖核酸酶等一般水解酶屬于簡單蛋白質，轉氨酶、乳酸脫氫酶及其他氧化還原酶等均屬于結合蛋白質。63一種含有一種或幾種金屬離子作為輔基的結合酶。金屬酶純化時仍保留著定量的功能金屬離子。按照金屬離子和酶蛋白結合的穩(wěn)定程度又可分為金屬酶和金屬激活酶兩類。在金屬酶中，它們牢固地結合在一起，金屬離子通常為活性中心。在金屬激活酶中，它們松散地結合，但金屬離子卻是酶活性的激活劑。金屬酶種類很多，以含鋅、鐵、銅的酶最多，如鐵金屬酶-細胞色素C。也有含鉬、錳等其他金屬離子的酶。例如細胞色素氧化酶除含有鐵離子還含有銅離子。金屬酶64各種酶的輔酶通常作用于金屬酶的活性中心，達到選擇性地結合底物、進行電子、原子或基團轉移的目的，對酶催化反應的性質和類型具有決定作用。65三磷酸腺苷的分子結構三磷酸腺苷（ATP）是體內廣泛存在的輔酶，是體內組織細胞所需能量的主要來源。三磷酸腺苷中磷脂基可以和一系列金屬離子，尤其是硬金屬離子結合。1.三磷酸腺苷662.環(huán)磷酸腺苷ATP經(jīng)腺苷酸環(huán)化酶催化形成環(huán)磷酸腺苷（cAMP）是細胞內的生物活性物質，對細胞的許多代謝過程都有著重要的調節(jié)作用。3,5-環(huán)磷酸腺苷焦磷酸67輔酶如NAD+、NADP+、FMN、FAD、CoASH的組成成分，參加細胞內的氧化還原反應和?；D移反應；GTP參與蛋白質合成，CDPG參與磷脂合成，ADPG、UDPG、GDPG、TDPG參與糖原、淀粉、纖維素、果膠等合成；醫(yī)療中，ATP作為能源藥物用于心力衰竭急救，cAMP用于心肌梗死，阿拉伯糖苷有抗DNA病毒作用，用于抗癌。核苷酸的其他衍生物

及其功能683.NADH/NADPH常見的輔酶/輔基包括NADH，NADPH，它們在脫氫，加氫的過程中起著接受或提供氫和電子的作用69

NAD++H++2e-=NADH

NADP++H++2e-=NADPH704.FMN與FAD71FMN和FAD作為輔基參與多種生物氧化還原反應，它們是呼吸鏈上重要的氫和電子傳遞體725.蝶呤輔基蝶呤二硫烯分子作為輔基參與鉬氧轉移酶、亞硫酸鹽氧化酶、黃嘌呤氧化酶等催化反應，其二硫烯基直接與金屬鉬配位。73迄今為止所發(fā)現(xiàn)的鉬氧轉移酶，絕大多數(shù)在其活性部位內都有一個或兩個含有二硫烯基團的配體與鉬配位。鉬氧轉移酶分為三大類：黃嘌呤氧化酶、亞硫酸鹽氧化酶和DMSO還原酶。DMSO還原酶的活性部位含有一個Mo=O單元，兩個喋呤輔因子通過其二硫烯側鏈與金屬鉬中心配位形成兩個五元環(huán)。DMSO還原酶只具有一個氧化還原活性中心即鉬配位中