王瑋生物化學第1章

生物化學王瑋緒論研究方向研究發(fā)展史生物化學的分支發(fā)展方向生物化學是一門運用化學原理和方法，研究生命現(xiàn)象的科學。著眼于：搞清生命機體的化學組成；維持生命活動的各種化學變化及其聯(lián)系；緒論生物體的主要組成主要成分：糖類、脂類、蛋白質(zhì)、核酸、水、無機鹽對生物體內(nèi)化學反應起調(diào)節(jié)作用的物質(zhì)：酶、維生素和激素研究方向靜態(tài)生化：研究上述物質(zhì)的組成、結(jié)構、性質(zhì)和功能。動態(tài)生化：研究上述物質(zhì)在生物體內(nèi)的物質(zhì)代謝和能量代謝。★分子生物學：研究生物大分子結(jié)構、功能、信息傳遞及代謝調(diào)控。緒論研究發(fā)展史生物化學發(fā)展前期(準備期）描述生化發(fā)展期（1770-1903）動態(tài)生化發(fā)展期（1903-1950）分子生物學的創(chuàng)立與發(fā)展期

（1950年后）緒論生物化學的分支按研究對象分：動物~、植物~、微生物~；按學科分：無機~、有機~、生理~、物理化學~、臨床~、農(nóng)業(yè)~等。緒論生命起源遺傳進化生物發(fā)育疾病的產(chǎn)生大腦記憶推理生物行為環(huán)境生態(tài)人類健康等。緒論生物化學的發(fā)展方向第一章蛋白質(zhì)化學本章內(nèi)容蛋白質(zhì)的生物學功能蛋白質(zhì)的組成氨基酸的化學蛋白質(zhì)的結(jié)構蛋白質(zhì)分子結(jié)構與功能的關系蛋白質(zhì)的性質(zhì)蛋白質(zhì)的分離純化蛋白質(zhì)的分類蛋白質(zhì)化學生命是蛋白體的存在方式，這種存在方式本質(zhì)上就在于這些蛋白體的化學組成部分的不斷自我更新。

恩格斯《反杜林論》1878蛋白質(zhì)化學概念：蛋白質(zhì)（protein，簡寫pro):是由20種L-α-氨基酸按一定的序列通過酰胺鍵（肽鍵）縮合而成的，具較穩(wěn)定構象并具一定生物功能的生物大分子。蛋白質(zhì)化學一、蛋白質(zhì)的生物學功能1、催化作用幾乎所有的酶都是蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)化學膜蛋白2、生物體的結(jié)構成分3、運輸和儲存血紅蛋白在血中輸送氧肌紅蛋白在肌肉中輸送氧膜蛋白起運輸作用4、運動作用：

動物的肌肉收縮、細菌的鞭毛運動5、免疫保護作用抗體6、激素作用：

胰島素等

7、接受和傳遞信息的受體：

受體蛋白，8、控制細胞生長、分化：

生長因子、阻遏蛋白9、毒蛋白：植物、微生物、昆蟲所分泌10、許多蛋白在凝血作用、通透作用、營養(yǎng)作用、記憶活動等方面起重要作用。二、蛋白質(zhì)的組成（一）蛋白質(zhì)的元素組成：

C、H、O、N及少量的S特點：N在各種蛋白質(zhì)中的平均含量為16%

用定氮法可測定蛋白質(zhì)含量：

蛋白質(zhì)含量(g)=蛋白質(zhì)含氮量×6.25蛋白質(zhì)化學(二）蛋白質(zhì)的水解1、完全水解：用濃酸、堿將蛋白質(zhì)完全水解為氨基酸。

酸水解：無消旋作用，產(chǎn)物為L-氨基酸。

堿水解：多數(shù)氨基酸被破壞，有消旋現(xiàn)象。蛋白質(zhì)化學2、部分水解：

一般用酶或稀酸在較溫和條件下，將蛋白質(zhì)分子切斷，產(chǎn)物為分子大小不等的肽段和氨基酸。

蛋白酶：

胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶等。三、氨基酸的化學氨基酸（aminoacid,簡寫aa)：蛋白質(zhì)的基本組成單位，是含氨基的羧酸。天然蛋白質(zhì)由20種氨基酸組成。氨基酸的化學（一）氨基酸的結(jié)構1、通式：α-氨基酸中α碳原子為不對稱碳原子（除甘氨酸）

氨基酸的化學α由通式可得出：1）組成蛋白質(zhì)的aa都是α-氨基酸（除脯氨酸α—亞氨基酸外）；2）不同aa僅R鏈不同；3）除甘氨酸外，其余aa的α-碳原子均為不對稱碳原子。2、α-氨基酸的構型：構型：由于基團或原子在空間排列的不對稱性而引起的光學活性立體結(jié)構稱立體構型。立體構型：氨基在左為L-型；氨基在右為D-型天然pr中的aa均為L-型；兩型aa的生理功能不同。氨基酸的化學3、α-氨基酸具旋光性左旋（-）：能使偏振光向左；右旋（+）：能使偏振光向右。旋光特性表示：

比旋光度[α]D，L-氨基酸比旋光度見P3表1-2氨基酸的化學★構型與比旋光度無直接對應關系氨基酸的旋光性和旋光角度與R基團的性質(zhì)及測定時溶液的pH有關；當某氨基酸以等量L、D型混合時，旋光抵消，稱外消旋；化學合成所得氨基酸為D、L各半的混合物，稱DL型，無旋光性，可用化學或生化方法將二型分開，此時才表現(xiàn)出旋光性。氨基酸的化學（二）氨基酸的種類及結(jié)構1、按結(jié)構可分為：（1）脂肪族側(cè)鏈：氨基酸的化學甘氨酸丙氨酸纈氨酸亮氨酸異亮氨酸絲氨酸脯氨酸蘇氨酸2）芳香族側(cè)鏈：苯丙氨酸酪氨酸色氨酸3）含硫側(cè)鏈：半胱氨酸甲硫氨酸4）含氮堿性側(cè)鏈：組氨酸賴氨酸精氨酸5）酸性及酰胺側(cè)鏈：天冬氨酸谷氨酸天冬酰胺谷氨酰胺2、按R基團的極性分：極性氨基酸：

極性不帶電荷：絲、蘇、天冬酰胺、谷氨酰胺、酪、半胱、

極性帶正電荷：天冬、谷、

極性帶負電荷：組、賴、精、非極性氨基酸：甘、丙、纈、亮、異亮、苯丙、甲硫、脯、色、氨基酸的化學3、按人體是否可合成來分：必需氨基酸：機體不能自身合成，必須由食物供給的氨基酸。

賴、色、蘇、纈、甲硫、亮、異亮、苯丙半必需氨基酸：人體可合成，但幼兒期合成速度不能滿足需要。

組*、精*、非必需氨基酸：機體可自身合成的氨基酸。氨基酸的化學4、在有些蛋白質(zhì)中存在的氨基酸及其衍生物：胱氨酸：2個半胱氨酸脫氫形成胱氨酸羥脯氨酸（膠原蛋白）鳥氨酸（甲狀腺蛋白）5、非蛋白質(zhì)氨基酸：

L-瓜氨酸、L-鳥氨酸：參加尿素循環(huán)；β-丙氨酸：維生素前體；γ-氨基丁酸：神經(jīng)遞質(zhì)；D-谷氨酸、D-丙氨酸：細菌細胞壁的組分。氨基酸的化學（三）氨基酸的重要理化性質(zhì)1、一般物理性質(zhì)：2、兩性解離與等電點（兩性性質(zhì)）：（1）氨基酸為兩性電解質(zhì)：

氨基酸的化學（2）aa解離方式取決于所處環(huán)境的pH：氨基酸的化學pH1pH11pH6在電場中，陽離子向負極移動；陰離子向陽極移動；調(diào)整pH，使aa凈電荷為零時，aa既不向陽極也不向陰極移動。（3）等電點（isoelectricpoint,縮寫為pI）規(guī)定aa凈電荷為為零時的pH為該aa的等電點氨基酸的化學pH1pH11pH6（4）pI的測定：基于aa所帶基團均可解離；酸堿滴定法；得到弱酸弱堿曲線；根據(jù)aa上可解離基團的pK值計算等電點：pK：解離常數(shù)。以甘氨酸為例：氨基酸的化學由此可知：在生理pH內(nèi)，aa的羧基和氨基全部解離；具有這種性質(zhì)的物質(zhì)稱兩性電解質(zhì)；帶有相反基團的分子叫兩性離子；滴定中Gly的陽離子（R+）、陰離子（R-）和兩性離子（R°）的比例隨pH而變；當溶液中只有兩性離子時，pH=pI（5）等電點的計算由式可知解離常數(shù)：氨基酸的化學R-R+R±K1=[R±][H+][R+]K2=[R+][R-][H+]由此可知：

已知在pI時，[R+]=[R-]，∴整理可得：K1K2=[R+]=[R±][H+][R±]K2K1[R-]=[H+][R±][H+]K1=[R±]K2[H+][H+]2兩邊取負對數(shù)：

-lg[H+]2=-lgK1－-lgK2∵-lg[H+]=pH-lgK1=

pK1-lgK2=

pK2∴2pH=pK1+pK2令pI為等電點時的pH，則

pI=?（pK1+pK2）Gly：pI=?（2.4+9.6)=5.97由此可知:

等電點相當于該aa兩性離子狀態(tài)兩側(cè)

基團pK值之和的一半。

A、對側(cè)鏈R基不解離的中性氨基酸：

pI=1/2（pK1+pK2）即：等電點pH值與離子濃度無關，只取決于兼性離子兩側(cè)基團的pK值。B、對有三個可解離基團的氨基酸：

如：酸性氨基酸、堿性氨基酸的pI計算：a、先寫出其解離公式；b、后取兼性離子兩側(cè)基團的pK值的平均值。如：天冬氨酸如賴氨酸：總結(jié)a、各種aa的pI不同；b、同一pH下，各種aa所帶電荷不同；

pH＜pI：aa+pH＞pI：aa-用離子交換、電泳將aa分開c、處于pI時，aa溶解度最小，易沉淀；可分離aa。3、紫外吸收性質(zhì)：只有芳香族氨基酸有紫外吸收能力，因其含有苯環(huán)共軛雙鍵的R側(cè)鏈。酪氨酸λmax：270nm苯丙氨酸λmax：259nm色氨酸λmax：279nm所以，測樣品280nm處的光吸收值，可知溶液中蛋白質(zhì)濃度。此法快速簡便。4、氨基酸的重要化學性質(zhì)（1）與茚三酮的反應：

α-氨基酸與水合茚三酮溶液共熱，引起aa氧化脫氨、脫羧，水合茚三酮與反應產(chǎn)物（氨和還原型茚三酮）生成蘭紫色化合物（Pro和Hyp呈黃色），色深與溶液中氨基濃度成正比。氨基酸的化學應用：可定性或定量測定各種氨基酸。a、根據(jù)顏色深淺，在570（440）nm處測OD值，可知樣品中氨基酸含量。b、定量釋放的CO2可用測壓法測量，計算出參加反應的aa量。c、蛋白質(zhì)和多肽亦可反應，但靈敏度差。氨基酸的化學其他化學反應與二硝基氟苯（DNFB）的反應與丹磺酰氯的反應異硫氰酸苯酯的反應與甲醛反應與熒光胺的反應與5，5’-雙硫基-雙(2-硝基苯甲酸)的反應氨基酸的化學5、氨基酸的分離分析氨基酸的化學（1）分配層析法：

一種溶質(zhì)在兩種互不相溶或幾乎不相溶的溶劑中分配時,在一定溫度下平衡后,溶質(zhì)在兩相溶劑中的濃度比值與其溶解度比值相等,此比值稱分配系數(shù).如在酚-水系統(tǒng)分配時,每種aa有特定分配系數(shù),依此可用逆流分配法分離.固定相：

借助一定支持物（如：纖維素、淀粉、硅膠等親水性不溶物質(zhì)），以結(jié)合水為固定相。

流動相：

以與水不溶的有機溶劑（如：酚、正丁醇）為流動相。方法：

流動相流過支持物，將分配系數(shù)不同的氨基酸分開，以茚三酮顯色，形成色譜，掃描定量，或洗脫后比色定量。氨基酸的化學2）氨基酸分離純化方法分配柱層析氨基酸的化學紙層析薄層層析（將紙換成纖維素、硅膠、氧化鋁等）離子交換柱層析（全自動氨基酸分析儀）氣相色譜（氣相色譜儀）高效液相色譜四、蛋白質(zhì)的結(jié)構四、蛋白質(zhì)的結(jié)構構型：指在立體異構體中取代原子或基團在空間的取向。構象：指這些取代基團在單鍵旋轉(zhuǎn)時可能形成的不同的立體異構體。蛋白質(zhì)的構象：指蛋白質(zhì)特有的空間結(jié)構。蛋白質(zhì)結(jié)構有不同的組織層次：（一）蛋白質(zhì)的一級結(jié)構蛋白質(zhì)的一級結(jié)構是以肽鍵連接aa的線性序列。1、肽和肽鍵的結(jié)構：

肽（peptide)：一個氨基酸的α-羧基和另一氨基酸的α-氨基脫水縮合而成的化合物。四、蛋白質(zhì)的結(jié)構2、肽鏈的基本連接方式——肽鍵肽鍵(peptidebond)：為1個氨基酸的α-氨基和另一氨基酸的α-羧基之間脫水后形成的共價鍵，即酰胺鍵。此為蛋白質(zhì)中氨基酸連接的基本方式。1）肽鍵具高度穩(wěn)定性；2）具雙鍵性質(zhì)，不能自由轉(zhuǎn)動；3）肽單元呈平面化和剛性性質(zhì)；4）C=O與—NH反式排列。四、蛋白質(zhì)的結(jié)構3、肽鏈間/內(nèi)的連接——二硫鍵：四、蛋白質(zhì)的結(jié)構概念：由肽鏈中相應部位上兩個半胱氨酸脫氫連接而成，此稱胱氨酸殘基，是連接肽鏈內(nèi)或肽鏈間的主要橋鍵。功能：穩(wěn)定肽鏈空間結(jié)構；賦予一定生物活力。四、蛋白質(zhì)的結(jié)構二硫鍵的連接，

種類有多種例：胰島素胰臟中胰島β-細胞分泌的一種蛋白質(zhì)激素。功能：降低血糖。結(jié)構：A鏈：21aa；B鏈：30aa；鏈間有兩對二硫鍵；在A鏈內(nèi)aa6和aa11間以二硫鍵連成小環(huán)。如：牛胰島素

四、蛋白質(zhì)的結(jié)構多肽（polypeptide)：多個氨基酸以肽鍵

連接方式形成.

書寫習慣：左N右C；一端是游離氨基；另一端為游離羧基。肽鏈中的氨基酸已非完整分子，稱氨基酸殘基(animoacidresidue);四、蛋白質(zhì)的結(jié)構4、天然存在的活性肽活性肽(activepeptide)：存在于生物體內(nèi)，具各種特殊生物學功能的肽。四、蛋白質(zhì)的結(jié)構谷胱甘肽（GSH）：多肽激素：如催產(chǎn)素、加壓素、腎上腺皮質(zhì)激素、胰高血糖素、舒緩激肽等；腦肽：腦啡肽、內(nèi)啡肽：抗生素：如短桿菌肽、放線菌素D毒素等5、蛋白質(zhì)一級結(jié)構測定的一般方法(1)間接法:

測定cDNA序列推出mRNA序列,分析蛋白質(zhì)aa組成.四、蛋白質(zhì)的結(jié)構mRNA逆轉(zhuǎn)錄酶cDNA(2)直接法:1）確定氨基酸組成：

酸解、分離、顯色、定量測定；

2）氨基酸末端分析：

N末端分析:異硫氰酸苯酯（PITC法）2，4-二硝基氟苯法(DNFB)丹磺酰氯法（DNS法）

C末端分析:化學法、羧肽酶法化學法：溴化氰及無水溴化氰.酶解法：胰蛋白酶、糜蛋白酶、氨肽酶、羧肽酶。四、蛋白質(zhì)的結(jié)構3）將多肽特異地裂解成較小的肽：4）用Edman方法分析各小肽的氨基酸序列與異硫氰酸苯酯(PITC)的反應。5）將已知序列各肽段重疊，確定整

個肽鏈的氨基酸順序。（二）蛋白質(zhì)的空間結(jié)構概念：Pro空間結(jié)構又稱Pro的構象（高級結(jié)構），指Pro分子中所有原子和基團在三維空間的排列及肽鏈的走向。四、蛋白質(zhì)的結(jié)構血紅蛋白四級結(jié)構纖維狀蛋白分子：種類:角蛋白、膠原蛋白、血纖維蛋白、肌纖維蛋白。功能:在生物體內(nèi)保護、支持、結(jié)締功能。四、蛋白質(zhì)的結(jié)構膠原蛋白（2）球蛋白分子：種類：血紅蛋白、肌紅蛋白、清蛋白、球蛋白、酶蛋白、激素蛋白、抗體等。1、蛋白質(zhì)分子中的非共價鍵：四、蛋白質(zhì)的結(jié)構（1）氫鍵：羧基上的氧與亞氨基上的氫原子所形成。作用：鏈內(nèi)維持二級結(jié)構；鏈間為三、四級結(jié)構所需。（2）疏水鍵：aa非極性側(cè)鏈形成。作用：維持三級結(jié)構。（3）鹽鍵：帶正負電荷的側(cè)鏈通過靜電引力形成。（4）范德華力：中性分子或原子間的作用力。四、蛋白質(zhì)的結(jié)構次級鍵的特點與作用鍵能弱；數(shù)量多。所以，在維持蛋白質(zhì)空間結(jié)構中起重要作用。2、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構指蛋白質(zhì)多肽鏈本身的折疊和盤繞形式；α-螺旋結(jié)構β-折疊結(jié)構β-轉(zhuǎn)角結(jié)構自由回轉(zhuǎn)四、蛋白質(zhì)的結(jié)構（1）α-螺旋(α-helix)因肽鏈中aa殘基中的-NH與前三個aa的C=O間可形成氫鍵，使得肽鏈呈螺旋狀盤曲。氫鍵取向幾乎與中心軸平行。四、蛋白質(zhì)的結(jié)構（2）β-折疊(β-pleatedsheet)結(jié)構特點：肽鏈伸展，按層排列,在肽鏈的不同區(qū)段或不同肽鏈間形成氫鍵,維持結(jié)構的穩(wěn)定性。四、蛋白質(zhì)的結(jié)構β-折疊有兩種類型平行：所有肽鏈的N端處于同一端，氫鍵不與肽鏈走向垂直。如：β-角蛋白。四、蛋白質(zhì)的結(jié)構反平行：肽鏈的N端不處于同一端，氫鍵與肽鏈走向垂直。如：絲心蛋白。（3）β-轉(zhuǎn)角(β-turn)鏈內(nèi)形成氫鍵，多肽鏈出現(xiàn)180°的回折。此回折角稱β-轉(zhuǎn)角結(jié)構。此結(jié)構廣泛存在球狀蛋白中。四、蛋白質(zhì)的結(jié)構（4）自由回轉(zhuǎn)(randomcoil)（亦稱無規(guī)則卷曲、自由繞曲）指無規(guī)律的松散肽鏈結(jié)構。通常酶蛋白的功能部位在此。2、超二級結(jié)構(supersecondarystructures)四、蛋白質(zhì)的結(jié)構指若干相鄰二級結(jié)構單元組合彼此相互作用，形成有規(guī)則的在空間上能辨認的二級結(jié)構組合體。此為二級結(jié)構與三級結(jié)構間的一種過渡構象。如：αα，β×β；βαβ；等。3、結(jié)構域(domains)：多肽鏈在超二級結(jié)構基礎上進一步繞曲折疊而成的相對獨立的三維實體稱結(jié)構域。具有部分生物學功能。四、蛋白質(zhì)的結(jié)構甘油醛3-P脫氫酶結(jié)構域幾種常見的結(jié)構域四、蛋白質(zhì)的結(jié)構蚯蚓血紅蛋白的結(jié)構域四個α螺旋。免疫球蛋白VL的結(jié)構域丙糖異構酶結(jié)構域與三級結(jié)構的關系四、蛋白質(zhì)的結(jié)構多肽鏈

二級結(jié)構

超二級結(jié)構

結(jié)構域

三級結(jié)構4、蛋白質(zhì)三級結(jié)構概念：指蛋白質(zhì)多肽鏈上所有原子在三維空間的分布。較小蛋白質(zhì)分子：多為單結(jié)構域，即三級結(jié)構；較大蛋白質(zhì)分子：由2或2個以上結(jié)構域結(jié)合成三級結(jié)構。四、蛋白質(zhì)的結(jié)構肌紅蛋白三級結(jié)構4、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構亞基：幾條肽鏈以非共價鍵聯(lián)結(jié)成一穩(wěn)定的活性單位，這種肽鏈稱該蛋白質(zhì)的亞基(subunit)。四級結(jié)構：亞基間通過非共價鍵聚合而成的特定構象。四、蛋白質(zhì)的結(jié)構血紅蛋白:2個α亞基和2個β亞基。蛋白質(zhì)的四種結(jié)構層次四、蛋白質(zhì)的結(jié)構蛋白質(zhì)的一級結(jié)構蛋白質(zhì)分子中氨基酸殘基的排列順序。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構一級結(jié)構卷曲、折疊而成。通常分為二級結(jié)構、超二級結(jié)構、結(jié)構域、三級結(jié)構、四級結(jié)構。一級結(jié)構決定空間結(jié)構。五、蛋白質(zhì)分子結(jié)構與功能的關系蛋白質(zhì)一級結(jié)構與功能的關系蛋白質(zhì)構象與功能的關系(一）蛋白質(zhì)一級結(jié)構與生物功能1、一級結(jié)構不同,蛋白質(zhì)功能不同五、蛋白質(zhì)分子結(jié)構與功能的關系2、一級結(jié)構的關鍵部分相同，

功能相同：不同來源的胰島素都由A、B鏈，51個aa組成，但一級結(jié)構的aa種類并不完全相同。3、一級結(jié)構改變引起的分子?。喝纾虹牭缎拓氀⊙t蛋白僅一級結(jié)構：

β6Glu換成β6Val由此引起三級結(jié)構多一疏水鍵，四級結(jié)構發(fā)生線性締合，導致紅細胞發(fā)生溶血。五、蛋白質(zhì)分子結(jié)構與功能的關系蛋白質(zhì)的空間結(jié)構決定于其一級結(jié)構和周圍環(huán)境的影響如：瘋牛病

PrP

c

PrP

c

(上)

PrP

sc(下)

PrPcPrPsc

α－螺旋40％21％

β－折疊

3％54%prion的發(fā)現(xiàn)，提示人們，一級結(jié)構和環(huán)境因素影響蛋白質(zhì)的構象。（二）蛋白質(zhì)構象與功

能的關系蛋白質(zhì)構象改變，活性喪失。五、蛋白質(zhì)分子結(jié)構與功能的關系用化學方法修改Pro或多肽化合物的結(jié)構，可提高活性；了解Pro結(jié)構中的活性必需片段，可人工合成Pro。五、蛋白質(zhì)分子結(jié)構與功能的關系六、蛋白質(zhì)的性質(zhì)

蛋白質(zhì)的性質(zhì)與其分子大小、結(jié)構及其組成——aa的性質(zhì)密切相關。(一）分子量：

Pr為高分子有機物，分子量幾千—幾千萬。分子量測定方法：滲透壓法；超速離心法；凝膠過濾法；聚丙烯酰胺電泳法等。（二）兩性電離與等電點六、蛋白質(zhì)的性質(zhì)應用電泳法：分離各種蛋白質(zhì)；鑒定蛋白質(zhì)的純度。此多用于科研、生產(chǎn)、臨床診斷等。（三）膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)水溶液為親水膠體。不能通過半透膜；分子周圍有雙電子層和水化層，有利于穩(wěn)定pr膠體系統(tǒng)。六、蛋白質(zhì)的性質(zhì)超濾透析（四）呈色反應反應試劑顏色反應基團雙縮脲反應

NaOH,稀CuSO4

紫或粉

2個以上肽鏈Millon反應

Millon,硝酸，亞硝酸

紅色

酚基黃色反應

HNO3及NH3

黃、橘黃

苯環(huán)乙醛酸反應乙醛酸H2SO4

紫紅吲哚坂口反應

次氯酸鈉,萘酚，NaOH

紅色

胍基Folin酚試劑反應

CuSO4磷鎢酸-鉬酸

蘭色

酚基茚三酮反應

茚三酮