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1、第一篇 生物大分子的结构与功能,蛋白质 protein 核酸 nucleic acid 多糖 酶 enzyme,第一章 蛋白质的结构与功能,protein Pro, Pr, P,蛋白质是生物体的基本组成成分之一，几乎参与了生命活动的所有过程。,含量：约占固体成分的近1/2（45%） 种类：一个真核细胞达数千种，每一种 均有其特定的结构与功能,分布广,第一节 蛋白质的分子组成,碳、氢、氧、氮 、硫 （ C、H、O、N、S ） 以及磷、 铁、 铜、 锌、 碘、 硒,元素组成:,蛋白质平均含氮量（N%）：16%, 蛋白质含量=含氮克数6.25（凯氏定氮法）,氨基酸的通式,一、基本组成单位氨基酸 (a
2、mino acid, AA),参与编码蛋白质的基本氨基酸，只有20种。,1. 20种AA中除Pro外，与羧基相连的-碳原子上都有一个氨基，因而称-氨基酸。 2. 不同的-AA，其R侧链不同。氨基酸R侧链对蛋白质空间结构和理化性质有重要影响。 3. 除Gly的R侧链为H原子外，其他AA的-碳原子都是不对称碳原子，可形成不同的构型，因而具有旋光性。,组成人体蛋白质的氨基酸都为L-AA（Gly, Pro除外）。,氨基酸的分类,按侧链的结构和理化性质可分为： 非极性、疏水性氨基酸 极性、中性氨基酸 芳香族 氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸,甘氨酸 glycine Gly G 5.97,丙氨酸 alani
3、ne Ala A 6.00,缬氨酸 valine Val V 5.96,亮氨酸 leucine Leu L 5.98,异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02,苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48,脯氨酸 proline Pro P 6.30,支链氨基酸,亚氨基酸,芳香族氨基酸,吡咯烷环-杂环氨基酸,色氨酸 tryptophan Trp W 5.89,丝氨酸 serine Ser S 5.68,酪氨酸 tyrosine Tyr Y 5.66,半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07,蛋氨酸 methionine Met M 5.74,天冬酰胺 aspa
4、ragine Asn N 5.41,谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65,苏氨酸 threonine Thr T 5.60,2. 极性中性氨基酸,含酰胺基氨基酸,苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48,芳香族氨基酸,吲哚环-杂环氨基酸,羟基氨基酸,含硫氨基酸,天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22,赖氨酸 lysine Lys K 9.74,精氨酸 arginine Arg R 10.76,组氨酸 histidine His H 7.59,3. 酸性氨基酸,4. 碱性氨基酸,-胍基,
5、咪唑基杂环氨基酸,1968年美国Dudrick，在研究人体营养学工作中，利用结晶氨基酸配出了氨基酸输液，挽救了很多病人的生命。因此氨基酸营养输液是继“疫苗”、“维生素”、“抗生素”之后，被誉为二十世纪医疗史上的四个里程碑。,我国氨基酸类药物的发展 1953年药典，1960年药典都为0； 1977年药典为4种； 1985年药典为3种； 1990年药典为5种； 1995年药典为12种； 1998年增补版药典为26种； 2000年药典原料药22种，制剂4种。,合理使用氨基酸输液,（1）营养不良用氨基酸。这类氨基酸是以必需氨基酸、半必需氨基酸和非必需氨基酸按适当配比组成的，并含有部分碳水化合物、维生素
6、、电解质等，可促进体内蛋白代谢正常，纠正其负平衡。用于各种疾病引起的低蛋白血症，以及手术、大面积烧伤、严重创伤等引起的氨基酸不足。 （2）肝病用氨基酸。常用的此类氨基酸注射液有支链氨基酸3H注射液、14氨基酸-800注射液、6氨基酸-520注射液、6合氨基酸注射液（肝醒灵）、肝安注射液、19复合氨基酸注射液等。主要用于急性、亚急性、慢性重症肝炎，活动性慢性肝炎及肝硬化、肝昏迷，还可用于肝胆手术前后，能明显提高血浆支链氨基酸浓度，提高血清白蛋白含量，使负氮平衡很快转为正氮平衡。 （3）肾衰用氨基酸。目前国内用于肾衰的是由8种必需氨基酸添加适量组氨酸配制而成的氨基酸注射液。如复合氨基酸9R注射液，
7、可提高体内必需氨基酸的含量，使储留在体内的尿素氨合成为非必需氨基酸而再利用，缓解尿毒症症状。 （4）代血浆用氨基酸。临床应用的有低分子右旋糖酐氨基酸注射液。本品除可维持血容量及机体所需营养成分外，有降低血液粘度，改善微循环，防止红细胞凝集的作用。主要用于创伤或外科手术中，为及时抢救严重失血性休克的患者，以弥补代血浆不具营养成分的缺点。,氮平衡有以下三种情况； 1，氮平衡.摄入氮等于排出氮叫做总氮平衡.这表明体内蛋白质的合成量和分解量处于动态平衡.一般营养正常的健康成年人就属于这种情况. 2，正氮平衡.摄入氮大于排出氮叫做正氮平衡.这表明体内蛋白质的合成量大于分解量。生长期的儿童少年，孕妇和恢复
8、期的伤病员等就属于这种情况.所以，在这些人的饮食中，应该尽量多给些含蛋白质丰富的食物. 3，负氮平衡.摄入氮小于排出氮叫做负氮平衡，即由食氮量少于排泄物中的氮量。这表明体内蛋白质的合成量小于分解量.慢性消耗性疾病，组织创伤和饥饿等就属于这种情况.蛋白质摄入不足，就会导致身体消瘦，对疾病的抵抗力降低，患者的伤口难以愈合等.当摄入的氨基酸少于消耗的氨基酸时，将物摄入的出现如营养不良、腰酸背痛、头昏目眩、体弱多病、代谢功能衰退等症状。,氨基酸的理化性质,1. 两性解离及等电点,在某一溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，呈电中性，此时该溶液的pH值即为该氨基酸的等电点 (isoelec
9、tric point，pI )。,含有共轭双键的芳香族氨基酸 Trp, Tyr 的最大吸收峰在280nm波长附近。,2. 紫外吸收性质,该蓝紫色化合物在570nm波长处有最大吸收，可用于氨基酸的定量分析。,3. 茚三酮反应,蓝紫色化合物,二、 肽与肽键 (peptide and peptide bond),二肽,寡肽；多肽; 蛋白质。,肽键,氨基酸残基 (residue),三、生物活性肽 (bioactive peptide),谷胱甘肽 （glutathione, GSH） 多肽类激素 如催产素、加压素、血管紧张素、促肾上腺皮质激素、促甲状腺素释放激素、促性腺激素释放激素等 神经肽（neuro
10、peptide） 如脑啡肽、 -内啡肽、强啡肽、孤啡肽、P物质、神经肽Y等 与吗啡受体结合，产生跟吗啡、鸦片剂一样有止痛和欣快感 .,谷胱甘肽（glutathione, GSH）,-肽键,(1) 体内重要的还原剂 保护蛋白质和酶分子中的巯基免遭氧化，使蛋白质处于活性状态。,(2) 谷胱甘肽的巯基作用 可以与致癌剂或药物等结合,从而阻断这些化合物与DNA、RNA或蛋白质结合，保护机体免遭毒性损害。,促甲状腺素释放激素（3肽） 由下丘脑分泌，促进腺垂体分泌促甲状腺素。,含量低、活性高、作用广泛而又复杂,在体内调节多种多样的生理功能,如痛觉、睡眠、情绪、学习与记忆,血管紧张素是一种经典的重要心血管活
11、性多肽, 其一级结构为: NH2-Asp-Arg-Val-Ty r-Ile-His-Pro-Phe-OH. 它作用于型受体( AT ) 产生缩血管作用, 作用于型受体( AT ) , 则引起血管扩张, 对抗自己的缩血管作用. 这种同一分子, 作用于不同受体, 产生相互对立和拮抗效应的现象已引起科学家的关注 对Ang 在溶液中的构象作了探讨. Ang 在溶液中的构象不稳定, 其中已经提出的构象有螺旋、折叠、 转角 A ng 的这种柔性无规构象, 适合其面对不同受体时 选择不同的构象, 进而发挥不同的生理功能.,第二节 蛋白质的分子结构,蛋白质是氨基酸通过肽键相连形成的具有三维结构的生物大分子。一
12、般将蛋白质分子的结构分为四个层次来学习（空间）。,Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase,理论上蛋白质有无穷尽的结构，实际上只有有限的模块,一、蛋白质的一级结构(primary structure),蛋白质的一级结构就是蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序。主要化学键是肽键，有的还包含二硫键。,一级结构并不是空间结构的唯一决定因素,丝氨酸蛋白酶抑制剂家族的成员中一级结构的成对相似度有时低到25%，但是他们的保守核心在二级和三级结构上仍然是非常的相似。,二、蛋白质的二级结构(secondary structure),蛋白质二级结构是指多肽链的
13、主链骨架中若干肽单元，各自沿一定的轴盘旋或折叠，并以氢键为主要次级键而形成的有规则或无规则的构象，如-螺旋、-折叠、-转角和无规卷曲等。蛋白质二级结构一般不涉及氨基酸残基侧链的构象。,二级结构的主要结构单位肽单元（peptide unit） 二级结构的主要化学键 氢键 (hydrogen bond),肽单元（peptide unit）,肽键与相邻的两个-C原子所组成的残基，称为肽单元、肽单位、肽平面或酰胺平面(amide plane)。它们均位于同一个平面上，且两个-C原子呈反式排列。,肽单元具有这样一些特性： (1)早在1925年，Pauling等人就发现，肽键中的C-N键长0.132nm，
14、比相邻的C-N单键(0.147nm)短，而较一般C=N双键(0.128nm)长。可见，肽键中-C-N-键的性质介于单、双键之间，具有部分双键的性质，因而不能旋转，这就将其固定在一个平面之内。,(2) 肽键的C及N周围三个键角之和均为360，说明都处于一个平面上，也就是说肽单元的六个原子基本上同处于一个平面，是一个刚性平面，这就是肽键平面。,(3) 肽键中的C-N既然具有双键性质，就会有顺反不同的立体异构，已证实肽单元两个-碳原子呈反向分布。,肽链中能够旋转的只有-碳原子所形成的单键，此单键的旋转决定两个肽键平面的位置关系，于是肽平面成为肽链盘曲折叠的基本单位。,肽单元上C所连的两个单键的旋转角
15、度，决定两个相连肽单元的相对空间位置，由于肽平面和氨基酸残基侧链R基对多肽链构象的限制作用，二级结构只有以下几种主要形式：, 多个肽平面通过C的旋转，相互之间紧密盘曲成稳固的右手螺旋。,-helix, 主链螺旋上升，每3.6个氨基酸残基上升一圈，螺距0.54nm。肽平面和螺旋长轴平行。,-helix, 相邻两圈螺旋之间借肽键中羰基氧 (CO)和亚氨基氢(NH)形成许多链内氢键，即每一个氨基酸残基中的亚氨基氢和前面相隔三个残基的羰基氧之间形成氢键，这是稳定-螺旋的主要化学键。,-helix,氢键对于生物高分子具有尤其重要的意义,氢键是分子间作用力的一种，是一种永久偶极之间的作用力，氢键发生在已经以共价键与其它原子键合的氢原子与另一个原子之间（X-HY），通常发生氢键作用的氢原子两边的原子（X、Y）都是电负性较强的原子。 NH :O （8 kJ/mol 或 1.9 kcal/mol）, 肽链中氨基酸残基侧链R基，分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷均会影响-螺旋的形成。,-helix,是肽链相当伸展的结构，肽平面之间折叠成锯齿状，相邻肽平面间呈110角。 依靠两条肽链或一条肽链内
