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1、医用生物化学 童坦君主编 What is biochemistry in medicine? 生命的基本单位是什么？ 生命的基本特征是什么？ 生物化学是介于生物与化学之间的边缘学科，是利 用化学的理论和方法研究生物的一门学科，其任务 是阐述构成生物体的基本物质（生物大分子糖 类、脂类、蛋白质、核酸）的结构、性质及其在生 命活动（如生长、生殖、代谢、运动等）过程中的 变化规律（物质代谢和能量代谢）。 Chapter 1 基本内容 生物大分子的结构与功能 物质代谢 遗传分子生物学 专题生化 蛋白质的结构与功能 Yingzi Kang Ph.D Dept. of Biochemistry, Tian
2、jin Medical University Chapter 1 本章教学纲要 在熟记蛋白质生理功能的基础上，理解蛋白质是生 命活动的物质基础。 熟记蛋白质的元素组成特点及多肽链的基本组成单 位（L-a-氨基酸）；掌握20种氨基酸的缩写、结构 及主要特点。 能准确描述肽键、多肽链、蛋白质一级结构、高级 结构。 掌握蛋白质结构与功能的关系。 熟习蛋白质重要的理化性质及有关的基本概念，理 解蛋白质的性质及医学的关系。 结合蛋白质的性质，熟悉蛋白质分离纯化及测定方 法的原理及应用。 Chapter 1 本章基本要求 重点掌握蛋白质的分子组成、分子结构，蛋白质结 构与功能的关系（第二、三、四节）。 熟
3、悉蛋白质在生命活动中的重要性，蛋白质的理化 性质及分离纯化（第一、五节）。 了解蛋白质一级结构测定方法（第六节）。 Chapter 1 概述 蛋白质（protein）普遍存在于生物界，是生物体的 基本组成成分之一，也是生物中含量最丰富的生物 大分子（biomacromolecule）。它约占人体固体成 分的45%，在细胞中可达细胞干重的70%以上。蛋白 质分布广泛、种类繁多、结构和功能复杂，承担着 完成生物体内各种生理功能的任务。 蛋白质蛋白质 是由许多不同的-氨基酸按一定的序列通 过酰胺键（肽键）缩合而成的，具有较稳定的构象 并具有一定生物功能的大分子 Chapter 1 蛋白质的生物学功能
4、 酶、抗体、大部分凝血因子、多肽激素、转运蛋白 、收缩蛋白、基因调控蛋白等都是蛋白质，但结构 与功能截然不同。它们在物质代谢、机体防御、血 液凝固、肌肉收缩、细胞信号转导、个体生长发育 、组织修复等方面发挥着不可替代的重要作用。蛋 白质可谓是生命活动的物质基础，没有蛋白质就没 有生命活动。 Chapter 1 蛋白质组 1995年，Macquarie大学的Winkins和 Williams首先提出蛋白质组的概念。 细胞或组织或机体在特定的时间和空间上所 表达的所有蛋白质称为蛋白质组(proteome) 。 以蛋白质组为研究对象,在整体水平上研究蛋 白质的组成与调控活动规律的学科称为蛋白 质组学
5、(proteomics)。 Chapter 1 蛋白质的分子组成-元素 主要元素组成为 lC（50-55%） lH（6-8%） lO（20-23%） lN（15-18%） lS（0-4%） 含氮量恒定在16%左右 ，成为计算蛋白质含 量的基础-凯氏（ Kjadehl）定氮法的理 论基础 l样品蛋白含量（%）=含 N 克数 x 6.25 x 100 Chapter 1 蛋白质的基本结构单位-氨基酸 围绕着不对称 碳原子有四个不 同的功能基团： l氨基 l羧基 l侧链R l氢原子 Chapter 1 氨基酸的旋光异构体 由于碳原子 是个不对称碳 原子，因而除 甘氨酸外，其 它氨基酸都具 有旋光异构
6、体 （ optical isomerism） 以甘油醛为参 照物 Chapter 1 Chapter 1 Chapter 1 氨基酸的分类 根据R的化学结构 l（1）脂肪族氨基酸：1）疏水性：Gly、Ala、Val、Leu、 Ile、Met、Cys；2）极性：Arg、Lys、Asp、Glu、Asn、 Gln、Ser、Thr l（2）芳香族氨基酸：Phe、Tyr l（3）杂环氨基酸：Trp、His l（4）杂环亚氨基酸：Pro 根据R的极性 l（1）极性氨基酸：1）不带电：Ser、Thr、Asn、Gln、Tyr 、Cys；2）带正电：His、Lys、Arg；3）带负电：Asp、 Glu l（2）
7、非极性氨基酸：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Phe、 Met、Pro、Trp Chapter 1 氨基酸的理化性质 两性解离及等电点 紫外吸收 茚三酮显色反应 其他显色反应 l荧光胺 l丹磺酰氯 l丹伯磺酰氯 l1氟2，4二硝基苯 Chapter 1 两性游离及等点电 由于所有氨基酸都含有碱性的-氨基和酸性的-羧基 ，可在酸性溶液中与H+结合呈带有正电荷的阳离子 （-NH3+），也可在碱性溶液中与OH-结合，失去H+ 变成带负电荷的阴离子（-COO-），因此氨基酸是 一种两性电解质，具有两性游离的特性。其解离方 式取决于所处溶液的pH。在某一pH的溶液中，氨基 酸解离成阳离子和阴离子
8、的趋势及程度相等，所带 净电荷为零，呈电中性，此时溶液的pH称为该氨基 酸的等点电（isoelectric point, pI）。 两性电解质、两性游离、兼性离子、等电点 Chapter 1 氨基酸的两性游离 Chapter 1 Chapter 1 等电点计算 pK1 氨基与质子结合形成阳离子的解离常数； pK2 羧基与羟基结合失去质子形成阴离子的解离常 数 pKR 侧链的解离常数 非极性或极性非解离氨基酸 l pI=1/2（pK1+pK2） 酸性氨基酸 l pI=1/2（pK1+pKR） 碱性氨基酸 l pI=1/2（pKR+pK2） Chapter 1 氨基酸的紫外吸收 Chapter 1
9、 肽键与肽 肽键（peptide bond） 二肽（dipeptide） 寡肽（oligopeptide） 多肽（polypeptide） 氨基末端（amino terminus） 羧基末端（carboxyl terminus） 氨基酸残基（residue） Chapter 1 Chapter 1 肽单元 用X射线晶体衍射法测定蛋白质的空间结构，发现肽 单元是由6个原子组成的一个酰胺平面。肽键具有一 定双键性，不能自由旋转，但C 分别相连的两个键可 以旋转，因此相邻的两个肽单元可随所连的两个单 键的旋转而形成相对的空间位置关系。 Chapter 1 Chapter 1 天然存在的活性肽 生物体
10、内存在许多具有生物活性的低分子量的肽， 它们在代谢调节、神经传导等方面起着重要作用。 多肽类激素：催产素、加压素、促肾上腺皮质激素 及促甲状腺释放激素等。 神经肽（neuropeptide）：脑啡肽、内啡肽、强啡肽 等。 还原型谷胱甘肽（glutathione, GSH） 生物抗生素：青霉素、短杆菌素等。 Chapter 1 蛋白质的分类 组成成分、结构及功能 Chapter 1 蛋白质的分子结构-一级结构 Chapter 1 蛋白质的二级结构 螺旋（ -helix） 折叠（ -pleated sheet） 转角（ -turn） 无规卷曲（random coil） 超二级结构（super-se
11、condary structure） l模序（motifs or modules）钙离子结合模序、锌 指结构模序、亮氨酸拉链模序； l结构域（domain） *分子伴侣（chaperon） Chapter 1 蛋白质的二级结构螺旋 Chapter 1 蛋白质的二级结构折叠 Chapter 1 N1CHC C 2CH NH O=C 3CH N C4CHN R R H O H R R O H O 蛋白质的二级结构-转角（-turn） 为了紧紧折叠成紧密 的球蛋白，多肽链常 常反转方向，成发夹 形状。一个氨基酸的 羰基氧以氢键结合到 相距的第四个氨基酸 的氨基氢上。 -转 角经常出现在连接反 平行-
12、折叠片的端头 。 Chapter 1 超二级结构 Chapter 1 超二级结构 超二级结构（supersecondary structure）是指在多 肽链内顺序上相互邻近的二级结构，常常在空间折 叠中靠近，形成规则的二级结构聚集体。 结构域（domain）在较大的蛋白质分子中，由于多 肽链上相邻的超二级结构紧密联系，形成两个或多 个在空间上可以明显区别的局部区域，这种局部区 域称为结构域。 模序（motif）具有特征性的氨基酸排列顺序，并且 同特定的功能联系。 Chapter 1 钙离子结合模序 Chapter 1 锌指结构模序 Chapter 1 蛋白质的三级结构 Chapter 1 维
13、持蛋白质三级结构的作用力 Chapter 1 蛋白质的四级结构 Chapter 1 分子伴侣（molecular chaperon） 分子伴侣是蛋白质合成过程中，形成功能性空间 结构的控制因子，广泛存在于从细菌到人类的各 种生物体内。 在新生肽链的折叠、加工和穿膜进入细胞器的转 位过程中起关键作用。 Chapter 1 蛋白质结构与功能的关系 核糖核酸酶（RNase）的 空间结构与功能的关系 l尿素、-巯基乙醇变性 l一级结构决定高级结构， 是蛋白质的功能基础。 在特定条件下，人工合 成胰岛素可自动地形成 天然胰岛素的空间结构 。 一级结构并不是决定蛋 白质空间构象的唯一因 素。 Chapte
14、r 1 酶的结构与功能的关系-活性中心 Chapter 1 种属差异与分子进化 空间结构相似的胰岛 素功能相同，一级结 构存在种属差异： l非功能性氨基酸变异度 最大 l保守残基在维持胰岛素 的空间构象上非常重要 进化保守序列-决定 蛋白质空间构象，是 其功能的关键氨基酸 ，可变性极小 Chapter 1 Chapter 1 Chapter 1 细胞色素C是研究蛋白质一级结构的种属差 异与分子进化的一个有意义的例子 人的细胞色素C是由104个氨基酸残基组成的单链蛋 白质，以共价键与血红素辅基相连。 不同细胞色素C功能相同，都参与线粒体呼吸链的组 成，并在细胞色素还原酶和细胞色素氧化酶之间传 递
15、电子。 测定不同种属来源的细胞色素C的一级结构，存在27 个不变的氨基酸残基，是保持细胞色素C生物活性所 必需的。 27个不变氨基酸残基是保证结合血红素、识别与结 合细胞色素氧化酶和细胞色素还原酶、维持分子构 象和传递电子所必要的。 分子病 由于基因编码序列的改变造成蛋白质的某个氨基酸 发生改变，并进而导致蛋白质功能缺陷或异常所引 起的疾病，称为分子病。 几乎所有的遗传病都与正常蛋白质分子结构改变有 关，即是分子病。 人类有很多种分子病已被查明是某种蛋白缺乏或异 常。这些缺损的蛋白质可能仅仅有一个氨基酸异常 。 如镰状红细胞贫血症（sickle cell anemia） Chapter 1 镰状细胞贫血（sick-cell anemia） 从患者红细胞中鉴定出特异的镰刀型或月牙型细胞。 -链 1 2 3 4 5 6 7 Hb-A Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys Hb-S Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys Val 取代Glu 含氧-HbAO2 O2 粘性疏水斑点 含氧HbS脱氧HbS 疏水位点 血红蛋白分子凝集 Chapter 1 蛋白质构象与功能的关系 空间构象决定蛋白
