王镜岩《生物化学》笔记(完整版)

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1、第一章第一章蛋白质化学蛋白质化学 教学目标 教学目标 1 掌握蛋白质的概念 重要性和分子组成 2 掌握 氨基酸的结构通式和 20 种氨基酸的名称 符号 结构 分类 掌握氨基酸的重要性质 熟悉肽和活性肽的概念 3 掌握蛋白质的一 二 三 四级结构的特点及其重要化学键 4 了解蛋白质结构与功能间的关系 5 熟悉蛋白质的重要性质和分类 导入 100 年前 恩格斯指出 蛋白体是生命的存在形式 今天 人们如何认识蛋白质的概念和重要性 1839 年荷兰化学家马尔德 G J Mulder 研究了乳和蛋中的清 蛋白 并按瑞典化学家 Berzelius 的提议把提取的物质命名为蛋白质 Protein 源自希腊语

2、 意指 第一重要的 德国化学家费 希尔 E Fischer 研究了蛋白质的组成和结构 在 1907 年奠立蛋白质 化学 英国的鲍林 L Pauling 在 1951 年推引出蛋白质的螺旋 桑格 F Sanger 在 1953 年测出胰岛素的一级结构 佩鲁茨 M F Perutz 和 肯德鲁 J C kendrew 在 1960 年测定血红蛋白和肌红蛋白的晶体结 构 1965 年 我国生化学者首先合成了具有生物活性的蛋白质 胰岛素 insulin 蛋白质是由 L 氨基酸通过肽键缩合而成的 具有较稳定的 构象和一定生物功能的生物大分子 biomacromolecule 蛋白质是 生命活动所依赖的物

3、质基础 是生物体中含量最丰富的大分子 单细胞的大肠杆菌含有 3000 多种蛋白质 而人体有 10 万种 以上结构和功能各异的蛋白质 人体干重的 45 是蛋白质 生命是 物质运动的高级形式 是通过蛋白质的多种功能来实现的 新陈代 谢的所有的化学反应几乎都是在酶的催化下进行的 已发现的酶绝 大多数是蛋白质 生命活动所需要的许多小分子物质和离子 它们 的运输由蛋白质来完成 生物的运动 生物体的防御体系离不开蛋 白质 蛋白质在遗传信息的控制 细胞膜的通透性 以及高等动物 的记忆 识别机构等方面都起着重要的作用 随着蛋白质工程和蛋 白质组学的兴起和发展 人们对蛋白质的结构与功能的认识越来越 深刻 第一节

4、蛋白质的分子组成第一节蛋白质的分子组成 一 蛋白质的元素组成 经元素分析 主要有 C 50 55 H 6 7 O 19 24 N 13 19 S 0 4 有些蛋白质还含微量的 P Fe Cu Zn Mn Co Mo I 等 各种蛋白质的含氮量很接近 平均为 16 因此 可以用定氮 法来推算样品中蛋白质的大致含量 每克样品含氮克数 6 25 100 100g 样品中蛋白质含量 g 二 蛋白质的基本组成单位 氨基酸 蛋白质在酸 碱或蛋白酶的作用下 最终水解为游离氨基酸 amino acid 即蛋白质组成单体或构件分子 存在于自然界中的氨基酸有 300 余种 但合成蛋白质的氨基酸仅 20 种 称编码

5、氨基酸 最先 发现的是天门冬氨酸 1806 年 最后鉴定的是苏氨酸 1938 年 一 氨基酸的结构通式 组成蛋白质的 20 种氨基酸有共同的结构特点 1 氨基连接在 C 上 属于 氨基酸 脯氨酸为 亚氨基酸 2 R 是側链 除甘氨酸外都含手性 C 有 D 型和 L 型两种立体异 构体 天然蛋白质中的氨基酸都是 L 型 注意 构型是指分子中各原子的特定空间排布 其变化要求共 价键的断裂和重新形成 旋光性是异构体的光学活性 是使偏振光 平面向左或向右旋转的性质 表示左旋 表示右旋 构型 与旋光性没有直接对应关系 二 氨基酸的分类 1 按 R 基的化学结构分为脂肪族 芳香族 杂环 杂环亚氨基酸 四类

6、 2 按 R 基的极性和在中性溶液的解离状态分为非极性氨基酸 极 性不带电荷 极性带负电荷或带正电荷的四类 带有非极性 R 烃基 甲硫基 吲哚环等 共 9 种 甘 Gly 丙 Ala 缬 Val 亮 Leu 异亮 Ile 苯丙 Phe 甲硫 Met 脯 Pro 色 Trp 带有不可解离的极性 R 羟基 巯基 酰胺基等 共 6 种 丝 Ser 苏 Thr 天胺 Asn 谷胺 Gln 酪 Tyr 半 Cys 带有可解离的极性 R 基 共 5 种 天 Asp 谷 Glu 赖 Lys 精 Arg 组 His 前两个为酸性氨基酸 后三个是碱性氨基酸 蛋白质分子中的胱氨酸是两个半胱氨酸脱氢后以二硫键结合

7、而成 胶原蛋白中的羟脯氨酸 羟赖氨酸 凝血酶原中的羧基谷氨 酸是蛋白质加工修饰而成 三 氨基酸的重要理化性质 1 一般物理性质 氨基酸为无色晶体 熔点一般在 200 oC 以上 各种氨基酸 在水中的溶解度差别很大 酪氨酸不溶于水 一般溶解于稀酸或 稀碱 但不能溶解于有机溶剂 通常酒精能把氨基酸从其溶液中沉 淀析出 芳香族氨基酸 Tyr Trp Phe 有共轭双键 在近紫外区有 光吸收能力 Tyr Trp 的吸收峰在 280nm Phe 在 265 nm 由于大 多数蛋白质含 Tyr Trp 残基 所以测定蛋白质溶液 280nm 的光吸 收值 是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法 2 两性解离

8、和等电点 isoelectric point pI 氨基酸在水溶液或晶体状态时以两性离子的形式存在 既可作 为酸 质子供体 又可作为碱 质子受体 起作用 是两性电解 质 其解离度与溶液的 pH 有关 在某一 pH 的溶液中 氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势和 程度相等 成为兼性离子 呈电中性 此时溶液的 pH 称为该氨基 酸的等电点 氨基酸的 pI 是由 羧基和 氨基的解离常数的负对 数 pK1 和 pK2 决定的 计算公式为 pI 1 2 pK1 pK2 若 1 个氨基酸有 3 个可解离基团 写出它们电离式后取兼性离 子两边的 pK 值的平均值 即为此氨基酸的等电点 酸性氨基酸的 等电点取两

9、羧基的 pK 值的平均值 碱性氨基酸的等电点取两氨基 的 pK 值的平均值 3 氨基酸的化学反应 氨基酸的化学反应是其基团的特征性反应 重要的有 1 茚三酮反应 所有具有自由 氨基的氨基酸与过量茚三酮共热形成蓝紫色 化合物 脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生黄色物质 用分光 光度法可定量测定微量的氨基酸 蓝紫色化合物的最大吸收峰在 570nm 波长处 黄色在 440nm 波长下测定 吸收峰值的大小与氨 基酸释放的氨量成正比 2 与 2 4 二硝基氟苯 DNFB 的反应 在弱碱性溶液中 氨基酸的 氨基很容易与 DNFB 作用生成 稳定的黄色 2 4 二硝基苯氨基酸 DNP 氨基酸 这一反应在蛋 白

10、质化学的研究史上起过重要作用 Sanger 等人应用它测定胰岛素 一级结构 多肽顺序自动分析仪是根据相类似的原理设计的 即利用多肽 链 N 端氨基酸的 氨基与异硫氰酸苯酯 PITC 反应 Edman 降解 法 三 肽 peptide 1 肽键与肽链 一个氨基酸的 羧基和另一个氨基酸的 氨基脱水形成的酰 胺键称为肽键 由氨基酸通过肽键相连而成的化合物称为肽 肽键 及其两端的 碳原子相连所形成的长链骨架 即 C C N C C N C C N C 称为多肽主链 C CN 是重复 单位 肽键是蛋白质分子中的主要共价键 多肽链的方向性是从 N 末端指向 C 末端 肽分子中不完整的氨基酸称为氨基酸残基

11、肽按其序列从 N 端 到 C 端命名 一般 10 肽以下属寡肽 10 肽以上为多肽 2 生物活性肽 1 谷胱甘肽 glutathione GSH 是由 Glu Cys Gly 组成的一种三肽 又叫 谷氨酰半胱氨酰甘 氨酸 含 肽键 Cys 的 SH 是主要功能基团 GSH 是一种抗氧 化剂 是某些酶的辅酶 可保护蛋白质分子中的 SH 免遭氧化 保 护巯基蛋白和酶的活性 在 GSH 过氧化物酶的作用下 GSH 还原 细胞内产生的 H2O2 生成 H2O 2 分子 GSH 被氧化成 GSSG 后 者在 GSH 还原酶催化下 又生成 GSH 2 多肽类激素和神经肽 人体内有许多激素属寡肽或多肽 如下

12、丘脑 垂体分泌的催产素 9 肽 加压素 9 肽 促肾上腺皮质激素 ACTH 39 肽 等 催 产素和加压素结构仅第 3 第 8 位两个氨基酸残基不同 前者使平 滑肌收缩 有催产和使乳腺泌乳的作用 后者能使小动脉收缩 增 高血压 也有减少排尿的作用 神经肽是在神经传导过程中起信号转导作用的肽类 如脑啡肽 5 肽 内啡肽 31 肽 强啡肽 17 肽 等 随着脑科学的 发展 会发现更多的生物活性肽 第二节 蛋白质的分子结构第二节 蛋白质的分子结构 蛋白质是生物大分子 结构比较复杂 人们用 4 个层次来描述 包括蛋白质的一级 二级 三级和四级结构 一级结构描述的是蛋 白质的线性 或一维 结构 即共价连

13、接的氨基酸残基的序列 又 称初 级或 化 学 结 构 二 级 以 上 的 结 构 称 高 级 结 构 或构象 conformation 一 蛋白质的一级结构 primary structure 1953 年 英国科学家 F Sanger 首先测定了胰岛素 insulin 的 一级结构 有 51 个氨基酸残基 由一条 A 链和一条 B 链组成 分 子中共有 3 个二硫键 其中两个在 A B 链之间 另一个在 A 链内 蛋白质的一级结构测定或称序列分析常用的方法是 Edman 降 解和重组 DNA 法 Edman 降解是经典的化学方法 比较复杂 首 先要纯化一定量的待测蛋白质 分别作分子量测定 氨

14、基酸组成分 析 N 末端分析 C 末端分析 要应用不同的化学试剂或特异的蛋 白内切酶水解将蛋白质裂解成大小不同的肽段 测出它们的序列 对照不同水解制成的两套肽段 找出重叠片段 最后推断蛋白质的 完整序列 重组 DNA 法是基于分子克隆的分子生物学方法 比较 简单而高效 不必先纯化该种蛋白质 而是先要得到编码该种蛋白 质的基因 DNA 片段 测定 DNA 中核苷酸的序列 再按三个核 苷酸编码一个氨基酸的原则推测蛋白质的完整序列 这两种方法可 以相互印证和补充 目前 国际互联网蛋白质数据库已有 3 千多种一级结构清楚 蛋白质一级结构是空间结构和特异生物学功能的基础 二 蛋白质的二级结构 secon

15、dary structure 蛋白质的二级结构是指其分子中主链原子的局部空间排列 是 主链构象 不包括侧链 R 基团 构象是分子中原子的空间排列 但这些原子的排列取决于它们 绕键的旋转 构象不同于构型 一个蛋白质的构象在不破坏共价键 情况下是可以改变的 但是蛋白质中任一氨基酸残基的实际构象自 由度是非常有限的 在生理条件下 每种蛋白质似乎是呈现出称为 天然构象的单一稳定形状 20 世纪 30 年代末 L Panling 和 R B Corey 应用 X 射线衍射分 析测定了一些氨基酸和寡肽的晶体结构 获得了一组标准键长和键 角 提出了肽单元 peptide unit 的概念 还提出了两种主链原

16、子 的局部空间排列的分子模型 螺旋 和 折叠 1 肽单位 肽键及其两端的 C 共 6 个原子处于同一平面上 组成了肽 单位 所在的平面称肽键平面 肽键 C N 键长为 0 132nm 比相邻的单键 0 147nm 短 而 较 C N 双键 0 128nm 长 有部分双键的性质 不能自由旋转 肽键平面上各原子呈顺反异构关系 肽键平面上的 O H 以及 2 个 碳原子为反式构型 trans configuration 主链中的 C C 和 C N 单键可以旋转 其旋转角 决定了两个相邻的肽键平面相对关系 由于肽键平面的相对旋转 使主链可以以非常多的构象出现 事实上 肽链在构象上受到很大 限制 因为主链上有 1 3 不能自由旋转的肽键 另外主链上有很多 侧链 R 的影响 蛋白质的主链骨架由许多肽键平面连接而成 2 螺旋 helix 螺旋是肽键平面通过 碳原子的相对旋转形成的一种紧密 螺旋盘绕 是有周期的一种主链构象 其特点是 螺旋每转一圈上升 3 6 个氨基酸残基 螺距约 0 54nm 每个残 基上升 0 15nm 旋转 100O 相邻的螺圈之间形成链内氢键 氢键的取向几乎与中心轴平行 典型