生物 绪论及第二章 蛋白质化学

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1、生物化学第一章 绪论生物化学的研究内容：在分子水平上探讨构成生物体的基本物质（糖、脂、蛋白质、核酸、酶、维生素、激素等）的结构、物理化学性质和功能，以及这些物质在生物体内的代谢规律（化学变化规律和能量变化规律）,揭示某些复杂的生命现象（如生长、发育、衰老、疾病等）的分子机理。生物化学既是各门生物学理论学科（细胞生物学、分子生物学、遗传学、微生物学、免疫学、临床医学、诊断医学等等）的基础，同时也是制药工程学、食品和营养学等多门应用学科的基础。第二章 蛋白质化学蛋白质是由20种-氨基酸通过肽键相互连接而成的一类具有特定的空间构象和生物学活性的高分子有机化合物。 蛋白质对生命的意义：催化功能调节和调

2、控功能运动、支持和结构功能转运功能贮存功能保护功能蛋白质的组成和分类：元素组成上的特点：含N量较高，且恒定为16%左右蛋白质含量(%)=含氮量/16%=含氮量6.25(凯氏定氮法测蛋白质含量的基础)蛋白质的分类蛋白质的组成单位： 氨基酸一、氨基酸的结构一、氨基酸的结构共同特点：1.除脯氨酸外，在-C上 皆有一个氨基；2. 均为L-氨基酸；3. 除甘氨酸外，均有手性 碳。氨基酸分子上碳原子的编号氨基酸分子手性碳的参考标准氨基酸的分类按照氨基酸分子中所含的氨基和羧基的数目不同：按照氨基酸分子中侧链R基的性质不同：. 按照氨基酸分子中侧链R基的极性不同：非极性氨基酸 （10种）在生理pH条件下有极性

3、但不带电荷的氨基酸（5种）在生理pH条件下带电荷的氨基酸（5种）非极性氨基酸：Ala (A, 丙氨酸） Val (V, 缬氨酸)Leu ( L, 亮氨酸) Ile (I, 异亮氨酸） Met （M, 甲硫氨酸） Phe （F, 苯丙氨酸)Trp (W, 色氨酸) Pro (P, 脯氨酸）Tyr (T, 酪氨酸) Gly (G, 甘氨酸）极性但不带电荷的氨基酸：Ser (S, 丝氨酸） Thr (T, 苏氨酸）Asn (N, 天冬酰胺) Gln (Q, 谷氨酰胺) Cys (C, 半胱氨酸) 极性带电荷氨基酸：酸性氨基酸：Asp ( D, 天冬氨酸)Glu (E, 谷氨酸)碱性氨基酸：His (

4、H, 组氨酸) Lys (K, 赖氨酸)Arg ( R, 精氨酸)修饰氨基酸氨基酸的一般性质： 能结晶，晶形多种多样； 熔点高(200)； 味道各异； 除甘氨酸外，均有旋光性，蛋白质中的氨基酸均为L型，细菌中有D型氨基酸； 在近紫外光区(220nm-300nm)，只有Tyr、Phe和Trp三种氨基酸有光吸收能力，最大吸收值在280nm左右；酪氨酸和色氨酸 的紫外吸收氨基酸的两性性质和等电点全质子化的甘氨 酸的滴定曲线Handerson-Hasselbalch公式：proton accetorspH=pK+ lgproton donorspI=（pK1+ pK2) / 2氨基酸的甲醛醛滴定由于甲

5、醛能与氨基酸中的-NH2 作用形成-NHCH2OH、-N(CH2OH)2 等羟甲基衍生物，使氨基酸向解离出H 的方向移动，表现为酸性增强，碱性减弱（约23个pH单位）。氨基酸的甲 醛滴定曲线氨基酸的化学反应：茚三酮反应：除脯氨酸之外的-氨基酸生成的蓝紫色物质在570nm有最 大吸收，脯氨酸反应生成的黄色物质在440nm有最大吸收，所以该反应可用于柱层析和纸层析中氨基酸的定量和定性分析。氨基酸侧链的反应：米伦反应： Tyr福林反应： Tyr坂口反应： ArgPauly反应： His, Tyr乙醛酸反应：Trp氨基酸的离子交换层析：以人工合成的高分子化合物(如苯乙烯苯二乙 烯树脂)做支持物，其上交

6、联着可交换的阳离子或阴离子。阳离子交换树脂(含酸性基团），如：-SO3H (强酸型) 可解离出H+，溶液中的阳离 -COOH (弱酸型) 子与其交换而结合在树脂上阴离子交换树脂(含碱性基团），如：-N(CH3)3OH (强碱性) 可解离出OH,溶液中的阴离子-NH3OH (弱碱性) 能与其交换而结合在树脂上分离氨基酸混合物常用强酸型阳离子交换树脂：用碱处理交换柱，树脂变成Na+型，调氨基酸混合 物至pH2-3，使氨基酸变成阳离子，与Na+交换而挂在 树脂上。氨基酸与树脂结合的牢固程度取决于：静电引力 (主要) 疏水相互作用 (次要)pH3时，静电引力大小：碱性AA(R2+) 中性AA(R+)

7、酸性AA(R0)氨基酸自动分析仪原理示意图水解方 法操作优点缺点碱法加6mol/LNaoH，密封 于小试管，置110水 解若干小时能完全水解或不完全水解, Trp不被破坏, 水解液较清亮.水解作用强烈,大部 分氨基酸被破坏,发生外消旋作用酸法加5Mol/LHCl,密封于小 试管,置110水解若干 小时能完全水解, 大部分氨基酸不被破 坏, 不发生外消旋. Trp被破坏,Asn.Gln脱去酰胺氨 基,水解液呈黑色.酶法用蛋白酶酶解样品氨基酸不被破坏, 不发生外消旋, 水解条件温和. 水解不完全,不宜用来制备分离氨 基酸。蛋白质的水解蛋白质的结构一级结构 氨基酸的排列顺序二级结构三级结构 空间结构

8、 (高级结构）四级结构蛋 白 质 的 结 构 层 次 及 相 互 关 系蛋白质的一级结构：肽链中氨基酸的排列顺序和连接方式，是蛋白质分子结构的基础。肽键：一个氨基酸的-氨基和另一个氨基酸的-羧基之间脱去一分子水所形成的共价键。肽键的方向和表示方式肽单位的结构肽键的性质：1. 肽键具有部分双键的性质，所以不能自由旋转；2. 组成肽键的4个原子和2个相邻的C在一个平面上（称为酰胺 平面或肽平面）；3. 除脯氨酸的-NH2参与形成的肽键外，其余的肽平面上，两个 C都是处于更稳定的反式构象。肽和蛋白质特有的颜色反应：双缩脲反应（紫色和蓝紫色的复合物 ）蛋白质样品 (纯度 97）蛋白质中多肽链的数目 1

9、非共价结合变性剂共价结合氧化剂还原剂断开多肽链内的二硫键1水解后分析氨基酸的组成确定N-末端和C-末端氨基酸种类用多种方法裂解多肽链成小片段并测定其氨基酸序列用重叠法重建完整多肽的氨基酸顺序，确定二硫键位置断裂二硫键的方式水解后氨基酸组成的分析确定N-末端的方法：. 2,4-二硝基氟苯法（DNFB法）和丹磺酰氯法（DNS法 ）. Edman降解法（苯异硫氰酸酯法）确定C-末端的方法：. 肼解法苯甲醛（二亚苄衍生物，不溶于水）苯甲醛溶于水羧肽酶法羧肽酶A ：能释放除Pro、Arg、Lys之外的所用C-末端氨 基酸；羧肽酶B： 只能释放Lys和Arg形成的C-末端； 裂解多肽链成小片断的方法：溴化

10、氰（CNBr）裂解法：R1 = Met2. 羟氨裂解法R1 = Asn, R2 = Gly 3酶裂解法胰 蛋 白 酶： R1 = Lys、Arg, R2 Pro糜 蛋 白 酶： R1 = Phe、Tyr 、Trp, R2 Pro（胰凝乳蛋白酶）胃 蛋 白 酶： R1和R2Phe、Leu、Trp、Met葡萄球菌蛋白酶： R1 Glu, Asp 羧状芽孢杆菌蛋白酶： R1 = Arg二硫键位置的确定：对角线电泳胃蛋白酶水解第一相对角线电泳肽段 pH6.5暴露在过甲酸蒸汽中第二相电泳取下偏离对角线的肽段测序推断出二硫键的位置 蛋白质样品（相同条件下旋转90 ）借助重叠肽确定肽段在原多肽链中的次序N-

11、末端残基：HC-末端残基：S第一套肽段：OUSPSEOVERLAHOWT第二套肽段：SEOWTOUVERLAPSHO蛋白质的二级结构蛋白质主链折叠产生的由氢键维系的有规则的空间构象，称为二级结构。即多肽链的主链骨架中若干肽单位，各自沿一定的轴盘旋或折叠，形成的规则的氢键结构的构象。由于肽键是一个刚性 平面，所以羰基碳原子与 氮原子之间的CN键是 不能自由旋转的。但围绕 碳原子的C C键以 及C N键是可以自由旋 转的。这两个键所形成的 相对角度确定了蛋白质主 链的特定构象。当、均为180时完全伸展的主链构象二级结构的主要类型：-螺旋(- helix)-折叠(- pleated sheet)-转

12、角(- turn) 0.54nm1. -螺旋(- helix) 螺旋的方向为右手螺旋，每3.6个氨基酸旋转一周， 螺距为0.54nm，每个氨基酸残基的高度为0.15nm，肽键平面与螺旋长轴平行； 氢键是-螺旋稳定的次级键，相邻的螺旋间形成链内氢键，即从N端开始，每个氨基酸残基上的C=O与它后面第四个残基的N-H上的H形成氢键； -螺旋中，氨基酸残基的侧链分布在螺旋的外侧 ，它的形状、大小及电荷均影响螺旋的形成和稳定。 -螺旋也叫3.613螺旋，13表示氢键封闭的环内含有13个原子。影响- 螺旋稳定的因素：Gly 和Pro ;相邻的带相同电荷的氨基酸；相邻的带较大侧链的氨基酸，如Val, Leu

13、等-折叠结构折叠结构的特征： 肽链主链上的-NH-和相邻肽链上的-CO-之间形成有规律的氢键,所有的氢键都参与了链间 氢键的形成，氢键与肽链的长轴近于垂直； 肽链有平行和反平行两种排列方式，反平行式中形成氢键的各原子呈直线排列，所以更稳定； 反平行式中,两个氨基酸之间的距离为0.35nm； 肽链上的R基交替分布在折叠片的两侧，正反 交错，而肽平面几乎在同一平面上。 - 转角结构- 转角结构的特点：多肽链出现180的回折，氢键是在第一个氨基 酸的羧基与第四个氨基酸的氨基之间形成；Gly和Pro有利于形成- 转角结构，该结构主 要存在于球状蛋白质的表面。超二级结构和结构域：超二级结构：蛋白质分子中

14、的多肽链在三维折叠中形成的有规 则的二级结构的聚集体，如型 ，型，型等，它们通常以一个整体参与三维折叠。 结构域：蛋白质多肽链在三维折叠中形成的紧密装配的、在空间上可明显区分并相对独立的区域性结构，通常也是功能域。蛋白质的三级结构：多肽链中不同的结构域在三维空间上的折 叠组合所形成的复杂的空间构像称为三级结构 ，它包括多肽链中一切原子的空间排列方式。维持蛋白质三级结构的主要次级键：氢键疏水相互作用范德华力离子键共价键 等球状蛋白质质三维结维结 构的特征：（1） 一种分子可含有多个二级结构元件；（2）具有明显而丰富的折叠层次；（3）紧密折叠成球状或椭圆状；（4）疏水侧链埋藏在分子内部而亲水基团暴

15、露在分子表面；（5）分子表面往往有一个罅缝（空穴）。具有单个跨膜肽段的膜蛋白具有个跨膜肽段的膜蛋白蛋白质的四级结构：由两条或两条以上的具有三级结构的多肽链聚由非共价相互作用形成的特定的聚合体结构称为蛋白质的四级结构。其中每一条肽链称为亚基，亚基只有聚合成完整的四级结构才具有生物活性。亚基和亚基之间不能共价连接。血红蛋白的构象肌红蛋白的构象亚基缔合在结构和功能上的优越性1. 增强结构的稳定性2. 提高遗传的经济性和效率3. 使酶的催化部位汇集在一起4. 亚基之间的别构效应可以更好地调控蛋 白的功能蛋白质的结构和功能的关系：蛋白质的一级结构决定高级结构 (自学)蛋白质的一级结构与功能的关系 (自学)蛋白质的三级结构与功能的关系：肌红蛋白的结构His 93 (F8)His 64 (E7)血红素氧合肌红蛋白中血红素铁的配位情况肌红蛋白去氧时的