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1、,新乡医学院硕士研究生课程,高级生物化学,2011.8.,生物化学是研究生物体的化学组分及其在生命过程中的化学变化与生物学功能的科学，它既是现代生命科学中承前启后的基础学科，又是开创生命科学新纪元的带头学科之一。生物化学的基本理论、基础知识和研究技术不仅用以深刻地揭示生命运动的本质，而且为生物技术的发展奠定了基础，还日益广泛地渗透到工农业生产、医药卫生、环境保护以及人民生活的许多领域。,根据硕生研究生高级生物化学教学大纲的精神，本课程以生物大分子的结构与功能为核心，选择有代表性的专题，力图较全靣地反映当代生物化学热门研究领域的概况和发展趋势，以期帮助同学们开拓视野，增强创新意识和科学思维方法，
2、提高自学能力，为今后的专业课学习和开展研究工作奠定必要的基础。,第一章,蛋白质的结构与功能,蛋白质是活细胞中含量最丰富、功能最复杂的生物大分子，是各种生物功能主要的体现者。以核酸-蛋白质的结构、功能及其相互关系为中心，逐渐形成了分子生物学，成为带领生命科学进入新时代的龙头。 蛋白质的功能与其特殊的结构有着十分密切的内在联系，结构是特定功能的内在依据，功能则是特定结构的外在表现。因此，阐明蛋白质的分子结构及其与功能的关系是现代生物化学的基本命题，是揭示生命运动规律的必由之路。,蛋白质的分子组成,第一节,一、组成人体蛋白质的组成单位 -氨基酸,（一）氨基酸的构型 组成蛋白质的氨基酸均属 -氨基酸（
3、脯氨酸除外）。 组成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外其碳原子均属不对称碳原子，且均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。 自然界中虽然存在一些D-氨基酸（细菌、细胞壁和某些抗生素），但在人体组成中为什么均为L-氨基酸？,C,+,N,H,3,C,O,O,-,H,根据生物体内蛋白质合成过程中的遗传密码，可有20种-氨基酸参与编码氨基酸由于侧链结构R不同，其性质有很大差异可根据侧链结构和理化性质分为以下种类,（二）生成蛋白质的氨基酸,1、 非极性脂肪族氨基酸（侧链含烃链）,2、 芳香族氨基酸（侧链含芳香基团 ）,（侧链含负性解离基团）,（侧链含正性解离基团）,总之，酸性与碱性氨基酸 不仅带电荷，且极性较强，在蛋白质
4、分子中常出现在分子表面与环境中的水分子结合而使蛋白质具有亲水性质,5、 含羟基氨基酸、含硫氨基酸与酰胺,（三）蛋白质的修饰氨基酸蛋白质长肽链合成后或蛋白质翻译过程中。有些氨基酸残基经过修饰，改变其侧链的化学结构而出现的氨基酸叫修饰氨基酸（modified ammino acid)磷酸丝氨酸、磷酸苏氨酸、磷酸酪氨酸 羟基脯氨酸、羟基赖氨酸等，使原有的蛋白出现了新的结构与功能如胶原中出现的羟脯氨酸、羟赖氨酸是形成坚韧的胶原纤维的必要条件,二、蛋白质的连接方式,肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。,（一）氨基酸通过肽键连接而形成肽 (p
5、eptide),+,甘氨酰甘氨酸,肽键,肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。,两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽,肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。,由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。,N 末端：多肽链中有游离-氨基的一端 C 末端：多肽链中有游离-羧基的一端,多肽链有两端：,多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,蛋白质的分子结构包括:,一级结构(prima
6、ry structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure),第二节 蛋白质的分子结构,一级结构 指多肽链中氨基酸残基的数目、组成及其排列顺序（N-端C-端），即由共价键维系的多肽链的二维（线性）结构，不涉及空间排列。 二级结构 是多肽链主链（backbone）在氢键等次级键作用下折叠成的构象单元或局部空间结构，未考虑侧链的构象和整个肽链的空间排布。 三级结构 则指整个肽链的氨基酸残基侧链基团互相作用以及与环境间的相互作用下形成的三维结构。 四级结构 寡聚体内亚基的空间排列
7、,定义: 蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。,一、 蛋白质的一级结构,主要的化学键: 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。,1、种属差异 比较它们的一级结构，研究物种进化间的关系。 在进化中，随着时间的推蛋白质会以一定的概率发生基因突变，进而可从一级结构中反映出来。 不同种属的生物中具有同一功能的蛋白质在进化中往往来自同一祖先，但有种属差异。,如细胞色素C,2、同源蛋白质 指来自同一祖先，随着进化而分化为具有不同功能特征的蛋白质，近年由于大量蛋白质一级结构的阐明，为同源蛋白质分化的研究
8、提供了理论基础。如：谷胱甘肽还原酶与硫辛酰胺还原酶均有转移氢到含硫化合物的催化功能，其一级结构中40%以上位置的氨基酸相同。3、蛋白家族与超家族 也属同源蛋白质(氨基酸残基组成少于50%）因其仍为同源蛋白质，或者是同一祖先的复制产物，或者其功能近似，称超家族。,二、 蛋白质二级结构,主要的化学键：氢键,（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上,参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。,-螺旋 ( -helix) -折叠 (-pleated sheet
9、)-转角 (-turn)无规卷曲 (random coil),（二）-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构,蛋白质二级结构,-螺旋,-螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形成的有规律的螺旋构象，其结构特征为： 为一右手螺旋； 螺旋每圈包含3.6个氨基酸残基， 螺距 为5.4 A 螺旋以氢键维系稳定。,-螺旋特征,影响-螺旋稳定的因素有 极大的侧链基团（存在空间位阻）； 连续存在的侧链带有相同电荷的氨基酸残基（同种电荷的互斥效应） 有亚氨基酸（Pro）存在（影响氢键形成,氢键,-折叠（-pleated sheet）,-转角和无规卷曲,-转角,无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。,超二级
10、结构（模体）,在许多蛋白质分子中，可发现二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合及特定的空间结构被称为超二级结构。,二级结构组合形式有3种：， 。,三、 蛋白质三级结构,整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。,定义:,（一）三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置,肌红蛋白 (Mb),（二）结构域,结构域的概念：结构域是三级结构层次上的局部折叠区分子量较大的蛋白质常可折叠成多个结构较为紧密的区域，并各行其功能，称为结构域 (domain) 。 结构域的概念具有三种不同而又相互联系的涵义：即独立的结构单位、独立
11、的功能单位和独立的折叠单位。,纤连蛋白分子的结构域,（三）分子伴侣参与蛋白质折叠,分子伴侣(chaperon)通过提供一个保护环境从而加速蛋白质折叠成天然构象或形成四级结构。,分子伴侣可逆地与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开，如此重复进行可防止错误的聚集发生，使肽链正确折叠。,分子伴侣也可与错误聚集的肽段结合，使之解聚后，再诱导其正确折叠。,分子伴侣在蛋白质分子折叠过程中二硫键的正确形成起了重要的作用。,伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用,球状蛋白质三维结构的特征,（1）球状蛋白质分子含有多种二级结构元件 （2）球状蛋白质三维结构具有明显的折叠层次,（3）球状蛋白质分子是紧密的球状或椭球状实体 （4
12、）球状蛋白质具有疏水的内核和亲水的表面 （5）球状蛋白质分子表面有一空穴,Lactoferrin,乳铁蛋白 Lactoferrin,亚基之间的结合主要是氢键和离子键。,四、含有二条以上多肽链的蛋白质具有四级结构,蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。,有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链，每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白质的亚基 (subunit)。,由2个亚基组成的蛋白质四级结构中，若亚基分子结构相同，称之为同二聚体(homodimer)，若亚基分子结构不同，则称之为异二聚体(heterodimer)。,血红蛋白的四级结构,亚基排布方式 A
13、烟草花叶病毒的外壳蛋白亚基绕中心轴成螺旋状排列；B C2对称的二聚体，每个亚基绕中心轴旋转180好可与另一亚基重合；C C3对称的三聚体，每个亚基绕中心轴旋转120可与另一亚基重合；D 四聚体；E 六聚体；F 八聚体。,四级结构的形式具有以下优越性：（1）四级结构赋予蛋白质更加复杂的结构，以便执行更为复杂的功能。 （2）通过亚基间的协同效应，可以对酶活性进行别构调节。（3）中间代谢途径中有关的酶分子以亚基的形式组装成结构化多酶复合物，可避免中间产物的浪费，提高了催化效率。（4）寡聚体的形成在一定程度上降低了细胞内渗透压。(5）可将大小、种类有限的亚基组装成具有特殊几何形状的超分子复合物,第三节
14、,蛋白质的理化性质 The Physical and Chemical Characters of Protein,一、蛋白质具有两性电离的性质,蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。,当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。,蛋白质的等电点( isoelectric point, pI),二、蛋白质具有胶体性质,蛋白质属于生物大分子之一，分子量可自1万至100万之巨，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。,颗粒表面电荷
15、水化膜,蛋白质胶体稳定的因素:,水化膜,带负电荷的蛋白质,溶液中蛋白质的聚沉,三、蛋白质空间结构破坏而引起变性,在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，也即有序的空间结构变成无序的空间结构，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。,蛋白质的变性(denaturation),造成变性的因素: 如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等 。,应用举例: 临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。 此外, 防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。,若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性(renaturation) 。,天然状态，有催化活性,尿素、 -巯基乙醇,去除尿素、 -巯基乙醇,非折叠状态，无活性,在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。 变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。,蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，此凝块不易再溶于强酸和强碱中。,蛋白质沉淀,蛋白质的凝固作用(protein coagulation),四、蛋白质在紫外光谱区有特征性吸收峰,由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。,
