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1、生物化学 Biochemistry 山东大学医学院 生物化学与分子生物学系 田克立 Tel: 13791087728 E-mail: Spring 2014,1. 小分子 H2O（50%） metal irons: Na+, K+, Cl-, Ca2+, P- . trace element : Fe2+, Zn2+, Mg2+ carbohydrates (糖类) lipids (脂类) amino acids (氨基酸) vitamins (维生素类) and others 2. 生物大分子 proteins（蛋白质）(enzyme，酶) nucleic acids（核酸): DNA a
2、nd RNA polysaccharides (多糖) glycoproteins (糖蛋白, 糖+蛋白质) proteoglycan (蛋白聚糖) lipoproteins (脂蛋白, 脂+蛋白质) nucleoproteins (核蛋白, 核酸+蛋白质),构成生物体的生物分子,蛋白质的结构与功能,第 一 章,Structure and Function of Proteins,蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。 蛋白质是生物 体重要组成成分：分布广，含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45，某些组织含量更高，
3、例如脾、肺及横纹肌等高达80。 蛋白质具有重要的生物学功能 作为生物催化剂（酶），代谢调节作用，免疫保护作用，凝血抗凝血，物质的转运和存储，运动与支持作用，参与细胞间信息传递，氧化供能等。,第一节 蛋白质的分子组成,蛋白质的元素组成 C (5055%), H (67%), O (1924%), N (1319%), S (04%), P, metal elements, 蛋白质元素组成的特点 * 各种蛋白质的含氮量很接均为16。 * 体内的含氮物质主要为蛋白质，测定生物样品中的含氮量，根据以下公式可推算出蛋白质的大致含量： 100克样品中蛋白质的含量 ( g % ) = 每克样品含氮克数 6.
4、25100,一. 蛋白质的分子组成 氨基酸（amino acids）是组成蛋白质的基本单位,存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。 其他重要的氨基酸 (如鸟氨酸,瓜氨酸,-丙氨酸等),Name,Three-letter Symbol,and One-letter Symbol,丙氨酸 精氨酸 天冬酰胺 天冬氨酸 半胱氨酸 谷氨酰胺 谷氨酸 甘氨酸 组氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 赖氨酸 蛋氨酸 苯丙氨酸 脯氨酸 丝氨酸 苏氨酸 色氨酸 酪氨酸 缬氨酸,根据R侧链基团的结构和性质不同： 非极性脂肪族(疏水性)氨基酸 极性中性氨基酸 芳香
5、族氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸,二. 氨基酸的分类(Classification of amino acids),(1) 侧链含烃链的非极性疏水性脂肪族氨基酸,非极性氨基酸R基团间可形成疏水作用力,(2) 极性中性氨基酸,(3) 芳香族氨基酸侧链含芳香基团,可吸收紫外光，最大吸收峰280nm,Hydrogen bonds 氢键,一些功能基团如OH, -SH, -NH3+,H2O等之间可形成氢键,(4) 酸性极性氨基酸-R基团带负电荷（pH 7.2）,(5) 碱性极性氨基酸-R基团带正电荷（pH 7.2）,带相反电荷的氨基酸R侧链基团之间的相互作用,Ionic bonds (salt bond
6、s) 离子键（盐键）,几种特殊氨基酸,脯氨酸 Proline （亚氨基酸）,-S-S- 二硫键,半胱氨酸, 胱氨酸,Disulfide bond,胰岛素 (Insulin)依赖二硫键维持结构稳定性,二硫键 (Disulfide bond),维持蛋白质结构稳定,苏氨酸,丝氨酸,酪氨酸,-OH 基的H可被其它化学基团，如磷酸基P取代.,其他分类方式,侧链含羟基的氨基酸,蛋氨酸,半胱氨酸,含硫氨基酸,胱氨酸,NH2 and COOH 可解离： COOHCOO- + H+ NH2 + H+ NH3+ R 基团含可解离基团: 酸性和碱性 AAs 氨基酸是两性电解质，其解离程度 取决于所处溶液的酸碱度(p
7、H).,三. 氨基酸的理化性质(Properties of amino acids),1. 氨基酸具有两性解离的性质,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,等电点(isoelectric point, pI) 在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，分子所带的净电荷为零, 呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。,pI = (pK1+pK2),写出电离式,取兼性离子两边的pK值的平均值,2. 紫外吸收,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。 大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸
8、收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。,3. 茚三酮反应,* 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。,四. 蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链,（一）氨基酸通过肽键连接形成肽 (peptide),peptide bond or amide bond (酰胺键),+,甘氨酰甘氨酸,肽键,Peptide 肽,残基,多肽链,* 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。,羧基末端 C末端,氨基末端 N末端,Backbone or main-chain 主链骨架,Side-chain 侧链,COO- CH2,CH2,NH3+ CH2
9、CH2 CH2,Peptide 肽,Dipeptide (二肽): two AA residues（2个AA残基） Tripeptide (三肽): three AA residues Oligopeptide (寡肽): fewer than 10 AA residues Polypeptide (多肽): fewer than 50 AA residues Protein (蛋白质): more than 50 AA residues,Gly-Ala, Ala-Gly Gly-Ala-Lys, Gly-Lys-Ala, Ala-Gly-Lys, Ala-Lys-Gly, Lys-Ala-G
10、ly, Lys-Gly-Ala, (1 x 2 x 3 x 4 x 5 x n),肽有多种形式,20种氨基酸可排列组合形成种类繁多的蛋白质,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,（二） 重要生物活性肽,1. 谷胱甘肽 (glutathione, GSH),三肽 功能基团：- SH,GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,Antioxidant 2GSH + H2O2 GSSG + 2 H2O GSSH + NADPH + H+ 2GSH + NADP,Functions of GSH,体内许多激素属寡肽或多肽,神经肽,2. 多肽类激素及神经肽,第二节 蛋白质的分子结构 Struc
11、ture of Proteins,一级结构 (primary structure) 二级结构 (secondary structure) 三级结构 (tertiary structure) 四级结构 (quaternary structure),一. 蛋白质的一级结构 (Primary structure of protein),从N端至C端以肽键相连的氨基酸排列顺序，包括二硫键的位置。 主要的化学键：肽键，有些蛋白质还包括二硫键。,翻译,转录,蛋白质的氨基酸序列是由基因序列决定的,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础,R侧链基团的相互作用,二. 蛋白质的二级结构 (Secondar
12、y structure),蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。 主要化学键：氢键,主链骨架,肽键特性,（一） 肽单元（平面） Peptide unit (plane),肽单元,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个原子构成了肽单元 (peptide unit) 。,与C1和C2连接的单键可自由旋转，旋转角度决定相邻肽单元平面的相对空间位置，从而形成不同的二级结构形式。,蛋白质二级结构的主要形式,-螺旋 ( -helix ) -折叠 (
13、 -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 无规卷曲 ( random coil ),(二) -螺旋 -helix,right-hand helix,left-hand helix,主链骨架形成 右手螺旋,每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈 螺距 0.54 nm R侧链伸向螺旋外侧,Model of Right-Handed Alpha-Helix Showing H-Bonding,螺旋结构,多肽链的主链围绕中心轴有规律的螺旋式上升,螺旋走向为顺时钟,即右手螺旋; 氨基酸侧链(R)伸向螺旋外侧。每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈,螺距为0.54nm; 每个肽键的NH和其氨基端
14、第四个肽键的羰基氧(O=C)形成氢键,氢键的方向与螺旋长轴基本平行。肽链中的全部肽键都可形成氢键,以稳固螺旋结构。 肌红蛋白和血红蛋白分子中有许多肽链段落呈-螺旋结构。毛发的角蛋白、肌肉的肌球蛋白以及血凝块中的纤维蛋白,它们的多肽链几乎全长都卷曲成螺旋。 双性螺旋,（三）-折叠（-pleated sheet）,两条以上多肽链构成，多肽链充分伸展,每个肽单元以C为旋转点,依次折叠如扇面状；通过肽链间的肽键羰基氧(O=C)和亚氨基氢形成氢键从而稳固折叠结构。,氨基酸残基侧链(R)交替位于折叠片层上下方,平行肽链走向有平行与反平行两种方式。,-折叠,两条以上多肽链构成，多肽链充分伸展,每个肽单元以C
15、为旋转点,依次折叠如扇面状； 氨基酸残基侧链(R)交替位于折叠片层上下方；平行肽链走向有平行与反平行两种方式。 通过肽链间的肽键羰基氧(O=C)和亚氨基氢形成氢键从而稳固折叠结构。 蚕丝蛋白几乎都是折叠结构,许多蛋白质既有-螺旋又有折叠。,（四）-转角(turn)和无规卷曲(random coil),无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部分肽链结构。,* 转角常发生于肽链进行180回折时的转角上。 * 一转角通常由4个氨基酸残基组成,其第一个残基的羰基氧(O=C)与第四个残基的氨基氢(H)可形成氢键。 * 转角的第二个残基常为脯氨酸,其他常见残基有甘氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺和色氨酸。,在许多蛋白质分子中，可发现二个或二个以上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，被称为超二级结构 (super-secondary structures)。 包括：， ， 等。 模体 (motif) 是具有特殊功能的超二级结构。,（五）模体 (motif),Motif (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，形成一个特殊的空间构象，发挥特殊功能，被称为模体(motif)。 一个模体有其特征性的氨基酸序列.,常见模体 motif： helix turn (or loop) helix - Chain - turn
