生物竞赛生化

1、生物化学 绪绪 论论什么是生物化学？什么是生物化学？ 就是研究生命化学的科学，它运用化学就是研究生命化学的科学，它运用化学原理和方法从分子水平探讨生命现象的本质原理和方法从分子水平探讨生命现象的本质研究方法：研究方法： 主要采用化学的原理和方法，同时也与生主要采用化学的原理和方法，同时也与生理学、细胞学、遗传学相联系和交叉理学、细胞学、遗传学相联系和交叉研究内容研究内容 一、生物分子的结构与功能：一、生物分子的结构与功能：探讨生物体的物质组成探讨生物体的物质组成以及分子结构、性质和功能以及分子结构、性质和功能二、物质代谢及其调节：二、物质代谢及其调节：物质代谢的规律、能量转化物质代谢的规律、能

2、量转化及其调节控制及其调节控制 属静态生化属静态生化三、基因信息传递规律及其调控：三、基因信息传递规律及其调控：DNADNA复制、复制、RNARNA转录、转录、蛋白质翻译、蛋白质翻译、基因表达调控等基因表达调控等 通常将生物大分子结构、功能及其代谢调控的研通常将生物大分子结构、功能及其代谢调控的研究称为究称为分子生物学分子生物学（生物大分子的来龙去脉）（生物大分子的来龙去脉） 属动态生化属动态生化第一节第一节 蛋白质的化学组成蛋白质的化学组成第二节第二节 蛋白质分子结构蛋白质分子结构第三节第三节 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系第四节第四节 蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质第一章第

3、一章 蛋白质结构与功能蛋白质结构与功能碳碳(C) 50%-55%(C) 50%-55%氢氢(H) 6%-8%(H) 6%-8%氧氧(O) 19%-24%(O) 19%-24%氮氮(N) 13%-19%(N) 13%-19% 16%；N(g)6.25= 样品样品Pro含量含量硫硫(S) 0%-4%(S) 0%-4%少量的少量的 P P、FeFe、CuCu、ZnZn、I I第一节第一节 蛋白质的化学组成蛋白质的化学组成元素组成元素组成 一、氨基酸一、氨基酸(amino acid)(amino acid) 蛋白质的构件分子（蛋白质的构件分子（building blocksbuilding block

4、s）H N3+HAmino groupAmino groupCarboxylic group氨基酸结构通式氨基酸结构通式COO-CaR group氨基酸的种类氨基酸的种类 1809年发现Asp，1938年发Thr，目前已发现180（生物化学第三版 王镜岩）/300多种 构成构成蛋白质的蛋白质的2020种氨基酸种氨基酸的结构特点：的结构特点： 1.均为L-氨基酸，各种aa的R侧链各不相同 2.-碳原子上均连有一个氨基(脯氨酸除外) 3.-碳原子为手性碳原子(甘氨酸除外） 近年来发现，谷胱甘肽过氧化物酶中存在由终止密码UGA编码的硒代半胱氨酸，可能是第21种蛋白质氨基酸；目前，第22种氨基酸吡咯赖

5、氨酸（一）氨基酸的分类（一）氨基酸的分类 根据氨基酸侧链基团的结构和理化根据氨基酸侧链基团的结构和理化性质，分为性质，分为4 4类：类：1.1.非极性疏水性氨基酸非极性疏水性氨基酸2.2.极性中性氨基酸极性中性氨基酸3.3.酸性氨基酸酸性氨基酸4.4.碱性氨基酸碱性氨基酸 1. 7 1. 7个非极性疏水性氨基酸个非极性疏水性氨基酸 甘氨酸（甘氨酸（GlyGly）、丙氨酸（）、丙氨酸（AlaAla）、缬氨酸）、缬氨酸（ValVal）、亮氨酸（）、亮氨酸（LeuLeu）、异亮氨酸（）、异亮氨酸（IleIle）、）、苯丙氨酸（苯丙氨酸（PhePhe）、脯氨酸（）、脯氨酸（ProPro）2. 82.

6、8个极性中性氨基酸个极性中性氨基酸R-R-基含有基含有极性基团；极性基团；酪氨酸酪氨酸( (TyrTyr) )生理生理pHpH条件下不解离条件下不解离色氨酸色氨酸( (TrpTrp) )丝氨酸丝氨酸( (SerSer) )半胱氨酸半胱氨酸( (CysCys) )蛋氨酸蛋氨酸( (MetMet) )天冬酰胺天冬酰胺( (AsnAsn) ) 谷氨酰胺谷氨酰胺( (GlnGln) )苏氨酸苏氨酸( (ThrThr) )3. 23. 2个酸性氨基酸个酸性氨基酸R-R-基有基有COOH/COOCOOH/COO- -带负电荷带负电荷4. 34. 3个碱性氨基酸个碱性氨基酸R-R-基有基有NHNH2 2/N

7、H/NH3 3+ +赖氨酸赖氨酸(Lys)(Lys)、精氨酸、精氨酸(Arg(Arg) )、组氨酸、组氨酸(His)(His)带正电荷带正电荷组氨酸（组氨酸（HisHis）CHCHCH2CHNH3+COO-NHNH+CH咪唑基咪唑基精氨酸（精氨酸（ArgArg）+胍基胍基CNH2NH2NHCH2CH2CH2CHNH3+COO-1. 1. 两性解离及等电点两性解离及等电点（二）（二） 氨基酸的理化性质氨基酸的理化性质R CHNH2COOHRCHNH3+COO-RCHNH3+COOHRCHNH2COO-+ OH+ OH+ H+ H+ + OH+ OH+ H+ H+ +pHpHpIpIpH=pIpH

8、=pI等电点等电点(pI(pI) )氨基酸酸性解离和碱性解离的程度相等，分子氨基酸酸性解离和碱性解离的程度相等，分子所带的净电荷为零，此时溶液的所带的净电荷为零，此时溶液的pHpH值就称为该值就称为该氨基酸的等电点氨基酸的等电点除碱性氨基酸外，其余氨基酸等电点均小于除碱性氨基酸外，其余氨基酸等电点均小于7 7pIpI=1/2=1/2（pKpK1 1+pK+pK2 2）若一个若一个aaaa有有3 3个解离基因，则其个解离基因，则其pIpI为兼性离子为兼性离子两边两边pKpK的平均值的平均值2.2.紫外吸收性质紫外吸收性质 色氨酸和酪氨酸在色氨酸和酪氨酸在280nm280nm波长附近对紫波长附近对

9、紫外光有最大吸收峰外光有最大吸收峰 据此可以通过测定蛋白质溶液据此可以通过测定蛋白质溶液280nm280nm的的吸光值快速测定其蛋白质含量吸光值快速测定其蛋白质含量3.3.茚三酮反应茚三酮反应aaaa与水合茚三酮一起加热，生成蓝紫色的与水合茚三酮一起加热，生成蓝紫色的化合物，在化合物，在570nm570nm处有最大吸收。据此亦处有最大吸收。据此亦可用作可用作aaaa含量分析含量分析（一）（一） 肽与肽键肽与肽键二、二、肽肽 一个氨基酸的一个氨基酸的-羧基与羧基与另一个氨另一个氨基酸的基酸的-氨基脱去一分子水缩合形成氨基脱去一分子水缩合形成的键称的键称肽键肽键(peptide bond)(pep

10、tide bond)C CO OHOHOCHCH3 3NHNH2 2H HC C+ +HOHOC CO OCHCH2 2NHNH2 2H HC C丙氨酸丙氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸C CO OHOHOCHCH3 3H HC CCHCH2 2NHNH2 2H HC C肽键肽键N NC CO OH H二肽二肽苯丙氨酰丙氨酸苯丙氨酰丙氨酸肽肽 peptidepeptide氨基酸借肽键相连而形成的化合物氨基酸借肽键相连而形成的化合物HisHisPhePhe二肽二肽CysCysThrLysMetMetHisHis五肽五肽寡肽寡肽(oligopeptideoligopeptide ):1010个以内氨基酸连成个

11、以内氨基酸连成多肽多肽(polypeptide )(polypeptide )：多个氨基酸连成的肽，其形多个氨基酸连成的肽，其形 状为一条没有分支的长链，又称多肽链或肽链状为一条没有分支的长链，又称多肽链或肽链氨基端氨基端( (端端) )羧基端羧基端(C(C端端) )CysMet His LysSer ThrLeuNH2COOH 氨基酸在形成肽链时失去了一分子水，氨基酸在形成肽链时失去了一分子水，肽链中的氨基酸分子不再完整，肽链中的氨基酸分子不再完整，称为称为氨基酸氨基酸残基残基(amino acid residue)(amino acid residue)氨基酸残基氨基酸残基蛋白质与多肽的区

12、别：蛋白质与多肽的区别：ProteinProtein空间构象相对稳定空间构象相对稳定氨基酸残基数较多氨基酸残基数较多PeptidePeptide空间构象不稳定空间构象不稳定氨基酸残基数较少氨基酸残基数较少（二）生物活性肽（二）生物活性肽 1. 1. 谷胱甘肽谷胱甘肽(glutathione(glutathione，GSH)GSH)构成第一个肽键的构成第一个肽键的羧基是谷氨酸的羧基是谷氨酸的r r羧基羧基GSHGSH是体内重要的是体内重要的还原剂还原剂半胱氨酸半胱氨酸(Cys(Cys) )甘氨酸甘氨酸(Gly(Gly) )谷氨酸(Glu) 由下丘脑分泌，其功能是促进腺垂体释放由下丘脑分泌，其功能

13、是促进腺垂体释放促甲状腺素促甲状腺素( (调节糖代谢调节糖代谢) )2.2.促甲状腺素释放激素促甲状腺素释放激素(1) (1) 组成组成pyro-Glu-GluHisHisPro-Pro-NH2(2) (2) 功能功能焦谷氨酸焦谷氨酸组氨酸组氨酸脯氨酰胺脯氨酰胺三、蛋白质的分类三、蛋白质的分类1.1.根据组成成分分为：根据组成成分分为：单纯蛋白质单纯蛋白质全部由全部由aaaa组成组成结合蛋白质结合蛋白质除蛋白部分外，还含非蛋除蛋白部分外，还含非蛋 白部分白部分结合蛋白质中的非蛋白部分称为结合蛋白质中的非蛋白部分称为辅基辅基，常以，常以 共价键与蛋白部分相连共价键与蛋白部分相连辅基辅基：包括色素

14、、寡糖、脂类、磷酸、金属：包括色素、寡糖、脂类、磷酸、金属 离子乃至核酸等离子乃至核酸等2. 2. 根据其形状分为：根据其形状分为：纤维蛋白质纤维蛋白质分子状如纤维，其长轴分子状如纤维，其长轴 比纵轴大于比纵轴大于1010：1 1球状蛋白质球状蛋白质分子状如球形或椭圆形分子状如球形或椭圆形难溶于水，常作为细胞支架和细胞连难溶于水，常作为细胞支架和细胞连接，如大量存在于结缔组织中接，如大量存在于结缔组织中可溶于水，如可溶于水，如: :酶、转运蛋白、免疫球蛋酶、转运蛋白、免疫球蛋白等白等第二节第二节 蛋白质的分子结构蛋白质的分子结构一、一、 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构二、二、 蛋白质的二级结

15、构蛋白质的二级结构三、三、 蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构四、四、 蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构高级结构高级结构或或空间结构空间结构一、蛋白质的一级结构一、蛋白质的一级结构 蛋白质一级结构的概念：蛋白质一级结构的概念：蛋白质分子中所有氨基酸的排列顺序，蛋白质分子中所有氨基酸的排列顺序，主要化学键：主要化学键：肽健，二硫键肽健，二硫键 氨基酸序列书写：氨基酸序列书写：以氨基端开始以氨基端开始, ,羧基末端结束羧基末端结束依次编依次编1 1、2 2、3 3 蛋白质多肽链中氨基酸残基的排蛋白质多肽链中氨基酸残基的排列顺序称为蛋白质的列顺序称为蛋白质的一级结构一级结构CysMetPheLysSe

16、rThrVal NH2COOH胰岛素的一级结构胰岛素的一级结构 蛋白质的根本差异在于一级结构的不同蛋白质的根本差异在于一级结构的不同二、蛋白质二级结构二、蛋白质二级结构 概念：概念：是指蛋白质分子中一段多肽链的局部空是指蛋白质分子中一段多肽链的局部空间结构，即该段肽链主链骨架原子的相间结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及到对空间位置，并不涉及到aaaa侧链侧链R R基团基团的构象的构象肽键中，与肽键中，与- -相连的相连的O O和和H H呈反式构型呈反式构型（反式）（反式）（顺式）（顺式）C CN NO OH HC CN NO OH H肽键的特点：肽键的特点：肽键的特点肽键的特

17、点C-N单键为0.149nmC=N双键为0.127nm具有部分双键性质具有部分双键性质不能自由旋转不能自由旋转肽键中键长为肽键中键长为0.132nm0.132nmC CN NO OH H肽键中的和肽键中的和- -均不能自由旋转均不能自由旋转和肽键和肽键(-CONH-)(-CONH-)中中的个原子个的个原子个碳原子碳原子( C( C) )被约束在一个刚性平面（即被约束在一个刚性平面（即肽键平面）上，构成一个肽键平面）上，构成一个肽单元肽单元(peptide unit)(peptide unit)蛋白质的二级结构类型蛋白质的二级结构类型螺旋结构螺旋结构折叠结构折叠结构-转角转角无规卷曲无规卷曲（一

18、）（一）螺旋螺旋 (helix)helix)由肽键平由肽键平面盘旋形面盘旋形成的螺旋成的螺旋状构象状构象2.2.螺旋的结构特征螺旋的结构特征以肽键平面为单位以肽键平面为单位, ,以以碳原子为转碳原子为转折盘旋形成折盘旋形成右手螺右手螺旋旋(2) (2) 每每3.63.6个氨基酸残基个氨基酸残基 绕成一个螺圈绕成一个螺圈(360(3600 0) )螺距为螺距为0.54nm0.54nm每个氨基酸上升每个氨基酸上升0.15nm0.15nm肽键平面与中心轴肽键平面与中心轴平行平行(3)(3)主链原子构成螺旋的主体主链原子构成螺旋的主体, ,侧链在其外部侧链在其外部(4)(4)肽键的肽键的COCO和和N

19、HNH 都形成都形成氢键氢键是稳定螺旋的主是稳定螺旋的主要作用力要作用力氢键的方向与中氢键的方向与中心轴大致平行心轴大致平行, ,（二）（二）折叠折叠(pleated sheet) 肽键平面呈伸展的锯齿状排列肽键平面呈伸展的锯齿状排列, ,形成的结构称形成的结构称折叠。折叠。常为两条或两条以上伸展的多肽链侧常为两条或两条以上伸展的多肽链侧向聚集在一起形成扇面状，故又称向聚集在一起形成扇面状，故又称折叠片或折叠片或片层片层1.1.概念概念2. 2. 折叠结构特点折叠结构特点 相邻肽键平面的夹角为相邻肽键平面的夹角为1101100 0 ，呈锯齿状排列，呈锯齿状排列; ;侧链基侧链基团交错地分布在片

20、层平面的两侧团交错地分布在片层平面的两侧( () )由氢键维持稳定。其方向与折叠的长轴由氢键维持稳定。其方向与折叠的长轴 接近垂直接近垂直 ( () )条肽段平行排列构成，肽段之间条肽段平行排列构成，肽段之间 可顺向平行可顺向平行( (均从均从N-C)N-C)，也可反向平行，也可反向平行（三）（三）转角转角(turn)turn)肽链出现肽链出现1801800 0回折的转角处结构回折的转角处结构称为称为转角转角1.1.概念概念2.2.结构特征结构特征* *第一个残基的第一个残基的C=OC=O与第四个与第四个残基的残基的N-HN-H形成形成氢键氢键* *常见于球状蛋常见于球状蛋白质分子表面白质分子表面（四）无规卷曲（四）无规卷曲(random coil)(random coil)1.1.概念概念 没有确定规律性的肽键构象没有确定规律性的肽键构象常见于球状蛋白质分子中，在其常见于球状蛋白质分子中，在其它类型二级结构肽段之间起活节它类型二级结构肽段之间起活节作用，有利于整条肽链盘曲折叠作用，有利于整条肽链盘曲折叠H H2 2N NCO