生物化学上册精要

1、生 物 化 学 提 要 OUTLINE OF BIOCHEMISTRY第 1 章 糖 (Carbohydrates)11学习要点糖是所有含有醛基（半缩醛羟基）或酮基（半缩酮羟基）的多羟基化合物的总称。单糖（monosaccharides）单糖的结构特征单糖是有机小分子，碳架、构型、构像、功能基团等都是在学习单糖时应注意的结构要素。其中，构型上的异构或/和构像上的异构可以引起异构体间化学性质和生物学功能的显著差异甚至改变，因此确定分子的构型或构像是非常重要的。单糖的旋光异构旋光性物质具有的使经过的偏振光旋转一定角度的能力。两个旋光符号+、-，各表示右旋和左旋。旋光性发生的原因是分子的不对称结构，

2、如存在不对称碳原子（手性碳原子）。旋光异构体分子的化学组成相同但旋光性不同，彼此为旋光异构体。含有一个手性碳原子的甘油醛或乳酸存在D型（右旋）和L型（左旋），D型和L型甘油醛是对映体，即互为镜像的旋光异构体。含有n个手性碳原子的分子其旋光异构体的数目理论上可以达到2n个。D型糖和L型糖通过和甘油醛比较可以确定其他含有手性碳原子的分子的相对构型。用D和L表示两种旋光异构构型，故相对构型与旋光符号无关。可以根据远离羰基的不对称碳原子，即第4个不对称C原子的-OH排布方向将单糖分为D型糖和L型糖。天然葡萄糖是D型。自然界已知的单糖基本上都是D型。己糖有多少旋光异构体？理论上链式己醛糖应该有24 =1

3、6种旋光异构体。由于在水溶液中可以形成环状结构（例如吡喃葡萄糖），使羰基C原子成为不对称C原子，因而旋光异构体增加。（2）单糖的环状结构溶液中的单糖和寡糖、多糖等中的单糖单位都是环状结构。己糖因其含氧六元环称为吡喃糖，戊糖因含氧五元环称为呋喃糖。对单糖的环状结构的认识最先是通过研究葡萄糖的变旋现象获得的。半缩醛羟基或半缩酮羟基（异头体）环状结构中羰基C原子成为新的手性C原子，与其连接的羟基称为半缩醛羟基或半缩酮羟基（异头体）。依据异头体与糖环平面的相对位置不同，用a（在平面下）和b（在平面上）区分异头体构型，因而有a-和b-吡喃糖，a-和b-呋喃糖之分。吡喃糖有两种无张力构像椅式构像和船式构像

4、。椅式比船式稳定，这是因为在船式中存在C-C键的重叠和不相邻原子间（C1-H和C4-H）的作用力。（3）单糖的主要功能团：羰基（醛基和酮基）、羟基2 单糖的性质（1）单糖的互变异构在稀碱下，葡萄糖、果糖和甘露糖之间可以互变异构。（2）葡萄糖的变旋现象：新鲜配制的葡萄糖溶液放置一段时间其旋光度发生改变。由+1120变为+52O。（3）单糖的主要功能团的反应性与单糖衍生物糖苷、氨基糖、糖酯、糖酸、糖醇、糖杀糖苷（glycoside）：单糖的缩醛式化合物，单糖的醛基（半缩醛羟基）参与反应，提供羟基的分子称为配糖体糖酯：单糖的羟基或半缩醛羟基的酯化产物。自然界中的糖酯通常是磷酸酯或硫酸酯。糖酸：单糖的

5、羟基或半缩醛羟基被氧化为羧基的产物。如糖二酸、糖醛酸糖醇：单糖的醛基被还原为羟基的产物氨基糖（糖胺）：单糖的羟基被氨基取代的产物。某些氨基还可进一步被乙酰化。3单糖的生物学功能细胞的燃料分子。例如葡萄糖是所有细胞都能利用的燃料分子（见糖代谢）。寡糖和多糖等的构件分子。非糖生物分子的碳架来源（见有关物质代谢）。某些重要的单糖及其衍生物如D-葡萄糖（Glu）、D-半乳糖（Gal）、D-甘露糖（Man）、D-果糖（Fru）、唾液酸（sailic acid）或N-乙酰-D-神经氨酸（NeuNAC）112 二糖、寡糖和多糖 oligasaccharides and polysaccharides1.二糖

6、、寡糖和多糖的结构特征糖苷键（glycosidic bond）：二糖、寡糖和多糖中单糖单位之间的连键，由一单糖的半缩醛羟基与另一单糖单位的羟基缩合而成。其形式如C1O C1，2，3，4，6 ，如C1O C1简要表示为（1®1）。根据异头体的构型可以分为a-糖苷，如蔗糖 a-Glc（1® 2）-a- Fru，麦芽糖 a-Glc（1®4）Glc，海藻糖 a-Glc（ 1® 1）Glcb-糖苷，如乳糖 b-Gal（ 1 ® 4）-a-Glc，纤维二糖b-Glc（1® 4）Glc（2）单糖单位的数目和种类寡糖一般含3-10单糖单位，多糖由于所

7、含的单糖单位数目不确定，往往没有确定的分子量。组成上多糖一般不具有复杂性，即构成多糖的单糖单位种类很少。按照复杂程度将多糖分为均一多糖(homopolysaccharides)和不均一多糖(heteropolysaccharides)2. 二糖、寡糖和多糖的生物学功能储存能量。凡能为生物提供单糖作为燃料分子的糖都可以作为生物的能源，例如淀粉、糖原，它们也被称为储藏多糖(stored polysaccharides) （见糖代谢） 结构成分。如纤维素、几丁质分别是植物/真菌/节肢动物等细胞壁或外骨骼成分，糖胺聚糖(glycosaminoglycans)和蛋白聚糖(proteoglycans)是动

8、物细胞间质成分，肽聚糖（peptideglycan）是细菌细胞壁成分，它们统称为结构多糖(struvtural polysaccharides) 3糖的生物合成（见糖代谢） 糖蛋白Glycoproteins一类由糖类同多肽或蛋白质以共价键连接而成的结合蛋白。糖在其中的含量从1%到70%左右。作为分泌蛋白，如粘液糖蛋白(mucous glycoproteins) 、血清糖蛋白(serum glycoproteins)或膜蛋白，如血型物质、载体、受体等1. 糖蛋白中的糖的结构特征糖与氨基酸的连接也称为糖苷键，根据连接氨基酸残基的侧链不同分为两类：单糖的半缩醛羟基与丝氨酸/苏氨酸残基的羟基缩合而成。

9、其形式如（糖）C1O C（肽）。单糖的半缩醛羟基与天冬酰胺或赖氨酸的氨基缩合而成。其形式如（糖）C1N C（肽）。单糖单位之间的连接：多种类型糖苷键单糖单位：多样，常见的如Glc 、Gal、Man、木糖（Xyl）、岩藻糖（Fuc）、GlcNAc、GalNAc、GlcuA、艾杜糖（IduA）、SA某些糖蛋白中的糖链结构人免疫球蛋白IgG的糖链部分：Man-Man-Man-GlcNAc-GlcNAc 天冬酰胺残基人红细胞血型物质主要糖链部分： Gal -GalNAc®丝氨酸（苏氨酸）残基 ­ ­ SA SA 2糖蛋白中的糖的生物学功能：信息分子，参与分子识别和细胞识别

10、。决定分子半衰期，例如Aschwell的早期实验：血浆铜兰蛋白除去唾液酸，露出半乳糖后，加速被从血浆中清除。肝细胞上有去唾液酸蛋白质的受体。 作为遗传标志作为抗原决定簇为新合成的蛋白质提供“邮递”信息。在蛋白质加工和运输中参与形成中间体结构作用提供粘滞性和弹性，形成电荷和水化层，使蛋白质具有润滑和保护作用。稳定：抗变性、掩蔽和保护蛋白质敏感位点，抗冻锚着：如GPI（糖基化磷脂酰肌醇）连接将蛋白质固定在细胞膜外表面。3糖蛋白的糖基化（见蛋白质生物合成）蛋白质糖基化发生在高尔基体中，由具有高度专一性的糖基转移酶和糖苷酶催化，需要糖基载体114 糖的分析旋光性：a D °C=旋光度/管长（

11、分米）* 浓度（g/ml ） 光吸收：A=e * L * C ，式中： A=光吸收（即A=logI0/I）， e =克分子消光系数，L=比色杯直径，C=克分子浓度第2章 脂类(Lipids)2.1 学习要点脂类是一切不溶于水, 溶于弱极性或非极性有机溶剂的生物分子的总称。 脂肪酸Fatty Acids脂肪酸的结构特征与性质长链：烃链链长为4-36碳的羧酸。双键：根据有无双键分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。双键易于氧化和过氧化附：脂肪酸的简写：D 编号系统：从羧基端开始编号，D表示双键位置，硬脂酸记为C18 : 0，油酸记为C18: D 9 ，有时C可以省略，即18: D 9。w编号系统：从甲基端

12、开始编号， w表示双键位置，如亚油酸记为C18：w6，9， 依第一双键出现位置，将多不饱和脂肪酸分为w-3系、 w-6系、 w-7系， w-9系。(2) 天然脂肪酸一般结构特征在自然界中已经发现100多种脂肪酸。它们主要在链长和饱和度上有差别。多为偶数、14C-22C单不饱和脂肪酸的双键位置一般在C9-C10之间。多不饱和脂肪酸的双键位置在C9与末端甲基之间，双键之间往往以亚甲基隔开。双键基本上是顺式构型2脂肪酸的生物学功能作为生物燃料分子, 氧化产能（见脂代谢）生理活性物质，如前列腺素（Prostaglandins，一类脂肪酸激素）和白三烯（Leucotrienes）、凝血恶烷（Thromb

13、oxanes）等20C化合物（作用机理见激素部分）花生四烯酸与二十碳化合物的关系（图）3. 脂肪酸的生物合成（见脂代谢）必需脂肪酸营养上必需由食物提供,生物体自身不能合成的脂肪酸为该种生物的必需脂肪酸。例如亚油酸（linoleic acid）和亚麻酸（lenoleinic）是人体的必需脂肪酸.212 酰基甘油酯（油脂）脂肪酸的甘油酯，依酰化程度分为三酰甘油、二酰甘油和单酰甘油。1. 三酰甘油的结构特征与性质脂肪酸组成：（见前）天然三酰甘油中的组成脂肪酸的类别和数目可以有很大不同。酯键：酰基甘油酯的酯键对碱、酸和脂酶敏感，其中碱水解称为皂化，因为该过程中产生脂肪酸的金属盐。2. 三酰甘油的生物学

14、功能：(1)作为储脂，是能量的高密度储存形式。（脂肪的生物合成，脂肪的分解与脂肪酸氧化见脂的分解代谢）(2)隔热、绝缘(3)保护 膜脂膜脂的结构特征构成膜的脂类分子都是极性脂，即具有亲水的头基团（极性头）和疏水的烃链（非极性尾）。（1）甘油磷脂的结构： 脂肪酸甘油磷酸X，其中磷酸X称为头基团头基团X的主要类型：胆碱、乙醇胺、丝氨酸、甘油、磷脂酰甘油和肌醇某些重要的甘油磷脂：磷脂酰胆碱（卵磷脂）、磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）、磷脂酰丝氨酸 （2）鞘磷脂的结构： 脂肪酸鞘氨醇（二氢鞘氨醇）磷酸X，其中脂肪酸鞘氨醇部分称为神经酰胺头基团X的主要类型：胆碱某些重要的鞘磷脂：神经节苷脂（3）糖脂（鞘糖脂、甘油

15、糖脂）的结构： 脂肪酸甘油（鞘氨醇）X鞘糖脂头基团X的主要类型：寡糖或多糖某些重要的鞘糖脂：神经节苷脂（含有唾液酸的鞘糖脂）、半乳糖苷神经酰胺、红细胞糖苷脂 （4）胆固醇的结构核心结构：环戊烷多氢菲， 头基团：3-OH胆固醇不是典型的双亲分子，不形成微团。其坚硬的平面稠环结构易于形成固态。膜脂在水中的行为膜脂分散在在水中时，疏水的烃链避开水分子，并聚集，；亲水的极性头与水分子结合，并分散。这两种相反的力使膜脂分子自动发生簇聚，产生了微团（含疏水核心），或囊泡（双分子层组成的闭合空心球状结构），或是位于空气-水界面的单分子层（在很小部分双亲脂中发生）。烃链避开水而聚集的倾向称为疏水效应，由于水是

16、有序的氢键缔合体系（低熵），与烃链靠近的水分子失去氢键而无序度增加（高熵），疏水效应可以使水分子间恢复或增加氢键缔合，因此疏水效应也称为熵驱动。膜脂的生物学功能（见生物膜）结构作用磷脂双层构成所有生物膜的基质。作为分子锚帮助某些蛋白质分子定位在膜上。生理活性胆固醇与极性脂混合，因其具有刚性结构，能降低周围脂的运动性，因而能调节生物膜的流动性，糖脂作为信息分子参与细胞表面的分子识别，构成某些细胞表面受体的识别位点,如霍乱毒素的靶细胞受体是鞘糖脂（见细胞信号传递）在特殊的酶催化下产生的三磷酸肌醇（IP3）和二酰甘油（DAG）等是重要的细胞信使（见细胞信号传递）4膜脂的生物合成（见脂代谢） 脂蛋白脂

17、与蛋白质以非共价键结合形成脂蛋白1血浆脂蛋白根据梯度密度超速离心中的相对浮率，可以将血浆脂蛋白分为4大类：乳糜微粒（chylomicron，Chy）、极低密度脂蛋白(very low density lipoproteins，VlDL)、低密度脂蛋白(low density lipoproteins ，LDL)、高密度脂蛋白high density lipoproteins，HDL)血浆脂蛋白的结构特征：脂质核心模型 血浆脂蛋白中的脂：包括磷脂（PL）、胆固醇酯（CHL-E）、游离胆固醇（CHL）和三酰甘油(TG)。乳糜微粒和VLDL含大量的三酰甘油和胆固醇酯，其中三酰甘油含量分别为90和55

18、，LDL和HDL的磷脂含量相近，但比例不同。高密度脂蛋白25%-35%磷脂，其中磷脂酰胆碱占磷脂总量的75%，鞘磷脂占13，磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇和溶血磷脂酰胆碱均占12；低密度脂蛋白22磷脂，其中磷脂酰胆碱占65，鞘磷脂占25，其他磷脂占10。 血浆脂蛋白中的载脂蛋白：脂蛋白的表面电荷和在电场中的迁移行为等物理特性，主要与载脂蛋白的组成和含量有关。载脂蛋白大体分为 ApoA（I、II、III）ApoB、ApoC（I、II、III）ApoD、ApoE（ARP）血浆脂蛋白的主要生物学功能脂的运输载体：蛋白质与脂质结合可将脂质从它们的吸收部位和合成部位运送到储存部位或其他关部位。参与生物膜的结构

19、与功能2. 膜蛋白膜蛋白是定位在细胞膜上的蛋白质。膜蛋白的结构特征绝大多数膜整合蛋白的序列富含疏水性氨基酸，在脂双层区的跨膜长度达3nm，跨膜区倾向于形成a-螺旋或b-折叠，以获得最大数量的链内氢键。如果跨膜区的a-螺旋的残基都是疏水的，它们与周围脂的相互作用将加固a-螺旋。例如细菌视紫红质跨膜区的单肽链为7段a-螺旋，a-螺旋之间和周围都是膜脂的烃链。与邻近膜蛋白联合形成大的复合物（碎片“patch”） 如乙酰胆碱受体锚着到内部结构上，防止在脂双层中自由扩散。例如红细胞膜的血影蛋白glycophorin 和氯-二羧酸交换器（带3蛋白）就被束缚在细胞骨架蛋白spectrin中。 （2）膜蛋白的

20、生物学功能：多样，如作为受体、酶、载体等第 3 章 氨基酸和肽（amino acids and peptides）31 学习要点311 基本氨基酸（essential amino acids）构成蛋白质的20种氨基酸称为基本氨基酸或标准氨基酸（standard amino acids）（表3-1）基本氨基酸的结构特征基本氨基酸的结构通式（图3-）除甘氨酸外，其Ca均为L-构型。基本氨基酸彼此以R基区分，而且基本氨基酸的a-羧基和a-氨基参与蛋白质的肽键的形成，所以对R基的分析是区分基本氨基酸的关键。基本氨基酸的分类按照R基的疏水性或亲水性及其在pH7水溶液中的解离性质将基本氨基酸分为4类：非极

21、性氨基酸：8种（丙、缬、亮、异亮、哺、苯丙、色、甲硫）；极性的R基不带电荷的氨基酸：7种（甘、丝、苏、半胱、酪、谷氨酰胺、天冬酰胺）；R基带正电荷的氨基酸（碱性氨基酸）：3种（赖、精、组）；R基带负电荷的氨基酸（酸性氨基酸）：2种（谷、天冬）基本氨基酸的性质（1）旋光性（2）R基团的光吸收性质R基团含有苯环的氨基酸（芳香氨基酸）在紫外区有特征性的光吸收。 酪氨酸苯丙氨酸色氨酸（3）R基团的疏水性或亲水性亲水性氨基酸： Gly、Ser、Thr、Cys、Gln、Tyr、Asn、Lys、Arg、His、Glu、Asp疏水性氨基酸：Ile、Leu、Val、Trp、Phe、Met、Ala、Pro。R基的

22、亲/疏水性影响氨基酸的溶解性分配定律和分配系数： 一定温度下，一种溶质在互不相溶的溶剂中的浓度正比于其在两相中的溶解度 a=C1/C2基本氨基酸的可解离基团与氨基酸的解离可解离基团：a-氨基、a-羧基和可解离R基团Handerson-Hassalbach公式： pH=pK+log质子受体/质子供体氨基酸的解离曲线丙氨酸的解离曲线氨基酸的等电点：使氨基酸兼性离子的净电荷为零的环境pH称为该氨基酸的等电点，记为pI，此时氨基酸解离为正负离子的趋势是相同的。基本氨基酸的功能基团与化学性质氨基的反应： FDNB反应； PITC反应； 荧光试剂反应；茚三酮反应羧基的反应：酯化反应R基的反应 基本氨基酸的

23、生物学功能蛋白质和肽的构件分子（见蛋白质生物合成）细胞的燃料分子（见氨基酸代谢）生理活性物质：例如谷氨酸作为神经递质作为前体转化为为其他含氮物质（见氨基酸代谢）基本氨基酸的生物合成（见氨基酸代谢）312 来自基本氨基酸的其他氨基酸1修饰氨基酸：蛋白质合成后经酶改变其侧链形成的氨基酸，如4-羟哺氨酸、L-胱氨酸、g-羧基谷氨酸 、4-羟赖氨酸、5-羟哺氨酸、O-磷酸丝氨酸等 2氨基酸代谢中间物：由基本氨基酸转化或降解产生的氨基酸。如L-鸟氨酸。 313 肽 肽是氨基酸彼此以肽键连接形成的线性聚合物肽的结构特征肽键：肽中氨基酸单位（氨基酸残基）间的连键，由一氨基酸的羧基与另一氨基酸的氨基脱水反应而

24、成，表示为-CO-NH-。肽键中的C-N键长为0.132nm，介于0.148nm（C-N）和0.127nm（C=N）之间，反式，键能为75kJ/mol。侧链（R）：氨基酸残基中未参与形成肽键的部分肽链的形状：存在线形和环形，蛋白质多肽为线形。2肽的性质（1）肽的水解非特异水解：H+、OH-催化下的水解属于非特异水解。例如 6N HCl ，110 作用12-24 h 可完全水解，即所有的肽键断开，产生游离氨基酸。部分氨基酸可能被破坏。2NNaOH 的完全水解，可破坏绝大部分氨基酸。特异水解：在生理温度和生理pH下，由蛋白酶或肽酶催化的水解，其特点是在特定部位使肽键断裂，产生肽段混合物。tryps

25、in、Chyromotrypsin、Pepsin、Carboxypeptidase等的作用位点如图3-肽的化学裂解：例如溴化氰处理，使甲硫氨酸生成高丝氨酸，并使肽键在此处断开。肽的解离：寡肽的解离行为与端基团和所有的可解离R基团有关。双缩脲反应：存在两个以上肽键的肽与Cu2+在碱性条件下的特征颜色反应。3肽的生物学功能蛋白质的结构成分，称为蛋白质多肽。所有的游离寡肽都是生理活性物质，例如作为激素、抗生素、神经递质或神经调质、毒素等。314 氨基酸序列分析根据完全水解所获得的氨基酸组成知识，按照一套预先设计好的策略，对多肽进行部分水解、末端测定、短序列分离分析和完全水解等，可以解析出蛋白质多肽链

26、的完整的氨基酸序列。这个工作称为氨基酸序列分析。第4章 蛋 白 质（protein）4.1学习要点由a一氨基酸以肽键（-CONH）连结成的多肽链可折叠成具有特定的空间结构和生物学功能的蛋白质。411 蛋白质的结构特征1蛋白质的化学组成和分子量蛋白质具有复杂的化学组成。基本元素：C、H、O、N、S等，平均含氮量（16%）构件分子：20种基本氨基酸。（2）蛋白质是高分子量物质。蛋白质分子量范围：56000106 107（dalton） 2 蛋白质的序列指多肽链中氨基酸残基的排列顺序，也称为蛋白质的一级结构。序列同源性：相关种属的相同蛋白质的序列间存在相似性，称为序列同源性。具有序列同源性的蛋白质称

27、为同源蛋白质，同源蛋白共有的相似序列称为共义序列。据估计，蛋白质以某个恒定的速率进化，同源蛋白质序列差异的程度与种系进化过程中的歧化时间成正比。3蛋白质的构像指蛋白质的所有原子在三维空间（x、y、z）的位置，即蛋白质的空间结构。由于蛋白质结构的复杂性，需要对蛋白质的构像作剖析描述。蛋白质的一级结构(见蛋白质的序列)蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构指蛋白质多肽链主链的折叠方式。采取某种二级结构的肽段其侧链间一般不存在相互作用。可以用主链的肽键平面和二面角f和j描述二级结构。如果各相邻氨基酸残基采取相近或相等的二面角，可以获得有规则重复构像。已经确定的有规则重复的二级结构是a-螺旋和b-折叠。二面

28、角f和j。其中f，绕Ca1C旋转，0°±180°；j，绕NCa2旋转 ，0°±180°，规定与一个Ca相连的两个肽键处在同一平面时（顺式）的f= 0° 、 j =0°，由于引起侧链原子间的碰撞，产生位阻，是不允许的构像，拉氏构像图（Ramachandran Plot）展示了二面角f和j的组合与允许构像（不存在位阻）或不允许构像（存在位阻）间的关系。（图：其中，暗影：所有氨基酸残基都允许的；中等阴影：除Val、Ile外的氨基酸残基；浅色：某些不稳定的构像）稳定a-螺旋和b-折叠的因素是氢键和二面角。其中a-螺旋的所有

29、肽键参与形成链内氢键，即任一肽键的C=O与其后第四个肽键的一NH间形成氢键； b-折叠的相邻肽段主链上的所有一NH和C=O之间形成链间氢键。因此脯氨酸，种亚氨酸，形成的肽键不能作为氢键供体，是螺旋构象最大破坏者。甘氨酸，侧链基团是H原子，由于不能象其他侧链基团那样制约二面角（a-螺旋：f= -60° 、 j = -45 -50°），是螺旋的不稳定因素。蛋白质的超二级结构p-螺旋：即胶原三股螺旋，存在于胶原蛋白，由三股左手螺旋的肽链组成的右手大螺旋，其氨基酸组成富含羟哺氨酸和甘氨酸。模体（motifs）： 指肽链折叠中形成的二级结构组合方式，有三种基本组合形式：aa、bab、

30、 bbb， 其中aa是两股或三股右手a螺旋彼此缠绕而成的左手超螺旋（superhelix），重复距离14nm，见于a-角蛋白，肌球蛋白、原肌球蛋白(protomyosin)和纤维蛋白原（fibrinogen）等。最常见的bab组合由三段平行式的b链和二段a-螺旋链构成，称为Rossmann折叠。bbb有两种样式：b曲折和回形拓扑结构（希腊钥匙）。蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构指蛋白质多肽链的折叠。对于球蛋白而言，一个蛋白质的三级结构可以看作是该蛋白质的不同的二级结构部分在三维空间的折叠组合，它使本来在一级结构上相距很远的氨基酸残基聚集在一起，形成稳定的构像。结构域（Domain）：广泛见于球

31、蛋白，指蛋白质构像中折叠相对比较紧密的区域，如：甘油醛3磷酸脱氢酶的每个亚基都有两个明显的结构域。结构域之间在空间结构上相对独立，每个结构域均具备小的球蛋白的性质。结构域间的松散肽链一般称为“铰链区”。 结构域作为蛋白质的折叠单位、结构单位、功能单位和遗传单位结构域的类型有全平行a螺旋式，平行或混合型b折叠片式，反平行b折叠片式，富含金属或二硫键式。等 稳定蛋白质构像的作用力是氢键、范德华力、疏水作用、离子键、二硫键氢键：内部氢键供体如Ser和Thr 的羟基，氢键受体如Gln和Asn的羰基氧。范德华力：比离子键和氢键都弱的分子间非专一性的相互作用。它是由极性分子的永久偶极和非极性分子中因原子运

32、动的电子不对称性而产生的瞬时偶极以及这两种偶极诱导产生的诱导偶极之间的相互作用。其中，极性基团之间偶极间的作用力为取向力，极性集团和诱导偶极间的作用力为诱导力，瞬间偶极间的相互作用为色散力。 疏水作用：非极性的疏水基团间有一种自然的避开水相、互相聚集于分子内部或非极性区的趋势，其热力学本质是熵驱动。盐键（静电作用）：蛋白质中带有相反电荷的侧链间形成的键。F=QlQ2/eR2 F=作用力；Ql、Q2为电荷的电量；R为电荷间的距离；e为盐键介电常数。二硫键（-S-S-）：蛋白质分子中的2个半胱氨酸的巯基氧化形成的共价键。形成二硫键的半胱氨酸残基的a碳原子间的距离为0.4nm-0.9nm。蛋白质的四

33、级结构指寡聚蛋白中各亚基的空间排布。寡聚蛋白是相同或不同的多肽链相互作用形成的蛋白质，其每个多肽链称为该蛋白质的亚基。空间排布的几何形状，一般为球状。稳定蛋白质四级结构的作用力是肽链间的非共价键，主要是疏水作用，其次是氢键和盐键。蛋白质多肽链的折叠一级结构决定高级结构，即蛋白质的氨基酸序列决定了蛋白质的立体结构。Anfinsen实验用2-巯基乙醇把胰核糖核酸酶中的4对二硫键切断，然后再加入8m01L尿素使肽链展开，失去活性。当用透析方法去掉尿素和2巯基乙醇后，将酶氧化恢复二硫键，发现几乎100得到了原来的酶活性。（2）蛋白质折叠是热力学有利的过程，即蛋白质折叠朝向自由能最小的方向。因此肽链折叠

34、的本质，可以简单地理解为将肽链中绝大多数的疏水残基包裹到分子内部，即疏水作用驱动着蛋白质折叠。（3）折叠不是一个完全随机的过程。折叠悖论（folding paradox）：Levinthal悖论提出一个124氨基酸组成的核糖核酸酶有1050种可能的构像，如果每10-13秒试一种构像，全部试完要1030年。但是核糖核酸酶完成折叠的时间约为1min。（4）折叠中的辅助蛋白质：顺反异构酶（cis-trans isomerase）；例如哺氨酸异构酶和二硫键异构酶分子伴侣（chaperonin）：例如大肠杆菌的GroEL-ES complex蛋白质家族结构相似或含有相似结构域的蛋白质可以归为一个蛋白质结

35、构家族。412 蛋白质的结构与功能1肌红蛋白和血红蛋白的结构与功能（1）血红蛋白和肌红蛋白的结构与功能的比较相同：血红蛋白亚基与肌红蛋白有相似的三级结构（含八个a一螺旋片断和铁卟啉，Fe(II)配位几何相似），表明有相似的氧结合机理。不同：肌红蛋白是单体蛋白，其氧结合曲线呈双曲线特征，表明在低氧时对氧有高亲和力，有利于从含氧量少的血液中吸取氧；血红蛋白是寡聚蛋白（a2b2），氧合曲线呈S形特征，表明在低氧时（脱氧血红蛋白）对氧有低亲和力，在高氧时（氧合血红蛋白）对氧有高亲和力。血红蛋白的S形氧合曲线也表明其亚基间有协同效应。已知血红蛋白中a 和b 之间具有最强烈和紧密的接触，氧合期间血红蛋白的

36、构像变化，a/b 对旋转并滑动，导致两个b 靠近（达0.7nm），中央腔变窄。协同结合使血红蛋白对组织与肺中氧气浓度的细小差别更敏感，在肺或鳃中血红蛋白几乎全部被氧饱和；在组织毛细血管中氧几乎全部释放。这样血红蛋在O2浓度高的肺中结合氧气，在氧气浓度低的组织中释放O2，从而极为有效地运输氧。 （2）血红蛋白的别构效应（Allosteric Effects ）蛋白质亚基间的作用对其功能的影响别构效应：一个配基（ligand）与蛋白质结合影响该蛋白质的其余结合位点与其配基的亲合性。配基泛指与蛋白质结合的物质，与别构部位结合，引起别构效应的配基称为别构效应剂（allosteric effectors

37、 ）。别构效应剂与影响结合的配基可以相同，如血红蛋白中氧的协同结合，也可以不同，如2，3-二磷酸甘油酸（BPG）对血红蛋白结合氧的影响。降低血红蛋白与氧结合的别构效应剂：H+ 、CO2和BPGH+对血红蛋白结合氧的影响（波尔效应Bohr effect ）高浓度的质子促进氧从氧合血红蛋白上解离下来。机理：脱氧血红蛋白某些质子结合位点（如b146位的组氨酸）对质子的亲合性比起氧合状态时更高，因此高浓度的质子有利于血红蛋白以脱氧形式存在。 CO2对血红蛋白结合氧的影响： CO2与脱氧血红蛋白中未解离的a氨基反应，形成氨基甲酸，参与盐键，稳定脱氧血红蛋白。BPG对血红蛋白结合氧的影响：BPG带多个负电

38、荷，能结合在脱氧血红蛋白的中央腔（b链His143的正电荷有利于结合BPG。在胎儿血红蛋白中该位置被Ser取代。），并降低血红蛋白对氧的亲和力。 （3）镰刀型红细胞贫血症蛋白质的氨基酸序列变化对其构像和功能的影响正常血红蛋白HbA和异常血红蛋白HbS的氨基酸序列的不同：HbA的b6位的谷氨酸突变为HbS的缬氨酸。 HbA和HbS的构像的不同：b6-Glu位于HbA的表面，b6-Val使HbS分子自发聚合成线形超分子，产生纤维状沉淀，压迫红细胞变形。2某些结构蛋白的结构与功能 相同的或不同的蛋白质可借助非共价键逐步聚合成复杂的超分子结构以执行结构和运动等功能，该过程也称为蛋白质的装配，聚合单位可

39、称为原体。由相同原体进行的聚合其方式有螺旋化螺旋、平移等，聚合产物随聚合方式不同而有不同的对称性，例如旋转对称。和蛋白质多肽链折叠一样，蛋白质装配的驱动力也是疏水作用。各种非共价键和二硫键使装配的产物超分子结构稳定。胶原蛋白 广泛存在于动物结缔组织和细胞基质中，哺乳动物中最丰富的结构蛋白（>1/4机体总蛋白）。胶原蛋白由3条肽链组成，富含哺氨酸和甘氨酸，并特殊地含有羟哺氨酸和羟赖氨酸，每个单独肽链称为前胶原。依据组成的肽链不同将胶原蛋白分为15个类型。胶原蛋白作为聚合单位（原胶原）进一步聚合成胶原纤维。聚合方式是邻近分子相互交错，纵向移位其长度（67nm）的1/4。胶原纤维的肽链间存在共

40、价交联。胶原的上述结构使胶原抵抗高强度的张力。弹性蛋白 细胞基质中另一种主要的结构蛋白。存在于韧带、大动脉和肺组织中。富含非极性氨基酸，并特征地含有锁链素一种赖氨酸衍生物（由三个醛赖氨酸与一个赖氨酸聚合的杂环化合物），从而能组织成高度交联的网状结构。弹性蛋白的这种结构使弹性蛋白具有很高的弹性。角蛋白 构成动物皮肤与皮肤衍生物的蛋白质，a角蛋白：具有典型的a螺旋构像的角蛋白，以aa组合作为原体（原纤维，直径2nm）聚合成微纤维（直径8nm），并进一步聚合。a螺旋构像赋予蛋白质以伸缩性，但大量的链间二硫键赋予a角蛋白以刚性。因此具有较少二硫键的毛发可以在湿热条件下伸展为b构像，而在冷却干燥时自发恢

41、复为原状。具有大量二硫键的蹄、爪、角、甲则质地坚硬，难于拉伸。b角蛋白：具有典型的b折叠构像的蛋白质。蚕丝和蛛丝的主要结构蛋白丝心蛋白即是b角蛋白。丝心蛋白中，甘氨酸在反平行b折叠片平面一侧，丝氨酸和丙氨酸在平面另一侧，反平行b折叠片彼此按甘氨酸-甘氨酸，丙氨酸（丝氨酸）-丙氨酸（丝氨酸）平行堆积成多层结构，链间以氢键维系，层间以范德华力维系，这种有序的结构使丝纤维具有很高的抗张强度和柔软的特性。3细胞骨架蛋白的结构和功能 细胞骨架是存在于真核细胞中的蛋白质丝的负杂网络，其主要功能是维持和调节细胞形态，协助细胞运动和细胞内物质运输。有3种蛋白质丝微丝（7nm）、微管（25nm）和中等纤维（10

42、nm），构成微丝的肌动蛋白(actin) 广泛分布于真核细胞中，是细胞含量最丰富的蛋白质（1/10细胞总蛋白）。单体的肌动蛋白是球蛋白，称为G-肌动蛋白（Mr=41 800），纤维状肌动蛋白聚合体称为F-肌动蛋白。构成微管的微管蛋白（tubulin）有两种高度同源的肽链a-微管蛋白和b-微管蛋白（Mr=50 000），由它们组成的异二聚体作为原体按螺旋化螺旋方式聚合成微管，如将异二聚体头尾相连的杆状聚合体称为原丝，则每一个微管含有13个原丝。（1）肌肉收缩的分子动力机制ATP与肌球蛋白头结合，使之与肌动蛋白解离；ATP水解时，肌球蛋白头构象发生了变化，ADP和Pi仍然与肌球蛋白头相连；肌球蛋白

43、头贴住肌动蛋白丝，使Pi释放；Pi的释放促成了一次“动力冲程”（“power stroke”），肌球蛋白的头部构象变化，肌动蛋白和肌球蛋白相对运动，过程中释放ADP。由于与ATP水解偶联，肌球蛋白头部的构象变化使肌球蛋白不断地与一个肌动蛋白亚基解离，又与另一个结合。这样肌球蛋白就沿着细丝滑动。（2）动蛋白（kinesins）和动力蛋白（dyneins）的快运输机制它们都是马达蛋白（motor proteins），是由ATP驱动的分子引擎，可以和细胞器或小泡联接，拖动它们沿着微管轨道以1um/s的速度移动。它们提供微管装配需要的力。Kinesin向着微管加长方向运动，dynein向着微管缩短方向

44、运动。两类马达蛋白都有多种形式。每一种只运载一种不同的“货物”。4蛋白质的变性与复性蛋白质变性在高温、去污剂、高浓度水溶性有机溶剂包括脲、胍和还原剂等条件下，蛋白质中某些次级键甚至二硫键被打断或重排，造成蛋白质构象上的变化，使其功能活性丧失的现象。常见的物理、化学性质变化包括：1）化学基团的暴露，原来埋藏在内部的基团向外暴露，而成为化学可亲性基团。2）物化性质的改变，表现为结晶能力的丧失；溶解度的降低；分子形状的变化，不对称性增高；相应粘度增加，扩散系数降低；分子大小的改变。3）对蛋白酶水解感受性的增加，蛋白质变性后，蛋白酶对其消化的速度，比天然蛋白质快很多倍，因此，蛋白酶对天然蛋白质消化过程

45、的第一步有可能就是变性反应。变性蛋白质分子恢复到天然构象的过程叫复性。413 蛋白质的分离、纯化与鉴定主要针对可溶性天然球蛋白1蛋白质的性质（1）酸碱性 蛋白质的等电点：使蛋白质的净电荷为零的pH。影响pI的因素：其他离子。（2）溶解度保持蛋白质溶解的因素：分子表面电荷和水化层引起的分子间斥力。其中由蛋白质表面带电荷基团吸引水溶液中的反离子产生双电层，由表面极性基团与水形成氢键产生水化层影响溶解度的因素：中性盐、有机溶剂盐析：大量中性盐使蛋白质从溶液中析出的现象。 （3）分子量 2可溶性蛋白质分离纯化的一般原理根据分子量：如沉降速度法离心根据密度：沉降平衡法离心根据电荷和分子量：电泳。带电荷的

46、蛋白质在电场中的运动称为电泳。常用的电泳支持物是滤纸或聚丙烯酰胺凝胶，聚丙烯酰胺凝胶兼有分子筛效应，因此聚丙烯酰胺凝胶电泳也可以用于蛋白质的分子量测定。根据分子量和分子形状：凝胶过滤。常用的凝胶类型是葡聚糖，商品名为Sephadex，蛋白质依据大小不同，或不能扩散进入凝胶颗粒内部，而被排阻洗脱下来，或扩散进入不同孔隙的凝胶颗粒内，随洗脱体积增加而依次被洗脱下来。根据溶解度选择性溶解或沉淀：硫酸铵分级沉淀、有机溶剂分级沉淀根据电荷选择性溶解或沉淀：等电点沉淀3蛋白质的鉴定蛋白质的序列测定（见第三章）蛋白质的分子质量（Mr）测定蛋白质的分子质量的表示：Mr，没有单位，代表相当于12C的原子质量的1

47、/12的质量单位；Da（dalton）或kDa，1Da相当于12C的原子质量的1/12，即1.66×10-24g测定蛋白质分子量的方法：根据化学组成计算；渗透压法；扩散系数法；沉降速度法；沉降平衡法；凝胶过滤法；SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳法蛋白质的构像测定 X线衍射法： X线衍射法是测定蛋白质晶体结构的极其重要而有效的方法。当单色的X线射到晶体上时，晶体各原子的电子在射线作用下强迫振动，产生次波。次波的波长与入射波长相同，向四周发射，这些次波照射到某一个幕上的时候，根据幕与各原子的距离及X光波长的不同，在幕上出现明暗相问的干涉光图样，这就是X线衍射图。 X线衍射分析需要单晶制品。结晶的

48、蛋白质具有结构均一性，是高纯度的。 核磁共振(NMR)：有自旋的原子核(如：H，C等)在外加磁场中，具有等距离的核磁能级共21+1个(其中1个代表原子核的自旋量子数)；相邻两能级之间的能量之差都是Ao。如果有量子能量(hy)等于Ao的电磁波通过时，原子核便吸收电磁波的能量(hy)， 由低能级跃迁到相邻的高能级上。这种吸收叫共振吸收，即核磁共振。 二维核磁共振(2DNMR)是测定溶液中蛋白质等生物大分子三维结构的唯一方法。它可以确切地测定二级结构的种类，段数和位置。此法很准确，但测定时间长，分析复杂，样品用量较大。根据氨基酸序列预测，例如统计学方法 ：统计出各残基或二肽、三肢片段在有序结构中出现

49、的频率，用以计算预测其形成二级结构的可能性 414 蛋白质组学以细胞或组织的全部蛋白质（蛋白质组）或与一个特定的生物学机制相关的全部蛋白质（功能蛋白质组）的变化规律为基础研究生命现象的学科称为蛋白质组学。目前蛋白质组学的研究内容主要是蛋白质组数据库和比较蛋白质组学。用蛋白质组学方法研究蛋白质折叠（Houry，1999年11月Nature）。获得所有与GroEL结合的肽链（免疫共沉淀）分离与GroEL结合的肽链（二维电泳）肽链结构分析（50种）数据库比较结论：大肠杆菌近2500条新生多肽链只有近300种需要分子伴侣GroEL。这些蛋白质能与GroEL相互作用的关键结构特征是？用蛋白质组学方法研究

50、酵母核孔复合体的结构（Rout）鉴定完整的酵母核孔复合体所有能检测到的多肽对全部多肽定位并定量（免疫电镜）构造酵母核孔复合体用蛋白质组学研究线虫生殖器发育（Walhout）（根据两个蛋白质相互作用，那么它们一般参与相同或相关的细胞活动）用27个与线虫发育的蛋白质构造酵母双杂交系统建立与线虫生殖发育相关的蛋白质相互作用图谱研究酵母近6000个蛋白质之间相互作用（Nature，2002）列阵筛选法（array screening）：6000个不同的酵母单克隆排列在微滴定板上，杂交，通过报道基因的表达鉴定存在相互作用的蛋白质。效果好。文库筛选法。构成文库（含6000个不同的酵母cDNA），杂交，筛选

51、鉴定阳性克隆。通量大。 酶 (Enzyme) 51 学习提要酶是活细胞产生的具有催化能力的物质。生物化学反应基本上都是酶催化的。绝大多数酶都是蛋白质。1982年，Cech发现rRNA催化RNA水解，出现“Ribozyme”（核酶）名词。和无机催化剂相比，酶催化具有易失活、高效和有选择性（专一性）等特点。 酶的表征1酶的分类与命名所有的酶都可以按照其催化的反应来表征，这正是国际理论和应用化学联合会（IUPAC）的酶学委员会制定的酶分类系统命名的依据。因此每一个酶都有习惯名称、系统名称和系统编号（EC编号）。系统编号的第一个数字表示酶属于六大类中的某类（表5-1 酶的主要分类）。表5-1 酶的主要

52、分类类别名称催化反应反应通式1氧化还原酶类氧化还原反应A2H + B « A + B2H2转移酶类功能基团的转移反应AB + C « A + BC3水解酶类水解反应AB + HOH « AOH + BH4裂合酶类 × 从底物上移去一个基团留下双键的反应ABC « A=B + C5异构酶类同分异构体间的互变反应A « B6合成酶类一切必须与ATP分解相偶联，并由两种物质合成为一种物质的反应X + Y + ATP « XY + ADP + Pi2酶的活力 酶的活力，即酶催化反应的能力可以用酶催化的反应的初速度来表征。用酶的活力单

53、位计量酶的活力时，酶的活力单位定义为给定条件下酶催化的反应达到某速度水平所需的酶量。如果没有特殊规定，建议采用国际单位（IU），一个国际单位定义为最适条件下（25°C，最适pH）每分钟催化1umol/L底物发生转变所需的酶量。3酶的纯度酶作为催化剂可以用比活（specific activity）比较酶的纯度。比活指每mg酶蛋白所有的总活力。 酶的结构与功能的一般原则1酶的活性部位酶的活性部位指酶分子中直接与底物结合并催化底物反应的部位，通常处于或靠近酶分子的表面，只占酶分子很小部分（），组成活性中心的几个氨基酸残基在空间结构中是靠近的，但在一级结构中可能相距很远，甚至位于不同的肽链上

54、。此外许多酶有非蛋白质组分，它们位于或靠近于活性部位，参与结合底物或催化，这样的组分被称为辅酶或辅基，其中辅基特指与酶的蛋白质部分以共价键结合的非蛋白质组分（见）。2酶与底物的结合酶与底物的结合表现出专一性，酶的高度专一性是酶的重要特征。以下是关于酶的专一性的解释（1）诱导楔合假说为了解释酶能催化正反方向的反应，年提出“诱导楔合”假说（ ），即当酶分子与底物分子接近时，酶蛋白受底物分子诱导，其构象发生有利于底物结合的变化，酶与底物在此基础上互补楔合进行反应。X-衍射和NMR方法已经证明自由酶和结合了底物的酶的构像是不同的。（2）过渡态稳定说一般而言，酶与底物的最适相互作用只发生在过渡态，专一性

55、取决于酶结合的过渡态的稳定性。（3）分子识别说酶的活性部位的底物结合基团的特定排列决定了酶对底物的专一性。如果酶活性部位功能团按最适原则与底物形成各种弱相互作用，那么酶显然不能同其他底物作用。3酶的催化方式酶提高反应速度的基本机制包括酶的活性部位结合底物后使底物产生邻近、轨道定向、应力等多种效应，它们增加反应物的有效碰撞，或者使受作用的化学键变形、削弱，或者使受作用的化学基团增加反应性，活性部位的催化基团可能提供共价催化（如亲核、亲电）、酸碱催化、络合催化等多种断裂键的方式。最终结果是稳定过渡态，使底物易于达到过渡态，降低反应活化能。 邻近效应：由于酶与底物结合，导致底物和底物（如双分子反应）

56、之间靠近，而使有效浓度得以极大的升高，从而使反应速度大大增加的一种效应。定向效应：指反应物的反应基团之间和酶的催化基团与底物的反应基团之间的正确取位产生的效应。应力和形变：由于酶的结合，使底物分子内敏感键的电子云密度改变，产生“电子张力”，导致分子形变的一种效应。酸碱催化：指通过瞬时的向反应物提供质子或从反应物接受质子以稳定过渡态，加速反应的一类催化机制。一个氨基酸侧链作为酸碱催化剂的可能性依赖于其pKa和活性部位的环境pH。组氨酸咪唑基的解离常数约为.，因此在接近于生物体液的条件下，即在中性条件下，有一半以酸形式存在，另一半以碱形式存在，即可作为质子供体，又可作为质子受体在酶反应中发挥催化作用。同时咪唑基接受质子和供出质子的速度十分迅速，其半衰期小于。由于咪唑基有如此特