第二章 生物大分子结构及性质

第二章

生物分子的结构及性质1

在生物体内与金属配位并具有生物功能的配体称为生物配体。

大分子配体：分子量从几千到数百万，为蛋白质、多糖、核酸等。

小分子配体：氨基酸、羧酸、卟啉、咕啉等。生物配体与金属结合一般遵循软硬酸碱规则。

2第一节氨基酸

氨基酸(aminoacid)是蛋白质(protein)的基本结构单位。构成蛋白质的氨基酸仅有20种。在这20氨基酸中，除脯氨酸外，其余19种氨基酸在结构上的共同点是与羧基相邻的α碳原子上都有一个氨基，因此称为α—氨基酸。

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一、氨基酸的分类

α—氨基酸1.含非极性、脂肪族侧链2.含极性、不带电荷侧链3.含芳香族侧链4.含负电荷侧链4

除甘氨酸外（氨基乙酸），α—氨基酸的α—碳原子都是不对称碳原子，因此有立体异构。二、氨基酸的立体异构5

实验表明，氨基酸以偶极离子或称两性离子+H3N―CHR―COO-的形式存在（在等电点时）。氨基酸的两性离子在水溶液中有如下平衡：

正离子两性离子负离子

三、氨基酸的酸碱性6半胱氨酸的巯基组氨酸的咪唑基谷氨酸和天冬氨酸的羧基酪氨酸的苯酚基蛋氨酸的甲硫基氨基酸中参与和金属离子配位的主要基团包括：7第二节蛋白质

蛋白质是动物、植物和微生物细胞中最重要的有机物质之一。除含有C、H、O和N外，还含有S和P，有些蛋白质还含有Fe、Zn、Cu、Mn和I。

由于蛋白质在几乎所有的生物过程中起着极其重要的作用，因此，研究蛋白质的结构与功能的关系是从分子水平认识生命现象的一个重要方面。8

一、蛋白质的分类

简单的化合物通常按结构分类。蛋白质结构极为复杂，且种类成千上万种，测定困难，因此无法按结构分类，只能按分子形状、组成来分类。1.按分子形状和大小：球状蛋白（globularprotein）纤维状蛋白（fibrousprotein）膜蛋白（membraneprotein）9

2.按化学组成：

简单蛋白（simpleprotein）和结合蛋白（conjugatedprotein）。简单蛋白只由氨基酸组成，如卵清蛋白、胰岛素。结合蛋白由单纯蛋白质与非蛋白物质结合而成（结合蛋白=单纯蛋白质+非蛋白），如血红蛋白。非蛋白质部分称为辅基。10

二、蛋白质的组成

简单蛋白质由α—氨基酸组成，氨基酸联接的基本方式是彼此以肽键结合成肽链，再由一条或多条肽链按各种特殊方式组合成蛋白质分子。

（甘氨酸）（丙氨酸）（甘氨酰丙氨酸）11

肽链中的氨基酸分子已不是原来的氨基酸分子，因此称为氨基酸残基（reside）。少于10个残基的肽称为寡肽，超过10个残基的肽称为多肽。肽链中带自由氨基的一端称为氨基末端或N—末端，带自由羧基的一端称为羧基末端或C—末端。12N—末端

C—末端13

肽链的主干称为主链（backbone）,肽链上各残基的R基称为侧链（sidechain）。肽链有开链与环状之分。在蛋白质分子和多肽分子中，连接氨基酸残基的共价键除肽键之外，较常见的还有二硫键。它可以使两条肽键共价交联（链间二硫键），或使一条肽链的某一部分成环（链内二硫键）。14

肽的命名通常以肽链的N—末端氨基酸残基开始，按残基出现顺序逐一记载。习惯把N—末端写在结构式的左侧，C—末端写在右侧。丙氨酰甘氨酸

甘氨酰丙氨酸15含有3种不同残基的三肽：A-B-C;A-C-B;C-A-B;C-B-A;B-A-C;B-C-A;

4种不同残基的四肽有24种同分异构体

16蛋白质的一级结构是指肽链的数目、肽链中氨基酸的连接方式和排列顺序以及二硫键的数目和位置。

三、蛋白质的一级结构17

四、蛋白质的二级结构

蛋白质分子的多肽链并非呈直线型伸张，而是盘曲折叠成特有的空间构象。蛋白质的二级结构是指多肽链盘曲折叠的方式，目前公认的二级结构主要是α-螺旋结构，其次为β-折叠结构。它们都是由Pauling学派提出来的。氢键对于维持二级结构有主要意义。181、α-螺旋结构Pauling设计了α-螺旋模型，在α-螺旋结构中，氨基酸残基绕螺旋轴盘旋上升。相邻两个残基的旋转角为100°，轴心距148pm，每隔3.6个残基旋转一圈（360°），螺旋上升一圈相当于平移533pm，相邻螺圈之间形成链内氢键。19

2．β-折叠结构

Pauling等提出另一种结构β-折叠结构。在β-折叠结构中，各条肽链的长轴平行，相邻肽链间借助氢键连成片状结构。20五、蛋白质的三级和四级结构

1．三级结构-----肽链进一步折叠，指一条肽链完整折叠后形成的构象。

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2．四级结构------各亚基（肽链）在天然蛋白质中的排列方式蛋白质由两条多肽链构成，这些肽链称为蛋白质的亚基。每条肽链均有一、二及三级结构，相互以非共价键（结合）连结。四级结构就是各个亚基（各条肽链）在蛋白质的天然构象中的排列方式。

22血红蛋白分子结构血红蛋白分子的晶体结构示意图23

六、蛋白质的性质

1、蛋白质的胶体性质

蛋白质的相对分子质量很大，在水中形成胶体溶液，不能穿过半透膜，透析就是利用蛋白质的这种性质，使蛋白质与无机盐、单糖（monose）等小分子分离。24

2、蛋白质的两性解离与等电点

与氨基酸一样，蛋白质也有酸性和碱性解离及等电点。蛋白质含氨基酸残基很多，解离情况复杂。用通式表示：25蛋白质作为两性电解质，可与定量酸或碱作用生成盐，如蛋白质盐酸盐（两性离子+HCl）

蛋白质钠盐（两性离子+NaOH）26

天然蛋白质受到外界（物理、化学）因素的影响，使氢键等非共价键受到破坏，肽链高度规则的排列方式变为杂乱松散的方式，部分或全部失去原有的理化性质和生理活性，这种作用称为蛋白质的变性作用。

3、蛋白质的变性作用27七、金属蛋白分类1.催化功能2.运输功能3.营养储存功能4.结构功能5.防御功能6.调控功能28一、核酸的元素组成组成核酸的基本元素：C、H、O、N、P；其中P的含量比较稳定，占9%-10%，通过测定P的含量来推算核酸的含量（定磷法）。DNA平均含磷量为9.9%，RNA为9.4%。任何核酸都含磷酸，所以核酸呈酸性。第三节核酸29二、核酸的基本组成单位-核苷酸戊糖碱基核苷磷酸核苷酸低聚核苷酸核酸30三、戊糖结构组成核酸的戊糖有两种，DNA所含的糖为脱氧核糖；RNA所含的糖则为核糖。31四、核苷结构糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。1’1’1’1’991132核苷的种类DNA中的脱氧核苷：dA、dG、dC、dT；RNA中的核苷：A、G、C、U。331）核苷酸结构5’5’3’3’磷酸与核苷5’位-OH脱水形成磷酸酯键五、核苷酸342）核苷酸种类RNA中含有腺苷酸AMP，鸟苷酸GMP，胞苷酸CMP，尿苷酸UMP，

DNA中含有脱氧腺苷酸dAMP脱氧鸟苷酸dGMP脱氧胞苷酸dCMP脱氧胸苷酸dTMP35六、核酸的分子结构一、磷酸二酯键与多核苷酸链二、DNA的分子结构三、RNA的分子结构

361、磷酸二酯键RNADNA磷酸二酯键碱基碱基5’末端3’末端37多核苷酸链注意链的方向性3’末端5’末端DNA中多核苷酸链的一部分示意图382、DNA的结构概念：DNA多核苷酸链中脱氧核苷酸的组成和排列顺序为DNA一级结构。也可指DNA分子中碱基的顺序。DNA的碱基顺序本身就是遗传信息存储的分子形式。生物界物种的多样性即寓于DNA分子中四种核苷酸千变万化的不同排列组合之中。DNA的一级结构39DNA一级结构的表示方法5′PAPCPGPCPTPGPTPAOH3′

5′PACGCTGTAOH3′线条式缩写字母式缩写OH40Chargaff定则DNA碱基组成符合：A+G=T+C不对称比率：A+T/G+C；物种不同，DNA碱基组成不同，物种亲缘愈接近，碱基组成也愈接近，该比率越相近似。具有种的特异性，没有器官和组织的特异性，年龄、营养状况、环境的改变不影响DNA的碱基组成。41DNA的二级结构Watson和Crick于1953年提出了DNA双螺旋结构模型，说明了DNA的二级结构。42DNA双螺旋结构模型要点（1）螺旋中的两条链反向平行，即其中一条链的方向为5′→3′，而另一条链的方向为3′→5′，两条链共同围绕一个假想的中心轴呈右手双螺旋结构。43DNA双螺旋结构模型要点（2）疏水的碱基位于双螺旋的内侧，亲水的磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基平面与螺旋轴垂直，脱氧核糖平面与螺旋轴平行。由于几何形状的限制，碱基对只能由嘌呤和嘧啶配对，即A与T，G与C。这种配对关系，称为碱基互补。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键。44碱基间的氢键配对情况45DNA双螺旋结构模型要点（3）由于碱基对排列的方向性，使得碱基对占据的空间是不对称的，因此，在双螺旋的表面形成大小两个凹槽，分别称为大沟和小沟，二者交替出现。2.0nm小沟大沟46DNA双螺旋结构模型要点（4）双螺旋横截面的直径约为2nm，相邻两个碱基平面之间的距离（轴距）为0.34nm，每10个核苷酸形成一个螺旋，其螺距（即螺旋旋转一圈）的高度）为3.4nm。47DNA双螺旋结构模型要点（5）两条链借碱基之间的氢键和碱基堆积力（即碱基之间的范德华力）牢固的连接起来，维持DNA双螺旋的三维结构。两条链是互补关系。48DNA双螺旋结构三种主要类型49DNA的三级结构---超螺旋超螺旋是指双螺旋进一步扭曲或再螺旋的构象正超螺旋（变紧）和负超螺旋（变松）人类46条染色体的DNA总长可达1.7m，经过螺旋化压缩，实际总长只有200nm50碱基组成：A、G、C、U；多为单链结构，少数局部形成螺旋（发夹结构）；分子较小。3、RNA的分子结构511）RNA分子的一级结构特点

RNA分子都是单链，是由核苷酸以磷酸二酯键相连形成的长而无分枝的大分子，其一级结构是直线形。522）RNA的二级结构特点533)RNA的三级结构--倒L型

指RNA的二级结构通过进一步扭曲折叠形成548、金属-核酸配合物配位能力：碱基>磷酸基>戊糖环上的羟基较硬金属离子（Ca2+Mg2+Ln3+）---磷酸基（O）过渡金属离子---碱基（N,O）软硬度居中的金属离子（Cu2+）---既能与磷酸基成键，同时能与碱基配位。55小测验（单选）蛋白质分子中氨基酸连接的基本方式是

（）A.肽键

B.氢键

C.二硫键

D.范德华力

A56氨基酸中参与和金属离子配位的主要基团不包括

（）A.半胱氨酸巯基

B.脯氨酸次甲基

C.组氨酸咪唑基D.蛋氨酸甲硫基

B57含芳香族侧链的氨基酸，不包括

（）A.苯丙氨酸

B.色氨酸

C.酪氨酸D.谷氨酸

D58蛋白质的二级结构也称为构象单元，常见的构象单元不包括

（）A.球形结构B.β折叠

C.α螺旋

D.β转角

A591.DNA的核苷酸单体所含的糖是核糖，RNA所含的是脱氧核糖。

（）2.生物无机化学的主体部分由金属元素的配位化合物所构成。在生命体系中，金属中心常常被给电子的配体所“包围”。（）3.氨基酸是蛋白质的基本结构单元，已发现的自然中存在的氨基酸有100多种，但参与组成蛋白质的氨基酸却只有20种，称为必需氨基酸。

（）×判断√√60第四节其他生物分子61辅酶是一类可以将化学基团从一个酶转移到另一个酶上的有机小分子，与酶较为松散地结合，对于特定酶的活性发挥是必要的。有许多维他命及其衍生物，如核黄素、硫胺素和叶酸，都属于辅酶。不同的辅酶能够携带的化学基团也不同：NAD+或NADP+携带氢离子，辅酶A携带乙酰基，叶酸携带甲酰基，S-腺苷基蛋氨酸也可携带甲酰基。辅酶62辅基酶的辅因子或结合蛋白质的非蛋白部分（其中较小的非蛋白质部分称辅基），与酶或蛋白质结合的非常紧密，用透析法不能除去。按照化学组成，酶可以分为简单蛋白质和结合蛋白质两大类。胃蛋白酶、核糖核酸酶等一般水解酶属于简单蛋白质，转氨酶、乳酸脱氢酶及其他氧化还原酶等均属于结合蛋白质。63一种含有一种或几种金属离子作为辅基的结合酶。金属酶纯化时仍保留着定量的功能金属离子。按照金属离子和酶蛋白结合的稳定程度又可分为金属酶和金属激活酶两类。在金属酶中，它们牢固地结合在一起，金属离子通常为活性中心。在金属激活酶中，它们松散地结合，但金属离子却是酶活性的激活剂。金属酶种类很多，以含锌、铁、铜的酶最多，如铁金属酶-细胞色素C。也有含钼、锰等其他金属离子的酶。例如细胞色素氧化酶除含有铁离子还含有铜离子。金属酶64各种酶的辅酶通常作用于金属酶的活性中心，达到选择性地结合底物、进行电子、原子或基团转移的目的，对酶催化反应的性质和类型具有决定作用。65三磷酸腺苷的分子结构三磷酸腺苷（ATP）是体内广泛存在的辅酶，是体内组织细胞所需能量的主要来源。三磷酸腺苷中磷脂基可以和一系列金属离子，尤其是硬金属离子结合。1.三磷酸腺苷662.环磷酸腺苷ATP经腺苷酸环化酶催化形成环磷酸腺苷（cAMP）是细胞内的生物活性物质，对细胞的许多代谢过程都有着重要的调节作用。3,5-环磷酸腺苷焦磷酸67辅酶如NAD+、NADP+、FMN、FAD、CoASH的组成成分，参加细胞内的氧化还原反应和酰基转移反应；GTP参与蛋白质合成，CDPG参与磷脂合成，ADPG、UDPG、GDPG、TDPG参与糖原、淀粉、纤维素、果胶等合成；医疗中，ATP作为能源药物用于心力衰竭急救，cAMP用于心肌梗死，阿拉伯糖苷有抗DNA病毒作用，用于抗癌。核苷酸的其他衍生物

及其功能683.NADH/NADPH常见的辅酶/辅基包括NADH，NADPH，它们在脱氢，加氢的过程中起着接受或提供氢和电子的作用69

NAD++H++2e-=NADH

NADP++H++2e-=NADPH704.FMN与FAD71FMN和FAD作为辅基参与多种生物氧化还原反应，它们是呼吸链上重要的氢和电子传递体725.蝶呤辅基蝶呤二硫烯分子作为辅基参与钼氧转移酶、亚硫酸盐氧化酶、黄嘌呤氧化酶等催化反应，其二硫烯基直接与金属钼配位。73迄今为止所发现的钼氧转移酶，绝大多数在其活性部位内都有一个或两个含有二硫烯基团的配体与钼配位。钼氧转移酶分为三大类：黄嘌呤氧化酶、亚硫酸盐氧化酶和DMSO还原酶。DMSO还原酶的活性部位含有一个Mo=O单元，两个喋呤辅因子通过其二硫烯侧链与金属钼中心配位形成两个五元环。DMSO还原酶只具有一个氧化还原活性中心即钼配位中