王玮生物化学第1章

生物化学王玮绪论研究方向研究发展史生物化学的分支发展方向生物化学是一门运用化学原理和方法，研究生命现象的科学。着眼于：搞清生命机体的化学组成；维持生命活动的各种化学变化及其联系；绪论生物体的主要组成主要成分：糖类、脂类、蛋白质、核酸、水、无机盐对生物体内化学反应起调节作用的物质：酶、维生素和激素研究方向静态生化：研究上述物质的组成、结构、性质和功能。动态生化：研究上述物质在生物体内的物质代谢和能量代谢。★分子生物学：研究生物大分子结构、功能、信息传递及代谢调控。绪论研究发展史生物化学发展前期(准备期）描述生化发展期（1770-1903）动态生化发展期（1903-1950）分子生物学的创立与发展期

（1950年后）绪论生物化学的分支按研究对象分：动物~、植物~、微生物~；按学科分：无机~、有机~、生理~、物理化学~、临床~、农业~等。绪论生命起源遗传进化生物发育疾病的产生大脑记忆推理生物行为环境生态人类健康等。绪论生物化学的发展方向第一章蛋白质化学本章内容蛋白质的生物学功能蛋白质的组成氨基酸的化学蛋白质的结构蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质的性质蛋白质的分离纯化蛋白质的分类蛋白质化学生命是蛋白体的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断自我更新。

恩格斯《反杜林论》1878蛋白质化学概念：蛋白质（protein，简写pro):是由20种L-α-氨基酸按一定的序列通过酰胺键（肽键）缩合而成的，具较稳定构象并具一定生物功能的生物大分子。蛋白质化学一、蛋白质的生物学功能1、催化作用几乎所有的酶都是蛋白质蛋白质化学膜蛋白2、生物体的结构成分3、运输和储存血红蛋白在血中输送氧肌红蛋白在肌肉中输送氧膜蛋白起运输作用4、运动作用：

动物的肌肉收缩、细菌的鞭毛运动5、免疫保护作用抗体6、激素作用：

胰岛素等

7、接受和传递信息的受体：

受体蛋白，8、控制细胞生长、分化：

生长因子、阻遏蛋白9、毒蛋白：植物、微生物、昆虫所分泌10、许多蛋白在凝血作用、通透作用、营养作用、记忆活动等方面起重要作用。二、蛋白质的组成（一）蛋白质的元素组成：

C、H、O、N及少量的S特点：N在各种蛋白质中的平均含量为16%

用定氮法可测定蛋白质含量：

蛋白质含量(g)=蛋白质含氮量×6.25蛋白质化学(二）蛋白质的水解1、完全水解：用浓酸、碱将蛋白质完全水解为氨基酸。

酸水解：无消旋作用，产物为L-氨基酸。

碱水解：多数氨基酸被破坏，有消旋现象。蛋白质化学2、部分水解：

一般用酶或稀酸在较温和条件下，将蛋白质分子切断，产物为分子大小不等的肽段和氨基酸。

蛋白酶：

胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶等。三、氨基酸的化学氨基酸（aminoacid,简写aa)：蛋白质的基本组成单位，是含氨基的羧酸。天然蛋白质由20种氨基酸组成。氨基酸的化学（一）氨基酸的结构1、通式：α-氨基酸中α碳原子为不对称碳原子（除甘氨酸）

氨基酸的化学α由通式可得出：1）组成蛋白质的aa都是α-氨基酸（除脯氨酸α—亚氨基酸外）；2）不同aa仅R链不同；3）除甘氨酸外，其余aa的α-碳原子均为不对称碳原子。2、α-氨基酸的构型：构型：由于基团或原子在空间排列的不对称性而引起的光学活性立体结构称立体构型。立体构型：氨基在左为L-型；氨基在右为D-型天然pr中的aa均为L-型；两型aa的生理功能不同。氨基酸的化学3、α-氨基酸具旋光性左旋（-）：能使偏振光向左；右旋（+）：能使偏振光向右。旋光特性表示：

比旋光度[α]D，L-氨基酸比旋光度见P3表1-2氨基酸的化学★构型与比旋光度无直接对应关系氨基酸的旋光性和旋光角度与R基团的性质及测定时溶液的pH有关；当某氨基酸以等量L、D型混合时，旋光抵消，称外消旋；化学合成所得氨基酸为D、L各半的混合物，称DL型，无旋光性，可用化学或生化方法将二型分开，此时才表现出旋光性。氨基酸的化学（二）氨基酸的种类及结构1、按结构可分为：（1）脂肪族侧链：氨基酸的化学甘氨酸丙氨酸缬氨酸亮氨酸异亮氨酸丝氨酸脯氨酸苏氨酸2）芳香族侧链：苯丙氨酸酪氨酸色氨酸3）含硫侧链：半胱氨酸甲硫氨酸4）含氮碱性侧链：组氨酸赖氨酸精氨酸5）酸性及酰胺侧链：天冬氨酸谷氨酸天冬酰胺谷氨酰胺2、按R基团的极性分：极性氨基酸：

极性不带电荷：丝、苏、天冬酰胺、谷氨酰胺、酪、半胱、

极性带正电荷：天冬、谷、

极性带负电荷：组、赖、精、非极性氨基酸：甘、丙、缬、亮、异亮、苯丙、甲硫、脯、色、氨基酸的化学3、按人体是否可合成来分：必需氨基酸：机体不能自身合成，必须由食物供给的氨基酸。

赖、色、苏、缬、甲硫、亮、异亮、苯丙半必需氨基酸：人体可合成，但幼儿期合成速度不能满足需要。

组*、精*、非必需氨基酸：机体可自身合成的氨基酸。氨基酸的化学4、在有些蛋白质中存在的氨基酸及其衍生物：胱氨酸：2个半胱氨酸脱氢形成胱氨酸羟脯氨酸（胶原蛋白）鸟氨酸（甲状腺蛋白）5、非蛋白质氨基酸：

L-瓜氨酸、L-鸟氨酸：参加尿素循环；β-丙氨酸：维生素前体；γ-氨基丁酸：神经递质；D-谷氨酸、D-丙氨酸：细菌细胞壁的组分。氨基酸的化学（三）氨基酸的重要理化性质1、一般物理性质：2、两性解离与等电点（两性性质）：（1）氨基酸为两性电解质：

氨基酸的化学（2）aa解离方式取决于所处环境的pH：氨基酸的化学pH1pH11pH6在电场中，阳离子向负极移动；阴离子向阳极移动；调整pH，使aa净电荷为零时，aa既不向阳极也不向阴极移动。（3）等电点（isoelectricpoint,缩写为pI）规定aa净电荷为为零时的pH为该aa的等电点氨基酸的化学pH1pH11pH6（4）pI的测定：基于aa所带基团均可解离；酸碱滴定法；得到弱酸弱碱曲线；根据aa上可解离基团的pK值计算等电点：pK：解离常数。以甘氨酸为例：氨基酸的化学由此可知：在生理pH内，aa的羧基和氨基全部解离；具有这种性质的物质称两性电解质；带有相反基团的分子叫两性离子；滴定中Gly的阳离子（R+）、阴离子（R-）和两性离子（R°）的比例随pH而变；当溶液中只有两性离子时，pH=pI（5）等电点的计算由式可知解离常数：氨基酸的化学R-R+R±K1=[R±][H+][R+]K2=[R+][R-][H+]由此可知：

已知在pI时，[R+]=[R-]，∴整理可得：K1K2=[R+]=[R±][H+][R±]K2K1[R-]=[H+][R±][H+]K1=[R±]K2[H+][H+]2两边取负对数：

-lg[H+]2=-lgK1－-lgK2∵-lg[H+]=pH-lgK1=

pK1-lgK2=

pK2∴2pH=pK1+pK2令pI为等电点时的pH，则

pI=½（pK1+pK2）Gly：pI=½（2.4+9.6)=5.97由此可知:

等电点相当于该aa两性离子状态两侧

基团pK值之和的一半。

A、对侧链R基不解离的中性氨基酸：

pI=1/2（pK1+pK2）即：等电点pH值与离子浓度无关，只取决于兼性离子两侧基团的pK值。B、对有三个可解离基团的氨基酸：

如：酸性氨基酸、碱性氨基酸的pI计算：a、先写出其解离公式；b、后取兼性离子两侧基团的pK值的平均值。如：天冬氨酸如赖氨酸：总结a、各种aa的pI不同；b、同一pH下，各种aa所带电荷不同；

pH＜pI：aa+pH＞pI：aa-用离子交换、电泳将aa分开c、处于pI时，aa溶解度最小，易沉淀；可分离aa。3、紫外吸收性质：只有芳香族氨基酸有紫外吸收能力，因其含有苯环共轭双键的R侧链。酪氨酸λmax：270nm苯丙氨酸λmax：259nm色氨酸λmax：279nm所以，测样品280nm处的光吸收值，可知溶液中蛋白质浓度。此法快速简便。4、氨基酸的重要化学性质（1）与茚三酮的反应：

α-氨基酸与水合茚三酮溶液共热，引起aa氧化脱氨、脱羧，水合茚三酮与反应产物（氨和还原型茚三酮）生成兰紫色化合物（Pro和Hyp呈黄色），色深与溶液中氨基浓度成正比。氨基酸的化学应用：可定性或定量测定各种氨基酸。a、根据颜色深浅，在570（440）nm处测OD值，可知样品中氨基酸含量。b、定量释放的CO2可用测压法测量，计算出参加反应的aa量。c、蛋白质和多肽亦可反应，但灵敏度差。氨基酸的化学其他化学反应与二硝基氟苯（DNFB）的反应与丹磺酰氯的反应异硫氰酸苯酯的反应与甲醛反应与荧光胺的反应与5，5’-双硫基-双(2-硝基苯甲酸)的反应氨基酸的化学5、氨基酸的分离分析氨基酸的化学（1）分配层析法：

一种溶质在两种互不相溶或几乎不相溶的溶剂中分配时,在一定温度下平衡后,溶质在两相溶剂中的浓度比值与其溶解度比值相等,此比值称分配系数.如在酚-水系统分配时,每种aa有特定分配系数,依此可用逆流分配法分离.固定相：

借助一定支持物（如：纤维素、淀粉、硅胶等亲水性不溶物质），以结合水为固定相。

流动相：

以与水不溶的有机溶剂（如：酚、正丁醇）为流动相。方法：

流动相流过支持物，将分配系数不同的氨基酸分开，以茚三酮显色，形成色谱，扫描定量，或洗脱后比色定量。氨基酸的化学2）氨基酸分离纯化方法分配柱层析氨基酸的化学纸层析薄层层析（将纸换成纤维素、硅胶、氧化铝等）离子交换柱层析（全自动氨基酸分析仪）气相色谱（气相色谱仪）高效液相色谱四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构构型：指在立体异构体中取代原子或基团在空间的取向。构象：指这些取代基团在单键旋转时可能形成的不同的立体异构体。蛋白质的构象：指蛋白质特有的空间结构。蛋白质结构有不同的组织层次：（一）蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构是以肽键连接aa的线性序列。1、肽和肽键的结构：

肽（peptide)：一个氨基酸的α-羧基和另一氨基酸的α-氨基脱水缩合而成的化合物。四、蛋白质的结构2、肽链的基本连接方式——肽键肽键(peptidebond)：为1个氨基酸的α-氨基和另一氨基酸的α-羧基之间脱水后形成的共价键，即酰胺键。此为蛋白质中氨基酸连接的基本方式。1）肽键具高度稳定性；2）具双键性质，不能自由转动；3）肽单元呈平面化和刚性性质；4）C=O与—NH反式排列。四、蛋白质的结构3、肽链间/内的连接——二硫键：四、蛋白质的结构概念：由肽链中相应部位上两个半胱氨酸脱氢连接而成，此称胱氨酸残基，是连接肽链内或肽链间的主要桥键。功能：稳定肽链空间结构；赋予一定生物活力。四、蛋白质的结构二硫键的连接，

种类有多种例：胰岛素胰脏中胰岛β-细胞分泌的一种蛋白质激素。功能：降低血糖。结构：A链：21aa；B链：30aa；链间有两对二硫键；在A链内aa6和aa11间以二硫键连成小环。如：牛胰岛素

四、蛋白质的结构多肽（polypeptide)：多个氨基酸以肽键

连接方式形成.

书写习惯：左N右C；一端是游离氨基；另一端为游离羧基。肽链中的氨基酸已非完整分子，称氨基酸残基(animoacidresidue);四、蛋白质的结构4、天然存在的活性肽活性肽(activepeptide)：存在于生物体内，具各种特殊生物学功能的肽。四、蛋白质的结构谷胱甘肽（GSH）：多肽激素：如催产素、加压素、肾上腺皮质激素、胰高血糖素、舒缓激肽等；脑肽：脑啡肽、内啡肽：抗生素：如短杆菌肽、放线菌素D毒素等5、蛋白质一级结构测定的一般方法(1)间接法:

测定cDNA序列推出mRNA序列,分析蛋白质aa组成.四、蛋白质的结构mRNA逆转录酶cDNA(2)直接法:1）确定氨基酸组成：

酸解、分离、显色、定量测定；

2）氨基酸末端分析：

N末端分析:异硫氰酸苯酯（PITC法）2，4-二硝基氟苯法(DNFB)丹磺酰氯法（DNS法）

C末端分析:化学法、羧肽酶法化学法：溴化氰及无水溴化氰.酶解法：胰蛋白酶、糜蛋白酶、氨肽酶、羧肽酶。四、蛋白质的结构3）将多肽特异地裂解成较小的肽：4）用Edman方法分析各小肽的氨基酸序列与异硫氰酸苯酯(PITC)的反应。5）将已知序列各肽段重叠，确定整

个肽链的氨基酸顺序。（二）蛋白质的空间结构概念：Pro空间结构又称Pro的构象（高级结构），指Pro分子中所有原子和基团在三维空间的排列及肽链的走向。四、蛋白质的结构血红蛋白四级结构纤维状蛋白分子：种类:角蛋白、胶原蛋白、血纤维蛋白、肌纤维蛋白。功能:在生物体内保护、支持、结缔功能。四、蛋白质的结构胶原蛋白（2）球蛋白分子：种类：血红蛋白、肌红蛋白、清蛋白、球蛋白、酶蛋白、激素蛋白、抗体等。1、蛋白质分子中的非共价键：四、蛋白质的结构（1）氢键：羧基上的氧与亚氨基上的氢原子所形成。作用：链内维持二级结构；链间为三、四级结构所需。（2）疏水键：aa非极性侧链形成。作用：维持三级结构。（3）盐键：带正负电荷的侧链通过静电引力形成。（4）范德华力：中性分子或原子间的作用力。四、蛋白质的结构次级键的特点与作用键能弱；数量多。所以，在维持蛋白质空间结构中起重要作用。2、蛋白质的二级结构指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕形式；α-螺旋结构β-折叠结构β-转角结构自由回转四、蛋白质的结构（1）α-螺旋(α-helix)因肽链中aa残基中的-NH与前三个aa的C=O间可形成氢键，使得肽链呈螺旋状盘曲。氢键取向几乎与中心轴平行。四、蛋白质的结构（2）β-折叠(β-pleatedsheet)结构特点：肽链伸展，按层排列,在肽链的不同区段或不同肽链间形成氢键,维持结构的稳定性。四、蛋白质的结构β-折叠有两种类型平行：所有肽链的N端处于同一端，氢键不与肽链走向垂直。如：β-角蛋白。四、蛋白质的结构反平行：肽链的N端不处于同一端，氢键与肽链走向垂直。如：丝心蛋白。（3）β-转角(β-turn)链内形成氢键，多肽链出现180°的回折。此回折角称β-转角结构。此结构广泛存在球状蛋白中。四、蛋白质的结构（4）自由回转(randomcoil)（亦称无规则卷曲、自由绕曲）指无规律的松散肽链结构。通常酶蛋白的功能部位在此。2、超二级结构(supersecondarystructures)四、蛋白质的结构指若干相邻二级结构单元组合彼此相互作用，形成有规则的在空间上能辨认的二级结构组合体。此为二级结构与三级结构间的一种过渡构象。如：αα，β×β；βαβ；等。3、结构域(domains)：多肽链在超二级结构基础上进一步绕曲折叠而成的相对独立的三维实体称结构域。具有部分生物学功能。四、蛋白质的结构甘油醛3-P脱氢酶结构域几种常见的结构域四、蛋白质的结构蚯蚓血红蛋白的结构域四个α螺旋。免疫球蛋白VL的结构域丙糖异构酶结构域与三级结构的关系四、蛋白质的结构多肽链

二级结构

超二级结构

结构域

三级结构4、蛋白质三级结构概念：指蛋白质多肽链上所有原子在三维空间的分布。较小蛋白质分子：多为单结构域，即三级结构；较大蛋白质分子：由2或2个以上结构域结合成三级结构。四、蛋白质的结构肌红蛋白三级结构4、蛋白质的四级结构亚基：几条肽链以非共价键联结成一稳定的活性单位，这种肽链称该蛋白质的亚基(subunit)。四级结构：亚基间通过非共价键聚合而成的特定构象。四、蛋白质的结构血红蛋白:2个α亚基和2个β亚基。蛋白质的四种结构层次四、蛋白质的结构蛋白质的一级结构蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序。蛋白质的空间结构一级结构卷曲、折叠而成。通常分为二级结构、超二级结构、结构域、三级结构、四级结构。一级结构决定空间结构。五、蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质一级结构与功能的关系蛋白质构象与功能的关系(一）蛋白质一级结构与生物功能1、一级结构不同,蛋白质功能不同五、蛋白质分子结构与功能的关系2、一级结构的关键部分相同，

功能相同：不同来源的胰岛素都由A、B链，51个aa组成，但一级结构的aa种类并不完全相同。3、一级结构改变引起的分子病：如：镰刀型贫血病血红蛋白仅一级结构：

β6Glu换成β6Val由此引起三级结构多一疏水键，四级结构发生线性缔合，导致红细胞发生溶血。五、蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质的空间结构决定于其一级结构和周围环境的影响如：疯牛病

PrP

c

PrP

c

(上)

PrP

sc(下)

PrPcPrPsc

α－螺旋40％21％

β－折叠

3％54%prion的发现，提示人们，一级结构和环境因素影响蛋白质的构象。（二）蛋白质构象与功

能的关系蛋白质构象改变，活性丧失。五、蛋白质分子结构与功能的关系用化学方法修改Pro或多肽化合物的结构，可提高活性；了解Pro结构中的活性必需片段，可人工合成Pro。五、蛋白质分子结构与功能的关系六、蛋白质的性质

蛋白质的性质与其分子大小、结构及其组成——aa的性质密切相关。(一）分子量：

Pr为高分子有机物，分子量几千—几千万。分子量测定方法：渗透压法；超速离心法；凝胶过滤法；聚丙烯酰胺电泳法等。（二）两性电离与等电点六、蛋白质的性质应用电泳法：分离各种蛋白质；鉴定蛋白质的纯度。此多用于科研、生产、临床诊断等。（三）胶体性质蛋白质水溶液为亲水胶体。不能通过半透膜；分子周围有双电子层和水化层，有利于稳定pr胶体系统。六、蛋白质的性质超滤透析（四）呈色反应反应试剂颜色反应基团双缩脲反应

NaOH,稀CuSO4

紫或粉

2个以上肽链Millon反应

Millon,硝酸，亚硝酸

红色

酚基黄色反应

HNO3及NH3

黄、橘黄

苯环乙醛酸反应乙醛酸H2SO4

紫红吲哚坂口反应

次氯酸钠,萘酚，NaOH

红色

胍基Folin酚试剂反应

CuSO4磷钨酸-钼酸

兰色

酚基茚三酮反应

茚三酮