生物化学笔记版

生物化学笔记整理版

第一章蛋白质化学

教学目标：

1.掌握蛋白质的概念、重要性和分子组成。

2.掌握a-氨基酸的结构通式和20种氨基酸的名称、符号、结构、分类；掌握氨基酸的重要性质；熟悉肽和活性肽的概念。

3.掌握蛋白质的一、二、三、四级结构的特点及其重要化学键。

4.了解蛋白质结构与功能间的关系。

5.熟悉蛋白质的重要性质和分类

导入：100年前，恩格斯指出"蛋白体是生命的存在形式"；今天人们如何认识蛋白质的概念和重要性？

1839年荷兰化学家马尔德(GJ.Mulder)研究了孚屏口蛋中的清蛋白，并按瑞典化学家Berzelius的提议把提取的物质命名

为蛋白质(Protein,源自希腊语，意指"第一重要的"1德国化学家费希尔(E.Fischer)研究了蛋白质的组成和结构，在

19C7年奠立蛋白质化学.英国的鲍林(LPauling)在1951年推弓|出蛋白质的螺旋；桑格(FSanger)在1953年测出胰岛素的

一级结构。佩鲁茨(MEPerutz)和肯德鲁(JCkendrew)在1960年测定血红蛋白和肌红蛋白的晶体结构.1965年，我国生

化学者首先合成了具有生物活性的蛋白质一胰岛素(insulinI

蛋白质是由L-a-氨基酸通过肽键缩合而成的具有较稳定的构象和一定生物功能的生物大分子(biomacromolecule1

蛋白质是生命活动所依赖的物质基础，是生物体中含量最丰富的大分子。

单细胞的大肠杆菌含有3000多种蛋白质而人体有10万种以上结构和功能各异的蛋白质人体干重的45%是蛋白质。

生命是物质运动的高级形式，是通过蛋日质的多种功能来实现的。新陈代谢的所有的化学反应几乎都是在酶的催化下进行的，

已发现的酶绝大多数是蛋白质。生命活动所需要的许多小分子物质和离子，它们的运输由蛋白质来完成。生物的运动、生物

体的防御体系离不升蛋白质。蛋白质在遗传信息的控制、细胞膜的通透性，以及高等动物的记忆、识别刃I构等方面都起着重

要的作用。日迨着蛋白质工程和蛋白质组学的兴起和发展，人们对蛋白质的结构与功能的认识越来越深刻.

第一节蛋白质的分子组成

一、蛋白质的元素组成

经元素分析，主要有C(50%~55%)H(6%-7%10(19%~24%1N(13%~19%1S(0%~4%>有些蛋

白质还含微量的P、Fe、Cu.Zn、Mn、Co.Mo、I等。

各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%.因此，可以用定氮法来推算样品中蛋白质的大致含量。

每克样品含氮克数x6.25xl00=100g样品中蛋白质含量(g%)

二、蛋白质的基本组成单位一氨基酸

蛋白质在酸、碱或蛋白酶的作用下,最终水解为游离氨基酸(aminoacid),即蛋白质组成单体或构件分子。存在于自然界

中的氨基酸有300余种，但合成蛋白质的氨基酸仅20种(称编码氨基酸)，最先发现的是天门冬氨酸(1806年)，最后鉴定

的是苏氨酸(1938年1

(-)氨基酸的结构通式

组成蛋白质的20种氨基酸有共同的结构特点：

1.氨基i车接在a-C上，属干a-氨基龄(月甫氨酹为a-亚氨基酯1

2.R是硼连，除甘氨酸外都含手性C,有D-型和L-型两种立体异构体。天然蛋白质中的氨基酸都是L-型。

注意：构型是指分子中各原子的特定空间排布，其变化要求共价键的断裂和重新形成。旋光性是异构体的光学活性，是

使偏振光平面向左或向右旋转的性质,（-）表示左旋，（+）表示右旋。构型与旋光性没有直接对应关系。

（二）氨基酸的分类

1.按R基的化学结构分为脂肪族、芳香族、杂环、杂环亚氨基酸四类。

2.按R基的极性和在中性溶液的解离）犬态分为非极性氨基酸、极性不带电荷、极性带负电荷或带正电荷的四类。

带有非极性R（煌基、甲硫基、口引噪环等，共9种）：甘（Gly）丙（Alai缴（Vai，亮（Leu［异亮（lie1苯丙（Phel

甲硫（MetX脯（Pro｝色（Trp）

带有不可解离的极性R（羟基、端基、酰股基等，共6种）：丝（Ser\苏（Thr1天股（Asn\谷胺（Gin＞酪（Tyr1

半（Cys）

带有可解离的极性R基（共5种）：天（Asp）谷（Glu）赖（Lys\精（Arg）组（His）,前两个为酸性氨基酸，后三个

是碱性氨基酸。

蛋白质分子中的胱氨酸是两个半胱氨酸脱氨后以二硫键结合而成,胶原蛋白中的羟脯氨酸、羟赖氨酸，凝血酶原中的粉

基谷氨酸是蛋白质加工修饰而成。

（三）氨基酸的重要理化性质

1.一般物理性质

a-氨基酸为无色晶体，熔点一般在200oC以上。各种氨基酸在水中的溶解度差别很大（酪氨酸不溶于水\一般溶解于

稀酸或稀碱，但不能溶解于有机溶剂，通常酒精能把氨基酸从其溶液中沉淀析出。

芳香族氨基酸（Tyr、Trp、Phe）有共辗双键，在近紫外区有光吸收能力，Tyr、Trp的吸收峰在280nm,Phe在265nm0

由于大多数蛋白质含Tyr.Trp残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值，是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。

2.两性解离和等电点（isoelectricpoint,pl）

氨基酸在水溶液或晶体状态时以两性离子的形式存在，既可作为酸（质子供体），又可作为碱（质子受体）起作用,是两

性电解质，其解离度与溶液的pH有关.

在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势和程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的pH称

为该氨基酸的等电点。氨基酸的pl是由a-竣基和a-氨基的解离常数的负对数pKl和pK2决定的。计算公式为:pI=l/2（pKl+

pK2）a

若1个氨基酸有3个可解离基团，写出它们电离式后取兼性离子两边的pK值的平均值，即为此氨基酸的等电点（酸性

氨基酸的等电点取两竣基的pK值的平均值,碱性氨基酸的等电点取两氨基的pK值的平均值I

3.氨基酸的化学反应

氨基酸的化学反应是其基团的特征性反应。重要的有：

（1）茄三酮反应

所有具有自由a-氨基的氨基酸与过量的三酮共热形成蓝紫色化合物（肺氨酸和羟牖寂酸与前三酮反应产生黄色物质\用

分光光度法可定量测定微量的氨基酸。蓝紫色化合物的最大吸收峰在570rm波长处，黄色在440nm波长下测定。吸收峰值

的大〃与氨基酸释放的氨量成正比。

（2）与2,4-二硝基氟因（DNFB）的反应

在弱碱性溶液中,氨基酸的《氨基很容易与DNFB作用生成稳定的黄色2,4-二硝基苯氨基酸（DNP-氨基酸）,这一反

应在蛋白质化学的研究史上起过重要作用，Sanger等人应用它测定胰岛素一级结构。

多肽顺序自动分析仪是根据相类似的原理设计的即利用多肽链N端氨基酸的a-氨基与异硫鼠酸苯酯PITC反应Edman

降解法b

三、肽（peptide）

1.肽键与肽链

一个氨基酸的a-竣基和另一个氨基酸的a-氨基脱水形成的酰胺键称为抗犍。由氨基酸通过肽键相连而成的化合物称为肽。

肽键及其两端的a-碳原子相连所形成的长链骨架，即…Ca—C—N—Ca—C—N—Ca—C—N—Ca…称为多肽主链，—Ca

CN一是重复单位。肽键是蛋白质分子中的主要共价键。多肽链的方向性是从N末端指向C末端。

肽分子中不完整的氨基酸称为氨基酸残基。肽按其序列从N端到C端命名。一般10肽以下属其肽，10肽以上为多肽.

2.生物活性肽

（1）谷胱甘肽（glutathione,GSH）

是由Glu、Cys、Gly组成的一种三肽，又叫y-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸（含y-肽键ICys的-SH是主要功能基团，GSH是一

种抗氧化剂，是某些酶的辅酶，可保护蛋白质分子中的-SH免遭氧化，保护疏基蛋白和酶的活性。在GSH过氧化物酊的作用

下，GSH还原细胞内产生的H2O2,生成H20,2分子GSH被氧化成GSSG,后者在GSH还原酶催化下,又生成GSH.

（2）多肽类激素和神经肽

人体内有许多激素属寡肽或多肽，如下丘脑一垂体分泌的催产素（9肽1加压素（9肽1促肾上腺皮质激素（ACTH,39

肽）等.催产素和加压素结构仅第3、第8位两个氨基酸残基不同，前者使平滑肌收缩，有催产和使乳腺泌乳的作用；后者

能使小动脉收缩，增高血压，也有减少排尿的作用。

神经肽是在神经传导过程中起信号转导作用的肽类。如脑啡肽（5肽）；0-内啡肽（31肽1强啡肽（。肽）等。随着

脑科学的发展，会发现更多的生物活性肽。

第二节蛋白质的分子结构

蛋白质是生物大分子,结构比较复杂，人们用4个层次来描述，包括蛋白质的一级、二级、三级和四级结构。一级结构

描述的是蛋白质的线性（或一维）结构，即共价连接的氨基酸残基的序列，又称初级或化学结构。二级以上的结构称高级结

构或构象（conformation\

一、蛋白质的一级结构（primarystructure）

1953年，英国科学家F.Sanger首先测定了胰岛素（insulin）的一级结构，有51个氨基酸残基，由一条A链和一条B

链组成,分子中共有3个二硫键，其中两个在A、B链之间，另一个在A橙内。

蛋白质的一级结构测定或称序列分析常用的方法是Edman降解和重组DNA法。Edman降解是经典的化学方法，比较

复杂。首先要纯化一定量的待测蛋白质，分别作分子量测定、装基酸组成分析、N-末端分析、末端分析；要应用不同的化

学试剂或特异的蛋白内切酶水解将蛋白质裂解成大4不同的肽段，测出它们的序列，对照不同水解制成的两套肽段，找出重

尝片段,最后推断蛋白质的完整序列。重组DNA法是基于分子克隆的分子生物学方法，比较简单而高效，不必先纯化该种

蛋白质，而是先要得到编码该种蛋白质的基因（DNA片段），测定DNA中核甘酸的序列，再按三个核甘酸编码一个氨基酸

的原则推测蛋白质的完整序列。这两种方法可以相互印证和补充。

目前，国际互联网蛋白质数据库已有3千多种一级结构清楚。蛋白质一级结构是空间结构和特异生物学功能的基础。

二、蛋白质的二级结构（secondarystructure）

蛋白质的二级结构是指其分子中主链原子的局部空间排列，是主链构象（不包括侧链R基团X

构象是分子中原子的空间排列，但这些原子的排列取决于它们绕键的旋转，构象不同于构型，一个蛋白质的构象在不破

坏共价键情况下是可以改变的。但是蛋白质中任一氨基酸残基的实际构象自由度是非常有限的，在生理条件下，每种蛋白质

似乎是呈现出称为天然构象的单一稳定形状。

20世纪30年代末，LPanling和RBCorey应用X射线衍射分析测定了一些氨基酸和寡肽的晶体结构，获得了一组标

准键长和键角,提出了肽单元（peptideunit）的概念，还提出了两种主链原子的局部空间排列的分子模型（a-螺旋）和（0

-折壁L

1.肽单位

肽键及其两端的a-C共6个原子处于同一平面上，组成了肽单位（所在的平面称肽键平面X

肽键C—N键长为0.132nm,比相邻的单键（0.147nm）短，而较C=N双键（0.128nm）长，有部分双键的性质,不

能自由旋转.肽键平面上各原子呈顺反异构关系，肽键平面上的0、H以及2个a-碳原子为反式构型（transconfiguration1

主链中的C«—C和Ca—N单键可以旋转，其旋转角5、中次定了两个相邻的肽键平面相对关系。由于肽键平面的相对

旋转，使主链可以以非常多的构象出现,事实上，肽链在构象上受到很大限制，因为主链上有1/3不能自由旋转的肽键，另

外主链上有很多侧链R的影响。蛋白质的主链骨架由许多肽键平面连接而成。

2。-螺旋（a-helix）

a-螺旋是肽键平面通过a-碳原子的相对旋转形成的一种紧密螺旋盘绕，是有周期的一种主链构象。其特点是：

①螺旋每转一圈上升3.6个氨基酸残基，懒巨约0.54nm（每个残基上升0.15nm,旋转10001

②相邻的螺圈之间形成链内氢键氢键的取向几乎与中心轴平行。典型a-螺旋一对氢键。与N之间共有13个原予3.613）,

前后间隔3个残基。

③螟旋的走向绝大部分是右手螺旋，残基侧链伸向外侧.R基团的大小、荷电状态及形状均对“螺旋的形成及稳定有影响。

30-折叠（0-pleatedsheet）

折叠是一种肽链相当伸展的周期性结构。

①相邻肽键平面间折磬成110。角，呈据齿状。

②两个以上具*折叠的肽链或同一肽链内不同肽段相互平行排列，形成3折叠片层，其稳定因素是肽链间的氢键。

③逆向平行的片层结构比顺向平行的稳定。

a-螺旋和如折叠是蛋白质二级结构的主要形式。毛发中的a-角蛋白和蚕丝中的丝心蛋白是其典型，在许多球蛋白中也存

在，但所占比例不一样。

胶原蛋白中存在的螺旋结构不同于一般的a-螺旋,是由3条具有左手螺旋的链相互缠绕形成右手超螺旋分子。链间氢键

以及螺旋和超螺旋的反向盘绕维持其稳定性。

4邛-转角（B-turn）

为了紧紧折叠成球蛋白的紧密形状，多肽链1800回折成发夹或B-转角。其处由4个连续的氨基酸残基构成，常有Gly

和Pro存在,稳定但转角的作用力是第一个氨基酸残基装基氧（0）与第四个氨基酸残基的豆基氢（H）之间形成的氢键。p

-转角常见于连接反平行如折叠片的端头。

5.无规卷曲（randomcoil）

冬肽链的主链呈现无确定规律的卷曲.典型球蛋白大约一半冬肽链是这样的构象。

6.超二级结构和结构域

超二级结构和结构域是蛋白质二级至三级结构层次的一种过渡态构象。

超二级结构指蛋白质中两个或三个具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成一特殊的组合体，又称为模体（motifX

通常有aa,pp,Bap等，例如钙结合蛋白质中的螺旋-环-螺旋模序及锌指结构。

结构域是球状蛋白质的折叠单位，是在超二级结构基础上进一步绕曲折叠有独特构象和部分生物学功能的结构。对于较

小的蛋白质分子或亚基，结构域和三级结构是一个意思，即这些蛋白质是单结构域的；对于较大的蛋白质分子或亚基，多肽

链往往由两个或两个以上的相对独立畸构域缔合成三级结构.

三、蛋白质的三级结构（tertiarystructure）

指一条多肽链中所有原子的整体抖而，包括主链和侧链.维系三级结构的作用力主要是次级键（疏水相互作用、静电力、

氢键等\在序列中相隔较远的氨基酸疏水侧链相互靠近，形成"洞穴"或‘口袋"状结构，结合蛋白质的辅基往往镶嵌其内，

形成功能活性部位，而亲水基团则在外，这也是球状蛋白质易溶于水的原因。1963年Kendrew等从鲸肌红蛋白的X射线衍

射图谱测定它的三级结构（153个氨基酸残基和一个血红素辅基，相对分子质量为17800X由A-H8段a-螺旋盘绕折叠

成球状,氨基酸残基上的疏水侧链大都在分子内部形成一个袋形空穴,血红素居于其中，富有极性及电荷的则在分子表面形

成亲水的球状蛋白。

四、蛋白质的四级结构（quaternarystructure）

有些蛋白质的分子量很大，由2条或2条以上具有独立三级结构的多肽链通过非共价键相互结合而成，称为蛋白质的四

级结构.构成四级结构的每条多肽链称为亚基（subunit）,亚基单独存在时一般没有生物学功能，构成四级结构的几个亚基

可以相同或不同。如血红蛋白（hemoglobin,Hb）是由两个a-亚基和两个但亚基形成的四聚体（a2p2\

五、蛋白质分子中的化学键

蛋白质的一级结构是由共价键形成的，如肽键和二硫键。而维持空间构象稳定的是非共价的次级键。如氢键、盐键、疏

水键、范德华引力等。

第三节蛋白质结构与功能的关系

一、蛋白质一级结构与功能的关系

（-）一级结构是空间构象的基础

20世纪60年代初，美国科学家C.Anfinsen进行牛胰核糖核酸醒的变性和复性实验，提出了蛋白质一级结构决定空间

结构的命题。

核糖核酸酶由124个氨基酸残基组成，有4对二硫键。用尿素和0-茨基乙醇处理该酶溶液，分别破坏次级键和二硫键，

肽链完全伸展，变性的酶失去催化活性；当用透析方法去除变性剂后，酶活性几乎完全恢复,理化性质也与天然的酣一样。

概率计算表明，8个半胱氨酸残基结合成4对二硫键，可随机组合成105种配对方式，而事实上只形成了天然酶的构象，

这说明一级结构未破坏，保持了氨基酬排列顺序就可能回复到原来的三级结构，功能依然存在。

（二）种属差异

大量实睑结果证明，一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间结构和功能也相似，不同种属的同源蛋白质有同源序列，反

映其共同进化起源，通过比较可以揭示进化关系.

例如哺学励物的胰岛素，其一级结构仅个别氨基酸差异（A链5、6、10位，B链30位），它们对生物活性调节糖代谢

的生理功能不起决定作用。

从各种生物的细胞色素Qcytochromec）的一级结构分析,可以了解物种进化间的关系。进化中越接近的生物，它们

的组胞色素c的一级结构越近似.

（三）分子病

分子病是指机体DNA分子上基因缺陷引起mRNA分子异常和蛋白质生物合成的异常，进而导致机体某些功能和结构随

之变异的遗传病。在1904年，发现镰刀状红细胞贫血病。大约化费了40多年才清楚患病原因，患者的血红蛋白（HbS）与

正常人的（HbA）相比，仅0-链的第6位上，Vai取代了正常的Glu.目前全世界已发现有异常血红蛋白40。种以上。

二、蛋白质空间结构与功能的关系

蛋白质的空间结构是其生物活性龌础，空间结构变化，其功能也随之改变。肌红蛋白（Mb）和血红蛋白（Hb）是典

型的例子。

肌红蛋白（Mb）和血红蛋白（Hb）都能与氧进行可逆的结合，氧结合在血红素辅基上。然而Hb是四聚体分子，可以

转运氧；Mb是单体，可以储存氧，并且可以使氧在肌肉内很容易地扩散。它们的氧合曲线不同，Mb为一条双曲线，Hb是

一条S型曲线。在低p（02）T，肌红蛋白比血红蛋白对氧亲和性高很多，p（02）为2.8torr（ltogl333Pa）时，肌红蛋白处

于半饱和状态。在高p（02）下，如在肺部（大约lOOtorr）时，两者几乎都被饱^口。其差异形成一个有效的将氯从肺转运到

肌肉的氧转运系统。

Hb未与氧结合时，其亚基处于一种空间结构紧密的构象（紧张态，T型），与氧的亲和力小。只要有一个亚基与氧结合,

就能使4个亚基间的盐键断裂，变成松池的构象（松弛态，R型IT型和R型的相互转换对调节Hb运氧的功能有重要作用。

一个亚基与其配体结合后能促进另一亚基与配体的结合是正协同效应，其理论解释是Hb是别构蛋白，有别构效应。

第四节蛋白质的理化性质

蛋白质的理化性质和氨基酸相似，有两性解离及等电点、紫外吸收和呈色反应.作为生物大分子，还有胶体性质、沉淀、

变性和凝固等特点。要了解和分析蛋白质结构和功能的关系就要利用其特殊的理化性质,采取盐析、透析、电泳、层析及离

心等不损伤蛋白质空间构象的物理方法分离纯化蛋白质。

一、蛋白质的高分子性质

蛋白质的相对分子质量在1万~1。0万,其颗粒平均直径约为43nm（胶粒范围是1-lOOnm\准确可靠的测定方法

是超离心法，蛋白质的相对分子质量可用沉降系数（S）表示。

在球状蛋白质三级结构形成时，亲水基团位于分子表面，在水溶液中与水起水合作用，因此，蛋白质的水溶液具有亲水

胶体的性质。颗粒表面的水化膜和电荷是其稳定的因素，调节pH至pl、加入脱水剂等，蛋白质即可从溶液中沉淀出来。

透析法是利用蛋白质不能透过半透膜的性质，去掉小分子物质，达到纯化的目的。

大小不同的蛋白质分子可以通过凝胶过滤分开。又称分子筛层析。

二、蛋白质的两性解离

蛋白质和氨基酸一样是两性电解质，在溶液中的荷电状态受pH值影响。当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成

正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为该蛋白质的等电点.pH>pl时该蛋白质颗粒

带负电荷，反之则带正电荷。在人体体液中多数蛋白质的等电点接近pH5,所以在生理pH7.4环境下，多数置白质解离成阴

离子。少量蛋白质，如鱼精蛋白、组蛋白的pl偏于碱性，称碱性蛋白质，而胃蛋白酶和丝蛋白为酸性蛋白。

三、蛋白质的变性、沉淀和凝固

蛋白质在某些理化因素的作用下，空间结构被破坏，导致理化性质改变，生物学活性丧失，称为蛋白质的变性

（denaturation1

蛋白质变性的本质是多肽链从卷曲到伸展的过程，不涉及一级结构的改变（如加热破坏氢键，酸碱破坏盐键等I变性作

用不过于剧烈，是一种可逆反应，去除变性因素，有些蛋白质原有的构象和功能可恢复或部分恢复，称为复性（denaturation\

蛋白质变性的主要表现是失去生物学活性，如酶失去催化能力、血红蛋白失去运输氧的功能、胰岛素失去调节血糖的生

理功能等。变性蛋白溶解度降低，易形成沉淀析出；易被蛋白水解酶消化。蛋白质变性具有重要的实际意义。

蛋白质自溶液中析出的现象，称为蛋白质的沉淀。盐析、有机溶剂、重金属盐、生物碱试剂都可沉淀蛋白质。盐析沉淀

蛋白质不变性,是分离制备蛋白质的常用方法。如血浆中的清蛋白在饱和的硫酸镀溶液中可沉淀，而球蛋白则在半饱和硫酸

被溶液中发生沉淀。乙醇、丙酮均为脱水剂，可破坏水化膜，降低水的介电常数，使蛋白质的解离程度降低，表面电荷减少，

从而使蛋白质沉淀析出。低温时，用丙酮沉淀蛋白质，可保留原有的生物学活性。但用乙醇，时间较长则会导致变性。重金

属盐（Hg2+、Cu2+、Ag+）,生物碱（如三泉乙酸、苦味酸、猱酸）与蛋白质结合成盐而沉淀,是不可逆的。

蛋白质变性不一定沉淀（如强酸、强碱作用变性后仍然能溶解于强酸、强碱溶液中，将pH调至等电点，出现絮状物，

仍可溶解于强酸、强碱溶液，加热则变戌凝块，不再溶解I凝固是蛋白质变性发展的不可逆的结果。沉淀的蛋白质不一定变

性（如盐析I

四、蛋白质的紫外吸收和呈色反应

蛋白质含芳香族氨基酸,在280nm波长处有特征性吸收峰，用于定量测定。

蛋白质分子中的多种化学基团具有特定的化学性能，与某些试剂产生颜色反应,可用于定性、定量分析。如蛋白质分子

中含有许多和双缩眼结构相似的肽键，在碱性溶液与硫酸铜反应产生红紫色络合物（双缩版反应\酪氨酸含酚基，与米伦试

剂生成白色沉淀，加热后变红色。Folin-酚试剂与酪氨酸反应生成蓝色.色氨酸与乙醛酸反应,慢慢注入浓硫酸，出现紫色

环。

第五节蛋白质的分类

自然界蛋白质分布广泛，种类繁多,有1012~1013种。目前仍无法发蛋白质的化学结构进行精确的分类，一般按蛋白

质的分子形状、分子组成、生物功能进行分类。

1.按分子形状分为球状蛋白质和纤维状蛋白质。

2.佞分子组成分为简单蛋白质和结合蛋白质。

简单蛋白质完全水解的产物仅为a-氨基酸。这类蛋白质按其溶解度等理化性质分为7类.包括清蛋白、球蛋白、醇溶蛋白、

谷蛋白、精蛋白、组蛋白和硬蛋白。

结合蛋白质由简单蛋白质和非蛋白质（辅基）组成。根据辅基的不同，这类蛋白质可分为5类。如核蛋白、糖蛋白、脂

蛋白、色蛋白和磷蛋白。

细胞核中的核蛋白是DNA与组蛋白结合而成，细胞质中的核糖体是RNA与蛋白质组成的，已知的病毒也是核蛋白。免

疫球蛋白是一类糖蛋白,由蛋白质与糖以共价键相连而成；脂蛋白由蛋白质与脂类通过非共价键相连，存在生物膜^动物血

浆中。

3.按蛋白质功能分为活性蛋白质和非活性蛋白质。

活性蛋白质包括有催化功能的酶、有调节功能的激素、有运动、防御、接受和传递信息的蛋白质以及毒蛋白、膜蛋白等。

胶原、角蛋白、弹性蛋白、丝心蛋白等是非活性蛋白质。

第二章核酸的化学

教学目标：

1.掌握DNA和RNA在化学组分、分子结构和生物功能上的特点。

2.掌握DNA双螺旋结构模型和t-RNA二级结构的要点，了解核酸的三级结构。

3.熟悉核酸的性质（一般性质、DNA热变性、复性与分子杂交X

4.掌握基因组的概念,原核生物和真核生物基因组的特点。了解DNA测序的原理。

导入：核酸是生物遗传的物质基石区它的发现和研究进展如何？

1868年瑞士青年医生Miescher从脓细胞核中分离出一种含磷量很高的酸性化合物,称为核素。其继任者Altman发展

了从酵母和动物组织中制备不含蛋白质的核酸的方法，于1889年提出核酸（nucleicacid）这一名称。早期核酸研究因"四

核昔酸假说”的错误进展缓慢。

1943年Chargaff等揭示了DNA的碱基配对规律,1944年美国Avery利用致病肺炎球菌中提取的DNA使另一种非致

病性的肺炎球菌的遗传性状发生改变而成为致病菌，发现正是DNA携带遗传信息。Astbury.Franklin和Wilkins用X射线

彷射法研究DNA分子结构，得到清晰衍射图。Watson和Crick在此基础上于1953年提出了DNA双螺旋结构模型，说明

了基因结构、信息和功能三者之间的关系，奠定了分子生物学基础。1958年Crick提出"中心法则"；60年代破译遗传密码，

阐明3类RNA参与蛋白质生物合成的过程；70年代诞生了基因重组和DNA测序生物技术，90年代提出人类基因组计划，

21世纪进入后基因组时代。核酸的研究成了生命科学中最活跃的领域之一。

第一节核酸的化学组成

天然存在的核酸有两类，即脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）和核糖核酸（ribonucleicacid,RNA\

DNA分子是生物体的遗传信息库，分布在原核细胞的核区，真核细胞的核和细胞器以及病毒中；RNA分子参与遗传信息表

达的一些过程，主要存在于细胞质。

一、核酸的基本组成单位

核酸是一种多聚核甘酸，用不同的降解法得到其组成单位一核甘酸,而核甘酸又由碱基、戊糖和磷酸组成。

（一）戊糖

DNA含0-D-2-脱氧核糖，RNA含0-D-核糖。这是核酸分类的依据。核糖中的C记为1'……5；

（二）碱基（base）

核酸中的碱基有两类：噤吟碱和磁碱。有5种基本的碱甚外，还有一些含量甚少的稀有碱基。DNA和RNA中常见的

两和噤吟碱是腺噂吟（adenine,A\鸟瞟吟（guanine,G1而嗑碇碱有所不同：RNA主要含胞嗑碇（cytosine,C\

尿昭咤（uracil,U）,DNA主要含胞咯0定、胸腺喀碇（thymine,T1

tRNA中含有较多的稀有碱基（修饰碱基）,多为甲基化的。

（三）核首

是碱基和戊糖生成的糖苗。通过-N9或Cl'-N1糖昔键连接，用单字符表示，脱氧核首则在单字符前加do常

见的修饰核首有：次黄首或肌昔为I、黄瞟岭核昔X、二氢尿嚏。定核昔D、假尿首中等.注意符号的意义，如F5dC。

（四）核甘酸

是核昔的磷酸酯。生物体内游离存在的多是5核甘酸（如pA、pdG等1常见的核甘酸为AMP、GMA、CMP、

UMPO常见的脱氧核甘酸有dAMP、dGMA、dCMP、dTMPeAMP是一些重要辅酶的结构成分（如NAD+、NADP+、

FAD等）；环化核昔酸（cAMP/cGMP）是细胞功能的调节分子和信号分子.ATP在能量代谢中起重要作用。

核甘酸是两性电解质，有等电点。核甘酸有互变异构和紫外吸收。（含氧的碱基有酮式和烯醇式两种互变异构体，在生理

pH条件下主要以酮式存在）

二、核昔酸的连接方式

RNA和DNA链都有方向性，从5，一3；前一位核甘酸的3'-OH与下一位核甘酸的5'位磷酸基之间形成3',5'

-磷酸二酯键，从而形成一个没有分支的线性大分子,两个末端分别称为51末端和3'末端.大分子的主链由相间排列的戊

糖和磷酸构成,而碱基可看作主链上的侧链基团,主链上的磷酸基是酸性的,在细胞pH下带负电荷；而碱基有疏水性。

讨论：列表说明DNA和RNA在化学组成、分子结构和生物功能方面的主要特点。

第二节DNA的分子结构

一、DNA的一级结构（primarystucture）

DNA的一级结构是指分子中脱氧核苗酸的排列顺序,常被简单认为是碱基序列（basesequenceX碱基序有严格的方

向性和多样性。一般将5一磷酸端作为多核甘酸链的"头"，写在左侧，如pACUGA（5'-3'）o

在DNA一级结构中，有一种回文结构的特殊序列，所渭回文结构即DNA互补链上一E殳反向重复顺序，正读和反读意义

相同，经反折可形成"十字形"结构，在转录成RNA后可形成"发夹"样结构,有调控意义。

一GCTAGTTCACTCTGAACAATT一

一CGATCAAGTGAGACTTGTTAA一

DNA分子很大，最小的病毒DNA约含5000b,1965年Holley用片段重叠法完成酵母tRNAala76nt序列测定;1977

年Sanger利用双脱氧法（酶法）测定了（pX174单链DNA5386b的全序列。1990年实施的人类基因组计划［HGP）,用15

年，投资30亿美元，完成人类单倍体基因组DNA3xl09bp全序列的测定.该计划由美、英、日、法、德、中六国科学家

合作，于2003年提前完成，生命科学进入后基因组时代，研究重点从测序转向对基因组功能的研究。

二、DNA的二级结构一双螺旋（doublehelix）

1953年，Watson和Crick根据Wilkins和Franklin拍摄的DNAX-射线照片（DNA有0.34nm和3.4nm两个

周期性变化）以及Chargaff等人对DNA的碱基组成的分析（A=T,G=C,A+G=C+T）,推测出DNA是由两条相互缠绕

的链形成。Watson-Crick双螺旋结构模型如下图：

1.两条反向平行的多核甘酸链形成右手螺旋。一条链为5'-3',另一条为3'-5；（某些病毒的DNA是单链

分子ssDNA）

2.碱基在双螺旋内侧，A与T,G与C配对，A与T形成两个氢键，G与C形成三个氢键。糖基-磷酸基骨架在外侧.

表面有一条大沟和一小沟。

3.螺距为3.4nm,含10个碱基对（bp）,相邻碱基对平面间的距离为0.34nme螺旋直径为2nm0

氢键维持双螺旋的横向稳定。碱基对平面几乎垂直螺旋轴，碱基对平面间的疏水堆积力维持螺旋的纵向稳定。

4.碱基在一条链上的排列顺序不受限制。遗传信息由碱基序所携带。

5.DNA构象有多态性。

Watson和Crick根据Wilkins和Franklin拍摄的DNAX-射线照片是相对湿度92%的DNA钠盐所得的衍射图，因此

Watson-Crick双螺旋结构称B-DNA。细胞内的DNA与它非常相似。另外还有A-DNA、C-DNA、D-DNA。

1979年Rich发现Z-DNA（左手僦、麒巨4.5nm、直径1.8nm）

三、DNA的三级结构

DNA双螺旋进一步盘曲所形成的空间构象称DNA的三级结构。

某些病毒、细菌、真核生物线粒体和叶绿体的DNA是环形双螺旋，再次螺旋化形成超螺旋；在真核生物细胞核内的DNA

是很长的线形双螺旋，通过组装形胡哨致密的超级结构。

1.环形DNA可形成超螺旋

当将线性过旋或欠旋的双螺旋DNA连接形成一个环时，都会自动形成额外的超螺旋来抵消过旋或欠旋造成的应力，目

的是维持B构象。过旋DNA会自动形成额外的左手螺旋（正超螺旋）,而欠旋形成额外的右手螺旋（负超螺旋X

一段双螺旋圈数为10的B-DNA连接成环形时，不发生进一步扭曲，称松弛环形DNA（双螺旋的圈数二链奥数，即T=L,

超蝎旋数W=0;L=T+W），但将这一线形DNA的螺旋先拧松一圈再连接成环时，解链环形DNA存在的扭曲张力,可导致

双链环向右手方向扭曲形成负超螺旋（T=10fL=9,W=-ll

在生物体内，绝大多数超螺旋DNA以负超螺旋的形式存在,也就是说，一且超螺旋解开，则会形成解链环形DNA,有

利于DNA复制或转录。

螺旋具有相同的结构，但L值不同的分子称为拓扑异构体。DNA拓扑异构酶切断一条链或两条链，拓扑异构体可以相互

转变。W的正表示双链闭环的螺旋圈在增加，W的负表示减少。L和T的正负表示螺旋方向，右手为正，左手螺旋为负；L

值必定是整数。

2.真核细胞染色体

真核细胞DNA是线形分子，与组蛋白结合，其两端固定也形成超螺旋结构。DNA被紧密地包装成染色体来自三个水平

的折叠：核小体、30nm纤丝和放射环。

核小体是染色体的基本结构单位，是DNA包装的第一步，它由DNA结合到组蛋白上形成复合物，在电镜下显示为成串

的“念珠”状。组蛋白是富含精氨酸不獭氨酸的碱性蛋白质，其氨基酸序列在进化中是高度保守的。组蛋白有5种,H2A、

H2B、H3和H4各两分子组成的八聚体是核小体核心颗粒，DNA缠绕其上，相邻核小体间的DNA称为连接DNA且结合

H1.200bpDNA的长度约为68nm,被压缩在10nm的核小体中.压缩比约为7.30nm纤丝是第二级压缩，每圈含6个

核小体，压缩比是6。30nm螺旋管再缠绕成超螺旋圆筒，压缩比是40。再进一步形成染色单体，总压缩近一万倍。典型人

体组胞的DNA理论长度应是180cm,被包装在46个5pm的染色体中。

四、DNA和基因组

1.DNA分子中的最小功能单位称作基因，为RNA或蛋白质编码的基因称结构基因，DNA中具调节功能而不转录生成

RNA的片段称调节基因。基因组（genome）是某生物体所含的全部基因,即全部DNA或完整的单套遗传物质（配子中的

整套基因工

2.细鼠噬菌体、大多数动植物病毒的基因组即指单个DNA分子。最小病毒如SV40的基因组仅有5226b，含5个基

因。大肠杆菌含4.6x106bp，有3000~4000个基因，DNA完全伸展总长约1.3mm。

原核生物基因组的特点是：结构简炼，绝大部分为蛋白质编码（结构基因）;有转录单元，即功能相关的基因常串联一起，

并转录在同一mRNA（多JI贩子mRNA）中;有基因重强现象，即同一段DNA携带两种不同蛋白质的信息.

3.真核生物基因一般分布在若干条染色体上，其特点是：有重复序列（按重复次数分单拷贝序、中度重复序和高度重复

序）；有断裂基因（由不编码的内含子和编码的外显子组成\酵母基因组有135xl07bp,含6374个基因.人类基因组有3

xl09bp,含4万个基因。

第三节RNA的分子结构

RNA通常以单链形式存在，比DNA分子小得多，由数十个至数千个核甘酸组成。RNA链可以回折且通过A与U,G

与C配对形成局部的双螺旋，不能配充的碱基则形成环状突起，这种短的双螺旋区和环称为发夹结构。

RNA的C2,位羟基是游离的,是一个易发生不良反应的位置，它使RNA的化学性质不如DNA稳定，能较DNA产生

更多的修饰组分。RNA的种类、大小、结构都比DNA多样化，按照功能的不同和结构的特点，RNA主要分为tRNA.rRNA

和mRNA三类。此外，细胞的不同部位还存在着另一些小分子RNA,如核内小RNA（snRNA\核仁小RNA（snoRNA\

胞质小RNA（scRNA）等，分别参与mRNA的前体（hnRNA）和rRNA的转运和加工过程。

一、转运RNA（transferRNA,tRNA）

1.分子量最小的RNA,约占总RNA的15%0主要功能是在蛋白质生物合成过程中,起着转运氨基酸的作用。

2.1965年Holley等测定了酵母丙氨酸tRNA的一级结构，并提出二级结构模型。一级结构特点核甘酸残基数在73~95;

含有较多的稀有碱基（如mG、DHU等）；5'-末端多为pG,3,-末端都是-CCA。

3.tRNA的二级结构为"三叶草"形，包括4个螺旋区、3个环及一个附加叉。各部分的结构豳口它的功能有关。5,

端1~7位与近31端67~72位形成的双螺旋区称氨基酸臂，似"叶柄",31端有共同的-CCA-OH结构,用于连接该RNA

转运的氨基酸。3个环是二氢尿魄咤环（D环I反密码子环、TWC环.

4.1973~1975年S.H.Kim的X射线衍射分析表明，tRNA的三级结构呈倒L字母形，反密码环和氨基酸臂分别位于倒

L的两端。

二、信使RNA（messengerRNA,mRNA）

1.细胞内含量较少的一类RNA,约占总RNA的3%。其功能是将核内DNA的碱基顺序（遗传信息）按碱基互补原则

转录至核糖体,指导蛋白质的合成。

2.种类多，作为不同蛋白质合成的模板，其一级结构差异很大.真核细胞的mRNA有不同于原核细胞的特点：3'-末

端有多聚A（polyA）尾，5,-末端加芍一个"帽"式结构,（m7Gppp\

3.代谢活跃，寿命较短。

三、核糖体RNA（ribosomalRNA,rRNA）

1.约占细胞总RNA的80%。主要功能是与多种蛋白质组成核糖体，是蛋白质合成的场所。

2.核糖体在结构上可分离为大小两个亚基。原核细胞的rRNA有3种，23S与5srRNA在大亚基，16s在小亚基。真

核组胞有4种rRNA,其中大亚基含28S、5.8S、5S，小亚基只有18S。

3.各种rRNA的一级结构中的核昔酸残基数及其JII页序都不相同,且有特定的二级结构。

第四节核酸的性质

一、一般理化性质

1.DNA为白色纤维状固体,RNA为白色粉末；都微溶于水,不溶于一般有机溶剂。常用乙醇从溶液中沉淀核酸。

2.具有大分子的一般特性。分子大小可用Da、b或bp、S、链长（pm）表示。一个bp相当的核苗酸平均分子量为

66CDa;1pm长的DNA双螺旋相当BOOObp或2xl06Dao

3.两性电解质。各种核酸的大小及所带的电荷不同,可用电泳和离子交换法分离。RNA在室温下易被稀碱水解,DNA

较稳定,此特性用来测定RNA的碱基组成和纯化DNA。

4.紫外吸收,最大吸收峰在260nm处，核酸的变性或降解，吸光度A升高,称为增色效应。

二、核酸的变性和复性

1.变性的概念

在理化因素作用下,核酸的双螺旋区氢键断裂，空间结构破坏，形成单链无规线团状态的过程。变性的因素有热、酸、

碱、乙醇、尿素等.变性的本质是次级键的变化。变性的结果是紫外吸收值明显增加（增色效应），DNA粘度下降，生物学

功能部分或全部丧失。

2.DNA的热变性和Tm

DNA热变性过程中，紫外吸收值增高，有一个特征性曲线称熔解曲线，通常将熔解曲线的中点，即紫外吸收值达到最大

值50%时的温度称为解链温度，又叫熔点（TmIDNA的热变性是爆发式的，像结晶的溶解一样，只在很狭窄的温度范围

内完成，一般在70~800C之间.变性温度与碱基组成、DNA长度及变性条件有关。GC含量越高，Tm越大；DNA越长,

Tm越大；溶液离子强度增高，Tm增加。

3.DNA的复性与分子杂交

变性DNA在适当条件下，两条互补链可重新配对，恢复天然双螺旋构象，这一现象称为复性.热变性的DNA经缓慢冷

却后即可复性，这一过程称为退火（annealing\

影响复性速度的因素很多，如单链DNA的起始浓度、温度（最适复性温度是比Tm约低250C1盐浓度、片断长度、

序列复杂性等。

分子杂交是以核酸的变性和复性为基础，只要不同来源的核酸分子的核甘酸序列含有可以形成碱基互补配对的片段，就

可以形成DNA/DNA,RNA/RNA或DNA/RNA杂化双链，这个现象称为核酸分子杂交（hybridization\

标记一个来源的核酸（放射性同位素或荧光标记），通过杂交可以检测与其有互补关系的DNA或RNA,这种标记的核

酸称为基因探针（geneprobe）,也就是一段带有检测标记，目JII页序已知，与目的基因互补的核酸序列。基因探针的"集成

化”就是基因芯片（genechip工是把已经测序的基因固定在硅片或玻璃片上制成的。在医疗诊断和科学研究中已被快速

地运用。

三、核酸的序列测定

DNA序列是指携带