《生物化學(xué)》課件之一(武漢大學(xué)張楚富)

1、生生 物物 化化 學(xué)學(xué)主講教師主講教師: 張張 楚楚 富富 Chapter 1 生物化學(xué)導(dǎo)論生物化學(xué)導(dǎo)論 生物化學(xué)是研究生命分子和生命化學(xué)反應(yīng)的科學(xué)，是運(yùn)用化學(xué)的原理在分子水平上解釋生物學(xué)的科學(xué)。它的主要研究范圍包括這樣幾個(gè)方面：它的主要研究范圍包括這樣幾個(gè)方面：生物分子的化生物分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和三維構(gòu)象；生物分子的相互作用；生物分子學(xué)結(jié)構(gòu)和三維構(gòu)象；生物分子的相互作用；生物分子的合成與降解；能量的保存與利用；生物分子的組裝的合成與降解；能量的保存與利用；生物分子的組裝和協(xié)調(diào)；遺傳信息的貯存、傳遞和表達(dá)。和協(xié)調(diào)；遺傳信息的貯存、傳遞和表達(dá)。 Section 1 生命、細(xì)胞和生物分子生命、細(xì)胞和生

2、物分子 分子是無(wú)生命的, 然而分子卻可以以適當(dāng)?shù)臄?shù)目和方式構(gòu)成生命。生命系統(tǒng)因有其特殊性質(zhì)而與非生命系統(tǒng)不同。它們能生長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)，能完成難以置信的代它們能生長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)，能完成難以置信的代謝化學(xué)反應(yīng)，能對(duì)環(huán)境的刺激作出應(yīng)答以及能準(zhǔn)確地謝化學(xué)反應(yīng)，能對(duì)環(huán)境的刺激作出應(yīng)答以及能準(zhǔn)確地進(jìn)行自我復(fù)制。進(jìn)行自我復(fù)制。盡管生命存在著驚人的多樣性、存在著生物結(jié)構(gòu)和維持生命必需的機(jī)制的復(fù)雜性，但是生命的功能最終是可以用化學(xué)的原理來(lái)解釋的。 一、生命系統(tǒng)的獨(dú)特性質(zhì)一、生命系統(tǒng)的獨(dú)特性質(zhì)生物最顯著的性質(zhì)是它們具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和高度的組織形式。生命系統(tǒng)能活躍地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，生物高度組織化的結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)的維持依賴于從環(huán)境捕

3、獲能量的能力。被生物利用的能量形式是特殊的生物分子。ATP和和NADPH是其中最是其中最重要的富含能量的生物分子，代表著生物在化學(xué)上可利用的重要的富含能量的生物分子，代表著生物在化學(xué)上可利用的能量的貯存形式能量的貯存形式。生命系統(tǒng)具有顯著的自我復(fù)制能力。生物能一代一代地繁衍與它們自身相同的后代。 二、生命分子二、生命分子生命物質(zhì)的元素組成明顯不同于地球外殼元素的元素組成。H、O、C和N構(gòu)成了人體原子總量的99%以上，其中大多數(shù)H和O以H2O形式出現(xiàn)。H、O、C和N的什么樣的性質(zhì)使其結(jié)合成適合于生命的化學(xué)？是它們通過(guò)共用電子對(duì)形成共價(jià)鍵的能力。是它們通過(guò)共用電子對(duì)形成共價(jià)鍵的能力。此外，H、C、

4、N和O是元素周期表中最輕的元素。由于共價(jià)鍵的強(qiáng)由于共價(jià)鍵的強(qiáng)度與所涉及原子的原子量是成反比的，因此，度與所涉及原子的原子量是成反比的，因此，H、C、N和和O彼此間能形成最強(qiáng)的共價(jià)鍵。彼此間能形成最強(qiáng)的共價(jià)鍵。兩種其他能形成共價(jià)鍵的元素磷和硫也在生物分子中起著重要的作用。 1、生物分子是含碳的化合物、生物分子是含碳的化合物所有生物分子都含有碳。碳的優(yōu)勢(shì)是由于它通過(guò)共用電碳的優(yōu)勢(shì)是由于它通過(guò)共用電子對(duì)形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵方面的多面性子對(duì)形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵方面的多面性。通常與碳以共價(jià)鍵相結(jié)合的原子是碳本身以及H、O和N（圖11）。 碳的共價(jià)鍵有兩個(gè)特別值得注意的性質(zhì)。一是碳與自身一是碳與自身形成共價(jià)鍵的能

5、力，另一個(gè)是被鍵合碳原子周?chē)乃膫€(gè)共價(jià)形成共價(jià)鍵的能力，另一個(gè)是被鍵合碳原子周?chē)乃膫€(gè)共價(jià)鍵的四面體性質(zhì)。鍵的四面體性質(zhì)。這兩種性質(zhì)對(duì)于碳所形成的線性、分支以及環(huán)狀的化合物的驚人多樣性是極為重要的。這種多樣性可因N、O和H原子的參與而進(jìn)一步擴(kuò)大。 2、生物分子是分級(jí)的、生物分子是分級(jí)的 (1)代謝物和大分子代謝物和大分子無(wú)機(jī)物分子 （同化）轉(zhuǎn)變成代謝物（氨基酸、糖、核苷酸、脂肪酸和甘油）（通過(guò)共價(jià)）鍵構(gòu)成大分子(蛋白質(zhì)、多糖、DNA和RNA以及脂類(lèi)) （大分子間的相互作用導(dǎo)致）超分子復(fù)合物（酶復(fù)合物、核糖體、染色體和細(xì)胞骨架系統(tǒng)）（圖12）(2)細(xì)胞器細(xì)胞器細(xì)胞器是生物分子等級(jí)中較高層次的一級(jí)

6、。細(xì)胞器僅在真核生物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)。(3)膜膜膜是細(xì)胞和細(xì)胞器的邊界（但將膜歸為超分子裝配體或者歸為細(xì)胞器都不太適合，雖然它們具有兩者共有的性質(zhì)）。(4)細(xì)胞是生命的基本單位細(xì)胞是生命的基本單位細(xì)胞是生命的單位，是唯一能展現(xiàn)生命特征（生長(zhǎng)、代謝、刺激應(yīng)答和復(fù)制）的最小實(shí)體。細(xì)胞可分為兩種類(lèi)型，即真核生物細(xì)胞和原核生物細(xì)胞。真核生物細(xì)胞具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。三、生物分子的特性反映它們對(duì)生命狀態(tài)的適應(yīng)三、生物分子的特性反映它們對(duì)生命狀態(tài)的適應(yīng)1、生物大分子和它們的構(gòu)件具有方向性、生物大分子和它們的構(gòu)件具有方向性生物大分子是由單位元件構(gòu)筑而成的。蛋白質(zhì)由氨基酸構(gòu)成，核酸由核苷酸構(gòu)成，多糖由單糖構(gòu)成。這些構(gòu)

7、件分子是有極性的，即它們是不對(duì)稱的。因此，從某種意義上說(shuō)因此，從某種意義上說(shuō),它們是有它們是有“頭頭”和有和有“尾尾”的。當(dāng)這些構(gòu)件分子組成生物大分子時(shí)，它們頭的。當(dāng)這些構(gòu)件分子組成生物大分子時(shí)，它們頭-尾連結(jié)。尾連結(jié)。于是，生物大分子聚合體也將是有頭有尾的于是，生物大分子聚合體也將是有頭有尾的。因此，它們的結(jié)構(gòu)應(yīng)它們的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是有該是有“感應(yīng)感應(yīng)”（sense）的或者說(shuō)是有方向的）的或者說(shuō)是有方向的（圖13）。2、生物大分子是信息分子、生物大分子是信息分子 由于生物大分子對(duì)它們的結(jié)構(gòu)及其組成元件具有感應(yīng)，因此，由于生物大分子對(duì)它們的結(jié)構(gòu)及其組成元件具有感應(yīng)，因此，只要構(gòu)件單位的多樣性或次序不

8、是過(guò)分筒單或重復(fù)，它們的線性順只要構(gòu)件單位的多樣性或次序不是過(guò)分筒單或重復(fù)，它們的線性順序就應(yīng)含有特定信息的潛在能力序就應(yīng)含有特定信息的潛在能力。蛋白質(zhì)和核酸的構(gòu)件單位是以非顯著重復(fù)方式排列的，它們的順序是獨(dú)特的。當(dāng)把組成它們的構(gòu)件單位以字母排列時(shí)，可以組成有意義的詞語(yǔ)，然而并非所有生物大分子都含有信息。多糖往往由相同的單糖單位一次又一次地重復(fù)排列構(gòu)成。這類(lèi)同聚多糖不可能含有什么信息。 3、生物大分子具有特征性的三維結(jié)構(gòu)、生物大分子具有特征性的三維結(jié)構(gòu) 任何一種分子結(jié)構(gòu)都是獨(dú)特的，并具有可區(qū)別的特有的性質(zhì)。生物大分子，尤其是蛋白質(zhì)，分子結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到了其復(fù)雜性的極點(diǎn)。4、非共價(jià)作用力維持生物大分

9、子的結(jié)構(gòu)、非共價(jià)作用力維持生物大分子的結(jié)構(gòu) 共價(jià)鍵把原子結(jié)合在一起形成分子，非共價(jià)作用力是分子內(nèi)或分子間的原子之間的吸引。非共價(jià)作用力是弱的作用力，包括氫鍵、離子鍵、范德華力和疏水相互作用。這些作用力一般介于430 kJmol-1范圍。5、結(jié)構(gòu)互補(bǔ)性決定生物分子的相互作用、結(jié)構(gòu)互補(bǔ)性決定生物分子的相互作用 結(jié)構(gòu)互補(bǔ)性是生物分子間識(shí)別的手段。結(jié)構(gòu)互補(bǔ)性是生物分子間識(shí)別的手段。生命的復(fù)雜而高度組織化的型式取決于生物分子彼此識(shí)別和相互作用的能力。如果一種分子的結(jié)構(gòu)與另一種分子的結(jié)構(gòu)是互補(bǔ)的，例如某種酶與它的專(zhuān)一性底物分子，那么這兩種分子之間的相互作用就能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)互補(bǔ)性的原理是生物分子識(shí)別的基

10、本要素. 6、生物分子的的識(shí)別是由弱的相互作用力介導(dǎo)的、生物分子的的識(shí)別是由弱的相互作用力介導(dǎo)的 通過(guò)結(jié)構(gòu)互補(bǔ)性所發(fā)生的生物分子識(shí)別事件是由前面所述的弱的非共價(jià)鍵作用力介導(dǎo)的。7、弱的作用力把生物限制在一個(gè)窄范圍環(huán)境條件中、弱的作用力把生物限制在一個(gè)窄范圍環(huán)境條件中 生物大分子僅在窄的環(huán)境條件下生物大分子僅在窄的環(huán)境條件下(例如溫度、離子強(qiáng)度例如溫度、離子強(qiáng)度以及酸以及酸-堿度等堿度等)才有功能上的活性。極端條件將破壞維持才有功能上的活性。極端條件將破壞維持大分子復(fù)雜結(jié)構(gòu)所必需的弱的作用力。這些復(fù)雜大分子的大分子復(fù)雜結(jié)構(gòu)所必需的弱的作用力。這些復(fù)雜大分子的有序結(jié)構(gòu)的喪失有序結(jié)構(gòu)的喪失(也就是變

11、性也就是變性)伴隨著功能的消失。伴隨著功能的消失。 Section 2 水水 在生物化學(xué)中，水存在的意義是顯而易見(jiàn)的：幾乎所有生物分子隨環(huán)境中水的物理和化學(xué)性質(zhì)而呈現(xiàn)它們的形態(tài)。大多數(shù)生物化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)是水,代謝反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物在細(xì)胞范圍內(nèi)和細(xì)胞間運(yùn)輸都依賴于水。水本身活躍地參與支撐許多化學(xué)反應(yīng)，水的離子化組分(H和OH)往往作為真正的反應(yīng)物參與反應(yīng)。事實(shí)上，生物分子的許多功能基團(tuán)的反應(yīng)性取決于環(huán)境介質(zhì)中的H和OH的相對(duì)濃度。水的氧化產(chǎn)生的分子氧(O2)是通過(guò)光合作用完成的。水的離子化產(chǎn)物(H和OH)是蛋白質(zhì)、核酸以及膜的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)鍵決定者。在膜的內(nèi)外兩側(cè)的氫離子濃度的差異代表了能量轉(zhuǎn)化

12、的生物學(xué)機(jī)制所必需的能化狀態(tài)。一、水的結(jié)構(gòu)一、水的結(jié)構(gòu) 單個(gè)水分子的兩個(gè)氫原子共價(jià)地與氧原子結(jié)合，呈現(xiàn)一種非線性排列（圖14a,b）。水的氫鍵形成具有協(xié)同的性質(zhì)水的氫鍵形成具有協(xié)同的性質(zhì)。這就是說(shuō)，這就是說(shuō)，作為受體的氫鍵結(jié)合的水分子是一種比未鍵合的水分子更好的氫鍵作為受體的氫鍵結(jié)合的水分子是一種比未鍵合的水分子更好的氫鍵供體。（同樣，作為氫鍵供體的氫鍵結(jié)合的水分子也是一種更好的供體。（同樣，作為氫鍵供體的氫鍵結(jié)合的水分子也是一種更好的氫鍵受體）。因此，水分子之間氫鍵的形成有一種彼此支援的現(xiàn)象氫鍵受體）。因此，水分子之間氫鍵的形成有一種彼此支援的現(xiàn)象。1、冰的結(jié)構(gòu)、冰的結(jié)構(gòu) 在普通的冰中（它是

13、水的一般晶體形式），每個(gè)水分子都有四個(gè)以氫鍵結(jié)合的最鄰近者(圖15 )在冰結(jié)構(gòu)中，每個(gè)氫原子都與鄰近的水分子的氧原子形成氫鍵，而氧原子作為氫鍵的受體能與來(lái)自兩個(gè)不同水分子的氫原子形成氫鍵。2 2、液態(tài)水的結(jié)構(gòu)、液態(tài)水的結(jié)構(gòu) 由于液態(tài)水的每個(gè)分子約1012秒重新定位一次，因此很少有實(shí)驗(yàn)技術(shù)能探測(cè)這些水分子的瞬間排列。在液態(tài)水中，分子間的這些氫鍵已變形。結(jié)果使連接分子的氫鍵網(wǎng)是無(wú)規(guī)則的和可變的；而且，這樣的氫鍵網(wǎng)是不斷地被打斷和重新形成，因而液態(tài)水是由快速波因而液態(tài)水是由快速波動(dòng)的三維網(wǎng)狀的氫鍵結(jié)合的動(dòng)的三維網(wǎng)狀的氫鍵結(jié)合的H H2 2O O分子構(gòu)成分子構(gòu)成(圖16a)。二、水的溶劑特性二、水的溶

14、劑特性 溶解度取決于溶質(zhì)分子與溶劑分子之間的相互作用力以及溶溶解度取決于溶質(zhì)分子與溶劑分子之間的相互作用力以及溶質(zhì)分子之間的相互作用力。質(zhì)分子之間的相互作用力。由于水具有高極性，因而使得它對(duì)于極性物質(zhì)和離子物質(zhì)是一種極好的溶劑(1-6b)。 三、疏水相互作用三、疏水相互作用 非極性物質(zhì)（或者生物大分子的非極性功能基團(tuán)）不易與水形成氫鍵。因此，這類(lèi)化合物只能在水中極少溶解。當(dāng)非極性物質(zhì)或基團(tuán)侵入液態(tài)水時(shí)，將會(huì)破壞原有液態(tài)水分子之間的氫鍵網(wǎng)，溶質(zhì)周?chē)乃l(fā)生大的重新排列。為了重新獲得它們失去的氫鍵能，表面的水分子指向它們自身，以四面體氫鍵的方式形成一種以四面體氫鍵的方式形成一種封閉的、類(lèi)似籠子的氫

15、鍵網(wǎng)封閉的、類(lèi)似籠子的氫鍵網(wǎng)（圖1-7）。 環(huán)繞非極性溶質(zhì)的水分子的有序化產(chǎn)生了不利于非極性溶質(zhì)水化的自由能. 因此非極性溶質(zhì)趨向于從水相中排出。當(dāng)非極性溶質(zhì)彼此相遇而聚集時(shí)，它們所占據(jù)的空間的表面積小于它們各自單獨(dú)占有空間的表面積之和。因此，非極性溶質(zhì)的聚集能夠減小所占空間的表面積，隨之導(dǎo)致非極性溶質(zhì)表面的水的有序化程度總量降低。換句話說(shuō)，非極性溶質(zhì)相互吸引、避換句話說(shuō)，非極性溶質(zhì)相互吸引、避開(kāi)水的傾向是水分子有序度的減少（或者說(shuō)混亂度增加）所產(chǎn)開(kāi)水的傾向是水分子有序度的減少（或者說(shuō)混亂度增加）所產(chǎn)生的熵增所推動(dòng)的。生的熵增所推動(dòng)的。熵是一個(gè)系統(tǒng)有序程度的一種量度。任何系統(tǒng)的有序度的減少或者

16、混亂度的增高都會(huì)伴隨熵的增加。四、中極兩性分子四、中極兩性分子 含有極性基團(tuán)和非極性基團(tuán)的化合物稱為中級(jí)兩性化合物（amphiphiles）。這類(lèi)化合物既有親水性又有疏水性。（圖18）。因此，當(dāng)中性兩性化合物分子與水溶劑相互作用時(shí)，中極兩性化合物趨向形成結(jié)構(gòu)上有序的排列。膠束（或微團(tuán)）（micelle）是由數(shù)千種中極兩性化合物構(gòu)成的小球（圖19 中極兩性分子在水溶液中形成膠團(tuán).）。中極兩性分子也能形中極兩性分子也能形成另一種有序的結(jié)構(gòu)形式成另一種有序的結(jié)構(gòu)形式-雙分子層結(jié)構(gòu)，與生物膜的結(jié)構(gòu)相雙分子層結(jié)構(gòu)，與生物膜的結(jié)構(gòu)相似。因此，中極兩性化合物的這種特殊的性質(zhì)是生物膜構(gòu)成的似。因此，中極兩性化

17、合物的這種特殊的性質(zhì)是生物膜構(gòu)成的基礎(chǔ)?；A(chǔ)。 五、溶質(zhì)對(duì)水的性質(zhì)的影響五、溶質(zhì)對(duì)水的性質(zhì)的影響 溶解物質(zhì)的存在打亂了液態(tài)水的結(jié)構(gòu),使水的性質(zhì)發(fā)生改變。生物機(jī)體內(nèi)部的水與純水很不相同。細(xì)胞內(nèi)部和細(xì)胞周?chē)囊后w是被各種溶質(zhì)充塞的，這些溶質(zhì)包括從很小的無(wú)機(jī)離子到巨大的分子聚集體。 溶質(zhì)的濃度影響水的依數(shù)性（依數(shù)性（colligative properties）。依依數(shù)性是溶液的一種物理性質(zhì)，它取決于溶質(zhì)的濃度而不是溶質(zhì)數(shù)性是溶液的一種物理性質(zhì)，它取決于溶質(zhì)的濃度而不是溶質(zhì)的化學(xué)特性。的化學(xué)特性。例如，溶質(zhì)的存在能降低水的冰點(diǎn)和升高水的沸點(diǎn)，因?yàn)槿苜|(zhì)的存在使水分子更難以結(jié)成冰，也更難以從溶液逃溢出變

18、成氣態(tài)。 滲透壓滲透壓也與溶質(zhì)的濃度有關(guān)也與溶質(zhì)的濃度有關(guān)。當(dāng)溶質(zhì)與純水被一層只允許水分子通過(guò)而不允許溶質(zhì)通過(guò)的半透膜分開(kāi)時(shí)，水移動(dòng)進(jìn)入到溶液中，以便使膜兩側(cè)的濃度趨于平衡。滲透（Osmosis）是溶劑從高濃度區(qū)（這里是純水）向相對(duì)低的濃度區(qū)（含溶質(zhì)的水）的移動(dòng)。溶液的滲透壓（Osmosis pressure）是必需施加給溶液以阻止水向內(nèi)流動(dòng)的壓力（圖110）。這種壓力與溶質(zhì)的濃度成正比。 當(dāng)水溶液被一層允許水和溶質(zhì)滲透的膜隔開(kāi)時(shí)，水可以向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，溶質(zhì)也可以從溶液中向外運(yùn)動(dòng)，直到膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度達(dá)到相同為止。分子的這種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)叫做擴(kuò)散（分子的這種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)叫做擴(kuò)散（diffuse）。當(dāng)平衡確立時(shí)

19、，沒(méi)有水和溶質(zhì)的進(jìn)一步凈流動(dòng)，雖然分子繼續(xù)在運(yùn)動(dòng)。六、水的離子化和六、水的離子化和pH 水是一種中性分子，只是具有很弱的離子化傾向。人們通常用下面的式子表達(dá)水的離子化： H2O H OH實(shí)際上，自由的H是不存在的，而是與水分子結(jié)合，以水合氫離子（H3O）的形式存在。質(zhì)子可與一簇水分子結(jié)合形成具有H5O2、H7O3等等分子式的結(jié)構(gòu)。為了簡(jiǎn)便，可以把這些離子形式合并以H代表。水合氫離子的質(zhì)子可以很快地一個(gè)水分子跳躍到另一個(gè)水分子（圖1-11）。氫鍵網(wǎng)為H的快速遷移提供了一條天然的路線。質(zhì)子經(jīng)氫鍵網(wǎng)快速遷移的質(zhì)子質(zhì)子經(jīng)氫鍵網(wǎng)快速遷移的質(zhì)子跳躍（跳躍（proton jumping）為生物學(xué)上許多重要的

20、質(zhì)子轉(zhuǎn)移（例）為生物學(xué)上許多重要的質(zhì)子轉(zhuǎn)移（例如快速的酸如快速的酸-堿反應(yīng)）提供了解釋堿反應(yīng)）提供了解釋。 根據(jù)水的離子化及其平衡常數(shù)，可以推導(dǎo)表達(dá)水溶液氫離子濃度的方程式： pH log(1/H)logH由于純水的H 10-7molL-1，因此，用pH來(lái)描述純水的氫離子濃度即為： pHlog(1/110-7)log(1107)log1.0 log107 0 7.0 7.0pH值越高，H濃度就越低；pH值越低 ，H濃度就越高。 七、酸七、酸-堿化學(xué)堿化學(xué) 由水解離產(chǎn)生的H和OH是生物化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)。生物分子，例如蛋白質(zhì)和核酸，具有眾多的可作為酸或堿的功能基團(tuán)（例如羧基和氨基）。這些分子影響液態(tài)

21、介質(zhì)的這些分子影響液態(tài)介質(zhì)的pH，它們的結(jié)，它們的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性也會(huì)受到周?chē)鷺?gòu)和反應(yīng)性也會(huì)受到周?chē)鷓H的影響。因而正確評(píng)價(jià)酸的影響。因而正確評(píng)價(jià)酸-堿化學(xué)是堿化學(xué)是了解許多分子的生物學(xué)作用所必須的了解許多分子的生物學(xué)作用所必須的。1、酸是質(zhì)子的供體、酸是質(zhì)子的供體 按照J(rèn).Brnsted和T.Lowry關(guān)于酸和堿的概念，凡是能供出質(zhì)子的物質(zhì)即是酸，凡是能接受質(zhì)子的物質(zhì)即為堿。按照這一定義，堿-酸反應(yīng)可以表述為： HA H20 H3O A酸（HA）與堿（H2O）反應(yīng)，形成酸的共軛堿（A）和堿的共軛酸（H3O）。相應(yīng)地，醋酸離子（CH3COO）是醋酸（CH3COOH）的共軛堿，銨離子（NH4）是氨（

22、NH3）的共軛酸。牽涉到水參與的酸牽涉到水參與的酸- -堿反應(yīng)，往往可以縮寫(xiě)為堿反應(yīng)，往往可以縮寫(xiě)為 HA HA2、酸的強(qiáng)度可用它的解離常數(shù)來(lái)表示、酸的強(qiáng)度可用它的解離常數(shù)來(lái)表示 酸-堿反應(yīng)的平衡常數(shù)用反應(yīng)物和產(chǎn)物的解離常數(shù)來(lái)表達(dá)： K H3OA/HAH2O (1) (在稀溶液中,水的濃度基本上是恒定的常數(shù)（1000gL-1/18.015gmol-1 55.8molL-1）。因此，H2O項(xiàng)通常與解離常數(shù)合并，即： Ka KH2OHA/HA (2) 由于酸解離常數(shù)象H值一樣使用起來(lái)不方便，因此可用公式將其轉(zhuǎn)換成的pKa值(為了使用的方便,將下標(biāo)a省去): pK logK (3)3、溶液的、溶液的

23、pH由酸和堿相對(duì)濃度決定由酸和堿相對(duì)濃度決定 一種溶液的pH和酸以及它的共軛堿之間的相互關(guān)系可以很容易推導(dǎo)出來(lái)。將方程（2）重排 H K(HA/A) (4)兩邊取負(fù)對(duì)數(shù)： logHlogK log(A/HA)從而得到： pHpK log(A/HA) (5) 這種關(guān)系式稱為Henderson-Haselbalch方程。當(dāng)某種酸HA和它的共軛堿A的濃度相等時(shí)，log(A/HA)0，溶液的pH在數(shù)值上相當(dāng)于酸的pK值。Henderson-Hasselbalch方程對(duì)于計(jì)算含有已知濃度的弱酸和它的共軛堿的溶液的pH來(lái)說(shuō)是非常有用的。八、緩沖系統(tǒng)八、緩沖系統(tǒng) 弱酸（例如醋酸）在水中只能部分離子化，它所釋

24、放出來(lái)的H是可以被滴定的。當(dāng)用已知濃度的堿（通常使用NaOH）滴定醋酸溶液時(shí)，獲得如圖112所示的滴定曲線。 當(dāng)?shù)味ㄩ_(kāi)始時(shí)，HAc大部分以未離子化的形式以HAc存在，同時(shí)也有一定量的H和Ac存在。NaOH溶液的加入允許氫氧離子（OH）中和存在的H。當(dāng)H被中和時(shí)，更多的HAc解離成H和Ac.當(dāng)進(jìn)一步加入NaOH時(shí), pH隨Ac的積累而逐漸升高。當(dāng)處在HAc的一半被中和時(shí)的位點(diǎn)，已加入等當(dāng)量的NaOH。此時(shí)溶液中的HAc和Ac相等，pHpK. 因此，人們可以用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定弱電解質(zhì)的pK值。弱電解質(zhì)的弱電解質(zhì)的pK往往位于滴定曲線的中點(diǎn)往往位于滴定曲線的中點(diǎn)。但是，滴定中點(diǎn)的pK值則隨不同性質(zhì)的電解

25、質(zhì)而不同。如醋酸的pK為4.7、咪唑的pK為6.99、NH4的pK為9.25。pK值直接與這類(lèi)物質(zhì)的解離常數(shù)有關(guān)，或者說(shuō)與共軛堿對(duì)H的親和力有關(guān)。 pH的維持對(duì)所有細(xì)胞都是至關(guān)重要的的維持對(duì)所有細(xì)胞都是至關(guān)重要的。細(xì)胞過(guò)程（例如代謝）取決于酶的活性，而酶的活性又顯著地受pH的影響。因此，pH的改變會(huì)極大地對(duì)代謝反應(yīng)造成破壞。生物有各種保持它們細(xì)胞內(nèi)和生物有各種保持它們細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外液體細(xì)胞外液體pH基本恒定的機(jī)制，但是阻止有害基本恒定的機(jī)制，但是阻止有害pH變化的最重要的變化的最重要的機(jī)制由緩沖系統(tǒng)提供。機(jī)制由緩沖系統(tǒng)提供。所選擇的緩沖系統(tǒng)反映了對(duì)接近所選擇的緩沖系統(tǒng)反映了對(duì)接近pH7的的pK

26、值以及緩沖劑組成與細(xì)胞代謝機(jī)構(gòu)的一致性兩方面的需要。值以及緩沖劑組成與細(xì)胞代謝機(jī)構(gòu)的一致性兩方面的需要。磷酸鹽磷酸鹽系統(tǒng)（系統(tǒng)（HPO4/H2PO4）和碳酸鹽系統(tǒng)（）和碳酸鹽系統(tǒng)（HCO3/H2CO3）是生物）是生物體內(nèi)的兩種重要的緩沖系統(tǒng)。前者主要維持細(xì)胞內(nèi)體內(nèi)的兩種重要的緩沖系統(tǒng)。前者主要維持細(xì)胞內(nèi)pH的恒定，而的恒定，而后者在維持細(xì)胞外液的后者在維持細(xì)胞外液的pH穩(wěn)定中起作用。穩(wěn)定中起作用。此外，許多生物分子，例如蛋白質(zhì)以及小分子的有機(jī)物，由于含有多個(gè)酸-堿基團(tuán)，它們?cè)谏韕H范圍內(nèi)都是有效的緩沖系統(tǒng)的組分。 Chapter 2 蛋蛋 白白 質(zhì)質(zhì) (Protein) Section 1

27、蛋蛋 白白 質(zhì)質(zhì) 概概 述述一一. 蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)的最重要的物質(zhì)蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)的最重要的物質(zhì) 蛋白質(zhì)約占細(xì)胞干重的50%以上。蛋白質(zhì)與核酸共同構(gòu)成了生命現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)，是細(xì)胞原生質(zhì)的主要成分。催化生物體內(nèi)幾乎所有化學(xué)反應(yīng)的酶是蛋白質(zhì)。抵抗外源性異物侵害而產(chǎn)生免疫反應(yīng)的抗體是蛋白質(zhì)。調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的許多激素也是蛋白質(zhì)或多肽。肌肉收縮、物質(zhì)的運(yùn)輸、結(jié)締保護(hù)、病毒對(duì)宿主的感染等都是蛋白質(zhì)在起作用。胚胎發(fā)育、生長(zhǎng)、分化和繁殖等都有蛋白質(zhì)參與。 二、蛋白質(zhì)的元素組成二、蛋白質(zhì)的元素組成 蛋白質(zhì)主要含有C、H、O、N以及S元素。N元素是蛋白質(zhì)的特征性元素，根據(jù)對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)的N元素分析，其含量相近，一般

28、在1517% ，平均為16% 。三、蛋白質(zhì)的基本組成單位是氨基酸蛋白質(zhì)的基本組成單位是氨基酸 經(jīng)水解分析，構(gòu)成氨基酸的蛋白質(zhì)約20種，這些氨基酸借肽鍵聚合成蛋白質(zhì)。四、蛋白質(zhì)是基因編碼的蛋白質(zhì)是基因編碼的 直接參與蛋白質(zhì)合成的氨基酸在遺傳上都存在相應(yīng)的密碼，這些密碼子存在于基因的核苷酸順序中，分子生物學(xué)研究表明，基因的核苷酸順序通過(guò)轉(zhuǎn)錄拷貝到mRNA上，mRNA的編碼信息，即三聯(lián)密碼子直接決定著蛋白質(zhì)多肽的氨基酸順序。 Section 2 Section 2 氨基酸氨基酸 ( Amino acids )( Amino acids )一一. . 氨基酸的結(jié)構(gòu)通式氨基酸的結(jié)構(gòu)通式 除脯氨酸外，其它

29、所有氨基酸在結(jié)構(gòu)上都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，即在與羧基相連的-碳原子上含有一個(gè)氨基（圖2-1）。從這個(gè)結(jié)構(gòu)通式可以看出，氨基酸的差別就表現(xiàn)在側(cè)鏈R基團(tuán)上。二二. . 氨基酸的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)：氨基酸的結(jié)構(gòu)和分類(lèi)： 根據(jù)氨基酸側(cè)鏈根據(jù)氨基酸側(cè)鏈R R基的極性，基的極性，2020種氨基酸可分成種氨基酸可分成4 4類(lèi)類(lèi)。 1. 1. 非極性非極性R R基氨基酸（共基氨基酸（共9 9種）種）（圖2-2）： 甘氨酸(Glycine,Gly,G G), 丙氨酸(Alanine,Ala,A A), 纈氨酸(Valine,Val,V V), 亮氨酸(Leucine,Leu, L L), 異亮氨酸(Isoleucine,I

30、le,I I), 脯氨酸(Proline,Pro,P P), 苯丙氨酸(Phenylalanine,Phe,F F), 色氨酸(Tryptophan,Trp,W W), 甲硫氨酸(Methionine,Met,M M) 2.2.無(wú)電荷的極性無(wú)電荷的極性R R基氨基酸（共基氨基酸（共6 6種）種）（圖2-3）：絲氨酸(Serine,Ser,S S), 蘇氨酸(Threonine,Thr,T T),酪氨酸(Tyrosine,Tyr,Y Y), 半胱氨酸(Cysteine,Cys,C C),天冬酰胺(Asparagine,Asn,N N), 谷氨酰胺(Glutamine,Gln,Q Q)3.3.帶正

31、電荷的極性帶正電荷的極性R R基氨基酸（共基氨基酸（共3 3種）種）（圖2-4）：賴氨酸(Lysine,Lys,K K), 精氨酸(Arginine,Arg,R R),組氨酸(Histidine,His,H H)4.4.帶負(fù)電荷的極性帶負(fù)電荷的極性R R基氨基酸（共基氨基酸（共2 2種）：種）：天冬氨酸(Aspartic acid,Asp,D D),谷氨酸(Glutamic acid,Glu,E E)三氨基酸的構(gòu)型：三氨基酸的構(gòu)型： 氨基酸的構(gòu)型是以D-、L-甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)確定的。除甘氨酸外，其他所有-氨基酸都是L-型的（圖2-5）。四、紫外吸收特性：四、紫外吸收特性： 酪氨酸和色氨酸在280n

32、m處具紫外吸收特性，蛋白質(zhì)通常含有這樣的氨基酸，故可以在280nm處測(cè)定蛋白質(zhì)的含量,并利用下式計(jì)算蛋白質(zhì)的含量。 C C A/L A/L 五、氨基酸的酸堿性質(zhì)五、氨基酸的酸堿性質(zhì)1. 氨基酸的兩性解離性質(zhì)氨基酸的兩性解離性質(zhì) 氨基酸在水溶液中或在晶體狀態(tài)下主要以兩性離子形式在. 作為作為酸酸： R-CH-COO- R-CH-COO- H | | NH3 NH2 作為作為堿堿： R-CH-COO- H R-CH-COOH | | NH3 NH3 氨基酸在不同的pH條件下可解離成帶不同的電荷： COOH COO- COO- | H | H | H3NCH H3NCH H2NCH | -H | +

33、H | H H H酸性狀態(tài)(A) 兩性離子狀態(tài)(Z) 堿性狀態(tài)(B)2.2.氨基酸可解離基團(tuán)的氨基酸可解離基團(tuán)的pKpK值與等電點(diǎn)（值與等電點(diǎn)（pIpI）的關(guān)系：）的關(guān)系： 對(duì)于中性氨基酸：pI=(pKapI=(pKa1 1 + pKa+ pKa2 2)1/2)1/2 對(duì)于酸性氨基酸：pI=(pKapI=(pKa1 1 + pKa+ pKaR R)1/2)1/2 對(duì)于堿性氨基酸：pI=(pKapI=(pKa2 2 + pKa+ pKaR R)1/2)1/2 這種關(guān)系可通過(guò)酸堿滴定曲線來(lái)確定（圖2-6）。從滴定曲線可看出，每種氨基酸是在它的pKa值附近而不是在它的pI處發(fā)揮其緩沖作用。在等電狀態(tài)

34、，氨基酸凈電荷為零，且解離成陽(yáng)離子和陰離子的數(shù)目和趨勢(shì)相等。圖2-7和圖2-8分別是酸性氨基酸和堿性氨基酸的酸堿滴定曲線。六氨基酸的電泳分離和離子交換：六氨基酸的電泳分離和離子交換：1. 1. 氨基酸的電泳分離氨基酸的電泳分離 電泳電泳(Electrophoresis)(Electrophoresis)是指帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)中的移動(dòng)是指帶電質(zhì)點(diǎn)在電場(chǎng)中的移動(dòng)（圖2-9）。如果帶電質(zhì)點(diǎn)在恒定電壓和恒定粘度的介質(zhì)中泳動(dòng)，帶電質(zhì)點(diǎn)的遷移率()()可用下式表示： Q/r Q/r 如果它們?cè)诖笮》矫嬉矝](méi)有明顯的的差別，帶電質(zhì)點(diǎn)的遷移率可用下式表示： Q Q 各氨基酸所帶凈電的差異（Q）可用pI- pHpI-

35、 pH表示。2. 2. 離子交換層析是分離分析氨基酸的有效方法離子交換層析是分離分析氨基酸的有效方法 離子交換劑共價(jià)地結(jié)合許多可解離為陰離子或陽(yáng)離子的基團(tuán)，可以與周?chē)芤褐械钠渌喾措x子或離子化合物結(jié)合（圖2-10）。 當(dāng)把被分離的氨基酸混合物的溶液調(diào)至pH3.0時(shí), 氨基酸都帶凈正電荷。但由于每種氨基酸的電離狀態(tài)不同，因而它們的凈正電荷的程度也不同，故被洗脫下來(lái)的速度也不相同。除了電荷作為主要分離因素外，氨基酸側(cè)鏈與樹(shù)脂的非極性骨架除了電荷作為主要分離因素外，氨基酸側(cè)鏈與樹(shù)脂的非極性骨架之間的相互作用也是影響分離的因素。之間的相互作用也是影響分離的因素。 現(xiàn)在常用高效液相層析(HPLC) 代

36、替普通的離子交換層析。七、氨基酸的化學(xué)反應(yīng)七、氨基酸的化學(xué)反應(yīng)1. 1. 與亞硝酸反應(yīng)：與亞硝酸反應(yīng)： R CHCOOH + HNO2 R CHCOOH + N2 + H2O NH2 OH只要測(cè)定釋放的N2體積，便可計(jì)算出氨基酸的含量，這是Van Slyke (范氏)氨基氮測(cè)定方法的基礎(chǔ)。2. 2. 與甲醛的反應(yīng)與甲醛的反應(yīng) 3. 3. 與二硝基氟苯的反應(yīng)與二硝基氟苯的反應(yīng)4. 4. 與苯異硫氰酸的反應(yīng)與苯異硫氰酸的反應(yīng)5. 5. 與二甲氨基萘與二甲氨基萘-1-1-磺酰氯（磺酰氯（DNS-ClDNS-Cl）的反應(yīng)）的反應(yīng)6. 6. 成酯和成鹽反應(yīng)成酯和成鹽反應(yīng)7. 7. 與茚三酮的反應(yīng)與茚三酮

37、的反應(yīng) Section 3 Section 3 肽肽一肽、肽鏈和肽鍵一肽、肽鏈和肽鍵 氨基酸與氨基酸之間可以通過(guò)-氨基和-羧基形成的酰胺鍵共價(jià)地結(jié)合在一起,這樣形成的產(chǎn)物叫做肽（Peptide）。在蛋白質(zhì)化學(xué)中，這種酰胺鍵稱為肽鍵（Peptide bond）（圖2-11）。 由氨基酸借肽鍵所形成的一條線性的鏈狀分子就叫做肽鏈肽鏈(peptide chain) 。在肽鏈結(jié)構(gòu)中,每個(gè)的氨基酸不再是完整的，因此叫做氨基酸殘基氨基酸殘基（residue）。 蛋白質(zhì)是由單一肽鏈或多條肽鏈構(gòu)成的大分子蛋白質(zhì)是由單一肽鏈或多條肽鏈構(gòu)成的大分子。這些多肽鏈在長(zhǎng)度上一般超過(guò)40個(gè)以上的氨基酸殘基，最大者甚至超過(guò)

38、4000個(gè)氨基酸殘基。若按氨基酸殘基平均分子量110計(jì)，則蛋白質(zhì)分子量范圍大約是4 000-440 000 Da(4-440 kD)。 除某些特殊的環(huán)狀小肽外，寡肽和多肽都是線性分子，仍然保留一個(gè)未反應(yīng)的氨基末端（N-末端）和一個(gè)羧基末端（C-末端）。在某些蛋白質(zhì)中，N-末端往往被甲?；蛞阴；忾]；也有些蛋白質(zhì)的C-末端被修飾成酰胺。 一條多肽鏈的模式結(jié)構(gòu)如下所示（圖2-12）。從該模式結(jié)構(gòu)可以看出，每種多肽或蛋白質(zhì)都有相同的主鏈（每種多肽或蛋白質(zhì)都有相同的主鏈（backbonebackbone）, ,而每種而每種多肽或蛋白質(zhì)之間的差別則表現(xiàn)在多肽鏈中的氨基酸殘基順序的多肽或蛋白質(zhì)之間的差別

39、則表現(xiàn)在多肽鏈中的氨基酸殘基順序的不同。不同。二肽的性質(zhì)二肽的性質(zhì)1 1肽鍵可被水解肽鍵可被水解2 2肽的解離性質(zhì)肽的解離性質(zhì) 肽是一類(lèi)多聚兩性電解質(zhì)，隨環(huán)境pH的變化，可以電離成帶正電荷、負(fù)電荷或者凈電荷為零等不同的狀態(tài)。每一種多肽都有它的等電點(diǎn)，可通過(guò)酸堿滴定曲線來(lái)確定。等電點(diǎn)的差別反映出等電點(diǎn)的差別反映出它們的氨基酸組成不同和側(cè)鏈可電離基團(tuán)的種類(lèi)和性質(zhì)的差別它們的氨基酸組成不同和側(cè)鏈可電離基團(tuán)的種類(lèi)和性質(zhì)的差別。三生物活性肽三生物活性肽 幾乎所有生物體內(nèi)部都存在多種非蛋白質(zhì)肽。這類(lèi)物質(zhì)都有相應(yīng)的生物活性，盡管人們并不完全清楚它們的功能。通常我們把這些肽類(lèi)統(tǒng)稱為生物活性肽。生物活性肽在組成

40、、結(jié)構(gòu)和大小方面存在很大的差異。有的呈環(huán)形，有的有分支，有的還含有D-氨基酸和氨基酸類(lèi)似物（圖2-13）。四蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)水平四蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)水平 可分為：一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)、四級(jí)結(jié)構(gòu)。 Section 4 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)和測(cè)定蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)和測(cè)定 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定是指蛋白質(zhì)分子中氨基酸排列順序的測(cè)定。有二條途徑：一條是直接測(cè)定直接測(cè)定多肽鏈的氨基酸順序；另一條是間接的間接的，即從編碼蛋白質(zhì)的基因的核苷酸順序來(lái)推導(dǎo)蛋白質(zhì)的氨基酸順序。一直接法：直接法：獲得高純度的單一蛋白樣品，測(cè)定其分子大小。確定肽鏈的數(shù)目(末端分析)； 氨基酸的組成分析； 拆開(kāi)二硫鍵；部分水解；片段的氨基酸順序測(cè)定； 片段

41、重疊，拚出完整肽鏈的氨基酸順序； 確定二硫鍵和酰胺基的位置。 1. 氨基酸的組成分析氨基酸的組成分析 蛋白質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)條件下經(jīng)酸水解后, 進(jìn)行氨基酸的組成分析.通過(guò)組成分析基本上可推測(cè)出部分水解所產(chǎn)生的肽碎片的數(shù)目。 2末端分析末端分析(確定蛋白質(zhì)的肽鏈組成) ：通常測(cè)定肽鏈的N-末端. 二硝基氟苯(DNFB)法 或丹磺酰氯（DNS-Cl）法是常用的方法。丹丹磺酰氯磺酰氯（圖2-14）為一種更有效的試劑，靈敏度比DNFB法高100倍。 1.1.拆開(kāi)鏈間或鏈內(nèi)的二硫鍵拆開(kāi)鏈間或鏈內(nèi)的二硫鍵 1).1).還原法：還原法：用巰基乙醇巰基乙醇(HSCH2CH2OH)或二硫蘇糖醇二硫蘇糖醇等還原性試劑使二硫

42、鍵打開(kāi)，還原生成-SH（圖2-15） 2).2).氧化法：氧化法：常用過(guò)甲酸過(guò)甲酸(CHOOOH)作為氧化劑，使二硫鍵氧生成半胱氨磺酸(磺基丙氨酸殘基)（圖2-15）。2.2.肽鏈的部分水解肽鏈的部分水解 常用胰蛋白酶法, 胰凝乳蛋白酶法和溴化氰法等方法（2-16）。下面是一個(gè)典型的多肽，用胰蛋白酶(糜酶)、胰凝乳蛋白酶和溴化氰分別處理所得到的結(jié)果： AlaArgArgMetPheAlaLysAsp-Phe-Leu-LysAlaArgArgMetPheAlaLysAsp-Phe-Leu-Lys 用胰酶處理： 用糜酶處理： 用溴化氰處理： Ala-Arg Ala-Arg-Arg-Met-Phe

43、Ala-Arg-Arg-MetAla-Arg Ala-Arg-Arg-Met-Phe Ala-Arg-Arg-Met Arg Ala-Lys-Asp-Phe Phe-Ala-Lys-Asp-Phe-Lys Arg Ala-Lys-Asp-Phe Phe-Ala-Lys-Asp-Phe-Lys Asp-Phe-Leu-Lys Leu-Lys Asp-Phe-Leu-Lys Leu-Lys Met-Phe-Ala-Lys Met-Phe-Ala-Lys5 5肽碎片的氨基酸順序分析：肽碎片的氨基酸順序分析： EdmanEdman降解法降解法（圖2-17）：專(zhuān)用試劑是苯異硫氰酸。苯異硫氰酸。 羧肽酶法

44、：羧肽酶法：羧肽酶羧肽酶A A：從C-末端依次降解末端殘基，含芳香環(huán)的或脂肪烴基較大的殘基易被水解。但該酶不能水解C-末端的Arg、Lys和Pro。羧肽酶羧肽酶B B能專(zhuān)門(mén)水解C-末端的Arg和Lys，對(duì)其它殘基不起作用。如果C-末端第二個(gè)殘基是ProPro，則酶A和酶B都不起作用。羧肽酶羧肽酶C C能水解C-末端的Pro.6.6.片斷重疊確定整個(gè)肽鏈的氨基酸順序：片斷重疊確定整個(gè)肽鏈的氨基酸順序：胰酶：Ala-ArgAla-Arg Arg Arg Met-PheMet-Phe-Ala-Lys -Ala-Lys Asp-PheAsp-Phe-Leu-Lys-Leu-Lys糜酶：Ala-ArgA

45、la-ArgArg-Arg-Met-PheMet-Phe Ala-Lys Ala-LysAsp-PheAsp-Phe Leu-Lys Leu-Lys-全順序Ala-ArgArg-Met-Phe-Ala-LysAsp-Phe-Leu-LysAla-ArgArg-Met-Phe-Ala-LysAsp-Phe-Leu-Lys六蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定的生物學(xué)意義：六蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定的生物學(xué)意義： 1. 蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的種屬差異蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的種屬差異 同源蛋白質(zhì)(homologous proteins)以胰島素和細(xì)胞色素c為例說(shuō)明。圖2-18示出了細(xì)胞色素c種系發(fā)生樹(shù)。 2.蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的個(gè)體差異蛋白

46、質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的個(gè)體差異 以血紅蛋白(Hemoglobin)為例。 HbA:HbA: H H3 3N NVal-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-GluGlu-Lys-LysCOOCOO HbS: HHbS: H3 3N NVal-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-ValVal-Lys-LysCOOCOO Section 4 Section 4 蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu) 一一. .蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的概念及研究方法蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的概念及研究方法 蛋白質(zhì)空間構(gòu)象蛋白質(zhì)空間構(gòu)象 是指蛋白質(zhì)多肽鏈

47、主鏈在空間上的走向及是指蛋白質(zhì)多肽鏈主鏈在空間上的走向及所有原子和基團(tuán)在空間中的排列與分布。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)包所有原子和基團(tuán)在空間中的排列與分布。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)包括二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。括二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。X-X-射線晶體衍射和核磁共振光譜是研究大分子結(jié)構(gòu)的主要方射線晶體衍射和核磁共振光譜是研究大分子結(jié)構(gòu)的主要方法。法。 X-射線晶體衍射可用來(lái)研究處在晶體狀態(tài)下的蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu),核磁共振(NMR)光譜可用來(lái)研究處在溶液狀態(tài)的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。 二二. .蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu) 是指蛋白質(zhì)多肽鏈主鏈在空間中的走向。是指蛋白質(zhì)多肽鏈主

48、鏈在空間中的走向。一般呈有規(guī)律的空間折疊。不涉及側(cè)鏈基因的構(gòu)象。一般呈有規(guī)律的空間折疊。不涉及側(cè)鏈基因的構(gòu)象。 1.1.多肽鏈的構(gòu)象可用肽基間的拉角來(lái)描述多肽鏈的構(gòu)象可用肽基間的拉角來(lái)描述 肽鍵上的亞氨基、羰基和兩端的兩個(gè)肽鍵上的亞氨基、羰基和兩端的兩個(gè)C C構(gòu)成了一個(gè)肽平面構(gòu)成了一個(gè)肽平面( (或肽或肽基或酰胺平面基或酰胺平面) ) （圖2-19），肽鍵上的肽鍵上的C-NC-N鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，只只有有限的旋轉(zhuǎn)，因而使一條肽鏈因肽鍵旋轉(zhuǎn)所造成的構(gòu)象數(shù)目受到限有有限的旋轉(zhuǎn)，因而使一條肽鏈因肽鍵旋轉(zhuǎn)所造成的構(gòu)象數(shù)目受到限制。制。但位于肽基兩側(cè)的C與氮原子間的連接鍵是純粹的

49、單鍵，C與羰基碳原子間的連接鍵也是純粹的單鍵。這兩個(gè)單鍵在剛性平面的任何一側(cè)都有較大的旋轉(zhuǎn)程度。C-N單鍵旋轉(zhuǎn)的角度用表示，C-C單鍵旋轉(zhuǎn)的角度用表示。但這兩個(gè)單鍵的旋轉(zhuǎn)也受到主鏈的酰胺氫和但這兩個(gè)單鍵的旋轉(zhuǎn)也受到主鏈的酰胺氫和羰基氧的障礙和羰基氧的障礙和-碳原子上的側(cè)鏈基團(tuán)的大小和性質(zhì)的限制。由于碳原子上的側(cè)鏈基團(tuán)的大小和性質(zhì)的限制。由于C C實(shí)際上處于兩個(gè)剛性平面的交線上，所以由實(shí)際上處于兩個(gè)剛性平面的交線上，所以由C C參與形成的兩個(gè)參與形成的兩個(gè)扭扭角角(和和)決定了相鄰兩個(gè)肽基的相對(duì)位置。多肽鏈主鏈的構(gòu)象可用決定了相鄰兩個(gè)肽基的相對(duì)位置。多肽鏈主鏈的構(gòu)象可用每每-碳原子的一對(duì)扭角來(lái)描

50、述。碳原子的一對(duì)扭角來(lái)描述。實(shí)驗(yàn)表明，肽鏈中所有肽基基本上都有相同的鍵距和鍵角，每個(gè)-碳原子都是一個(gè)正四面體結(jié)構(gòu)。因此，多肽鏈主鏈的構(gòu)象是由肽基上與每個(gè)多肽鏈主鏈的構(gòu)象是由肽基上與每個(gè)CC相連的兩個(gè)單鍵的旋轉(zhuǎn)所成的相連的兩個(gè)單鍵的旋轉(zhuǎn)所成的角和角和角決定的。在多肽鏈中，任何一對(duì)扭角如發(fā)生變化，多肽鏈角決定的。在多肽鏈中，任何一對(duì)扭角如發(fā)生變化，多肽鏈主鏈的構(gòu)象必然發(fā)生相應(yīng)的變化，如果所有與主鏈的構(gòu)象必然發(fā)生相應(yīng)的變化，如果所有與CC相連的這一對(duì)扭角都相連的這一對(duì)扭角都分別相等，則多肽鏈主鏈呈現(xiàn)為有規(guī)律現(xiàn)象。分別相等，則多肽鏈主鏈呈現(xiàn)為有規(guī)律現(xiàn)象。當(dāng)多肽鏈處在完全伸展?fàn)顟B(tài)時(shí)，角和角規(guī)定為180

51、（圖2-20）。2.-2.-螺旋結(jié)構(gòu)是有規(guī)律的主鏈結(jié)構(gòu)螺旋結(jié)構(gòu)是有規(guī)律的主鏈結(jié)構(gòu) -螺旋(-helix)是一種常見(jiàn)和穩(wěn)定的螺旋結(jié)構(gòu)（圖2-21）。由于與每個(gè)-碳原子相連的一對(duì)扭角在-螺旋(-helix)結(jié)構(gòu)中都分別相等(-57,-47)，因此，-螺旋是多肽鏈主鏈的一種有規(guī)律的構(gòu)象，是蛋白質(zhì)分子中的普遍存在的一種典型的二級(jí)結(jié)構(gòu)要素。 在-螺旋中，主鏈氫鍵是穩(wěn)定該結(jié)構(gòu)的主要因素（圖2-21）。氫鍵是蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用力氫鍵是蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的作用力。氫鍵是在多肽鏈中第n個(gè)殘基的羰基氧與螺旋方向的第n 4個(gè)殘基的酰胺氫之間形成的（圖2-22）。 -螺旋的提出，首先較好地解釋了存在于毛發(fā)中的-

52、角蛋白(-keratin)的結(jié)構(gòu)特征（圖2-23）。 -螺旋構(gòu)象螺旋構(gòu)象不僅存在于象-角蛋白這樣的纖維蛋白質(zhì)中，而且在球狀蛋白質(zhì)分子中也廣泛存在在球狀蛋白質(zhì)分子中也廣泛存在。 3. -折疊片也是一種有規(guī)律的二級(jí)結(jié)構(gòu)折疊片也是一種有規(guī)律的二級(jí)結(jié)構(gòu) 在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中, 存在兩種不同的-片，即反平行的和平反平行的和平行的二種行的二種（圖2-24）。由于在每種折疊形式中由于在每種折疊形式中, , 每對(duì)扭角都是每對(duì)扭角都是分別相等的分別相等的, , 故這兩種結(jié)構(gòu)都是有規(guī)律的主鏈構(gòu)象故這兩種結(jié)構(gòu)都是有規(guī)律的主鏈構(gòu)象。 在-片中, 氫鍵的形成出現(xiàn)在相鄰肽鏈之間而不象-螺旋那樣出現(xiàn)在螺旋內(nèi)。 -片由于有最適的氫

53、鍵結(jié)合，與完全伸展的肽鏈構(gòu)象不同，-片呈波紋狀（圖2-25），故此名。 絲心蛋白絲心蛋白的X-射線晶體衍射分析表明，其空間結(jié)構(gòu)與-角蛋白完全不同，呈現(xiàn)為反平行的反平行的-片狀片狀（圖2-26a 圖2-26b）。在絲心蛋白的長(zhǎng)軸方向上具有0.7nm的重復(fù)距離，所以絲心蛋白的空間結(jié)構(gòu)是-析疊式的。-片在球狀蛋白質(zhì)分子中也廣泛片在球狀蛋白質(zhì)分子中也廣泛存在存在。4.-4.-轉(zhuǎn)角和卷曲結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角和卷曲結(jié)構(gòu) 大多數(shù)蛋白質(zhì)都是球狀的。因此，多肽鏈必須具有彎曲、轉(zhuǎn)角和自然改變方向的能力，以便產(chǎn)生緊湊的球狀結(jié)構(gòu)。在許多蛋白質(zhì)中都可觀察到一種稱作稱作-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角(-turn (-turn orbend) bend)

54、 的結(jié)的結(jié)構(gòu)，它是由構(gòu)，它是由4 4個(gè)連續(xù)的氨基酸殘基組成個(gè)連續(xù)的氨基酸殘基組成（圖2-27）。有兩種主要的-轉(zhuǎn)角，都是通過(guò)一個(gè)殘基上的羰基氧與肽鏈下游的第三位殘基上的酰胺氫之間形成氫鍵，以此穩(wěn)定這種結(jié)構(gòu)。由于-轉(zhuǎn)角的存在，就允許蛋白質(zhì)彎曲并倒轉(zhuǎn)它的肽鏈方向，脯氨酸和甘氨酸是脯氨酸和甘氨酸是頻繁出現(xiàn)在頻繁出現(xiàn)在-轉(zhuǎn)角中的殘基。轉(zhuǎn)角中的殘基。 卷曲結(jié)構(gòu)卷曲結(jié)構(gòu)是一種難以描述的多肽鏈走向，也存在于球狀蛋白質(zhì)分子中。三、球狀蛋白質(zhì)和三級(jí)結(jié)構(gòu)三、球狀蛋白質(zhì)和三級(jí)結(jié)構(gòu) 球狀蛋白質(zhì)近似球形。蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)(tertiary structure) 和四級(jí)結(jié)構(gòu)通常是針對(duì)球狀蛋白質(zhì)而言。蛋白質(zhì)的三蛋白質(zhì)的三級(jí)

55、結(jié)構(gòu)級(jí)結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子中的所有原子的三維空間排列，包括它們是指蛋白質(zhì)分子中的所有原子的三維空間排列，包括它們的二級(jí)結(jié)構(gòu)要素的二級(jí)結(jié)構(gòu)要素( (如如-螺旋和螺旋和-片片) ) 和它們的側(cè)鏈在空間上的相和它們的側(cè)鏈在空間上的相互關(guān)系?；リP(guān)系。 1. 三級(jí)結(jié)構(gòu)的某些特征：三級(jí)結(jié)構(gòu)的某些特征：1). 1). 球狀蛋白質(zhì)常都含有球狀蛋白質(zhì)常都含有-螺旋和螺旋和-折疊片兩種基本要素折疊片兩種基本要素（圖2- 28）2). 2). 側(cè)鏈的定位隨極性而變化側(cè)鏈的定位隨極性而變化3). 3). 超二級(jí)結(jié)構(gòu)超二級(jí)結(jié)構(gòu)(supersecondary structure)(supersecondary struct

56、ure)即基元即基元(motif)(motif) 在許多蛋白質(zhì)分子中常觀察到二級(jí)結(jié)構(gòu)要素的某些組合，即超超二級(jí)結(jié)構(gòu)或稱為基元二級(jí)結(jié)構(gòu)或稱為基元。這些組合有： 基元：基元：兩個(gè)平行的鏈由一個(gè)-螺旋右手交聯(lián),為最常見(jiàn)的一種組合（圖2-29）。 -發(fā)夾基元：發(fā)夾基元：由三條反平行的鏈(或肽段)組成。 基元：基元：由二條連續(xù)的反平行的-螺旋構(gòu)成。 -桶式桶式(-barrel) (-barrel) 基元：基元：由連續(xù)的-片卷筑而成(有三種不同的形式)。4). 4). 結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域(domain)(domain) 分子較大的多肽鏈常折疊成兩個(gè)或多個(gè)球狀簇，這種球狀簇叫做域或結(jié)構(gòu)域。大多數(shù)域由100-200

57、個(gè)氨基酸殘基構(gòu)成。平均直徑約2.5nm 。結(jié)構(gòu)域常具特殊功能，例如，結(jié)合小分子(3-磷酸甘油醛脫氫酶同NAD的結(jié)合屬于這種情況)（圖2-30）。 2. 蛋白質(zhì)空間構(gòu)象穩(wěn)定的因素蛋白質(zhì)空間構(gòu)象穩(wěn)定的因素 蛋白質(zhì)多肽鏈在生理?xiàng)l件下折疊形成特定的空間構(gòu)象顯然是熱力學(xué)上一種有利的過(guò)程，是各種作用力相互作用、精巧平衡的結(jié)果。離子相互作用離子相互作用： 蛋白質(zhì)分子的相反電荷基團(tuán)的結(jié)合稱為鹽鍵或離子鍵(離子對(duì)) （圖2-31） 。氫鍵氫鍵: : 氫鍵是一種由弱酸性的供體基團(tuán)弱酸性的供體基團(tuán)(D-H)(D-H)和一個(gè)具獨(dú)電子的和一個(gè)具獨(dú)電子的原子原子(A)(A)之間形成的最顯著的靜電作用力。之間形成的最顯著的

58、靜電作用力。蛋白質(zhì)具有眾多的氫鍵供體和受體，包括主鏈上的羰基和酰胺基及極性側(cè)鏈基團(tuán)。偶極與偶極間的相互作用偶極與偶極間的相互作用: : 在電中性分子之間的非共價(jià)結(jié)合統(tǒng)在電中性分子之間的非共價(jià)結(jié)合統(tǒng)稱為范德華力。稱為范德華力。這種力產(chǎn)生于永久的或誘導(dǎo)的偶極之間的靜電相互作用。偶極與偶極間的相互作用包括永久偶極間的相互作用、永久偶極與誘導(dǎo)偶極間的作用和瞬時(shí)偶極間的作用（圖2-32）。 疏水作用疏水作用: 疏水作用是由于蛋白質(zhì)多肽鏈的疏水殘基具有避開(kāi)疏水作用是由于蛋白質(zhì)多肽鏈的疏水殘基具有避開(kāi)水的傾向、彼此在分子內(nèi)聚集所產(chǎn)生的作用力水的傾向、彼此在分子內(nèi)聚集所產(chǎn)生的作用力（圖2-33）。這種力這種力

59、是維持蛋白質(zhì)分子穩(wěn)定的主要的作用力。是維持蛋白質(zhì)分子穩(wěn)定的主要的作用力。 二硫鍵二硫鍵: : 二硫鍵是某些蛋白質(zhì)維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要因素，由兩個(gè)Cys的側(cè)鏈-SH氧化而成（圖2-31） 。四、寡聚蛋白質(zhì)四、寡聚蛋白質(zhì)(oligomeric protein)(oligomeric protein)和四級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu) 1. 四級(jí)結(jié)構(gòu)研究的內(nèi)容：四級(jí)結(jié)構(gòu)研究的內(nèi)容： 生物體內(nèi)的許多蛋白質(zhì)都含有兩個(gè)或多個(gè)折疊的多肽鏈，它們彼此聚集，構(gòu)成一個(gè)完整的、有功能的實(shí)體，這種蛋白質(zhì)稱寡聚蛋寡聚蛋白質(zhì)白質(zhì)。在寡聚蛋白質(zhì)中，每一條折疊的多肽鏈稱為亞基亞基(subunit), 亞基可相同也可不同，取決于寡聚蛋白質(zhì)的

60、亞基組成。亞基可相同也可不同，取決于寡聚蛋白質(zhì)的亞基組成。 由于寡聚蛋白質(zhì)是由多個(gè)亞基組成，每個(gè)亞基有其本身的折疊結(jié)構(gòu)(三級(jí)結(jié)構(gòu))，所以研究寡聚蛋白質(zhì)中亞基的數(shù)目和亞基間的相研究寡聚蛋白質(zhì)中亞基的數(shù)目和亞基間的相互關(guān)系互關(guān)系( (即它們的空間位置即它們的空間位置) )就構(gòu)成了寡聚蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。就構(gòu)成了寡聚蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。在寡聚蛋白質(zhì)中，穩(wěn)定亞基間相互關(guān)系的作用力與維持蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力相同，即亞基間的離子鍵、氫鍵和疏水作用力。亞基間的離子鍵、氫鍵和疏水作用力。 在研究寡聚體蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中，有時(shí)使用原體原體(protomer)(protomer)這一名稱。原體可由一條肽鏈(一個(gè)