《生物化學(xué)》課件之一武漢大學(xué)張楚富

生物化學(xué)主講教師:張楚富Chapter1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：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)。

Section1生命、細(xì)胞和生物分子

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。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)●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?！裆到y(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NADPH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)上可利用的能量的貯存形式?！裆到y(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。此外，H、C、N和O是元素周期表中最輕的元素。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，H、C、N和O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1—1）。碳的共價(jià)鍵有兩個(gè)特別值得注意的性質(zhì)。一是碳與自身形成共價(jià)鍵的能力，另一個(gè)是被鍵合碳原子周圍的四個(gè)共價(jià)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

(1)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)→（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1－2）(2)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)。細(xì)胞器僅在真核生物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)。(3)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)1、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)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),它們是有“頭”和有“尾”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)。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)該是有“感應(yīng)”（sense）的或者說(shuō)是有方向的（圖1－3）。2、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，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。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)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4–30kJ·mol-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)境條件中生物大分子僅在窄的環(huán)境條件下(例如溫度、離子強(qiáng)度以及酸-堿度等)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)雜大分子的有序結(jié)構(gòu)的喪失(也就是變性)伴隨著功能的消失。Section2水在生物化學(xué)中，水存在的意義是顯而易見(jiàn)的：①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)。②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。③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。④水的氧化產(chǎn)生的分子氧(O2)是通過(guò)光合作用完成的。⑤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。⑥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)化的生物學(xué)機(jī)制所必需的能化狀態(tài)。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1－4a,b）。水的氫鍵形成具有協(xié)同的性質(zhì)。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。1、冰的結(jié)構(gòu)在普通的冰中（它是水的一般晶體形式），每個(gè)水分子都有四個(gè)以氫鍵結(jié)合的最鄰近者(圖1－5)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、液態(tài)水的結(jié)構(gòu)由于液態(tài)水的每個(gè)分子約10－12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)水是由快速波動(dòng)的三維網(wǎng)狀的氫鍵結(jié)合的H2O分子構(gòu)成(圖1－6a)。二、水水的溶溶劑特特性溶解度度取決決于溶溶質(zhì)分分子與與溶劑劑分子子之間間的相相互作作用力力以及及溶質(zhì)質(zhì)分子子之間間的相相互作作用力力。由于水水具有有高極極性，，因而而使得得它對(duì)對(duì)于極極性物物質(zhì)和和離子子物質(zhì)質(zhì)是一一種極極好的的溶劑劑(1-6b)。三、疏疏水相相互作作用非極性性物質(zhì)質(zhì)（或或者生生物大大分子子的非非極性性功能能基團(tuán)團(tuán)）不不易與與水形形成氫氫鍵。。因此此，這這類化化合物物只能能在水水中極極少溶溶解。。當(dāng)非非極性性物質(zhì)質(zhì)或基基團(tuán)侵侵入液液態(tài)水水時(shí)，，將會(huì)會(huì)破壞壞原有有液態(tài)態(tài)水分分子之之間的的氫鍵鍵網(wǎng)，，溶質(zhì)質(zhì)周圍圍的水水發(fā)生生大的的重新新排列列。為為了重重新獲獲得它它們失失去的的氫鍵鍵能，，表面面的水水分子子指向向它們們自身身，以四面面體氫氫鍵的的方式式形成成一種種封閉閉的、、類似似籠子子的氫氫鍵網(wǎng)網(wǎng)（圖1-7）。環(huán)繞非非極性性溶質(zhì)質(zhì)的水水分子子的有有序化化產(chǎn)生生了不不利于于非極極性溶溶質(zhì)水水化的的自由由能.因因此此非極極性溶溶質(zhì)趨趨向于于從水水相中中排出出。當(dāng)當(dāng)非極極性溶溶質(zhì)彼彼此相相遇而而聚集集時(shí)，，它們們所占占據(jù)的的空間間的表表面積積小于于它們們各自自單獨(dú)獨(dú)占有有空間間的表表面積積之和和。因因此，，非極極性溶溶質(zhì)的的聚集集能夠夠減小小所占占空間間的表表面積積，隨隨之導(dǎo)導(dǎo)致非非極性性溶質(zhì)質(zhì)表面面的水水的有有序化化程度度總量量降低低。換句話話說(shuō)，，非極極性溶溶質(zhì)相相互吸吸引、、避開(kāi)開(kāi)水的的傾向向是水水分子子有序序度的的減少少（或或者說(shuō)說(shuō)混亂亂度增增加））所產(chǎn)產(chǎn)生的的熵增增所推推動(dòng)的的。熵是一一個(gè)系系統(tǒng)有有序程程度的的一種種量度度。任任何系系統(tǒng)的的有序序度的的減少少或者者混亂亂度的的增高高都會(huì)會(huì)伴隨隨熵的的增加加。四、中中極兩兩性分分子含有極極性基基團(tuán)和和非極極性基基團(tuán)的的化合合物稱稱為中中級(jí)兩兩性化化合物物（amphiphiles）。。這類類化合合物既既有親親水性性又有有疏水水性。。（圖1－8）。因此，，當(dāng)中中性兩兩性化化合物物分子子與水水溶劑劑相互互作用用時(shí)，，中極極兩性性化合合物趨趨向形形成結(jié)結(jié)構(gòu)上上有序序的排排列。。膠束束（或或微團(tuán)團(tuán)）（（micelle））是由由數(shù)千千種中中極兩兩性化化合物物構(gòu)成成的小小球（（圖1－－9中極兩兩性分分子在在水溶溶液中中形成成膠團(tuán)團(tuán).））。中極兩兩性分分子也也能形形成另另一種種有序序的結(jié)結(jié)構(gòu)形形式雙分分子層層結(jié)構(gòu)構(gòu)，與與生物物膜的的結(jié)構(gòu)構(gòu)相似似。因因此，，中極極兩性性化合合物的的這種種特殊殊的性性質(zhì)是是生物物膜構(gòu)構(gòu)成的的基礎(chǔ)礎(chǔ)。五、溶溶質(zhì)對(duì)對(duì)水的的性質(zhì)質(zhì)的影影響▲溶解物物質(zhì)的的存在在打亂亂了液液態(tài)水水的結(jié)結(jié)構(gòu),使水水的性性質(zhì)發(fā)發(fā)生改改變。。生物物機(jī)體體內(nèi)部部的水水與純純水很很不相相同。。細(xì)胞胞內(nèi)部部和細(xì)細(xì)胞周周圍的的液體體是被被各種種溶質(zhì)質(zhì)充塞塞的，，這些些溶質(zhì)質(zhì)包括括從很很小的的無(wú)機(jī)機(jī)離子子到巨巨大的的分子子聚集集體。?！苜|(zhì)的的濃度度影響響水的的依數(shù)性性（colligativeproperties））。依數(shù)性性是溶溶液的的一種種物理理性質(zhì)質(zhì)，它它取決決于溶溶質(zhì)的的濃度度而不不是溶溶質(zhì)的的化學(xué)學(xué)特性性。例如，，溶質(zhì)質(zhì)的存存在能能降低低水的的冰點(diǎn)點(diǎn)和升升高水水的沸沸點(diǎn)，，因?yàn)闉槿苜|(zhì)質(zhì)的存存在使使水分分子更更難以以結(jié)成成冰，，也更更難以以從溶溶液逃逃溢出出變成成氣態(tài)態(tài)。▲滲透壓壓也與溶溶質(zhì)的的濃度度有關(guān)關(guān)。當(dāng)溶溶質(zhì)與與純水水被一一層只只允許許水分分子通通過(guò)而而不允允許溶溶質(zhì)通通過(guò)的的半透透膜分分開(kāi)時(shí)時(shí)，水水移動(dòng)動(dòng)進(jìn)入入到溶溶液中中，以以便使使膜兩兩側(cè)的的濃度度趨于于平衡衡。滲滲透（（Osmosis））是溶溶劑從從高濃濃度區(qū)區(qū)（這這里是是純水水）向向相對(duì)對(duì)低的的濃度度區(qū)（（含溶溶質(zhì)的的水））的移移動(dòng)。。溶液液的滲滲透壓壓（Osmosispressure））是必必需施施加給給溶液液以阻阻止水水向內(nèi)內(nèi)流動(dòng)動(dòng)的壓壓力（圖1－10））。這種壓壓力與與溶質(zhì)質(zhì)的濃濃度成成正比比。▲當(dāng)水溶溶液被被一層層允許許水和和溶質(zhì)質(zhì)滲透透的膜膜隔開(kāi)開(kāi)時(shí)，，水可可以向向內(nèi)運(yùn)運(yùn)動(dòng)，，溶質(zhì)質(zhì)也可可以從從溶液液中向向外運(yùn)運(yùn)動(dòng)，，直到到膜兩兩側(cè)的的溶質(zhì)質(zhì)濃度度達(dá)到到相同同為止止。分子的的這種種隨機(jī)機(jī)運(yùn)動(dòng)動(dòng)叫做做擴(kuò)散散（diffuse）。當(dāng)平衡衡確立立時(shí)，，沒(méi)有有水和和溶質(zhì)質(zhì)的進(jìn)進(jìn)一步步凈流流動(dòng)，，雖然然分子子繼續(xù)續(xù)在運(yùn)運(yùn)動(dòng)。。六、水水的離離子化化和pH水是一一種中中性分分子，，只是是具有有很弱弱的離離子化化傾向向。人人們通通常用用下面面的式式子表表達(dá)水水的離離子化化：H2O←←→→H＋＋OH—實(shí)際上，自自由的H＋是不存在的的，而是與與水分子結(jié)結(jié)合，以水水合氫離子子（H3O＋）的形式存存在。質(zhì)子子可與一簇簇水分子結(jié)結(jié)合形成具具有H5O2＋、H7O3＋等等分子式式的結(jié)構(gòu)。。為了簡(jiǎn)便便，可以把把這些離子子形式合并并以H＋代表。水合合氫離子的的質(zhì)子可以以很快地一一個(gè)水分子子跳躍到另另一個(gè)水分分子（圖1-11）。氫鍵網(wǎng)為為H＋的快速遷移移提供了一一條天然的的路線。質(zhì)子經(jīng)氫鍵鍵網(wǎng)快速遷遷移的質(zhì)子子跳躍（protonjumping）為生物學(xué)學(xué)上許多重重要的質(zhì)子子轉(zhuǎn)移（例例如快速的的酸-堿反應(yīng)）提提供了解釋釋。根據(jù)水的離離子化及其其平衡常數(shù)數(shù)，可以推推導(dǎo)表達(dá)水水溶液氫離離子濃度的的方程式：：pH＝log(1/[H＋])＝–log[H＋]由于純水的的[H＋]＝10-7mol·L-1，因此，用用pH來(lái)描描述純水的的氫離子濃濃度即為：：pH＝log(1/1×10-7)＝log(1×107)＝log1.0＋＋log107＝0＋＋7.0＝7.0pH值越高高，H＋濃度就越低低；pH值值越低，，H＋濃度就越高高。七、酸-堿堿化學(xué)由水解離產(chǎn)產(chǎn)生的H＋和OH－是生物化學(xué)反反應(yīng)的基礎(chǔ)。。生物分子，，例如蛋白質(zhì)質(zhì)和核酸，具具有眾多的可可作為酸或堿堿的功能基團(tuán)團(tuán)（例如羧基基和氨基）。。這些分分子影影響液液態(tài)介介質(zhì)的的pH，它它們的的結(jié)構(gòu)構(gòu)和反反應(yīng)性性也會(huì)會(huì)受到到周圍圍pH的影影響。。因而而正確確評(píng)價(jià)價(jià)酸-堿化化學(xué)是是了解解許多多分子子的生生物學(xué)學(xué)作用用所必必須的的。1、酸酸是質(zhì)質(zhì)子的的供體體按照J(rèn).Br??nsted和T.Lowry關(guān)于酸酸和堿堿的概概念，，凡是是能供供出質(zhì)質(zhì)子的的物質(zhì)質(zhì)即是是酸，，凡是是能接接受質(zhì)質(zhì)子的的物質(zhì)質(zhì)即為為堿。。按照照這一一定義義，堿堿-酸酸反應(yīng)應(yīng)可以以表述述為：：HA＋＋H20→→H3O＋＋A－酸（HA）與堿堿（H2O）反應(yīng)應(yīng)，形形成酸酸的共共軛堿堿（A－）和堿堿的共共軛酸酸（H3O＋）。相相應(yīng)地地，醋醋酸離離子（（CH3COO－）是醋醋酸（（CH3COOH）的共共軛堿堿，銨銨離子子（NH4＋）是氨氨（NH3）的共共軛酸酸。牽涉到到水參參與的的酸-堿反反應(yīng)，，往往往可以以縮寫寫為HA←←→→H＋＋A－2、酸酸的強(qiáng)強(qiáng)度可可用它它的解解離常常數(shù)來(lái)來(lái)表示示酸-堿堿反應(yīng)應(yīng)的平平衡常常數(shù)用用反應(yīng)應(yīng)物和和產(chǎn)物物的解解離常常數(shù)來(lái)來(lái)表達(dá)達(dá)：K＝[H3O＋][A－]/[HA][H2O](1)(在稀稀溶液液中,水的的濃度度基本本上是是恒定定的常常數(shù)（（1000g··L-1/18.015g··mol-1＝55.8mol··L-1）。因因此，，[H2O]項(xiàng)項(xiàng)通常常與解解離常常數(shù)合合并，，即：：Ka＝K[H2O]＝＝[H＋][A－]/[HA](2)由于酸酸解離離常數(shù)數(shù)象[H＋]值一一樣使使用起起來(lái)不不方便便，因因此可可用公公式將將其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換成成的pKa值(為為了使使用的的方便便,將將下標(biāo)標(biāo)a省去):pK＝－－logK(3)3、溶溶液的的pH由酸酸和堿堿相對(duì)對(duì)濃度度決定定一種溶溶液的的pH和酸酸以及及它的的共軛軛堿之之間的的相互互關(guān)系系可以以很容容易推推導(dǎo)出出來(lái)。。將方方程（（2））重排排[H＋]＝K([HA]/[A－])(4)兩邊取負(fù)負(fù)對(duì)數(shù)：：－log[H]＝－logK＋log([A－]/[HA])從而得到到：pH＝pK＋log([A－]/[HA])(5)這種關(guān)系系式稱為為Henderson-Haselbalch方方程。當(dāng)當(dāng)某種酸酸[HA]和它它的共軛軛堿[A－]的濃度度相等時(shí)時(shí)，log([A－]/[HA])＝0，，溶液的的pH在在數(shù)值上上相當(dāng)于于酸的pK值。Henderson-Hasselbalch方程程對(duì)于計(jì)計(jì)算含有有已知濃濃度的弱弱酸和它它的共軛軛堿的溶溶液的pH來(lái)說(shuō)說(shuō)是非常常有用的的。八、緩沖沖系統(tǒng)弱酸（例例如醋酸酸）在水水中只能能部分離離子化，，它所釋釋放出來(lái)來(lái)的H＋是可以被被滴定的的。當(dāng)用用已知濃濃度的堿堿（通常常使用NaOH）滴定醋醋酸溶液液時(shí)，獲獲得如圖1－12所示的滴滴定曲線線。當(dāng)?shù)味ㄩ_(kāi)開(kāi)始時(shí)，，HAc大部分以以未離子子化的形形式以HAc存在，同同時(shí)也有有一定量量的H＋和Ac－存在。NaOH溶液的加加入允許許氫氧離離子（OH－）中和存存在的H＋。當(dāng)H＋被中和時(shí)時(shí)，更多多的HAc解離成H＋和Ac－.當(dāng)進(jìn)一步步加入NaOH時(shí),pH隨Ac－的積累而而逐漸升升高。當(dāng)當(dāng)處在HAc的一半被被中和時(shí)時(shí)的位點(diǎn)點(diǎn)，已加加入等當(dāng)當(dāng)量的NaOH。此時(shí)溶溶液中的的HAc和Ac－相等，pH＝pK.因此，人人們可以以用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)方法測(cè)測(cè)定弱電電解質(zhì)的的pK值。弱電解質(zhì)質(zhì)的pK往往位于于滴定曲曲線的中中點(diǎn)。但是，，滴定中中點(diǎn)的pK值則隨不不同性質(zhì)質(zhì)的電解解質(zhì)而不不同。如如醋酸的的pK為4.7、咪唑的的pK為6.99、NH4＋的pK為9.25。pK值直接與與這類物物質(zhì)的解解離常數(shù)數(shù)有關(guān)，，或者說(shuō)說(shuō)與共軛軛堿對(duì)H＋的親和力力有關(guān)。。pH的維維持對(duì)所所有細(xì)胞胞都是至至關(guān)重要要的。細(xì)胞過(guò)過(guò)程（例例如代謝謝）取決決于酶的的活性，，而酶的的活性又又顯著地地受pH的影響響。因此此，pH的改變變會(huì)極大大地對(duì)代代謝反應(yīng)應(yīng)造成破破壞。生物有各各種保持持它們細(xì)細(xì)胞內(nèi)和和細(xì)胞外外液體pH基本本恒定的的機(jī)制，，但是阻阻止有害害pH變變化的最最重要的的機(jī)制由由緩沖系系統(tǒng)提供供。所選擇的的緩沖系系統(tǒng)反映映了對(duì)接接近pH7的pK值以及緩緩沖劑組組成與細(xì)細(xì)胞代謝謝機(jī)構(gòu)的的一致性性兩方面面的需要要。磷酸鹽系系統(tǒng)（HPO42ˉ/H2PO4ˉ）和碳酸酸鹽系統(tǒng)統(tǒng)（HCO3ˉ/H2CO3）是生物物體內(nèi)的的兩種重重要的緩緩沖系統(tǒng)統(tǒng)。前者者主要維維持細(xì)胞胞內(nèi)pH的恒定定，而后后者在維維持細(xì)胞胞外液的的pH穩(wěn)穩(wěn)定中起起作用。。此外，許許多生物物分子，，例如蛋蛋白質(zhì)以以及小分分子的有有機(jī)物，，由于含含有多個(gè)個(gè)酸-堿堿基團(tuán)，，它們?cè)谠谏韕H范圍圍內(nèi)都是是有效的的緩沖系系統(tǒng)的組組分。Chapter2蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)(Protein)Section1蛋蛋白質(zhì)質(zhì)概概述一.蛋蛋白質(zhì)是是生物體體內(nèi)的最最重要的的物質(zhì)①蛋白質(zhì)約約占細(xì)胞胞干重的的50%以上。。②蛋白質(zhì)與與核酸共共同構(gòu)成成了生命命現(xiàn)象的的物質(zhì)基基礎(chǔ)，是是細(xì)胞原原生質(zhì)的的主要成成分。③催化生物物體內(nèi)幾幾乎所有有化學(xué)反反應(yīng)的酶酶是蛋白白質(zhì)。④抵抗外源源性異物物侵害而而產(chǎn)生免免疫反應(yīng)應(yīng)的抗體體是蛋白白質(zhì)。⑤調(diào)節(jié)物質(zhì)質(zhì)代謝的的許多激激素也是是蛋白質(zhì)質(zhì)或多肽肽。⑥肌肉收縮縮、物質(zhì)質(zhì)的運(yùn)輸輸、結(jié)締締保護(hù)、、病毒對(duì)對(duì)宿主的的感染等等都是蛋蛋白質(zhì)在在起作用用。⑦胚胎發(fā)育育、生長(zhǎng)長(zhǎng)、分化化和繁殖殖等都有有蛋白質(zhì)質(zhì)參與。。二、蛋白白質(zhì)的元元素組成成蛋白質(zhì)主主要含有有C、H、O、、N以及及S元素素。N元素是蛋蛋白質(zhì)的的特征性性元素，，根據(jù)對(duì)對(duì)大多數(shù)數(shù)蛋白質(zhì)質(zhì)的N元元素分析析，其含含量相近近，一般般在15—17%，，平均為為16%。三、蛋白質(zhì)的的基本組組成單位位是氨基基酸經(jīng)水解分分析，構(gòu)構(gòu)成氨基基酸的蛋蛋白質(zhì)約約20種種，這些些氨基酸酸借肽鍵鍵聚合成成蛋白質(zhì)質(zhì)。四、蛋白質(zhì)是是基因編編碼的直接參與與蛋白質(zhì)質(zhì)合成的的氨基酸酸在遺傳傳上都存存在相應(yīng)應(yīng)的密碼碼，這些些密碼子子存在于于基因的的核苷酸酸順序中中，分子子生物學(xué)學(xué)研究表表明，基基因的核核苷酸順順序通過(guò)過(guò)轉(zhuǎn)錄拷拷貝到mRNA上，mRNA的編碼碼信息，，即三聯(lián)密碼碼子直接接決定著著蛋白質(zhì)質(zhì)多肽的的氨基酸酸順序。。Section2氨氨基基酸(Aminoacids)一.氨氨基酸的的結(jié)構(gòu)通通式除脯氨酸酸外，其其它所有有氨基酸酸在結(jié)構(gòu)構(gòu)上都有有一個(gè)共共同的特特點(diǎn)，即即在與羧羧基相連連的α-碳原子子上含有有一個(gè)氨氨基（圖2-1）。從這個(gè)個(gè)結(jié)構(gòu)通通式可以以看出，，氨基酸酸的差別別就表現(xiàn)現(xiàn)在側(cè)鏈鏈R基團(tuán)團(tuán)上。二.氨氨基酸的的結(jié)構(gòu)和和分類：：根據(jù)氨基基酸側(cè)鏈鏈R基的的極性，，20種種氨基酸酸可分成成4類。1.非非極性R基氨基基酸（共共9種））（圖2-2）：甘氨酸酸(Glycine,Gly,G),丙丙氨氨酸(Alanine,Ala,A),纈氨酸酸(Valine,Val,V)),亮亮氨酸酸(Leucine,Leu,L),異亮氨氨酸(Isoleucine,Ile,I),脯脯氨酸酸(Proline,Pro,P),苯丙氨氨酸(Phenylalanine,Phe,F),色色氨氨酸(Tryptophan,Trp,W),甲硫氨氨酸(Methionine,Met,M)2.無(wú)無(wú)電荷荷的極極性R基氨氨基酸酸（共共6種種）（圖2-3）：絲氨酸酸(Serine,Ser,S),蘇蘇氨氨酸(Threonine,Thr,T),酪氨酸酸(Tyrosine,Tyr,Y),半半胱胱氨酸酸(Cysteine,Cys,C),天冬酰酰胺(Asparagine,Asn,N),谷谷氨氨酰胺胺(Glutamine,Gln,Q)3.帶帶正電電荷的的極性性R基基氨基基酸（（共3種））（圖2-4）：賴氨酸酸(Lysine,Lys,K),精精氨氨酸(Arginine,Arg,R),組氨酸酸(Histidine,His,H)4.帶帶負(fù)電電荷的的極性性R基基氨基基酸（（共2種））：天冬氨氨酸(Asparticacid,Asp,D),谷谷氨酸酸(Glutamicacid,Glu,E)三．氨氨基酸酸的構(gòu)構(gòu)型：：氨基酸酸的構(gòu)構(gòu)型是是以D-、、L-甘油油醛為為標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)確定定的。。除甘甘氨酸酸外，，其他他所有有α-氨基基酸都都是L-型型的（圖2-5）。四、紫紫外吸吸收特特性：：酪氨酸酸和色色氨酸酸在280nm處具具紫外外吸收收特性性，蛋蛋白質(zhì)質(zhì)通常常含有有這樣樣的氨氨基酸酸，故故可以以在280nm處測(cè)測(cè)定蛋蛋白質(zhì)質(zhì)的含含量,并利利用下下式計(jì)計(jì)算蛋蛋白質(zhì)質(zhì)的含含量。。C＝＝A/εεL五、、氨氨基基酸酸的的酸酸堿堿性性質(zhì)質(zhì)1.氨基基酸酸的的兩兩性性解解離離性性質(zhì)質(zhì)氨基基酸酸在在水水溶溶液液中中或或在在晶晶體體狀狀態(tài)態(tài)下下主主要要以以兩兩性性離離子子形形式式在在.作為為酸：R-CH-COO-—→→R-CH-COO-＋H＋||NH＋3NH2作為為堿：R-CH-COO-＋H＋—→→R-CH-COOH||NH＋3NH＋3氨基基酸酸在在不不同同的的pH條條件件下下可可解解離離成成帶帶不不同同的的電電荷荷：：COOHCOO-COO-|＋＋H＋|––H＋|H＋3N――C――H←←→→H＋3N――C――H←←→→H2N――C――H|-H＋|+H＋|HHH酸性性狀狀態(tài)態(tài)(A)兩兩性性離離子子狀狀態(tài)態(tài)(Z)堿堿性性狀狀態(tài)態(tài)(B)2.氨氨基基酸酸可可解解離離基基團(tuán)團(tuán)的的pK值值與與等等電電點(diǎn)點(diǎn)（（pI））的的關(guān)關(guān)系系：：對(duì)于中性氨基基酸：pI=(pKa1+pKa2)1/2對(duì)于酸性氨基基酸：pI=(pKa1+pKaR)1/2對(duì)于堿性氨基基酸：pI=(pKa2+pKaR)1/2這種關(guān)系可通通過(guò)酸堿滴定定曲線來(lái)確定定（圖2-6））。從滴定曲線線可看出，每每種氨基酸是是在它的pKa值附近而而不是在它的的pI處發(fā)揮揮其緩沖作用用。在等電狀狀態(tài)，氨基酸酸凈電荷為零零，且解離成成陽(yáng)離子和陰陰離子的數(shù)目目和趨勢(shì)相等等。圖2-7和圖2-8分別是酸性氨氨基酸和堿性性氨基酸的酸酸堿滴定曲線線。六．氨基酸的的電泳分離和和離子交換：：1.氨基酸酸的電泳分離離電泳(Electrophoresis)是指指帶電質(zhì)點(diǎn)在在電場(chǎng)中的移移動(dòng)（圖2-9））。如果帶電質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在恒定電電壓和恒定粘粘度的介質(zhì)中中泳動(dòng)，帶電電質(zhì)點(diǎn)的遷移移率(μ)可用下式表示示：μ∝Q/r如果它們?cè)诖蟠笮》矫嬉矝](méi)沒(méi)有明顯的的的差別，帶電電質(zhì)點(diǎn)的遷移移率可用下式式表示：μ∝Q各氨基酸所帶帶凈電的差異異（Q）可用用pI-pH表示。2.離子交交換層析是分分離分析氨基基酸的有效方方法離子交換劑共共價(jià)地結(jié)合許許多可解離為為陰離子或陽(yáng)陽(yáng)離子的基團(tuán)團(tuán)，可以與周周圍溶液中的的其它相反離離子或離子化化合物結(jié)合（圖2-10）。當(dāng)把被分離的的氨基酸混合合物的溶液調(diào)調(diào)至pH3.0時(shí),氨氨基酸都帶凈凈正電荷。但但由于每種氨氨基酸的電離離狀態(tài)不同，，因而它們的的凈正電荷的的程度也不同同，故被洗脫脫下來(lái)的速度度也不相同。。除了電荷作為為主要分離因因素外，氨基基酸側(cè)鏈與樹(shù)樹(shù)脂的非極性性骨架之間的的相互作用也也是影響分離離的因素?，F(xiàn)在常用高效效液相層析(HPLC)代替普通通的離子交換換層析。七、氨基酸的的化學(xué)反應(yīng)1.與亞硝硝酸反應(yīng)：R－CH－－COOH+HNO2—→R－－CH－COOH+N2↑+H2O?｜｜NH2OH只要測(cè)定釋放放的N2體積，便可計(jì)計(jì)算出氨基酸酸的含量，這這是VanSlyke(范氏)氨基氮測(cè)定定方法的基礎(chǔ)礎(chǔ)。2.與甲醛醛的反應(yīng)3.與二硝硝基氟苯的反反應(yīng)4.與苯異異硫氰酸的反反應(yīng)5.與二甲甲氨基萘-1-磺酰氯（（DNS-Cl）的反應(yīng)應(yīng)6.成酯和和成鹽反應(yīng)7.與茚三三酮的反應(yīng)Section3肽肽一．肽、肽鏈鏈和肽鍵氨基酸與氨基基酸之間可以以通過(guò)α-氨氨基和α-羧羧基形成的酰酰胺鍵共價(jià)地地結(jié)合在一起起,這樣形成成的產(chǎn)物叫做做肽（Peptide））。在蛋白質(zhì)質(zhì)化學(xué)中，這這種酰胺鍵稱稱為肽鍵（Peptidebond）（圖2-11）。由氨基酸借肽肽鍵所形成的的一條線性的的鏈狀分子就就叫做肽鏈鏈(peptidechain)。。在在肽肽鏈鏈結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)中中,每每個(gè)個(gè)的的氨氨基基酸酸不不再再是是完完整整的的，，因因此此叫叫做做氨基基酸酸殘殘基基（residue））。。蛋白白質(zhì)質(zhì)是是由由單單一一肽肽鏈鏈或或多多條條肽肽鏈鏈構(gòu)構(gòu)成成的的大大分分子子。這這些些多多肽肽鏈鏈在在長(zhǎng)長(zhǎng)度度上上一一般般超超過(guò)過(guò)40個(gè)個(gè)以以上上的的氨氨基基酸酸殘殘基基，，最最大大者者甚甚至至超超過(guò)過(guò)4000個(gè)個(gè)氨氨基基酸酸殘殘基基。。若若按按氨氨基基酸酸殘殘基基平平均均分分子子量量110計(jì)計(jì)，，則則蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)分分子子量量范范圍圍大大約約是是4000-440000Da(4-440kD)。。除某某些些特特殊殊的的環(huán)環(huán)狀狀小小肽肽外外，，寡寡肽肽和和多多肽肽都都是是線線性性分分子子，，仍仍然然保保留留一一個(gè)個(gè)未未反反應(yīng)應(yīng)的的氨氨基基末末端端（（N-末末端端））和和一一個(gè)個(gè)羧羧基基末末端端（（C-末末端端））。。在某某些些蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)中中，，N-末末端端往往往往被被甲甲酰?；蚧蛞乙阴ｕ；夥忾]閉；；也也有有些些蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的C-末末端端被被修修飾飾成成酰酰胺胺。。一條條多多肽肽鏈鏈的的模模式式結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)如如下下所所示示（圖圖2-12））。從從該該模模式式結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)可可以以看看出出，，每種多肽或蛋蛋白質(zhì)都有相相同的主鏈（（backbone）,而每種多肽肽或蛋白質(zhì)之之間的差別則則表現(xiàn)在多肽肽鏈中的氨基基酸殘基順序序的不同。二．肽的性質(zhì)質(zhì)1．肽鍵可被被水解2．肽的解離離性質(zhì)肽是一類多聚聚兩性電解質(zhì)質(zhì)，隨環(huán)境pH的變化，，可以電離成成帶正電荷、、負(fù)電荷或者者凈電荷為零零等不同的狀狀態(tài)。每一種種多肽都有它它的等電點(diǎn)，，可通過(guò)酸堿堿滴定曲線來(lái)來(lái)確定。等電點(diǎn)的差別別反映出它們們的氨基酸組組成不同和側(cè)側(cè)鏈可電離基基團(tuán)的種類和和性質(zhì)的差別別。三．生物活性性肽幾乎所有生物物體內(nèi)部都存存在多種非蛋蛋白質(zhì)肽。這這類物質(zhì)都有有相應(yīng)的生物物活性，盡管管人們并不完完全清楚它們們的功能。通通常我們把這這些肽類統(tǒng)稱稱為生物活性性肽。生物活活性肽在組成成、結(jié)構(gòu)和大大小方面存在在很大的差異異。有的呈環(huán)環(huán)形，有的有有分支，有的的還含有D-氨基酸和氨氨基酸類似物物（圖2-13）。四．蛋白質(zhì)的的結(jié)構(gòu)水平可分為：一級(jí)級(jí)、二級(jí)、三三級(jí)、四級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)。Section4蛋蛋白質(zhì)的一一級(jí)結(jié)構(gòu)和測(cè)測(cè)定蛋白質(zhì)的一級(jí)級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定是是指蛋白質(zhì)分分子中氨基酸酸排列順序的的測(cè)定。有二二條途徑：一一條是直接測(cè)定多肽鏈的氨基基酸順序；另另一條是間接的，即從編碼蛋蛋白質(zhì)的基因因的核苷酸順順序來(lái)推導(dǎo)蛋蛋白質(zhì)的氨基基酸順序。一．直接法：①獲得高純度的的單一蛋白樣樣品，測(cè)定其其分子大小。。②確定肽鏈的數(shù)數(shù)目(末端分分析)；③氨基酸的組成成分析；④拆開(kāi)二硫鍵；；⑤部分水解；⑥片段的氨基酸酸順序測(cè)定；；⑦片段重疊，拚拚出完整肽鏈鏈的氨基酸順順序；⑧確定二硫鍵和和酰胺基的位位置。1.氨基酸酸的組成分析析蛋白質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)條件下經(jīng)酸酸水解后,進(jìn)行氨基酸的的組成分析.通過(guò)組成分析析基本上可推推測(cè)出部分水水解所產(chǎn)生的的肽碎片的數(shù)數(shù)目。2．末端分析(確定蛋白質(zhì)質(zhì)的肽鏈組成成)：通常常測(cè)定肽鏈的的N-末端.二硝基基氟苯(DNFB)法或或丹磺酰氯氯（DNS-Cl）法是是常用的方法法。丹磺酰氯（圖2-14）為一種更有效效的試劑，靈靈敏度比DNFB法高100倍。1.拆開(kāi)鏈間間或鏈內(nèi)的二二硫鍵1).還原法法：用巰基乙醇(HSCH2CH2OH)或二硫蘇糖醇等還原性試劑劑使二硫鍵打打開(kāi)，還原生生成-SH（圖2-15）2).氧化法法：常用過(guò)甲酸酸(CHOOOH)作作為氧氧化劑劑，使使二硫硫鍵氧氧生成成半胱胱氨磺磺酸(磺基基丙氨氨酸殘殘基)（圖2-15））。2.肽肽鏈的的部分分水解解常用胰胰蛋白白酶法法,胰胰凝凝乳蛋蛋白酶酶法和和溴化化氰法法等方方法（2-16）。下面是是一個(gè)個(gè)典型型的多多肽，，用胰胰蛋白白酶(糜酶酶)、、胰凝凝乳蛋蛋白酶酶和溴溴化氰氰分別別處理理所得得到的的結(jié)果果：↓↓↓↓↓↓Ala—Arg—Arg—Met—Phe—Ala—Lys—Asp--Phe--Leu--Lys用胰酶酶處理理：用糜酶酶處理理：用溴化化氰處處理：Ala-ArgAla-Arg-Arg-Met-PheAla-Arg-Arg-MetArgAla-Lys-Asp-PhePhe-Ala-Lys-Asp-Phe-LysAsp-Phe-Leu-LysLeu-LysMet-Phe-Ala-Lys5．肽肽碎片片的氨氨基酸酸順序序分析析：Edman降解解法（圖2-17））：專用用試劑劑是苯異硫硫氰酸酸。羧肽酶酶法：：羧肽酶酶A：從C-末末端依依次降降解末末端殘殘基，，含芳芳香環(huán)環(huán)的或或脂肪肪烴基基較大大的殘殘基易易被水水解。。但該該酶不不能水水解C-末末端的的Arg、、Lys和和Pro。。羧肽酶酶B能專門門水解解C-末端端的Arg和Lys，對(duì)對(duì)其它它殘基基不起起作用用。如如果C-末末端第第二個(gè)個(gè)殘基基是Pro，則酶酶A和和酶B都不不起作作用。。羧肽酶酶C能水解解C-末端端的Pro.6.片片斷重重疊確確定整整個(gè)肽肽鏈的的氨基基酸順順序：：胰酶：：Ala-ArgArgMet-Phe--Ala-LysAsp-Phe--Leu-Lys糜酶：：Ala-Arg—Arg--Met-PheAla-Lys—Asp-PheLeu-Lys全全順序序Ala-Arg—Arg--Met-Phe--Ala-Lys—Asp-Phe--Leu-Lys六．蛋蛋白質(zhì)質(zhì)一級(jí)級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)測(cè)定定的生生物學(xué)學(xué)意義義：1.蛋白質(zhì)質(zhì)一級(jí)級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)的種種屬差差異同源蛋蛋白質(zhì)質(zhì)(homologousproteins)以胰島島素和和細(xì)胞胞色素素c為為例說(shuō)說(shuō)明。。圖2-18示出了了細(xì)胞胞色素素c種系發(fā)發(fā)生樹(shù)樹(shù)。2.蛋白質(zhì)質(zhì)一級(jí)級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)的個(gè)個(gè)體差差異以血紅紅蛋白白(Hemoglobin)為例例。HbA:H3＋N－Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys－－COO－HbS:H3＋N－Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Val-Lys－－COO－Section4蛋蛋白白質(zhì)空空間結(jié)結(jié)構(gòu)一.蛋蛋白質(zhì)質(zhì)空間間構(gòu)象象的概概念及及研究究方法法蛋白質(zhì)質(zhì)空間間構(gòu)象象是指蛋蛋白質(zhì)質(zhì)多肽肽鏈主主鏈在在空間間上的的走向向及所所有原原子和和基團(tuán)團(tuán)在空空間中中的排排列與與分布布。蛋蛋白質(zhì)質(zhì)的空空間結(jié)結(jié)構(gòu)包包括二二級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)、、三級(jí)級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)和四四級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)。?！鬤-射射線晶晶體衍衍射和和核磁磁共振振光譜譜是研研究大大分子子結(jié)構(gòu)構(gòu)的主主要方方法。。X-射射線晶晶體衍衍射可可用來(lái)來(lái)研究究處在在晶體體狀態(tài)態(tài)下的的蛋白白質(zhì)的的空間間結(jié)構(gòu)構(gòu),核核磁共共振(NMR)光譜譜可用用來(lái)研研究處處在溶溶液狀狀態(tài)的的蛋白白質(zhì)的的結(jié)構(gòu)構(gòu)。二.蛋蛋白質(zhì)質(zhì)的二二級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)質(zhì)的二二級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)是指蛋蛋白質(zhì)質(zhì)多肽肽鏈主主鏈在在空間間中的的走向向。一一般呈呈有規(guī)規(guī)律的的空間間折疊疊。不不涉及及側(cè)鏈鏈基因因的構(gòu)構(gòu)象。。1.多多肽鏈鏈的構(gòu)構(gòu)象可可用肽肽基間間的拉拉角來(lái)來(lái)描述述肽鍵上上的亞亞氨基基、羰羰基和和兩端端的兩兩個(gè)Cα構(gòu)成了了一個(gè)個(gè)肽平平面(或肽肽基或或酰胺胺平面面)（圖2-19）），肽鍵上上的C-N鍵具具有部部分雙雙鍵的的性質(zhì)質(zhì)，只有有有限的的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，因因而使使一條條肽鏈鏈因肽肽鍵旋旋轉(zhuǎn)所所造成成的構(gòu)構(gòu)象數(shù)數(shù)目受受到限限制。。但位于肽基基兩側(cè)的Cα與氮原子間間的連接鍵鍵是純粹的的單鍵，Cα與羰基碳原原子間的連連接鍵也是是純粹的單單鍵。這兩個(gè)單鍵鍵在剛性平平面的任何何一側(cè)都有有較大的旋旋轉(zhuǎn)程度。。Cα--N單鍵鍵旋轉(zhuǎn)的角角度用Φ表示，Cα--C單鍵鍵旋轉(zhuǎn)的角角度用ψ表示。但這兩個(gè)單單鍵的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)也受到主主鏈的酰胺胺氫和羰基基氧的障礙礙和α-碳碳原子上的的側(cè)鏈基團(tuán)團(tuán)的大小和和性質(zhì)的限限制。由于于Cα實(shí)際上處于于兩個(gè)剛性性平面的交交線上，所所以由Cα參與形成的的兩個(gè)扭角(φ和和ψ)決定了相鄰鄰兩個(gè)肽基基的相對(duì)位位置。多肽肽鏈主鏈的的構(gòu)象可用用每α-碳碳原子的一一對(duì)扭角來(lái)來(lái)描述。實(shí)驗(yàn)表明，，肽鏈中所所有肽基基基本上都有有相同的鍵鍵距和鍵角角，每個(gè)αα-碳原子子都是一個(gè)個(gè)正四面體體結(jié)構(gòu)。因因此，多肽鏈主鏈鏈的構(gòu)象是是由肽基上上與每個(gè)Cα相連的的兩個(gè)單鍵鍵的旋轉(zhuǎn)所所成的Φ角角和ψ角決決定的。在在多肽鏈中中，任何一一對(duì)扭角如如發(fā)生變化化，多肽鏈鏈主鏈的構(gòu)構(gòu)象必然發(fā)發(fā)生相應(yīng)的的變化，如如果所有與與Cα相連連的這一對(duì)對(duì)扭角都分分別相等，，則多肽鏈鏈主鏈呈現(xiàn)現(xiàn)為有規(guī)律律現(xiàn)象。當(dāng)多肽鏈處處在完全伸伸展?fàn)顟B(tài)時(shí)時(shí)，Φ角和和ψ角規(guī)定定為180°（圖2-20）。2.α-螺螺旋結(jié)構(gòu)是是有規(guī)律的的主鏈結(jié)構(gòu)構(gòu)α-螺旋(α-helix)是一種常常見(jiàn)和穩(wěn)定定的螺旋結(jié)結(jié)構(gòu)（圖2-21）。由于與每每個(gè)α-碳碳原子相連連的一對(duì)扭扭角在α-螺旋(αα-helix)結(jié)結(jié)構(gòu)中都分分別相等(Φ＝-57°,ψψ＝-47°)，因因此，α-螺旋是多多肽鏈主鏈鏈的一種有有規(guī)律的構(gòu)構(gòu)象，是蛋蛋白質(zhì)分子子中的普遍遍存在的一一種典型的的二級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)要素。在α-螺旋旋中，主鏈鏈氫鍵是穩(wěn)穩(wěn)定該結(jié)構(gòu)構(gòu)的主要因因素（圖2-21）。氫鍵是蛋白白質(zhì)二級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的的作用力。氫鍵是在多多肽鏈中第第n個(gè)殘基基的羰基氧氧與螺旋方方向的第n＋4個(gè)殘基的的酰胺氫之之間形成的的（圖2-22）。α-螺旋的的提出，首首先較好地地解釋了存存在于毛發(fā)發(fā)中的α-角蛋白(α-keratin)的結(jié)結(jié)構(gòu)特征（圖2-23）。α-螺旋構(gòu)構(gòu)象不僅存在于于象α-角角蛋白這樣樣的纖維蛋蛋白質(zhì)中，，而且在球狀蛋白白質(zhì)分子中中也廣泛存存在。3.β-折疊片片也是一種種有規(guī)律的的二級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)在蛋白質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)中,存存在兩種種不同的ββ-片，即即反平行的和和平行的二二種（圖2-24）。由于在每種種折疊形式式中,每每對(duì)扭角都都是分別相相等的,故故這兩種種結(jié)構(gòu)都是是有規(guī)律的的主鏈構(gòu)象象。在β-片中中,氫鍵鍵的形成出出現(xiàn)在相鄰鄰肽鏈之間間而不象αα-螺旋那那樣出現(xiàn)在在螺旋內(nèi)。β-片由于于有最適的的氫鍵結(jié)合合，與完全全伸展的肽肽鏈構(gòu)象不不同，β-片呈波紋紋狀（圖2-25），故此名。。絲心蛋白的X-射線線晶體衍射射分析表明明，其空間間結(jié)構(gòu)與αα-角蛋白白完全不同同，呈現(xiàn)為反平行的ββ-片狀（圖2-26a圖2-26b）。在絲心蛋蛋白的長(zhǎng)軸軸方向上具具有0.7nm的重重復(fù)距離，，所以絲心心蛋白的空空間結(jié)構(gòu)是是β-析疊疊式的。β-片在在球狀蛋蛋白質(zhì)分分子中也也廣泛存存在。4.β-轉(zhuǎn)角和和卷曲結(jié)結(jié)構(gòu)大多數(shù)蛋蛋白質(zhì)都都是球狀狀的。因因此，多多肽鏈必必須具有有彎曲、、轉(zhuǎn)角和和自然改改變方向向的能力力，以便便產(chǎn)生緊緊湊的球球狀結(jié)構(gòu)構(gòu)。在許許多蛋白白質(zhì)中都都可觀察察到一種種稱作β-轉(zhuǎn)角角(β-turnorβ–bend)的結(jié)結(jié)構(gòu)，它它是由4個(gè)連續(xù)續(xù)的氨基基酸殘基基組成（圖2-27））。有兩種主主要的ββ-轉(zhuǎn)角角，都是是通過(guò)一一個(gè)殘基基上的羰羰基氧與與肽鏈下下游的第第三位殘殘基上的的酰胺氫氫之間形形成氫鍵鍵，以此此穩(wěn)定這這種結(jié)構(gòu)構(gòu)。由于于β-轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角的存存在，就就允許蛋蛋白質(zhì)彎彎曲并倒倒轉(zhuǎn)它的的肽鏈方方向，脯氨酸和和甘氨酸酸是頻繁繁出現(xiàn)在在β-轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角中的的殘基。。卷曲結(jié)構(gòu)構(gòu)是一種難難以描述述的多肽肽鏈走向向，也存存在于球球狀蛋白白質(zhì)分子子中。三、球狀狀蛋白質(zhì)質(zhì)和三級(jí)級(jí)結(jié)構(gòu)球狀蛋白白質(zhì)近似似球形。。蛋白質(zhì)質(zhì)的三級(jí)級(jí)結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)和和四級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)通常常是針對(duì)對(duì)球狀蛋蛋白質(zhì)而而言。蛋白質(zhì)的的三級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)是指蛋白白質(zhì)分子子中的所所有原子子的三維維空間排排列，包包括它們們的二級(jí)級(jí)結(jié)構(gòu)要要素(如如α-螺螺旋和ββ-片)和它它們的側(cè)側(cè)鏈在空空間上的的相互關(guān)關(guān)系。1.三級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)的某些些特征：：1).球球狀蛋蛋白質(zhì)常常都含有有α-螺螺旋和ββ-折疊疊片兩種種基本要要素（圖2-28）2).側(cè)側(cè)鏈的的定位隨隨極性而而變化3).超超二級(jí)級(jí)結(jié)構(gòu)(supersecondarystructure)即基基元(motif)在許多蛋蛋白質(zhì)分分子中常常觀察到到二級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)要素素的某些些組合，，即超二級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)或稱稱為基元元。這些組組合有：：●βαβ基基元：兩個(gè)平行行的β鏈鏈由一個(gè)個(gè)α-螺螺旋右手手交聯(lián),為最常常見(jiàn)的一一種組合合（圖2-29））?！瘭?發(fā)夾夾基元：：由三條反反平行的的β鏈(或肽段段)組成成。●αα基元元：由二條連連續(xù)的反反平行的的α-螺螺旋構(gòu)成成?！瘭?桶式式(β-barrel)基基元：由連續(xù)的的β-片片卷筑而而成(有有三種不不同的形形式)。。4).結(jié)結(jié)構(gòu)域域(domain)分子較大大的多肽肽鏈常折折疊成兩兩個(gè)或多多個(gè)球狀狀簇，這這種球狀狀簇叫做做域或結(jié)結(jié)構(gòu)域。。大多數(shù)數(shù)域由100--200個(gè)氨氨基酸殘殘基構(gòu)成成。平均均直徑約約2.5nm。。結(jié)結(jié)構(gòu)域常常具特殊殊功能，，例如，，結(jié)合小小分子(3-磷磷酸甘油油醛脫氫氫酶同NAD的的結(jié)合屬屬于這種種情況)（圖2-30）。2.蛋白質(zhì)空間構(gòu)構(gòu)象穩(wěn)定的因因素蛋白質(zhì)多肽鏈鏈在生理?xiàng)l件件下折疊形成成特定的空間間構(gòu)象顯然是是熱力學(xué)上一一種有利的過(guò)過(guò)程，是各種種作用力相互互作用、精巧巧平衡的結(jié)果果?！x子相互作用用：蛋白質(zhì)分分子的相反電電荷基團(tuán)的結(jié)結(jié)合稱為鹽鍵鍵或離子鍵(離子對(duì))（圖2-31）?！鴼滏I:氫鍵是一種由由弱酸性的供體體基團(tuán)(D-H)和一個(gè)個(gè)具獨(dú)電子的的原子(A)之間形成的的最顯著的靜靜電作用力。。蛋白質(zhì)具有眾眾多的氫鍵供供體和受體，，包括主鏈上上的羰基和酰酰胺基及極性性側(cè)鏈基團(tuán)。?！紭O與偶極間間的相互作用用:在電中性分子子之間的非共共價(jià)結(jié)合統(tǒng)稱稱為范德華力力。這種種力力產(chǎn)產(chǎn)生生于于永永久久的的或或誘誘導(dǎo)導(dǎo)的的偶偶極極之之間間的的靜靜電電相相互互作作用用。。偶偶極極與與偶偶極極間間的的相相互互作作用用包包括括永永久久偶偶極極間間的的相相互互作作用用、、永永久久偶偶極極與與誘誘導(dǎo)導(dǎo)偶偶極極間間的的作作用用和和瞬瞬時(shí)時(shí)偶偶極極間間的的作作用用（圖圖2-32））?！杷髯饔糜?疏水水作作用用是是由由于于蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)多多肽肽鏈鏈的的疏疏水水殘殘基基具具有有避避開(kāi)開(kāi)水水的的傾傾向向、、彼彼此此在在分分子子內(nèi)內(nèi)聚聚集集所所產(chǎn)產(chǎn)生生的的作作用用力力（圖圖2-33））。這種種力力是是維維持持蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)分分子子穩(wěn)穩(wěn)定定的的主主要要的的作作用用力力。?！蛄蜴I鍵:二硫硫鍵鍵是是某某些些蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)維維持持結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)穩(wěn)穩(wěn)定定性性的的主主要要因因素素，，由由兩兩個(gè)個(gè)Cys的側(cè)側(cè)鏈鏈-SH氧化化而而成成（圖圖2-31））。四、、寡寡聚聚蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)(oligomericprotein)和四四級(jí)級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)1.四級(jí)級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)研研究究的的內(nèi)內(nèi)容容：：生物物體體內(nèi)內(nèi)的的許許多多蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)都都含含有有兩兩個(gè)個(gè)或或多多個(gè)個(gè)折折疊疊的的多多肽肽鏈鏈，，它它們們彼彼此此聚聚集集，，構(gòu)構(gòu)成成一一個(gè)個(gè)完完整整的的、、有有功功能能的的實(shí)實(shí)體體，，這這種種蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)稱稱寡聚聚蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)。在寡寡聚聚蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)中中，，每每一一條條折折疊疊的的多多肽肽鏈鏈稱稱為為亞基基(subunit),亞基基可可相相同同也也可可不不同同，，取取決決于于寡寡聚聚蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的亞亞基基組組成成。。由于于寡寡聚聚蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)是是由由多多個(gè)個(gè)亞亞基基組組成成，，每每個(gè)個(gè)亞亞基基有有其其本本身身的的折折疊疊結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)(三級(jí)級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu))，所所以以研究究寡寡聚聚蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)中中亞亞基基的的數(shù)數(shù)目目和和亞亞基基間間的的相相互互關(guān)關(guān)系系(即它它們們的的空空間間位位置置)就構(gòu)構(gòu)成成了了寡寡聚聚蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)四四級(jí)級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的內(nèi)內(nèi)容容。。在寡寡聚聚蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)中中，，穩(wěn)穩(wěn)定定亞亞基基間間相相互互關(guān)關(guān)系系的的作作用用力力與與維維持持蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)三三級(jí)級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)的的作作用用力力相相同同，，即即亞基基間間的的離離子子鍵鍵、、氫氫鍵鍵和和疏疏水水作作用用力力。。在研研究究寡寡聚聚體體蛋蛋白白質(zhì)質(zhì)的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)中中，，有有時(shí)時(shí)使使用用原體(protomer)這一名名稱。。原體體可由由一條條肽鏈鏈(一一個(gè)亞亞基)構(gòu)成成,也也可以以由幾幾條不不同的的肽鏈鏈(幾幾個(gè)不不同的的亞基基)構(gòu)構(gòu)成.例如如血紅紅蛋白白是由由二個(gè)個(gè)α-亞基基和二二個(gè)ββ-亞亞基構(gòu)構(gòu)成的的四聚聚體(α2β2)。在在血紅紅蛋白白中，，一個(gè)個(gè)α-亞基基和一一個(gè)ββ-亞亞基組組合成成一個(gè)個(gè)原體體。在在這個(gè)個(gè)意義義上說(shuō)說(shuō)，血血紅蛋蛋白是是由二二個(gè)原原體構(gòu)構(gòu)成的的一種種二聚聚體。。2.寡寡聚聚體蛋蛋白質(zhì)質(zhì)亞基基的對(duì)對(duì)稱性性：在寡聚聚體蛋蛋白質(zhì)質(zhì)中，，雖然然每個(gè)個(gè)亞基基本身身是不不對(duì)稱稱的，，但是是，整整個(gè)寡寡聚體體的四四級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)卻卻是對(duì)對(duì)稱的的，即即原體體(或或亞基基)在在幾何何學(xué)上上占據(jù)據(jù)寡聚聚體對(duì)對(duì)等的的位置置。但是，，蛋白白質(zhì)不不可能能倒置置或鏡鏡像對(duì)對(duì)稱，，因?yàn)闉檫@樣樣一種種對(duì)稱稱結(jié)合合把手手性L-殘殘基轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變成成D-殘基基。因此，，蛋白白質(zhì)只只有旋旋轉(zhuǎn)對(duì)對(duì)稱(rotationalsymmetry)這樣樣一種種類型型的對(duì)對(duì)稱方方式（圖2-34））。3.亞亞基基組成成測(cè)定定4.寡寡聚聚體蛋蛋白質(zhì)質(zhì)存在在的意意義☆增高蛋蛋白質(zhì)質(zhì)的穩(wěn)穩(wěn)定性性.亞基結(jié)結(jié)合的的一個(gè)個(gè)普遍遍性的的好處處是有有利于于減少少蛋白白質(zhì)表表面積積/體體積比比。表面積積/體體積比比越小小，那那么一一個(gè)物物體的的半徑徑就越越大。。因?yàn)閷?duì)對(duì)于球球形物物體來(lái)來(lái)說(shuō)，，表面面積是是半徑徑平方方的函函數(shù)，，體積積是半半徑立立方的的函數(shù)數(shù)：表面積積＝＝4πr2；體積積＝＝4/3πr3；表面面積/體積積＝＝3/r.由于在在一個(gè)個(gè)蛋白白質(zhì)范范圍內(nèi)內(nèi)的相相互作作用通通常在在能量量上是是有利利于蛋蛋白質(zhì)質(zhì)的穩(wěn)穩(wěn)定,由由于蛋蛋白質(zhì)質(zhì)表面面與溶溶劑水水的相相互作作用往往往在在能量量上是是不利利的，，因此在在通常常的情情況下下，減少表表面積積/體體積的的比例例將會(huì)會(huì)使蛋蛋白質(zhì)質(zhì)變得得更加加穩(wěn)定定?！钸z傳上上的經(jīng)經(jīng)濟(jì)性性和有有效性性.蛋白質(zhì)質(zhì)單體體的寡寡聚結(jié)結(jié)合對(duì)對(duì)一種種生物物來(lái)說(shuō)說(shuō)，在在遺傳傳上是是經(jīng)濟(jì)濟(jì)的。。編碼一一個(gè)能能裝配配成同同聚多多體的的單體體所需需要的的DNA片片段比比編碼碼一條條與該該同聚聚多肽肽具同同樣分分子量量的大大多肽肽所需需的DNA片段段小許許多。。實(shí)際上上，決決定寡寡聚體體的裝裝配以以及亞亞基-亞基基的相相互作作用的的全部部信息息都包包含在在編碼碼單體體所需需的遺遺傳物物質(zhì)中中。例如HIV(人人類免免疫缺缺陷性性病毒毒)蛋蛋白酶酶是由相相同亞亞基構(gòu)構(gòu)成的的一種種二聚聚體蛋蛋白質(zhì)質(zhì)，它它履行行與同同源細(xì)細(xì)胞的的酶相相似的的功能能(即即都能能催化化蛋白白質(zhì)的的水解解)，，但是是HIV蛋蛋白酶酶的分分子量量只是是那些些由單單一肽肽鏈構(gòu)構(gòu)成的的酶的的一半半?！顓f(xié)同性性.這這是是寡聚聚體蛋蛋白(包括括寡聚聚體酶酶)的的一個(gè)個(gè)重要要的性性質(zhì)。。這方方面的的相關(guān)關(guān)例子子在后后續(xù)有有關(guān)章章節(jié)中中將會(huì)會(huì)涉及及到。?！顓R聚酶酶的活活性部部位.許多酶酶的催催化效效力來(lái)來(lái)自單單個(gè)亞亞基的的寡聚聚結(jié)合合。單單體也也許不不能構(gòu)構(gòu)成完完整的的活性性部位位，寡寡聚體體的形形成可可能使使所有有必需需的催催化基基團(tuán)匯匯聚形形成酶酶的活活性部部位。。例如，，細(xì)菌菌谷氨氨酰胺胺合成成酶的的活性性部位位就是是由相相鄰亞亞基對(duì)對(duì)構(gòu)成成的，，解離離的單單體是是無(wú)活活性的的?！罟丫垠w體酶的的不同同亞基基也許許執(zhí)行行不同同但相相關(guān)連連的反反應(yīng)。。例如色色氨酸合合酶是是一種種由兩兩種亞亞基構(gòu)構(gòu)成的的四聚聚體蛋蛋白(α2β2)，純純粹的α-亞亞基催化下下面的的反應(yīng)應(yīng)：吲哚甘甘油磷磷酸←←→→吲吲哚哚＋＋甘甘油醛醛-3-磷磷酸而純粹的β-亞亞基催化的的反應(yīng)應(yīng)是:吲哚＋＋L-絲氨氨酸←←→L-色氨氨酸吲哚既既是αα-亞亞基的的產(chǎn)物物，又又是ββ-亞亞基的的底物物，它它直接接從αα-亞亞基進(jìn)進(jìn)入到到β-亞基基，當(dāng)當(dāng)它作作為一一個(gè)游游離的的中間間物時(shí)時(shí)，是是不可可能檢檢測(cè)到到的。。五、蛋蛋白質(zhì)質(zhì)的變變性(denaturation)天然蛋蛋白質(zhì)質(zhì)在構(gòu)構(gòu)象上上的亞亞穩(wěn)定定性的的，很很容易易受到到許多多不利利因素素的影影響而而破壞壞其結(jié)結(jié)構(gòu)。。當(dāng)?shù)暗鞍踪|(zhì)質(zhì)加熱熱變性性時(shí)，，其構(gòu)