生物化學(xué)緒論

Biochemistry生物化學(xué)緒論Biochemistry:Neuberg,1903Chemistryoflife運(yùn)用化學(xué)和物理學(xué)及生物學(xué)原理和技術(shù)，主要是化學(xué)原理來研究生命現(xiàn)象的學(xué)科。生物化學(xué)研究的最終目的是在分子水平揭示生命活動(dòng)的本質(zhì)，以及致病機(jī)制和治療原理。生物化學(xué)的內(nèi)容1.敘述生化：組成與結(jié)構(gòu)2.動(dòng)態(tài)生化：代謝與調(diào)控3.功能生化：結(jié)構(gòu)與功能參考書NelsonDL,LehningerPrinciplesofBiochemistryStryerL.,BiochemistryVoetandVoet,BiochemistrySimmonsWH,PrinciplesofMedicalBiochemistryHarper’sBiochemistry氨基酸第一章AminoAcids蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單體是氨基酸核酸的基本結(jié)構(gòu)單體是核苷酸生物大分子蛋白質(zhì)、核酸都是由基本結(jié)構(gòu)單位組成的多聚體（polymer）；可形成聚合體的基本結(jié)構(gòu)單位稱為單體（monomer）。氨基酸的結(jié)構(gòu)與功能TheStructureandFunctionofAminoAcids一、構(gòu)成人體蛋白質(zhì)氨基酸均為L(zhǎng)--氨基酸雖然存在于自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均屬L-

-氨基酸（除甘氨酸外）。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R氨基酸分類按R-基團(tuán)結(jié)構(gòu)分按R-基團(tuán)極性分中性氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸脂肪族氨基酸芳香族氨基酸(1)側(cè)鏈含烴鏈的氨基酸屬于非極性脂肪族氨基酸二、氨基酸的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)決定其功能包括丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸和脯氨酸。此類氨基酸在水溶液中溶解度小。（一）氨基酸的差異在于側(cè)鏈結(jié)構(gòu)-R基團(tuán)(2)中性氨基酸有甘氨酸、絲氨酸、半胱氨酸、甲硫氨酸、蘇氨酸、天冬酰胺和谷氨酰胺。(3)側(cè)鏈含芳香基團(tuán)的氨基酸是芳香族氨基酸此類氨基酸有苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸，其側(cè)鏈分別有苯基、酚基和吲哚基。TrpTyr(4)側(cè)鏈含負(fù)性解離基團(tuán)的氨基酸是酸性氨基酸此類氨基酸有天冬氨酸、谷氨酸，其側(cè)鏈都含有羧基，均可解離而帶負(fù)電荷。(5)側(cè)鏈含正性解離基團(tuán)的氨基酸屬于堿性氨基酸此類氨基酸有賴氨酸、精氨酸和組氨酸，其側(cè)鏈分別含有氨基、胍基和咪唑基，均可發(fā)生質(zhì)子化，使之帶正電荷。氨基酸分類（五）幾種特殊氨基酸

脯氨酸（亞氨基酸）

半胱氨酸+胱氨酸二硫鍵-HH（二）-R基團(tuán)賦予氨基酸不同的極性蛋白質(zhì)中的L--氨基酸依據(jù)極性的分類類別主要氨基酸非極性脂肪族氨基酸丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸芳香族氨基酸苯丙氨酸亞氨基酸脯氨酸極性中性氨基酸甘氨酸、絲氨酸、半胱氨酸、蘇氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、酪氨酸、色氨酸酸性氨基酸天冬氨酸、谷氨酸堿性氨基酸賴氨酸、精氨酸、組氨酸重要的L--氨基酸的主要功能特點(diǎn)名稱結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)半胱氨酸氧化狀態(tài)下，多肽鏈中不相鄰的兩個(gè)半胱氨酸通過二硫鍵相連，增強(qiáng)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；巰基易與重金屬離子結(jié)合天冬氨酸、谷氨酸攜帶強(qiáng)負(fù)電荷，常位于水溶性蛋白的表面；可結(jié)合帶正電荷的分子或金屬離子苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸側(cè)鏈結(jié)構(gòu)大且極性較弱或無極性，常位于水溶性蛋白的內(nèi)部甘氨酸是唯一不存在不對(duì)稱立體結(jié)構(gòu)的氨基酸，有較大的旋轉(zhuǎn)自由度，賦予多肽鏈更多的柔性；是最小的氨基酸，能夠存在于空間致密的蛋白質(zhì)中，如膠原組氨酸咪唑基團(tuán)容易發(fā)生質(zhì)子化，進(jìn)而影響其所在的蛋白質(zhì)構(gòu)象，因此是許多蛋白質(zhì)功能的調(diào)節(jié)機(jī)制異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸均含有較大的疏水側(cè)鏈，其剛性結(jié)構(gòu)特征及疏水相互作用都對(duì)蛋白折疊有重要的影響力，常作為水溶性蛋白的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)賴氨酸、精氨酸有帶正電荷的柔性側(cè)鏈，常作為蛋白的親水表面，且易于結(jié)合帶有負(fù)電荷的其他分子，如DNA甲硫氨酸是多肽鏈生物合成的起始氨基酸；參與體內(nèi)含硫化合物代謝及甲基化反應(yīng)脯氨酸N原子在雜環(huán)中移動(dòng)的自由度受到限制，常位于多肽鏈的轉(zhuǎn)角處絲氨酸、蘇氨酸側(cè)鏈短，所含羥基常作為酶反應(yīng)中的供氫體；親水性強(qiáng)，位于水溶性蛋白表面（三）氨基酸-R基團(tuán)直接影響多肽鏈結(jié)構(gòu)（四）氨基酸的側(cè)鏈可有其他化學(xué)基團(tuán)修飾體內(nèi)常見的蛋白質(zhì)翻譯后發(fā)生化學(xué)修飾的氨基酸殘基常見的化學(xué)修飾種類發(fā)生修飾的主要氨基酸殘基磷酸化絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸N-糖基化天冬酰胺O-糖基化絲氨酸、蘇氨酸羥基化脯氨酸賴氨酸甲基化賴氨酸、精氨酸、組氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、谷氨酸乙?；嚢彼?、絲氨酸硒化半胱氨酸三、氨基酸及其衍生物具有除形成多肽鏈外的多種重要功能組成蛋白質(zhì)的氨基酸的其他功能及重要衍生物舉例氨基酸名稱重要功能及衍生物甘氨酸神經(jīng)遞質(zhì)；參加體內(nèi)嘌呤類、卟啉類和肌酸的合成谷氨酸神經(jīng)遞質(zhì)；其-脫羧產(chǎn)物γ-氨基丁酸亦是重要的神經(jīng)遞質(zhì)色氨酸轉(zhuǎn)化生成重要的神經(jīng)遞質(zhì)5–羥色胺精氨酸產(chǎn)生重要的信號(hào)物質(zhì)一氧化氮（NO）；參加合成尿素的鳥氨酸循環(huán)甲硫氨酸為體內(nèi)的毒物或藥物甲基化代謝提供甲基，起到解毒的作用天冬氨酸神經(jīng)遞質(zhì)；三羧酸循環(huán)中的重要成分；參加合成尿素的鳥氨酸循環(huán)酪氨酸黑色素組氨酸脫羧形成的組胺具有血管舒張作用，并參與多種變態(tài)反應(yīng)非蛋白質(zhì)組成氨基酸及其衍生物功能舉例氨基酸名稱功能瓜氨酸、鳥氨酸參加體內(nèi)尿素合成同型半胱氨酸轉(zhuǎn)甲基作用的產(chǎn)物β-丙氨酸泛酸（一種維生素）的成分之一L-肉毒堿化學(xué)結(jié)構(gòu)為L(zhǎng)-β-羥--三甲胺丁酸，參加脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)四、氨基酸的理化性質(zhì)是其分離和鑒定的依據(jù)（一）氨基酸具有兩性離子特征由于所有氨基酸都含有可解離的-氨基和-羧基，因此，氨基酸溶解在水中是一種偶極離子（dipolarion），又稱兩性離子（zwitterion）。其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢(shì)及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時(shí)溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點(diǎn)。等電點(diǎn)(isoelectricpoint,pI)pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性離子陽離子陰離子氨基酸具有特征性的滴定曲線甘氨酸滴定曲線+NH3CH2COO-NH2CH2COO-+NH3CH2COOH+NH3CH2COO-（二）氨基酸的化學(xué)反應(yīng)特性決定其體內(nèi)功能

一個(gè)氨基酸的羧基可與另一個(gè)氨基酸的氨基反應(yīng)成肽，形成共價(jià)的肽鍵。通過連續(xù)的肽鍵，許多氨基酸即可聚合成多肽或蛋白質(zhì)分子-氨基參與體內(nèi)多種化學(xué)反應(yīng)。氨基酸的-氨基能與醛類化合物生成弱堿，稱為Schiff堿，這是體內(nèi)氨基酸轉(zhuǎn)氨基作用的中間代謝物體內(nèi)氨基酸化學(xué)反應(yīng)（三）可利用氨基酸理化特性對(duì)其進(jìn)行定性定量分析氨基酸與茚三酮試劑發(fā)生呈色反應(yīng)氨基酸與2，4-二硝基氟苯反應(yīng)生成二硝基苯基氨基酸氨基酸與亞硝酸反應(yīng)生成氮?dú)夂曹楇p鍵的氨基酸具有紫外吸收性質(zhì)薄層層析是鑒定氨基酸及其修飾的經(jīng)典方法含共軛雙鍵的氨基酸具有紫外吸收性質(zhì)色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm

附近。大多數(shù)蛋白質(zhì)含有這兩種氨基酸殘基，所以測(cè)定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡(jiǎn)便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收（四）氨基酸定量定性分析已進(jìn)入自動(dòng)化時(shí)代隨著毛細(xì)管電泳（capillaryelectrophoresis，CE；液相層析（liquidchromatography,LC）自動(dòng)化及質(zhì)譜（massspectrometry，MS）技術(shù)的發(fā)展，目前氨基酸的檢測(cè)分析可以在自動(dòng)分析儀器中快速完成。多肽與蛋白質(zhì)第二章PeptidesandProteins

1833年，Payen和Persoz分離出淀粉酶。1864年，Hoppe-Seyler從血液分離出血紅蛋白，并將其制成結(jié)晶。19世紀(jì)末，F(xiàn)ischer證明蛋白質(zhì)是由氨基酸組成的，并將氨基酸合成了多種短肽

。1938年，德國(guó)化學(xué)家GerardusJ.Mulder引用“Protein”一詞來描述蛋白質(zhì)。

1951年,Pauling采用X（射）線晶體衍射發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)——α-螺旋(α-helix)。

1953年，F(xiàn)rederickSanger完成胰島素一級(jí)序列測(cè)定。1962年，JohnKendrew和MaxPerutz確定了血紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu)。20世紀(jì)90年代以后，后基因組計(jì)劃。什么是蛋白質(zhì)?蛋白質(zhì)（protein）是由許多氨基酸（aminoacids）通過肽鍵（peptidebond）相連形成的高分子含氮化合物。分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細(xì)胞的各個(gè)部分都含有蛋白質(zhì)。含量高：蛋白質(zhì)是細(xì)胞內(nèi)最豐富的有機(jī)分子，占人體干重的45％，某些組織含量更高，例如脾、肺及橫紋肌等高達(dá)80％。蛋白質(zhì)的生物學(xué)重要性1.蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分1）作為生物催化劑（酶）2）代謝調(diào)節(jié)作用3）免疫保護(hù)作用4）物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲(chǔ)5）運(yùn)動(dòng)與支持作用6）參與細(xì)胞間信息傳遞2.蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能3.氧化供能肽和蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)第一節(jié)PrimaryStructureofPeptidesandProteins

（一）氨基酸通過肽鍵相連形成肽/蛋白質(zhì)、肽和蛋白質(zhì)是由氨基酸組成的多聚體肽鍵是由一個(gè)氨基酸的-羧基與另一個(gè)氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的化學(xué)鍵。氨基酸通過肽鍵(peptidebond)

相互連接而形成多肽和蛋白質(zhì)。肽/蛋白質(zhì)分子中的氨基酸通過脫水生成的共價(jià)鍵被稱為肽鍵(peptidebond)，肽鍵是一種酰胺鍵，具有部分雙鍵的性質(zhì)。*一分子氨基酸與另一分子氨基酸脫去一分子水縮合成二肽。

*二肽通過肽鍵與另一分子氨基酸縮合生成三肽

……*一般來說，由數(shù)個(gè)、十?dāng)?shù)個(gè)氨基酸組成的肽習(xí)慣稱為寡肽(oligopeptide)，而很多氨基酸組成的肽稱為多肽（polypeptide）。通常，多肽分子質(zhì)量<10kD；而蛋白質(zhì)則是由一條或多條肽鏈組成的更大分子，但兩者經(jīng)常通用。

肽鏈中的氨基酸分子因脫水縮合而基團(tuán)不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。

氨基末端（aminoterminal）或N末端：多肽鏈中有游離氨基的一端稱氨基末端(aminoterminal)或N-端。羧基末端（carboxylterminal）或C末端：多肽鏈中有游離羧基的一端稱為羧基末端(carboxylterminal)或C-端。

多肽鏈具有方向性：多肽鏈從氨基末端走向羧基末端。N末端C末端牛核糖核酸酶+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵肽是根據(jù)由N-端至C-端參與其組成的氨基酸殘基命名的

（二）體內(nèi)存在多種重要的生物活性肽

1.谷胱甘肽是體內(nèi)重要的還原劑

谷胱甘肽(glutathione,GSH)GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSGGSH還原酶NADPH+H+NADP+2.體內(nèi)有許多激素屬寡肽或多肽3.神經(jīng)肽是腦內(nèi)一類重要的肽

在神經(jīng)傳導(dǎo)過程中起重要作用的肽類稱為神經(jīng)肽(neuropeptide)。較早發(fā)現(xiàn)的有腦啡肽(5肽)、β-內(nèi)啡肽(31肽)和強(qiáng)啡肽(17肽)等。近年發(fā)現(xiàn)的孤啡肽(17肽)，其一級(jí)結(jié)構(gòu)類似于強(qiáng)啡肽。組成蛋白質(zhì)的元素：主要有C、H、O、N和S。有些蛋白質(zhì)含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬，個(gè)別蛋白質(zhì)還含有碘

。二、蛋白質(zhì)的分子組成和結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜

各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16％。由于體內(nèi)的含氮物質(zhì)以蛋白質(zhì)為主，因此，只要測(cè)定生物樣品中的含氮量，就可以根據(jù)以下公式推算出蛋白質(zhì)的大致含量：100克樣品中蛋白質(zhì)的含量(g%)=每克樣品含氮克數(shù)×6.25×1001/16%蛋白質(zhì)元素組成的特點(diǎn)：(一)蛋白質(zhì)的分子組成與結(jié)構(gòu)特征是其分類的基礎(chǔ)1.蛋白質(zhì)根據(jù)分子組成分為單純蛋白質(zhì)和結(jié)合蛋白質(zhì)兩類：?jiǎn)渭兊鞍踪|(zhì)（simpleprotein）結(jié)合蛋白質(zhì)=蛋白質(zhì)部分+非蛋白質(zhì)部分（conjugatedprotein）輔基（prostheticgroup）分類輔基舉例脂蛋白脂類血漿脂蛋白（VLDL、LDL、HDL等）糖蛋白糖基或糖鏈膠原蛋白、纖連蛋白等核蛋白核酸核糖體磷蛋白磷酸基團(tuán)酪蛋白（casein）血紅素蛋白血紅素（鐵卟啉）血紅蛋白、細(xì)胞色素c黃素蛋白黃素核苷酸（FAD、FMN）琥珀酸脫氫酶金屬蛋白鐵鐵蛋白鋅乙醇脫氫酶鈣鈣調(diào)蛋白錳丙酮酸羧化酶銅細(xì)胞色素氧化酶結(jié)合蛋白質(zhì)及其輔基3.蛋白質(zhì)根據(jù)其形狀分為纖維狀蛋白質(zhì)和球狀蛋白質(zhì)兩類

，可分為：纖維狀蛋白質(zhì)球狀蛋白質(zhì)2.蛋白質(zhì)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類

，可分為：超家族（superfamily）家族（family）亞家族（subfamily）(二)蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)可區(qū)分為4個(gè)層次高級(jí)結(jié)構(gòu)或空間構(gòu)象(conformation)一級(jí)結(jié)構(gòu)(primarystructure)二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondarystructure)三級(jí)結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)四級(jí)結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)三、氨基酸殘基的排列順序決定蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)肽鍵（主要化學(xué)鍵）二硫鍵蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)(primarystructure)是指蛋白質(zhì)分子中，從N端到C端的氨基酸排列順序。形成一級(jí)結(jié)構(gòu)的化學(xué)鍵：O-C-N-0.132nmH-C=N-0.127nm-C-N-0.149nmCN鍵長(zhǎng)比較:肽鍵性質(zhì)：1，剛性，不可旋轉(zhuǎn)2，反式排列3，處于同一平面上，與前后-C構(gòu)成肽單元

牛胰島素的空間結(jié)構(gòu)二硫鍵四、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)比對(duì)可用于同源蛋白質(zhì)分析蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)（氨基酸序列）比對(duì)常被用來預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)之間結(jié)構(gòu)與功能的相似性。序列比對(duì)方法（sequence-comparisonmethod）關(guān)鍵在于將2個(gè)序列準(zhǔn)確地對(duì)齊，使之達(dá)到相同序列最大化，插入或刪除序列最小化的目的，然后計(jì)算相同的氨基酸數(shù)。同源蛋白質(zhì)僅指同一基因進(jìn)化而來的蛋白質(zhì)。

序列相似但非進(jìn)化相關(guān)的2個(gè)蛋白質(zhì)的序列，常被稱為相似（analogy）序列。一級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)，但不是決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的唯一因素。？

第二節(jié)

肽、蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)ThreeDimentionalStructureofPeptidesandProteins蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondarystructure)是指組成蛋白質(zhì)的肽鏈的主鏈的空間結(jié)構(gòu)，也就是肽鏈主鏈骨架原子的相對(duì)空間位置，不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象。一、多肽鏈中的局部特殊構(gòu)象是蛋白質(zhì)

的二級(jí)結(jié)構(gòu)

肽鏈主鏈骨架原子包括N（氨基氮）、Cα（α-碳原子）和CO（羰基碳）3個(gè)原子依次重復(fù)排列。

-螺旋(-helix)

-折疊(-pleatedsheet)Ω-環(huán)

-轉(zhuǎn)角(-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)

蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式：維系二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要化學(xué)鍵：氫鍵（一）肽鍵是一個(gè)剛性的平面參與肽鍵的6個(gè)原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所處的位置為反式(trans)構(gòu)型，此同一平面上的6個(gè)原子構(gòu)成了所謂的肽單元

(peptideunit)

。（二）-螺旋是常見的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)α-螺旋結(jié)構(gòu)要點(diǎn)連續(xù)排列的肽單元平面旋轉(zhuǎn)形成面螺旋右手螺旋酰胺平面與螺旋的長(zhǎng)軸平行一個(gè)AA0.15nm,每3.6個(gè)為一圈(0.54nm)螺旋借助相鄰兩圈之-NHCO-穩(wěn)定AA的側(cè)鏈伸向螺旋外側(cè)AA的大小和電荷可以影響螺旋的形成α-螺旋常位于蛋白質(zhì)分子表面，親水性較好存在兩性螺旋存在于血漿脂蛋白、多肽激素、蛋白激酶、肌紅蛋白、血紅蛋白等球狀蛋白中毛發(fā)中的角蛋白、肌肉的肌球蛋白、纖維蛋白幾乎都是（三）-折疊使多肽鏈形成片層結(jié)構(gòu)β-折疊較為伸展,酰胺平面以鋸齒狀排列兩個(gè)片段可以是平行或反平行AA間距平行0.65nm

反平行0.70nm只有片段間氫鍵,無片段內(nèi)氫鍵AA的側(cè)鏈伸向鋸齒狀結(jié)構(gòu)的外側(cè)小側(cè)鏈的AA有利于β-折疊的生成蠶絲蛋白都是β-折疊（四）-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲在蛋白質(zhì)分子中普遍存在-轉(zhuǎn)角無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結(jié)構(gòu)。（五）模體是蛋白質(zhì)的超二級(jí)結(jié)構(gòu)在許多蛋白質(zhì)分子中，由幾個(gè)具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近、相互作用，所形成的折疊模樣，稱為超二級(jí)結(jié)構(gòu)（supersecondarystructure），又稱折疊（fold）或模體（motif）。模體(motif)：數(shù)個(gè)至數(shù)十個(gè)AA組成的具有自身相對(duì)獨(dú)立構(gòu)象和功能的小區(qū)域，模體可構(gòu)成結(jié)構(gòu)域，也可獨(dú)立存在。細(xì)胞色素C的αα結(jié)構(gòu)細(xì)胞核抗原的βαβ結(jié)構(gòu)

纖溶酶原的ββ結(jié)構(gòu)超二級(jí)結(jié)構(gòu)形式有3種：αα，βαβ，ββ

鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體

鋅指結(jié)構(gòu)(zincfinger)α-螺旋-β轉(zhuǎn)角（或環(huán)）-α-螺旋模體鏈-β轉(zhuǎn)角-鏈模體鏈-β轉(zhuǎn)角-α-螺旋-β轉(zhuǎn)角-鏈模體模體常見的形式鋅指結(jié)構(gòu)zincfingerDNA結(jié)合蛋白β折疊-β折疊-α-螺旋模體（六）氨基酸殘基的側(cè)鏈可影響二級(jí)結(jié)構(gòu)的形成蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)是以一級(jí)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。一段肽鏈其氨基酸殘基的側(cè)鏈適合形成-螺旋或β-折疊，它就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。這是氨基酸殘基的側(cè)鏈的相互作用可穩(wěn)定或去穩(wěn)定相應(yīng)的二級(jí)結(jié)構(gòu)的原因。一段肽鏈有多個(gè)谷氨酸或天冬氨酸殘基相鄰，則在pH7.0時(shí)，這些殘基的游離羧基都帶負(fù)電荷，彼此相斥，妨礙α-螺旋的形成。同樣，多個(gè)堿性氨基酸殘基在一肽段內(nèi)，由于正電荷相斥，也妨礙α-螺旋的形成。天冬酰胺、亮氨酸的側(cè)鏈很大，也會(huì)影響α-螺旋形成。脯氨酸的結(jié)構(gòu)不利于形成α-螺旋。形成β-折疊的肽段要求氨基酸殘基的側(cè)鏈較小，才能容許兩條肽段彼此靠近。電性：同性相斥R性質(zhì)：立體障礙Pro：亞氨基無氫，環(huán)改變走向二、多肽鏈在二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步折疊形成蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對(duì)空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置，包括一級(jí)結(jié)構(gòu)中相距甚遠(yuǎn)的肽段的空間位置關(guān)系。（一）三級(jí)結(jié)構(gòu)是指整條多肽鏈的空間分布

肌紅蛋白(Mb)myoglobin153AA1HemeA~H八段α-螺旋無-S-S-鍵功能：儲(chǔ)存O2(二)

維持三級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定主要依靠非共價(jià)鍵蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定主要靠弱的相互作用力或稱非共價(jià)鍵、次級(jí)鍵，主要有氫鍵、范德華力（VanderWaalsforce）、疏水作用（hydrophobicinteractin）和鹽鍵（saltingbond）（又稱離子鍵）等。a纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域（三）三級(jí)結(jié)構(gòu)可含有功能各異的結(jié)構(gòu)域在二級(jí)結(jié)構(gòu)或超二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，多肽鏈可形成在三級(jí)結(jié)構(gòu)層次上的局部折疊區(qū)，稱為結(jié)構(gòu)域(domain)。

（四）根據(jù)結(jié)構(gòu)域可對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)行分類：根據(jù)結(jié)構(gòu)域可將球狀蛋白質(zhì)分為4類：反平行α螺旋結(jié)構(gòu)域（全α-結(jié)構(gòu)）平行或混合型β折疊片結(jié)構(gòu)域（α，β-結(jié)構(gòu)）反平行β折疊片結(jié)構(gòu)域(全β-結(jié)構(gòu))富含金屬或二硫鍵結(jié)構(gòu)域（不規(guī)則小蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)）A.全α-結(jié)構(gòu)域B.平行或混合型β折疊片結(jié)構(gòu)域C.全β-結(jié)構(gòu)域D.富含二硫鍵結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu)域(domain)3-磷酸甘油醛脫氫酶NAD+3-磷酸甘油醛（五）分子伴侶參與蛋白質(zhì)的折疊分子伴侶(chaperon)通過提供一個(gè)保護(hù)環(huán)境從而加速蛋白質(zhì)折疊成天然構(gòu)象或形成四級(jí)結(jié)構(gòu)。*分子伴侶可逆地與未折疊肽段的疏水部分結(jié)合隨后松開，如此重復(fù)進(jìn)行可防止錯(cuò)誤的聚集發(fā)生，使肽鏈正確折疊。*分子伴侶也可與錯(cuò)誤聚集的肽段結(jié)合，使之解聚后，再誘導(dǎo)其正確折疊。*分子伴侶在蛋白質(zhì)分子折疊過程中二硫鍵的正確形成起了重要的作用。目前已知參與蛋白質(zhì)折疊的分子伴侶可分為3類：熱激蛋白70(Hsp70)：Hsp70在真核和原核生物中高度保守，它可部分逆轉(zhuǎn)變性或聚集的蛋白質(zhì)。伴侶蛋白(chaperonin)：伴侶蛋白普遍存在于細(xì)菌、線粒體、葉綠體和真核生物，主要有2個(gè)家族：Hsp60（在大腸桿菌中又稱為GroEL）和Hsp10。

核質(zhì)蛋白(nucleoplasmin)

：是一種主要的細(xì)胞核可溶性蛋白質(zhì),在真核生物的生殖細(xì)胞及體細(xì)胞中廣泛存在,體外研究表明,它與核小體裝配及受精后精子染色質(zhì)的解聚及魚精蛋白的替代有關(guān)。伴侶蛋白在蛋白質(zhì)折疊中的作用各亞基間的結(jié)合力主要是氫鍵和離子鍵。

三、多亞基的蛋白質(zhì)具有四級(jí)結(jié)構(gòu)形式蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。體內(nèi)有許多蛋白質(zhì)分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級(jí)結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的亞基(subunit)。（一）具有四級(jí)結(jié)構(gòu)形式的蛋白質(zhì)由多亞基組成血紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu)（二）亞基通過亞基間的相互作用聯(lián)系在一起由2個(gè)亞基組成的蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)中，若亞基分子結(jié)構(gòu)相同，稱之為同二聚體(homodimer)，若亞基分子結(jié)構(gòu)不同，則稱之為異二聚體(heterodimer)。（三）生物體內(nèi)有很多由多亞基組成的蛋白質(zhì)生物體內(nèi)許多蛋白質(zhì)往往由多個(gè)亞基組成，亞基之間憑借次級(jí)鍵形成蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)。胰島素受體：由4個(gè)亞基組成(α2β2)，α亞基與β亞基形成單體(monomer)，2個(gè)單體形成二聚體(dimer)。

血紅蛋白的一、二、三、四級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)：相鄰AA間的共價(jià)結(jié)合二級(jí)結(jié)構(gòu)：短距離AA之間的非共價(jià)連接三級(jí)結(jié)構(gòu)：遠(yuǎn)距離AA之間的非共價(jià)連接四級(jí)結(jié)構(gòu)：多亞基之間的非共價(jià)連接含有二條以上多肽鏈的蛋白質(zhì)一定具有四級(jí)結(jié)構(gòu)。只有一條多肽鏈的蛋白質(zhì)肯定沒有四級(jí)結(jié)構(gòu)。多分子聚合物不屬于四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系StructureandFunctionofProteins第三節(jié)（一）一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)一、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)是高級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的基礎(chǔ)牛核糖核酸酶的一級(jí)結(jié)構(gòu)二硫鍵

天然狀態(tài)，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性（二）一級(jí)結(jié)構(gòu)相似的蛋白質(zhì)具有相似的高級(jí)結(jié)構(gòu)與功能────────────────────────

氨基酸殘基序號(hào)胰島素───────────────

A8A9A10B30────────────────────────

人ThrSerIleThr

牛AlaSerValAla

豬ThrSerIleAla

羊AlaGlyValAla

馬ThrGlyIleAla

狗ThrSerIleAla────────────────────────促腎上腺皮質(zhì)激素(ACTH)和促黑激素(α-MSH,β-MSH)共有一段相同的氨基酸序列，因此，ACTH也可促進(jìn)皮下黑色素生成，但作用較弱。(三)氨基酸序列提供重要的生物化學(xué)信息一些廣泛存在于生物界的蛋白質(zhì)如細(xì)胞色素(cytochromeC)，比較它們的一級(jí)結(jié)構(gòu)，可以幫助了解物種進(jìn)化間的關(guān)系。（四）重要蛋白質(zhì)氨基酸序列的改變可引起疾病例：鐮刀形紅細(xì)胞貧血N-val·his·leu·thr·pro·glu·glu·····C(146)HbSβ肽鏈HbAβ肽鏈N-val·his·leu·thr·pro·val

·glu·····C(146)

這種由蛋白質(zhì)分子發(fā)生變異所導(dǎo)致的疾病，稱為“分子病”。A.正常的血細(xì)胞，血紅蛋白肽鏈中的第六個(gè)氨基酸是谷氨酸；B.鐮形細(xì)胞，其血紅蛋白的第六個(gè)氨基酸是纈氨酸第6個(gè)Glu位于亞基螺旋A，變成Val后形成了黏性位點(diǎn)“sticky”，正好位于蛋白質(zhì)的表面。-亞基有一個(gè)與此“sticky”互補(bǔ)的位點(diǎn)，位于螺旋E/Floop之間。正電荷的Glu變成了疏水性的Valααααααααααααβ1β2β1β2β1β2β1β2β2β1β2β1EFloopVal621ααHbs互相黏在一起形成纖維狀沉淀，扭曲并刺破紅細(xì)胞。鐮狀紅細(xì)胞可被困在小血管，既阻止氧氣被運(yùn)送到組織，又會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的疼痛并傷害、損傷器官（如肝，腎，肺，心臟和脾臟）。嚴(yán)重情況下可能會(huì)導(dǎo)致死亡。HbS紅血細(xì)胞的壽命不如正常紅細(xì)胞，很易破壞，導(dǎo)致慢性貧血的發(fā)生。AllnormalcellsSickledcellspresent1.肌紅蛋白/血紅蛋白含有血紅素輔基

二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)表現(xiàn)功能血紅素結(jié)構(gòu)(一)血紅蛋白構(gòu)象改變引起功能變化肌紅蛋白(myoglobin，Mb)

肌紅蛋白是一個(gè)只有三級(jí)結(jié)構(gòu)的單鏈蛋白質(zhì)，有8段α-螺旋結(jié)構(gòu)。血紅素分子中的兩個(gè)丙酸側(cè)鏈以離子鍵形式與肽鏈中的兩個(gè)堿性氨基酸側(cè)鏈上的正電荷相連，加之肽鏈中的F8組氨酸殘基還與Fe2+形成配位結(jié)合，所以血紅素輔基與蛋白質(zhì)部分穩(wěn)定結(jié)合。血紅蛋白(hemoglobin，Hb)血紅蛋白具有4個(gè)亞基組成的四級(jí)結(jié)構(gòu)。Hb各亞基的三級(jí)結(jié)構(gòu)與Mb極為相似。Hb亞基之間通過8對(duì)鹽鍵，使4個(gè)亞基緊密結(jié)合而形成親水的球狀蛋白。Hb與Mb一樣能可逆地與O2結(jié)合，Hb與O2結(jié)合后稱為氧合Hb。氧合Hb占總Hb的百分?jǐn)?shù)（稱百分飽和度）隨O2濃度變化而改變。2.血紅蛋白的構(gòu)象變化影響結(jié)合氧的能力

肌紅蛋白(Mb)和血紅蛋白(Hb)的氧解離曲線Hb與Mb的氧飽和曲線氧合Hb(Mb)與pO2的關(guān)系

Hb：S狀曲線

Mb：直角雙曲線

S狀曲線提供了一個(gè)靈敏可調(diào)的范圍(低pO2)和一個(gè)平坦不可調(diào)的范圍(高pO2)。意義：肺部pO2較高，在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，不至于太大地影響氧飽和度。(80-100mmHg)組織pO2較低，略有變化，即可獲得飽和度的變化，充分地獲氧。(20-40mmHg)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系：一級(jí)結(jié)構(gòu)決定構(gòu)象空間構(gòu)象決定功能：,

亞基與Mb的三級(jí)結(jié)構(gòu)相似，都能結(jié)合O2。不同來源的Hb其三,四級(jí)結(jié)構(gòu)相似,運(yùn)輸O2Hb：四亞基，運(yùn)輸O2Mb：?jiǎn)蝸喕?，?chǔ)存O2

X射線衍射圖：Hb與HbO2構(gòu)象不同定義：某些因素作用于蛋白質(zhì)時(shí)，可結(jié)合至蛋白質(zhì)的某一部位，而使此蛋白質(zhì)構(gòu)象發(fā)生改變，從而調(diào)節(jié)該蛋白質(zhì)的活性。Hb：別構(gòu)蛋白O2：別構(gòu)效應(yīng)劑別構(gòu)效應(yīng)具有普遍性別構(gòu)效應(yīng)(allostericeffect)協(xié)同效應(yīng)(cooperativity)一個(gè)寡聚體蛋白質(zhì)的一個(gè)亞基與其配體結(jié)合后，能影響此寡聚體中另一個(gè)亞基與配體結(jié)合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應(yīng)。如果是促進(jìn)作用則稱為正協(xié)同效應(yīng)(positivecooperativity)如果是抑制作用則稱為負(fù)協(xié)同效應(yīng)

(negativecooperativity)O2血紅素與氧結(jié)合后，鐵原子半徑變小，就能進(jìn)入卟啉環(huán)的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動(dòng)。（二）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變可導(dǎo)致構(gòu)象病蛋白質(zhì)構(gòu)象疾病（ProteinConformationalDiseases）

：若蛋白質(zhì)的折疊發(fā)生錯(cuò)誤，盡管其一級(jí)結(jié)構(gòu)不變，但蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變，仍可影響其功能，嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致疾病發(fā)生。蛋白質(zhì)構(gòu)象改變導(dǎo)致疾病的機(jī)制：有些蛋白質(zhì)錯(cuò)誤折疊后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉樣纖維沉淀，產(chǎn)生毒性而致病，表現(xiàn)為蛋白質(zhì)淀粉樣纖維沉淀的病理改變。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨丁頓舞蹈病、瘋牛病等。瘋牛病是由朊病毒蛋白(prionprotein,PrP)引起的一組人和動(dòng)物神經(jīng)退行性病變。正常的PrP富含α-螺旋，稱為PrPc。PrPc在某種未知蛋白質(zhì)的作用下可轉(zhuǎn)變成全為β-折疊的PrPsc，從而致病。PrPcα-螺旋PrPscβ-折疊正常瘋牛病瘋牛病老年癡呆癥，又稱阿爾茨海默病

(Alzheimer‘sdisease,AD)，是發(fā)生在老年期及老年前期的一種原發(fā)性退行性腦病，其特征性病理變化為大腦皮層萎縮，并伴有β-淀粉樣蛋白沉積，神經(jīng)原纖維纏結(jié)，記憶性神經(jīng)元數(shù)目大量減少，形成腦部老年斑。第四節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)Chemical

andPhysicalPropertiesofProteins

一、蛋白質(zhì)具有兩性電離性質(zhì)蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側(cè)鏈中某些基團(tuán)，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負(fù)電荷或正電荷的基團(tuán)。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時(shí)，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢(shì)相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時(shí)溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)(isoelectricpoint,pI)

二、蛋白質(zhì)具有膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一，分子量可自1萬至100萬之間，其分子的直徑可達(dá)1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素：顆粒表面電荷水化膜+++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)在等電點(diǎn)的蛋白質(zhì)水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)不穩(wěn)定的蛋白質(zhì)顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋白質(zhì)的聚集和沉淀三、很多因素可引起蛋白質(zhì)變性在某些物理和化學(xué)因素作用下，其特定的空間構(gòu)象被破壞，也即有序的空間結(jié)構(gòu)變成無序的空間結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。蛋白質(zhì)的變性(denaturation)

造成變性的因素

變性的本質(zhì)——

破壞非共價(jià)鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。如加熱、乙醇等有機(jī)溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬離子及生物堿試劑等。

應(yīng)用舉例臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來消毒及滅菌。此外,防止蛋白質(zhì)變性也是有效保存蛋白質(zhì)制劑（如疫苗等）的必要條件。

若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu)象和功能，稱為復(fù)性。蛋白質(zhì)的復(fù)性(renaturation)

天然狀態(tài)，有催化活性

尿素、β-巰基乙醇

去除尿素、β-巰基乙醇非折疊狀態(tài)，無活性在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽鏈融會(huì)相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質(zhì)易于沉淀，有時(shí)蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但并不變性。蛋白質(zhì)變性后的絮狀物加熱可變成比較堅(jiān)固的凝塊，此凝塊不易再溶于強(qiáng)酸和