第二章重要的生物配體及其金屬配合物

第二章

重要的生物配體及其金屬配合物

在大多數(shù)情況下，生物體內(nèi)的金屬元素不以自由離子形式存在，而是與配體形成金屬配合物。這些在生物體內(nèi)與金屬配位并具有生物功能的配體稱為生物配體。生物配體按照分子量大小，大致可分為兩大類：

大分子配體：分子量從幾千到數(shù)百萬，為蛋白質(zhì)、多糖、核酸等。小分子配體：氨基酸、羧酸、卟啉、咕啉等。生物配體與金屬結(jié)合一般遵循軟硬酸堿規(guī)則。

第一節(jié)氨基酸氨基酸(aminoacid)是蛋白質(zhì)(protein)的基本結(jié)構(gòu)單位（或說蛋白質(zhì)由氨基酸結(jié)合而成）。已發(fā)現(xiàn)自然界中有百多種氨基酸，但構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸卻僅由20種。在這20氨基酸中，除脯氨酸外，其余19種氨基酸在結(jié)構(gòu)上的共同點是與羧基相鄰的α碳原子上都有一個氨基，因此稱為α—氨基酸。α—氨基酸都是白色晶體，各有特殊的結(jié)晶形狀。熔點較高，通常在200℃以上。大多數(shù)可溶于水。

一、氨基酸的分類

氨基酸分類法有多種。在此，介紹的方法是按照氨基酸中側(cè)鏈R的極性，把20種氨基酸分為四類。見表2-1常見天然氨基酸的分類α—氨基酸1.非極性R基氨基酸（中性）

結(jié)構(gòu)名稱縮寫pIH-CHCOO-+NH3甘氨酸glycineGly，G5.97CH3-CHCOO-+NH3丙氨酸alanineAla，A6.00CH3-CH-CHCOO-

CH3+NH3纈氨酸valineVal，V5.96CH3-CH-CH2-CHCOO-

CH3+NH3亮氨酸leucineLeu，L5.98CH3-CH2-CH-CHCOO-

CH3+NH3異亮氨酸isoleucineIle,I5.98-CH2-CHCOO-+NH3苯丙氨酸phenylalaninePhe,F5.48

CH22HC

CH-COO-2HC

NH

脯氨酸prolinePro,P6.30

結(jié)構(gòu)名稱縮寫pI2.極性R基氨基酸（中性）NCH2CHCOO-+NH3色氨酸t(yī)ryptophanTrp，W5.89CH3S-CH2CH2-CHCOO-+NH3-CH2-CHCOO-+NH3HO-酪氨酸t(yī)yrosineTyr，Y5.66半胱氨酸cysteineCys，C5.07HS-CH2-CHCOO-+NH3甲硫（蛋）氨酸methionineMetM5.74結(jié)構(gòu)名稱縮寫pI

H2N-C-CH2-CHCOO-

O

+NH3天冬酰胺asparagineAsn，N5.41

H2N-C-CH2CH2-CHCOO-

O

+NH3谷氨酰胺glutamineGln，Q5.65HO-CH-CHCOO-+NH3CH3蘇氨酸t(yī)hreonineThr，T5.60絲氨酸serineSer，S5.68HO-CH2-CHCOO-+NH3

結(jié)構(gòu)名稱縮寫pI3.酸性氨基酸HOOC-CH2-CHCOO-+NH3天冬氨酸Asp，D2.97AsparticacidHOOC-CH2-CH2-CHCOO-+NH3谷氨酸Glu，E3.22Glutamicacid結(jié)構(gòu)名稱縮寫pI4.堿性氨基酸H2N

CH2CH2CH2CH2-CHCOO-+NH3賴氨酸lysineLys，K9.74H2N

CNH

CH2CH2CH2-CHCOO-+NH3NH精氨酸arginineArg，R10.76HC=C-CH2

-CHCOO-

NNH

+NH3

CH

組氨酸histidineHis，H7.59

結(jié)構(gòu)名稱縮寫pI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、氨基酸的立體異構(gòu)和旋光性

除甘氨酸外（氨基乙酸），α—氨基酸的α—碳原子都是不對稱碳原子，因此有立體異構(gòu)。蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物中的α—氨基酸都屬于L—型，在生物體中，特別是在細菌中也有D—型氨基酸。D—型氨基酸

L—型氨基酸

α—氨基酸除甘氨酸外都具有光學(xué)活性。通常（+）表示右旋體（dewtroisomer）,（-）表示左旋體（Levoisomer），L與D只代表立體異構(gòu)型，不表示旋光性。例如人體蛋白質(zhì)的α—氨基酸均為L—型，但有左右旋之別。天冬氨酸（Asp）、谷氨酸（Glu）、賴氨酸（Lys）、異亮氨酸（Ile）等為L（+）;而亮氨酸（Leu）、絲氨酸（Ser）、蘇氨酸（Thr）、半胱氨酸（Cys）等都為L（-）。三、氨基酸的理化性質(zhì)等電點(isoelectricpoint,pI):

氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等時溶液的pH值。等電點時氨基酸為偶極離子，呈電中性。

實驗表明，氨基酸以偶極離子或稱兩性離子+H3N―CHR―COO-的形式存在（在等電點時）。氨基酸的兩性離子在水溶液中有如下平衡：pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的偶極離子陽離子陰離子pI=1/2(pK1+pK2)

上述三種離子的濃度，隨溶液的PH而變。如果適當(dāng)調(diào)PH，使氨基酸的酸性電離與堿性電離恰好互相抵消，氨基酸在溶液中只以兩性離子形式存在，分子的靜電荷為零，在電場中既不向陽極移動也不向陰極移動。此時的PH值稱為氨基酸的等電點,用PI表示.在等點電時，氨基酸分子的靜電荷為零，容易聚集并沉淀析出，因此溶解度最小。利用氨基酸的等點電不同，可以分離不同的氨基酸。第二節(jié)肽*（一）肽(peptide):肽是氨基酸縮合脫水形成的化合物。肽鍵(peptidebond)是由一個氨基酸的

-羧基與另一個氨基酸的

-氨基脫水縮合而形成的化學(xué)鍵。+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵*兩分子氨基酸縮合形成二肽，三分子氨基酸縮合則形成三肽……*由十個以內(nèi)氨基酸相連而成的肽稱為寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相連形成的肽稱多肽(polypeptide)。*多肽鏈(polypeptidechain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結(jié)構(gòu)。*

蛋白質(zhì)是多肽鏈N末端：多肽鏈中有自由氨基的一端C末端：多肽鏈中有自由羧基的一端*多肽鏈有兩端:*

肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不完全，被稱為氨基酸殘基(residue)。主鏈骨架原子

肽鏈的主干稱為主鏈（backbone）,肽鏈上各殘基的R基稱為側(cè)鏈（sidechain）。肽鏈有開鏈與環(huán)狀之分。開鏈肽有兩個末端，環(huán)狀肽無末端。在蛋白質(zhì)分子和多肽分子中，連接氨基酸殘基的共價鍵除肽鍵之外，較常見的還有二硫鍵，它由兩個半胱氨酸殘基巰基脫氫氧化連結(jié)而成。它可以使兩條肽鍵共價交聯(lián)（鏈間二硫鍵），或使一條肽鏈的某一部分成環(huán)（鏈內(nèi)二硫鍵）。

肽的命名通常以肽鏈的N—末端氨基酸殘基開始，按殘基出現(xiàn)順序逐一記載。習(xí)慣把N—末端寫在結(jié)構(gòu)式的左側(cè)，C—末端寫在最后丙氨酰甘氨酸甘氨酰丙氨酸

兩者的物理和化學(xué)性質(zhì)不同，含有3種不同殘基的三肽有6種同分異構(gòu)體

A-B-C;A-C-B;C-A-B;C-B-A;B-A-C;B-C-A;

4種不同殘基的四肽有24種同分異構(gòu)體；

5種不同的氨基酸則可構(gòu)成120種五肽。因此20種不同的氨基酸可構(gòu)成各種各樣的蛋白質(zhì)。

蛋白質(zhì)的種類和生物活性都與肽鏈組成及氨基酸排列順序有關(guān)，這一順序是由遺傳因素決定的。不同氨基酸以不同順序排列成不同肽鏈，由不同肽鏈排成不同的蛋白質(zhì)，它們性質(zhì)不同。（不同種類，性質(zhì)不同）第三節(jié)蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)是動物、植物和微生物細胞中最重要的有機物質(zhì)之一。除含有C、H、O和N外，還含有硫，有些蛋白質(zhì)還含有P、Fe、Zn、Cu、Mn和I。不同來源的蛋白質(zhì)含氮有一定的比例，這是一個重要的特點。一般蛋白質(zhì)含氮在15%～17.6%，其平均值為16%，只要測定樣品的含氮量，就可以通過計算求得樣品的蛋白質(zhì)含量。

蛋白質(zhì)可在酸堿或酶的催化作用下逐步水解為相對分子質(zhì)量越來越小的蛋白眎、蛋白胨、多肽，最后成為氨基酸的混合物。由于蛋白質(zhì)在幾乎所有的生物過程中起著極其重要的作用，因此，研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系是從分子水平認識生命現(xiàn)象的一個重要方面。

一、蛋白質(zhì)的分類

簡單的化合物通常按結(jié)構(gòu)分類。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，且種類成千上萬種，測定困難，因此無法按結(jié)構(gòu)分類，只能按分子形狀、組成和溶解性來分類。

1.按分子形狀分：球狀蛋白（globularprotein）和纖維狀蛋白（fibrousprotein）。前者一般可溶于水，后者難溶于水。2.按化學(xué)組成分：

簡單蛋白（simpleprotein）和結(jié)合蛋白（conjugatedprotein）。簡單蛋白只有

-氨基酸組成，如卵清蛋白、胰島素。結(jié)合蛋白由單純蛋白質(zhì)與非蛋白物質(zhì)結(jié)合而成（結(jié)合蛋白=單純蛋白質(zhì)+非蛋白），如血紅蛋白。非蛋白質(zhì)部分稱為輔基prostheticgroup）。結(jié)合蛋白按輔基不同可分為五類：色蛋白（chromoprotein）、糖蛋白（glucoprotein）、磷蛋白（phosphoprotein）、核蛋白（nucleoprotein）、脂蛋白（lipoprotein）。

3.按溶解性分：

簡單蛋白按溶解性、沉淀所需鹽類濃度、分子大小及來源不同，又可分為七類：清蛋白（albumin）、球蛋白（globulin）、谷蛋白（glutelin）、醇溶谷蛋白（prolamine）、精蛋白（spermatine）、組蛋白（histone）和硬蛋白（albuminoid）二、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)

簡單蛋白質(zhì)由α—氨基酸組成，氨基酸聯(lián)接的基本方式是彼此以肽鍵（peptidebond）結(jié)合成肽鏈,再由一條或多條肽鏈按各種特殊方式組合成蛋白質(zhì)分子。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)可以分為四級。

一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)

二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)

三級結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)

四級結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)高級結(jié)構(gòu)定義蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指多肽鏈中氨基酸的排列順序。主要的化學(xué)鍵肽鍵，二硫鍵。

一級結(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)。三、維持蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的作用力

構(gòu)成蛋白質(zhì)的肽鏈的主鏈之間、主鏈與另一肽鏈的側(cè)鏈之間、側(cè)鏈與側(cè)鏈之間存在著復(fù)雜的結(jié)合力（化學(xué)鍵），使蛋白質(zhì)分子維持在三維結(jié)構(gòu)。維持蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的作用力如下幾種

1、氫鍵：主要是肽鏈上的羰基（）與亞氨基之間形成氫鍵。氫鍵存在于肽鏈之間，也存在于一條肽鏈之中，對維持蛋白質(zhì)的構(gòu)象十分重要。

2、二硫鍵：蛋白質(zhì)中二硫鍵較牢固（肽鏈之間，肽鏈中）

3、酯鍵：一般由氨基酸的殘基的羥基（OH）與二羧酸的β或γ羧基脫水縮合而成。

4、疏水鍵：蛋白質(zhì)分子中疏水性較強的氨基酸（帶有較大有機基團的氨基酸分子Val纈氨酸,Leu亮氨酸,Ile異亮氨酸,Phe苯丙氨酸等）殘基的側(cè)鏈為R的有機基團，疏水性，它們避開水的彼此粘附在一起。在分子內(nèi)形成孔穴，同時又使親水性側(cè)鏈留在水中。

5、鹽鍵：在適當(dāng)條件下，蛋白質(zhì)分子中的自由氨基和自由羧基可分別以正負離子形式存在，主要---—NH3+和 —COO-互相結(jié)合成鹽鍵。鹽鍵結(jié)合力（正負吸引力）較強，易被酸堿破壞。

6、范德華力：蛋白質(zhì)分子中存在非極性基團的偶極與偶極間相互作用，以及極性基團的偶極與誘導(dǎo)偶極間的相互作用。

7、配位鍵：肽鏈上的配位原子與金屬離子以配位鍵形式結(jié)合。當(dāng)金屬離子除去時，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)部分破壞，生理活性減弱或失去。

四、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)分子的多肽鏈并非呈直線型伸張，而是盤曲折疊成特有的空間構(gòu)象。蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈盤曲折疊的方式，目前公認的二級結(jié)構(gòu)主要是α-螺旋結(jié)構(gòu)，其次為β-折疊結(jié)構(gòu)。它們都是由Pauling學(xué)派提出來的。氫鍵對于維持二級結(jié)構(gòu)有主要意義。ccαcαcαc（一）肽單元(peptideunit)

參與肽鍵的6個原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，肽鍵中的C-N鍵比一般C-N鍵短，具有部分雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)，C

1和C

2在平面上的位置為反式。該6個原子構(gòu)成了肽單元。由于側(cè)鏈R基的空間障礙使C

－N和C

－C鍵的旋轉(zhuǎn)范圍小于1800，限制了多肽鍵的構(gòu)象數(shù)目。（二）

-螺旋α—螺旋結(jié)構(gòu)中，氨基酸殘基繞螺旋軸盤旋上升。相鄰兩個殘基的旋轉(zhuǎn)角為100°，軸心距148pm，每隔3.6個殘基旋轉(zhuǎn)一圈（360°），螺旋上升一圈相當(dāng)于平移533pm。氨基酸殘基的側(cè)鏈伸向外側(cè)，相鄰的螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鍵。α—螺旋有左右旋之分，右螺旋比較穩(wěn)定，天然蛋白質(zhì)主要為右旋。3.6殘基0.54nm12345689（三）

-折疊：伸展；折紙狀0.7nm鏈間氫鍵是由一條肽鏈的羰基和另一條肽鏈的亞氨基形成。β-折疊有平行式和逆平行式兩種，平行式各條肽鏈的N-末端都在同一邊，逆平行式各條肽鏈的N-末端一順一倒排列。

五、蛋白質(zhì)的三級和四級結(jié)構(gòu)

1．三級結(jié)構(gòu)-------肽鏈進一步折疊，指一條肽鏈完整折疊后形成的構(gòu)象。整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置。即肽鏈中所有原子在三維空間的排布位置。

三級結(jié)構(gòu)是指肽鏈在二級結(jié)構(gòu)（α-螺旋和β-折疊）的基礎(chǔ)上進一步折疊。這主要靠鹽鍵，氫鍵，巰水鍵及配位鍵來維持。肌紅蛋白(Mb):153aa，1個血紅素輔基。A、B、C、D、E、F、G、H8個螺旋區(qū)，螺旋之間有無規(guī)卷曲，pro（100、120）位于轉(zhuǎn)角處。疏水作用、鹽鍵、氫鍵、VanderWaals力穩(wěn)定。N端C端脯

2．四級結(jié)構(gòu)------各亞基（肽鏈）在天然蛋白質(zhì)中的排列方式

許多蛋白質(zhì)由兩條多肽鏈構(gòu)成，每條肽鏈均有自己的一、二及三級結(jié)構(gòu)，相互以非共價鍵（結(jié)合）連結(jié)。這些肽鏈稱為蛋白質(zhì)的亞基。由亞基構(gòu)成的蛋白質(zhì)稱寡聚蛋白質(zhì)。四級結(jié)構(gòu)就是各個亞基（各條肽鏈）在蛋白質(zhì)的天然構(gòu)象中的排列方式。

四級結(jié)構(gòu)由鹽鍵、氫鍵、疏水鍵、范德華力等維持。單獨的亞基（肽鏈）一般無生物活性。具有四級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)的亞基可以是相同的，也可以是不同的，數(shù)目從二個到上千個（亞基）。如血紅蛋白質(zhì)有四個亞基（四條肽鏈構(gòu)成），其中兩條α鏈，兩條β鏈。單鏈蛋白質(zhì)無四級結(jié)構(gòu)。血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)

b蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次：（一）蛋白質(zhì)的兩性電離六、蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)多肽鏈中氨基酸殘基的可解離基團：末端-COO-、-NH3+，酸性氨基酸側(cè)鏈-COO-，賴氨酸的ε-NH3+，精氨酸的胍基，組氨酸的咪唑基。蛋白質(zhì)的等電點(pI)當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于偶極離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點。

NH3+NH3+NH2PPP

COOHCOO--COO-

正離子偶極離子負離子pH＜pIpH=pIpH＞pI各種蛋白質(zhì)的氨基酸組成不同，解離情況不同，等電點不同。多數(shù)接近5.0。+OH-+OH-+H++H+（二）蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)分子：生物大分子，分子量1萬~100萬，分子的直徑可達1～100nm，膠粒范圍。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)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(zhì)在等電點的蛋白質(zhì)水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質(zhì)－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質(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)的聚沉（三）蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固蛋白質(zhì)的變性(denaturation)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。造成變性的因素如加熱、乙醇等有機溶劑、強酸、強堿、重金屬離子及生物堿試劑等。

變性的本質(zhì)破壞非共價鍵和二硫鍵，不改變蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。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(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)，無活性蛋白質(zhì)沉淀在一定條件下，蛋白疏水側(cè)鏈暴露在外，肽鏈相互纏繞繼而聚集，因而從溶液中析出。變性的蛋白質(zhì)易于沉淀，有時蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀，但并不變性。蛋白質(zhì)的凝固作用(coagulation)

蛋白質(zhì)在等電點變性形成不溶性絮狀物（可溶于強酸和強堿中）——結(jié)絮；此絮狀物加熱可變成比較堅固的凝塊，此凝塊不易再溶于強酸和強堿中——凝固。（四）蛋白質(zhì)的紫外吸收由于蛋白質(zhì)分子中含有共軛雙鍵的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波長處有特征性吸收峰。蛋白質(zhì)的OD280與其濃度呈正比關(guān)系，因此可作蛋白質(zhì)定量測定。（一）血紅蛋白（Hb）的結(jié)構(gòu)七、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

Hb的結(jié)構(gòu)：四條多肽鏈，各含一個血紅素，各結(jié)合一分子氧。α鏈含141氨基酸，β鏈含146氨基酸。亞基間8個鹽鍵連接。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。（二）血紅蛋白的構(gòu)象變化與結(jié)合氧

Mb的氧結(jié)合曲線為直角雙曲線，說明Mb易結(jié)合氧。Hb的氧百分飽和度隨氧濃度變化而改變，呈S狀曲線。提示四個亞基與氧結(jié)合的平衡常數(shù)不同。協(xié)同效應(yīng)(cooperativity)

一個寡聚體蛋白質(zhì)的一個亞基與其配體結(jié)合后，能影響此寡聚體中另一個亞基與配體結(jié)合能力的現(xiàn)象，稱為協(xié)同效應(yīng)。如果是促進作用則稱為正協(xié)同效應(yīng)(positivecooperativity)如果是抑制作用則稱為負協(xié)同效應(yīng)

(negativecooperativity)T態(tài)：α/β和α/β對角排列，結(jié)構(gòu)緊張，與氧親和力小。隨著氧的結(jié)合，四個亞基羧基末端的鹽鍵斷裂，Hb的二、三、四級結(jié)構(gòu)變化，α/β和α/β的長軸旋轉(zhuǎn)形成15°夾角，結(jié)構(gòu)松弛成R態(tài)。T態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)镽態(tài)是亞基逐個結(jié)合氧而完成的。第一個氧先與α結(jié)合，而后是β亞基。O2血紅素與氧結(jié)合后，鐵原子半徑變小，就能進入卟啉環(huán)的小孔中，繼而引起肽鏈位置的變動，進一步引起亞基間鹽鍵斷裂，依次影響其它亞基與氧的結(jié)合。變構(gòu)效應(yīng)(allostericeffect)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的改變伴隨其功能的變化，稱為變構(gòu)效應(yīng)。（三）蛋白質(zhì)構(gòu)象改變與疾病

蛋白質(zhì)構(gòu)象疾?。喝舻鞍踪|(zhì)的折疊發(fā)生錯誤，盡管其一級結(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)致疾病的機理：蛋白質(zhì)錯誤折疊→聚集→淀粉樣纖維沉淀(抗蛋白水解酶、毒性)，→致病。這類疾病包括：人紋狀體脊髓變性病、老年癡呆癥、亨停頓舞蹈病、瘋牛病等。瘋牛病中的蛋白質(zhì)構(gòu)象改變瘋牛病是由朊病毒蛋白(PrP)引起的一組人和動物神經(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-折疊正常瘋牛病是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。第四節(jié)核酸是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，攜帶和傳遞遺傳信息。第四節(jié)核酸一、核酸的發(fā)現(xiàn)和研究工作進展

1868年FridrichMiescher從膿細胞中提取“核素”1944年Avery等人證實DNA是遺傳物質(zhì)1953年Watson和Crick發(fā)現(xiàn)DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)1968年Nirenberg發(fā)現(xiàn)遺傳密碼1975年Temin和Baltimore發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄酶1981年Gilbert和Sanger建立DNA測序方法1985年Mullis發(fā)明PCR技術(shù)1990年美國啟動人類基因組計劃(HGP)

1994年中國人類基因組計劃啟動2001年美、英等國完成人類基因組計劃基本框架二、核酸的分類及分布

分布于細胞核，線粒體，葉綠體，質(zhì)粒等。分布于細胞核、胞液。(deoxyribonucleicacid,DNA)(ribonucleicacid,RNA)脫氧核糖核酸

核糖核酸攜帶遺傳信息，決定細胞和個體的基因型(genotype)。參與細胞內(nèi)DNA遺傳信息的表達。某些病毒RNA也可作為遺傳信息的載體。三、核酸的化學(xué)組成

1.元素組成C、H、O、N、P（9~10%）2.分子組成堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿戊糖(ribose)：核糖，脫氧核糖磷酸(phosphate)核苷酸----核酸的組成單位嘌呤(purine)腺嘌呤(adenine,A)鳥嘌呤(guanine,G)堿基9嘧啶(pyrimidine)胞嘧啶(cytosine,C)尿嘧啶(uracil,U)胸腺嘧啶(thymine,T)1戊糖（構(gòu)成RNA）1′2′3′4′5′核糖(ribose)（構(gòu)成DNA）脫氧核糖(deoxyribose)核苷：AR,GR,CR,UR脫氧核苷：dAR,dGR,dCR,dTR核苷酸1.核苷(ribonucleoside)的形成堿基和核糖（脫氧核糖）通過糖苷鍵連接形成核苷（脫氧核苷）。1′1胞嘧啶核苷核苷酸：AMP,GMP,UMP,CMP脫氧核苷酸：dAMP,dGMP,dTMP,dCMP

2.核苷酸(ribonucleotide)的結(jié)構(gòu)與命名核苷（脫氧核苷）和磷酸以磷酸酯鍵連接形成核苷酸（脫氧核苷酸）。

5‘-胞嘧啶核苷酸

嘌呤核苷酸※根據(jù)堿基分類嘧啶核苷酸核苷一磷酸（NMP）※根據(jù)所含磷酸基分類核苷二磷酸（NDP）核苷三磷酸（NTP）核糖核苷酸※根據(jù)核糖分類dNMP脫氧核糖核苷酸dNDPdNTP

3、體內(nèi)重要的游離核苷酸及其衍生物含核苷酸的生物活性物質(zhì)：

NAD+、NADP+、CoA-SH、FAD等都含有AMP

多磷酸核苷酸：ADP，

AMP，ATP

環(huán)化核苷酸:cAMP，cGMPAMPADPATPcAMPNADP+NAD+5′端3′端4、多核苷酸鏈

核苷酸之間以磷酸二酯鍵連接形成多核苷酸鏈，即核酸。CGA四、核酸的一級結(jié)構(gòu)定義核酸中核苷酸的排列順序。（堿基序列）。5′端3′端CGADNA的一級結(jié)構(gòu)：

由dAMP、dGMP、dCMP、dTMP四種脫氧核苷一磷酸按照一定的排列順序，通過3′-5′磷酸二酯鍵連接形成的多聚脫氧核苷酸鏈結(jié)構(gòu)。

DNA一般由兩條核苷酸鏈組成。RNA的一級結(jié)構(gòu)：

由AMP、GMP、CMP、UMP四種核苷一磷酸按照一定排列順序通過3′-5′磷酸二酯鍵連接形成的多聚核苷酸鏈結(jié)構(gòu)。

RNA一般為單鏈。AGP5

PTPGPCPTPOH3

書寫方法5

pApCpTpGpCpT-OH

3

5

ACTGCT

3

五、DNA的二級結(jié)構(gòu)——雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點

（Watson,Crick,1953）兩條脫氧核苷酸鏈，反向平行，右手螺旋。磷酸-脫氧核糖骨架在外側(cè)，螺旋直徑為2nm。大溝(majorgroove)小溝(minorgroove)

。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點

（Watson,Crick,1953）兩鏈間堿基通過氫鍵配對（A=T;G

C）；堿基對垂直螺旋軸居雙螺旋內(nèi)側(cè)。螺距3.4nm，10bp/圈堿基互補配對

TAGC氫鍵維持雙鏈橫向穩(wěn)定性，堿基堆積力維持雙鏈縱向穩(wěn)定性。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型要點

（Watson,Crick,1953）六、DNA的功能DNA的基本功能是以基因的形式儲存遺傳信息，并作為基因復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的模板。它是生命遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是個體生命活動的信息基礎(chǔ)?；驈慕Y(jié)構(gòu)上定義，是指DNA分子中的特定區(qū)段，其中的核苷酸排列順序決定了基因的功能。1、核酸的一般性質(zhì)酸性pH>4時為多陰離子。

粘度：雙螺旋DNA粘度極大，變性DNA粘度減小。RNA粘度較小。

溶解度：微溶于水，不溶于乙醇等有機溶劑。DNA是線性高分子，在機械力作用下易發(fā)生斷裂。不同構(gòu)象的DNA沉降速率差異大

紫外吸收：波長260nm有最大吸收峰；OD260：波長260nm的光密度值（A260）七、核酸的理化性質(zhì)腺嘌呤OD260的應(yīng)用：1.DNA或RNA的定量OD260=1.0相當(dāng)于50μg/ml雙鏈DNA40μg/ml單鏈DNA（或RNA）20μg/ml寡核苷酸2.判斷核酸樣品的純度DNA純品:OD260/OD280=1.8RNA純品:OD260/OD280=2.02、DNA的變性(denaturation)

a、DNA的變性：在某些理化因素作用下，DNA雙鏈解開成兩條單鏈的過程。方法：過量酸，堿；加熱；變性試劑如尿素、酰胺；有機溶劑如乙醇、丙酮等。變性后其它理化性質(zhì)變化：

OD260增高 粘度下降比旋度下降 浮力密度升高酸堿滴定曲線改變 生物活性喪失DNA變性的本質(zhì)是雙鏈間氫鍵的斷裂例：變性引起紫外吸收值的改變DNA的紫外吸收光譜增色效應(yīng)：DNA變性時其溶液OD260增高的現(xiàn)象。b、熱變性解鏈曲線：連續(xù)加熱DNA，以溫度對A260作圖，所得的曲線稱為解鏈曲線。Tm：DNA變性時，OD260達到最大值的50%時的溫度稱為DNA的解鏈溫度或融解溫度(Tm)。其大小與G+C含量成正比。第五節(jié)、酶目前將生物催化劑分為兩類酶、核酶（脫氧核酶）酶是一類由活細胞產(chǎn)生的，對其特異底物具有高效催化作用的蛋白質(zhì)。一、酶學(xué)研究簡史公元前兩千多年，我國已有釀酒記載。一百余年前，Pasteur認為發(fā)酵是酵母細胞生命活動的結(jié)果。1877年，Kuhne首次提出Enzyme一詞。1897年，Buchner兄弟用不含細胞的酵母提取液，實現(xiàn)了發(fā)酵。1926年，Sumner首次從刀豆中提純出脲酶結(jié)晶。1982年，Cech首次發(fā)現(xiàn)RNA也具有酶的催化活性，提出核酶(ribozyme)的概念。1995年，JackW.Szostak研究室首先報道了具有DNA連接酶活性DNA片段，稱為脫氧核酶(deoxyribozyme)。酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)。酶有蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)：體內(nèi)的酶有不同形式：①單體酶(monomericenzyme)：僅具有三級結(jié)構(gòu)的酶。②寡聚酶(oligomericenzyme)：由多個相同或不同亞基以非共價鍵連接組成的酶。二、酶的分子結(jié)構(gòu)與功能③多酶體系(multienzymesystem)：由幾種不同功能的酶彼此聚合形成的多酶復(fù)合物。④多功能酶(multifunctionalenzyme)或串聯(lián)酶(tandemenzyme)：一條多肽鏈中存在多種不同催化功能的酶。多酶體系在進化過程中基因融合形成。三、

酶的分子組成蛋白質(zhì)部分：酶蛋白(apoenzyme)輔助因子(cofactor)

金屬離子小分子有機化合物全酶(holoenzyme)結(jié)合酶(conjugatedenzyme)簡單酶

(simpleenzyme)結(jié)合酶各部分在催化反應(yīng)中的作用酶蛋白決定反應(yīng)的特異性輔助因子決定反應(yīng)的種類與性質(zhì)金屬酶(metalloenzyme)金屬離子與酶結(jié)合緊密，提取過程中不易丟失。

金屬激活酶(metal-activatedenzyme)

金屬離子為酶的活性所必需，但與酶的結(jié)合不甚緊密。金屬離子的作用穩(wěn)定酶的構(gòu)象；參與催化反應(yīng)，傳遞電子；在酶與底物間起橋梁作用；中和陰離子，降低反應(yīng)中的靜電斥力等。小分子有機化合物的作用在反應(yīng)中起運載體的作用，傳遞電子、質(zhì)子或其它基團。輔助因子分類（按其與酶蛋白結(jié)合的緊密程度）

輔酶(coenzyme):與酶蛋白結(jié)合疏松，可用透析或超濾的方法除去。

輔基(prostheticgroup):與酶蛋白結(jié)合緊密，不能用透析或超濾的方法除去。四、酶的活性中心必需基團(essentialgroup)酶分子中氨基酸殘基側(cè)鏈的化學(xué)基團中，一些與酶活性密切相關(guān)的化學(xué)基團。常見的必需基團：半胱氨酸的巰基、組氨酸的咪唑基、絲氨酸的羥基、谷氨酸γ-羧基等。指必需基團在空間結(jié)構(gòu)上彼此靠近，組成具有特定空間結(jié)構(gòu)的區(qū)域，能與底物特異結(jié)合并將底物轉(zhuǎn)化為產(chǎn)物。

(活性部位)?酶的活性中心(activecenter)活性中心內(nèi)的必需基團結(jié)合基團(bindinggroup)與底物相結(jié)合催化基團(catalyticgroup)催化底物轉(zhuǎn)變成產(chǎn)物位于活性中心以外，維持酶活性中心應(yīng)有的空間構(gòu)象所必需的基團。活性中心外的必需基團底物

活性中心以外的必需基團結(jié)合基團催化基團

活性中心

溶菌酶的活性中心*谷氨酸35和天冬氨酸52是催化基團；*色氨酸62和63、天冬氨酸101和色氨酸108是結(jié)合基團；*A~F為底物多糖鏈的糖基，位于酶的活性中心形成的裂隙中。溶菌酶的活性中心酶與一般催化劑的共同點在反應(yīng)前后沒有質(zhì)和量的變化；只能催化熱力學(xué)允許的化學(xué)反應(yīng)；只能加速可逆反應(yīng)的進程，而不改變反應(yīng)的平衡點。五、酶促反應(yīng)的特點與機理（一）高效率的催化活性１、酶促反應(yīng)的特殊點比非催化反應(yīng)高108～1020倍，比一般催化劑高107～1013倍。酶的催化不需要較高的反應(yīng)溫度。酶比一般催化劑更有效地降低反應(yīng)的活化能。反應(yīng)總能量改變非催化反應(yīng)活化能酶促反應(yīng)活化能一般催化劑催化反應(yīng)的活化能能量反應(yīng)過程底物產(chǎn)物

酶促反應(yīng)活化能的改變

活化能：底物分子從初態(tài)轉(zhuǎn)變到活化態(tài)所需的能量。一種酶僅作用于一種或一類化合物，或一定的化學(xué)鍵，催化一定的化學(xué)反應(yīng)并生成一定的產(chǎn)物。酶的這種特性稱為酶的特異性或?qū)Ｒ恍浴?酶的特異性(specificity)（二）高度特異性酶的特異性分為三類：絕對特異性(absolutespecificity)：只能作用于特定結(jié)構(gòu)的底物，進行一種專一的反應(yīng)，生成一種特定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物

。相對特異性(relativespecificity)：作用于一類化合物或一種化學(xué)鍵。立體結(jié)構(gòu)特異性(stereospecificity)：作用于立體異構(gòu)體中的一種。（三）可調(diào)節(jié)性對酶生成與降解量的調(diào)節(jié)酶催化效力的調(diào)節(jié)通過改變底物濃度對酶進行調(diào)節(jié)等適應(yīng)機體對不斷變化的內(nèi)外環(huán)境和生命活動的需要。2、酶促反應(yīng)的機理（一）酶-底物復(fù)合物的形成與誘導(dǎo)契合假說*誘導(dǎo)契合假說(induced-fithypothesis)酶底物復(fù)合物

E+SE+PES

酶與底物接近→結(jié)構(gòu)相互誘導(dǎo)→變形和相互適應(yīng)→結(jié)合。羧肽酶的誘導(dǎo)契合模式

底物（二）酶促反應(yīng)的機理1、鄰近效應(yīng)(proximityeffect)與定向排列(orientationarrange)：鄰近效應(yīng)：酶將諸底物結(jié)合到其活性中心，使它們的反應(yīng)基團相互靠近，降低進入過渡態(tài)所需的活化能；局部底物濃度增加。定向排列：酶使諸底物反應(yīng)基團形成正確的幾何定向關(guān)系，產(chǎn)生有效碰撞?？拷?、多元催化(multielementcatalysis)

多個基元催化形式的協(xié)同作用。一般包括酸-堿催化，共價催化（親核催化,親電子催化）等。酶分子中廣義的酸堿基團：氨基、羧基、巰基、酚羥基、咪唑基。同種基團在不同的微環(huán)境下解離度亦不同。這種多功能基團兼有酸、堿雙重催化效能。3.表面效應(yīng)(surfaceeffect)：酶活性中心的疏水環(huán)境排除了水分子對酶和底物功能基團的干擾、吸引或排斥，防止酶和底物之間形成水化膜，有利于酶和底物的密切接觸。胰凝乳蛋白酶催化芳香族氨基酸羧基構(gòu)成的肽鍵疏水小袋疏水口袋肽鏈底物六、幾種重要的輔酶或輔基1、黃素核苷酸2、煙酰胺核苷酸3、輔酶Q第三章生物無機化學(xué)體系中的

配位化學(xué)原理一晶體場理論及其應(yīng)用二過渡金屬配合物的電子光譜三過渡金屬配合物的磁性四

混配配合物的形成及其生物意義自上世紀(jì)70年代，配位化學(xué)已滲透到生命科學(xué)體系，研究的對象主要包括：金屬酶、金屬輔酶、血紅素及微量金屬在人體中的作用及體內(nèi)金屬離子的平衡等。用配位化學(xué)的方法和原理研究生物分子與金屬離子的作用開創(chuàng)了一門新興科學(xué)——生物無機化學(xué)。80年代，配位化學(xué)向生命科學(xué)體系的更高層次發(fā)展。所以，研究生物無機化學(xué)實質(zhì)是研究有生命意義的配位化學(xué)。第一節(jié)晶體場理論及其應(yīng)用生物配體、蛋白質(zhì)、核酸及酶（氨基酸、肽→蛋白質(zhì)）能和生命元素過渡金屬離子Mn、Fe、Co、Zn、Mo等形成金屬配合物。生物配體與金屬離子形成配合物，必定會引起其性質(zhì)及功能的改變。晶體場理論可對配合物的性能做出比較滿意的解釋。表3-1生物體系中某些金屬與配體金屬配體生物體系Mn咪唑丙酮酸脫羧酶FeFe卟啉，咪唑含硫配體血紅素、氧化酶、過氧化氫酶鐵氧化還原蛋白Co咕啉環(huán)B12ZnZn－NH2，咪唑（－RS）2胰島素、碳酸酐酶醇脫氫酶Pb－SHδ－氨基乙酰丙酮脫水酶Ni半胱氨酸脲酶Cu咪唑、酰胺白蛋白（1）在配合物中，金屬離子與配位體之間的作用，類似于離子晶體中正負離子間的靜電作用，這種作用是純粹的靜電排斥和吸引，即不形成共價鍵。（2）金屬離子在周圍配位體的電場作用下，原來能量相同的五個簡并d軌道發(fā)生分裂，分裂成能級不同的幾組軌道；分裂能Δ的大小與空間構(gòu)型及配位體中心原子的性質(zhì)有關(guān)。（3）由于d軌道的分裂，d軌道上的電子將重新排布，使配位化合物得到穩(wěn)定化能CFSE，CFSE的大小與Δ和中心原子的電子構(gòu)型有關(guān)（電子成對能P）1晶體場理論的要點dxy、dxz

、

dyz

、

dx2-y2、

dz2在球形對稱場中，受到的作用相等，為簡并軌道若有一個配合物ML6，M處于八面體場Oh中,由于L沿著x、y、z軸方向接近中心離子，dxy、dxz

、

dyz

正好插入配位體L的空隙中間，受靜電排斥相對較小，能量較低、而dx2-y2、

dz2正好正對著配位體L，受靜電排斥相對較大，能量較高。d軌道在八面體場中的能級分裂結(jié)論：在Oh場中，

d軌道分裂成兩組：eg組，包括dx2-y2、

dz2，能量上升6／10

Δ0；t2g組，包括dxy、dxz、

dyz，能量下降4／10

Δ0。兩組能級差Δ0稱為分裂能。d軌道在四面體場中的能級分裂兩組軌道的能量與八面體場中正好相反。其能量差用符號△T表示：△T＝

E(t2g)－

E(eg)d軌道在平面正方形場中的能級分裂egt2gdx2–y2dz2dxydxzdyzegt2gdx2–y2dz2dxydxzdyz在球型場中在球型場中dx2–y2dxydz2dyzdxzΔ02/3Δ01/12Δ0dx2–y2dxydz2dyzdxzΔO2/3ΔO01/12Δ0在平面正方形場中在八面體場中不同晶體場中

的相對大小示意圖2

影響

的因素(中心離子,配位體,晶體場)●晶體場類型的影響一般來說，配合物的幾何構(gòu)型同分裂能D的關(guān)系如下：平面正方形場17.42DqNi(CN)4的D=35500cm-1八面體場10Dq的D=33800cm-1四面體場4.45Dq的D=3100cm-1平面四方形>八面體>四面體●配位體對

的影響(弱場配位體和強場配位體):

不同配位體所產(chǎn)生的△0不同，因而△0是配位體晶體場強度的量度。將配位體晶體場按強弱順序排得的序列叫光譜