碩士研究生課程高級生物化學

新鄉(xiāng)醫(yī)學院碩士研究生課程高級生物化學2010.8

生物化學是研究生物體的化學組分及其在生命過程中的化學變化與生物學功能的科學，它既是現(xiàn)代生命科學中承前啟后的基礎學科，又是開創(chuàng)生命科學新紀元的帶頭學科之一。生物化學的基本理論、基礎知識和研究技術(shù)不僅用以深刻地揭示生命運動的本質(zhì)，而且為生物技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎，還日益廣泛地滲透到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護以及人民生活的許多領域。根據(jù)《碩生研究生高級生物化學教學大綱》的精神，本課程以生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能為核心，選擇有代表性的專題，力圖較全靣地反映當代生物化學熱門研究領域的概況和發(fā)展趨勢，以期幫助同學們開拓視野，增強創(chuàng)新意識和科學思維方法，提高自學能力，為今后的專業(yè)課學習和開展研究工作奠定必要的基礎。第一章

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

蛋白質(zhì)是活細胞中含量最豐富、功能最復雜的生物大分子，是各種生物功能主要的體現(xiàn)者。以核酸-蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系為中心，逐漸形成了分子生物學，成為帶領生命科學進入新時代的龍頭。蛋白質(zhì)的功能與其特殊結(jié)構(gòu)有著十分密切的內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)構(gòu)是特定功能的內(nèi)在依據(jù)，功能則是特定結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)。因此，闡明蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系是現(xiàn)代生物化學的基本命題，是揭示生命運動規(guī)律的必由之路。

蛋白質(zhì)的分子組成

第一節(jié)一、組成人體蛋白質(zhì)的組成單位

--氨基酸

（一）氨基酸的構(gòu)型組成蛋白質(zhì)的氨基酸均屬

-氨基酸（脯氨酸除外）。組成蛋白質(zhì)的氨基酸除甘氨酸外其

碳原子均屬不對稱碳原子，且均屬L-氨基酸（甘氨酸除外）。自然界中雖然存在一些D-氨基酸（細菌、細胞壁和某些抗生素），但在人體組成中為什么均為L-氨基酸？H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H根據(jù)生物體內(nèi)蛋白質(zhì)合成過程中的遺傳密碼，可有20種

-氨基酸參與—編碼氨基酸由于側(cè)鏈結(jié)構(gòu)R不同，其性質(zhì)有很大差異可根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)分為以下種類（二）生成蛋白質(zhì)的氨基酸

1、

非極性脂肪族氨基酸（側(cè)鏈含烴鏈）2、

芳香族氨基酸（側(cè)鏈含芳香基團）天冬氨酸asparticacidAspD2.97谷氨酸glutamicacidGluE3.22賴氨酸lysineLysK9.74精氨酸arginine

ArgR10.76組氨酸histidineHisH7.593、酸性氨基酸4、堿性氨基酸（側(cè)鏈含負性解離基團）

（側(cè)鏈含正性解離基團）

總之，酸性與堿性氨基酸

不僅帶電荷，且極性較強，在蛋白質(zhì)分子中常出現(xiàn)在分子表面與環(huán)境中的水分子結(jié)合而使蛋白質(zhì)具有親水性質(zhì)

+二硫鍵-HH-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3-OOC-CH-CH2-SH+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH3HS-CH2-CH-COO-+NH35、含羥基氨基酸、含硫氨基酸與酰胺（三）蛋白質(zhì)的修飾氨基酸蛋白質(zhì)長肽鏈合成后或蛋白質(zhì)翻譯過程中。有些氨基酸殘基經(jīng)過修飾，改變其側(cè)鏈的化學結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)的氨基酸叫修飾氨基酸（modifiedamminoacid)磷酸絲氨酸、磷酸蘇氨酸、磷酸酪氨酸羥基脯氨酸、羥基賴氨酸等，使原有的蛋白出現(xiàn)了新的結(jié)構(gòu)與功能如膠原中出現(xiàn)的羥脯氨酸、羥賴氨酸是形成堅韌的膠原纖維的必要條件二、蛋白質(zhì)的連接方式肽鍵(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鍵。（一）氨基酸通過肽鍵連接而形成肽(peptide)+-HOHNH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-CHOOH甘氨酸

NH-CH-CHOOHH甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽鍵肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物。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……肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。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)。N末端：多肽鏈中有游離α-氨基的一端C末端：多肽鏈中有游離α-羧基的一端多肽鏈有兩端：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)。N末端C末端牛核糖核酸酶蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括:

高級結(jié)構(gòu)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)第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)指多肽鏈中氨基酸殘基的數(shù)目、組成及其排列順序（N-端→C-端），即由共價鍵維系的多肽鏈的二維（線性）結(jié)構(gòu)，不涉及空間排列。二級結(jié)構(gòu)是多肽鏈主鏈（backbone）在氫鍵等次級鍵作用下折疊成的構(gòu)象單元或局部空間結(jié)構(gòu)，未考慮側(cè)鏈的構(gòu)象和整個肽鏈的空間排布。三級結(jié)構(gòu)則指整個肽鏈的氨基酸殘基側(cè)鏈基團互相作用以及與環(huán)境間的相互作用下形成的三維結(jié)構(gòu)。四級結(jié)構(gòu)寡聚體內(nèi)亞基的空間排列定義:蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指在蛋白質(zhì)分子從N-端至C-端的氨基酸排列順序。一、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)主要的化學鍵:肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學功能的基礎，但不是決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的唯一因素。1、種屬差異比較它們的一級結(jié)構(gòu)，研究物種進化間的關(guān)系。在進化中，隨著時間的推蛋白質(zhì)會以一定的概率發(fā)生基因突變，進而可從一級結(jié)構(gòu)中反映出來。不同種屬的生物中具有同一功能的蛋白質(zhì)在進化中往往來自同一祖先，但有種屬差異。如細胞色素C2、同源蛋白質(zhì)指來自同一祖先，隨著進化而分化為具有不同功能特征的蛋白質(zhì)，近年由于大量蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的闡明，為同源蛋白質(zhì)分化的研究提供了理論基礎。如：谷胱甘肽還原酶與硫辛酰胺還原酶均有轉(zhuǎn)移氫到含硫化合物的催化功能，其一級結(jié)構(gòu)中40%以上位置的氨基酸相同。3、蛋白家族與超家族也屬同源蛋白質(zhì)(氨基酸殘基組成少于50%）因其仍為同源蛋白質(zhì)，或者是同一祖先的復制產(chǎn)物，或者其功能近似，稱超家族。

。二、蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對空間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象

。定義:

主要的化學鍵：氫鍵

（一）參與肽鍵形成的6個原子在同一平面上參與肽鍵的6個原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2在平面上所處的位置為反式(trans)構(gòu)型，此同一平面上的6個原子構(gòu)成了所謂的肽單元(peptideunit)

。

-螺旋(

-helix)

-折疊(

-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(

-turn)無規(guī)卷曲(randomcoil)

（二）α-螺旋結(jié)構(gòu)是常見的蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)

-螺旋α-螺旋是多肽鏈的主鏈原子沿一中心軸盤繞所形成的有規(guī)律的螺旋構(gòu)象，其結(jié)構(gòu)特征為：⑴

為一右手螺旋；⑵

螺旋每圈包含3.6個氨基酸殘基，

螺距為5.4A；⑶螺旋以氫鍵維系穩(wěn)定。

α-螺旋特征影響α-螺旋穩(wěn)定的因素有：⑴

極大的側(cè)鏈基團（存在空間位阻）；⑵

連續(xù)存在的側(cè)鏈帶有相同電荷的氨基酸殘基（同種電荷的互斥效應）⑶

有亞氨基酸（Pro）存在（影響氫鍵形成氫鍵β-折疊（β-pleatedsheet）

-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲

-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)。超二級結(jié)構(gòu)（模體）

在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個或三個具有二級結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)組合及特定的空間結(jié)構(gòu)被稱為超二級結(jié)構(gòu)。二級結(jié)構(gòu)組合形式有3種：αα，βαβ，ββ。三、蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)疏水鍵、離子鍵、氫鍵和VanderWaals力等。主要的化學鍵: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。定義:（一）三級結(jié)構(gòu)是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間位置肌紅蛋白(Mb)N端C端（二）結(jié)構(gòu)域

結(jié)構(gòu)域的概念：

結(jié)構(gòu)域是三級結(jié)構(gòu)層次上的局部折疊區(qū)

分子量較大的蛋白質(zhì)?？烧郫B成多個結(jié)構(gòu)較為緊密的區(qū)域，并各行其功能，稱為結(jié)構(gòu)域(domain)。

結(jié)構(gòu)域的概念具有三種不同而又相互聯(lián)系的涵義：即獨立的結(jié)構(gòu)單位、獨立的功能單位和獨立的折疊單位。纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域（三）分子伴侶參與蛋白質(zhì)折疊分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護環(huán)境從而加速蛋白質(zhì)折疊成天然構(gòu)象或形成四級結(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，如此重復進行可防止錯誤的聚集發(fā)生，使肽鏈正確折疊。分子伴侶也可與錯誤聚集的肽段結(jié)合，使之解聚后，再誘導其正確折疊。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。伴侶蛋白在蛋白質(zhì)折疊中的作用球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的特征

（1）球狀蛋白質(zhì)分子含有多種二級結(jié)構(gòu)元件

（2）球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)具有明顯的折疊層次

（3）球狀蛋白質(zhì)分子是緊密的球狀或橢球狀實體（4）球狀蛋白質(zhì)具有疏水的內(nèi)核和親水的表面（5）球狀蛋白質(zhì)分子表面有一空穴

Lactoferrin

乳鐵蛋白Lactoferrin亞基之間的結(jié)合主要是氫鍵和離子鍵。四、含有二條以上多肽鏈的蛋白質(zhì)具有四級結(jié)構(gòu)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)的四級結(jié)構(gòu)。有些蛋白質(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結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的亞基(subunit)。由2個亞基組成的蛋白質(zhì)四級結(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)。血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)

亞基排布方式A煙草花葉病毒的外殼蛋白亞基繞中心軸成螺旋狀排列；BC2對稱的二聚體，每個亞基繞中心軸旋轉(zhuǎn)180°好可與另一亞基重合；CC3對稱的三聚體，每個亞基繞中心軸旋轉(zhuǎn)120°可與另一亞基重合；D四聚體；E六聚體；F八聚體。四級結(jié)構(gòu)的形式具有以下優(yōu)越性：

（1）四級結(jié)構(gòu)賦予蛋白質(zhì)更加復雜的結(jié)構(gòu)，以便執(zhí)行更為復雜的功能。（2）通過亞基間的協(xié)同效應，可以對酶活性進行別構(gòu)調(diào)節(jié)。（3）中間代謝途徑中有關(guān)的酶分子以亞基的形式組裝成結(jié)構(gòu)化多酶復合物，可避免中間產(chǎn)物的浪費，提高了催化效率。

（4）寡聚體的形成在一定程度上降低了細胞內(nèi)滲透壓。

(5）可將大小、種類有限的亞基組裝成具有特殊幾何形狀的超分子復合物第三節(jié)蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein一、蛋白質(zhì)具有兩性電離的性質(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，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團。當?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時，蛋白質(zhì)解離成正、負離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點。蛋白質(zhì)的等電點(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100萬之巨，其分子的直徑可達1～100nm，為膠粒范圍之內(nèi)。顆粒表面電荷水化膜蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素:+++++++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