生物化學(xué)課件：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能 2015

1828年，在哥廷根大學(xué)任教的化學(xué)家弗里德利克.魏勒（FriedrickWohler）將氰氫銨（ammoniumcyanate）加熱產(chǎn)生了尿素（urea）。Wohler's1828synthesisofurea（二）“燃燒”學(xué)說使“活力論”再次遭遇重創(chuàng)

尤斯圖斯?馮?李比希（JustusVonLiebig）在19世紀(jì)20年代替除了注明的“燃燒”學(xué)說----------動物通過呼吸獲取空氣中的O2，氧化分解攝取的食物，產(chǎn)生水和CO2，并且釋放熱量，保持體溫，維持活力。李比希將食物分為糖，脂和蛋白質(zhì)三大類主要成分，并提出物質(zhì)在生物體內(nèi)可進(jìn)行合成和分解兩種化學(xué)過程。物質(zhì)代謝（metabolism）的概念就這樣產(chǎn)生了。（三）細(xì)胞是生命體的基本結(jié)構(gòu)單位

既然生命活動是以化學(xué)反應(yīng)為基礎(chǔ)的，化學(xué)反應(yīng)又是在何處進(jìn)行的？

1665年，馬爾賽羅?馬琵李（Marcello

Malpighl）發(fā)現(xiàn)紅血球（細(xì)胞）。同年，羅泊特?胡克（Robert

Haoke）發(fā)現(xiàn)植物樹皮細(xì)胞。

（四）血紅蛋白賦予血液紅色化學(xué)家恩斯特?霍普?席勒（ErnstHoppe-Seyler）首次從血液中飛離出血紅蛋白，證明“血液的紅色是由血紅蛋白的顏色引起的”，并在1864年將血紅蛋白制成了結(jié)晶（crystal）。

1877年，霍普?席勒創(chuàng)立了德文

《生理化學(xué)雜志》

（ZeitschriftfurPhysiologischeChemie

）這時，生物化學(xué)從生理學(xué)分出作為一門新的獨(dú)立學(xué)科誕生。

（五）酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)在20世紀(jì)頭20~30年，“酶的非蛋白質(zhì)性質(zhì)”一直束縛著人們的科學(xué)思維，是詹姆斯.薩姆奈（JamesBSumner）（1946年諾貝爾獎）解除了這一科學(xué)禁錮。1926年薩姆奈第一個成功地制備了尿素酶（urease）結(jié)晶并首次證明了酶是蛋白質(zhì)（六）酶是生物化學(xué)反應(yīng)的主宰路易斯.巴斯德（LouisPasteur）首次證明，只有活的酵母細(xì)胞才能進(jìn)行發(fā)酵。

1833年，在巴黎一個糖廠工作的安塞爾.佩國(AnselmePayen)和簡-弗朗休斯.波騷茲（Jean-FrancoisPersoz）從麥芽中分離出一種可使淀粉轉(zhuǎn)變?yōu)樘堑目扇苄晕镔|(zhì)，即淀粉酶(diastase，后來改名為amylase）。隨后，細(xì)胞的發(fā)現(xiàn)人施旺又從胃液中分離出類似于如今胃蛋白酶的物質(zhì)，并證明這種酶是由胃細(xì)胞產(chǎn)生的

。（一）糖酵解又稱恩伯登-麥耶霍夫途徑

細(xì)胞是如何通過分解反應(yīng)獲得能量的？由于同位素示蹤技術(shù)的應(yīng)用，在很多早期工作基礎(chǔ)上，終于在20世紀(jì)30年代末，科學(xué)家們詳細(xì)描述了無氧時葡萄糖的分解途徑——(糖)酵解（glycolysis）的酶促反應(yīng)順序。古斯塔夫·恩伯登(GustavEmbden)和奧托·麥耶霍夫(OttoMeyerhof)(諾貝爾獎，1922)對葡萄糖酵解的分子演繹過程貢獻(xiàn)最大，因此酵解途徑又稱恩伯登-麥耶霍夫途徑(Embden-Meyerhofpathway)。OttoMeyerhofGustavEmbden二20世紀(jì)上半葉是動態(tài)生物化學(xué)階段(二)三羧酸循環(huán)是物質(zhì)氧化分解的最終途徑1932年，HansA.Krebs,KurtHenseleit發(fā)現(xiàn)了尿素循環(huán)(ureacycle)反應(yīng)途徑。1937年，Krebs又揭示了三羧酸循環(huán)(tricarboxylicacidcycle)機(jī)制(諾貝爾獎，1953)。

這些生物化學(xué)知識詳盡描繪了物質(zhì)氧化分解的過程，揭示了生命特征——新陳代謝的化學(xué)本質(zhì)，為認(rèn)識細(xì)胞的功能提供了極有價值的線索，極大地推動了生命科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)步。(三)物質(zhì)代謝與能量代謝偶聯(lián)

1929年，CyrusH.Fiske,YellapragadaSubbarow和KarlLohman分別發(fā)現(xiàn)了腺苷三磷酸(ATP)。

1948年，EugeneKennedy和AlbertLehninger證明，催化三羧酸循環(huán)反應(yīng)的酶都分布在線粒體(mitochondrion)，線粒體內(nèi)膜分布有電子傳遞體，可進(jìn)行氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)反應(yīng)。(四)合成代謝和分解代謝組成“中間代謝”網(wǎng)絡(luò)

50年代末，由于很多代謝途徑被揭示，確立了由合成代謝(anabolism)和分解代謝網(wǎng)絡(luò)組成的“中間代謝”(intermediarymetabolism)概念。三20世紀(jì)50年代生物化學(xué)發(fā)展進(jìn)入分子生物學(xué)時期(一)α螺旋是蛋白質(zhì)分子二級結(jié)構(gòu)形式之一

1951年，LinusPauling(諾貝爾獎，1954)和RobertB.Corey采用X射線衍射(X-raydiffraction)技術(shù)研究蛋白質(zhì)結(jié)晶，發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)分子的二級結(jié)構(gòu)形式α-螺旋(α-helix)。

1953年，F(xiàn)rederickSanger采用化學(xué)方法完成了胰島素(insulin)序列分析(諾貝爾獎,1958)。(三)DNA雙螺旋是揭示遺傳信息傳遞的“敲門磚”

在威爾金斯和弗蘭克林工作的基礎(chǔ)上，沃森和克里克在1953年提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型(doublehelixmodel)(諾貝爾獎，1962)。他們的原創(chuàng)著作在世界著名雜志?自然?(Nature)上發(fā)表，具有劃時代的意義；DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)是揭示遺傳信息傳遞規(guī)律的“敲門磚”和聯(lián)系生物化學(xué)與遺傳學(xué)的“橋梁”。

從此，生物化學(xué)發(fā)展進(jìn)入了以生物大分子結(jié)構(gòu)與功能研究為主體的分子生物學(xué)時期。詹姆斯·沃森（JamesD.Watson）

1953年Watson（美）與Crick（英）提出DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，1962年共獲諾貝爾獎。弗朗西斯·克里克（FrancisH.Crick）（四）遺傳信息按中心法則傳遞認(rèn)知論的兩大杰出成就：一，生物大分子三維結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的認(rèn)識；

二，對生命同一性的認(rèn)識，即生命的基本功能表現(xiàn)為基本相同的生化過程。

復(fù)制

DNA

轉(zhuǎn)錄

RNA

翻譯

蛋白質(zhì)

復(fù)制中心法則：DNA是主宰性的信息的載體（六）DNA“克隆”使基因操作無所不能1969-1972,Arber(瑞士),Smith(美)與Nathans(美)在核酸限制酶的分離與應(yīng)用方面做出突出貢獻(xiàn),1978年共獲諾貝爾獎。HamiltonO.SmithDanielNathansWernerArberPaulBergHerbertBoyerStanleyCohen1973年，PaulBerg，HerbertBoyer和StanleyCohen首次在體外將重組的DNA分子形成無形繁殖系——DNA“克隆”（clone）（諾貝爾獎，1980）。1973Cohen等用核酸限制性內(nèi)切酶EcoR1，首次基因重組成功。1985年，KaryMullis發(fā)明了一種體外擴(kuò)增DNA的專門技術(shù)——聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）（諾貝爾獎，1993）。從此，以重組DNA(RecombinantDNA)操作為核心的重組DNA技術(shù)(RecombinantDNATechnology)迅速發(fā)展，科學(xué)家們分離及操作基因的能力幾乎達(dá)到無所不能的地步。

也正是有了重組DNA工藝學(xué)才使人類基因組計劃得以實施，并對基因組學(xué)（genomics）誕生，工農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)革命產(chǎn)生巨大影響。20世紀(jì)20-30年代，我國生物化學(xué)家吳憲等在血液分析方面，創(chuàng)立了血液的制備及血糖測定方法。1931年，吳憲還提出了國際公認(rèn)的蛋白質(zhì)變性學(xué)說。1940我國生物化學(xué)家劉思職發(fā)現(xiàn)抗體、抗原反應(yīng)存在定量關(guān)系。首先采用定量分析方法研究抗原抗體反應(yīng)機(jī)制。我國科學(xué)家對生物化學(xué)發(fā)展也有貢獻(xiàn)吳憲劉思職人工合成胰島素

1965年，中國科學(xué)院生物化學(xué)研究所、有機(jī)化學(xué)研究所和北京大學(xué)的科學(xué)家首先采用人工方法合成了具有生物活性的牛胰島素。在50-60年代，我國生物化學(xué)家就開始了蛋白質(zhì)化學(xué)研究，系統(tǒng)地提出了蛋白質(zhì)折疊與酶活性調(diào)節(jié)的理論。在1981年，又合成了酵母丙氨酸t(yī)RNA。生物化學(xué)研究生命體的物質(zhì)組成，代謝與功能的關(guān)系

生命的化學(xué)，即生物化學(xué)，就是以生物（包括人）為研究對象或研究材料。主要以化學(xué)科學(xué)特有的理論，技術(shù)和方法，還要綜合生物學(xué)，物理學(xué)，數(shù)學(xué)，計算科學(xué)等的理論和方法，…研究生命個體的物質(zhì)化學(xué)組成，化學(xué)變化及其調(diào)節(jié)，闡明生物體（從受精卵開始）的發(fā)育，生長，衰老，死亡全過程和生殖，遺傳的本質(zhì)和規(guī)律。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能StructureandFunctionofProtein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。蛋白質(zhì)的生物學(xué)重要性分布廣：所有器官、組織都含有蛋白質(zhì)；細(xì)胞的各個部分都含有蛋白質(zhì)。含量高：蛋白質(zhì)是生物體中含量最豐富的生物大分子，約占人體固體成分的45%，而在細(xì)胞中可達(dá)細(xì)胞干重的70%以上。1.蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分作為生物催化劑（酶）代謝調(diào)節(jié)作用免疫保護(hù)作用物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和存儲運(yùn)動與支持作用參與細(xì)胞間信息傳遞2.蛋白質(zhì)具有重要的生物學(xué)功能3.氧化供能蛋白質(zhì)的分子組成

TheMolecularComponentofProtein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，個別蛋白質(zhì)還含有碘。

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、組成人體蛋白質(zhì)的20種氨基酸

均屬于L-

-氨基酸

存在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-α-氨基酸（甘氨酸除外）。H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式RC+NH3COO-H非極性脂肪族氨基酸極性中性氨基酸芳香族氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸二、氨基酸可根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)進(jìn)行分類(一)側(cè)鏈含烴鏈的氨基酸屬于非極性脂肪族氨基酸(二)側(cè)鏈有極性但不帶電荷的氨基酸是極性中性氨基酸甲硫氨酸(三)側(cè)鏈含芳香基團(tuán)的氨基酸是芳香族氨基酸(四)側(cè)鏈含負(fù)性解離基團(tuán)的氨基酸是酸性氨基酸(五)側(cè)鏈含正性解離基團(tuán)的氨基酸屬于堿性氨基酸三、20種氨基酸具有共同或特異的理化性質(zhì)兩性解離及等電點(diǎn)氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。等電點(diǎn)(isoelectricpoint,pI)

在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點(diǎn)。（一）氨基酸具有兩性解離的性質(zhì)pH=pI+OH-pH>pI+H++OH-+H+pH<pI氨基酸的兼性離子陽離子陰離子（二）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)含量的快速簡便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收（三）氨基酸與茚三酮反應(yīng)生成藍(lán)紫色化合物氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍(lán)紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關(guān)系，因此可作為氨基酸定量分析方法。

體內(nèi)存在多種重要的生物活性肽1.谷胱甘肽(glutathione,GSH)

半胱氨酸+胱氨酸二硫鍵-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-+NH3GSH過氧化物酶H2O22GSH2H2OGSSG

GSH還原酶NADPH+H+NADP+GSH與GSSG間的轉(zhuǎn)換

體內(nèi)許多激素屬寡肽或多肽

神經(jīng)肽(neuropeptide)多肽類激素及神經(jīng)肽C（谷氨酸）幾種特殊氨基酸

脯氨酸（亞氨基酸）CH2CHCOO-NH2+CH2CH2CH2CHCOO-NH2+CH2CH2

半胱氨酸+胱氨酸二硫鍵-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-+NH3四、蛋白質(zhì)是由許多氨基酸殘基組成的多肽鏈肽鍵(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。（一）氨基酸通過肽鍵連接而形成肽+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵肽(peptide)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(tuán)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)

TheMolecularStructureofProtein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)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、氨基酸的排列順序決定蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)主要的化學(xué)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(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。二、多肽鏈的局部主鏈構(gòu)象為蛋白質(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)，也就是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

。所謂肽鏈主鏈骨架原子即N（氨基酸）、Ca（a－碳原子）和Co（定義:

主要的化學(xué)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)

。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)主要的化學(xué)鍵:肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。二、多肽鏈的局部主鏈構(gòu)象為蛋白質(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(xué)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)■α-螺旋（三）

-折疊使多肽鏈形成片層結(jié)構(gòu)

-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)。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)。胰島素1胰島素2（五）二級結(jié)構(gòu)可組成蛋白質(zhì)分子中的模體在許多蛋白質(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，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。（五）二級結(jié)構(gòu)可組成蛋白質(zhì)分子中的模體模體－三維空間中有兩個或者三個二級結(jié)構(gòu)的肽段，空間相互接近，形成特殊的構(gòu)想完成特殊的功能。鈣結(jié)合蛋白中結(jié)合鈣離子的模體鋅指結(jié)構(gòu)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模體－三維空間中有兩個或者三個二級結(jié)構(gòu)的肽段，空間相互接近，形成特殊的構(gòu)想完成特殊的功能。（六）氨基酸殘基的側(cè)鏈影響二級結(jié)構(gòu)的形成蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)是以一級結(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，它就會出現(xiàn)相應(yīng)的二級結(jié)構(gòu)。三、多肽鏈在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進(jìn)一步折疊形成三級結(jié)構(gòu)疏水鍵、離子鍵、氫鍵和范德華力等。主要的化學(xué)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ab（二）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)較為緊密且穩(wěn)定的區(qū)域，并各行其功能，稱為結(jié)構(gòu)域(domain)。纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域（三）分子伴侶參與蛋白