生物化学--杨荣武教授

2014年暑期生物学奥林匹克竞赛理论培训辅导南京大学杨荣武一、氨基酸氨基酸的结构通式不同的侧链基团，不同的理化性质蛋白质氨基酸，即标准氨基酸——在蛋白质生物合成中，由专门的tRNA携带，直接参入到蛋白质分子之中˗共22种：20种常见+2种不常见非蛋白质氨基酸——不能直接参入到蛋白质分子之中，或者是蛋白质氨基酸翻译后修饰产物例如：瓜氨酸、鸟氨酸和羟脯氨酸蛋白质氨基酸和非蛋白质氨基酸根据侧链基团的水溶性，氨基酸可以分为：（1）疏水aa——非极性R基团（2）亲水aa——极性的R基团根据对动物的营养价值，氨基酸又可以分为：（1）必需aa（2）非必需aa氨基酸的分类亲水氨基酸，即极性氨基酸，其R基团呈极性，一般能和水分子形成氢键，故对水分子具有一定的亲和性。它们包括：Ser、Thr、Tyr、Cys、Sec、Asn、Gln、Asp、Glu、Pyl、Arg、Lys、His；疏水氨基酸，即非极性氨基酸，其R基团呈非极性，对水分子的亲和性不高或者极低，但对脂溶性物质的亲和性较高。它们包括：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Pro、Met、Phe和Trp。亲水氨基酸VS疏水氨基酸词记亲水氨基酸与疏水氨基酸西湖景，紫竹为骨水潺潺横笛相伴，闲听天簌静思禅流苏落，心比双丝郁中缠亲水氨基酸：西-硒代半胱氨酸；景-精氨酸；竹-组氨酸；骨-谷氨酸谷氨酰胺；伴-半胱氨酸；天-天冬氨酸天冬酰胺；籁-赖氨酸；苏-苏氨酸；落-酪氨酸；比-吡咯赖氨酸；丝-丝氨酸孤雁本色，一行斜去浮生转两鬓白，异家龙井难为甘疏水氨基酸：本-苯丙氨酸；色-色氨酸；斜-缬氨酸；浮-脯氨酸；两-亮氨酸；鬓-丙氨酸；异-异亮氨酸；家-甲硫氨酸；甘-甘氨酸必需氨基酸VS非必需氨基酸必需氨基酸是指人体必不可少，而机体内又不能合成、必须从食物中补充的氨基酸。如果饮食中经常缺少它们，就会影响健康。必需氨基酸共有10种：Lys、Trp、Phe、Met、Thr、Ile、Leu、Val、Arg和His。人体虽能够合成Arg和His，但合成的量通常不能满足正常的需要，因此这两种氨基酸又被称为半必需氨酸。-TipMTVHall余下的氨基酸则属于非必需氨基酸，动物体自身可以进行有效的合成，它们包括：Ala，Asn、Asp、Gln、Glu、Pro、Ser、Cys、Tyr和Gly。一组（组氨酸）笨（苯丙氨酸）蛋（蛋氨酸）精（精氨酸）来（赖氨酸）宿（苏氨酸）舍（色氨酸）住（组氨酸）亮（亮氨酸）凉（异亮氨酸）鞋（缬氨酸）氨基酸的缩合反应与肽的形成氨基酸的手性：D型与L型氨基酸22种蛋白质氨基酸分子中，除了甘氨酸，均至少含有一个不对称碳原子，因此除甘氨酸以外的21种蛋白质氨基酸都具有手性性质。如果以L型甘油醛为参照物，具有不对称碳原子的氨基酸就有D型和L型两种对映异构体。实验证明，蛋白质分子中的不对称氨基酸都是L型。D型氨基酸仅存在于一些特殊的抗菌肽和某些细菌的细胞壁成分之中，它们不能参入到在核糖体上合成的多肽或蛋白质分子之中。氨基酸的构型与其旋光方向没有必然的联系。由于氨基酸既含有碱性的氨基又含有酸性的羧基，因此氨基酸具有特殊的解离性质，但氨基算的碱性和酸性分别弱于单纯的胺和羧酸。一个氨基酸分子内部的酸碱反应使氨基酸能同时带有正负两种电荷，以这种形式存在的离子被称为兼性离子（zwitterions）或两性离子。特殊的酸碱性质与等电点对于任何一种氨基酸来说，总存在一定的pH值，使其净电荷为零，这时的pH值被称为等电点。pI是一个氨基酸的特征常数。在等电点pH时，氨基酸在电场中，不向两极移动，并且绝大多数处于兼性离子状态，少数可能解离成阳离子和阴离子，但解离成阴、阳离子的趋势和数目相等。等电点（pI）氨基酸的主要反应性质所有氨基酸及具有游离α-氨基的肽与茚三酮反应都产生蓝紫色物质，只有脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生黄色物质。氨基酸与茚三酮的反应芳香族氨基酸的紫外吸收性质半胱氨酸的氧化与二硫键的形成二、蛋白质的结构组成的多样性大小的多样性结构的多样性功能的多样性蛋白质的多样性蛋白质可能含有一条或多条肽链1.一条多肽链-单体蛋白2.不止一条多肽链-寡聚蛋白:同源寡聚体-同种肽链异源寡聚体-两种或多种不同的肽链;血红蛋白是一种异源四聚体：2条α链，2条β链。蛋白质可能含有非蛋白质成分1.多肽链+可能是辅助因子（金属离子、辅酶或辅基），也可能是其他修饰。2.例如，羧肽酶的辅助因子是Zn2+；乳酸脱氢酶的辅酶是辅酶I；血红蛋白的辅基是血红素。蛋白质组成的多样性蛋白质结构的多样性1.一级结构(1º):独特的氨基酸序列，由基因决定。2.二级结构(2º):多肽链的主链骨架本身（不包括R基团）在空间上有规律的折叠和盘绕，它是由氨基酸残基非侧链基团之间的氢键决定的。3.三级结构(3º):是指多肽链在二级结构的基础上，进一步盘绕、卷曲和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次级键以及二硫键维系的完整的三维结构。4.四级结构(4º)具有两条和两条以上多肽链的寡聚蛋白质或多聚蛋白质才会有四级结构。其内容包括亚基的种类、数目、空间排布以及亚基之间的相互作用。蛋白质的结构层次是蛋白质的共价（肽键）结构对于每一种蛋白质而言，都是独特的。由编码它的基因的核苷酸序列决定。是遗传信息的一种形式。书写总是从N端到C端。例如，胰岛素A链的一级结构是：Gly-Ile-Val-Glu-Gln-Cys-Cys-Thr-Ser-Ile-Cys-Ser-Leu-Tyr-Gln-Leu-Glu-Asn-Tyr-Cys-Asn蛋白质的一级结构DNA:GGCATTGTGGAACAATGCTGTmRNA:GGCAUUGUGGAACAAUGCUGU蛋白质:Gly-Ile-Val-Glu–Gln-Cys-Cys一种蛋白质的一级结构由编码它的基因的核苷酸序列决定☺具有部分双键的性质（40％），其键长为0.133nm，介于一个典型的单键和一个典型的双键之间。☺具有双键性质的肽键不能自由旋转，与肽键相关的6个原子共处于一个平面，此平面结构被称为酰胺平面或肽平面☺与Cα相连的两个单键可以自由旋转，由此产生两个旋转角☺多为反式，但是X-Pro是例外。☺N带部分正电荷，O带部分负电荷。肽键的结构与性质肽平面及二面角①α螺旋及其他螺旋②β折叠③β转角④β突起⑤环与无规则卷曲前四种二级结构具有规律，反映在拉氏图上具有相对固定的二面角蛋白质的二级结构亲水α-螺旋疏水α-螺旋两亲α-螺旋α螺旋的种类①肽段几乎完全伸展，肽平面之间成锯齿状；②肽段呈现平行排列，相邻肽段之间的肽键形成氢键，其中的每一股肽段被称为β股；③侧链基团垂直于相邻两个肽平面的交线，并交替分布在折叠片层的两侧；④肽段平行的走向有平行和反平行两种，前者指两个肽段的N-端位于同侧，较为少见，后者正好相反。由于反平行折叠所形成的氢键N-H-O三个原子几乎位于同一直线上，因此，反平行β-折叠更稳定。β折叠的主要内容两种β折叠的结构比较①肽链骨架以180º回折而改变了肽链的方向；②由肽链上四个连续的氨基酸残基组成，其中n位氨基酸残基的-C=O与n＋3位氨基酸残基的-NH形成氢键；③Gly和Pro经常出现在这种结构之中；④有利于反平行β折叠的形成，这是因为β转角改变了肽链的走向，促进相邻的肽段各自作为β股，形成β折叠。β转角的主要内容β凸起是由于β折叠的1个β股中额外插入1个氨基酸残基，使原来连续的氢键结构被打破，从而使肽链产生的一种弯曲凸起结构。β凸起主要发现在反平行β折叠之中，只有约5%出现在平行的β折叠结构之中。β凸起也能轻微地改变多肽链的走向。β突起的主要内容在蛋白质分子中，除了上述四种有规则的二级结构以外，还有一些极不规则的二级结构，这些结构统称为无规则卷曲。一般说来，无规则卷曲无固定的走向，有时以环的形式存在，但也不是任意变动的，它的2个二面角（ф,ψ）也有个变化范围。将相邻二级结构连结在一起的环结构（黄色）环与无规则卷曲三级结构是指多肽链在二级结构的基础上，进一步盘绕、卷曲和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次级键（有时还有二硫键和金属配位键）维系的完整的三维结构。三级结构通常由模体和结构域组成。稳定三级结构主要包括氢键、疏水键、离子键、范德华力。蛋白质的三级结构X-射线晶体衍射核磁共振影像（NMR）（少于120aa)。X射线衍射的电子密度图蛋白质晶体被还原出来的三维结构确定蛋白质三级结构的方法是在一个蛋白质分子内的相对独立的球状结构和/或功能模块，是由若干个结构模体组成的相对独立的球形结构单位，它们通常是独自折叠形成的，与蛋白质的功能直接相关。某些结构域在同一个蛋白质分子上被重复使用，某些蛋白质由多个拷贝的一种和多种结构域组成。根据占优势的二级结构元件的类型，结构域可分为五类：（1）α结构域—完全由α螺旋组成；（2）β结构域—只含有β折叠、β转角和不规则环结构；（3）α/β结构域—由β股和起连接的α螺旋片段组成；（4）α+β-结构域—由独立的α螺旋区和β折叠区组成；（5）交联结构域—缺乏特定的二级结构元件，但由几个二硫键或金属离子起稳定作用。结构域（domain）具有两条和两条以上多肽链的寡聚或多聚蛋白质才会有四级结构。组成寡聚蛋白质或多聚蛋白质的每一个亚基都有自己的三级结构。四级结构内容包括亚基的种类、数目、空间排布以及亚基之间的相互作用。四级结构的优势四级结构①一级结构决定高级结构；②蛋白质的折叠伴随着自由能的降低；③驱动蛋白质（特别是球状蛋白质）折叠的主要作用力是疏水键，其他次级键也有作用；④体内绝大多数蛋白质折叠需要分子伴侣的帮助蛋白质的折叠帮助体内球状蛋白折叠的一类蛋白质最常见的分子伴侣有HSP70和伴侣蛋白家族。HSP70通过与部分折叠的蛋白质的疏水区域的临时结合而促进蛋白质的正确折叠。伴侣蛋白则形成大的桶状结构容纳部分折叠的蛋白质完成折叠。一旦蛋白质折叠好，分子伴侣即被释放，然后再参与另一个新生蛋白质的折叠。分子伴侣谁是分子伴侣？海绵状脑病囊性纤维变性阿尔茨海默氏病帕金森氏病与蛋白质错误折叠相关的疾病SE是一种致命性神经退化性疾病，因受感染的动物在脑病某些部位出现海绵状的空洞而得名。SE的致病因子是一种折叠异常的朊蛋白PrPsc。正常动物含有PrPc。两者的一级结构完全一样，但构象不同。如果正常PrPc折叠发生错误，可变成PrPsc。PrPsc一旦形成后，自身可以作为模板，催化更多的PrPc向PrPsc转变。PrPc与PrPsc被认为具有相同的能量状态。但PrPc自发重折叠成PrPsc的可能性很低，这是因为两者的转变需要非常大的活化能。家族型朊蛋白疾病是PrPc基因突变造成的。突变降低了PrPc重折叠成PrPsc的活化能。PrPc基因被敲除的小鼠不会再得SE。海绵状脑病（SE）三、蛋白质的性质紫外吸收：最大吸收峰为280nm两性解离：蛋白质的pI值不能直接计算，只能使用等电聚焦等方法进行测定胶体性质沉淀反应：盐析、pI沉淀、有机溶剂引起的沉淀和重金属盐作用造成的沉淀变性、复性水解:酸水解、碱水解和酶促水解颜色反应蛋白质的理化性质蛋白质受到某些理化因素的作用，其高级结构受到破坏、生物活性随之丧失的现象。导致蛋白质变性的物理因素有：加热、冷却、机械作用、流体压力和辐射；化学因素有强酸、强碱、高浓度盐、尿素、重金属盐、疏水分子和有机溶剂。蛋白质变性以后，其理化性质发生一系列的变化。这些变化可以作为检测蛋白质变性的指标。主要变化包括：（1）溶解度降低。（2）黏度增加。（3）生物活性丧失。（4）更容易被水解。（5）结晶行为发生变化。蛋白质变性蛋白质的各种颜色反应四、核苷酸嘧啶①胞嘧啶(DNA,RNA)②尿嘧啶(RNA)③胸腺嘧啶(DNA)嘌呤①腺嘌呤(DNA,RNA)②鸟嘌呤(DNA,RNA)碱基碱基几乎不溶于水，这与其芳香族的杂环结构有关。互变异构酸碱解离强烈的紫外吸收，其最大吸收值在260nm。碱基的性质碱基的互变异构D-核糖存在于RNA2-脱氧-D-核糖存在于DNA差别