生物化学(PDF)版

第一章氨基酸(aminoacid)的结构与性质第一节氨基酸的结构与分类一、氨基酸的结构组成蛋白质的基本单位是氨基酸。如将天然的蛋白质完全水解，最后都可得到约二十种不同的氨基酸。从氨基酸的结构通式可以看出：构成蛋白质的氨基酸均为L—α—氨基酸。除R为H（甘氨酸）外，其余氨基酸均具有旋光性。*在空间各原子有两种排列方式：LLLL—构型与DDDD—构型，它们的关系就像左右手的关系，互为镜像关系，下图以丙氨酸为例：二、氨基酸的分类：1.按氨基酸分子中羧基与氨基的数目分：酸性氨基酸：一氨基二羧基氨基酸，有天冬氨酸、谷氨酸；碱性氨基酸：二氨基一羧基氨基酸，有赖氨酸、精氨酸、组氨酸；中性氨基酸：一氨基一羧基氨基酸，有甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、脯氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸。2.按侧基R基的结构特点分：脂肪族氨基酸芳香族氨基酸：苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸杂环氨基酸：脯氨酸、组氨酸3.按侧基R基与水的关系分：非极性氨基酸：有甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、脯氨酸；极性不带电氨基酸：天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸；极性带电氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸。4.按氨基酸是否能在人体内合成分：必需氨基酸：指人体内不能合成的氨基酸，必须从食物中摄取，有八种：赖氨酸、色氨酸、甲硫氨酸、笨丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸。非必需氨基酸：指人体内可以合成的氨基酸。有十种。半必需氨基酸：指人体内可以合成但合成量不能满足人体需要（特别是婴幼儿时期）的氨基酸，有两种：组氨酸、精氨酸。三、稀有氨基酸:参加天然蛋白质分子组成的氨基酸，除了上述20种有遗传密码的基本氨基酸之外，在少数蛋白质分子中还有一些不常见的氨基酸，称为稀有氨基酸。它们都是在蛋白质分子合成之后，由相应的常见氨基酸分子经酶促化学修饰而成的衍生物。二十种氨基酸的名称和结构如图所示:(注：缺脯氨酸)第二节氨基酸的理化性质一、物理性质形态：均为白色结晶或粉末，不同氨基酸的晶型结构不同。溶解性：一般都溶于水，不溶或微溶于醇，不溶于丙酮，在稀酸和稀碱中溶解性好。熔点：氨基酸的熔点一般都比较高，一般都大于200℃，超过熔点以上氨基酸分解产生胺和二氧化碳。光吸收：氨基酸在可见光范围内无光吸收，在近紫外区含苯环氨基酸有光的吸收。旋光性：除甘氨酸外的氨基酸均有旋光性。二、氨基酸的化学性质1．两性解离及等电点氨基酸分子是一种两性电解质。通过改变溶液的pH可使氨基酸分子的解离状态发生改变。氨基酸分子带有相等正、负电荷时，溶液的pH值称为该氨基酸的等电点(pI)(pI)(pI)(pI)。在某一pH环境下，以两性离子（兼性离子）的形式存在。该pH称为该氨基酸的等电点。所以氨基酸的等电点可以定义为：氨基酸所带正负电荷相等时的溶液pHpHpHpH。以甘氨酸为例，从左向右是用NaOH滴定的曲线，溶液的pH由小到大逐渐升高；从右向左是用HCl滴定的曲线，溶液的pH由大到小逐渐降低。曲线中从左向右第一个拐点是氨基酸羧基解离50%的状态，第二个拐点是氨基酸的等电点，第三个拐点是氨基酸氨基解离50%的状态。通过氨基酸的滴定曲线，可用下列Henderson—Hasselbalch方程求出各解离基团的解离常数(pK,)根据pK，可求出氨基酸的等电点，其等电点左右两个pK，值的算术平均值求出。中性及酸性氨基酸：pI=(pK1，+pK2，)/2中性氨基酸：pK1，为α—羧基的解离常数，pK2，为α—氨基的解离常数。酸性氨基酸：pK1，为α—羧基的解离常数，pK2，为侧链羧基的解离常数。碱性氨基酸：pI=(pK2，+pK3，)/2其中：pK2，为α—氨基的解离常数，pK3，为侧链氨基的解离常数。二十种氨基酸的pK，及等电点(P133)：2.由α—氨基参加的反应1○亚硝酸反应放出氮气，氮气的一半来自氨基氮，一半来自亚硝酸，在通常情况下测定生成的氮气的体积量可计算氨基酸的量，此反应可用于测定蛋白质的水解程度。2○与甲醛的反应用过量的中性甲醛与氨基酸反应，可游离出氢离子，然后用NaOH滴定，从消耗的碱量可以计算出氨基酸的含量。此法称为间接滴定法。3○与2，4—二硝基氟苯（2，4—DNFB）的反应（SangerSangerSangerSanger反应）生成黄色的二硝基苯—氨基酸衍生物。3.α—羧基参加的反应与碱反应成盐与醇反应成酯4.α—氨基与α—羧基共同参加的反应与茚三酮的反应：除脯氨酸与羟脯氨酸外，可与其它氨基酸生成蓝紫色化合物。脯氨酸与羟脯氨酸为黄色化合物。第二章蛋白质第一节概述一、蛋白质的生物学意义（一）、蛋白质是生命活动的物质基础生物体内的蛋白质是除水以外，机体组织中最多的组分，占人体干重的45%。占细菌干重的50—70%。（二）、蛋白质的生物学功能�作为生物催化剂：在体内催化各种物质代谢反应的酶几乎都是蛋白质。�调节代谢反应：一些激素是蛋白质或肽，如胰岛素、生长素。�运输载体：如红细胞中运输O2、CO2要靠Hb（Hemoglobin血红蛋白）、运输脂类物质的是载脂蛋白、运铁蛋白等转运蛋白或叫载体蛋白。�参与机体的运动：如心跳、胃肠蠕动等，依靠与肌肉收缩有关的蛋白质来实现，如肌球蛋白、肌动蛋白。�参与机体的防御：机体抵抗外来侵害的防御机能，靠抗体，抗体也称免疫球蛋白，是蛋白质。�接受传递信息：如口腔中的味觉蛋白、视网膜中的视觉蛋白。�调节或控制细胞的生长、分化、遗传信息的表达。�其它：如鸡蛋清蛋白、牛奶中的酪蛋白是营养和储存蛋白；胶原蛋白、纤维蛋白等属于结构蛋白。还有甜味蛋白、毒素蛋白等都具有特异的生物学功能所以，没有蛋白质就没有生命。二、蛋白质的分类（一）根据分子形状分：球状蛋白质、纤维状蛋白质。（二）根据功能分：活性蛋白质、结构蛋白质。（三）根据组成分：�简单蛋白质：清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶谷蛋白、组蛋白、精蛋白、硬蛋白。�结合蛋白质：色素蛋白、金属蛋白、磷蛋白、核蛋白、脂蛋白、糖蛋白。（四）根据营养价值分：完全蛋白质、不完全蛋白质。三、蛋白质的水解�蛋白质→蛋白胨→多肽→二肽→氨基酸�Mr：〉104〉2x1031000—5002001001.酸水解�条件：5—10倍的20%的盐酸煮沸回流16—24小时，或加压于120℃水解2小时。�优点：可蒸发除去盐酸，水解彻底，终产物为L—α—氨基酸，产物单一，无消旋现象。�缺点：色氨酸破坏，并产生一种黑色的物质：腐黑质，水解夜呈黑色。2.碱水解�条件：4mol/LBa(OH)2或6mol/LNaOH煮沸6小时。�优点：水解彻底，色氨酸不被破坏，水解夜清亮。�缺点：产生消旋产物，破坏的氨基酸多，一般很少使用。3.蛋白酶水解�条件：蛋白酶如胰蛋白酶、糜蛋白酶，常温37—40℃，pH值5—8�优点：氨基酸不被破坏，不发生消旋现象。�缺点：水解不完全，中间产物多。蛋白质酸碱水解常用于蛋白质的组成分析，而酶水解用于制备蛋白质水解产物。第二节蛋白质的分子结构�蛋白质是由许多氨基酸单位通过肽键连接起来的，具有特定分子结构的高分子化合物。�蛋白质的分子结构可人为划分为一、二、三、四级结构。除一级结构外，蛋白质的二、三、四级结构均属于空间结构，即构象。�构象是由于有机分子中单键的旋转所形成的。蛋白质的构象通常由非共价键（次级键）来维系。一、蛋白质的一级结构（一）肽键与肽链蛋白质是由若干氨基酸的氨基与羧基经脱水缩合而连接起来形成的长链化合物。一个氨基酸分子的α-羧基与另一个氨基酸分子的α-氨基在适当的条件下经脱水缩合即生成肽(peptide)(peptide)(peptide)(peptide)。�两氨基酸单位之间的酰胺键，称为肽键。多肽链中的氨基酸单位称为氨基酸残基。�多肽链具有方向性，头端为氨基端（N端），尾端为羧基端（C端）。�凡氨基酸残基数目在50个以上，且具有特定空间结构的肽称蛋白质；凡氨基酸残基数目在50个以下，且无特定空间结构者称多肽。（二）生物活性肽：生物体内具有一定生物学活性的肽类物质称生物活性肽。重要的有谷胱甘肽、神经肽、肽类激素等。1.谷胱甘肽（GSH）：全称为γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸。其巯基可氧化、还原，故有还原型（GSH）与氧化型（GSSG）两种存在形式。谷胱甘肽的生理功用：�解毒作用：与毒物或药物结合，消除其毒性作用；�参与氧化还原反应：作为重要的还原剂，参与体内多种氧化还原反应；�保护巯基酶的活性：使巯基酶的活性基团-SH维持还原状态；�维持红细胞膜结构的稳定：消除氧化剂对红细胞膜结构的破坏作用。2.多肽类激素：种类较多，生理功能各异。主要见于下丘脑及垂体分泌的激素。�胰岛素（Insulin）由51515151个氨基酸残基组成，分为A、B两条链。AAAA链21212121个氨基酸残基，BBBB链30303030个氨基酸残基。A、B两条链之间通过两个二硫键联结在一起，A链另有一个链内二硫键。（三）、蛋白质的一级结构�蛋白质的一级结构是指蛋白质多肽链中通过肽键连接起来的氨基酸的排列顺序，即多肽链的线状结构。�维系蛋白质一级结构的主要化学键为肽键。中文氨基酸残基命名法：酪氨酰甘氨酰甘氨酰苯丙氨酰甲硫氨酸中文单字表示法：酪－甘－甘－苯丙－甲硫三字母符号表示法：TyrGlyGlyPheMet单字母符号表示法：Y·G·G·F·M蛋白质一级结构与功能的关系a.一级结构是空间构象的基础�RNase是由124氨基酸残基组成的单肽链，分子中8个Cys的-SH构成4对二硫键，形成具有一定空间构象的蛋白质分子。�在蛋白质变性剂（如8摩尔的尿素）和一些还原剂（如巯基乙醇）存在下，酶分子中的二硫键全部被N→C还原，酶的空间结构破坏，肽链完全伸展，酶的催化活性完全丧失。�当用透析的方法除去变性剂和巯基乙醇后，发现酶大部分活性恢复，所有的二硫键准确无误地恢复原来状态。b.前体与活性蛋白质一级结构的关系由108个氨基酸残基构成的前胰岛素原pre-proinsulin），在合成的时候完全没有活性，当切去N-端的24个氨基酸信号肽，形成84个氨基酸的胰岛素原（proinsulin），胰岛素原也没活性，在包装分泌时，A、B链之间的33个氨基酸残基被切除，才形成具有活性的胰岛素。c.在镰刀状红细胞贫血患者中，由于基因突变导致血红蛋白β----链第六位氨基酸残基由谷氨酸改变为缬氨酸，血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集，使红细胞变为镰刀状。d.细胞色素c的一级结构与生物进化的关系二、蛋白质分子中的非共价键(次级键)1.氢键：�氢键(hydrogenbond)的形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子之间。�氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重要的作用。�氢键的键能较低(-12kJ/mol)，因而易被破坏。蛋白质分子中氢键的形成蛋白质分子中离子键的形成范德华氏引力2.疏水键：�非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力。�蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，如Leu，Ile，Val，Phe，Ala等的侧链基团。3.离子键（盐键）：�离子键(salt(salt(salt(saltbond)bond)bond)bond)是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。�在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键。4．范德华氏（vanderWaals)引力：原子之间存在的相互作用力。三、蛋白质的二级结构�蛋白质的二级结构是指蛋白质多肽链主链原子局部的空间结构，但不包括与其他肽段的相互关系及侧链构象的内容。维系蛋白质二级结构的主要化学键是氢键。（一）蛋白质立体结构原则：1.由于C=O双键中的π电子云与N原子上的未共用电子对发生“电子共振”，使肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转。2.与肽键相连的六个原子构成刚性平面结构，称为肽单元或肽键平面。但由于α-碳原