生物化学32012

生物化学Biochemistry安徽中医药高等专科学校吴剑2正常血红细胞双凹圆碟形例3镰刀型血红细胞正常型---Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys--β链N谷氨酸镰刀型---Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys--β链缬氨酸（极性）（非极性）第二章蛋白质化学蛋白质普遍存在于生物界第一节蛋白质的化学组成•一、蛋白质的元素组成三聚氰胺•三聚氰胺：C3H6N6，俗称密胺、蛋白精，IUPAC命名为“1,3,5-三嗪-2,4,6-三氨基”微溶于水，常温下，在水中的溶解度仅为0.33%二、蛋白质的基本组成单位——氨基酸同分异构现象构造异构constitutional立体异构Stereo-碳链异构(如:丁烷/异丁烷)官能团异构(如:醚/醇)位置异构(如:辛醇/仲辛醇)构型异构configurational构象异构conformational顺反(Z/E)异构光学异构(对映异构)同分异构isomerism手性——实物与其镜像不能完全重合的特性手性分子(S)-(+)-乳酸(R)-(-)-乳酸CCOOHHHOCH3CCOOHH3COHH——具有手性特征的分子•透视式•纽曼投影式•楔形式HHHHHHHHHHHHCOOHCOHCH3H费歇尔投影式HOCOOHCH3HHOCOOHHCH3[规定]投影时，与手性碳相连横向两个键朝前，竖向两个键向后，交叉点为手性碳。含碳原子的原子团在竖立的方向上,同时要尽可能把最高氧化态的基团放在上面,即命名编号最小的碳原子放在上端。顺序法则•费歇尔提出把甘油醛的两种结构分别定义为D,L型,并把其它化合物与之相关连,定义出D,L型.D,L构型表示法中D,L是为人为选择的，是相对于标准物质——甘油醛而来的，所以叫做相对构型。•右旋甘油醛为D构型（拉丁文Dexcro的首字母），左旋甘油醛为L构型（拉丁文Leavo的首字母）。其他化合物的构型是以甘油醛的构型为参照，16(一）氨基酸的结构除甘氨酸外，其他所有构成蛋白质的α-氨基酸都是L-型的。（二）氨基酸的分类•1、按照R的性质分类（1）非极性疏水氨基酸甘氨酸丙氨酸缬氨酸亮氨酸异亮氨酸脯氨酸苯丙氨酸（2）极性中性氨基酸天冬酰胺谷氨酰胺酪氨酸色氨酸（3）酸性氨基酸天冬氨酸谷氨酸（4）碱性氨基酸赖氨酸精氨酸2、根据营养价值分类必需氨基酸人体所需的八种赖氨酸(Lys)缬氨酸(Val)蛋氨酸(Met)色氨酸(Try)亮氨酸(Leu)异亮氨酸(Ile)酪氨酸(Thr)苯丙氨酸(Phe)婴儿时期所需:精氨酸(Arg)、组氨酸(His)早产儿所需：色氨酸(Try)、半胱氨酸(Cys)（三）氨基酸的理化性质•1、两性电离与等电点（pI）COOHNH2H+COO-R-C-HNH2H+R-C-HCOO-NH2R-C-H酸性环境中性环境碱性环境+1-10pK1~2pK2~9.4等电点6.0等电点(isoelectricpoint,pI)分子呈电中性时的溶液的pH值。2、茚三酮反应：除Pro生成黄色化合物外,其它AA生成蓝紫色化合物（570nm）;用途：常用于氨基酸的定性或定量分析。CCCOOO茚三酮CCCOOOHOHH2OH2O水合茚三酮CO2NH2RCHO++++CCCOOHOHH2NCHCOOHRCCCOOOHOH+2NH3CCCOOCCCOO-NH4+NH2O2++CCCOOOCCCOOHHO•氨基酸组分全自动分析仪三、蛋白质分子中氨基酸的连接方式•（一)肽键和肽CHCH2NOHOR1CHCNOHOR2H2HH脱水缩合－OHH－－HOH－CHCH2NOR1CHCNOHOR2HH2O肽键二肽•肽键一个氨基酸的氨基和另一个氨基酸的羧基缩水而成的酰氯键,为蛋白质分子中的主要共价键由两个氨基酸组成的肽称为二肽由几个到十个氨基酸组成的肽称为寡肽由十个以上氨基酸组成的肽则称为多肽多肽和蛋白质分子中的的氨基酸单元称为氨基酸残基。35三、生物活性肽几乎所有生物体内部都存在多种非蛋白质肽。这类物质都有相应的生物活性。通常统称为生物活性肽。生物活性肽是目前生命科学研究的热点领域之一。生物活性肽在组成、结构和大小方面存在很大的差异。脑啡肽•我国中科院上海生化所于1982年5月合成一种具有镇痛作用而又不会像吗啡那样使病人上瘾的药物•谷胱甘肽G-SH•抗氧化、解毒，用于重金属、丙烯腈、氟化物、一氧化碳及有机溶剂等中毒•促甲状腺激素释放激素（TRH）•为下丘脑中促垂体激素的一种。•由谷氨酸，组氨酸及脯氨酸结合成三肽•主要作用于腺垂体促进促甲状腺激素（TSH）释放39“阿斯巴甜”•甜味剂•甜味是蔗糖的200倍•二肽•适用于糖尿病患者•目前安全性有争议(二)多肽链•多个氨基酸经肽键连接而成的链状结构称为多肽链•有开链和环状肽•在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为氨基酸顺序。CCNCCNCCNCCNCCH2CHCH2CH2CH2COO-OHCO2HCH2CONH2OHCH3H3N+OOOOHHHHHHHHHSerValTyrAspGlnCH3N-端C-端肽键•方向性：一条多肽链有两个末端，自由-氨基，称为氨基端或N-端；游离-羧基，称为羧基端或C-端。主链侧链•氨基酸的顺序：N-端→C-端•如上述五肽可表示为：Ser-Val-Tyr-Asp-Gln丝氨酰缬氨酰酪氨酰天冬氨酰谷氨酸第二节蛋白质的分子结构•化学结构：一级结构•空间结构（高级结构）：二级结构三级结构四级结构一级结构蛋白质的结构层次四级结构二级结构三级结构氨基酸一、蛋白质的一级结构•（一）蛋白质一级结构的概念•指多肽链中氨基酸（残基）的排列顺序。•含有二硫键也包括生成二硫键的半胱氨酸残基位置•是蛋白质分子中由肽键相连的基本分子结构•是区分不同蛋白质最基本、最重要的标志之一（二）一级结构是空间结构的基础•决定了多肽链中氨基酸R侧链的位置•R侧链的大小性质决定肽链折叠、盘曲形成的空间结构和功能•一级结构决定其空间结构•不同空间结构和生理功能的分子基础•一级结构由DNA分子上相应核苷酸序列即遗传信息决定•不同生物具有不同遗传物质DNA•编码合成出不同的蛋白质•物种的分子基础二、蛋白质的空间结构•蛋白质分子中各个原子、各个基团在三维空间的相对位置。•决定蛋白质性质和功能的结构基础（一）维持蛋白质空间结构的化学键•共价键•次级键次级键•氢键•盐键•疏水键•范德华引力•次级键由蛋白质分子的主、侧链上的极性、非极性基团和离子基团相互作用而形成的•键能小而多•在维持蛋白质严密空间结构和生理功能上非常重要次级键结构层次与次级键•二级结构氢键•三级结构疏水键•四级结构氢键盐键氢键:蛋白质分子中可以在主链的肽键间形成的氢键也可以是侧链与侧链或侧链与主链间形成的氢键。CCONHHHNCRCORCOHOHCCRCONHCOHC主链-主链间主链-侧链间侧链-侧链间•(2)疏水键(疏水亲脂相互作用)：蛋白质分子的侧链有一些极性很小的基团，这些基团疏水性较强。如缬、亮、异亮、苯丙、色氨酸,它们之间相互接触形成稳定的相，这种力称为疏水亲脂相互作用。疏水键•疏水键盐键(又称盐桥或离子键)由正负电荷间的静电吸引形成的键。共价键•二硫键属于共价键，加固由次级键维系的蛋白质分子严密的空间结构（二）蛋白质的二级结构的概念及类型•指多肽链主链骨架盘旋折叠形成的局部有规则的空间结构•不涉及氨基酸残基R侧链的构象1.α-螺旋1950年美国Pauling等人在研究纤维状蛋白质时，提出了α-螺旋，后来发现在球状蛋白质分子中也存在α-螺旋。α-螺旋的稳定性主要靠氢键来维持,是最稳定的二级结构Pauling1950年，Pauling提出蛋白质二级结构的a-螺旋α-天然蛋白质绝大部分是右手螺旋，到目前为止仅在嗜热菌蛋白酶中发现了一段左手螺旋。α-螺旋结构的要点如下：•氨基酸残基的R-侧链位于螺旋外侧蛋白质多肽链像螺旋一样盘曲上升，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，每圈螺旋的高度为0.54nm，每个氨基酸残基沿轴上升0.15nm。在同一肽链内相邻的螺圈之间形成氢链。2.-折叠•是肽键中比较伸展的空间结构•肽链的主链略呈锯齿状或扇形折叠构象•-折叠可由2~5个肽段之间经C=O与N-H形成氢键形成,氢键方向与肽链长轴方向垂直。氢键•组成-折叠的氨基酸分子通常较小,R基团处于折叠的上下•-折叠可塑性大-折叠-折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。3.β转角(β-turn）肽链出现1800回折的转角处形成的U型结构称为β-转角。多发生在含甘氨酸或脯氨酸残基处对球蛋白形成很重要大多存在球蛋白分子表面•由四个氨基酸残基组成,弯曲处的第一个氨基酸残基的-C=O和第四个残基的–N-H之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。没有共同规律的空间结构,无序构象总称,也象其他二级结构一样是明确而稳定的结构，这类结构常构成酶活性部位和其他一些蛋白质特异的功能部位。4.无规卷曲（randomcoil）H2NCOOH核糖核酸酶分子中的二级结构β-折叠β-转角无规卷曲α-螺旋(三)蛋白质的三级结构1.概念蛋白质的三级结构是指在二级结构基础上，多肽链再进一步折叠盘绕成更复杂的空间结构.包括由主链和侧链原子在空间排布所形成的全部分子结构.•由于多肽链进一步盘曲折叠使得多肽链长轴缩短而成球状或椭圆形•一些在一级结构上相距很远的R基团经过折叠后在空间结构上可以相互靠近形成能发挥生物学功能的特定区域如酶的活性中心.2三级结构的特点•亲水基团位于分子表面•疏水R-侧链内裹形成疏水分子内核•分子内部形成疏水键和氢键等维持空间结构•分子表面有空穴（裂沟、凹槽或口袋等）往往是活性中心蛋白质的三级结构研究最早的肌红蛋白，肌红蛋白是哺乳动物肌肉中运输氧的蛋白质，由一条多肽链构成，有153个氨基酸残基和一个血红素辅基鲸肌红蛋白(四)蛋白质的四级结构两个或以上的具有独立三级结构的多肽链集结,并经非共价键缔合而成的蛋白质空间结构.具有独立三级结构的多肽链称为亚基.一般来说亚基不具有生物活性，即使有也很小，只有当这些亚基聚合成一个完整的蛋白质分子后，才具有生物活性。如血红蛋白血红蛋白是由四个亚基组成，2个α-亚基，2个β-亚基，每个亚基由一条多肽链与一个血红素辅基组成。４个亚基以正四面体的方式排列，彼此之间以非共价键相连（主要是离子键、氢键）。三蛋白质分子结构与功能的关系•(一)蛋白质分子一级结构和功能的关系•一级结构不同，生物学功能各异•蛋白质分子中关键活性部位氨基酸残基的改变会影响其生理功能甚至造成分子病仅仅由于这一点微细的差别，就使患者的红血球在氧气缺乏时呈镰刀状，易胀破发生溶血，运氧机能降低，引起头昏，胸闷等贫血症状。HbAβ-链：Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys…HbSβ-链：Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys…促肾上腺皮质激素或胰岛素•促肾上腺皮质激素（ACTH），由39个氨基酸残基组成，不同种属动物的ACTH，其N—端1~24的氨基酸残基相同，若切去25~39片段，余下1~24肽仍具有全部活性，若在N—末端切去一个氨基酸，反而会使活性明显降低。这表明1~24肽是ACTH的“关键”部分。非关键部位氨基酸残基的改变或缺失不影响生物活性•用化学法合成ACTH时，只需合成有活性的24肽即可，不必合成39肽。•一级结构中“关键部分”相同，功能也相同•不同来源的胰岛素都是由A链（21个氨基酸）和B链（30个氨基酸）组成，其氨基酸的种类和顺序不完全相同，但都具有同样的降血糖的作用。•对胰岛素的一级结构的研究发现，组成胰岛素的51个氨基酸中，有22个氨基酸残基恒定不变，其中多数为带有疏水侧链的非极性氨基酸，分子中6个半胱氨酸的数量和排列位置也恒定不变。三对二硫键使不同来源的胰岛素具有相同的空间构象•这些恒定不变的氨基酸和形成三对二硫键的半胱氨酸是维持胰岛素分子空间构象的“关键”部分，而那些可变的氨基酸残基对形成和稳定胰岛素分子的空间构象不起决定作用，故不影响其生物活性。(二)