新鄉醫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，它既是現代生命科學中承前啟后的基礎學科，又是開創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不僅用以深刻地揭示生命運動的本質，而且為生物技術的發展奠定了基礎，還日益廣泛地滲透到工農業生產、醫藥衛生、環境保護以及人民生活的許多領域。根據《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構與功能為核心，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展趨勢，以期幫助同學們開拓視野，增強創新意識和科學思維方法，提高自學能力，為今后的專業課學習和開展研究工作奠定必要的基礎。第一章

蛋白質的結構與功能

蛋白質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者。以核酸-蛋白質的結構、功能及其相互關系為中心，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。蛋白質的功能與其特殊結構有著十分密切的內在聯系，結構是特定功能的內在依據，功能則是特定結構的外在表現。因此，闡明蛋白質的分子結構及其與功能的關系是現代生物化學的基本命題，是揭示生命運動規律的必由之路。

蛋白質的分子組成

第一節一、組成人體蛋白質的組成單位

--氨基酸

（一）氨基酸的構型組成蛋白質的氨基酸均屬

-氨基酸（脯氨酸除外）。組成蛋白質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根據生物體內蛋白質合成過程中的遺傳密碼，可有20種

-氨基酸參與—編碼氨基酸由于側鏈結構R不同，其性質有很大差異可根據側鏈結構和理化性質分為以下種類（二）生成蛋白質的氨基酸

1、

非極性脂肪族氨基酸（側鏈含烴鏈）2、

芳香族氨基酸（側鏈含芳香基團）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（側鏈含負性解離基團）

（側鏈含正性解離基團）

總之，酸性與堿性氨基酸

不僅帶電荷，且極性較強，在蛋白質分子中常出現在分子表面與環境中的水分子結合而使蛋白質具有親水性質

+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）蛋白質的修飾氨基酸蛋白質長肽鏈合成后或蛋白質翻譯過程中。有些氨基酸殘基經過修飾，改變其側鏈的化學結構而出現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，使原有的蛋白出現了新的結構與功能如膠原中出現的羥脯氨酸、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構。N末端C末端牛核糖核酸酶蛋白質的分子結構包括:

高級結構一級結構(primarystructure)二級結構(secondarystructure)三級結構(tertiarystructure)四級結構(quaternarystructure)第二節蛋白質的分子結構一級結構指多肽鏈中氨基酸殘基的數目、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）結構，不涉及空間排列。二級結構是多肽鏈主鏈（backbone）在氫鍵等次級鍵作用下折疊成的構象單元或局部空間結構，未考慮側鏈的構象和整個肽鏈的空間排布。三級結構則指整個肽鏈的氨基酸殘基側鏈基團互相作用以及與環境間的相互作用下形成的三維結構。四級結構寡聚體內亞基的空間排列定義:蛋白質的一級結構指在蛋白質分子從N-端至C-端的氨基酸排列順序。一、蛋白質的一級結構主要的化學鍵:肽鍵，有些蛋白質還包括二硫鍵。一級結構是蛋白質空間構象和特異生物學功能的基礎，但不是決定蛋白質空間構象的唯一因素。1、種屬差異比較它們的一級結構，研究物種進化間的關系。在進化中，隨著時間的推蛋白質會以一定的概率發生基因突變，進而可從一級結構中反映出來。不同種屬的生物中具有同一功能的蛋白質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，近年由于大量蛋白質一級結構的闡明，為同源蛋白質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移氫到含硫化合物的催化功能，其一級結構中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(氨基酸殘基組成少于50%）因其仍為同源蛋白質，或者是同一祖先的復制產物，或者其功能近似，稱超家族。

。二、蛋白質二級結構蛋白質分子中某一段肽鏈的局部空間結構，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鏈的構象

。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)構型，此同一平面上的6個原子構成了所謂的肽單元(peptideunit)

。

-螺旋(

-helix)

-折疊(

-pleatedsheet)

-轉角(

-turn)無規卷曲(randomcoil)

（二）α-螺旋結構是常見的蛋白質二級結構蛋白質二級結構

-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律的螺旋構象，其結構特征為：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螺旋以氫鍵維系穩定。

α-螺旋特征影響α-螺旋穩定的因素有：⑴

極大的側鏈基團（存在空間位阻）；⑵

連續存在的側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）

-轉角和無規卷曲

-轉角無規卷曲是用來闡述沒有確定規律性的那部分肽鏈結構。超二級結構（模體）

在許多蛋白質分子中，可發現二個或三個具有二級結構的肽段，在空間上相互接近，形成一個有規則的二級結構組合及特定的空間結構被稱為超二級結構。二級結構組合形式有3種：αα，βαβ，ββ。三、蛋白質三級結構疏水鍵、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）三級結構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）結構域

結構域的概念：

結構域是三級結構層次上的局部折疊區

分子量較大的蛋白質常可折疊成多個結構較為緊密的區域，并各行其功能，稱為結構域(domain)。

結構域的概念具有三種不同而又相互聯系的涵義：即獨立的結構單位、獨立的功能單位和獨立的折疊單位。纖連蛋白分子的結構域（三）分子伴侶參與蛋白質折疊分子伴侶(chaperon)通過提供一個保護環境從而加速蛋白質折疊成天然構象或形成四級結構。分子伴侶可逆地與未折疊肽段的疏水部分結合隨后松開，如此重復進行可防止錯誤的聚集發生，使肽鏈正確折疊。分子伴侶也可與錯誤聚集的肽段結合，使之解聚后，再誘導其正確折疊。分子伴侶在蛋白質分子折疊過程中二硫鍵的正確形成起了重要的作用。伴侶蛋白在蛋白質折疊中的作用球狀蛋白質三維結構的特征

（1）球狀蛋白質分子含有多種二級結構元件

（2）球狀蛋白質三維結構具有明顯的折疊層次

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

Lactoferrin

乳鐵蛋白Lactoferrin亞基之間的結合主要是氫鍵和離子鍵。四、含有二條以上多肽鏈的蛋白質具有四級結構蛋白質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，稱為蛋白質的四級結構。有些蛋白質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構，稱為蛋白質的亞基(subunit)。由2個亞基組成的蛋白質四級結構中，若亞基分子結構相同，稱之為同二聚體(homodimer)，若亞基分子結構不同，則稱之為異二聚體(heterodimer)。血紅蛋白的四級結構

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120°可與另一亞基重合；D四聚體；E六聚體；F八聚體。四級結構的形式具有以下優越性：

（1）四級結構賦予蛋白質更加復雜的結構，以便執行更為復雜的功能。（2）通過亞基間的協同效應，可以對酶活性進行別構調節。（3）中間代謝途徑中有關的酶分子以亞基的形式組裝成結構化多酶復合物，可避免中間產物的浪費，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蛋白質的理化性質ThePhysicalandChemicalCharactersofProtein一、蛋白質具有兩性電離的性質蛋白質分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側鏈中某些基團，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。當蛋白質溶液處于某一pH時，蛋白質解離成正、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稱為蛋白質的等電點。蛋白質的等電點(isoelectricpoint,pI)二、蛋白質具有膠體性質蛋白質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。顆粒表面電荷水化膜蛋白質膠體穩定的因素:+++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質在等電點的蛋白質水化膜++++++++帶正電荷的蛋白質－－－－－－－－帶負電荷的蛋白質不穩定的蛋白質顆粒酸堿酸堿酸堿脫水作用脫水作用脫水作用溶液中蛋