第一章糖和糖化學(xué)

第一節(jié)單糖

糖是自然界分布最廣泛、含量最豐富的生物有機分子。糖包括單糖和單糖的聚合物，糖

的衍生物既包括簡單的代謝物又包括與糖共價連接的蛋白質(zhì)和脂分子。

糖可以按照所含的單體數(shù)目分類。單糖是糖結(jié)構(gòu)的單體，可以用經(jīng)驗公式（CH2O）n

表示。其中n是3或大于3（n通常為5或6,但也可達(dá)到9）。寡糖是2到大約20個單糖殘

基的聚合物。而多糖中單糖數(shù)目都大于20。由相同糖構(gòu)成的聚合物稱為同多糖，由不同糖

組成的聚合物（異多糖）。

通常講的簡單糖是指單糖或二糖，而復(fù)雜糖指的是多糖和結(jié)合多糖。結(jié)合多糖是糖的衍

生物，包括肽多糖、蛋白多糖、糖蛋白和糖脂。

單糖分子結(jié)構(gòu)：

單糖是有甜味的、水溶性的白色結(jié)晶固體。單糖至少含有3個碳原子，是多羥基的醛或

酮。單糖?般分為醛糖（aldoses）和酮糖（ketoses）兩類。醛糖中氧化數(shù)最高的碳原子指定

為C-L它被畫在醛糖的Fischer投影式的頂部。酮糖中氧化數(shù)最高的碳原子是C-2。

最小的單糖是三碳糖一甘油醛（glyceraldehyde）,甘油醛是個手性分子，分子中的C-2

是個不對稱碳。

三碳酮糖稱為二羥丙酮（dihydroxyacetone）,它沒有不對稱碳，是個非手性分子。其它

所有單糖都可以看作是這兩個單糖的碳鏈的加長，都是手性分子。長鏈的醛糖和酮糖都可以

認(rèn)為是將一個手性的H-C-OH插入到甘油醛的黑基和相鄰的醇基之間的延長產(chǎn)物。

二.單糖環(huán)式結(jié)構(gòu)

研究表明，D-葡萄糖存在著兩種類型，每一種都含有5個（而不是通常的4個）不對稱

碳。這個額外的不對稱碳來自分子內(nèi)的環(huán)化反應(yīng)，這兩個新的立體異構(gòu)體稱為異頭物

（anomers）。

當(dāng)醉與醛反應(yīng)形成半縮醛，或醇與酮反應(yīng)形成半縮酮時，由玻基的非手性的sp2-雜化碳

原子形成一個sp3-雜化碳原子。

三.單糖構(gòu)象

含有sp3-雜化（四面體）碳的環(huán)結(jié)構(gòu)實際上不是一個平面，例如此喃環(huán)傾向于椅式構(gòu)象

或船式構(gòu)象。

對于每個毗喃糖，都存在著6種不同的船式構(gòu)象和2種不同的椅式構(gòu)象。由于在椅式構(gòu)

象中可以使環(huán)內(nèi)原子的立體排斥減到最小，所以椅式構(gòu)象比船式更穩(wěn)定。

四.單糖的還原性

單糖和大多數(shù)多糖都含有一個可反應(yīng)的魏基，容易被較弱的氧化劑（例如Fe3+離子或

G?+離子）氧化為竣酸，這樣的糖稱為還原糖（reducingsugars）（下圖）。這一特性常用于

糖的分析，是Fehling反應(yīng)的基礎(chǔ)。利用Fehling反應(yīng)可定性測定還原糖的存在，通過測定

被糖溶液還原的氧化劑的量，也可估算出糖的濃度。

第二節(jié)單糖衍生物

--磷酸糖

磷酸丙糖和5-磷酸核糖是最簡單的磷酸糖。在葡萄糖-1-磷酸中，由于磷酸基團是連在

異頭碳的氧上，所以磷酸形成了一個半縮醛磷酸，而不是?個醇磷酸。由于這一化學(xué)上的差

異，所以用于水解葡萄糖-1-磷酸的AG要比水解葡萄糖-6-磷酸的AG更負(fù)。

脫氧糖

下圖給出了4種脫氧糖，其中有3個是H取代了原來單糖的羥基后生成的。2-脫氧-D-

核糖是用于DNA合成的構(gòu)件分子。6-脫氧己糖L-巖藻糖（6-脫氧-L-半乳糖）和L-鼠李糖（6-

脫氧-L-甘露糖）廣泛存在于植物、動物和微生物中，并且常出現(xiàn)在寡糖和多糖中。

三.氨基糖

有很多糖是由原來單糖上的羥基被氨基取代后形成的，有時氨基被乙酰化。由葡萄糖和

半乳糖形成的氨基糖經(jīng)常出現(xiàn)在結(jié)合多糖中，N-乙酰葡萄糖胺也是同多糖幾丁質(zhì)的單體。

而N-乙酰神經(jīng)氨酸是由N-乙酰甘露糖胺和丙酮酸生成的，當(dāng)該化合物環(huán)化形成毗喃時，來

自丙酮酸成分的埃基與C-6的羥基反應(yīng)。N-乙酰神經(jīng)氨酸是許多糖蛋白的重要成分，也是

稱之神經(jīng)節(jié)甘脂脂類的成分。神經(jīng)氨酸和它的衍生物，包括N-乙酰神經(jīng)氨酸都叫做唾液酸。

四.糖醇

所謂糖醇是原來單糖的鼠基氧被還原，生成的多羥基醇。下圖給出了5種糖醇的結(jié)構(gòu)。

甘油和肌醇都是脂的重要成分；核醉是FMN和FAD的成分，也是磷壁酸的成分，磷壁酸

是一個復(fù)雜的聚合物，常出現(xiàn)在某些Gram-陽性細(xì)菌的細(xì)胞壁中。木糖醇是木糖的衍生物，

它是無糖的咀嚼膠的成分。D-山梨糖醇是發(fā)生在某些組織中的由葡萄糖轉(zhuǎn)化為果糖的代謝

途徑中的中間產(chǎn)物。

五.糖酸

糖酸是山醛糖衍生的竣酸，葡萄糖通過醛糖的C-1的氧化可以生成葡糖酸，或者是通過

最高編號的碳的氧化產(chǎn)生葡糖醛酸。下圖給出了D-葡萄糖的衍生物一D-葡糖酸和葡糖醛酸

的結(jié)構(gòu)。葡糖酸以開鏈的形式存在于堿性溶液中，當(dāng)酸化時可以形成內(nèi)酯。葡糖醛酸以毗喃

糖形式存在，因此含有異頭碳原子。糖酸是許多多糖的重要成分。

第三節(jié)二糖

單糖聚合物中的一級結(jié)構(gòu)鍵稱為糖背鍵(glycosidicbond)。糖首鍵是由糖分子的異頭碳

與醇、胺或疏基縮合形成的縮醛鍵。含有糖料鍵的化合物稱為糖普(glycosides)0

麥芽糖是由個a-糖背鍵連接起來的兩個D-葡萄糖構(gòu)成的。糖背鍵連接著一個殘基的

C-1與第二個殘基的C-4上的氧。所以麥芽糖的命名是a-D-毗喃葡糖酰-(1-4)-D-葡萄糖。

纖維二糖(B-D-葡萄糖基-(1-4)-D-葡萄糖)是葡萄糖的另一個二聚體。纖維二糖與

麥芽糖的區(qū)別就在于糖背鍵，纖維二糖中是B糖甘鍵，而麥芽糖中是a糖昔鍵。

乳糖(B-D-半乳糖酰-(1—4)-D-葡萄糖)是奶中主要的糖，它是纖維二糖的差向異構(gòu)

體。

蔗糖(a-D-口比喃葡糖酰-(1-2)-B-D-吠喃果糖甘)，或稱為食糖，是自然界中最豐富

的二糖，它只在植物中合成。蔗糖與其它3種二糖的區(qū)別在糖甘鍵，蔗糖中的糖甘鍵是由兩

個異頭碳連接形成的。蔗糖中的毗喃葡萄糖和吠喃果糖殘基被固定，無論那個殘基都不能自

由地處于a和B異構(gòu)體之間的平衡中。

第四節(jié)多糖

淀粉和糖原

淀粉是植物和真菌中貯存最多的葡萄糖同多糖。在植物細(xì)胞中，淀粉以直鏈淀粉和支鏈

淀粉的混合物形式貯存于直徑3?lOOum的顆粒中。直鏈淀粉沒有分支，大約由100至1000

個D-葡萄糖通過a(1-4)糖音鍵連接形成(下圖a)。支鏈淀粉是直鏈淀粉上又帶有分支

的淀粉(下圖b)。支鏈淀粉中除含有a(1-4)糖昔鍵外，還含有分支點處的a(1-6)糖

背鍵。平均每隔25個葡萄糖殘基就出現(xiàn)一個分支，分支也稱之側(cè)鏈，大約含有15到25個

葡萄糖殘基，某些側(cè)鏈本身還含有分支。

飲食中的淀粉在胃腸道被a-淀粉酶(a-amylose)和去分支酶(debranchingenzyme)催

化降解。動物和植物都含有a-淀粉酶，而供淀粉酶存在于某些高等植物的種子和塊莖中。兩

種淀粉酶都只作用于a(1-4)-D-糖背鍵。下圖給出了a和供淀粉酶作用于淀粉的部位。

糖原是在動物和細(xì)菌中貯存的葡萄糖同多糖。糖原也是帶有分支的葡萄糖殘基的聚合

物。與支鏈淀粉相同，糖原也含有a(1-6)糖昔鍵，但分支出現(xiàn)的頻率非常高，而且側(cè)鏈

含有的葡萄糖殘基較少。

二.纖維素

植物細(xì)胞壁含有高百分比的結(jié)構(gòu)同多糖纖維素，纖維素大約占生物圈中的有機物質(zhì)的

50%以上。不象貯存多糖那樣位于細(xì)胞內(nèi)，纖維素和其它結(jié)構(gòu)多糖是山細(xì)胞內(nèi)合成然后分泌

出來的細(xì)胞外分子。象直鏈淀粉那樣，纖維素是一個葡萄糖殘基的線性同多糖，但纖維素中

的葡萄糖殘基是通過B(1-4)糖昔鍵連接的，而不是a(1-4)糖背鍵(下圖)。棉花纖維幾

乎都是纖維素，而木材纖維有一半是纖維素。纖維素分子大小變化很大，范圍從300到15000

個葡萄糖殘基。

三.幾丁質(zhì)

幾丁質(zhì)(chitin)是在昆蟲和甲殼綱的外骨骼中發(fā)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)同多糖，也存在于大多數(shù)真

菌和許多藻類的細(xì)胞壁中。幾丁質(zhì)是一個線性的聚合物，是由0(1-4)連接的N-乙酰葡萄

糖胺殘基(acetylglucosamine,GlcNAc)組成的(如下圖)。相鄰鏈的GlcNAc殘基相互形成

氫鍵，形成具有很大強度的線性微原纖維。

第五節(jié)雜多糖

肽聚糖

肽聚糖是細(xì)菌細(xì)胞壁的主要成分，是由連有小肽的聚糖成分組成的。聚糖成分由交替的

N-乙酰葡糖胺(N-acetylglucosamine,GlcNAc)和N-乙:酰胞壁酸(N-acetymuramic

acid,MurNAc)通過0(1-4)鍵連接形成的聚糖鏈。

溶菌酶的功能是抗菌，它催化肽聚糖的MurNAc和GlcNAc之間的［3(1-4)鍵的水解,

使得細(xì)菌細(xì)胞壁降解。

二.糖蛋白

糖蛋白是連有糖鏈的蛋白質(zhì)，血漿蛋白質(zhì)、膜蛋白、某些酶和一些激素都屬于糖蛋白。

糖蛋白中的糖鏈的長度變化很大，由1到30個糖殘基組成，這些糖鏈有時決定了糖蛋白的

結(jié)構(gòu)和生物學(xué)作用。糖蛋白分為三種主要類型：O-糖甘鍵型糖蛋白(O-linkedglycoproteins)、

N-糖甘鍵型糖蛋白(N-linkedglycoproteins)(下圖)和連有磷脂酰肌醇-聚糖的糖蛋白

(phosphalidylinositol-glycan-linkedglycoproteins)(如右圖)。細(xì)胞膜和血漿中都發(fā)現(xiàn)有0-

和N-糖背鍵型的糖蛋白，而連有磷脂酰肌醇-聚糖的糖蛋白主要出現(xiàn)在質(zhì)膜的外表面。

三.蛋白聚糖

蛋白聚糖(下圖)是由糖胺聚糖和特殊的核心蛋白和連接蛋白相互作用形成的。蛋白聚

糖是細(xì)胞外基質(zhì)中的重要成分。軟骨中的蛋白聚糖聚集體中含有透明質(zhì)酸(hyaluronicacid)、

硫酸角質(zhì)素(keratansulfate)、硫酸軟骨素(chondroitinsulfate)>連接蛋白(linkprotein)>

核心蛋白(comprotein)和大量的寡糖鏈。從電子顯微鏡拍攝的照片看，軟骨蛋白聚糖的形

狀象羽毛或是實驗室中的瓶刷子。中心的透明質(zhì)酸鏈穿過聚集體，帶有糖胺聚糖的核心蛋白

粘附在透明質(zhì)酸鏈的側(cè)面，象是透明質(zhì)酸鏈長出的支鏈。透明質(zhì)酸是通過非共價鍵(主要靜

電相互作用)與核心蛋白相互作用，這些相互作用又被大量的連接蛋白與透明質(zhì)酸和核心蛋

白的相互作用(也主要是靜電作用)所穩(wěn)定。每個核心蛋白大約共價結(jié)合100個分子的硫酸

軟骨素。

第二章脂和生物膜

第一節(jié)脂結(jié)構(gòu)、功能的多樣性

脂常被定義為不溶于水的（或微溶的）有機化合物。有些脂是疏水性分子（非極性的）,

有些脂是兩性分子（同時含有非極性和極性基團）。

脂結(jié)構(gòu)、功能的多樣性

最簡單的脂是脂肪酸，脂肪酸是通式為R-COOH的單竣酸。下圖給出了主要類型的脂

以及它們彼此之間的關(guān)系。含有磷酸基團的脂都?xì)w類于磷脂；含有鞘氨醇和糖成分的脂稱之

鞘糖脂，而由異戊二烯衍生出來的脂稱之聚異戊二烯化合物，或稱之類異戊二烯。葩指的是

所有異戊二烯化合物，但通常被限制在植物中存在的化合物。

兩性脂（包括甘油磷脂和鞘磷脂）是所有生物膜的重要結(jié)構(gòu)成分。在某些生物中，脂肪

和油是作為細(xì)胞內(nèi)用于代謝產(chǎn)能的貯存分子。脂肪可以使動物保溫。蠟作為細(xì)胞壁、外骨骼

和皮膚的成分給生物體提供個保護(hù)表面的屏障。動物中固醉類激素可以調(diào)節(jié)許多代謝過

程，前列腺素被用于調(diào)節(jié)血壓、體溫和平滑肌的收縮。神經(jīng)節(jié)甘脂和其它的鞘糖脂都位于細(xì)

胞表面，可能參與細(xì)胞的識別。

第二節(jié)脂肪酸

在微生物、植物和動物的脂中大約存在著100多種不同的脂肪酸。哺乳動物中常見的一

些脂肪酸列在第節(jié)列表中。大多數(shù)脂肪酸都有一個處于4.5?5.0范圍內(nèi)的pK值，所以它

們在生理pH下可以離子化。

根據(jù)IUPAC的標(biāo)準(zhǔn)命名，竣基碳被指定為C-1而其余的碳依次編號。但在通常的命名

中，常使用希臘字母標(biāo)記碳原子，與竣基毗鄰的碳（IUPAC標(biāo)準(zhǔn)命名中的C-2）被指定為a

碳，其余的碳依次用B、Y、6、e等字母表示。希臘字母3常用于特指離竣基最遠(yuǎn)的碳原

子，無論煌鏈有多長，實際上就是代表脂肪酸的末端碳（右圖）。

脂肪酸燒鏈的長度和不飽和度對脂肪酸的熔點影響很大。隨著燒鏈長度的增加，飽和脂

肪酸的熔點也隨之增高。這是由于當(dāng)煌鏈增加時，相鄰堤鏈之間的VanderWaals相互作用

也增強，所以融解時就需要更多的能量去破壞VanderWaals相互作用。從硬脂酸（18：0）、

油酸(18：1)和亞麻酸(18：3)的結(jié)構(gòu)可以看出，硬脂酸的飽和燒鏈?zhǔn)侨嵝缘逆湥?/p>

雙鍵的油酸和亞麻酸的爛鏈卻表現(xiàn)出明顯的彎曲形狀，這是因為圍繞雙鍵的旋轉(zhuǎn)受到阻礙。

這種彎曲妨礙了緊密接觸和有序結(jié)晶的形成，因此減少了燒鏈內(nèi)的VanderWaals相互作用，

所以cis不飽和脂肪酸的熔點比同等鏈長的飽和脂肪酸的熔點低。當(dāng)脂肪酸的不飽和度增加

時，脂變得更液體化。

第三節(jié)三脂酰甘油

脂肪酸可以作為代謝中的重要的燃料分子，脂肪酸氧化獲得的能量(?37kj/g-l)比蛋

白質(zhì)或糖氧化產(chǎn)生的能量(?16kj/g-l)高得多。脂肪酸通常都是以中性脂三脂酰甘油

(triacylglycerols)(下圖)形式貯存的。三脂酰甘油是中性(非離子化)、非極性(疏水)

脂。與糖不同，三脂酰甘油是疏水的，所以它可以貯存在無水的環(huán)境中，而不會被水溶劑化,

水占據(jù)空間，同時增加重量和降低能量貯存的效率。

第四節(jié)甘油磷脂

三脂酰甘油不是兩性脂，所以不能形成脂雙層膜。膜中最豐富的脂是甘油磷脂

(glycerophospholipids),這類脂都含有甘油骨架(下圖)。

最簡單的甘油磷脂是磷脂酸(phosphatidate),它是由兩個在甘油-3-磷酸的C-1和C-2

處成酯的脂酰基組成的。在更復(fù)雜的甘油磷脂中，磷酸與甘油以及另一個帶有一個-0H的化

合物都發(fā)生酯化反應(yīng)。表6.2給出了一些常見的甘油磷脂的結(jié)構(gòu)。其中磷脂酰乙醇胺

(phosphatidylethanolamine)、磷脂酰膽堿(phosphatidylcholine)和磷脂酰絲氨酸

(phosphatidylserine)3種甘油磷脂是生物膜脂的最主要成員。

磷脂酶A1和A2分別特異地催化甘油磷脂中C-1和C-2位置酯鍵的水解(左圖)。由

磷脂酶A作用產(chǎn)生的高濃度的溶血磷脂(lysophosphoglycerides)可能會破壞細(xì)胞膜，其它

兩種磷脂酶C和D,磷脂酶C催化甘油和磷酸之間的鍵的水解，釋放出二脂酰甘油，磷脂

酶D催化甘油磷脂水解生成磷脂酸。

大多數(shù)甘油磷脂是由脂肪酸通過酯化作用與甘油連接的，但縮醛磷脂(plasmalogen)

有一個煌鏈?zhǔn)峭ㄟ^一個乙烯酸鍵與甘油骨架的C-1連接的（下圖左）。血小板激活因子

（plateletactivatingfactor,PAF）分子中的甘油骨架C-1處連有烷酸基，而C-2處連有乙酰

基（下圖右）。

第五節(jié)鞘脂和膽固醇

「鞘脂

大多數(shù)膜系統(tǒng)中的大部分脂是甘油磷脂，但在植物和動物細(xì)胞膜中還存在著其它的兩性

脂一鞘脂（sphingolipids）,鞘脂在哺乳動物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)組織中含量特別豐富。鞘脂的結(jié)

構(gòu)骨架是鞘氨醇（sphingosine）（下圖左）。所有鞘脂代謝的前體一神經(jīng)酰胺（ceramide）是

由一個通過酰胺鍵與鞘氨醇的C-2氨基連接的脂肪酸構(gòu)成的（下圖右），鞘脂家族中的三個

主要成員是鞘磷脂（sphingomyelins）、腦背脂（cerebrosides）和神經(jīng)節(jié)音脂（gangliosides）。

二.膽固醇

膽固醉是真核生物中常見的第三類膜脂。膽固醇和脂溶性維生素常常被歸類于聚異戊二

烯化合物，因為化合物的結(jié)構(gòu)與5碳的異戊二烯分子有關(guān)。膽固醇有一個由4個稠環(huán)組成的

環(huán)形核一環(huán)戊烷多氯菲。其中3個環(huán)是6碳環(huán)（A、B和C環(huán)），一個環(huán)是5碳環(huán)（D環(huán)）（右

圖）。膽固醉分子中C-3處有一個羥基，這也是稱之"醉”的緣故。另外分子中的C-10和C-13

處都連有甲基，同時?個8碳的側(cè)鏈連接在C-17匕

盡管膽固醇與心血管疾病有關(guān)聯(lián)，但它在哺乳動物的生物化學(xué)中起著必不可少的作用。

膽固醇可以山哺乳動物細(xì)胞合成，它不僅是某些膜的成分，而且也是類固醇激素和膽酸鹽的

前體。類固醇激素包括睪酮（雄性激素）和雌二醉（雌性激素之-）以及醛固酮（來自腎上

腺，調(diào)節(jié)鹽分泌）。從這些固醇化合物的結(jié)構(gòu)看，膽固醇的疏水性要比甘油磷脂和鞘脂強得

多，因為膽固醇中C-3的羥基是分子中唯一的極性成分，游離的膽固醇在水中的最大濃度是

10-8Mo膽固醇的環(huán)結(jié)構(gòu)是剛性的，比其它大多數(shù)脂的柔性低，所以膜中膽固醇有調(diào)節(jié)哺

乳動物細(xì)胞膜流動性的作用。

第六節(jié)脂雙層

一個典型的生物膜含有磷脂、糖鞘脂和膽固醇（在一些真核細(xì)胞中）。膜含有的脂有一

共同的特點，它們都是兩性分子，含有極性成分和非極性成分。磷脂和糖鞘脂在一定的條件

下可以象肥皂那樣形成單層膜或微團，然而在體內(nèi)這些脂傾向于組裝成一個脂雙層。由于磷

脂和糖鞘脂含有兩條燒鏈的尾巴，不能很好地包裝成微團，卻可以精巧地組裝成脂雙層(下

圖)。但并不是所有的兩性脂都可以形成脂雙層，如膽固醇，其分子中的極性基團一0H相

對于疏水的稠環(huán)系統(tǒng)太小了。在生物膜中，不能形成脂雙層的膽固醇和其它脂(大約占整個

膜脂的30%)可以穩(wěn)定地排列在其余70%脂組成的脂雙層中。

脂雙層內(nèi)脂分子的疏水尾巴指向雙層內(nèi)部，而它們的親水頭部與每一面的水相接觸，磷

脂中帶正電荷和負(fù)電荷的頭部基團為脂雙層提供了兩層離子表面，雙層的內(nèi)部是高度非極性

的。脂雙層傾向于閉合形成球形結(jié)構(gòu)，這一特性可以減少脂雙層的疏水邊界與水相之間的不

利的接觸。在實驗室里可以合成山脂雙層構(gòu)成的小泡，小泡內(nèi)是一個水相空間，這樣的脂雙

層結(jié)構(gòu)稱為脂質(zhì)體(liposomes),它相當(dāng)穩(wěn)定，并且對許多物質(zhì)是不通透的。可以包裹藥物

分子，將藥物帶到體內(nèi)特定組織。

第七節(jié)流動鑲嵌模型

脂雙層形成了所有生物膜的基礎(chǔ)，而蛋白質(zhì)是生物膜的必要成分。不含蛋白質(zhì)的脂雙層

的厚度大約是5?6nm,而典型的生物膜的厚度大約是6?10nm,這是由于存在著鑲嵌在膜

中或與膜結(jié)合的蛋白質(zhì)的緣故。

1972年，S.JonathanSinger和GarthL.Nicolson就生物膜的結(jié)構(gòu)提出了流動鑲嵌模型

(fluidmosaicmodel)?根據(jù)這一模型的描述，膜蛋白看上去象是圓形的“冰山”飄浮在高

度流動的脂雙層"海"中(下圖)。內(nèi)在膜蛋白(integralmembraneproteins)插入或跨越脂

雙層，與疏水內(nèi)部接觸。外周膜蛋白(peripheralmembraneproteins)與膜表面松散連接。生

物膜是一個動態(tài)結(jié)構(gòu)，即膜中的蛋白質(zhì)和脂可以快速地在雙層中的每?層內(nèi)側(cè)向擴散。盡管

現(xiàn)在對原來的流動鑲嵌模型中的某些方面作了一些修正和補充，但該模型時至今日仍然是基

本正確的。

第八節(jié)膜的流動性

--膜蛋白的流動性

流動鑲嵌模型最有力的證據(jù)之一是L.D.Frye和MichaelA進(jìn)行的小鼠細(xì)胞和人細(xì)胞的融

合實驗（右圖），該實驗證明了某些內(nèi)在膜蛋白可以在生物膜內(nèi)側(cè)向擴散。他們將小鼠細(xì)胞

和人的細(xì)胞融合形成一個異核體（雜化細(xì)胞）。

在融合之前利用可以特異結(jié)合在人細(xì)胞質(zhì)膜中某個蛋白的紅色熒光標(biāo)記的抗體標(biāo)記人

細(xì)胞，而用可以特異結(jié)合在小鼠細(xì)胞質(zhì)膜中某個蛋白的綠色熒光標(biāo)記的抗體標(biāo)記小鼠細(xì)胞。

這樣一來可以通過免疫熒光顯微鏡觀察兩種標(biāo)記的細(xì)胞融合后，細(xì)胞膜上內(nèi)在膜蛋白的變

化。大約在融合后40分鐘，就觀察到細(xì)胞表面抗原相互混合的情形。這一實驗表明，至少

某些內(nèi)在膜蛋白可以在生物膜內(nèi)側(cè)向自由擴散。

二.膜脂的流動性

脂雙層中的脂處于恒定的運動中，可賦予脂雙層許多流體的特性。側(cè)向擴散，即在雙層

中的每層平面內(nèi)的脂運動是非常快的（右圖）。與側(cè)向擴散相反，橫向擴散（也稱之翻轉(zhuǎn)），

即雙層中的某一層內(nèi)的脂過渡到另一層是非常慢的，大約比同一層內(nèi)的任何兩個脂的交換慢

109倍，因為實現(xiàn)這一過程需要很大的激活能。

膜的翻轉(zhuǎn)擴散的極低速度使得生物膜的內(nèi)層和外層具有不同的脂組成。如左圖給出的那

樣，鞘磷脂和磷脂酰膽堿幾乎各占了人紅細(xì)胞質(zhì)膜外膜總脂含量的一半，但它們在內(nèi)膜的磷

脂中所占的比例卻很少，占優(yōu)勢的是磷脂酰乙醇胺和磷脂酰絲氨酸。

脂雙層的流動特性也取決于脂酰鏈的鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)和曲伸能力。飽和的脂酰鏈可以以兩種類

型的構(gòu)象存在，在較低的溫度下，碳鏈內(nèi)的碳-碳鍵的旋轉(zhuǎn)運動很少，處于一種繃緊的狀態(tài)；

但在較高的溫度下，穩(wěn)定的分子運動使得鏈內(nèi)產(chǎn)生了短嶄的扭曲。脂雙層在低溫時處于一種

有序的凝膠相，當(dāng)被加熱時，發(fā)生了類似于晶體融解的相轉(zhuǎn)換，形成液晶相。脂雙層中的相

轉(zhuǎn)換可以通過差式掃描量熱儀來監(jiān)測。（下圖）。

第九節(jié)穿膜蛋白

一般具有跨膜的多肽區(qū)的內(nèi)在膜蛋白稱之穿膜蛋白，這是參與跨膜轉(zhuǎn)運和信號傳遞的蛋

白質(zhì)所必須具備的特征。單段穿膜蛋白通過唯一個跨膜的肽段被錨定在脂雙層上，這類蛋

白大約占總膜蛋白的5?10%,受體蛋白一般都屬于這類蛋白。研究得最多的單段穿膜蛋白

是血型糖蛋白A,它是人紅細(xì)胞膜的主要酸性糖蛋白（下圖）。這個有131殘基的糖蛋白（Mr

31000）含有60%的糖。16個多糖（含有許多帶負(fù)電荷的N-乙酰神經(jīng)氨酸）結(jié)合在血型糖

蛋白A的大的親水的胞外結(jié)構(gòu)域匕血型糖蛋白A的穿膜的結(jié)構(gòu)域是一個非常象含有23

個疏水氨基酸殘基的a-螺旋。C端的胞內(nèi)結(jié)構(gòu)域部分富含帶正電荷的賴氨酸和精氨酸以及帶

負(fù)電荷的天冬氨酸和谷氨酸殘基，該區(qū)域通過一個連接蛋白與紅細(xì)胞的細(xì)胞骨架相互作用。

細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白是一個典型的多段穿膜蛋白，這個蛋白是一個光驅(qū)動的質(zhì)子泵，它位

于嗜鹽細(xì)菌的質(zhì)膜中。細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白利用光能產(chǎn)生一個跨膜的可以驅(qū)動ATP合成的質(zhì)

子濃度梯度的形成，該蛋白的三維結(jié)構(gòu)己經(jīng)通過電子顯微鏡確定了。有7個跨膜的a-螺旋片

段，每個片段大約含有25個氨基酸殘基(右圖)。

第十節(jié)跨膜轉(zhuǎn)運

生物膜是從物理角度將活細(xì)胞與它周圍的環(huán)境分開所必要的，而其另一個作用也非常重

要，那就是生物膜使細(xì)胞生長所需要的水、氧和所有其它營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)，而將細(xì)胞生

成的產(chǎn)物(例如激素、某些降解酶和毒素等)輸出，以及使一些廢物(例如二氧化碳和尿素

等)排泄掉。疏水的、小的、不帶電荷的分子可以自由地擴散通過細(xì)胞膜，這種不依賴其他

蛋白幫助的轉(zhuǎn)運方式稱為非介導(dǎo)轉(zhuǎn)運(Nonmediatedtransport)0但對大多數(shù)帶電物質(zhì)來說，

脂雙層是一個幾乎不可通透的壁壘，需要通過轉(zhuǎn)運蛋白轉(zhuǎn)運，這種轉(zhuǎn)運方式稱為介導(dǎo)轉(zhuǎn)運

(Nonmediatedtransport)o小分子和離子跨膜運輸借助于三種類型的內(nèi)在膜蛋白：通道

(channels)蛋白和(膜)孔(pores)蛋白、被動轉(zhuǎn)運蛋白(passivetransporters)和主動轉(zhuǎn)

運蛋白(activetransporters)。

--孔蛋白和通道蛋白

孔蛋白和通道蛋白非常象離子載體，為小分子和離子提供一個沿著濃度梯度遷移的途

徑，該遷移過程不需要能量，是通過這些蛋白而不是通過脂雙層擴散(下圖)。

二.轉(zhuǎn)運蛋白

被動和主動轉(zhuǎn)運蛋白與通道蛋白和孔蛋白不同,轉(zhuǎn)運蛋白通常能特異地結(jié)合某些分子或

結(jié)構(gòu)上類似的分子的基團并進(jìn)行跨膜轉(zhuǎn)運。

最簡單的?類轉(zhuǎn)運蛋白執(zhí)行單向轉(zhuǎn)運(uniport),即它們只攜帶一種類型的溶質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)

運。而許多轉(zhuǎn)運蛋白可進(jìn)行兩種溶質(zhì)的同一方向的同向轉(zhuǎn)運(svmport)或協(xié)同轉(zhuǎn)運

(cotransport)。

許多轉(zhuǎn)運蛋白的作用象個門，它們可呈現(xiàn)出面向外(outward-facing)的或面向內(nèi)

(inward-facing)的構(gòu)象。當(dāng)處于面向外構(gòu)象的蛋白質(zhì)結(jié)合一個特異的分子或離子后，經(jīng)過

構(gòu)象轉(zhuǎn)換變成面向內(nèi)的構(gòu)象，被轉(zhuǎn)運的分子就在膜的內(nèi)表面釋放，然后轉(zhuǎn)運蛋白又重新轉(zhuǎn)換

為面向外構(gòu)象（下圖）。轉(zhuǎn)運蛋白構(gòu)象的改變往往是被結(jié)合的轉(zhuǎn)運物質(zhì)激發(fā)的，就象某個酶

對其底物的誘導(dǎo)契合。而在主動轉(zhuǎn)運中，構(gòu)象的改變是被ATP的水解或其它能源驅(qū)動的。

三.被動轉(zhuǎn)運

被動轉(zhuǎn)運不需要能量驅(qū)動，被動轉(zhuǎn)運也稱為易化擴散（facilitateddiffusion）?轉(zhuǎn)運蛋白

的作用是加快反應(yīng)的平衡，如果沒有轉(zhuǎn)運蛋白，單靠擴散達(dá)到平衡非常慢。

紅細(xì)胞主要依賴于葡萄糖作為能源。D-葡萄糖從血液（葡萄糖濃度大約為5mM）通過

被動轉(zhuǎn)運，經(jīng)葡萄糖轉(zhuǎn)運蛋白沿著葡萄糖濃度梯度降低方向進(jìn)入紅細(xì)胞內(nèi)。葡萄糖首先與轉(zhuǎn)

運蛋白的面向外構(gòu)象結(jié)合，然后當(dāng)轉(zhuǎn)運蛋白構(gòu)象改變時，葡萄糖跨過脂雙層。在面向細(xì)胞質(zhì)

一側(cè)，葡萄糖脫離轉(zhuǎn)運蛋白，進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，而轉(zhuǎn)運蛋白又改變?yōu)槠鹗嫉臉?gòu)象，其轉(zhuǎn)運方式類

似于（下圖）。

四.主動轉(zhuǎn)運

被動轉(zhuǎn)運是溶質(zhì)沿著濃度梯度降低方向轉(zhuǎn)運，不需要能量；與被動轉(zhuǎn)運相反，主動轉(zhuǎn)運

可以逆濃度梯度轉(zhuǎn)運，但需要能量。

主動轉(zhuǎn)運可以利用不同形式的能源。常用的是ATP,離子轉(zhuǎn)運ATP酶（ion-transporting

ATPase）是一大類ATP驅(qū)動離子轉(zhuǎn)運蛋白，幾乎存在于所有細(xì)胞器官。其中包括Na+-K+ATP

酶和Ca?+ATP酶，它們在制造和維持跨質(zhì)膜和細(xì)胞內(nèi)器官的離子濃度梯度中起著必要的作

用。光是某些主動轉(zhuǎn)運的能源，例如細(xì)菌視紫紅質(zhì)將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能的過程。

原發(fā)主動轉(zhuǎn)運直接由ATP、光或電子傳遞驅(qū)動的，而第二級主動轉(zhuǎn)運是靠離子濃度驅(qū)動

的。在大多數(shù)情況下，原發(fā)主動轉(zhuǎn)運常用來在第二個溶質(zhì)中制造一個梯度。例如在ATP的

驅(qū)動下將第一種溶質(zhì)逆濃度梯度轉(zhuǎn)運，結(jié)果形成的第一種溶質(zhì)濃度梯度貯存的能量又能驅(qū)動

第二種溶質(zhì)的逆濃度梯度轉(zhuǎn)運（下圖）。

第十一節(jié)胞吞（作用）和胞吐（作用）

以上我們討論的都是分子或離子的跨膜轉(zhuǎn)運，然而細(xì)胞也需要輸入和輸出大分子，它的

大小不能直接通過孔或轉(zhuǎn)運蛋白跨膜轉(zhuǎn)運。原核生物在它們的質(zhì)膜和外膜中含有多成分的輸

出系統(tǒng)，使得它們能夠?qū)⒛承┑鞍踪|(zhì)（往往是些毒素或酶）分泌到細(xì)胞外介質(zhì)中。在真核細(xì)

胞中，蛋白質(zhì)的輸入和輸出細(xì)胞分別通過胞吞和胞吐實現(xiàn)的。

胞吞和胞吐都涉及到一種特殊的脂囊泡的形成。蛋白質(zhì)和某些其它的大的物質(zhì)被質(zhì)膜吞

入并帶入細(xì)胞內(nèi)（以脂囊泡形式）。受體介導(dǎo)的胞吞開始是大分子與細(xì)胞的質(zhì)膜Hl勺受體蛋

白結(jié)合，然后膜凹陷，形成一個含有要輸入的大分子的脂囊泡（下圖），也稱為內(nèi)吞囊泡，

出現(xiàn)在細(xì)胞內(nèi)。出現(xiàn)在胞內(nèi)的囊泡與胞內(nèi)體融合，然后再與溶酶體融合，胞吞的物質(zhì)被降解。

胞吐除了轉(zhuǎn)運方向相反外，其過程類似于胞吞。在胞吐中，確定要從細(xì)胞分泌出的蛋白質(zhì)被

包裹在囊泡內(nèi)，然后與質(zhì)膜融合，最后將囊泡內(nèi)的包容物釋放到細(xì)胞外介質(zhì)中。降解酶的酶

原就是通過這種方式從胰腺細(xì)胞轉(zhuǎn)運出去的。

第三章蛋臼質(zhì)化學(xué)

第一節(jié)氨基酸

生物體內(nèi)主要有20種氨基酸，它們都是a-氨基酸，所有生物都是利用這20種氨基酸作

為構(gòu)件組裝成各種蛋白質(zhì)分子的。因此這20種氨基酸被認(rèn)為是通用的或是標(biāo)準(zhǔn)的氨基酸。

盡管氨基酸的種類有限，但由于氨基酸在蛋白質(zhì)中連接的次序以及氨基酸數(shù)目的不同，所以

可以組裝成幾乎無限的不同種類的蛋白質(zhì)。

20種氨基酸的英文名稱及簡寫符號。

20種氨基酸都被稱之a(chǎn)-氨基酸，因為a-氨基酸分子中的a-碳（分子中第2個碳，Ca）

結(jié)合著一個氨基和一個酸性的竣基，此外Ca還結(jié)合著一個H原子和一個側(cè)鏈基團（用R表

示）。每一種氨基酸的R都是不同的，側(cè)鏈上的碳依次按字母命名為0、丫、3和￡碳，分別

指的是第3、4、5和6位碳。

在生理條件下（pH7附近），氨基質(zhì)子化（-NH3+）,而竣基離子化（-COO）,所以氨

基酸一般都寫成兼性離子的形式。

如果氨基酸側(cè)鏈不是H原子，則Ca結(jié)合了4種不同基團，所以Ca是不對稱碳，除了甘

氨酸，其余19種標(biāo)準(zhǔn)氨基酸都至少含有一個不對稱碳原子。含有一個不對稱碳的氨基酸就

存在著兩種不能疊合的鏡象立體異構(gòu)體。如果要改變構(gòu)型，需要破壞?個或更多的化學(xué)鍵。

通過與構(gòu)型標(biāo)準(zhǔn)物一甘油醛比較，氨基酸分為D-型氨基酸和L-型氨基酸（下圖是與甘油醛

比較圖）。到目前為止，發(fā)現(xiàn)的游離的以及蛋白質(zhì)溫和水解得到的氨基酸絕大多數(shù)是L-型氨

基酸.

氨基酸的分類

1.脂肪族氨基酸

2.芳香族氨基酸

3.含硫氨基酸

4.含羥基氨基酸

5.堿性氨基酸

6.酸性氨基酸

7.酰胺氨基酸

氨基酸的酸堿特性

氨基酸具有2個或3個(如果側(cè)鏈可解離的話)酸堿基團。通過氨基酸的滴定曲線可以

確定氨基酸的各個解離基團的pK值。下圖給出了丙氨酸和組氨酸的滴定曲線。

在低pH下，丙氨酸的酸堿基團充分質(zhì)子化，隨著堿的滴入，它的兩個可解離基團逐步

解離。利用Henderson-Hasselbalch方程可以描述在任一pH下的氨基酸可解離基團的濃度的

相對變化。

【共飄堿】

pH=pK+log-------------------

【弱酸】

例如丙氨酸有兩個可解離基團，a-COOH和a-NH3，,它們的解離常數(shù)pK值分別是2.4

(pKl)和9.9(pK2)；組氨酸有3個可解離基團，即a-COOH、01-NH3+和側(cè)鏈基團咪哇基,

pK值分別是1.8(pK|)、9.3(pK2)和6.0(pKR)?每一個pK值都是位于滴定曲線緩沖區(qū)

的中心，當(dāng)丙氨酸處于pH2.4的緩沖液時，它的陽離子形式和它的兼性離子形式的摩爾濃度

相等，同樣在pH9.9時，它的兼性離子形式和它的陰離子形式的摩爾濃度相等。

當(dāng)氨基酸處于某一pH下，其凈電荷為零時，該pH即為該氨基酸的等電點(pl)。pl

可通過相應(yīng)的pK值計算出。

pl=(pKx+pKy)/2

pKx,pKy為相應(yīng)的兩個可解離基團。對于一氨基、一竣基的氨基酸，上式中的pKx和

pKy為它的pR和pK2；而對于象天冬氨酸和谷氨酸那樣的酸性氨基酸，pKx和pKy為它的

pKl和pKR；而對于象賴氨酸、組氨酸和精氨酸那樣的堿性氨基酸，pKx和pKy為它的pKR

和pK2o

一個氨基酸帶電狀況取決于所處溶液的pH,當(dāng)pl<pH時，氨基酸帶凈的負(fù)電荷；當(dāng)

pl>pH時，帶凈的正電荷。

25℃下游離氨基酸的酸性和堿性基團的pKa值和氨基酸的等電點(pl)

三.氨基酸分離

氨基酸常用的分離技術(shù)是離了交換層析。分離氨基酸常用的是帶有耐酸性非常強的磺酸

根SO-JNa"(以鹽的形式出現(xiàn))的強陽離子交換樹脂。首先將這種樹脂填充到柱子中，然

后注入含有樣品的流動相，樣品中含有的陽離子成分x+,通過靜電吸引，與樹脂中的帶電

基團相互作用，結(jié)果X+與Na+交換(陽離子交換)，形成SO3-X+。在樣品與樹脂充分交換

后，可通過提高流動相中的鹽濃度，或改變流動相的pH,或是同時采用這兩種方法，就可

以將結(jié)合于樹脂上的X’成分，按照它們與樹脂結(jié)合的強弱程度不同逐一地洗脫卜來。

四.氨基酸的重要化學(xué)反應(yīng)

1.氨基酸與苛三酮反應(yīng)

氨基酸與瑋三酮(ninhydrin)的反應(yīng)是一個檢測和定量氨基酸和蛋白質(zhì)的重要反應(yīng)。苗

三酮在弱酸性溶液中與氨基酸共熱，具有游離氨基的氨基酸都生成紫色化合物(貓70)，而亞

氨基酸，則生成黃色化合物(九刈)。在一定的反應(yīng)條件下，產(chǎn)生的顏色的強度(溶液中的光

吸收)與氨基酸濃度成比例，根據(jù)溶液的吸光度，可以算出相應(yīng)的氨基酸和蛋白質(zhì)的濃度。

2.氨基酸與2,4-二硝基氟苯反應(yīng)

2,4-二硝基氟苯(2,4-dinitrofluorobenzene,DNFB)也叫做Sanger試劑。DNFB在弱堿性

溶液中與氨基酸發(fā)生取代反應(yīng)，生成黃色化合物二硝基苯基氨基酸(dinitrophenylaminoacid,

DNP氨基酸)

3.氨基酸與丹磺酰氯的反應(yīng)

丹磺酰氯(dansylchloride)是5-二甲基氨基蔡-1-磺酰氯(5-dimelhylaminonaphlhalene-l

-sulfonylchloride)的簡稱。丹磺酰氯與氨基酸反應(yīng)生成熒光性質(zhì)強和穩(wěn)定的磺胺衍生物，

也常用于多肽鏈的N末端氨基酸的鑒定。

4.氨基酸與苯異硫氟酸酯反應(yīng)

苯異硫氟酸酯(phenylisothiocyanate,P1TC)在弱堿性條件下，與氨基酸反應(yīng)生成苯乙

內(nèi)酰硫胭(phenylthiohydantoin,PTH)衍生物，即PTH-氨基酸，此反應(yīng)又稱之Edman反應(yīng)，

該反應(yīng)是蛋白質(zhì)或多肽氨基酸序列測定常用的反應(yīng)。

第二節(jié)肽鍵和肽

一個氨基酸的a-埃基與另一個氨基酸的a-氨基縮合，形成的酰胺鍵，也稱為肽鍵。氨基

酸通過肽鍵連接形成的產(chǎn)物稱為肽（peptide）（右圖）。最簡單的肽是由二個氨基酸殘基形成

的肽，稱為二肽。山于肽中的氨基酸已經(jīng)不是游離的氨基酸了，所以稱為氨基酸殘基。

由三個殘基形成的肽稱為三肽，依此類推，下圖給出了?個五肽結(jié)構(gòu)式。每形成一個肽

鍵將丟失一分子水。肽鏈中的氨基酸的a-氨基和a-竣基都用于形成肽鍵，所以一個肽鏈只有

一個游離的a-氨基（常稱為肽鏈N端）和一個游離的a-竣基（常稱為肽鏈C端），共價修飾

的末端和環(huán)形的肽鏈除外。高分子量的多肽一般都稱為蛋白質(zhì)。

（?個五肽結(jié)構(gòu)示意圖）

從多肽的結(jié)構(gòu)可以看出，多肽的大多數(shù)離子電荷都是由它的組成氨基酸殘基的側(cè)鏈貢獻(xiàn)

的。所以一個多肽和蛋白質(zhì)的離子特性和它的溶解性都取決于它的氨基酸組成。此外就象我

們將在下面看到的那樣,氨基酸殘基側(cè)鏈之間的相互作用對于穩(wěn)定一個蛋白質(zhì)分子的三維結(jié)

構(gòu)有重要貢獻(xiàn)。

有些肽比較大，例如胰島素就是含有51個氨基酸殘基的多肽，具有重要的生物學(xué)活性。

但有些肽雖然比較小，也具有重要的生理功能.

例如加壓素（9肽）和催產(chǎn)素（9肽）。一些神經(jīng)多肽的類似物，如內(nèi)啡肽，就是?種天

然的止痛藥。還有一些非常簡單的肽也常用作食物的調(diào)味劑。如甜味劑Aspartame就是天冬

氨酰苯丙氨酸的甲基酯（右圖）。它的甜度是蔗糖的200倍，所以廣泛用于食品飲料中。

第三節(jié)蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)

Sanger于1953年完成了第一個蛋白質(zhì)一胰島素的氨基酸序列測定。每一種蛋白質(zhì)都具

有唯一的氨基酸序列，實際上蛋白質(zhì)的氨基酸序列是由DNA決定的。蛋白質(zhì)的氨基酸序列

具有重要意義：

蛋白質(zhì)的氨基酸序列是闡明蛋白質(zhì)生物活性的分子基礎(chǔ)；

蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定它的空間結(jié)構(gòu)；

氨基酸序列的改變可以導(dǎo)致蛋白功能異常和疾病；

通過對一些蛋白質(zhì)的氨基酸序列的比較可以反應(yīng)出一些生物親緣關(guān)系。

氨基酸的組成分析

測定蛋白質(zhì)的氨基酸組成首先要通過酸水解破壞蛋白質(zhì)的肽鍵。典型酸水解的條件是：

真空條件下，110C，用6M鹽酸水解16至72小時。然后水解的混合物（水解液）進(jìn)行柱

層析，通過柱層析可以將水解液中的每一種氨基酸分離出來并進(jìn)行定量，這-過程稱為氨基

酸分析（aminoacidanalysis）.,

二.氨基酸序列的測定一Edman降解方法

1950年P(guān).Edman公布了一項新的氨基酸序列的測定技術(shù)，即運用上述苯異硫氟酸酯與

氨基酸的反應(yīng)（Edman反應(yīng)）。這種技術(shù)每次都只是從蛋白質(zhì)的N端解離和鑒定一個氨基酸

殘基，這是一項使蛋白質(zhì)序列分析革命化的技術(shù)。1967年Edman和Begg建成了多肽氨基

酸序列分析儀。

P.Edman降解測序主要涉及耦聯(lián)、水解、萃取和轉(zhuǎn)換等4個過程。

首先使用苯異硫氟酸酯（PITC）在pH9.0的堿性條件下對蛋白質(zhì)或多肽進(jìn)行處理，PITC

與肽鏈的N-端的氨基酸殘基反應(yīng)，形成苯氨基硫甲酰（PTC）衍生物，即PTC-肽。

然后PTC-肽用三氟乙酸處理，N-端氨基酸殘基肽鍵被有選擇地切斷，釋放出該氨基酸

殘基的嘎哇咻酮苯胺衍生物。

接下來將該衍生物用有機溶劑（例如氯丁烷）從反應(yīng)液中萃取出來，而去掉了一個N-

端氨基酸殘基的肽仍留在溶液中。萃取出來的嚷詠琳酮苯胺衍生物不穩(wěn)定，經(jīng)酸作用，再進(jìn)

一步環(huán)化，形成一個穩(wěn)定的苯乙內(nèi)酰硫胭（PTH）衍生物，即PTH-氨基酸。

留在溶液中的減少了一個氨基酸殘基的肽再重復(fù)進(jìn)行上述反應(yīng)過程，整個測序過程現(xiàn)在

都是通過測序儀自動進(jìn)行。每一循環(huán)都獲得一個PTH-氨基酸，經(jīng)HPLC可以鑒定出是那一

種氨基酸。Edman降解的最大優(yōu)越性是在水解除去末端標(biāo)記的氨基酸殘基時，不會破壞余

下的多肽鏈。

當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)中含有一個或多個半胱氨酸殘基時，有時一對半胱氨酸殘基會通過二硫鍵交

聯(lián)。在這種情況下測序，首先要經(jīng)過處理（如用過甲酸處理）切斷二硫鍵，然后再進(jìn)行Edman

降解測序。

三.大蛋白被水解成肽段后再測序

Edman降解法測序每次只能測定幾十個氨基酸殘基，所以要測定較大蛋白質(zhì)的氨基酸

序列，需要將其降解為一些肽段，經(jīng)HPLC分離出各個肽段，然后再進(jìn)行Edman降解測序。

蛋白質(zhì)降解常用的是一些水解酶(如胰蛋白酶)和化學(xué)試劑(如澳化鼠)。一般都是采用兩

種酶(或化學(xué)試劑)解獲得兩組不同的肽段，以便最后拼出完整的氨基酸序列。

澳化氟(BrCN)可以特異與蛋白質(zhì)中的蛋氨酸殘基反應(yīng)生成一個C末端為高絲氨酸內(nèi)

酯的肽和一個帶有新的N末端殘基的肽。

胰蛋白酶特異地催化賴氨酸殘基和精氨酸殘基竣基側(cè)的肽鍵的水解,而胰凝乳蛋白酶特

異地催化苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸三種芳香族氨基酸殘基陵基一側(cè)的肽鍵水解。

四.蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的比較可以揭示進(jìn)化關(guān)系

蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)是由編碼它的基因確定的，蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)之間的差別可以反映出進(jìn)化

關(guān)系。親緣關(guān)系密切的蛋白質(zhì)的氨基酸序列非常類似，一級結(jié)構(gòu)中氨基酸殘基序列差別越大，

它們的親緣關(guān)系就越遠(yuǎn)。細(xì)胞色素c是由一條含有104至111個氨基酸殘基的多肽鏈組成的，

由于細(xì)胞色素c幾乎存在于所有的需氧生物中，所以通過在分子水平上比較來自不同種屬的

細(xì)胞色素c,可以看出它們之間的進(jìn)化關(guān)系。

下圖是根據(jù)不同種屬的細(xì)胞色素c的氨基酸殘基的差別繪制出的進(jìn)化樹，每一個樹杈的

長度都與蛋白質(zhì)中氨基酸殘基的差別數(shù)成比例。

例如人與黑猩猩的細(xì)胞色素c的氨基酸序列完全一樣，但與猴、狗、金槍魚和酵母的細(xì)

胞色素c相比，可變換的氨基酸殘基數(shù)依次為1、10、21和44。那些進(jìn)化中不易改變的、

保守的氨基酸殘基是維持細(xì)胞色素c功能所必需的。由同?個祖先進(jìn)化來的表現(xiàn)出序列相似

性的蛋白質(zhì)稱之同源蛋白質(zhì)。

第四節(jié)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)和功能

大多數(shù)蛋白質(zhì)可以分為兩種主要類型：纖維蛋白(Fibrousproteins)和球蛋白(globular

proteins)o纖維蛋白的主要功能是維持和支撐單個的細(xì)胞和整個的有機體。a-角蛋白和膠原

蛋白是最常見的纖維蛋白，a-角蛋白是毛發(fā)和動物尾巴的主要成分，而膠原蛋白是腱、皮膚、

骨骼和牙齒的主要蛋白成分。

大多數(shù)球蛋白是水溶性的、多肽鏈緊密折疊、輪廓上象一個球型的大分子。球蛋白典型

特征是它有一個疏水的內(nèi)部環(huán)境和一個親水的表面.

蛋白質(zhì)存在著四種水平的結(jié)構(gòu)

由于蛋白質(zhì)是個生物大分子，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，所以其結(jié)構(gòu)是通過四種水平描述的。其中

包括蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(primarystructure)、二級結(jié)構(gòu)(secondarystructure)、三級結(jié)構(gòu)(tertiary

structure)和四級結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)。

?級結(jié)構(gòu)就是共價連接的氨基酸殘基的序列，它描述的是蛋白質(zhì)的線性(或一維)結(jié)構(gòu)。

蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)是通過另外三種水平：二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)描述的。形成和維

持(或稱之穩(wěn)定)這三種水平結(jié)構(gòu)的力主要是非共價鍵。

二級結(jié)構(gòu)是通過肽鍵中的酰胺氮和談基氧之間形成的氫鍵維持的,通常二級結(jié)構(gòu)指的是

a-螺旋和折疊。

三級結(jié)構(gòu)是指一條多肽鏈形成緊密的一個或多個球狀單位或結(jié)構(gòu)域，三級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定依

賴于非相鄰的氨基酸殘基側(cè)鏈的相互作用。

四級結(jié)構(gòu)并不是每個蛋白質(zhì)都具有的，只有那些由兩條或兩條以上多肽鏈組成的蛋白質(zhì)

才具有四級結(jié)構(gòu)，每一條肽鏈也稱為亞基，肽鏈可以是相同的，也可以是不同的。

一般來說纖維蛋白的特性通過它的二級結(jié)構(gòu)就可表現(xiàn)出來,但球蛋白的生物學(xué)功能通常

都是以三級結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出來的，而某些球蛋白的生物學(xué)活性則需要四級結(jié)構(gòu)。

第五節(jié)肽單位和肽鏈的構(gòu)象

氨基酸殘基是通過肽鍵連接形成線性的多肽鏈的，仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)個多肽鏈的骨架是由

通過肽鍵連接的重復(fù)單位N-Ca-C組成的，酰胺氫和鍛基氧結(jié)合在骨架上，而不同氨基酸殘

基的側(cè)鏈連接在a-碳上。

參與肽鍵形成的2個原子以及另外4個取代成員：以基氧原子、酰胺氫原子、以及2

個相鄰的a-碳原子構(gòu)成了一一個肽單位(peptidegroup)(如下圖).

肽鍵的部分雙鍵特性防礙了C-N鍵的旋轉(zhuǎn)，其結(jié)果造成肽單位實際上是個平面。但蛋

白質(zhì)中的每一個N-Ca鍵和每一個Ca-N鍵都可以自由旋轉(zhuǎn)。

盡管繞肽鍵旋轉(zhuǎn)存在很大的障礙，但肽單位可以選擇兩種可能構(gòu)象中的一種：反式

(trans)構(gòu)象,或順式(cis)構(gòu)象。

由于連接在兩個a-碳上的側(cè)鏈基團之間的立體干擾，不利于順式構(gòu)象的形成，對伸展的

反式構(gòu)象的形成有利，因此蛋白質(zhì)中幾乎所有的肽單位都是反式構(gòu)象。但也有例外，一般都

出現(xiàn)在脯氨酸的酰胺氮參與的肽鍵，只是順式構(gòu)象引起的立體干擾比反式構(gòu)象多些。通過

X-射線晶體分析發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)中大約有6%的脯氨酸殘基處于順式構(gòu)象.

一個蛋白質(zhì)的構(gòu)象取決于肽單位繞N-Ca鍵和Ca-N鍵的旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)本身受到肽鏈的主鏈

和相鄰殘基的側(cè)鏈原子之間的立體干擾的限制（如右圖）。

一個肽平面繞N-Ca鍵旋轉(zhuǎn)的角度用中表示，而繞Ca-C鍵旋轉(zhuǎn)的角度用中表示，順時針

方向為正，反時針為負(fù)，理論上中和中可以取一180°至+180。之間的任一個角度。當(dāng)包含

ca的兩個肽鍵處于同一平面時，①和平都定義為0°。

生物物理學(xué)家GN.Ramachandran等人構(gòu)建了一個空間填充的肽的模型，并通過計算來

確定多肽鏈中小和中立體上允許的值。用中對。作圖，得到一個二維的圖，稱之Ramachandran

構(gòu)象圖（如右圖）。

第六節(jié)&螺旋和供折疊

早在1951年，Pauling和Corey根據(jù)對一些簡單化合物，例如氨基酸、二肽以及三肽的

X-射線晶體圖的研究數(shù)據(jù)，提出了兩個周期性的多肽結(jié)構(gòu)：a-螺旋（a-helix）和供折疊

（b-sheet）結(jié)構(gòu)，它們是許多纖維蛋白和球蛋白的主要的二級結(jié)構(gòu)。

在一個理想的a-螺旋中，每一個氨基酸殘基繞螺旋軸上升了0.15nm,每圈螺旋需要3.6

個氨基酸殘基（一個談基、3個N-Ca-C單位和一個氮），它們繞螺旋軸上升的距離，即螺距

為0.54nm。在a-螺旋中多肽鏈骨架的每個族基氧（氨基酸殘基n）與它后面C-端方向的第

四個殘基（n+4）的a-氨基氮形成氫鍵，螺旋內(nèi)的氫鍵幾乎平行于螺旋的長軸，所有的談基

都指向C-末端。

對于類纖維蛋白，Pauling和Corey提出了小折疊結(jié)構(gòu)，是一種由伸展的多肽鏈（稱之

B鏈）組成的二級結(jié)構(gòu)。折疊又分為平行式（所有肽鏈的N端都在同一方向）和反平行式

（肽鏈N端一反一正）。在a-螺旋中，每一個氨基酸殘基繞軸上升0.15nm,但在隹構(gòu)象中，

每個殘基大約占0.32?0.34nm,段基氧和酰胺氫之間的氫鍵起著穩(wěn)定供折疊結(jié)構(gòu)的作用。蠶

絲的主要成分是絲心蛋白，而絲心蛋白的主要二級結(jié)構(gòu)是反平行排列的快折疊。絲心蛋白很

柔軟的，是因為堆積的折疊片只是靠側(cè)鏈之間的vanderWaals力結(jié)合在一起的。

第七節(jié)膠原中的螺旋結(jié)構(gòu)

膠原蛋白（collagen）中存在的螺旋結(jié)構(gòu)不同于一般的a-螺旋，而且膠原蛋白中的多肽

鏈?zhǔn)峭ㄟ^共價鍵結(jié)合在一起的，所以膠原蛋白很穩(wěn)定，是大多數(shù)動物結(jié)締組織的最主要的蛋

白質(zhì)成分，是最豐富的脊椎動物蛋白，占哺乳動物內(nèi)總蛋白的25%至35%。

天然的膠原是一個由3條具有左手螺旋的鏈相互纏繞形成右手超螺旋的分子。膠原的超

螺旋結(jié)構(gòu)是靠鏈間氫鍵以及螺旋和超螺旋的反向盤繞維持其穩(wěn)定性的。一個典型的膠原分子

長300nm、直徑為1.5nm,在每一條左手螺旋的膠原鏈內(nèi)，每一圈螺旋需要3個氨基酸殘基,

螺距為0.94nm,即每一個氨基酸殘基軸向距離為0.31nm。膠原中含有在其他蛋白中很少出

現(xiàn)的羥脯氨酸（Hyp）,序列-Gly-Pro-Hyp-常出現(xiàn)在膠原分子中。

第八節(jié)三級結(jié)構(gòu)

三級結(jié)構(gòu)是由一個已經(jīng)具有了某些a-螺旋和/或b折疊區(qū)的多肽鏈折疊成一個緊密包裹

的、幾乎成球形的空間結(jié)構(gòu)，或稱為天然構(gòu)象。

三級結(jié)構(gòu)的一個重要特點是在一級結(jié)構(gòu)上離得遠(yuǎn)的氨基酸殘基在三級結(jié)構(gòu)中可以靠

的很近，它們的側(cè)鏈可以發(fā)生相互作用。二級結(jié)構(gòu)是靠骨架中的酰胺和默基之間形成的氫鍵

維持穩(wěn)定的，三級結(jié)構(gòu)主要是靠氨基酸殘基側(cè)鏈之間的非共價相互作用（主要是疏水作用）

維持穩(wěn)定的，此外二硫鍵也是穩(wěn)定三級結(jié)構(gòu)的力。在一個蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)中，二級結(jié)構(gòu)區(qū)

之間是通過一些片段連接的。

肌紅蛋白（myoglobin）（下圖左）是第一個被確定的具有三級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，肌紅蛋白

和后面要討論的血紅蛋白的主要生物學(xué)功能是結(jié)合氧并能使氧很容易地在肌肉內(nèi)擴散。肌紅

蛋白是一個相對比較小的蛋白，是由153個氨基酸殘基組成的一條多肽鏈組成的，含有一個

血紅素輔基（hemeprostheticgroup）（下圖右）.

（肌紅蛋及血紅素輔基的結(jié)構(gòu)圖）

上左圖表明，肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)是由?簇八個a-螺旋組成的，螺旋之間通過?一些片段

連接。肌紅蛋白中的四分之三氨基酸殘基都處于a-螺旋中。盡管肌紅蛋白中的高螺旋含量不

是球蛋白結(jié)構(gòu)中的普遍現(xiàn)象，但肌紅蛋白的一些結(jié)構(gòu)還是給出了球蛋白的典型結(jié)構(gòu)特征。肌

紅蛋白的內(nèi)部幾乎都是由疏水氨基酸殘基組成的，特別是一些疏水性強的氨基酸，如繳氨酸、

亮氨酸、異亮氨酸、苯丙氨酸和蛋氨酸。而表面既含有親水的氨基酸殘基，也含有疏水的氨

基酸殘基，通常水分子被排除在球蛋白內(nèi)部，大多數(shù)可離子化的殘基都位于表面。血紅素輔

基處于一個山蛋白部分形成的疏水的、象個籠子似的裂隙內(nèi)，血紅素中的鐵原子是氧結(jié)合部

位。無氧的肌紅蛋白稱之脫氧肌紅蛋白，而載氧的分子稱之氧合肌紅蛋白，可逆結(jié)合氧的過

程稱之氧合作用。

第九節(jié)維持球蛋白穩(wěn)定的各種相互作用

蛋白質(zhì)的折疊和具有生物學(xué)功能的蛋白質(zhì)構(gòu)象的穩(wěn)定性依賴于大量的非共價因素，其中

包括疏水效應(yīng)、氫鍵、范德華力(vanderWaals)和離子相互作用。

疏水相互作用

蛋白質(zhì)中的疏水基團彼此靠近、聚集以避開水的現(xiàn)象稱之疏水相互作用(hydrophobic

Ointeraction)或疏水效應(yīng)(hydrophobiceffect)o疏水相互作用在維持蛋白質(zhì)構(gòu)象中起著主要

的作用，因為水分子彼此之間的相互作用要比水與其它非極性分子的作用更強烈，非極性側(cè)

鏈避開水聚集被壓迫到蛋白質(zhì)分子內(nèi)部，而大多數(shù)極性側(cè)鏈在蛋白質(zhì)表面維持著與水的接

觸。

二.氫鍵和范德華力

氫鍵的貢獻(xiàn)是協(xié)同蛋白質(zhì)的折疊和幫助穩(wěn)定球蛋白的天然構(gòu)象。前面已經(jīng)提到多肽鏈骨

架的城基和酰胺基之間，特別是在球蛋白內(nèi)部的那些基團之間常常形成氫鍵使肽鏈形成a-

螺旋和b-折疊結(jié)構(gòu)。此外在多肽鏈骨架和水之間，多肽鏈骨架和極性側(cè)鏈之間，兩個極性

側(cè)鏈之間以及極性側(cè)鏈和水之間也可以形成氫鍵。大多數(shù)氫鍵都是N-H……0類型的。

范德華力包括吸引力和斥力兩種相互作用，范德華力只有當(dāng)兩個非極性殘基之間處于一

定距離時才能達(dá)到最大。雖然范德華力相對來說比較弱，但山于范德華力相互作用數(shù)量大，

并且具有加和性，因此范德華力對球蛋白的穩(wěn)定性也有貢獻(xiàn)。

三.共價交聯(lián)和離子相互作用

除了氫鍵以外，共價交聯(lián)，例如二硫鍵也有助于某些球蛋白的天然構(gòu)象的穩(wěn)定，二硫鍵

有時存在于由細(xì)胞分泌的蛋白質(zhì)中，當(dāng)這樣的蛋白質(zhì)離開細(xì)胞內(nèi)環(huán)境時，由于有二硫鍵的存

在，可使得蛋白質(zhì)對去折疊以及降解不那么敏感，而維持蛋白質(zhì)的穩(wěn)定。

帶有相反電荷的側(cè)鏈之間的離子相互作用也能幫助穩(wěn)定