生化學(xué)習(xí)筆記

第一章

第一節(jié) 蛋白質(zhì)的分子組成

一、蛋白質(zhì)的元素組成

主要有 C、H、O、N、S。

各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16%。

二、蛋白質(zhì)的基本組成單位——氨基酸

蛋白質(zhì)在酸、堿或蛋白酶的作用下，最終水解為游離氨基酸（amino acid），即蛋白質(zhì)組成單體或構(gòu)件分子。存在于自然界中的氨基酸有300余種，但合成蛋白質(zhì)的氨基酸僅20種（稱編碼氨基酸）。

（一）氨基酸的結(jié)構(gòu)通式

組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸有共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

1．氨基連接在α- C上，屬于α-氨基酸（脯氨酸為α-亞氨基酸）。

2．R是側(cè)鏈，除甘氨酸外都含手性C，有D-型和L-型兩種立體異構(gòu)體。天然蛋白質(zhì)中的氨基酸都是L-型。

（二）氨基酸的分類

1．按R基的化學(xué)結(jié)構(gòu)分為脂肪族、芳香族、雜環(huán)、雜環(huán)亞氨基酸四類。

2．按R基的極性和在中性溶液的解離狀態(tài)分為非極性氨基酸、極性不帶電荷、極性帶負(fù)電荷或帶正電荷的四類。

帶有非極性R（烴基、甲硫基、吲哚環(huán)等，共9種）：甘（Gly）、丙（Ala）、纈（Val）、亮（Leu）、異亮（Ile）、苯丙（Phe）、甲硫（Met）、脯（Pro）、色（Trp）

帶有不可解離的極性R（羥基、巰基、酰胺基等，共6種）：絲（Ser）、蘇（Thr）、天胺（Asn）、谷胺（Gln）、酪（Tyr）、半（Cys）

帶有可解離的極性R基（共5種）：天（Asp）、谷（Glu）、賴（Lys）、精（Arg）、組（His），前兩個(gè)為酸性氨基酸，后三個(gè)是堿性氨基酸。

（三）氨基酸的重要理化性質(zhì)

1．一般物理性質(zhì)

α-氨基酸為無色晶體，熔點(diǎn)一般在200 oC以上。各種氨基酸在水中的溶解度差別很大（酪氨酸不溶于水）。一般溶解于稀酸或稀堿，但不能溶解于有機(jī)溶劑，通常酒精能把氨基酸從其溶液中沉淀析出。

芳香族氨基酸（Tyr、Trp、Phe）有共軛雙鍵，在近紫外區(qū)有光吸收能力，Tyr、Trp的吸收峰在280nm，Phe在265 nm。由于大多數(shù)蛋白質(zhì)含Tyr、Trp殘基，所以測(cè)定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值，是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡(jiǎn)便的方法。

2．兩性解離和等電點(diǎn)（isoelectric point, pI）

氨基酸在水溶液或晶體狀態(tài)時(shí)以兩性離子的形式存在，既可作為酸，又可作為堿起作用，是兩性電解質(zhì)，其解離度與溶液的pH有關(guān)。

在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢(shì)和程度相等，成為兼性離子，呈電中性，

此時(shí)溶液的pH稱為該氨基酸的等電點(diǎn)。

3．氨基酸的化學(xué)反應(yīng)

氨基酸的化學(xué)反應(yīng)是其基團(tuán)的特征性反應(yīng)。

（1）茚三酮反應(yīng)

所有具有自由α-氨基的氨基酸與過量茚三酮共熱形成藍(lán)紫色化合物。

（2）與2，4-二硝基氟苯（DNFB）的反應(yīng)

三、肽（peptide）

1．肽鍵與肽鏈

一個(gè)氨基酸的α-羧基和另一個(gè)氨基酸的α-氨基脫水形成的酰胺鍵稱為肽鍵。多肽鏈的方向性是從N末端指向C末端。

肽分子中不完整的氨基酸稱為氨基酸殘基。肽按其序列從N端到C端命名。一般10肽以下屬寡肽，10肽以上為多肽。

2．生物活性肽

谷胱甘肽（glutathione，GSH）

是由Glu、Cys、Gly組成的一種三肽，又叫γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸（含γ-肽鍵）。

第二節(jié)蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

一、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)（primary structure）

蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。

二、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)（secondary structure）

蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指其分子中主鏈原子的局部空間排列，是主鏈構(gòu)象（不包括側(cè)鏈R基團(tuán)）。

兩種主鏈原子的局部空間排列的分子模型（α-螺旋）和（β-折疊）。

1．肽單位

肽鍵及其兩端的α-C共6個(gè)原子處于同一平面上，組成了肽單位（所在的平面稱肽鍵平面）。

肽鍵C—N鍵長(zhǎng)為0.132nm，比相鄰的單鍵（0.147nm）短，而較C=N雙鍵（0.128nm）長(zhǎng)，有部分雙鍵的性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)。肽鍵平面上各原子呈順反異構(gòu)關(guān)系，肽鍵平面上的O、H以及2個(gè)α-碳原子為反式構(gòu)型（transconfiguration）。

2.α-螺旋

α-螺旋是肽鍵平面通過α-碳原子的相對(duì)旋轉(zhuǎn)形成的一種緊密螺旋盤繞，是有周期的一種主鏈構(gòu)象。其特點(diǎn)是：

② 螺旋每轉(zhuǎn)一圈上升3.6個(gè)氨基酸殘基，螺距約0.54nm

②相鄰的螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鍵，氫鍵的取向幾乎與中心軸平行。

③螺旋的走向絕大部分是右手螺旋，殘基側(cè)鏈伸向外側(cè)。R基團(tuán)的大小、荷電狀態(tài)及形狀均對(duì)α-螺旋的形成及穩(wěn)定有影響。

3.β-折疊

① 相鄰肽鍵平面間折疊成110度角，呈鋸齒狀。

② 兩個(gè)以上具β-折疊的肽鏈或同一肽鏈內(nèi)不同肽段相互平行排列，形成β-折疊片層，其穩(wěn)定因素是肽鏈間的氫鍵。

③ 逆向平行的片層結(jié)構(gòu)比順向平行的穩(wěn)定。

α-螺旋和β-折疊是蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式。

4．β-轉(zhuǎn)角

5．不規(guī)卷曲

6．超二級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域

三、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)（tertiary structure）

指一條多肽鏈中所有原子的整體排布，包括主鏈和側(cè)鏈。維系三級(jí)結(jié)構(gòu)的作用力主要是次級(jí)鍵（疏水相互作用、靜電力、氫鍵等）。在序列中相隔較遠(yuǎn)的氨基酸疏水側(cè)鏈相互靠近，結(jié)合蛋白質(zhì)的輔基往往鑲嵌其內(nèi)，形成功能活性部位，而親水基團(tuán)則在外，這也是球狀蛋白質(zhì)易溶于水的原因。

四、蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu) (quaternary structure)

有些蛋白質(zhì)的分子量很大，由2條或2條以上具有獨(dú)立三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈通過非共價(jià)鍵相互結(jié)合而成，稱為蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。構(gòu)成四級(jí)結(jié)構(gòu)的每條多肽鏈稱為亞基 (subunit)，亞基單獨(dú)存在時(shí)一般沒有生物學(xué)功能，構(gòu)成四級(jí)結(jié)構(gòu)的幾個(gè)亞基可以相同或不同。如血紅蛋白(hemoglobin,Hb) 是由兩個(gè)α-亞基和兩個(gè)β-亞基形成的四聚體。

五、蛋白質(zhì)分子中的化學(xué)鍵

蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)是由共價(jià)鍵形成的，如肽鍵和二硫鍵。而維持空間構(gòu)象穩(wěn)定的是非共價(jià)的次級(jí)鍵。如氫鍵、鹽鍵、疏水鍵、范德華引力等。

第三節(jié)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

一、蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

（一）一級(jí)結(jié)構(gòu)是空間構(gòu)象的基礎(chǔ)

如果一級(jí)結(jié)構(gòu)未破壞，保持了氨基酸的排列順序就可能回復(fù)到原來的三級(jí)結(jié)構(gòu)，功能依然存在。

（二）種屬差異

（三）分子病

鐮刀狀紅細(xì)胞貧血病。

二、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)是其生物活性的基礎(chǔ)，空間結(jié)構(gòu)變化，其功能也隨之改變。

第四節(jié) 蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)

蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)和氨基酸相似，有兩性解離及等電點(diǎn)、紫外吸收和呈色反應(yīng)。還有膠體性質(zhì)、沉淀、變性和凝固等特點(diǎn)。

一、蛋白質(zhì)的高分子性質(zhì)

蛋白質(zhì)的水溶液具有親水膠體的性質(zhì)。顆粒表面的水化膜和電荷是其穩(wěn)定的因素，調(diào)節(jié)pH至pI、加入脫水劑等，蛋白質(zhì)即可從溶液中沉淀出來。

透析法是利用蛋白質(zhì)不能透過半透膜的性質(zhì)，去掉小分子物質(zhì)，達(dá)到純化的目的。

大小不同的蛋白質(zhì)分子可以通過凝膠過濾分開。又稱分子篩層析。

二、蛋白質(zhì)的兩性解離

蛋白質(zhì)和氨基酸一樣是兩性電解質(zhì)，在溶液中的荷電狀態(tài)受pH值影響。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一pH時(shí)，蛋白質(zhì)解離成正、負(fù)離子的趨勢(shì)相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時(shí)溶液的pH稱為該蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。pH＞pI時(shí)，該蛋白質(zhì)顆粒帶負(fù)電荷，反之則帶正電荷。在人體體液中多數(shù)蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)接近pH5，所以在生理pH7.4環(huán)境下，多數(shù)蛋白質(zhì)解離成陰離子。少量蛋白質(zhì)，如魚精蛋白、組蛋白的pI偏于堿性，稱堿性蛋白質(zhì)，而胃蛋白酶和絲蛋白為酸性蛋白。

三、蛋白質(zhì)的變性、沉淀和凝固

蛋白質(zhì)在某些理化因素的作用下，空間結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致理化性質(zhì)改變，生物學(xué)活性喪失，稱為蛋白質(zhì)的變性（denaturation）。

蛋白質(zhì)變性的本質(zhì)是多肽鏈從卷曲到伸展的過程，不涉及一級(jí)結(jié)構(gòu)的改變。變性作用不過于劇烈，是一種可逆反應(yīng)，去除變性因素，有些蛋白質(zhì)原有的構(gòu)象和功能可恢復(fù)或部分恢復(fù)，稱為復(fù)性（denaturation）。

蛋白質(zhì)變性的主要表現(xiàn)是失去生物學(xué)活性，變性蛋白溶解度降低，易形成沉淀析出；易被蛋白水解酶消化。

蛋白質(zhì)自溶液中析出的現(xiàn)象，稱為蛋白質(zhì)的沉淀。鹽析、有機(jī)溶劑、重金屬鹽、生物堿試劑都可沉淀蛋白質(zhì)。鹽析沉淀蛋白質(zhì)不變性，是分離制備蛋白質(zhì)的常用方法。如血漿中的清蛋白在飽和的硫酸銨溶液中可沉淀，而球蛋白則在半飽和硫酸銨溶液中發(fā)生沉淀。乙醇、丙酮均為脫水劑，可破壞水化膜，降低水的介電常數(shù)，使蛋白質(zhì)的解離程度降低，表面電荷減少，從而使蛋白質(zhì)沉淀析出。低溫時(shí)，用丙酮沉淀蛋白質(zhì)，可保留原有的生物學(xué)活性。但用乙醇，時(shí)間較長(zhǎng)則會(huì)導(dǎo)致變性。重金屬鹽（Hg2+、Cu2+、Ag+），生物堿與蛋白質(zhì)結(jié)合成鹽而沉淀，是不可逆的。

凝固是蛋白質(zhì)變性發(fā)展的不可逆的結(jié)果。沉淀的蛋白質(zhì)不一定變性（如鹽析）。

四、蛋白質(zhì)的紫外吸收和呈色反應(yīng)

蛋白質(zhì)含芳香族氨基酸，在280nm波長(zhǎng)處有特征性吸收峰。

第五節(jié)蛋白質(zhì)的分類