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1、第一章绪论一、生物化学的概念、研究对象及内容1、概念：生 物 化 学(Bi o ch e m i s tr y)是研究生物的组成和生命过程中化学变化，即研究生命现象化学本质的科学。地球上的生物种类繁多，但构成生物的基本化学元素都是由C、H、0、N、P、S、以及微量元素组成。像所有物质一样,生命体也是由基本元素组成分子，进一步形成基本化学物质，组成生命体，所以我们可以按照化学的原理、利用化学的研究方法探索生命的本质，2、生物化学的研究对象：根据研究对象不同，生物化学可分为植物生物化学、动物生物化学、微生物生物化学和病毒生物化学，根据研究的目的不一样,生化又可分为农业生物化学工业生物化学、医用生物
2、化学和药物生物化学。3、生物化学的内容：研究生命化学本质的一个基本任务是了解有机体的化学组成，地球上种类繁多的生命体具有相似的基本化学组成，都是碳、氢、氧、氮、硫、磷、和少数其它元素组成，这些元素组合成各种各样的含碳有机化合物,其中最主要的是蛋白质、核酸、脂类和多糖。由于这些化合物分子量很大，所以称为生物大分子。除此之外，生物体内还含有许多其它的有机物，即一些基本生物分子和生物小分子，主要任务就是研究这些生物大分子、基本生物分子和生物小分子的结构、性质和生理功能，这就是静态生物化学。生物与非生物的区别在于它们经常进行自我更新，生物体存在的基本条件是与外界不断地进行物质交换，因此，生物化学的另一
3、方面就是研究糖、脂类、蛋白质、核酸等大分子在生物体内的分解、合成、相互转化以及转化过程中的能量转换问题。这些内容称为动态生物化学。二、生物化学发展史大 约 在1 9世纪末，德国化学家李比希(J.L i e b i g)初创了生理化学，在他的著作中首次提出了“新陈代谢”这个词。以后德国的霍佩赛勒(E.F.H o p p e-s e y l e r)将生理化学建成一门独立的学科,并于1 8 7 7年提出“Bi o ch e m i e”一词，译成英语为Bi o ch e m i s tr y”,即生物化学。生物化学的发展大体可分为三个阶段：一、静态生物化学阶段：大约从19世纪末到20世 纪 30年
4、代，主要是静态的描述性阶段。发现了生物体主要由糖、脂、蛋白质和核酸四大类有机物质组成,并对生物体各种组成成分进行分离、纯化、结构测定、合成及理化性质的研究。二、动态生物化学阶段：第二阶段约在2 0世 纪3 0 5 0年代，主要特点是研究生物体内物质的变化，即代谢途径，所以称动态生化阶段。在这一阶段，确定了糖酵解、三竣酸循环以及脂肪分解等重要的分解代谢途径，对呼吸、光合作用以及腺甘三磷酸(A T P)在能量转换中的关键位置有了较深入的认识。三、现代生物化学阶段：该阶段是从2 0世 纪5 0年代开始，以提出D N A的双螺旋结构模型为标志，主要研究工作就是探讨各种生物大分子的结构与其功能之间的关系
5、。生物化学在这一阶段的发展，以及物理学、微生物学、遗传学、细胞学等其他学科的渗透，产生了分子生物学，并成为生物化学的主体。三、生物化学与其它学科的关系生物化学是介于生物学与化学的一门边缘学科，与生物学的许多分枝学科有密切的关系，研究植物生命活动原理的植物生理学，必然要涉及到植物体内的机物代谢这一生命活动的重要内容。而的机物代谢的途径和机理也正是生物化学的核心内容之一；遗传学研空生命过程中遗传信息的传递与变异，核酸是一切生物遗传信息的表达是通过核酸所携带的遗传信息翻译为蛋白质来实现的；细胞生物学：研究生物细胞的形态，成分，结构与功能，研究过程必然探索组成细胞的各种化学物质的性质及其变化，所以细胞
6、生物学也与化学有着十分密切的联系。生物化学是一门非常重要的专业基础课，以后我们将要学到的遗传学、微生物学、栽培学等课程都要生物化学的知识作基础。从医学方面来讲，疾病的诊断愈来愈多地依赖于生化指标，如肝功能正常不正常，只要检查血液中转氨酶的高低、血液中脂类物质的增高是心血管疾病的特征之一。不仅如此生化也用在工业、农业、医学以及科学技术的许多方面，例如：制药中的提取，浓缩、过滤等程序都是生化方面的技术，制酱油、酿酒主要是发酵，糖酵解产生酒精。米酒是怎样产生酒味、泡菜为什么是酸的，学完生化以后就清楚了。又如纺织工业上淀粉酶除浆的方法就是用到酶的作用，农业上，优良品种的培育水稻、小麦光合效能的提高，果
7、树、蔬菜的病虫害的防治等等都需要生化提供解决的途径。四.生物化学在工农业方面的应用生物化学理论可以运用到农业、医学和工业生产等重要经济领域，在农业生产方面，运用生化的知识，可以阐明各种作物在不同栽培条件下的新陈代谢变化，了解产物的积累途径和控制方法，以达到优质、高产、低消耗的目的。生物化学理论可以指导人们更深入地了解作物的品种特性，有目的地控制的有利性状的传递，一些生化性状可以作为确定品种亲缘关系和品种选育的指标，如优质的生产。培育、面粉提高蛋白质含量等。生物化学在工业方面的应用：如去污水。加酶洗涤剂、淀粉酶除浆等，8 0年代兴起的生物技术：基因工程，细胞工程、酶工程及发酵工程四大部分，可以改
8、造物种、培育高产、优质、高抗逆性的转基因植物，并生产特殊的化学物质，利用生物技术还可生产新型的药物、疫苗和诊断盒，生化理论也可用于酿造、皮革、制糖等化学工业中。五、学习生物化学的方法1、以教材为主：我们所用的教材是张邦建主编的 生物化学，要多看书,吃透教材，除此之外，要看一些参考书，主要的参考书有：为王镜岩等编 生物化学上下册，高等教育出版社，2 0 0 2。2、要认真作笔记、教材的内容较多学时较少，教材上的东西不一定章章讲到，也不一定按顺序讲，所以复习的时候要按照笔记的顺序复习，教材上有些是植物学的，有些是植物生理和有机化学的内容，我们将一带而过，书上的内容，我们没有讲到的，我们在生化的复习
9、考试中不作要求，因此，作好笔记非常重要。3、记代号、背代谢途径：学习生化这门课，首先要对生化的内容有所了解,要了解代谢的规律，要背代谢途径。因此，生物体的同化和异化作用都包含着边串的中间代谢反应，生物小分子合成为生物大分子、或者大分子分解成生物小分子都是逐步进行的，是由许多中间代谢反应组成的，我们研究中间代谢，也就是研究中间代谢的反应途径，代谢过程是连锁的反应，如葡萄糖分解成丙酮酸，再分解成C O,和H Q,这些连锁的反应叫做代谢途径，代谢途径有直线的代谢途径，有循环的代谢途径，途径与途径之间有交叉、又有联系，在学习过程中，我们要知道中间代谢途径，也要知道代谢产物，知道每一步反应的酶，即酶的名
10、称、酶的作用，以及酶的特异性。第一章 氨基酸和蛋白质第一节概述一、蛋白质的生物学功能蛋白质是生物细胞组分中含量最丰富，功能最多的生物大分子，是生物体重要的组成成分，与生命活动有着十分密切的关系，在生物体内的重要作用。恩格斯：生命是蛋白质的存在形式。核酸是生命的蓝图，蛋白质是生命的表现者。具体表现在：1、催化作用：酶是以蛋白质为主要成分的生物催化剂，代谢反应几乎都是在酶的催化下进行的。2、调节作用：某些动物激素是蛋白质，如胰岛素，生长素，促卵泡激素,促甲状腺激素等，在代谢调节起着重要的作用。3、运输作用：如血红蛋白，肌红蛋白运输氧；脂蛋白运输脂类，细胞色素和铁氧还蛋白（运输）传递电子；细胞膜上的
11、离子通道、离子泵，载体等运输离子和代谢物。4、防御功能：如高等动物的抗体，补体、干扰素等蛋白具有防御作用。识别与排他作用。二、蛋白质的化学组成（一）元素组成蛋白质主要含有C、H、0、N,有的还含有S、P、金 属 离 子（F e、Zn、Cu、M n等），蛋白质元素组成与糖、脂不同的是含有N,而且大多数蛋白质含N量相当接近，约 为1 5 1 7%,平 均 为1 6%,所以在任何生物样品中，每 克N的存在大约表示该样品含有1 0 0/1 6=6.2 5 g蛋白质,因此,只要测定生物样品中的含N量，就能计算出蛋白质的大致含量。例如测定1 0 0克面粉中含有2 g N,说 明1 0 0克面粉里含有2 X
12、 6.2 5=1 3.2 5 g蛋白质,面粉的蛋白质含量=1 3.5虬（二）蛋白质的基本组成单位蛋白质是高分子物质，结构复杂，分子量大，一般 都 在10000以上，蛋白质可被酸、碱和蛋白酶催化水解，使蛋白质分子断裂，分子量逐步变小，最后水解成AA。蛋白质一 蛋 白 陈 t多 肽 *A A例如：在体外加510倍20%HCl水解蛋白质24hr,即可使蛋白质水解成AA。所以氨基酸是蛋白质最基本的组成单位。在生物体内，蛋白质主要是在蛋白酶的催化下分解的，在水解过程中由于水解方法和条件不同，可以得到不同程度的降解物。三、蛋白质的分类根据蛋白质化学组成的复杂程度和溶解度的不同，蛋白质可分为单纯蛋白质、结合
13、蛋白质两大类，单纯蛋白质水解的最终产物只有AA,结合蛋白质是由单纯蛋白质和非蛋白质两部分结合而成，彻底水解后除产生AA外，还有其它化合物，如糖、脂、核酸、磷酸、色素等。一、单纯蛋白质：指那些只含有AA成分的蛋白质，属于单纯蛋白质的有如下几种：1、清蛋白：又叫白蛋白，分子量较小，能溶于水，稀盐、稀酸、稀碱溶液属于清蛋白的有：白蛋白、血清清蛋白、卵清蛋白、麦清蛋白等。2、球蛋白：球蛋白不溶于水，易溶于稀酸、稀碱、稀盐溶液中，属于球蛋白的如大豆球蛋白、肌球蛋白、免疫球蛋白，胰岛素等。3、谷蛋白：溶于稀酸稀碱溶液如麦谷蛋白（面筋），这类蛋白含有大量G lu。4、醇溶蛋白：溶 于70-90%乙醇中，如小
14、麦胶体蛋白、玉米蛋白、含 脯aa和谷胺酰胺较多。5、精蛋白和组蛋白：是一类分子量小的碱性蛋白质、含 精aa和 赖aa欲分离测定谷物中不同蛋白质组分，只要将谷物待测样品分别用水，稀盐、乙醇和稀碱溶液按顺序提取，即可将它们一一分开，再用简便灵敏的蛋白质含量测定方法将其测定如280nm紫外吸收法Folin酚试剂法等。根据溶解度：蛋白质可分为：白 蛋 白（清蛋白）：溶于水，球蛋白一溶于中性盐溶液如NaCl 醇溶蛋白一溶于70-80%乙醇中谷蛋白一溶于稀酸稀碱二、结合蛋白结合蛋白是由单纯蛋白质的非蛋白质物质组成的，根据非蛋白的成分可分为下列儿类：1、核蛋白：蛋白质与核酸的复合体，细胞中的染色质是DNA与
15、蛋白质的复合物，组成染色质的蛋白质主要是组蛋白，存在于核糖体中的核蛋白中核糖 体 RNA（rRNA）与蛋白质结合的。2、脂蛋白：蛋白质儿乎所有脂蛋白具有运输和载体的功能，脂蛋白将脂质从它们的合成部位运送到其它部位执行它们的功能,脂蛋白主要存在于生物膜中，如质膜、线粒体膜、叶绿体膜等含有大量脂蛋白。3、糖蛋白：蛋白质与碳水化合物称为糖蛋白，组成蛋白质的糖类有N-乙酰葡萄糖胺，葡萄糖、甘露糖、阿拉伯糖及木糖等，蛋白质部分有的是多肽,有的是小肽（短肽链）蛋白质和糖以共价键连接而成糖蛋白、糖通过糖基的 G与肽链中含羟基的氨基酸侧链-0H基结合。糖蛋白中含量差异很大，占分子量1-80%,有的糖基为二糖，
16、有的为多糖，多糖糖基有的是直链，有的是支链，有的是同聚糖，有的中杂聚糖。4、磷蛋白：由蛋白质和磷酸组成，磷酸往往与丝a aa或 苏 a a 侧链的羟基结合，如胃蛋白酶，牛奶中的酪蛋白即为磷蛋白，含有许多丝a a 磷酸。5、黄素蛋白：黄素蛋白是蛋白质与黄素核甘酸的结合，生物体的许多氧化还原反应的辅酶如琥珀酸脱氢酶就属于黄素蛋白。6、色素蛋白：如含铁吓琳类的蛋白、血红蛋白、过氧化氢酶、细胞色素C等是由蛋白质和铁吓琳组成。第二节氨基酸化学一、氨基酸的结构蛋白质的水解产物是20种 A A,经结构分析，20种 AA有三种共同的结构特点:1、都是a A A：氨基都是连接在与竣基相连的a 碳原子上。2、除甘
17、a a 外，都有一个不对称碳原子，因此，都具有旋光性3、A A 都是L-型的，生物体内的A A 极少数是D 型的，只是有些抗菌素中含有 D-型A A （D型A A 对人体是有害！）二、氨基酸的分类组成蛋白质的2 0 种 A A 可按性质进行分类，可按化学结构分类，也可根据生物体内是否能自行合成分为必需A A 和非必需A A o（一）根据体内能否自行合成分：1、必需A A：这类A A 在体内不能合成，而必须由食物提供，共 8 种：即缴a a、异亮a a、亮 a a、苯丙a a、蛋 a a、色 a a、苏a a 和赖a a。2、非必需A A：这类A A 在动物体内可以合成，不一定由食物提供，除8
18、种必需A A 的其它1 2 种都是非必需A A,其中精a a 在体内能合成一部分，但供应不上，一部分必须由食物提供，所以叫做半必需A A。（二）根据A A 侧链R 基的极性性质，将 2 0 种A A 分为四大类：1、非极性R集团A A这类A A 共有8 种，包括五种具脂肪煌R基团的A A,即：丙 a a、亮 a a、异亮 a a、缴 a a、1Tl硫 a a 和色a a、苯丙a a、脯 a a,其中色a a 和苯丙a a 含 有 口 引 U朵环和苯基、脯 a a 是一种亚氨基酸2、极性不带电荷A A这一-类包括其中七种氨基酸，它们所含的极性R 基团能参与氢键的形成，丝 a a、苏a a、酪a
19、a 的极性是由竣基提供的；而天冬酰胺和谷酰胺的极性是由酰胺基产生；半胱a a 的极性由航基产生，甘 a a 虽不带有侧链极性基团，但由于所带的a-氨基和a-竣基占了整个分子的大部分，具有明显的极性，所以也归纳为极性A A 一类。要求会写这七种A A 的结构式。3、R 基团带负电荷的A A这类包括两种氨基酸，即谷a a 和天冬a a。他们因含有第二个竣基，所以在 P H 7.0 时具有净负电荷。4、碱性A A R 基团带正电荷的A A这类包括三种氨基酸，即赖a a、精 a a 和组a a。这三种A A 的侧链基团在P H 7.0 时带有正电荷，赖 a a 的R 侧链带有-N H?基，精 a a
20、带有具正电荷的灰基；组 a a 具有弱碱性的咪哇基。三、氨基酸的性质（一）物理性质a-氨基酸都是白色晶体，熔点通常较高，一般在2 0 0 以上。芳香族氨基酸（色氨酸、酪氨酸）有紫外吸收的特征，他们在波长2 80 n m 附近有最大紫外吸收,利用这一点性质可以测定样品中蛋白质的含量。（二）酸碱性质A A 的同一分子中含有碱性的-N H?和酸性的竣基-C O O H,-C O O H 可以解离放出H,，自身变成-C 0 0 负离子，H 转给-N H z成为氨基正离子，成为同一分子上带有正负电荷的两性离子，实验证明，氨基酸在水溶液中或晶体状态都是以两性离子形式存在。两性离子的A A,其氨基和竣基的解
21、离受p H 影响。在酸性条件下A A 两性离子是H*的受体，起到碱的作用，A A 以正离子状态存在。在碱性条件下，两性离子的A A 又可以作H 的供体，起到酸的作用，A A 以负离子状态存在。因此，氨基酸是两性电解质，现以中性A A 闪a a 为例说明氨基酸的解离情况。物质的解离常数可以用测定滴定曲线的实验方法求得，当 I m o l 丙氨酸溶于水时，溶液的p H 等于6,如果用标准N a O H 进行滴定，以加入的氢氧化钠摩尔数对 p H 作图得到滴定曲线，在 p H 9 6 9处有一拐点，即P K?。如果用p H 标准盐酸滴定，以加入的盐酸摩尔数对p H 作图得滴定曲线A,在 p H 2
22、3 4 处有一拐点即K,O随着溶液酸性增强，丙氨酸两性离子作为碱，其-C 0 0 接受H 转变为正离子（A l a）,在电场中向阴极移动；而随着溶液碱性增强，A l a 用为酸，其-N H 3 供出质子而转变为负离子（A l a ）,在电场中向阳极移动，在 p H 6.0 2 时，丙氨酸竣基的负电荷和氨基的正电荷数相等，净电荷为零，在电场中将不移动，此时溶液p H称为丙氨酸的等电点(P I)oA l a 的 等 电点=(P K+P L )/2,即=(2.3 4+9.6 9)/2=6.0 2。所以,等电点P I值等于该A A的两性离子状态两侧的基团P K值之和的一半。(三)由 氨基和竣基共同参与
23、的反应1、由氨基参与的反应(1)与亚硝酸的反应：2 0种AA中除脯a a外，AA的a -氨基与其它一级胺一样，能与亚硝酸作用生成相应的羟酸和N。产生的岫气一半来自氨基酸的氨基N,一半来自亚硝酸的N,在标准条件下,测定生产氮的体积即计算氨基酸的量。(2)桑 格 反 应(S a ng e r re a c ti o n),即与2,4-二硝基氟苯的反应。在碱性条件下，氨基酸的a-氨基与一般氨基化合物一样，遇卤素化合物时,能生成氨基取代化合物，其中重要的是2,4-二硝基氟苯的反应。这反应可用来鉴定多肽或蛋白质N-末端的氨基酸以及测定多肽或蛋白质的氨基酸排列顺序。(3)艾德曼反应(Ed m a n re
24、 a c ti o n)a -氨基与苯异硫氟酸酯在弱碱性条件下形成相应的苯氨基硫甲酰衍生物，这种衍生物在硝基甲烷中与酸作用发生环化生成相应的苯乙内酰硫胭衍生物，这种衍生物是无色的，可用层析法鉴定，这个反应首先为Ed m a n用来鉴定多肽或蛋白质N末端氨基酸，这个反应在多肽或蛋白质的AA顺序分析方面占有重要地位。现在根据此原理设计出了“蛋白质顺序测定仪”，可以自动测定蛋白质的AA顺序。2、由竣基参与的反应AA的竣基和其它有机化合物一样，在一定条件下可以起成酯、成盐、成酰胺、酰氯、脱竣等反应1、成酯反应：2、成盐反应：3、成酰胺反应：氨基酸酯与氨作用即可形成氨基酸酰胺，为生物体储N H；,主要反
25、应。动、植物体内存在的天冬酰胺和谷酰胺也可能以这种反应形成的4、脱竣反应：生物体内的AA经脱竣酶作用放出CO,并生成相应的胺。第三节 蛋白质的分子结构蛋白质是由许多氨基酸通过肽键连接形成的生物大分子，2 0 种 AA以不同的数目，比例和排列顺序构成了成千上万种不同的蛋白质，其分子量在1 0 0 0 0以上，结构极其复杂，下面对蛋白质结构的不同层次进行讨论。一、蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序和连接方式，蛋白质的一级结构也叫化学结构。氨基酸的连接方式：一个AA的a -氨基与另一 AA的a -竣基经脱水成肽键连接的。1、肽键的双键性质：P a u l i ng 利用
26、X-射线技术研究蛋白质肽键结构时，发现肽键是一个平面结构，测得肽键的C-N 键长为1.3 2 A(0.1 3 2 nm),介于C-N双键1.2 7 A和 C-N 单键1.4 6 之间，具有部分双键性质,不能自由旋转.形成刚性的酰胺平面结构.2、酰胺平面：肽键的C、0、N、H 四个原子和相邻的G 原子分布在一个平面上，H 和。交替地分布在链的两侧，两个相邻的a -碳原子之间的距离为3.6 人,因为肽键具有部分双键性质,即C-N 键不能自由旋转，是一个固定的平面，即酰胺平面,但平面两侧的C-C键和N-C键可以自由旋转,这个N-C键的长度是0.1 4 6 n m,是一个单键,可以转动，由于C-C键和
27、N-C键能自由转动,所以，多肽链可以形成特定的构象.如 C-C键和N-C键旋转不同的角度就构成不同的构象.3、小分子活性肽最简单的肽由2 个氨基酸通过一个肽键连接而成，成为二肽。三肽是一个二肽的竣基与另一 A A 的一阻脱水成肽键，所以一个肽就有8 个A A 残基，八个氨基酸残基的八肽由七个肽键连接。十个以下的肽叫寡肽，超过1 0A A 残基的肽叫多肽。因为多个A A 以肽键连接的是一条链，所以也叫多肽链，蛋白质里的肽链由1 00-3 00个A A残基组成，但也有例外，如铁氧还蛋白只有6 000道尔顿，大约只 有6 0个A A残基组成。组成蛋白质一级结构的是a-氨基，a-竣基，而有些A A还含
28、有非a-氨基，非a -竣基，如 赖a a的 -N H2,精a a的胭基，H i s的咪映基，这些都没有形成肽键，它们以游离状态存在。非a-竣基，如 谷a a、天门冬a a的非a -竣基既可与其它N H,形成肽键，也可形成盐。谷胱甘肽是一些酶的辅酶，这 个G lu就是由a-竣基形成的肽键，在谷胱甘肽中的S H是暴露在外面的，是一个比较活跃的基团，这 个S H基又可与另一个谷胱甘肽结合起来成为氧化型的谷胱甘肽。现在蛋白质一级结构弄得较清楚的是胰岛素和核糖核酸酶，如胰岛素由5 1个A A残基组成，由A、B两条肽链组成，A链是由2 1个A A残基组成的2 1肽链，B链是由3 0个A A残基组成的3 0
29、肽，A、B链之间由两个二硫键连接起来，一个二硫键是A的第七位c y s和B链的第七位c y s,另一个是A 1 9-B2 0两 个c y s的S H基形成的，除此之外，2 1肽 的A链内的第6个 与 第1 1位 的c y s又形成一个链内二硫键，所以，胰岛素分子的一级结构有二个链间二S键和一个链内二硫键，共有三个二硫键。蛋白质的一级结构是最基本的结构，蛋白质的高级结构主要是由一级结构决定的。二、蛋白质的二级结构蛋白质二级结构是指多肽链的彼此靠近的氨基酸残基之间由于氢键的相互作用而形成的空间关系，即蛋白质多肽链本身通过氢键盘绕,折叠而形成的构象。天然蛋白质一般都含有a-螺旋、B-折叠、转角和自由
30、卷曲等二级结构，其中最重要是a-螺 旋 和 折 叠。1、a-螺旋结构一个天然蛋白质多肽在一定条件下只有一种或很少几种构象，而且相当稳定,这是因为链上有三分之一是具部分双键性质的C-N键,不能旋转,止匕外,主链上有很 多R侧链,其大小及带电情况不同,它们在单链旋转时产生空间位阻和静电效应，制约着大量的构象形成。a -螺旋结构特点：肽链中的酰胺平面绕C相继旋转一定角度形成-螺旋，并盘旋前进。每隔3.6个A A残基，螺旋上升一圈；每隔间距0.5 6 n m,即每个A A残基沿螺旋中心轴 上 升1.5 n m，螺旋上升时，每 个A A残基沿轴旋转10 0%螺旋体中所有A A残基侧链都伸向外侧；链中的全
31、部 C=0,N-H儿乎都平行螺旋轴；每 个A A残基的N-H与前面第四个A A残基的C=0形 成H键，肽链上所有肽键的H、0都参与H键的形成，因此，a-螺旋相当稳定。所有天然蛋白质大多数为右手a -螺旋，若遇到脯a a,螺旋就中断，因为p r o是a-亚氨基酸，其残基没有多余的氢原子形成氢键。2 .蛋白质的B-折叠结构B -折叠结构与a -螺旋结构相比有如下特点：1)a-螺旋结构的肽链是卷曲的棒状结构，而 折 叠 结 构 的 肽 链 儿 乎 是 完全伸展的整个肽链成一种折叠的形式。2)B-折叠结构是肽链与肽链之间形成氢键，a-螺旋是链内形成氢键3)B-折叠有两种类型：一为平行式，即肽链的所有N
32、端 都 在 同 一端，另一类为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反，一条为N端，另一条为C端。3 .B-转角B-转角也叫做B-回折，即肽链回折18 0,使 得A A残基的C=0与第四个A A残基的N-H形成氢键，产生一种很稳定的环形结构。三、蛋白质的三级结构多肽链在二级结构的基础上，主链构象和侧链构象相互作用，进一步盘曲折叠形成特定的球状分子结构即为三级结构。四、蛋白质的四级结构由两条或两条以上具有三级结构的多肽链聚合而成有特定三维结构的蛋白质构象叫做蛋白质的四级结构。四级结构是由具有一二、三级结构的儿个亚基或亚单位构成，单独的亚基并无活性，亚基之间有的是相同的。有的是不相同的。例如血红蛋白(h
33、 e m o g l o b i n),它是血液中红细胞的主要成分，具 有 运 输 和CO?的功能，由相同的两个a-亚基和两个B-亚基组成四聚体，如果单独的a-链或单独的6 -链则没有运输0?和CO?的作用。五、维持蛋白质构象的作用力蛋白质天然构象的稳定性主要靠一系列弱作用力维持，这些弱的作用力主要有氢键、疏水作用、范德华力、二硫键、酯键和配位键等。1、氢键：是发生于多肽链中负电性很强的氮原子和氧原子的孤对电子与N-H或0-H的氢原子之间的相互吸引力。氢 键虽是弱键，但在蛋白质分子中数量极大，在维系和促进蛋白质高级结构形成，特别是二级结构的形成中起着极其重要的作用。2、范德华力：当两个非键合原
34、子处于一定距离时，才能达到最大的范德华引力。如：谷a a、天门冬a a的竣基与酪a a的酸羟基之间在空间结构上处于一定距离时产生范德华引力，在蛋白质结构中它的数量也较大，也是形成和稳定蛋白质构象的一种不可忽视的作用力。3、疏水作用：由疏水基团之间的相互作用形成的疏水力。疏水作用在维持蛋白质的三级结构的稳定性和促进四级结构的形成中占突出的地位。4、离子键：也称盐键。它是正电荷与负电荷之间的一种静电相互作用。5、二硫键：两 个c y s残基的-SH经氧化作用而形成的二硫键，它将不同的肽链或同一肽链不同部分连接起来。六、蛋白质的结构与功能的关系(一)蛋白质的一级结构与其构象及功能的关系蛋白质一级结构
35、是空间结构的基础，特定的空间构象主要是由蛋白质分子中肽链和侧链R基团形成的次级键来维持，在生物体内，蛋白质的多肽链一旦被合成后，即可根据一级结构的特点自然折叠和盘曲，形成一定的空间构象。A nfi ns e n以一条肽链的蛋白质核糖核酸酶为对象，研究二硫键的还原和氧化问题，发现该酶的1 24个氨基酸残基构成的多肽链中存在四对二硫键，在大量B 一毓基乙醇和适量尿素作用下，四对二硫键全部被还原为亚H,酶活力也全部丧失，但是如将尿素和B 疏基乙醇除去，并在有氧条件下使筑基缓慢氧化成二硫键，此时酶的活力水平可接近于天然的酶。Anfinsen在此基础上认为蛋白质的一级结构决定了它的二级、三级结构，即由-
36、级结构可以自动地发展到二、三级结构。一级结构相似的蛋白质，其基本构象及功能也相似，例如，不同种属的生物体分离出来的同-功能的蛋白质，其一级结构只有极少的差别，而且在系统发生上进化位置相距愈近的差异愈小（表 卜2,表13）。表1-2胰岛素分子中氨基酸残基的差异部分胰岛素来源氨基酸残基的差异部分A5A6A10A30人ThrSerlieThr猪ThrSerI IeAla狗ThrSerHeAla兔ThrSerHeSer牛AlaSerVaiAla羊AlaG lyVaiAla马ThrG lyHeAla抹香狼ThrSerHeAla鲤独AlaSerThrAla表1-3细胞色素C分子中氨基酸残基的差异数目及分歧
37、时间不同种属氨基酸残基的差异数目 分歧时间（百万年）人-猴150-60人-马1270-75人-狗1070-75猪-牛-羊0马-牛360-65哺乳类-鸡10-15280哺乳类-湖17-21400脊椎动物-酵母43-481,100在蛋白质的一级结构中，参与功能活性部位的残基或处于特定构象关键部位的残基，即使在整个分子中发生一个残基的异常，那么该蛋白质的功能也会受到明显的影响。被称之为“分子病”的镰刀状红细胞性贫血仅仅是5 7 4个氨基酸残基中，-个氨基酸残基即B亚基N端的第6号氨基酸残基发生了变异所造成的,这种变异来源于基因上遗传信息的突变。图1-1 3镰刀状红细胞性贫血血红蛋白遗传信息的异常正常
38、D N A.T G t G G G C T T C T T T T T.mR N AA C A C C C G A A G A A A A AD N A （3亚基）N端苏-脯-谷-谷-赖异常D N A.T G T G G G G A T C T T T T T.mR N A.A C a C C C G U A G A A A A A.h b s（B亚基）N端苏 脯 缴 谷 赖（二）蛋白质高级结构与功能活性的关系蛋白质多种多样的功能与各种蛋白质特定的空间构象密切相关，蛋白质的空间构象是其功能活性的基础，构象发生变化，其功能活性也随之改变。蛋白质变性时，由于其空间构象被破坏，故引起功能活性丧失，变
39、性蛋白质在复性后，构象复原，活性即能恢复。在生物体内，当某种物质特异地与蛋白质分子的某个部位结合，触发该蛋白质的构象发生一定变化，从而导致其功能活性的变化，这种现象称为蛋白质的变构效应（a llo st e r y）。蛋白质（或酶）的变构效应，在生物体内普遍存在，这对物质代谢的调节和某些生理功能的变化都是十分重要的。现以血红蛋白（h e mo g lo b i n,简写H b）为例来说明构象与功能的关系。血红蛋白是红细胞中所含有的一种结合蛋白质，它的蛋白质部分称为珠蛋白(g lo b i n),非蛋白质部分(辅基)称为血红素。H b 分子由四个亚基构成，每一亚基结合一分子血红素。正常成人H b
40、 分子的四个亚基为两条a链，两 条 B链。a链由1 4 1 个氨基酸残基组成，B链由1 4 6 个氨基酸残基组成，它们的一级结构均已确定。每一亚基都具有独立的三级结构，各肽链折叠盘曲成一定构象，B亚基中有8 个 a 螺旋区(分别称A、BH 螺旋区)，a亚基中有7 个 a 螺旋区。在此基础上肽链进一步折叠形成球状，依赖侧链间形成的各种次级键维持稳定，使之球形表面为亲水区，球形向内，在 E 和 F 螺旋段间的2 0 多个端水氨基酸侧链构成口袋形的疏水区，辅基血红素就嵌接在其中，a亚基和B 亚基构象相似，最后，四个亚基a 2 B 2 聚合成具有四级结构的H b 分子。在此分子中，四个亚基沿中央轴排布
41、四方，两 a亚基沿不同方向嵌入两个B 亚基间，各亚基间依多种次级健联系，使整个分子呈球形，这些次级键对于维系H b 分子空间构象有重要作用，例如在四亚基间的8 对盐键，它们的形成和断裂将使整个分子的空间构象发生变化。H b 在体内的主要功能为运输氧气，而 H b 的别位效应，极有利于它在肺部与0 2 结合及在周围组织释放0 2 oH b 是通过其辅基血红素的F e+与氧发生可逆结合的，血红素的铁原子共有6个配位键，其中4 个与血红素的毗咯环的N结合，一个与珠蛋白亚基F 螺旋区的第 8 位组氨酸(F 8)残基的咪唾基的N相连接，空着的一个配位键可与0 2 可逆地结合，结合物称氧合血红蛋白。在血红
42、素中，四个毗咯环形成一个平面，在未与氧结合时F e+的位置高于平面 0.7 A,一旦0 2 进入某一个a亚基的疏水“口袋”时，与F e+的结合会使F e+嵌入四毗咯平面中，也即向该平面内移动约0.7 5 A,铁的位置的这一微小移动，牵动F 8 组氨酸残基连同F 螺旋段的位移，再波及附近肽段构象，造成两个a亚基间盐键断裂，使亚基间结合变松，并促进第二亚基的变构并氧合，后者又促进第三亚基的氧合使H b 分子中第四亚基的氧合速度为第一亚基开始氧合时速度的数百倍。此种一个亚基的别构作用，促进另一亚基变构的现象，称为亚基间的协同效应(c o o p e r a t i v i t y),所以在不同氧分压
43、下，H b 氧饱和曲线呈“S”型。第四节蛋白质的理化性质及其分离纯化一、蛋白质的理化性质蛋白质是由许多氨基酸组成的高分子化合物，因此，蛋白质的性质有些与A A相同，如两性性质，等电点及侧链基团的反应等，有些是大分子特有的性质,如胶体性质，沉淀、变性等。（-）蛋白质的两性解离和等电点蛋白质由氨基酸组成，虽然蛋白质分子中的氨基和羟基绝大部分已经相互结合成肽键，但仍有末端a-氨基和末端a-羟基，止 匕 外，还有起主要作用的B-羟基、Y-羟基、6 -氨基，咪哇基、服基、酚基和疏基等，在一定的p H条件下,使蛋白质呈酸性或碱性，所以蛋白质与氨基酸相似，是一种两性电解质。在碱性溶液中蛋白质如酸一样释放印而
44、带负电荷，在酸性溶液中则如碱一样接受H,而带正电荷，当溶液在某一 p H值时，使某特定蛋白质分子上所带正负电荷相等，成为两性离子，在电场中既不向阳极移动，此时溶液的p H值即为该蛋白质的等电点（P I）在电场中，如果蛋白质分子所带正电荷多于负电荷，净电荷为正，在电场中向负电极方向移动；如果蛋白质分子所带负电荷多于正电荷，蛋白质带净负电荷，在电场中则向正电极移动。这种带电粒子（蛋白质）在电场中向与其自身带电相反的电极移动的现象称为电泳。不同带电性质和不同分子大小不同形状的蛋白质分子在电场中的泳动方向和速度不同。因此可用电泳分离、纯化、鉴定和制备蛋白质。（二）蛋白质的胶体性质因为蛋白质是高分子化合
45、物，在水中可形成大致I T OOn m的单分子颗粒，刚好是在胶体的范围内，所以有很多性质是胶体的性质，如胶体有丁泽尔效应，布朗运动具有吸附能力，不能透过半透膜等，蛋白质也有这些性质。蛋白质是稳定的亲水胶体，因为蛋白质的表面有很多亲水基团，如-C OOH、-NH?、-OH、-S H、-C ONH等都是亲水基团，所以蛋白质与水相遇时，易被水吸收，蛋白质表面有一水膜，所以蛋白质与蛋白质之间由水膜隔开，因此，蛋白质在水中的稳定因素是水膜和电荷。（三）蛋白质的沉淀蛋白质溶液的稳定性是有条件的，相对的，如果破坏了蛋白质分子外的水膜或中和了蛋白质分子所带的电荷，则蛋白质胶体溶液就不稳定，会出现沉淀现象，任何
46、影响蛋白质所带电荷和水化作用的因素都会使蛋白质沉淀，所谓沉淀是蛋白质因某些物理化学因素自溶液中析出的现象。使蛋白质沉淀的因素主要有以下几种：1 .高浓度的中性盐由于加入高浓度的中性盐而使溶液中的蛋白质沉淀析出的现象叫盐析，盐析的原因是中性盐破坏蛋白质分子表面的水化层，中和了电荷，即破坏了蛋白质的稳定因素（例如做豆腐用的C a S 0 1 2 H q石膏）。盐析初期，溶液离子浓度低,随着中性盐浓度提高蛋白质分子吸附盐离子后，带电表层使它们彼此排斥，而蛋白质分子与水分子之间的相互作用却加强了，因而溶解度提高，这种现象称为盐溶（S a l ti n g i n）,各种蛋白质的亲水性及带电性质均有差别
47、，因此不同蛋白质所需中性盐浓度也不同，只要调节中性盐浓度就可使混合蛋白质溶液中的几种蛋白质分散沉淀析出，这种方法叫做分段盐析。2 .有机溶剂：当加入有机溶剂如丙酮、乙醛、乙醇等到蛋白质溶液中去，即发生沉淀，这种变性作用可能与降低蛋白质溶液的介电常数有关。3 .金属盐类：因蛋白质在碱性条件下带负电荷，易与重金属结合而沉淀，如M g、P b C u*H g ,如农药中毒、可喝蛋清、蛋白与P b结合沉淀达到解毒的目的。4 .物碱试剂和某些酸类：如单宁、苦味酸、钳酸、鸨酸、三氯乙酸，这些碱都有-G O O H,与蛋白质起作用的是酸性条件下，蛋白质带正电荷可以与带负离子的酸根结合发生沉淀。（四）蛋白质的
48、变性和复性蛋白质分子在受到界一些物理因素如热、高压、紫外线照射或化学因素如有机溶剂：胭、酸、碱等的影响时，分子构象发生变化，溶解度降低，生物活性丧失，一些物理、化学因素改变，这些变化都不涉及到一级结构的改变，即肽链的共价键并末断裂、二S键也不断裂、蛋白质分子的这一类变化，统称为蛋白质的变性作用（D e n a tu r a ti o n）0变性作用的实质是蛋白质分子的空间结构的改变或破坏，从有秩序而紧密的构造，变为无秩序松散的构造，易被蛋白水解酶水解（熟食易消化的道理）复性：如果引起变性的因素比较温和，蛋白质构象仅仅是有些松散时，当除去变性因素后，蛋白质可缓慢地重新自发折叠恢复原来的构象叫复性
49、。那么变性和沉淀有什么不一样呢？一般来说，变性是指蛋白质的空间结构破坏，生物活性丧失，变性了的蛋白质是一定要沉淀下来的。但是沉淀的蛋白质不一定就变性了，如很多酶制品已制成结晶，仍保持生物活性因为结构并没有改变。（五）蛋白质的呈色反应蛋白质分子中含有各种A A,能与多种化合物作用，产生各种颜色反应：1、双缩胭反应：蛋白质分子中含有许多和双缩眼试剂相似的肽键，而双缩胭在碱性环境中，能与硫酸铜结合成红紫色的络合物，此反应叫做双缩腺反应。凡具有两个以上肽结构的化合物都有这种反应，利用这一些反应可鉴定蛋白质是否水解完全，并根据红紫色的深浅可作蛋白质的定量测定。2、米伦反应：蛋白质分子的酪aa羟基与米隆试
50、剂反应，产生红色化合物,米隆试剂为硝酸、亚硝酸、硝酸汞、亚硝酸汞的混合物。最初产生的有色物质可能为羟苯的亚硝酸基的衍生物，经变位作用变成颜色更深的邻醒月亏，最终与汞盐作用形成稳定的红色化合物（结构还不了解）另外，蛋白质的酪aa酚基能将福林试剂中的磷鸨酸还原成蓝色化合物（钳兰和鸨兰的混合物），这一反应常用来测定微量蛋白质。3、荀三酮反应（同 AA反应）在加热条件下，蛋白质与苗三酮反应生成紫色（与脯氨酸反应生成黄色）化合物的反应。二、蛋白质的分离提纯技术以蛋白质和结构与功能为基础，从分子水平上认识生命现象，已经成为现代生物学发展的主要方向，研究蛋白质，首先要得到高度纯化并具有生物活性的目的物质。蛋