《生物化学》讲义总结讲解

《生物化学》讲义总结

第一章蛋白质的结构与功能

一、氨基酸：

1．结构特点：氨基酸(amino acid)是蛋白质分子的基本组成单位。构成天然蛋白质分子的氨基酸约有20种，除脯氨酸为α-亚氨基酸、甘氨酸不含手性碳原子外，其余氨基酸均为L-α-氨基酸。

2．分类：根据氨基酸的R基团的极性大小可将氨基酸分为四类：① 非极性中性氨基酸(甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸)；

② 极性中性氨基酸(色氨酸、酪氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏氨酸)；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、组氨酸)。

3．理化性质

（1）两性解离与等电点：

氨基酸分子中有游离的氨基和游离的羧基，能与酸或碱类物质结合成盐，故它是一种两性电解质。在某一PH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，此时溶液的PH称为该氨基酸的等电点。

（2）氨基酸的紫外吸收性质

芳香族氨基酸（色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸）在280nm波长附近有最大的紫外吸收峰，由于大多数蛋白质含有这些氨基酸残基，氨基酸残基数与蛋白质含量成正比，故通过对280nm波长的紫外吸光度的测量可对蛋白质溶液进行定量分析。

（3）茚三酮反应

氨基酸的残基与茚三酮水合物反应可生成蓝紫色化合物，此化合物最大吸收峰在570nm波长处。由于此吸收峰值的大小与氨基酸释放出的氨量成正比，因此可作为氨基酸定量分析方法。

二、肽键与肽链：

肽键(peptide bond)是指由一分子氨基酸的α-羧基与另一分子氨基酸的α-氨基经脱水而形成的共价键(-CO-NH-)。氨基酸分子在参与形成肽键之后，由于脱水而结构不完整，称为氨基酸残基。每条多肽链都有两端：即自由氨基端(N 端)与自由羧基端(C端)，肽链的方向是N端→C端。

人体内存在许多具有生物活性的肽，重要的有：

谷胱甘肽（GSH）：是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽。半胱氨酸的巯基是该化合物的主要功能基团。GSH的巯基具有还原性，可作为体内重要的还原剂保护体内蛋白质或酶分子中巯基以免被氧化，使蛋白质或酶处于活性状态。

三、肽键平面(肽单位)：

肽键具有部分双键的性质，不能自由旋转；组成肽键的四个原子及其相邻的两个α碳原子处在同一个平面上，为刚性平面结构，称为肽键平面。

四、蛋白质的分子结构：

蛋白质的分子结构可人为分为一级、二级、三级和四级结构等层次。一级结构为线状结构，二、三、四级结构为空间结构。

1．一级结构：指多肽链中氨基酸的排列顺序，其维系键是肽键。蛋白质的一级结构决定其空间结构。

2．二级结构：指多肽链主链骨架盘绕折叠而形成的构象，借氢键维系。主要有以下几种类型：

⑴α-螺旋：其结构特征为：①主链骨架围绕中心轴盘绕形成右手螺旋；②螺旋每上升一圈是3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm；③ 相邻螺旋圈之间形成许多氢键，α-螺旋的每个肽键的N-H和第四个肽键的羧基形成氢键，氢键的方向与螺旋长轴基本平行；④ 侧链基团位于螺旋的外侧。

影响α-螺旋形成的因素主要是：① 存在侧链基团较大的氨基酸残基；② 连续存在带相同电荷的氨基酸残基；③ 存在脯氨酸残基。

⑵β-折叠：其结构特征为：① 若干条肽链或肽段平行或反平行排列成片；

② 所有肽键的C=O和N—H形成链间氢键（即它们之间靠链间肽键羧基上的氧与亚氨基上的氢形成氢键维系构象稳定）；③侧链基团分别交替位于片层的上、下方。

⑶β-转角：多肽链180°回折部分，通常由四个氨基酸残基构成，借1、4残基之间形成氢键维系。第二个残基常为脯氨酸。

⑷无规卷曲：主链骨架无规律盘绕的部分。主要化学键：氢键。

3．三级结构：指多肽链所有原子的空间排布。其维系键主要是非共价键（次级键）：氢键、疏水键、范德华力、离子键等，也可涉及二硫键。

4．四级结构：指亚基之间的立体排布、接触部位的布局等，其维系键为非共价键。在体内有许多蛋白质分子含有二条或多条肽链，每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为蛋白质的亚基，亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布，并以非共价键相连接。这种蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，为四级结构。由一条肽链形成的蛋白质没有四级结构。

主要化学键：疏水键、氢键、离子键。

五、蛋白质的理化性质：

1．两性解离与等电点：蛋白质分子中仍然存在游离的氨基和游离的羧基，因此蛋白质与氨基酸一样具有两性解离的性质。蛋白质分子所带正、负电荷相等时溶液的pH值称为蛋白质的等电点。

2．蛋白质的胶体性质：蛋白质具有亲水溶胶的性质。蛋白质分子表面的水化膜和表面电荷是稳定蛋白质亲水溶胶的两个重要因素。

3．蛋白质的紫外吸收：蛋白质分子中的色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸残基对紫外光有吸收（由于蛋白质分子含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸），以色氨酸吸收最强，最大吸收峰为280nm。

4．蛋白质的变性：蛋白质在某些理化因素的作用下，其特定的空间结构被破坏而导致其理化性质改变及生物活性丧失，这种现象称为蛋白质的变性。主要为二硫键和非共价键的破坏，不涉及一级结构的改变。变性后，其溶解度降低，粘度增加，结晶能力消失，生物活性丧失，易被蛋白酶水解。常见的引起蛋白质变性的因素有：高温、高压、电离辐射、超声波、紫外线及有机溶剂、重金属盐、强酸强碱等。绝大多数蛋白质分子的变性是不可逆的。

六、蛋白质的分离与纯化：

1．盐析与有机溶剂沉淀：在蛋白质溶液中加入大量中性盐，以破坏蛋白质的胶体性质，使蛋白质从溶液中沉淀析出，称为盐析。常用的中性盐有：硫酸铵、氯化钠、硫酸钠等。盐析时，溶液的pH在蛋白质的等电点处效果最好。凡能与

水以任意比例混合的有机溶剂，如乙醇、甲醇、丙酮等，均可引起蛋白质沉淀。

2．电泳：蛋白质分子在高于或低于其pI的溶液中带净的负或正电荷，因此在电场中可以移动。电泳迁移率的大小主要取决于蛋白质分子所带电荷量以及分子大小。

3．透析：利用透析袋膜的超滤性质，可将大分子物质与小分子物质分离开。

4．层析：（1）离子交换层析：利用蛋白质的两性游离性质，在某一特定PH 时，各蛋白质的电荷量及性质不同，故可以通过离子交换层析得以分离。如阴离子交换层析，含负电量小的蛋白质首先被洗脱下来。（2）分子筛，又称凝胶过滤。小分子蛋白质进入孔内，滞留时间长，大分子蛋白质不能进入孔内而径直流出。

5．超速离心：利用物质密度的不同，经超速离心后，分布于不同的液层而分离。超速离心既可以用来分离纯化蛋白质也可用来测定蛋白质的分子量，蛋白质的分子量与其沉降系数S成正比。

七、氨基酸顺序分析：

蛋白质多肽链的氨基酸顺序分析，即蛋白质一级结构的测定，主要有以下几个步骤：

1. 分离纯化蛋白质，得到一定量的蛋白质纯品；

2. 取一定量的样品进行完全水解，再测定蛋白质的氨基酸组成；

3. 分析蛋白质的N-端和C-端氨基酸；

4. 采用特异性的酶（如胰凝乳蛋白酶）或化学试剂（如溴化氰）将蛋白质处

理为若干条肽段；

5. 分离纯化单一肽段；

6. 测定各条肽段的氨基酸顺序。一般采用Edman降解法，用异硫氰酸苯酯进行反应，将氨基酸降解后，逐一进行测定；

7. 至少用两种不同的方法处理蛋白质，分别得到其肽段的氨基酸顺序；

8. 将两套不同肽段的氨基酸顺序进行比较，以获得完整的蛋白质分子的氨基

酸顺序。

八、蛋白质结构与功能关系

1、蛋白质一级结构是空间构象和特定生物学功能的基础。一级结构相似的多肽或蛋白质，其空间构象以及功能也相似。

尿素或盐酸胍可破坏次级键

β-巯基乙醇可破坏二硫键

2、蛋白质空间结构是蛋白质特有性质和功能的结构基础。

肌红蛋白：只有三级结构的单链蛋白质，易与氧气结合，氧解离曲线呈直角双曲线。

血红蛋白：具有4个亚基组成的四级结构，可结合4分子氧。成人由两条α-肽链（141个氨基酸残基）和两条β-肽链（146个氨基酸残基）组成。因为其结构稳定，所以不易与氧结合。当一个亚基与氧结合后，会引起四级结构的变化，使其它亚基对氧的亲和力增加，结合加快。反之，一个亚基与氧分离后，其它亚基也易于解离。所以血红蛋白是变构蛋白，其氧合曲线是S形曲线，只要氧分压有一个较小的变化即可引起氧饱和度的较大改变。这有利于运输氧，肺中的氧分压只需比组织中稍微高一些，血红蛋白就可以完成运氧工作。

第二章核酸的结构与功能

一、核酸的种类：