碩士研究生課程高級(jí)生物化學(xué)第一講

1、,新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院碩士研究生課程,高級(jí)生物化學(xué),2011.8.,生物化學(xué)是研究生物體的化學(xué)組分及其在生命過程中的化學(xué)變化與生物學(xué)功能的科學(xué)，它既是現(xiàn)代生命科學(xué)中承前啟后的基礎(chǔ)學(xué)科，又是開創(chuàng)生命科學(xué)新紀(jì)元的帶頭學(xué)科之一。生物化學(xué)的基本理論、基礎(chǔ)知識(shí)和研究技術(shù)不僅用以深刻地揭示生命運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)，而且為生物技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，還日益廣泛地滲透到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)藥衛(wèi)生、環(huán)境保護(hù)以及人民生活的許多領(lǐng)域。,根據(jù)碩生研究生高級(jí)生物化學(xué)教學(xué)大綱的精神，本課程以生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能為核心，選擇有代表性的專題，力圖較全靣地反映當(dāng)代生物化學(xué)熱門研究領(lǐng)域的概況和發(fā)展趨勢，以期幫助同學(xué)們開拓視野，增強(qiáng)創(chuàng)新意識(shí)和科學(xué)思維方法，

2、提高自學(xué)能力，為今后的專業(yè)課學(xué)習(xí)和開展研究工作奠定必要的基礎(chǔ)。,第一章,蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能,蛋白質(zhì)是活細(xì)胞中含量最豐富、功能最復(fù)雜的生物大分子，是各種生物功能主要的體現(xiàn)者。以核酸-蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、功能及其相互關(guān)系為中心，逐漸形成了分子生物學(xué)，成為帶領(lǐng)生命科學(xué)進(jìn)入新時(shí)代的龍頭。 蛋白質(zhì)的功能與其特殊的結(jié)構(gòu)有著十分密切的內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)構(gòu)是特定功能的內(nèi)在依據(jù)，功能則是特定結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)。因此，闡明蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系是現(xiàn)代生物化學(xué)的基本命題，是揭示生命運(yùn)動(dòng)規(guī)律的必由之路。,蛋白質(zhì)的分子組成,第一節(jié),一、組成人體蛋白質(zhì)的組成單位 -氨基酸,（一）氨基酸的構(gòu)型 組成蛋白質(zhì)的氨基酸均屬 -氨基酸（

3、脯氨酸除外）。 組成蛋白質(zhì)的氨基酸除甘氨酸外其碳原子均屬不對(duì)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(xì)菌、細(xì)胞壁和某些抗生素），但在人體組成中為什么均為L-氨基酸？,C,+,N,H,3,C,O,O,-,H,根據(jù)生物體內(nèi)蛋白質(zhì)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(cè)鏈結(jié)構(gòu)R不同，其性質(zhì)有很大差異 可根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)分為以下種類,（二）生成蛋白質(zhì)的氨基酸,1、 非極性脂肪族氨基酸（側(cè)鏈含烴鏈）,2、 芳香族氨基酸（側(cè)鏈含芳香基團(tuán) ）,（側(cè)鏈含負(fù)性解離基團(tuán)）,（側(cè)鏈含正性解離基團(tuán)）,總之，酸性與堿性氨基酸 不僅帶電荷，且極性較強(qiáng)，在蛋

4、白質(zhì)分子中常出現(xiàn)在分子表面與環(huán)境中的水分子結(jié)合而使蛋白質(zhì)具有親水性質(zhì),5、 含羥基氨基酸、含硫氨基酸與酰胺,（三）蛋白質(zhì)的修飾氨基酸 蛋白質(zhì)長肽鏈合成后或蛋白質(zhì)翻譯過程中。有些氨基酸殘基經(jīng)過修飾，改變其側(cè)鏈的化學(xué)結(jié)構(gòu)而出現(xiàn)的氨基酸叫修飾氨基酸（modified ammino acid) 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(xiàn)了新的結(jié)構(gòu)與功能 如膠原中出現(xiàn)的羥脯氨酸、羥賴氨酸是形成堅(jiān)韌的膠原纖維的必要條件,二、蛋白質(zhì)的連接方式,肽鍵(peptide bond)是由一個(gè)氨基酸的-羧基與另一個(gè)氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的化學(xué)鍵。,（一）氨基酸通過肽鍵連接而形

5、成肽 (peptide),+,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?yàn)槊撍s合而基團(tuán)不全，被稱為氨基酸殘基(residue)。,由十個(gè)以內(nèi)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-氨基的一端 C 末端：多肽鏈中有游離-羧基的一端,多肽鏈有兩端：,多肽鏈(polypeptide chain)是指許多氨基酸之間以肽鍵連接而成的一種結(jié)構(gòu)。,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)包括:,一級(jí)結(jié)構(gòu)(

6、primary structure) 二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondary structure) 三級(jí)結(jié)構(gòu)(tertiary structure) 四級(jí)結(jié)構(gòu)(quaternary structure),第二節(jié) 蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu),一級(jí)結(jié)構(gòu) 指多肽鏈中氨基酸殘基的數(shù)目、組成及其排列順序（N-端C-端），即由共價(jià)鍵維系的多肽鏈的二維（線性）結(jié)構(gòu)，不涉及空間排列。 二級(jí)結(jié)構(gòu) 是多肽鏈主鏈（backbone）在氫鍵等次級(jí)鍵作用下折疊成的構(gòu)象單元或局部空間結(jié)構(gòu)，未考慮側(cè)鏈的構(gòu)象和整個(gè)肽鏈的空間排布。 三級(jí)結(jié)構(gòu) 則指整個(gè)肽鏈的氨基酸殘基側(cè)鏈基團(tuán)互相作用以及與環(huán)境間的相互作用下形成的三維結(jié)構(gòu)。 四級(jí)結(jié)構(gòu) 寡聚體內(nèi)亞基

7、的空間排列,定義: 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)指在蛋白質(zhì)分子從N-端至C-端的氨基酸排列順序。,一、 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu),主要的化學(xué)鍵: 肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。,一級(jí)結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)，但不是決定蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的唯一因素。,1、種屬差異 比較它們的一級(jí)結(jié)構(gòu)，研究物種進(jìn)化間的關(guān)系。 在進(jìn)化中，隨著時(shí)間的推蛋白質(zhì)會(huì)以一定的概率發(fā)生基因突變，進(jìn)而可從一級(jí)結(jié)構(gòu)中反映出來。 不同種屬的生物中具有同一功能的蛋白質(zhì)在進(jìn)化中往往來自同一祖先，但有種屬差異。,如細(xì)胞色素C,2、同源蛋白質(zhì) 指來自同一祖先，隨著進(jìn)化而分化為具有不同功能特征的蛋白質(zhì)，近年由于大量蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的闡明，為同源蛋白質(zhì)

8、分化的研究提供了理論基礎(chǔ)。如：谷胱甘肽還原酶與硫辛酰胺還原酶均有轉(zhuǎn)移氫到含硫化合物的催化功能，其一級(jí)結(jié)構(gòu)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(zhì)(氨基酸殘基組成少于50%） 因其仍為同源蛋白質(zhì)，或者是同一祖先的復(fù)制產(chǎn)物，或者其功能近似，稱超家族。 。,二、 蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu),主要的化學(xué)鍵：氫鍵,（一）參與肽鍵形成的6個(gè)原子在同一平面上,參與肽鍵的6個(gè)原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所處的位置為反式(trans)構(gòu)型，此同一平面上的6個(gè)原子構(gòu)成了所謂的肽單元 (peptide unit) 。,-螺旋 ( -helix) -折疊 (-plea

9、ted sheet) -轉(zhuǎn)角 (-turn) 無規(guī)卷曲 (random coil),（二）-螺旋結(jié)構(gòu)是常見的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu),-螺旋,-螺旋是多肽鏈的主鏈原子沿一中心軸盤繞所形成的有規(guī)律的螺旋構(gòu)象，其結(jié)構(gòu)特征為： 為一右手螺旋； 螺旋每圈包含3.6個(gè)氨基酸殘基， 螺距 為5.4 A 螺旋以氫鍵維系穩(wěn)定。,-螺旋特征,影響-螺旋穩(wěn)定的因素有 極大的側(cè)鏈基團(tuán)（存在空間位阻）； 連續(xù)存在的側(cè)鏈帶有相同電荷的氨基酸殘基（同種電荷的互斥效應(yīng)） 有亞氨基酸（Pro）存在（影響氫鍵形成,氫鍵,-折疊（-pleated sheet）,-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲,-轉(zhuǎn)角,無規(guī)卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那

10、部分肽鏈結(jié)構(gòu)。,超二級(jí)結(jié)構(gòu)（模體）,在許多蛋白質(zhì)分子中，可發(fā)現(xiàn)二個(gè)或三個(gè)具有二級(jí)結(jié)構(gòu)的肽段，在空間上相互接近，形成一個(gè)有規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)組合及特定的空間結(jié)構(gòu)被稱為超二級(jí)結(jié)構(gòu)。,二級(jí)結(jié)構(gòu)組合形式有3種：， 。,三、 蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu),整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對(duì)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(jí)結(jié)構(gòu)是指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對(duì)空間位置,肌紅蛋白 (Mb),（二）結(jié)構(gòu)域,結(jié)構(gòu)域的概念： 結(jié)構(gòu)域是三級(jí)結(jié)構(gòu)層次上的局部折疊區(qū) 分子量較大的蛋白質(zhì)?？烧郫B成多個(gè)結(jié)構(gòu)較為緊密的區(qū)域，并各行其功能，稱為結(jié)構(gòu)域 (domain) 。 結(jié)構(gòu)域的概念具有三種不同而又相互聯(lián)系的涵

11、義：即獨(dú)立的結(jié)構(gòu)單位、獨(dú)立的功能單位和獨(dú)立的折疊單位。,纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域,（三）分子伴侶參與蛋白質(zhì)折疊,分子伴侶(chaperon)通過提供一個(gè)保護(hù)環(huán)境從而加速蛋白質(zhì)折疊成天然構(gòu)象或形成四級(jí)結(jié)構(gòu)。,分子伴侶可逆地與未折疊肽段的疏水部分結(jié)合隨后松開，如此重復(fù)進(jìn)行可防止錯(cuò)誤的聚集發(fā)生，使肽鏈正確折疊。,分子伴侶也可與錯(cuò)誤聚集的肽段結(jié)合，使之解聚后，再誘導(dǎo)其正確折疊。,分子伴侶在蛋白質(zhì)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(zhì)折疊中的作用,球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的特征,（1）球狀蛋白質(zhì)分子含有多種二級(jí)結(jié)構(gòu)元件 （2）球狀蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)具有明顯的折疊層次,（3）球狀蛋白質(zhì)分子是緊

12、密的球狀或橢球狀實(shí)體 （4）球狀蛋白質(zhì)具有疏水的內(nèi)核和親水的表面 （5）球狀蛋白質(zhì)分子表面有一空穴,Lactoferrin,乳鐵蛋白 Lactoferrin,亞基之間的結(jié)合主要是氫鍵和離子鍵。,四、含有二條以上多肽鏈的蛋白質(zhì)具有四級(jí)結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)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(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。,有些蛋白質(zhì)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(jí)結(jié)構(gòu)，稱為蛋白質(zhì)的亞基 (subunit)。,由2個(gè)亞基組成的蛋白質(zhì)四級(jí)結(jié)構(gòu)中，若亞基分子結(jié)構(gòu)相同，稱之為同二聚體(homodimer)，若亞基分子結(jié)構(gòu)不同，則稱之為異二聚體(heterodimer)。,血紅蛋白的四

13、級(jí)結(jié)構(gòu),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；B C2對(duì)稱的二聚體，每個(gè)亞基繞中心軸旋轉(zhuǎn)180好可與另一亞基重合；C C3對(duì)稱的三聚體，每個(gè)亞基繞中心軸旋轉(zhuǎn)120可與另一亞基重合；D 四聚體；E 六聚體；F 八聚體。,四級(jí)結(jié)構(gòu)的形式具有以下優(yōu)越性： （1）四級(jí)結(jié)構(gòu)賦予蛋白質(zhì)更加復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，以便執(zhí)行更為復(fù)雜的功能。 （2）通過亞基間的協(xié)同效應(yīng)，可以對(duì)酶活性進(jìn)行別構(gòu)調(diào)節(jié)。 （3）中間代謝途徑中有關(guān)的酶分子以亞基的形式組裝成結(jié)構(gòu)化多酶復(fù)合物，可避免中間產(chǎn)物的浪費(fèi)，提高了催化效率。 （4）寡聚體的形成在一定程度上降低了細(xì)胞內(nèi)滲透壓。 (5）可將大小、種類有限的亞基組裝成具有

14、特殊幾何形狀的超分子復(fù)合物,第三節(jié),蛋白質(zhì)的理化性質(zhì) The Physical and Chemical Characters of Protein,一、蛋白質(zhì)具有兩性電離的性質(zhì),蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外，氨基酸殘基側(cè)鏈中某些基團(tuán)，在一定的溶液pH條件下都可解離成帶負(fù)電荷或正電荷的基團(tuán)。,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)離子的趨勢相等，即成為兼性離子，凈電荷為零，此時(shí)溶液的pH稱為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。,蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)( isoelectric point, pI),二、蛋白質(zhì)具有膠體性質(zhì),蛋白質(zhì)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(dá)1100nm

15、，為膠粒范圍之內(nèi)。,顆粒表面電荷 水化膜,蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素:,水化膜,帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì),溶液中蛋白質(zhì)的聚沉,三、蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)破壞而引起變性,在某些物理和化學(xué)因素作用下，其特定的空間構(gòu)象被破壞，也即有序的空間結(jié)構(gòu)變成無序的空間結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致其理化性質(zhì)改變和生物活性的喪失。,蛋白質(zhì)的變性(denaturation),造成變性的因素: 如加熱、乙醇等有機(jī)溶劑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬離子及生物堿試劑等 。,應(yīng)用舉例: 臨床醫(yī)學(xué)上，變性因素常被應(yīng)用來消毒及滅菌。 此外, 防止蛋白質(zhì)變性也是有效保存蛋白質(zhì)制劑（如疫苗等）的必要條件。,若蛋白質(zhì)變性程度較輕，去除變性因素后，蛋白質(zhì)仍可恢復(fù)或部分恢復(fù)其原有的構(gòu)象和功能，稱為復(fù)性(renaturation) 。,天然狀態(tài)，有催化活性,尿素、 -巰基乙醇,去除尿素、 -巰基乙醇,非折疊狀態(tài)，無