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南昌大學(xué)研究生院 教學(xué)檔案（專題型教案） 課程名稱：生物化學(xué) 參考教材：生物化學(xué)（上、下冊(cè)），第三版 沈同、王鏡巖編，高等教育出版社 第一專題緒 言 教學(xué)基本要求:使學(xué)生了解生物化學(xué)的發(fā)展史，掌握生物化學(xué)的定義、研究?jī)?nèi)容及學(xué)習(xí)方法；理解生物化學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系，認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)生物化學(xué)的重要意義；了解生物化學(xué)知識(shí)在生活中的廣泛應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)生物化學(xué)的興趣。 課時(shí)分配:1-2學(xué)時(shí) 教學(xué)內(nèi)容： 一、生物化學(xué)的概念與研究?jī)?nèi)容 生物化學(xué)（Biochemistry）是用化學(xué)的原理和手段研究生命現(xiàn)象，并闡述因果關(guān)系的一門邊緣學(xué)科。生物化學(xué)也稱生物的化學(xué)（Biological chemistry）或生理的化學(xué)（physiologcal chemistry）。 生物化學(xué)的研究對(duì)象是生物體，包括植物、動(dòng)物和微生物。 （1）生物體重要化學(xué)組分，尤其是糖、脂、蛋白質(zhì)和核酸生物大分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能。 （2）生物體內(nèi)的物質(zhì)代謝、能量代謝及調(diào)節(jié)方式。 （3）生物體遺傳信息傳遞與表達(dá)。 （一）生物體重要化學(xué)組分，尤其是糖、脂、蛋白質(zhì)和核酸生物大分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能 大量元素：C、H、O、N、P、S、Cl、Mg、K、Na、Ca(生物體組成的99%以上)。 微量元素：Fe、Cu、Zn、Mo、Mn、Co、Si、Se、I、Al、B等元素所組成。 這些元素通常又以碳為中心形成各種化合物，參與生物體的建成。 碳?xì)浠衔镏饕ㄒ韵挛宸N形式： （1）氨基酸以及由其構(gòu)成的肽、蛋白質(zhì)。 （2）核苷酸、核酸。 （3）糖類及其衍生物。 （4）脂類及其衍生物。 （5）維生素、激素及其它小分子有機(jī)物。 其中，糖類、脂類、蛋白質(zhì)、核酸四類化合物只存在于生物體內(nèi)，分子量也很大，因此這些化合物又稱為生物大分子（Biological macromolecue)。 （二）生物體內(nèi)的物質(zhì)代謝、能量代謝及調(diào)節(jié) 生物體區(qū)別于非生命物體的一個(gè)最主要特征就是具有新陳代謝作用，即生物體與其外界環(huán)境之間不斷的物質(zhì)的和能量的交換過(guò)程。 同化作用 異化作用 這部分內(nèi)容主要包括：糖代謝、脂代謝、蛋白質(zhì)代謝和核酸代謝、生物氧化和代謝調(diào)節(jié)六專題。 （三）生物體遺傳信息傳遞與表達(dá) 生物體區(qū)別于非生物物體的另一個(gè)重要特征就是具有自我復(fù)制的能力，即以自身為模板復(fù)制出與自身相同的后代的能力也即繁殖作用。本質(zhì)是遺傳信息在生物體親子代間的傳遞作用。 生物化學(xué)按其研究?jī)?nèi)容的不同又可以劃分為： 靜態(tài)生物化學(xué)（有機(jī)生物化學(xué)） 代謝生物化學(xué)（動(dòng)態(tài)生物化學(xué)） 功能生物化學(xué)（機(jī)能生物化學(xué)） （四）生命物質(zhì)的基本特征 生命是物質(zhì)的一種特殊存在形式，生命物質(zhì)具有一系列基本特征。 （1）生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)遵循普通物理化學(xué)規(guī)律。 （2）生物功能分子的結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)及功能之間具有明顯的相互依存關(guān)系。 （3）細(xì)胞是生命活動(dòng)的基本結(jié)構(gòu)和功能單位，一切重要功能分子都有明確的細(xì)胞定位。 （4）生命是“一致性與差異性”的統(tǒng)一體 1）不同生物體內(nèi)的各類有機(jī)大分子均由相同的單體構(gòu)成。 2）不同生物體內(nèi)各類有機(jī)大分子的代謝均按照相同的方式進(jìn)行。 3）所有生物體均以核酸為遺傳信息載體，并共用一套遺傳密碼。 二、生物化學(xué)發(fā)展簡(jiǎn)史 生物化學(xué)和其他自然科學(xué)一樣，他的產(chǎn)生和發(fā)展主要是由生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)研究的需要所決定。早期生物化學(xué)發(fā)展的動(dòng)力主要來(lái)自于醫(yī)藥學(xué)及發(fā)酵業(yè)的興起。在西方，十七、十八世紀(jì)工業(yè)革命的興起對(duì)生物化學(xué)的發(fā)展也起著重大的推動(dòng)作用。 生物化學(xué)作為一門科學(xué)，他的發(fā)展大體上可以分成三個(gè)階段。 20世紀(jì)之前 20世紀(jì)初至50年代 20世紀(jì)50年代以后 20世紀(jì)之前，本時(shí)期是靜態(tài)生物化學(xué)迅速興起的時(shí)期，主要研究生物體的化學(xué)組成成分的種類、結(jié)構(gòu)、含量、分布。整體上屬于描述性的，在此時(shí)期出現(xiàn)了許多奠基性的重要發(fā)現(xiàn)。 1770-1774年 Priestely發(fā)現(xiàn)O2，并證明動(dòng)物消耗O2，植物產(chǎn)生O2。 1776-1778年Scheele（舍勒）通過(guò)對(duì)許多天然藥物化學(xué)成分的分析，首次分離得到了乳酸、酒石酸、蘋果酸、尿酸、甘油等一系列天然有機(jī)物。 1779-1796年 Ingen-Housz證明綠色植物產(chǎn)生O2需要光，并證明綠色植物可利用CO2。 1780-1789年Lavoisier（拉瓦錫），法國(guó)的一位生物化學(xué)家，第一次發(fā)現(xiàn)動(dòng)物的呼吸作用本質(zhì)就是氧化作用，它和蠟燭的燃燒作用一樣，都是碳?xì)浠衔锏难趸磻?yīng)，并首先認(rèn)識(shí)到乙醇的形成是一系列化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。 1854-1864年L.Pasteur證明發(fā)酵是由于微生物活動(dòng)的結(jié)果，推翻了自生論。 1864年Hoppe-seyler結(jié)晶出第一種蛋白質(zhì)血紅蛋白。 1869年Miescher發(fā)現(xiàn)核酸。 1877年Hoppe-seyler首次提出Biochemie，譯成英語(yǔ)是Biochemistry或Biological chemistry將生理化學(xué)改為生物化學(xué)，使生物化學(xué)從生理學(xué)中分離出來(lái)，成為一門獨(dú)立的學(xué)科。 Hoppe-seyler還首創(chuàng)Proteids譯成英語(yǔ)即Protein，他還創(chuàng)辦了世界上第一本生物化學(xué)方面的雜志《生理化學(xué)雜志》。因此， Hoppe-seyler是生物化學(xué)的創(chuàng)始人之一。 20世紀(jì)初期至50年代 該時(shí)期是新陳代謝過(guò)程研究的全盛時(shí)期，由于酶、激素、維生素等活性物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)及分離提取，使生物化學(xué)家的研究興趣從此從靜態(tài)轉(zhuǎn)到到了動(dòng)態(tài)，導(dǎo)致了許多新的代謝過(guò)程的被發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在人們所知的許多代謝過(guò)程都是在那個(gè)時(shí)期研究清楚的。 1905年，Knoop提出了脂肪酸的β-氧化。 1912年，Nuberg提出了生醇發(fā)酵的化學(xué)過(guò)程。 1933年，Embden-Myerhof證明糖酵解及發(fā)酵化學(xué)歷程中的關(guān)鍵性中間物。 1937-1940年，Krebs提出了三羧酸循環(huán)的假設(shè)等。 20世紀(jì)50年代以后 這個(gè)時(shí)期是生物大分子結(jié)構(gòu)與功能研究突飛猛進(jìn)的時(shí)期，許多與此有關(guān)的重要成果都是在這個(gè)時(shí)期取得的。 1950年P(guān)auling和Corey在X-光衍射實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了蛋白質(zhì)的二級(jí)模型學(xué)說(shuō)。 1953年Sanger完成了世界上第一個(gè)天然蛋白質(zhì)分子牛胰島素51個(gè)氨基酸序列的分析。 同年，Watson和Crick在M.H.F.Wilkins X-光衍射圖譜研究的基礎(chǔ)上提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，由于此貢獻(xiàn)這三人分別獲得了1962年度的諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng) 1960年，Kendrew獲得了高分辨率的鯨魚血紅蛋白結(jié)構(gòu)X-光衍射分析。 1961年，Jacob、Monod提出了操縱子學(xué)說(shuō)，并假設(shè)了mRNA的功能，獲得1965年度的諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。 1965年，Holly測(cè)定了酵母丙氨酸t(yī)RNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)，獲得了1968年度諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。 1965年，我國(guó)首次在世界上用人工的方法合成了具有天然活性的結(jié)晶牛胰島。 1973年，使用0.18um X-光衍射分析法測(cè)定了牛胰島素的空間結(jié)構(gòu)。 1975年，Dulbecco Temin和Baltimore在勞氏肉瘤病毒中發(fā)現(xiàn)逆轉(zhuǎn)錄現(xiàn)象，共享諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。 1980年，Sanger發(fā)明DNA雙脫氧測(cè)序法，與Gilbert和Berg共享諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。 1981年，中國(guó)上海生物化學(xué)研究所的科學(xué)工作者人工全成了具有完全生物活性的酵母丙氨酸t(yī)RNA。 1989年，Altman和Cech由于發(fā)現(xiàn)某些RNA具有催化作用（核酶），獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 1993年，Robert和Sharp由于發(fā)現(xiàn)斷裂基因，諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。 Mullis因發(fā)明PCR儀與第一個(gè)設(shè)計(jì)基因突變的Smith共享諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 1997年，Prusiner由于發(fā)現(xiàn)早老性癡呆癥的病因——朊病毒，諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。 1990年10月：被譽(yù)為生命科學(xué)“阿波羅登月計(jì)劃”的人類基因組計(jì)劃（Human Genome Project,HGP）啟動(dòng)。項(xiàng)目目標(biāo)是了解人類自身，操縱生命。 1998年5月，美國(guó)科學(xué)家建塞萊拉遺傳公司，目標(biāo)是投入3億美元，到2001年繪制出完整的人體基因組圖譜，與國(guó)際人類基因組計(jì)劃展開競(jìng)爭(zhēng)。 2000年6月26日，科學(xué)家公布人類基因組工作草圖。 2001年7月，國(guó)際人類基因組計(jì)劃的科學(xué)家和美國(guó)塞萊拉公司分別宣布將繪制人類基因變異圖譜。 1999年7月，中國(guó)科學(xué)院遺傳所人類基因組中心，在國(guó)際人類基因組HGSI注冊(cè)，承擔(dān)了其中1%，即3號(hào)染色體上3000萬(wàn)個(gè)堿基的測(cè)序任務(wù)，使我國(guó)成為繼美、英、德、日、法之后第六個(gè)參與該計(jì)劃的國(guó)家，也是唯一的發(fā)展中國(guó)家。 2002年4月3日，中國(guó)科學(xué)家公布水稻基因組工作草圖，水稻基因組有4億3千萬(wàn)個(gè)堿基對(duì)（約為人的基因組的1/8），12對(duì)染色體，50，000個(gè)基因，我國(guó)科學(xué)工作者承擔(dān)測(cè)序的是4號(hào)染色體，36 Mb(占8%)。 繼2001年，人類基因組計(jì)劃，小鼠、大鼠、水稻、擬南芥等模式生物基因組計(jì)劃的完成,生物學(xué)研究了進(jìn)入后基因組時(shí)代。 比較基因組學(xué)(comparative genomics) 功能基因組學(xué)(functional genomics) 蛋白質(zhì)組學(xué)（proteomics） RNA組學(xué)(RNomics) 代謝組學(xué)（metabonomics） 三、生物化學(xué)與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系 （一）生物化學(xué)與工業(yè)生產(chǎn)的關(guān)系 發(fā)酵工業(yè)是利用微生物的生命活動(dòng)，生產(chǎn)人類所需產(chǎn)品的工藝過(guò)程。由于原料的投入到產(chǎn)品的形成都是人工控制的條件下，通過(guò)微生物的新陳代謝來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在工業(yè)發(fā)酵過(guò)程中，人們之所以能夠獲得多種多樣的產(chǎn)品，關(guān)鍵就是微生物代謝的多樣性、工藝條件的不同性，因此生物化學(xué)知識(shí)對(duì)發(fā)酵工業(yè)來(lái)講是非常重要，它是闡明工業(yè)發(fā)酵機(jī)理、選擇合理工藝條件、指導(dǎo)微生物菌種的選育等都有重要意義。 （二）生物化學(xué)與農(nóng)業(yè)的關(guān)系 生物化學(xué)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也有很大使用意義，如弄清楚植物的新陳代謝規(guī)律，我們就可以控制植物的發(fā)育，摸清蛋白質(zhì)、糖、脂等的生物合成規(guī)律，我們就可以控制一定的條件，獲得更多、更優(yōu)質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品。 在現(xiàn)代品質(zhì)育種中，也有許多只有通過(guò)生化技術(shù)才能辦到的工作，如農(nóng)作物育種親本的選擇，各種重要成分的測(cè)定、許多遺傳性狀如抗旱型、耐寒性、高產(chǎn)性的鑒定等都可以用生物化學(xué)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。 （三）生物化學(xué)與醫(yī)學(xué)的關(guān)系 生物化學(xué)對(duì)于醫(yī)學(xué)研究有極其重要意義，集中體現(xiàn)在四個(gè)方面：一是闡明疾病發(fā)生機(jī)理，二是提供臨床生化檢驗(yàn)和診斷方法，三是尋找治療方法，四是為新藥設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)等。 生物化學(xué)對(duì)營(yíng)養(yǎng)學(xué)也很重要，如為人類提供合適營(yíng)養(yǎng)是保證人體健康的重要保證，而各種營(yíng)養(yǎng)成分的比例如何，功能如何，過(guò)多過(guò)少會(huì)有什么問(wèn)題等等都可以從生物化學(xué)中找到答案。因此，有人說(shuō)營(yíng)養(yǎng)學(xué)是生物化學(xué)的對(duì)人類的一個(gè)重要貢獻(xiàn)，我覺(jué)得這一點(diǎn)也不夸張。 四、生物化學(xué)學(xué)習(xí)中應(yīng)該注意的幾個(gè)問(wèn)題 1.善于記憶、勤于思考 學(xué)習(xí)心理學(xué)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)可以分成為4個(gè)不同的層次，即記住、理解、活用和創(chuàng)新。 2.堅(jiān)持用辨證統(tǒng)一的觀點(diǎn)和唯物辯證的觀點(diǎn)學(xué)習(xí)和分析生物化學(xué)問(wèn)題。 3.要學(xué)會(huì)從生物進(jìn)化和生物體整體觀點(diǎn)看待生物化學(xué)問(wèn)題。 4.學(xué)以致用的原則，理論學(xué)習(xí)與實(shí)踐技能學(xué)習(xí)并重的原則。 思考題 1．什么是生物化學(xué)？它的研究對(duì)象及主要研究?jī)?nèi)容是什么？ 2．生物化學(xué)的發(fā)展大體上經(jīng)歷了哪三個(gè)重要階段？各個(gè)階段的研究重點(diǎn)是什么？ 3．生物化學(xué)與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有何重要聯(lián)系？ 參考書 《基礎(chǔ)生物化學(xué)》白寶璋等編，延邊大學(xué)出版社出版 《生物化學(xué)》王鏡巖 等譯，科學(xué)出版社出版 《Principles of Biochemistry》(ebook) 《Molecular cell of biology》(ebook) 生物化學(xué)專業(yè)網(wǎng)站 1.生物軟件網(wǎng) http://www.bio-soft.net/ 2.免疫學(xué)信息網(wǎng)http://www.immuneweb.com 3.DNA from the Beginning http://www.dnaftb.org/dnaftb/ 4.BioChemLinks: Biology, Chemistry, and Biochemistry Education http://biochemlinks.com/bclinks/bclinks.cfm 5.PDB files for teaching biochemistry http://chemistry.gsu.edu/glactone/PDB/ 6.Biochemistry Teachers http://www.usm.maine.edu/rhodes/GRHome Page.html 7.Access Excellence http://www.accessexcellence.org/ 8.Graphics Gallery http://www.accessexcellence.org/AB/GG/ 9.生物化學(xué)步進(jìn)教程 http:// www.dlc.xjtu.edu.cn/ 第二專題 蛋白質(zhì)化學(xué) 教學(xué)基本要求：掌握蛋白質(zhì)的化學(xué)組成、基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)系，熟悉蛋白質(zhì)和氨基酸重要的理化性質(zhì)，了解蛋白質(zhì)的分類和分離純化的手段。 課時(shí)安排： 5－6學(xué)時(shí) 教學(xué)內(nèi)容： 一、蛋白質(zhì)是生命的表征，哪里有生命活動(dòng)哪里就有蛋白質(zhì) 1.酶：作為酶的化學(xué)本質(zhì)，溫和、快速、專一，任何生命活動(dòng)之必須，酶的另一化學(xué)本質(zhì)是RNA，不過(guò)它比蛋白質(zhì)差遠(yuǎn)了，種類、速度、數(shù)量。 2.免疫系統(tǒng)：防御系統(tǒng)，抗原（進(jìn)入“體內(nèi)”的生物大分子和有機(jī)體），發(fā)炎。 細(xì)胞免疫：T細(xì)胞本身，分化，膿細(xì)胞。 體液免疫：B細(xì)胞，釋放抗體，導(dǎo)彈，免疫球蛋白（Ig）。 3.肌肉：肌肉的伸張和收縮靠的是肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白互動(dòng)的結(jié)果，體育生化。 4.運(yùn)輸和儲(chǔ)存氧氣：Hb和Mb。 5.激素：含氮類激素，固醇類激素。 6.基因表達(dá)調(diào)節(jié)：操縱子學(xué)說(shuō)，阻遏蛋白。 7.生長(zhǎng)因子：EGF（表皮生長(zhǎng)因子），NGF（神經(jīng)生長(zhǎng)因子），促使細(xì)胞分裂。 8.信息接收：激素的受體，糖蛋白，G蛋白。 9.結(jié)構(gòu)成分：膠原蛋白（肌腱、筋），角蛋白（頭發(fā)、指甲），膜蛋白等。生物體就是蛋白質(zhì)堆積而成，人的長(zhǎng)相也是由蛋白質(zhì)決定的。 10.精神、意識(shí)方面：記憶、痛苦、感情靠的是蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化，蛋白質(zhì)的構(gòu)象分類是目前熱門課題。 11.蛋白質(zhì)是遺傳物質(zhì)？只有不確切的少量證據(jù)。如庫(kù)魯病毒，怕蛋白酶而不怕核酸酶。 二、構(gòu)成蛋白質(zhì)的元素 構(gòu)成蛋白質(zhì)的主要元素有C、H、O、N、S 5種，其中N元素的含量很穩(wěn)定，16％，因此，測(cè)定樣品中氮元素的含量就能算出蛋白質(zhì)的量。 三、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次 1．一級(jí)結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)分子中氨基酸的線性排列順序。 2．二級(jí)結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)主鏈局部有規(guī)則的空間排布方式。 3．三級(jí)結(jié)構(gòu)：肽鏈在空間的折疊和卷曲形成的形狀，所有原子在空間的排布。 4．四級(jí)結(jié)構(gòu)：多條肽鏈之間的作用。 第一節(jié) 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)單位 一、氨基酸的結(jié)構(gòu)通式：P50 α-碳原子，α-羧基，α-氨基 氨基酸的構(gòu)型：自然選擇L型， D型氨基酸沒(méi)有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，僅存在于纈氨霉素、短桿菌肽等極少數(shù)寡肽之中，沒(méi)有在蛋白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)。 二、氨基酸的表示法 生物體中有20種基本氨基酸（合成蛋白質(zhì)的原料），還有其它非基本氨基酸，20種基本氨基酸的表示方法有下列幾種： 1． 中文名：X（X）氨酸，如甘氨酸、半胱氨酸。20種要會(huì)背。 2． 英文名：3字名，如Gly、Cys等，20種要會(huì)背。 三、氨基酸的具體結(jié)構(gòu)：20種全部記住，僅注意R。 四、氨基酸的分類 1.結(jié)構(gòu)上 （1）脂肪族氨基酸：酸性氨基酸（2羧基1氨基：Glu、Asp），堿性氨基酸（2氨基1羧基：Arg、Lys），中性氨基酸（氨基羧基各一：很多） （2）芳香族氨基酸：含苯環(huán)：Phe、Tyr （3）雜環(huán)氨基酸： His（也是堿性氨基酸）、Pro、Trp 2. R基的極性 （1）極性氨基酸：親水氨基酸：溶解性較好，酸性氨基酸、堿性氨基酸、含巰基、羥基、酰胺基的氨基酸，Glu、Asp、Arg、Lys、His、Cys、Ser、Thr、Tyr、Gln、Asn （2）非極性氨基酸：疏水氨基酸：溶解性較差，具有烷烴鏈、甲硫基、吲哚基等的氨基酸，Gly、Ala、Leu、Ile、Val、Pro、Met、Trp 3營(yíng)養(yǎng)價(jià)值 （1）必需氨基酸：人和哺乳動(dòng)物不可缺少但又不能合成的氨基酸，只能從食物中補(bǔ)充，共有8種：Leu、Lys、Met、Phe、Ile、Trp、Thr、Val （2）半必需氨基酸：人和哺乳動(dòng)物雖然能夠合成，但數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到機(jī)體的需求，尤其是在胚胎發(fā)育以及嬰幼兒期間，基本上也是由食物中補(bǔ)充，只有2種：Arg、His。有時(shí)也不分必需和半必需，統(tǒng)稱必需氨基酸，這樣就共有10種。記法：Tip MTV Hall （3）非必需氨基酸：人和哺乳動(dòng)物能夠合成，能滿足機(jī)體需求的氨基酸，其余10種 從營(yíng)養(yǎng)價(jià)值上看，必需>半必需>非必需 五、非基本氨基酸 1．氨基酸的衍生物：蛋白質(zhì)化學(xué)修飾造成的，有P-Ser、P-Thr、P-Tyr、OH-Pro、OH-Lys，最為重要的是Cyss胱氨酸，是由2分子Cys通過(guò)二硫建連接起來(lái)的，P54 2．非蛋白氨基酸：僅游離存在，瓜氨酸、鳥氨酸、β-丙氨酸 3．D-氨基酸：纈氨霉素、短桿菌肽中含有。 六、氨基酸的性質(zhì) 1．物理性質(zhì) （1）紫外吸收：有共軛雙鍵的物質(zhì)都具有紫外吸收，在20種基本氨基酸中，有4種是具有共軛雙鍵的，Trp、Tyr、Phe、His，其中His只有2個(gè)共軛雙鍵，紫外吸收比較弱，Trp、Tyr、Phe均有3個(gè)共軛雙鍵，具有較強(qiáng)的紫外吸收，其中Trp的紫外吸收最厲害，是蛋白質(zhì)紫外吸收特性的最大貢獻(xiàn)者，此3種氨基酸的紫外吸收特點(diǎn)如下： 氨基酸 最大吸收波長(zhǎng)（nm） 消光系數(shù)(A/Mol/L） Phe 257 2102 Tyr 275 1.4103 Trp 280 5.6103 （2）旋光性：僅Gly不具旋光性，其它19種都有，且自然選擇為L(zhǎng)-型。 （3）溶解性：溶解于水，特別是稀酸稀堿溶液，不溶于乙醚、氯仿等有機(jī)溶劑。 （4）熔點(diǎn)：均大于200℃，也就是說(shuō)氨基酸都是固態(tài)，而同等分子量的其它有機(jī)物則是液態(tài)，這說(shuō)明了氨基酸與氨基酸之間的結(jié)合力很強(qiáng)，是離子鍵，即氨基酸是以離子狀態(tài)存在的，而不是以中性分子存在的。 2.化學(xué)性質(zhì) （1）解離和等電點(diǎn)： 氨基酸是個(gè)兩性電解質(zhì)，既可進(jìn)行酸解離也可進(jìn)行堿解離，用解離方程式表示就是：見P57，這樣，氨基酸在水溶液中就可能帶電，+或-，以及呈電中性，到底是什么情況，完全由溶液的PH值來(lái)決定。 等電點(diǎn)：如果調(diào)節(jié)溶液的PH值使得其中的氨基酸呈電中性，我們把這個(gè)PH值稱為氨基酸的等電點(diǎn)：PI。PI是氨基酸的重要常數(shù)之一，它的意義在于，物質(zhì)在PI處的溶解度最小，是分離純化物質(zhì)的重要手段。 （2）等電點(diǎn)的計(jì)算：對(duì)于所有的R基團(tuán)不解離的氨基酸而言（即解離只發(fā)生在α-羧基和α-氨基上），計(jì)算起來(lái)非常簡(jiǎn)單： PI＝（PK1’+PK2’）/2 若是碰到R基團(tuán)也解離的，氨基酸就有了多級(jí)解離，這個(gè)公式就不好用了，比如Lys、Glu、Cys等。 在這種情況下可以按下面的步驟來(lái)計(jì)算： 1）由PK’值判斷解離順序，總是PK1’< PK2’< PK3’<…，即誰(shuí)的PK’值小，誰(shuí)就先解離。 2）按照解離順序正確寫出解離方程式：簡(jiǎn)式，注意解離基團(tuán)的正確寫法。 3）找出呈電中性的物質(zhì)，其左右PK’值的平均值就是氨基酸的等電點(diǎn)： PI＝（PK左’+PK右’）/2 （3）等電點(diǎn)的測(cè)定：等電聚焦法：這是一種特殊的電泳，其載體上鋪有連續(xù)的PH梯度的緩沖液，然后將氨基酸點(diǎn)樣，只要該處的PH與氨基酸的PI不同，則氨基酸就會(huì)帶電，PH值>PI時(shí)，氨基酸帶-電；PH值10，血纖蛋白、絲蛋白。 （3）功能上分：酶、抗體、運(yùn)輸?shù)鞍?、激素等? （4）理化性質(zhì)上分：HDL、VHDL、LDL、VLDL。 （5）構(gòu)象上分：國(guó)際上有蛋白質(zhì)構(gòu)象庫(kù)。 2.性質(zhì) （1）紫外吸收：280nm，貢獻(xiàn)者是Trp、Tyr、Phe，最主要的是Trp，核酸的紫外吸收峰在260nm。 （2）兩性解離：有PI，不能計(jì)算，只能測(cè)定（等電聚焦）。 等電點(diǎn)沉淀法：PI處蛋白質(zhì)的溶解度最低。 （3）膠體性質(zhì)：大分子，多于51個(gè)氨基酸殘基，最小平均分子量為5000D；在水中能兩性解離故而帶電，又親水，所以是膠體，分散好。有電泳、布朗運(yùn)動(dòng)、丁達(dá)爾現(xiàn)象、不能通過(guò)半透膜等等典型的膠體性質(zhì)。 （4）沉淀反應(yīng)：凡是能破壞水化膜以及能中和電荷的物質(zhì)均可使蛋白質(zhì)沉淀 等電點(diǎn)沉淀：PH值，中和電荷 鹽析：高濃度的鹽溶液使蛋白質(zhì)沉淀，離子中和電荷，如(NH4)2SO4 鹽溶：低濃度的鹽溶液使蛋白質(zhì)溶解，蛋清的溶解。 有機(jī)溶劑沉淀：降低溶液的介電常數(shù)。 （5）蛋白質(zhì)變性：蛋白質(zhì)在某些外界因素的影響下，理化性質(zhì)改變、生物活性喪失的現(xiàn)象。這些因素包括熱、酸、堿、有機(jī)劑等。 蛋白質(zhì)變性理論：吳憲，1931年提出。蛋白質(zhì)的功能直接由蛋白質(zhì)的構(gòu)象來(lái)決定，某些外界因素改變了蛋白質(zhì)的獨(dú)特構(gòu)象，因而使生物活性喪失。但不改變蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)（即共價(jià)結(jié)構(gòu)）。蛋白質(zhì)的變性與水解是不同的。當(dāng)環(huán)境條件恢復(fù)時(shí)，蛋白質(zhì)的生物活性有可能也恢復(fù)，這就是蛋白質(zhì)的復(fù)性。這一理論在實(shí)踐中有很重要的指導(dǎo)意義，能夠解釋酶為什么有最適的PH和最適的溫度。 （6）蛋白質(zhì)的顏色反應(yīng)：可以用來(lái)定量定性測(cè)定蛋白質(zhì) 雙縮脲反應(yīng)：紅色，λm＝540nm 黃色反應(yīng)：與HNO3的反應(yīng)，生成硝基苯，呈黃色。皮膚遇到HNO3的情況，白→黃→橙黃。 米倫氏反應(yīng)：與HgNO3或HgNO2的反應(yīng)，呈黃色，原理同上。 與乙醛酸的反應(yīng)：紅色，Trp的吲哚基的特定反應(yīng)。 坂口反應(yīng)：紅色，Arg的胍基的反應(yīng)。 福林反應(yīng)：藍(lán)色，是Tyr的酚基與磷鉬酸和磷鎢酸的反應(yīng)。 印三酮反應(yīng)：紫紅色 Pauly反應(yīng)：櫻紅色，His的咪唑基。 二、蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)及其測(cè)定 1.蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次：1、2、超2、結(jié)構(gòu)域、3、4 2.一級(jí)結(jié)構(gòu)：即蛋白質(zhì)的共價(jià)結(jié)構(gòu)或平面結(jié)構(gòu)，核心內(nèi)容就是氨基酸的排列順序，它的改變涉及到蛋白質(zhì)共價(jià)鍵的破壞和重建。 一級(jí)結(jié)構(gòu)的全部?jī)?nèi)容包括：肽鏈的個(gè)數(shù)、氨基酸的順序、二硫鍵的位置、非氨基酸成分。 3.蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的測(cè)定 間接法：通過(guò)測(cè)定蛋白質(zhì)之基因的核苷酸順序，用遺傳密碼來(lái)推斷氨基酸的順序。這是因?yàn)楹塑账岬臏y(cè)序比蛋白質(zhì)的測(cè)序工作要更方便、更準(zhǔn)確。 直接法：用酶和特異性試劑直接作用于蛋白質(zhì)而測(cè)定出氨基酸順序。 （1）第一步：前期準(zhǔn)備 分離純化蛋白質(zhì)：純度要達(dá)到97％以上才能分析準(zhǔn)確。 蛋白質(zhì)分子量的測(cè)定：滲透壓法、凝膠電泳法（聚丙烯酰胺、SDS）、凝膠過(guò)濾法、超離心法等。 氨基酸組成的測(cè)定：氨基酸自動(dòng)分析儀。 肽鏈拆分：非共價(jià)鍵的如氫鍵、離子鍵、疏水鍵、范德華力4種，可用尿素或鹽酸胍等有機(jī)溶液來(lái)拆分。共價(jià)鍵的僅二硫鍵1種，可用巰基乙醇、碘代乙酸、過(guò)甲酸來(lái)拆分。 （2）第二步：肽鏈的端點(diǎn)測(cè)定 N端測(cè)定：Sanger法，DNFB→DNP-肽→水解→乙醚萃取→層析鑒定 Edman法，PITC→PTC-肽→PTH-氨基酸→層析鑒定 C端測(cè)定：肼解法，P83，唯有C端氨基酸與眾不同，酰肼化合物與游離氨基酸，再通過(guò)Sanger法來(lái)鑒定。Asn、Gln、Cys、Arg將被肼破壞，不能分析。 羧肽酶法：配合動(dòng)力學(xué)控制。 羧肽酶A：Arg、Lys、Pro除外的氨基酸殘基 羧肽酶B：僅Arg、Lys 羧肽酶C：所有的氨基酸殘基 （3）每條肽鏈氨基酸順序的測(cè)定：氨基酸順序自動(dòng)分析儀只能準(zhǔn)確測(cè)定50氨基酸以下的肽鏈，而一般的蛋白質(zhì)都含有100以上的氨基酸殘基，所以，事先要將蛋白質(zhì)打斷成多肽甚至寡肽，再上機(jī)分析，而且要2套以上，便于以后拼接。 常用的工具酶和特異性試劑有： 胰蛋白酶：僅作用于Arg、Lys的羧基與別的氨基酸的氨基之間形成的肽鍵。 糜蛋白酶：僅作用于含苯環(huán)的氨基酸的羧基與別的氨基酸的氨基之間形成的肽鍵。 Trp、Tyr、Phe CNBr：僅作用于Met的羧基與別的氨基酸的氨基之間形成的肽鍵。 拼接：將2套多肽的氨基酸順序?qū)φ掌唇樱e例： 156987351256984523→15 698735 125 69845 23 →1569 873512569 84523 （4）第四步：二硫鍵位置的確定：包括鏈內(nèi)和鏈間二硫鍵的位置，用對(duì)角線電泳來(lái)測(cè)。在肽鏈未拆分的情況下用胃蛋白酶水解之，可以得到被二硫鍵連著的多肽產(chǎn)物。先進(jìn)行第一向電泳，將產(chǎn)物分開。再用過(guò)甲酸、碘代乙酸、巰基乙醇處理，將二硫鍵打斷。最后進(jìn)行第二向電泳，條件與第一向電泳完全相同。選取偏離對(duì)角線的樣品（多肽或寡肽），它們就是含二硫鍵的片段，上機(jī)測(cè)氨基酸順序，根據(jù)已測(cè)出的蛋白質(zhì)的氨基酸順序，把這些片段進(jìn)行定位，就能找到二硫鍵的位置。如下圖： 4.蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定的意義 （1）分子進(jìn)化：將不同生物的同源蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較，以人的為最高級(jí)，從而確定其它物種的進(jìn)化程度，也可以制成進(jìn)化樹，由于這是由數(shù)據(jù)決定的，因此比形態(tài)上確定的進(jìn)化更加科學(xué)和精確。 （2）證明了一個(gè)理論，即蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定高級(jí)結(jié)構(gòu)，最終決定蛋白質(zhì)的功能。 （3）疾病的分子生物學(xué)：鐮刀型貧血癥的內(nèi)因是血紅蛋白的β6Val，正常的血紅蛋白的β6Glu 三、蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu) 1.二級(jí)結(jié)構(gòu)概論 （1）二級(jí)結(jié)構(gòu)的定義：肽鏈主干在空間的走向。主干指的是肽平面與α-C構(gòu)成的鏈子，見P95。 （2）二級(jí)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容：空間走向以及維持這種走向的力量：氫鍵和R基團(tuán)的影響（離子鍵、疏水鍵、空間障礙等） （3）二級(jí)結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)描述：ф角：肽平面繞N-Cα單鍵旋轉(zhuǎn)的角度 ψ角：肽平面繞Cα-C羧基單鍵旋轉(zhuǎn)的角度，見P95。 至于+-方向的規(guī)定，0度角的規(guī)定太復(fù)雜，不作要求。 這樣，一個(gè)肽平面的空間位置可以被2個(gè)二面角來(lái)確定，如果每個(gè)肽鏈的兩個(gè)二面角（ф,ψ）都相同，則構(gòu)成了規(guī)則的空間走向，所以可以用（ф,ψ）來(lái)描述肽鏈的二級(jí)結(jié)構(gòu)。 2.二級(jí)結(jié)構(gòu)的常見類型 Pauling的貢獻(xiàn)，X光衍射法是研究蛋白質(zhì)構(gòu)象的最好技術(shù)，羊毛蛋白和蠶絲蛋白，單調(diào)一致，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。 （1）α-右手螺旋 α-螺旋即像彈簧一樣的螺旋，有右手與左手之分，自然選擇蛋白質(zhì)的α-螺旋為右手螺旋。示范。 α-右手螺旋的數(shù)據(jù)：每一圈含有3.6個(gè)氨基酸殘基（或肽平面），見P96的b，每一圈高5.4，即每一個(gè)氨基酸殘基上升1.5，旋轉(zhuǎn)了100度，2個(gè)二面角（ф,ψ）＝（-570，-480）。 維持α-右手螺旋的力量是鏈內(nèi)氫鍵，它產(chǎn)生于一個(gè)肽平面的C=O與相鄰一圈的在空間上鄰近的另一個(gè)肽平面的N-H之間，見P96b，它的方向平行于螺旋軸，因此，α-右手螺旋的外觀是個(gè)筒狀的簾子，見P96c。每個(gè)氫鍵串起的長(zhǎng)度為3.6個(gè)肽平面或3.6個(gè)氨基酸殘基，被氫鍵串起來(lái)的這個(gè)環(huán)上含有13個(gè)原子，故α-右手螺旋也被稱為3.613螺旋。 R基團(tuán)對(duì)α-右手螺旋的影響：破壞者Pro，該處折斷，因?yàn)閬啺被荒苄纬蓺滏I；不穩(wěn)定者酸性、堿性、太大、太小：Glu、Asp、Arg、Lys、Gly、Ile。其它都是起穩(wěn)定作用的。 分布：毛發(fā)中的α-角蛋白，例如頭發(fā)中的α-角蛋白。見沈同P155。 （2）β-折疊：肽鏈在空間的走向?yàn)殇忼X折疊狀，見P97。跟纖維素的相似。 二面角（ф,ψ）＝（-119℃，+113℃）。 維持β-折疊的力量：鏈間的氫鍵，它產(chǎn)生于一個(gè)肽平面的C=O與相鄰肽鏈的在空間上鄰近的另一個(gè)肽平面的N-H之間，見P98，兩條肽鏈上的肽平面互相平行，形成片層結(jié)構(gòu)。見P97。 β-折疊有平行式和反平行式兩種見P98。 平行式：兩條鏈的走向相同；反平行式：兩條鏈的走向相反。反平行式的β-折疊比平行式的更穩(wěn)定。一條肽鏈回折后就可形成兩條走向相反肽段，就可以形成反平行式的β-折疊，β-折疊不限于兩條肽鏈之間，多條肽鏈可以形成很寬的β-折疊片層，片層與片層之間以范德華力相互作用，形成厚厚的墊子。 α-右手螺旋與β-折疊相比更具彈性，不易拉斷，β-折疊易拉斷，α-右手螺旋經(jīng)加熱后可變成β-折疊，長(zhǎng)度增加，毛衣越洗越長(zhǎng)也是這種變化。 （3）左手螺旋：存在于膠原蛋白中，氨基酸殘基組成為（-Gly-Pro-Y-），Y為 HyPro或HyLys靠鏈間氫鍵和范德華力來(lái)維持。見沈同P158。 （4）U型回折：也叫β-轉(zhuǎn)角，肽鏈在某處回折1800所形成的結(jié)構(gòu)。這個(gè)結(jié)構(gòu)包括的長(zhǎng)度為4個(gè)氨基酸殘基，其中的第三個(gè)為Gly，穩(wěn)定該結(jié)構(gòu)的力量是第一和第四個(gè)氨基酸殘基之間形成的氫鍵。在黑板上演示。 （5）310螺旋：是α-右手螺旋的過(guò)渡形式，又廋又長(zhǎng)，每個(gè)氫鍵串起的長(zhǎng)度為3個(gè)肽平面或3.6個(gè)氨基酸殘基，被氫鍵串起來(lái)的這個(gè)環(huán)上含有10原子。 （6）無(wú)規(guī)卷曲：無(wú)固定的走向，但也不是任意變動(dòng)的，它的2個(gè)二面角（ф,ψ）有個(gè)變化范圍。 從結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性上看α-右手螺旋>β-折疊> U型回折>無(wú)規(guī)卷曲，而從功能上看正好相反，酶與蛋白質(zhì)的活性中心通常由無(wú)規(guī)卷曲充當(dāng)，α-右手螺旋和β-折疊一般只起支持作用 3.超二級(jí)結(jié)構(gòu)：空間相鄰的幾個(gè)2級(jí)結(jié)構(gòu)形成的更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，其類型有 （1）左手超螺旋：3根α-右手螺旋擰到一起形成一個(gè)左手超螺旋，如頭發(fā)中的角蛋白，見沈同P155。 （2）右手超螺旋：3根左手螺旋擰到一起形成一個(gè)右手超螺旋，如膠原蛋白，見沈同P158。本教材P103有誤。 （3）αα：相鄰的2根α-右手螺旋擰到一起形成一個(gè)左手超螺旋，見P98。 （4）ββ：一個(gè)連接鏈連著2個(gè)β折疊，平行式，這個(gè)連接鏈可以很長(zhǎng)。見P98。 （5）βαβ：3段β折疊和2段α螺旋相間形成，見P98。 （6）βββ：以2段U-型回折連接著的3段β折疊，反平行式。見P98。 4.結(jié)構(gòu)域：長(zhǎng)肽鏈（多于150個(gè)氨基酸），在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過(guò)多次折疊，在空間上形成一些半獨(dú)立的球狀結(jié)構(gòu)，叫結(jié)構(gòu)域，它是三級(jí)結(jié)構(gòu)的一部分，結(jié)構(gòu)域之間靠無(wú)規(guī)卷曲連接。也就是說(shuō)將三級(jí)結(jié)構(gòu)拆開后首先看到的結(jié)構(gòu)。草圖顯示。 四、蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu) 1.三級(jí)結(jié)構(gòu)：即蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)、構(gòu)象，指其中所有原子的空間排布，是結(jié)構(gòu)域再經(jīng)過(guò)卷曲和折疊后形成的。如果蛋白質(zhì)是單條肽鏈，則三級(jí)結(jié)構(gòu)就是它的最高級(jí)結(jié)構(gòu)，三級(jí)結(jié)構(gòu)由二硫鍵和次級(jí)鍵（氫鍵、疏水鍵、離子鍵、范德華力）維持。P99是肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)。 2.四級(jí)結(jié)構(gòu)：多條肽鏈通過(guò)非共價(jià)鍵（氫鍵、疏水鍵、離子鍵、范德華力）形成的聚合體的結(jié)構(gòu)就是四級(jí)結(jié)構(gòu)，注意，由二硫鍵連接的幾條肽鏈不具有四級(jí)結(jié)構(gòu)。每條肽鏈都有自己的三級(jí)結(jié)構(gòu)，稱為亞基或亞單位，一般情況下，具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)含有的肽鏈不會(huì)太多，故稱這類蛋白質(zhì)為寡聚蛋白，如寡聚酶等。 五、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能 1.蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 （1）每一種蛋白質(zhì)都具有特定的結(jié)構(gòu)，也具有特定的功能。 （2）蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)決定了蛋白質(zhì)的功能。 （3）蛋白質(zhì)的功能直接由其高級(jí)結(jié)構(gòu)（構(gòu)象）決定。例子，蛋白質(zhì)的變性現(xiàn)象。 （4）蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)決定高級(jí)結(jié)構(gòu)（構(gòu)象），因此，最終決定了蛋白質(zhì)的功能。例子，人工合成胰島素，A、B鏈分別合成，等比例混合后就有活性。而生物合成胰島素則是先合成一條長(zhǎng)肽鏈，形成正確的二硫鍵，而后再剪去中間的C肽才形成胰島素的。草圖顯示。 2.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能實(shí)例 （1）免疫球蛋白G：即抗體G，IgG（Immuno globe），由免疫細(xì)胞B分泌出的蛋白質(zhì)，可以特異的結(jié)合抗原并消滅之，這就是免疫反應(yīng)。 IgG的一級(jí)結(jié)構(gòu)：四條肽鏈，2重2輕（L2H2），對(duì)稱排列，LHHL，有12條鏈內(nèi)二硫鍵，4條鏈間二硫鍵，見草圖。對(duì)其氨基酸的分析發(fā)現(xiàn)，IgG分為V區(qū)（可變區(qū)）和C區(qū)（恒定區(qū)）。 二級(jí)結(jié)構(gòu)：幾乎全是β折疊，由無(wú)規(guī)卷曲連接。 結(jié)構(gòu)域：有12個(gè)球體，每個(gè)均被二硫鍵鎖住。 三級(jí)結(jié)構(gòu)：T型和Y型，屬于球蛋白。 沒(méi)有四級(jí)結(jié)構(gòu)。 IgG的功能：V區(qū)負(fù)責(zé)結(jié)合抗原，像鉗子一樣夾住抗原，體現(xiàn)了IgG的特異性，2價(jià)。C區(qū)負(fù)責(zé)結(jié)合補(bǔ)體（一種酶，可以水解抗原），也是2價(jià)，結(jié)合部位在寡糖鏈處的鉸鏈區(qū)。IgG的動(dòng)態(tài)作用過(guò)程用人體演示。 （2）肌紅蛋白：Mb（Myoglobin），哺乳動(dòng)物的肌肉中儲(chǔ)存氧氣的蛋白質(zhì)，水生的哺乳動(dòng)物體內(nèi)尤為發(fā)達(dá)（如鯨魚），因此，它們可以憋氣很長(zhǎng)時(shí)間，研究用Mb一般由鯨魚提供。 一級(jí)結(jié)構(gòu)：?jiǎn)螚l肽鏈，153個(gè)氨基酸，其中的83個(gè)氨基酸為保守序列（即同源蛋白質(zhì)均相同，是決定功能的最重要序列），含有一分子血紅素輔基，見P104，其中保持Fe2+，血紅素通過(guò)Fe2+以配位鍵吊在肽鏈的His的咪唑基上，示意。O2將結(jié)合在Fe2+上。 二級(jí)結(jié)構(gòu)：幾乎全是α-右手螺旋，中間由無(wú)規(guī)卷曲和結(jié)來(lái)連接。 三級(jí)結(jié)構(gòu)：扁平的菱形，見P99或沈同P172，屬于球蛋白。 功能：儲(chǔ)存氧氣。其三級(jí)結(jié)構(gòu)在分子表面形成一個(gè)疏水的空穴，血紅素即藏在其中，該空穴允許O2進(jìn)入而拒絕水的進(jìn)入，保證了Fe2+結(jié)合O2而避免了Fe2+→Fe3+。 Mb結(jié)合氧氣的特征可以由氧合曲線來(lái)描述，見P104，為雙曲線形。其中的氧飽和度（飽和百分?jǐn)?shù)）為Mb O2/（Mb O2+ Mb），P O2為氧的分壓。從圖中可以看出，Mb傾向于結(jié)合氧氣而不愿意放出氧氣，所以它的功能是儲(chǔ)存氧氣，只有在P O2極低的時(shí)候（體內(nèi)缺氧的時(shí)候）它才釋放出氧氣。另外，C O可以與O2競(jìng)爭(zhēng)性的結(jié)合Mb。 （3）血紅蛋白：Hb（Hemoglobin），在人體中有三種，HbA，HbA 2，HbF（僅存于胎兒中），三者的結(jié)構(gòu)和功能大同小異，此處以HbA為例。 一級(jí)結(jié)構(gòu)：4條鏈，α2β2。α141，β146，每條肽鏈都結(jié)合著一分子的血紅素，兩條β鏈之間還夾著一分子DPG（二磷酸甘油酸），每條肽鏈都有保守序列。 二級(jí)結(jié)構(gòu)：4條鏈均同Mb, 幾乎全是α-右手螺旋，中間由無(wú)規(guī)卷曲和結(jié)來(lái)連接。 三級(jí)結(jié)構(gòu)：4條鏈均同同Mb,扁平的菱形，見沈同P181，屬于球蛋白。 四級(jí)結(jié)構(gòu)：4個(gè)亞基占據(jù)著4面體的4個(gè)角，鏈間以離子鍵結(jié)合，一條α鏈與一條β鏈形成二聚體，Hb可以看成是由2個(gè)二聚體組成的（αβ）2，在二聚體內(nèi)結(jié)合緊密，在二聚體之間結(jié)合疏松。 功能：運(yùn)輸氧氣，4價(jià)。其三級(jí)結(jié)構(gòu)在每個(gè)肽鏈的分子表面形成一個(gè)疏水的空穴，血紅素即藏在其中，該空穴允許O2進(jìn)入而拒絕水的進(jìn)入，保證了Fe2+結(jié)合O2而避免了Fe2+→Fe3+。 其氧合曲線見P104，為S形曲線，只有在PO2很高的情況下（在肺部）Hb才結(jié)合氧氣，而PO2一降低（在外周血管中），它就釋放O2，而此時(shí)的Mb卻紋絲不動(dòng)。就結(jié)合O2的能力而言，4價(jià)的Hb還不如1價(jià)的Mb。 Hb的氧合曲線形狀與Mb不同是因?yàn)樗兄鳰b所不具有的一些特性，如： 協(xié)同效應(yīng)：Hb分子中一條鏈結(jié)合O2后，可以導(dǎo)致其構(gòu)象的變化，使其它幾條鏈結(jié)合O2的結(jié)合能力突然增強(qiáng)，表現(xiàn)出其氧合曲線為S形曲線。對(duì)Hb協(xié)同效應(yīng)的解釋為：在沒(méi)有結(jié)合氧氣時(shí)，Hb的四條鏈之間結(jié)合緊密，這種構(gòu)象稱為T態(tài)，這種緊密是由離子鍵和DPG（位于2條β鏈之間）造成的，屏蔽了分子表面疏水的空穴，使Hb分子結(jié)合O2的能力降低（游離的α鏈和β鏈結(jié)合氧氣的能力與Mb相同）。當(dāng)一條鏈結(jié)合了氧氣之后，鐵卟啉把His的咪唑基向下一扯，導(dǎo)致該肽鏈的三級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化（牽一發(fā)而動(dòng)全局），肽鏈之間的離子鍵被破壞，Hb的四級(jí)結(jié)構(gòu)也隨之改變，2個(gè)二聚體（αβ）之間發(fā)生錯(cuò)位，擠出DPG，四級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步變化，每條鏈表面疏水的空穴暴露在外，這種構(gòu)象稱為R態(tài)，結(jié)合氧氣的能力得以增強(qiáng)。 別構(gòu)效應(yīng)：是某些寡聚蛋白質(zhì)特有的現(xiàn)象。是指蛋白質(zhì)與效應(yīng)物結(jié)合改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象，進(jìn)而改變蛋白質(zhì)的生物活性。 Hb的活性中心：Hb每個(gè)亞基上血紅素存在的那個(gè)疏水空穴是結(jié)合氧氣的地方，稱之為活性中心，也叫活性部位。 別構(gòu)中心：在Hb分子的其它地方還有結(jié)合效應(yīng)物的部位，如結(jié)合H+、CO2、DPG甚至O2，這些部位結(jié)合了效應(yīng)物之后，可以改變蛋白質(zhì)的構(gòu)象，進(jìn)而影響到活性中心與氧氣的結(jié)合，這些部位就叫別構(gòu)中心?；钚灾行呐c別構(gòu)中心可以重合也可以不重合，在Hb中是不重合的。 因此，別構(gòu)效應(yīng)可以說(shuō)成是別構(gòu)中心結(jié)合了效應(yīng)物之后影響了活性中心與氧氣的結(jié)合。協(xié)同效應(yīng)實(shí)際上就是一種別構(gòu)效應(yīng)。Mb只有活性中心沒(méi)有別構(gòu)中心，它的氧合曲線就是雙曲線形的。 Hb的另一個(gè)別構(gòu)效應(yīng)是波爾效應(yīng)：H+和CO2對(duì)Hb與氧氣結(jié)合的影響。具體的影響見P105的方程式，敘述為H+和CO2促進(jìn)Hb釋放O2，這也解釋了Hb為什么在肺中吸氧排CO2,而在肌肉中吸CO2排氧。 另外，DPG降低Hb與O2的結(jié)合能力。 關(guān)于鐮刀形細(xì)胞貧血癥：紅細(xì)胞減少，只有正常人的1/2，無(wú)力，劇烈運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致死亡。Hbs與Hb在結(jié)合O2的能力方面并沒(méi)有區(qū)別，區(qū)別在于Hbs造成紅細(xì)胞溶血，溶血后的Hb不能像紅細(xì)胞中的Hb一樣正常運(yùn)輸O2。Hbs導(dǎo)致溶血的原因在于其β6Val，正常的血紅蛋白的β6Glu，紅細(xì)胞表面的Hbs由于疏水鍵而聚集，使細(xì)胞膜破裂。 鐮刀形細(xì)胞貧血癥在非洲某些地區(qū)居然是自然選擇的結(jié)果，是與瘧疾抗?fàn)幍漠a(chǎn)物。 瘧疾桿菌只能利用正常人的Hb，不能利用Hbs，所以Hbs者是不感染瘧疾的。在該地，Hbs純合子和正常人都經(jīng)不起自然選擇，只有Hbs雜合子存活了下來(lái)。 布置本專題作業(yè)： 1.用下列實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)某肽鏈的一級(jí)結(jié)構(gòu)： （1）完全酸水解后產(chǎn)生的氨基酸組成為：Ala、Arg、2Ser、Lys、Phe、Met、Pro （2）用DNFB處理并水解得到DNP-Ala和ε-DNP-Lys （3）羧肽酶A和B都對(duì)此肽不作用 （4）用CNBr處理獲得2個(gè)片段，其中一個(gè)片段含有Pro、Trp、Ser （5）用糜蛋白酶作用產(chǎn)生3個(gè)片段，1個(gè)含有Pro、Ser；另1個(gè)含有Met、Trp；最后一個(gè)含有Phe、Lys、Ser、Ala、Arg （6）用胰蛋白酶處理產(chǎn)生3個(gè)片段，1個(gè)含有Ala、Arg；另1個(gè)含有Lys、Ser；最后一個(gè)含有Phe、Trp、Met、Ser、Pro 2.根據(jù)書上P59給出的PK’值，計(jì)算正常的二肽Glu-Lys以及Lys-Glu的PI值。 第三專題核酸化學(xué) 基本要求：掌握核酸的化學(xué)組成，基本結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及重要的理化性質(zhì)，熟悉核酸的生物學(xué)功能，了解核酸序列測(cè)定的方法。 課時(shí)分配:4學(xué)時(shí) 教學(xué)內(nèi)容： 前言：核酸是生命最重要的分子，最簡(jiǎn)單的生命僅含有核酸（病毒）。150億年宇宙蛋，50億年太陽(yáng)，46億年地球，無(wú)機(jī)有機(jī)生物大分子細(xì)胞。美國(guó)的Miller在做其PhD時(shí)，模擬40億年前地球的原始大氣條件，產(chǎn)生了氨基酸，見（B）P13，有了氨基酸當(dāng)然就會(huì)產(chǎn)生蛋白質(zhì)。但核苷酸何時(shí)產(chǎn)生？據(jù)估計(jì)也不少于40億年前，誰(shuí)先誰(shuí)后？1868年首次在繃帶上的膿細(xì)胞核中發(fā)現(xiàn)一種富含磷酸呈酸性又不溶于酸溶液的分子，命名為核素，其實(shí)是核蛋白，1898年從小牛的胸腺中提取了一種溶于堿性溶液中的純凈物，這才是真正的核酸，從此，對(duì)核酸的研究全面展開，揭開了生物化學(xué)領(lǐng)域驚天動(dòng)地的一頁(yè)。 第一節(jié) 核酸的分子組成 一、 基本分子組成 對(duì)核酸的水解發(fā)現(xiàn) 核酸酶 磷酸單酯酶 核苷酶 （脫氧）核酸—--→（脫氧）核苷酸—------→磷酸+（脫氧）核苷----→戊糖+堿基 由上面可知，核酸的結(jié)構(gòu)單位是（脫氧）核苷酸，基本組成成分是磷酸、戊糖、堿基 核酸共有2類，脫氧核糖核酸DNA和核糖核酸RNA。 二、堿基的結(jié)構(gòu) 基本堿基一共只有5種，從分子骨架上分將堿基分為嘌呤堿基和嘧啶堿基。 1.嘌呤堿基：嘌呤（Pu）的結(jié)構(gòu)及編號(hào)：P130下 A（腺嘌呤）的結(jié)構(gòu)：P130 G（鳥嘌呤）的結(jié)構(gòu)：見草圖 2.嘧啶（Py）堿基：嘧啶（Py）堿基的結(jié)構(gòu)及編號(hào)：新系統(tǒng)，P130上 C（胞嘧啶）：氨基態(tài)，P131 U（尿嘧啶）：酮式，P131 T（胸腺嘧啶）：見草圖 以上各具體堿基的結(jié)構(gòu)最好見（B）P61，結(jié)合圖來(lái)記憶。 記憶口訣：先將嘌呤和嘧啶的結(jié)構(gòu)式記住，然后再記住下面口訣 胸前一灘尿：U +一碳基團(tuán)（甲基）＝ T 尿里兩泡泡：嘧啶中有兩個(gè)O＝U 上面一個(gè)是氨氣包：U靠上面的一個(gè)O換成-NH2就是C 鳥兒張嘴吸氨氣：張嘴即O，嘌呤有O又有-NH2＝ A 線兒將鳥嘴來(lái)系，注意換氣：系嘴即去掉O，G去掉O再把-NH2換個(gè)位置＝A 三、核苷 由戊糖和堿基形成的糖苷，見P132上，反式更穩(wěn)定，順式更好認(rèn)。仍用單字母表示，跟堿基的表示法相同，只是在脫氧時(shí)加d，如dA。 糖苷鍵的鍵型均為β-N型，不是α- N型。解釋之。各種核苷的結(jié)構(gòu)均見P132，略。 注意核苷中的戊糖的編號(hào)要加“’”號(hào)，如2’位。堿基中的編號(hào)不加“’”號(hào)。 有一種特殊的核苷叫假尿苷，糖苷鍵的鍵型均為β-C型，見P134右。 四、核苷酸 核苷與磷酸形成的酯。磷酸出羧基，戊糖出羥基。 1.戊糖有2’、3’、5’位自由-OH，因此可以形成2’、3’、5’-核苷酸，其中5’-核苷酸為默認(rèn)的核苷酸。見133上。 2.磷酸的個(gè)數(shù)可以有1、2、3，這是指TP、DP、MP與核苷形成的酯，見P133下。表示為NMP、NDP、NTP，脫氧時(shí)加“d”，如ATP、dATP。 3.可以形成環(huán)狀的核苷酸：一個(gè)磷酸以二個(gè)羧基與戊糖上的兩個(gè)-OH形成酯，見P134，稱為磷酸二酯鍵，這種鍵可以處在3’、5’之間（默認(rèn)的環(huán)核苷酸），也可以處在2’、3’之間，沒(méi)有處在2’、5’之間的。表示為c，如cAMP環(huán)腺苷酸，dcAMP。 所以遇到核苷酸時(shí)要注意是否脫氧，有幾個(gè)磷酸，是否成環(huán)。 核苷酸的性質(zhì)：是兩性電解質(zhì)，有PI；紫外吸收峰為260nm，是堿基造成的。蛋白質(zhì)為280nm。 第二節(jié) 核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu) 氨基酸核酸就是多聚核苷酸： 是磷酸通過(guò)3’、5’磷酸二酯鍵將核苷連接起來(lái)的長(zhǎng)鏈，見P138。 其一端點(diǎn)的核苷酸的5’-OH沒(méi)有參與3’、5’磷酸二酯鍵的形成，也就是說(shuō)有游離的 5’-OH，這一端點(diǎn)叫5’端，反之另一端就是3’端。這樣核酸的寫法就具有方向，5’→ 3’ 或 3’→ 5’，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的書寫方法是5’→ 3’，如確有必要寫成3’→ 5’則需專門 注明。如果核酸的兩端也被磷酸二酯鍵連起來(lái)了，則無(wú)端點(diǎn)，但仍有方向。 二、核酸一級(jí)結(jié)構(gòu)的表示方法 書寫的方向5’→ 3’ 完整結(jié)構(gòu)表示法：見P138 線條式縮寫法：見P138，堿基、磷酸、戊糖以及酯鍵的位置都很清楚。 字母式縮寫法：見P138，堿基、磷酸位置清楚，戊糖以及酯鍵的位置略掉。 三、一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定常用的工具酶 一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定常用的工具酶的種類和酶切部位特點(diǎn)參見教材140-141。 第三節(jié) 核酸的空間結(jié)構(gòu) 一、 DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu) 1． 二級(jí)結(jié)構(gòu)的依據(jù) （1）對(duì)DNA分子結(jié)晶的X衍射數(shù)據(jù)：由Franklin和Wilkins提供，來(lái)源不同的DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)非常相似。前者早逝，后者與Watson、Creck分享了諾貝爾獎(jiǎng)。 （2）Chargaff規(guī)則：A與T、G與C在任何DNA分子中的摩爾數(shù)都相等。 （3）DNA是遺傳物質(zhì)，能夠自我復(fù)制。 （4）大量的電位滴定（探測(cè)H鍵的方法）和其它物化數(shù)據(jù) 2．Watson-Creck的DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)模型（B-DNA，線狀DNA，自然選擇）:美國(guó)Watson、英國(guó)Creck在1953/5的《Nature》上合作了一篇文專題，第一次科學(xué)的提出了DNA二級(jí)結(jié)構(gòu)模型，現(xiàn)總結(jié)如下： （1）DNA分子是由2條互相纏繞的多聚脫氧核苷酸鏈組成（簡(jiǎn)稱2條DNA單鏈），反向平行（一條鏈為5’→ 3’，另一條鏈為 3’→ 5’），空間走向?yàn)橛沂致菪?，有一個(gè)假想的螺旋軸（見自制模型，手指）。P157 （2）2條鏈靠鏈間的H鍵結(jié)合，H鍵的產(chǎn)生符合堿基配對(duì)原則：A＝T，G＝C，P157，由電鏡照片為證。右手螺旋的