青青子衿,悠悠我心
但为君故,沉吟至今

沈阳药科大学生物化学课件精简版之绪论和蛋白质

生物化学教材与参考书:

  • 《生物化学》第六版——吴梧桐主编,人民卫生出版社。
  • 《生物化学》第三版——王镜岩、朱圣庚、徐长法主编,高等教育出版社。

【绪论】

生物学的概念:是从分子水平来研究生物体内基本物质的化学组成、结构,及在生命活动中这些物质所进行的化学变化(即代谢反应)的规律及其与生理功能的关系的一门科学。是一门生物学与化学相结合的基础学科。

生物学的研究对象:生物体(微生物生化、植物生化、动物生化、人体生化)。

生物化学的研究内容(任务):

  1. 静态生物化学:构成生物体的生物分子的化学组成、结构、理化性质、生物功能及结构域功能的关系。
  2. 动态生物化学:物质代谢的体内动态过程及在代谢过程中能量的转换和代谢调节规律。
  3. 功能生物化学:研究代谢反应与生理功能的关系。

药学生物化学:研究与药学相关的生物化学理论、原理与技术及其在药物研究、药品生产、药物质量控制与药品临床应用的基础学科。

【第四章、蛋白质的化学】

蛋白质是构成生物体的基本成分(普遍存在、含量丰富)。

蛋白质具有多样性的生物学功能:

  1. 生物催化作用;
  2. 代谢调节作用;
  3. 免疫保护作用;
  4. 转运和贮存的作用;
  5. 运动与支持作用;
  6. 控制生长和分化作用;
  7. 接受和传递信息的作用;
  8. 生物膜的功能。

蛋白质的元素组成:

  1. 基本元素:CHON
  2. 少量元素:SPIFeCuZn
  3. 大多数蛋白质含氮量恒定,平均为16%。蛋白质含量=蛋白质含氮量/16%=蛋白质含氮量*6.25

蛋白质结构的基本单位——氨基酸

  1. 氨基酸的结构:组成蛋白质的氨基酸有20种,称为基本氨基酸,结构通式为H2N-CCOOH)(R-H
  2. 基本氨基酸的共同特点:不同的氨基酸,其R侧链不同;除脯氨酸为α-亚氨基酸外,组成蛋白质的氨基酸均为为α-氨基酸;天然氨基酸为L型;除甘氨酸外,α-碳原子都是手性碳原子,具有旋光性,甘氨酸没有旋光性。
  3. 氨基酸是两性电解质。
  4. 氨基酸的物理性质:无色结晶,熔点高,易溶于酸碱,不溶于有机溶剂,水中溶解度各异。
  5. 非极性氨基酸(疏水氨基酸,8种):丙氨酸(Ala)、缬氨酸(Val)、亮氨酸(Leu)、异亮氨酸(Ile)、脯氨酸(Pro)、苯丙氨酸(Phe)、色氨酸(Trp)、蛋氨酸(Met)。
  6. 极性氨基酸(亲水氨基酸):极性不带电荷(7种),包括甘氨酸(Gly)、丝氨酸(Ser)、苏氨酸(Thr)、半胱氨酸(Cys)、酪氨酸(Tyr)、天冬酰胺(Asn)、谷氨酰胺(Gln));极性带正电荷的氨基酸(碱性氨基酸,3 ),包括赖氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)、组氨酸(His);极性带负电荷的氨基酸(酸性氨基酸、 2 ),包括天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu)。
  7. 除了20种基本氨基酸之外,蛋白质中还有其他氨基酸,如羟脯氨酸、羟赖氨酸等。
  8. 非蛋白质氨基酸是中药的代谢中间体,如β-丙氨酸、鸟氨酸和γ-氨基丁酸(GABA)等。
  9. 氨基酸的紫外吸收:酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸含有苯环共轭大派键,有紫外吸收。

蛋白质的分子结构:

  1. 一级结构是基础结构,决定空间结构。二级结构、三级结构、四级结构均为空间结构(空间构象、三维结构)。
  2. 蛋白质的一级结构:蛋白质是由不同氨基酸种类、数量和排列顺序,通过肽键构成的高分子有机含氮化合物。蛋白质一级结构中除了肽键以外,有些还含有少量的二硫键。
  3. 肽键是蛋白质分子中基本的化学键,它是由一份子氨基酸的羧基和另一分子氨基酸的氨基脱水缩合而成的,也称酰胺键。
  4. 二硫键(少量)是由两分子半胱氨酸的巯基脱氢而生成的。二硫键可以存在与肽链内和肽链间。
  5. 肽:氨基酸通过肽键相连的化合物。二肽:由两个氨基酸组成的肽称为二肽。三肽:由三个氨基酸组成的肽称为三肽。寡肽:一般把十个氨基酸以下的肽称为寡肽。多肽(或多肽链):十个氨基酸以上的肽称为多肽或多肽链。
  6. 氨基酸残基:多肽链中的氨基酸,由于参与肽键的形成,不是原来完整的分子,称为氨基酸残基。
  7. 共价主链:多肽链中的骨架是由氨基酸的羧基与氨基形成的肽键部分规则地重复排列而成,称为共价主链。
  8. 侧链:R基部分,称为侧链。
  9. 多肽链的方向性:一条多肽链有两个末端:氨基末端或N末端、羧基末端或C末端。命名时按从N端到C端的顺序。书写时将N端写在左边,C端写在右边。
  10. 维持蛋白质构象的化学键——次级键:氢键、疏水键、盐键、配位键、二硫键、范德华引力。
  11. 蛋白质的二级结构是指多肽链的主链骨架中若干肽平面,各自沿一定的轴盘旋或折叠,并以氢键为主要的次级键而形成有规则的构象,如α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则线团等。
  12. 蛋白质的二级结构一般不涉及氨基酸残基侧链的构象。
  13. 肽平面:肽键与相邻的两个α-碳原子所组成的基团,称为肽平面。
  14. 肽平面的特点:肽键具有部分双键性质,不能自由旋转;肽平面是刚性平面,六个原子处于同一平面;肽平面中与C-N相连的氢和氧原子与两个碳原子呈反向分布。
  15. 蛋白质二级结构的基本形式:α-螺旋、β-折叠、β-折角和无规则线团。
  16. α-螺旋:1、右手螺旋,每3.6个氨基酸旋转一周,螺距为0.54nm,肽键平面与长轴平行;2、氢键是α-螺旋稳定的主要次级键;3、肽链中氨基酸残基的R基侧链分布在螺旋的外侧,其形状、大小及电荷均影响螺旋的形成和稳定性。
  17. 影响α-螺旋形成与稳定的因素:1、连续酸性或碱性氨基酸存在时,不利于α-螺旋的生成;2、较大的氨基酸残基的R侧链集中的区域,也不利于α-螺旋的生成;3、脯氨酸或羟脯氨酸残基存在时,不能形成α-螺旋。
  18. β-片层:1、肽平面之间一般折叠成锯齿状;2、肽链中氨基酸残基的R侧链分布在片层的上下;3、肽链平行的走向有顺式和反式两种;4、氢键是维持这种结构的主要次级键。
  19. β-折角:伸展的肽链形成180°的回折,即U形转折结构。
  20. 无规则线团:蛋白质二级结构中除上述有规则的构象外,尚存在因肽平面不规则排列的无规律构象,称为自由折叠或无规则线团。
  21. 超二级结构:是指在多肽内顺序上相邻的二级结构常常在空间折叠中靠近,彼此相互作用,形成有规则的二级结构聚集体。
  22. 结构域:在较大的蛋白质分子中,由于多肽链上相邻的超二级结构紧密联系,进一步折叠形成一个或多个相对独立的致密的三维实体,即结构域。其特点为:1、结构域与分子整体以共价键相连;2、具有相对独立的空间构象和生物学功能;3、结构域通常是几个超二级结构的组合,对于较小的蛋白质分子,结构域与三级结构等同。较大的蛋白质为多结构域,它们可能是相似的,也可能是完全不同的。
  23. 蛋白质的三级结构:1、一条多肽链中所有原子或基团在三维空间的整体排布称为三级结构;2、稳定三级结构的主要化学键是疏水键、氢键和盐键等次级键;3、包括主链和侧链的所有原子的空间排布,一般非极性侧链埋在分子内部,形成疏水核,极性侧链在分子表面;4、三级结构的形成使得在序列中相隔较远的氨基酸侧链相互靠近。
  24. 蛋白质的四级结构:两个或两个以上的亚基之间相互作用,彼此以非共价键相连而形成更复杂的构象,称为蛋白质的四级结构。
  25. 亚基的概念:在有四级结构的蛋白质分子中,本身具有一、二、三级结构的一条或多条多肽链称为一个亚基。其特点:1、亚基一般由一条多肽链组成,也有由两条或更多的多肽链组成;2、一般亚基多无活性,当它们构成具有完整四级结构的蛋白质时,才表现出生物学活性。
  26. 蛋白质四级结构的特点:1、是亚基间的相互作用;2、维持蛋白质四级结构的主要化学键是疏水键,其次是氢键、范德华力、盐键和二硫键等。

【第四节、蛋白质的结构与功能】

蛋白质的一级结构与功能的关系:蛋白质分子的一级结构是形成空间结构的物质基础,而蛋白质的生物学功能是蛋白质分子特定的天然构象所表现的性质或具有的属性。

  1. 一级结构不同,生物学功能各异。
  2. 一级结构中关键部分相同,其功能也相同。
  3. 一级结构中关键部分变化,其生物活性也改变。
  4. 一级结构的变化与疾病的关系。(由遗传突变引起的,在分子水平上仅存在微观差异而导致的疾病,称为分子病。)

蛋白质的空间构象与功能的关系:

  1. 蛋白质前体的活化。
  2. 蛋白质的变构现象:一些蛋白质由于受某些因素的影响,其一级结构不变而空间构象发生一定的变化,导致其生物学功能的改变,称为蛋白质的变构效应或别构作用。
  3. 蛋白质构象疾病:疯牛病(由于朊病毒蛋白构象改变导致蛋白质聚集,形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀。)

蛋白质的结构与生物进化。

【第五节、蛋白质的性质】

蛋白质的分子大小、形状及分子量测定:

  1. 蛋白质分子量一般为1*10^4~1*10^6D或更高。
  2. 蛋白质的分子形状:球形、纤维状等。
  3. 蛋白质的分子量测定:分子筛层析法、SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳(SDS-PAGE)、生物质谱。

蛋白质的变性:

  1. 概念:某些物理的和化学的因素使蛋白质分子的空间构象发生改变或破坏,导致其生物活性的丧失和一些理化性质的改变,这种现象称为蛋白质的变性作用。
  2. 变性的本质:稳定蛋白质分子空间构象的次级键遭到破坏,从而导致蛋白质分子空间构象改变或破坏,而不涉及一级结构的改变或肽键的断裂。
  3. 特征:1、生物活性的丧失;2、某些理化性质的改变(失去结晶能力、易于沉淀、粘度增加、易被蛋白酶水解)。
  4. 变性作用的因素:物理因素(高温、紫外线、X射线、超声波和剧烈振荡等)、化学因素(强酸、强碱、尿素、去污剂、重金属、三氯醋酸和浓乙醇等)。
  5. 可逆变性:除去变性因素后,蛋白质构象可以恢复的。
  6. 不可逆变性:除去变性因素后,蛋白质构象不可以恢复的。
  7. 变性作用的意义:1、酒精、紫外线消毒;2、高温灭菌;3、除去杂蛋白;4、避免活性成分变性。

蛋白质的两性电离与等电点:

  1. 蛋白质的等电点:使蛋白质所带正负电荷相等,静电荷为零时的溶液的pH值,称为蛋白质的等电点(pI)。
  2. 蛋白质的解离。

蛋白质的胶体性质:

  1. 蛋白质形成亲水胶体的两个稳定因素:1、蛋白质表面具有水化层;2、蛋白质便面具有同性电荷。

蛋白质的沉淀反应:

  1. 概念:蛋白质分子聚集而从溶液中析出的现象。
  2. 沉淀反应的类型:中性盐沉淀反应、有机溶剂沉淀反应、加热沉淀反应、重金属盐沉淀反应、生物碱试剂沉淀反应。

中性盐沉淀反应:

  1. 盐溶作用:低盐浓度尅使蛋白质溶解度增加。(低盐浓度可以使蛋白质表面吸附某种离子,导致其颗粒表面同性电荷增加而增强排斥,同时与水分子作用增强,从而提高了蛋白质的溶解度。)
  2. 盐析作用:高盐浓度时,因为破坏蛋白质水化层并且中和电荷,促使蛋白质颗粒相互聚集而沉淀。沉淀析出的蛋白质不发生变性。

有机溶剂沉淀反应:

  1. 在蛋白质溶液中加入一定量的与水互溶的有机溶剂(如乙醇、丙酮和甲醇等)能使蛋白质表面失去水化层相互聚集而沉淀。
  2. 特点:有时可以引起蛋白质的变性。(这与有机溶剂的浓度、与蛋白质接触的时间,以及沉淀的温度有关。)

加热沉淀反应:

  1. 加热可以使蛋白质布朗运动加剧,分子间相互碰撞后,破坏次级键,使疏水键暴露,蛋白质变性而沉淀。
  2. 特点:蛋白质变性。

重金属盐沉淀反应:

  1. 原理:pH>pI时,蛋白质溶液带有负离子,可以与重金属离子(铜离子、汞离子、铅离子、银离子等)结合成不溶性的盐而沉淀。

生物碱试剂沉淀反应:

  1. pH<pI时,蛋白质溶液带有正离子,可以与一些生物碱试剂(苦味酸、磷钨酸、磷钼酸、鞣酸、三氯醋酸、磺基水杨酸等)结合成不溶性的盐而沉淀。

蛋白质沉淀与变性之间关系:蛋白质变性和沉淀是两个完全不同的概念,二者有联系但是又完全不一致。蛋白质变性有时可以表现为沉淀,也可以表现为溶解状态;同样,蛋白质沉淀有时可以是变性,也可以是不变性,这取决于沉淀的蛋白质空间构象有无破坏。

蛋白质的颜色反应:

  1. 茚三酮反应:原理:在pH5-7时,蛋白质与茚三酮丙酮溶液加热可以产生蓝紫色。特点:游离的α-NH2的特征性反应。
  2. 双缩脲反应:原理:蛋白质在碱性溶液中可与二价铜离子产生紫红色反应。特点:1、蛋白质分子中肽键的特征性反应,肽键越多反应颜色越深;2、氨基酸、二肽以下化合物无此反应。
  3. 酚试剂反应:原理:在碱性条件下,蛋白质分子中的酪氨酸和色氨酸可以与酚试剂(含磷钨酸和磷钼酸化合物)生成蓝色化合物。蓝色的强度与蛋白质的量成正比。

蛋白质的紫外吸收:

  1. 蛋白质分子在紫外线280nm下产生最大吸收;
  2. 蛋白质分子中含有酪氨酸、色氨酸和苯丙氨酸。

蛋白质的分类:

  1. 根据分子形状分类:球状蛋白(蛋白质分子形状的长短轴比小于10)、纤维状蛋白(蛋白质分子形状的长短轴比大于10)。
  2. 根据化学组成分类:单纯蛋白(水解产物仅为氨基酸)、结合蛋白(由单纯蛋白和非蛋白部分组成。非蛋白部分称为辅基).
  3. 根据溶解度分类:可溶性蛋白(可溶于水、稀的中性盐和稀酸溶液)、醇溶性蛋白、不溶性蛋白(不溶于水、中性盐、稀酸、碱和一般有机溶剂)。
  4. 根据功能分类:活性蛋白质(大多数是球状蛋白质,它们的特性在于都有识别功能,包括在生命活动过程中一切有活性的蛋白质以及它们的前提,绝大部分蛋白质都属于此类)、非活性蛋白质(主要包括一大类起保护作用和支持作用的蛋白质,实际上相当于按照分子形状分类的纤维状蛋白质和按照溶解度分类的不溶性蛋白质)。
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