【正文】 1 第一章 生物配體及其配合物 在大多數(shù)情況下，金屬元素并不是以自由離子形式存在于生物體內(nèi)，而是與生物體 中 具有生物功能的配體形成各式各樣的配合物，這些生命內(nèi)的配位體稱為生物配體。 按照相對分子量的大小，生物配體可分為兩大類：一類為大分子配體，包括蛋白質(zhì) 、 多糖、核酸等，其分子量大小從幾千到數(shù)百萬不等；另一類為小分子配體，包括氨基酸、羧酸、卟啉等。 第一節(jié) 氨基酸 氨基酸是 指含有氨基的羧酸，為 蛋白質(zhì)的基本組成單位 。按照軟硬酸堿理論，氨基酸具有堿性較強的氨基及堿性較弱的羧基，故氨基酸具有很強的 配位能力，能與大多數(shù)過渡及稀土元素形 成配合物 。 一、 氨基酸的結(jié)構(gòu)通式 自然界中已發(fā)現(xiàn)氨基酸有上百種，但從蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物中分解出來的氨基酸通常只有 20 種，而且這些 氨基酸，除脯氨酸外，具有相似的結(jié)構(gòu)單元，均為 α氨基酸，即羧酸分子中 α碳原子 的一個氫原子被氨基取代而成的化合物。其結(jié)構(gòu)通式可用下式表示。式中 R 為 α氨基酸的側(cè)鏈，方框內(nèi)的基團為各種氨基酸的共同的結(jié)構(gòu)。 C?COOHNH2RH C ?C OO N H 3 +RH 不帶電形式 帶電形式 圖 11 氨基酸結(jié)構(gòu)通式 二、 氨基酸的分類 氨基酸分類法有多種，這里根據(jù)組成蛋白質(zhì)的 20 種氨基酸的側(cè)鏈 R 基的化學結(jié)構(gòu)的不同，分為 4 大類： 脂肪族氨基酸： ① 一氨基一羧基氨基酸：甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、絲氨酸、蘇氨酸；②一 2 氨基二羧基氨基酸及其酰胺：谷氨酸、谷氨酰胺 、天冬氨酸、天冬酰胺；③二氨基一羧基氨基酸：賴氨酸、精氨酸； 芳香族 氨基酸：苯丙氨酸、酪氨酸； 雜環(huán)氨基酸：組氨酸、色氨酸； 雜環(huán)亞氨酸：脯氨酸。 表 11 氨基酸分類表 普通名稱 中英文簡稱 結(jié)構(gòu)式 等電點 脂肪族氨基酸 一 氨 基 一 羧 基 氨 基 酸 甘氨酸 甘 Gly H CH COONH3+ 丙氨酸 丙 Ala H3C CH COONH3+ 纈氨酸 纈 Val CH2CHH 3 CH 3 CCO ONH3 + 亮氨酸 亮 Leu C H 2C HH 3 CH 3 CC O O C H 2N H 3 + 異 亮氨酸 異亮 Lle C HC H 2H 3 C C O O C H 2N H 3 +C H 3 蛋氨酸 (甲硫氨酸 ) 蛋 Met N H 3 +C H C O O H 2CH 2CSH 3 C 半胱氨酸 半胱 Cys N H 3 +C H C O O H 2CH S 絲氨酸 絲 Ser C H C O O N H 3 +C H 2H O 蘇氨酸 蘇 Thr CH COO N H 3+CHO HH3 C 3 一氨 基二羧基 氨基 酸 谷氨酸 谷 Glu C H C O O N H 3 +H 2CC H 2O O C 天冬氨酸 天 Asp C HN H3H 2 C C O O O O C 二 氨 基 一 羧 基 氨 基 酸 賴氨酸 賴 Lys C H C O O N H3 +(C H 2 ) 4N H 2 精氨酸 精 Ary C H C O O N H 3 +( C H 2 ) 3H NC+ H2 NH 2 N 芳香族氨基酸 苯丙氨酸 苯 Phe C H C O O N H 3 +H 2 C 酪氨酸 酪 Tyr C H C O O N H 3 +H 2 CH O 雜環(huán)氨基酸及雜環(huán)亞氨基酸 組氨酸 組 His C HN H 3 +C O O H 2 C+ H NNH 色氨酸 色 Try C HN H 3 +C O O H 2 CNH 脯氨酸 脯 Pro NH2+COO 三、 氨基酸 的立體異構(gòu)和旋光性 從上述結(jié)構(gòu)通式可看出，除 R 為 H（甘氨酸）外，所有 α氨基酸分子中 α 4 碳原子都為不對稱碳原子。因此，第一，氨基酸都具有旋光性，能使偏振光平面向左或右旋轉(zhuǎn)，左旋者通常用（ — ）表示，右旋者用（ +）表示； 第二，每一種氨基酸都 D型和 L型兩種立體異構(gòu)體。蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物中的 α氨基酸都屬于 L型，即與 L甘油醛同型。生物體中，特別是在細菌中也有 D型氨基酸。 D型氨基酸和 L型氨基酸結(jié)構(gòu)式如圖 12 所示。 CCO OHRNH 2H CRH 2N HC O O H D型氨基酸 L型氨基酸 圖 12 D型和 L型氨基酸 四、 氨基酸的酸堿性質(zhì) 實驗證明， 氨基酸在水溶液中或晶體狀態(tài)時都以離子形式存在，與無機鹽不同的是它以兩性離子的形式存在，即 CH COONH3+R ，所謂 兩性離子是指在同一個氨基酸分子上帶有能放出質(zhì)子的 NH3+ 正離子 和能接受質(zhì)子的 COO 負離子。因此氨基酸是兩性電解質(zhì)。 氨基酸的兩性離子在水溶液中有如下平衡： C O O HC HN H 3 +RO H H + C H C O O N H 3 +R O HH +C HN H 2R C O O 正離子 兩性離子 負離子 上述三種離子的濃度，隨溶液 pH 而變。如果適當調(diào)節(jié)水溶液 pH，使氨基酸的酸性電離和堿性電離恰好相抵消，氨基酸在溶液中只以兩性離子的形式存在，分子的凈電荷為零，這時的 pH 稱為氨基酸的等電點（ pI）。在等電點的氨基酸分子很容易聚集并沉淀析出，利用各種氨基酸的等電點不同，可使它們彼此分離。 5 第二節(jié) 蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)是動物、植物和微生物細胞中最重要的有機物質(zhì)之一。除含有碳、氫、氧、氮外，含有少量的硫。不同蛋白質(zhì)的含氮均有一定的比例，這是蛋 白質(zhì)的一重要特點。一般蛋白質(zhì)含氮在 15%~%，平均值為 16%， 因此 只要測定樣品的含氮量就可以計算求出樣品蛋白質(zhì)含量。 實驗已經(jīng)證明蛋白質(zhì)是由各種氨基酸通過肽鍵連接而成的多肽鏈，再由一條或多條肽鏈按各自特殊方式組合成完整生物活性的 大 分子。隨著肽鏈數(shù)目、氨基酸組成 及其排列順序的不同，就有不同的三維結(jié)構(gòu)也就形成了不同蛋白質(zhì)。 一、 蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)分為四級。蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)是指肽鏈的數(shù)目、肽鏈中氨基酸的連接方式和排列順序，以及二硫鍵的數(shù)目和位置。二級以上是指空間結(jié)構(gòu)。 肽鏈中的肽鍵是由一個氨基酸的氨 基與另一個氨基酸的羧基縮合去一個水分子而成。下圖為蛋白質(zhì)中多肽鏈一個片斷的結(jié)構(gòu)通式，表示氨基酸的種類、連接方式和排列順序。 C HH 2 NR 1CON H C HR 2CON H C HR 3N H C H C O O HR n 肽鏈上的 R R R3? 代表各種氨基酸的不同側(cè)鏈。它們對維持蛋白質(zhì)分子的立體結(jié)構(gòu)和行使 蛋白質(zhì)功能都起著重要作用。方框內(nèi) 為肽鍵，多個氨基酸以這種方式首尾相連而形成肽鏈。肽鏈中的氨基酸已不是原來完整的分子，而是具有C HRH N CO 結(jié)構(gòu)的氨基酸殘基 。 在蛋白質(zhì)和 多肽分子中，連接氨基酸殘基的共價鍵除肽鍵外，較常見的還有二硫鍵，它由兩個半胱氨酸殘基的巰基脫氫氧化連接而成。它可以使兩條肽鍵共價交聯(lián)，或使一條肽鏈的某一部分成環(huán)。 6 H N C H C O N H C H C O N H C H C OR 1 R2H N C H C O N H C H C O N H C H C OR 3 R4C H 2SSC H 2 S SS S 圖 13 蛋白質(zhì)肽鏈中和肽鍵間二硫鍵示意圖 二、 蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)分子的多肽鏈并非呈直線伸展，而是盤曲和折疊成特有的空間構(gòu)象。蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)指多肽鏈盤曲折疊方式。 目前公 認二級結(jié)構(gòu)主要指 α螺旋、 β折疊結(jié) 構(gòu)。 α螺旋 結(jié)構(gòu) 其要點如下：① α螺旋 結(jié)構(gòu)中，每隔 個氨基酸殘基，螺旋上升 1 圈。螺旋沿螺旋體的中心軸每上升 1 圈相當于向上平移 ，即每個氨基酸殘基沿軸上升 。螺旋上升時，每個殘基沿軸旋轉(zhuǎn) 100176。② α螺旋 體中氨基酸殘基側(cè)鏈伸向外側(cè)，相鄰的螺圈之間形成鏈內(nèi)氫鍵，氫鍵取向幾乎與中心軸平行 。氫鍵是由每個氨基酸殘基的 NH 與前面隔三個氨基酸殘基的 C=O 形成的。 α螺旋 體的結(jié)構(gòu)允許所有肽鍵都能參與鏈內(nèi)氫鍵的形成，正是由于氫鍵的作用， α螺旋 的構(gòu)想非常穩(wěn) 定。螺旋體內(nèi)氫鍵形成示意圖如下： H C C OH NR 3NHCO α螺旋 結(jié)構(gòu)有左手螺旋和右手螺旋兩種，天然蛋白質(zhì)的 α螺旋 絕大多數(shù)為右手螺旋。近年來，也偶爾發(fā)現(xiàn)極少數(shù)蛋白質(zhì)中存在左手 α螺旋 結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)多肽鏈能否形成 α螺旋 結(jié)構(gòu)以及形成 的螺旋體是否穩(wěn)定，與它的氨基酸組成和序列有直接關系。如多肽鏈中有脯氨酸時， α螺旋 就會被中斷，并產(chǎn)生一個結(jié)點，這是因為脯氨酸的 α亞氨基上氫原子參與 形成肽鍵后，再沒有多余氫原子形成氫鍵，所以肽鏈序列上有脯氨酸殘基時，肽鏈就不轉(zhuǎn)彎不再形成 α螺旋 。 β折疊結(jié)構(gòu) 在 β折疊結(jié)構(gòu) 中，肽鏈采取較伸展的形式，各條肽鏈的長軸平行，相鄰肽鏈之間借助氫鍵連接成如圖 14 的片狀結(jié)構(gòu)。這種由一條肽鏈的羰基和另一個肽鏈 7 的亞氨基形成。在 β折疊結(jié)構(gòu) 中，所有肽鏈均參與構(gòu)成鏈間的氫鍵，并且氫鍵與肽鏈長軸接近垂直 。 CRCON HC RNHC OCRN HCORCN H2C RCON HCRC ONHC RCON HCRC O O 圖 14 β折疊結(jié)構(gòu) 三、 蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)及四級結(jié)構(gòu) 多肽鏈首先在某些區(qū)域相鄰氨基酸形成有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)，然后以相鄰的二級結(jié)構(gòu)片段集裝成超二級結(jié)構(gòu)，進而折疊繞曲成結(jié)構(gòu)域，由兩 個或兩個以上的結(jié)構(gòu)域組裝成三級結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈上的所有原子在三維空間的分布。 大多數(shù)相對分子質(zhì)量大的蛋白質(zhì)都是由幾個多肽鏈組成為 1 個活性單位。這些肽鏈相互以非共價聯(lián)結(jié)成一個相當穩(wěn)定的單位，這種肽鏈就稱為該蛋白質(zhì)的亞基。蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)是指亞基之間的相互關系，空間排布，亞基間通過非共價鍵聚合而成的特定構(gòu)象。亞基單獨存在，無生物活性或活性很小，只有通過亞基相互聚合成四級結(jié)構(gòu)時，蛋白質(zhì)才是具有完整的生物活性。 四、 蛋白質(zhì)分子中的共價鍵及非共價鍵 蛋白質(zhì)分子 的一級結(jié)構(gòu)是由共價鍵形成，如肽鍵和二硫鍵都屬于共 價鍵。而維持蛋白質(zhì)的空間構(gòu)象的作用力主要是非共價鍵作用，包括氫鍵、鹽鍵、疏水鍵范德華力等。氫鍵是維持蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)如 α螺旋 結(jié)構(gòu)、 β折疊結(jié)構(gòu) 等構(gòu)象的作 8 用力，如前所述，這種氫鍵不但存在于多肽鏈的鏈內(nèi)，而且鏈間的也存在大量的氫鍵。疏水鍵是指多肽鏈上疏水性較強的氨基酸如纈氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸等具有芳環(huán)或雜環(huán)等疏水側(cè)基可以避開水而相互聚集在一起，形成孔穴，對維持蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)起著重要作用。 鹽鍵是指蛋白質(zhì)中正負電荷的側(cè)基相互接近，通過靜電吸引而形成的非共價鍵，如羧基和氨基、咪唑等基團之間的作用力。范德華力是指分 子間非極性基團的偶極與偶極之間的相互作用，以及極性基團的偶極與偶極之間的相互作用。 9 第三節(jié) 核酸 1869 年 Miescher 從 膿細胞 的 細胞核中分離出含磷很高的酸性化合物，稱為核素， 1889 年 Altman 制備了不含蛋白質(zhì)的 同類物質(zhì) ， 首次使用“核酸”這一名稱， 以后四五十年里， Kossel 等人在確定核酸組分方面做了大量而卓有成績的工作，逐步明確了核酸可分為兩大類，含脫氧核糖的稱為脫氧核糖核酸（ DNA），含核糖的稱為核糖核酸（ RNA）。 1943 年 Avery 通過細菌轉(zhuǎn)化實驗證 明了 DNA是重要遺傳物質(zhì) ，第