【正文】 積之和。因此，這類(lèi)化合物只能在水中極少溶解。結(jié)果使連接分子的氫鍵網(wǎng)是無(wú)規(guī)則的和可變的；而且，這樣的氫鍵網(wǎng)是不斷地被打斷和重新形成， 因而液態(tài)水是由快速波動(dòng)的三維網(wǎng)狀的氫鍵結(jié)合的 H2O分子構(gòu)成 (圖 1－ 6a)。因此，水分子之間氫鍵的形成有一種彼此支援的現(xiàn)象 。 一、水的結(jié)構(gòu) 單個(gè)水分子的兩個(gè)氫原子共價(jià)地與氧原子結(jié)合，呈現(xiàn)一種非線性排列 （圖 1－ 4a,b） 。事實(shí)上，生物分子的許多功能基團(tuán)的反應(yīng)性取決于環(huán)境介質(zhì)中的 H＋ 和 OH－ 的相對(duì)濃度。這些復(fù)雜大分子的有序結(jié)構(gòu)的喪失 (也就是變性 )伴隨著功能的消失。如果一種分子的結(jié)構(gòu)與另一種分子的結(jié)構(gòu)是互補(bǔ)的，例如某種酶與它的專一性底物分子，那么這兩種分子之間的相互作用就能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)。這些作用力一般介于 4–30 kJ 生物大分子具有特征性的三維結(jié)構(gòu) 任何一種分子結(jié)構(gòu)都是獨(dú)特的，并具有可區(qū)別的特有的性質(zhì)。蛋白質(zhì)和核酸的構(gòu)件單位是以非顯著重復(fù)方式排列的，它們的順序是獨(dú)特的。當(dāng)這些構(gòu)件分子組成生物大分子時(shí)，它們頭 尾連結(jié)。 三、生物分子的特性反映它們對(duì)生命狀態(tài)的適應(yīng) 生物大分子和它們的構(gòu)件具有方向性 生物大分子是由單位元件構(gòu)筑而成的。 (3)膜 膜是細(xì)胞和細(xì)胞器的邊界（但將膜歸為超分子裝配體或者歸為細(xì)胞器都不太適合，雖然它們具有兩者共有的性質(zhì)）。 這兩種性質(zhì)對(duì)于碳所形成的線性、分支以及環(huán)狀的化合物的驚人多樣性是極為重要的。 碳的優(yōu)勢(shì)是由于它通過(guò)共用電子對(duì)形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵方面的多面性 。 此外，H、 C、 N和 O是元素周期表中最輕的元素。生物能一代一代地繁衍與它們自身相同的后代。 ● 生命系統(tǒng)能活躍地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，生物高度組織化的結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)的維持依賴于從環(huán)境捕獲能量的能力。生命系統(tǒng)因有其特殊性質(zhì)而與非生命系統(tǒng)不同。生 物 化 學(xué) 主講教師 : 張 楚 富 Chapter 1 生物化學(xué)導(dǎo)論 生物化學(xué)是研究生命分子和生命化學(xué)反應(yīng)的科學(xué)，是運(yùn)用化學(xué)的原理在分子水平上解釋生物學(xué)的科學(xué)。 它們能生長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)，能完成難以置信的代謝化學(xué)反應(yīng)，能對(duì)環(huán)境的刺激作出應(yīng)答以及能準(zhǔn)確地進(jìn)行自我復(fù)制。被生物利用的能量形式是特殊的生物分子。 二、生命分子 生命物質(zhì)的元素組成明顯不同于地球外殼元素的元素組成。 由于共價(jià)鍵的強(qiáng)度與所涉及原子的原子量是成反比的，因此， H、 C、 N和 O彼此間能形成最強(qiáng)的共價(jià)鍵。通常與碳以共價(jià)鍵相結(jié)合的原子是碳本身以及 H、 O和 N（ 圖 1—1） 。這種多樣性可因 N、 O和 H原子的參與而進(jìn)一步擴(kuò)大。 (4)細(xì)胞是生命的基本單位 細(xì)胞是生命的單位，是唯一能展現(xiàn)生命特征（生長(zhǎng)、代謝、刺激應(yīng)答和復(fù)制）的最小實(shí)體。蛋白質(zhì)由氨基酸構(gòu)成，核酸由核苷酸構(gòu)成，多糖由單糖構(gòu)成。于是，生物大分子聚合體也將是有頭有尾的 。當(dāng)把組成它們的構(gòu)件單位以字母排列時(shí)，可以組成有意義的詞語(yǔ)，然而并非所有生物大分子都含有信息。生物大分子，尤其是蛋白質(zhì)，分子結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到了其復(fù)雜性的極點(diǎn)。mol1范圍。結(jié)構(gòu)互補(bǔ)性的原理是生物分子識(shí)別的基本要素 . 生物分子的的識(shí)別是由弱的相互作用力介導(dǎo)的 通過(guò)結(jié)構(gòu)互補(bǔ)性所發(fā)生的生物分子識(shí)別事件是由前面所述的弱的非共價(jià)鍵作用力介導(dǎo)的。 Section 2 水 在生物化學(xué)中，水存在的意義是顯而易見(jiàn)的： ① 幾乎所有生物分子隨環(huán)境中水的物理和化學(xué)性質(zhì)而呈現(xiàn)它們的形態(tài)。 ④ 水的氧化產(chǎn)生的分子氧 (O2)是通過(guò)光合作用完成的。 水的氫鍵形成具有協(xié)同的性質(zhì) 。 冰的結(jié)構(gòu) 在普通的冰中（它是水的一般晶體形式），每個(gè)水分子都有四個(gè)以氫鍵結(jié)合的最鄰近者 (圖 1－ 5 )在冰結(jié)構(gòu)中，每個(gè)氫原子都與鄰近的水分子的氧原子形成氫鍵，而氧原子作為氫鍵的受體能與來(lái)自兩個(gè)不同水分子的氫原子形成氫鍵。 二、水的溶劑特性 溶解度取決于溶質(zhì)分子與溶劑分子之間的相互作用力以及溶質(zhì)分子之間的相互作用力。當(dāng)非極性物質(zhì)或基團(tuán)侵入液態(tài)水時(shí)，將會(huì)破壞原有液態(tài)水分子之間的氫鍵網(wǎng)，溶質(zhì)周?chē)乃l(fā)生大的重新排列。因此，非極性溶質(zhì)的聚集能夠減小所占空間的表面積，隨之導(dǎo)致非極性溶質(zhì)表面的水的有序化程度總量降低。 四、中極兩性分子 含有極性基團(tuán)和非極性基團(tuán)的化合物稱為中級(jí)兩性化合物（ amphiphiles）。膠束（或微團(tuán)）（ micelle）是由數(shù)千種中極兩性化合物構(gòu)成的小球（ 圖 1－ 9 中極兩性分子在水溶液中形成膠團(tuán) .）。生物機(jī)體內(nèi)部的水與純水很不相同。 例如，溶質(zhì)的存在能降低水的冰點(diǎn)和升高水的沸點(diǎn)，因?yàn)槿苜|(zhì)的存在使水分子更難以結(jié)成冰，也更難以從溶液逃溢出變成氣態(tài)。溶液的滲透壓（ Osmosis pressure）是必需施加給溶液以阻止水向內(nèi)流動(dòng)的壓力 （圖 1－ 10） 。當(dāng)平衡確立時(shí)，沒(méi)有水和溶質(zhì)的進(jìn)一步凈流動(dòng)，雖然分子繼續(xù)在運(yùn)動(dòng)。為了簡(jiǎn)便，可以把這些離子形式合并以 H＋ 代表。 根據(jù)水的離子化及其平衡常數(shù)，可以推導(dǎo)表達(dá)水溶液氫離子濃度的方程式： pH ＝ log(1/[H＋ ])＝ –log[H＋ ] 由于純水的 [H＋ ] ＝ 107mol 這些分子影響液態(tài)介質(zhì)的 pH，它們的結(jié)構(gòu)和反應(yīng)性也會(huì)受到周?chē)?pH的影響。相應(yīng)地，醋酸離子（ CH3COO－ ）是醋酸（ CH3COOH）的共軛堿，銨離子（ NH4＋ ）是氨（ NH3）的共軛酸。L1） 。 HendersonHasselbalch方程對(duì)于計(jì)算含有已知濃度的弱酸和它的共軛堿的溶液的 pH來(lái)說(shuō)是非常有用的。 NaOH溶液的加入允許氫氧離子（ OH－ ）中和存在的 H＋ 。 弱電解質(zhì)的 pK往往位于滴定曲線的中點(diǎn) 。 pH的維持對(duì)所有細(xì)胞都是至關(guān)重要的 。 所選擇的緩沖系統(tǒng)反映了對(duì)接近 pH7的 pK值以及緩沖劑組成與細(xì)胞代謝機(jī)構(gòu)的一致性兩方面的需要。）和碳酸鹽系統(tǒng)（ HCO3175。 Chapter 2 蛋 白 質(zhì) (Protein) Section 1 蛋 白 質(zhì) 概 述 一 . 蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)的最重要的物質(zhì) ① 蛋白質(zhì)約占細(xì)胞干重的 50%以上。 ⑤ 調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的許多激素也是蛋白質(zhì)或多肽。 N元素是蛋白質(zhì)的特征性元素，根據(jù)對(duì)大多數(shù)蛋白質(zhì)的 N元素分析，其含量相近，一般在 15—17% ，平均為 16% 。 從這個(gè)結(jié)構(gòu)通式可以看出 ， 氨基酸的差別就表現(xiàn)在側(cè)鏈 R基團(tuán)上 。 四、紫外吸收特性： 酪氨酸和色氨酸在 280nm處具紫外吸收特性，蛋白質(zhì)通常含有這樣的氨基酸，故可以在 280nm處測(cè)定蛋白質(zhì)的含量 ,并利用下式計(jì)算蛋白質(zhì)的含量。 圖 27和 圖 28分別是酸性氨基酸和堿性氨基酸的酸堿滴定曲線。 ∝ Q/r 如果它們?cè)诖笮》矫嬉矝](méi)有明顯的的差別，帶電質(zhì)點(diǎn)的遷移率可用下式表示： 181。但由于每種氨基酸的電離狀態(tài)不同，因而它們的凈正電荷的程度也不同，故被洗脫下來(lái)的速度也不相同。 2. 與甲醛的反應(yīng) 3. 與二硝基氟苯的反應(yīng) 4. 與苯異硫氰酸的反應(yīng) 5. 與二甲氨基萘 1磺酰氯（ DNSCl）的反應(yīng) 6. 成酯和成鹽反應(yīng) 7. 與茚三酮的反應(yīng) Section 3 肽 一．肽、肽鏈和肽鍵 氨基酸與氨基酸之間可以通過(guò) α 氨基和 α 羧基形成的酰胺鍵共價(jià)地結(jié)合在一起 ,這樣形成的產(chǎn)物叫做肽（ Peptide）。 蛋白質(zhì)是由單一肽鏈或多條肽鏈構(gòu)成的大分子 。 在某些蛋白質(zhì)中， N末端往往被甲酰基或乙?；忾]；也有些蛋白質(zhì)的 C末端被修飾成酰胺。每一種多肽都有它的等電點(diǎn)，可通過(guò)酸堿滴定曲線來(lái)確定。通常我們把這些肽類(lèi)統(tǒng)稱為生物活性肽。 Section 4 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)和測(cè)定 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)測(cè)定是指蛋白質(zhì)分子中氨基酸排列順序的測(cè)定。 1. 氨基酸的組成分析 蛋白質(zhì)在標(biāo)準(zhǔn)條件下經(jīng)酸水解后 , 進(jìn)行氨基酸的組成分析 .通過(guò)組成分析基本上可推測(cè)出部分水解所產(chǎn)生的肽碎片的數(shù)目。 常用胰蛋白酶法 , 胰凝乳蛋白酶法和溴化氰法等方法 （ 216） 。 羧肽酶 B能專門(mén)水解 C末端的 Arg和 Lys，對(duì)其它殘基不起作用。 以血紅蛋白 (Hemoglobin)為例。 X射線晶體衍射可用來(lái)研究處在晶體狀態(tài)下的蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu) ,核磁共振 (NMR)光譜可用來(lái)研究處在溶液狀態(tài)的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。 肽鍵上的亞氨基、羰基和兩端的兩個(gè) Cα 構(gòu)成了一個(gè)肽平面 (或肽基或酰胺平面 ) （圖 219） ， 肽鍵上的 CN鍵具有部分雙鍵的性質(zhì) ， 只有有限的旋轉(zhuǎn)，因而使一條肽鏈因肽鍵旋轉(zhuǎn)所造成的構(gòu)象數(shù)目受到限制。 但這兩個(gè)單鍵的旋轉(zhuǎn)也受到主鏈的酰胺氫和羰基氧的障礙和 α 碳原子上的側(cè)鏈基團(tuán)的大小和性質(zhì)的限制。因此，多肽鏈主鏈的構(gòu)象是由肽基上與每個(gè) Cα 相連的兩個(gè)單鍵的旋轉(zhuǎn)所成的Φ角和 ψ角決定的。 螺旋結(jié)構(gòu)是有規(guī)律的主鏈結(jié)構(gòu) α 螺旋 (α helix)是一種常見(jiàn)和穩(wěn)定的螺旋結(jié)構(gòu) （圖 221） 。 在 α 螺旋中，主鏈氫鍵是穩(wěn)定該結(jié)構(gòu)的主要因素 （圖 221） 。 α 螺旋構(gòu)象 不僅存在于象 α 角蛋白這樣的纖維蛋白質(zhì)中，而且 在球狀蛋白質(zhì)分子中也廣泛存在 。 β 片由于有最適的氫鍵結(jié)合，與完全伸展的肽鏈構(gòu)象不同，β 片呈波紋狀 （圖 225） ，故此名。 轉(zhuǎn)角和卷曲結(jié)構(gòu) 大多數(shù)蛋白質(zhì)都是球狀的。由于 β 轉(zhuǎn)角的存在，就允許蛋白質(zhì)彎曲并倒轉(zhuǎn)它的肽鏈方向， 脯氨酸和甘氨酸是頻繁出現(xiàn)在 β 轉(zhuǎn)角中的殘基。 蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu) 是指蛋白質(zhì)分子中的所有原子的三維空間排列，包括它們的二級(jí)結(jié)構(gòu)要素 (如 α 螺旋和 β 片 ) 和它們的側(cè)鏈在空間上的相互關(guān)系。 ● αα基元： 由二條連續(xù)的反平行的 α 螺旋構(gòu)成。平均直徑約 。 ▲ 氫鍵 : 氫鍵是一種由 弱酸性的供體基團(tuán) (DH)和一個(gè)具獨(dú)電子的原子 (A)之間形成的最顯著的靜電作用力。偶極與偶極間的相互作用包括永久偶極間的相互作用、永久偶極與誘導(dǎo)偶極間的作用和瞬時(shí)偶極間的作用 （圖 232） 。 四、寡聚蛋白質(zhì) (oligomeric protein)和四級(jí)結(jié)構(gòu) 1. 四級(jí)結(jié)構(gòu)研究的內(nèi)容： 生物體內(nèi)的許多蛋白質(zhì)都含有兩個(gè)或多個(gè)折疊的多肽鏈，它們彼此聚集，構(gòu)成一個(gè)完整的、有功能的實(shí)體，這種蛋白質(zhì)稱 寡聚蛋白質(zhì) 。 在研究寡聚體蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)中，有時(shí)使用 原體 (protomer)這一名稱。 2. 寡聚體蛋白質(zhì)亞基的對(duì)稱性： 在寡聚體蛋白質(zhì)中，雖然每個(gè)亞基本身是不對(duì)稱的，但是，整個(gè)寡聚體的四級(jí)結(jié)構(gòu)卻是對(duì)稱的，即原體 (或亞基 )在幾何學(xué)上占據(jù)寡聚體對(duì)等的位置。 表面積 /體積比越小，那么一個(gè)物體的半徑就越大。 實(shí)際上，決定寡聚體的裝配以及亞基 亞基的相互作用的全部信息都包含在編碼單體所需的遺傳物質(zhì)中。 ? 匯聚酶的活性部位 . 許多酶的催化效力來(lái)自單個(gè)亞基的寡聚結(jié)合。 例如色 氨酸合酶是一種由兩種亞基構(gòu)成的四聚體蛋白 (α 2β 2)，純 粹 的α 亞基 催化下面的反應(yīng)： 吲哚甘油磷酸 ←→ 吲哚 ＋ 甘油醛 3磷酸 而純 粹 的 β 亞基 催化的反應(yīng)是 : 吲哚 ＋ L絲氨酸 ←→ L色氨酸 吲哚既是 α 亞基的產(chǎn)物，又是 β 亞基的底物，它直接從 α 亞基進(jìn)入到 β 亞基，當(dāng)它作為一個(gè)游離的中間物時(shí)，是不可能檢測(cè)到的。 蛋白質(zhì)的變性只破壞其空間結(jié)構(gòu)而不破壞它的一級(jí)結(jié)構(gòu)；蛋白質(zhì)的變性包括從有序到無(wú)序的轉(zhuǎn)變。表明 二硫鍵不是正確折疊所必需的。 Pro、 Gly往往出現(xiàn)在 β拐角處，而 Val則不會(huì)出現(xiàn)。 肌紅蛋白 存在于肌肉等組織中，當(dāng)氧從毛細(xì)血管中擴(kuò)散進(jìn)入肌肉組織后，就被組織細(xì)胞內(nèi)的肌紅蛋白結(jié)合。 二、 血紅蛋白的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系 肌紅蛋白是由 153個(gè) aa殘基組成的單鏈蛋白， 整個(gè)分子被包裝成一個(gè)緊密的實(shí)體 (圖 237)。 鐵離子可形成六個(gè)配位鍵，其中一個(gè)與 O2結(jié)合 （圖 238） 。血紅蛋白的兩個(gè) αβ原體呈雙重旋轉(zhuǎn)對(duì)稱 （圖 239） 。血紅蛋白是一種四聚體分子，每個(gè)亞基都能同 O2分子結(jié)合。 蛋白質(zhì)在表達(dá)功能的過(guò)程中，其構(gòu)象發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做 變構(gòu)作用或別構(gòu)作用 (allosteric efect)。 Section 6 蛋白質(zhì)的性質(zhì)及其分離純化 ▲ 蛋白質(zhì)的分離純化是對(duì)