生物化学课程笔记

绪论

历史

时间	节点
\(6\) 世纪	我国已会酿酒
\(1789\)	拉瓦锡发现呼吸是燃烧
\(1828\)	无机合成有机
\(1894\)	就懂了蛋白质肽键，生化建立
\(1950\)	生化已独立
\(1953\)	测定dna双螺旋

生命特点

• 新陈代谢
• 自我繁殖
• 高度组织化，有序
• 生物分子
  • 由30种轻元素构成
  • 是碳化合物
  • 生物大分子为多聚体
  • 具有3d结构特征
  • 之间的互作具有立体特异性

水

• 作用
  • 良好溶剂
  • 全部反应在水中进行
  • 底物或产物
  • 蛋白质内疏水外亲水，所以水方便形成大分子
  • 稳定：温度、密度等
• 良好溶剂
  • 介电常数大，更能拆散离子，溶解度大
  • 即使不带电荷，极性分子的话也能形成氢键
• 双亲分子能在水中形成膜或团
• 水的解离有助于缓冲

氨基酸

简介

名称	符号	字母
甘氨酸	Gly	G
丙氨酸	Ala	A
脯氨酸	Pro	P
缬氨酸	Val	V
亮氨酸	Leu	L
异亮氨酸	Ile	I
甲硫氨酸	Met	M
苯丙氨酸	Phe	F
酪氨酸	Tyr	Y
色氨酸	Trp	W
丝氨酸	Ser	S
苏氨酸	Thr	T
半胱氨酸	Cys	C
天冬酰胺	Asn	N
谷氨酰胺	Gln	Q
天冬氨酸	Asp	D
谷氨酸	Glu	E
赖氨酸	Lys	K
精氨酸	Arg	R
组氨酸	His	H
硒代半胱氨酸	Sec	U
吡咯赖氨酸	Pyl	O

• 蛋白质的氨基酸在 \(\mathrm{pH}=7.0\) 时是

  C(*)([Ac-])[NH3+]
  

• \(20\) 种常见蛋白质氨基酸
• \(22\) 种有密码子的标准氨基酸
• \(20+n\) 种蛋白质氨基酸
• \(>300\) 种非标准氨基酸，在标准氨基酸上修饰而得
• 常见氨基酸：

  • 非极性，疏水：

    • 蛋白质折叠、稳定
    • 三维结构
    1. 非极性或脂肪族
    2. 芳香族（ Tyr 带极性）

  • 极性、亲水：

    • 酶的活性中心，参与催化反应
    • 共价修饰：磷酸化、甲基化等
    1. 极性不带电荷
    2. 正电荷 / 酸性
    3. 负电荷 / 碱性
• 成人必需氨基酸：笨 Phe (蛋)来 Lys 宿 Thr 舍 Trp ，晾 Leu 一晾 Ile 假 Met 鞋 Val
• 半必需氨基酸： Arg His

非极性或脂肪族

疏水

• 甘氨酸 / Gly / G

  最简单，唯一无旋光性的

  [*H]
  

• 丙氨酸 / Ala / A

  [*]C
  

• 脯氨酸 / Pro / P

  刚性构象

  C([NH2+]1)(CCC1)([Ac-])
  

• 缬氨酸 / Val / V

  *C(C)C
  

• 亮氨酸 / Leu / L

  *CC(C)C
  

• 异亮氨酸 / Ile / I

  *C(CC)C
  

• 甲硫氨酸 / Met / M

  *CC[S]C
  

芳香族

有紫外吸光能力，在 \(280\ \mathrm{nm}\) 有特征光吸收，可用于测定蛋白质含量

• 苯丙氨酸 / Phe / F

  诊断苯丙酮尿症

  *CC1=CC=CC=C1
  

• 酪氨酸 / Tyr / Y

  \(\mathrm{-OH}\) 形成氢键，有极性

  *CC1=CC=C(O)C=C1
  

• 色氨酸 / Trp / W

  维生素的一种

  *CC(=CN2)C1=CC=CC=C21
  

极性不带电荷

亲水性大，能与水形成氢键

• 丝氨酸 / Ser / S

  *CO
  

• 苏氨酸 / Thr / T

  *C(O)C
  

• 半胱氨酸 / Cys / C

  • 硫基形成氢键
  • 易形成二硫键
  • 易氧化成二聚胱氨酸

  *(CS)
  

• 天冬酰胺 / Asn / A

  易被水解为游离氨基酸

  *CC(=O)([NH2])
  

• 谷氨酰胺 / Gln / Q

  易被水解为游离氨基酸

  *CCC(=O)[NH2]
  

负电荷

\(\mathrm{pH}=7.0\) 时， \(\mathrm{-COOH}\) 完全解离，带负电

• 天冬氨酸 / Asp / D

  *CC(=O)O
  

• 谷氨酸 / Glu / E

  *CCC(=O)O
  

正电荷

• 赖氨酸 / Lys / K

  *CCCC[NH3+]
  

• 精氨酸 / Arg / R

  *CCCCC(=[NH2+])[NH2]
  

• 组氨酸 / His / H

  • \(\mathrm{pH}=6.0\) 时， \(50%\) 质子化
  • \(\mathrm{pH}=7.0\) 时，质子化 \(<10%\)
  • 质子供体和接纳体，酶促反应中发挥重要功能

  *CC1[NH]C=[NH+]C=1
  

其他

• 硒代半胱氨酸 / Sec / U

  含硒蛋白质中有

  *C[SeH]
  

• 吡咯赖氨酸 / Pvl / O

  *CCCC[NH]C(=O)C1N=CCC1C
  

性质

酸碱性质

• \(\mathrm{pH}>3.5=\mathrm{p}K_1\) ，氨基酸是 \(\mathrm{-COO^-}\)
• \(\mathrm{pH}<8=\mathrm{p}K_2\) ，氨基酸是 \(\mathrm{-NH_3^+}\)
• 所以是两性电解质，既是质子供体，又是接纳体
• 如果 \(\mathrm{-R}\) 也能解离，那氨基酸会有三种单体， \(\mathrm{p}K_R\)
• 组氨酸 His 的 \(\mathrm{p}K_R\approx 6.00\) 附近，所以具有很好的缓冲能力
• 等电点：物质主要以净电荷为 \(0\) 的形态存在时两侧 \(\mathrm{p}K\) 的平均值
• 酸性氨基酸的等电点 \(<\mathrm{p}K_R\) ，碱性氨基酸 \(>\mathrm{p}K_R\)
• 不同 \(\mathrm{pH}\) 下不同氨基酸带不同电荷，是电泳法分离氨基酸

化学性质

\(\alpha\) 羧基

• 酯化：保护羧基，氨基活性增加，蛋白质合成用

  图例

  

• 酰氯化，叠氮反应：羧基被活化，易与另一个氨基酸形成肽键，人工合成蛋白质

  图例

  

• 酰胺化：天冬，谷氨

  图例

  

• 脱羧基反应：酶分解，用瓦勃呼吸计测co2可测定氨基酸含量

\(\alpha\) 氨基

• 羟基化

  • Sanger / DNFB 反应：产生黄色的 DNP 氨基酸，用于鉴定蛋白质和多肽的 N-末端氨基酸的残基
    
  • Edman / PITC 反应：从肽链上一次抠下来一个氨基酸，进行 \(n\) 轮反应来测定 \(n\) 个序列，一般一次性测 \(50\sim60\) 个
    

• 酰化：保护氨基，蛋白质合成用

  图例

  

• 生成弱碱西弗碱：酶促反应的中间产物，赖氨酸侧链也可以发生

  图例

  

• 脱氨基反应：氨基酸代谢的第一步
  

• DNS-Cl 试剂：标记肽链氨基那头的氨基酸，带有强烈荧光
  

两者共同

• 成肽反应：肽链有顺序
  

• 茚三酮反应：非常灵敏测定蛋白质

  图例

  

  脯氨酸是亚氨基酸，此反应不黄不放氨气，而是直接形成黄色物质

侧链反应

• 酪氨酸：碱性下使 Folin-酚生成蓝色，可定量测定
• 半胱氨酸
  • 空气弱氧化，稳定蛋白质
    
  • 强氧化剂强氧化，测定结构时打开二硫键用
    
  • 烷基化：烷化剂糊住硫基，保护或使蛋白质失去作用

物理性质

• 白色晶体，熔点 \(>200\ \degree \mathrm{C}\)
• 每种的结晶形状都不一样
• 大部分溶于水
• 除胱氨酸和酪氨酸，溶于烯酸碱
• 脯氨酸溶于乙醇和乙醚，其他不溶有机溶剂
• 几乎所有蛋白质的氨基酸都是 L 左旋构型，不过细菌也能利用 D 右旋构型

蛋白质

分类

• 简单 / 缀合：是否完全由氨基酸构成
• 球状：溶水，功能蛋白 / 膜蛋白：不溶水，和膜系统结合 / 纤维状：难容水，结构蛋白
• 酶：催化
• 转运蛋白：大门
• 收缩和运动蛋白：运动
• 结构蛋白：支撑
• 防卫和保护蛋白：免疫
• 贮存蛋白：酪蛋白、铁蛋白之类
• 调节蛋白：信号
• 支架蛋白：用于捆起多个蛋白

形状决定因素

• 肽键
• 疏水作用：疏水蛋白质聚在一起，外面水包住，形成疏水核
• 氢键：疏水核内部氢键配对引起折叠，常为重复的二级结构抱在一起
• 离子键：稳定极性水到非极性疏水核，也限制蛋白质柔性
• 范德华力：非极性分子相互吸引，是群体而非单个发挥效用

一级结构

• 肽键

  *C(=O)[NH]*
  

• 变形不破坏一级结构
• 多肽链氨基酸的顺序和连接方式，还有共价连接的辅基的连接方式
• 读法：从左氨基到右羧基，某氨酰某氨酰……某氨酸
• 蛋白质中肽键 \(反式:顺式\approx 1000:1\) ，但脯氨酸的 \(反式:顺式\approx10:1\)
• 可变氨基酸：可以被取代甚至消失
• 保守氨基酸：取代或缺失会导致功能降低甚至丧失
• 同源蛋白质：不同生物实现同一功能的蛋白质

测定序列

• FDNB
• PITC
• DNS-Cl
• 氨肽酶会从 \(\mathrm{N}\) 末端一个一个向里切，关注切下的氨基酸和时间的关系
• 肼解法：单独扣下来 \(\mathrm{C}\) 末端氨基酸溶于水，剩下的肽链不溶于水，和 DNS-Cl 有点像
• 羧肽酶会从 \(\mathrm{C}\) 末端向里切，但是脯氨酸不能用
• 专一裂解
  • 溴化氢能裂解甲硫氨酸的羧基肽键
  • 羟胺能裂解天冬酰胺-甘氨酸之间肽键
  • 
• 肽段重叠法拼接
• 对角线电泳来找二硫键
• 串联质谱法：喷射、分离肽段、惰性气体碰撞为碎片、质荷比分离、检测
• 搜索数据库

二级结构

• 氢键

• 肽链上 \(\mathrm{C_\alpha-N}\) 键角度叫 \(\phi\) 角

• \(\mathrm{C_\alpha-C}\) 键角度叫 \(\psi\) 角

• 两个角度互相牵制，形成拉氏构象图

  图例

  

• \(\alpha\) 螺旋

  • 每个氨基酸旋转 \(100\ \degree \mathrm{C}\) ， \(3.6\) 个氨基酸上升一圈
  • 圆筒状
  • 第一个氨基酸的羰基和第五个氨基酸的氨基的氢键
  • \(-\mathrm{R}\) 在筒子外侧，通常小且不带电荷——至少不连续出现同种电荷
  • 天然蛋白质多为右手螺旋
  • 

• \(\beta\) 折叠 / 片层

  • 并列同向或反向（更稳定）排列的多肽链，侧向相邻的羰基和氨基氢键相连
  • \(\mathrm{-R}\) 沿着肽链一上一下，锯齿一样
  • 

• \(\beta\) 转角

  • 折叠到头，转过来， \(4\) 个氨基酸残基组成
  • 第一个羧基和第四个氨基氢键
  • 甘氨酸柔性大，脯氨酸易顺式，常出现
  • 

• \(\gamma\) 转角

  • 剧烈转角， \(3\) 个残基组成
  • 

• \(\Omega\) 环

  • \(\beta\) 转角的延伸
  • \(6\sim 8\) 个氨基酸，绕成环

• 超二级结构：多个二级结构拼在一起

• \(\alpha\) 角蛋白	\(\beta\) 角蛋白
  头发	鳞片
  链间二硫键	链间氢键；层间范德华力
  所以刚性	柔软
  弹簧一样可伸缩	不可伸缩

• 胶原蛋白是三股螺旋，甘氨酸和脯氨酸多

• 二硫键细胞内少，细胞外氧化性强，易形成

三级结构

• 多为球状
• 类似一级结构，三级结构和功能也类似，类似三级结构或功能，不一定一级结构类似
• 结构域：相对独立的紧密球状结构区域，在二级或超二级上形成局部折叠区，是球状蛋白质的折叠单位
• 功能域：能够独立存在的功能单位，一个、两个或以上结构域
• 分子伴侣: 协助折叠，但不是成熟蛋白的组成成分，如陪伴蛋白、各种热休克蛋白

四级结构

• 每个具有三级结构的链叫做亚基
• 单体、寡聚和同多聚 / 杂多聚蛋白

血红蛋白

• 别构效应：配体与一个部位结合影响其他部位的亲和力，正 / 负协同效应
• 四聚体，两条 \(\alpha\) 两条 \(\beta\)
• T态 tense 紧张态，氧亲和力低
• R态 relaxed 松驰态，氧亲和力高
• 跟 H+和CO2 的结合与跟O2的结合是拮抗的关系
• 在外周组织中，pH相对较低，CO2 浓度相对较高，血红蛋白对O2的亲和力降低，促进O2的释放
•