生化笔记--沈同（适用第2版及第3版）第一章 概论
第一章 概论
本笔记非我原创.基本针对沈同生化2版,但是内容有所创新也可用于生化3版,对原作者非常感谢!!
第一章 概 论
一、 生物化学的概念及其研究内容
生物体的生命现象（过程）作为物质运动的一种独有的特殊的运动形式，其基本表现形式就是（新陈代谢和自我繁殖）。那么构成这种特殊运动形式物质基础又是什么呢？恩格斯很早就说过“蛋白质是生命活动的体现者”。现在已知仅有蛋白质是远远不够的，还要有核酸，糖类、脂类、维生素、激素、萜类，卜啉等。正是这些生命物质之间的相互协调的
作用才形成了丰富多彩的生命现象，那么，这些生命物质到底有那些呢？他们是怎样产生和消亡，又是怎样相互转变和相互作用呢？这就是生物化学所要研究的内容。
那么就让我们试着给生物化学下一个定义吧。
生物化学是研究生物体的物质组成和生命过程中的化学变化的一门
科学。
或者说生物化学是研究生命现象中的物质基础和化学变化的一门科学。
更简单地说生物化学就是研究生命现象的化学本质。
有人也称生物化学就是生命的化学。
二、 生物化学的研究方法
以上讲了生物化学的研究对象，那么现代生物化学家们整天干些什么呢？
四个字；分离分析。
从观察一个具体的生命现象开始，通过抽提、过滤、离心、色谱（层析）等生化技术分离出某种未知的生化物质（生化组分）比如一个新的未知蛋白组分，新
基因片段，或新的次生代谢物，然后进行分析，
1． 结构与性质：采用系列测定、X—射线衍射、波谱，质谱、圆二色散性等技术分析其结构和功能，结构是功能的基础，有其结构必有其功能。
2．功能：生理、病理、信好转导、抗病、抗旱、耐水肥、肥胖等、
3．代谢及其细胞调控：表达的时空特异性，该物质何时产生与消亡，在什么组织表达？从哪儿来最终到哪儿去，其代谢受什么调控？（潜伏、激活、沉默）。
4改造和利用
认识世界是为了改造世界，通过分离、分析后搞清了这些生命现象，最后就可以对症下药：
基因治疗：血友病、癌症、肥胖等。
生化药物（基因工程药物）：红细胞生成素，磺胺药。
遗传改良：抗虫、抗病、抗病毒等。
三、 生物化学的发展史
生物化学是生命科学中最古老的学科之一（之二：遗传学、细胞学）。
科学的发展总是由粗到细再到粗，或综—分—综。
最早的自然科学就是数、理、化、天、地、生。生就是生物学，研究的就是一些力所能及的生物形态观察、分类等。
随着各学的发展，学科间在理论知识和技术上相互渗透，尤其是化学、物理学的渗透，那么到18世纪，一些从事化学研究的科学家，如拉瓦锡、舍勒等人和一些药剂师、炼丹师转向生物领域，这就为生物化学的诞生播下了种子。这时生物学就逐渐分离成生理化学、遗传学、细胞学。
19世纪末，又从生理化学中分离出生物化学，20世纪中后期又从生物化学中分离出分子生物学并与经典遗传学结合为分子遗传学，还有发育生物学，结构生物学等等。现在又有统一的趋势，叫二十一世纪的“统一生物学”或干脆叫生命科学，生物工程严格讲应是生物技术与工程学的杂交学科。
1、 静态生物化学时期（1920年以前）
研究内容以分析生物体内物质的化学组成、性质和含量为主。
2、 动态生物化学时期（1950年以前）
这是一个飞速发展的辉煌时期，
随着同位素示踪技术、色谱技术等物理学手段的广泛应用，生物化学从单纯的组成分析深入到物质代谢途径及动态平衡、能量转化，光合作用、生物氧化、糖的分解和合成代谢、蛋白质合成、核酸的遗传功能、酶、维生素、激素、抗生素等的代谢，都基本搞清。
3、 机能生物化学时期（1950年以后）
真正意义上的现代的生命化学。蛋白质化学和和核酸化学成为研究重点。
生物化学研究深入到生命的本质和奥秘：运动、神经、内分泌、生长、发育、繁殖等的分子机理。
1953年，DNA双螺旋结构、近代实验技术和研究方法奠定了现代分子生物学的基础，从此，核酸成了生物化学研究的热点和重心。
1776—1778年，瑞典化学家舍勒（Sheele）从天然产物中分离出:
甘 油 glycerol
苹果酸 malic acid 苹果
柠檬酸 citric acid 柠檬
尿 酸 uric acid 膀胱结石
酒石酸 tartaric acid 酒石
1937年，英国生物化学家克雷布斯（Krebs）发现三羧酸循环,获1953年诺贝尔
生理学奖。
1953年，沃森—克里克（Watson—Crick）确定DNA双螺旋结构，获1962年诺贝尔生理、医学奖。
1955年，英国生物化学家桑格尔（Sanger）确定牛胰岛素结构，获1958年诺贝尔化学奖。
1980年，桑格尔和吉尔伯特（Gilbet）设计出测定DNA序列得方法，获1980年诺贝尔化学奖。
1984年，化学奖，Bruce Merrifield（美国），建立和发展蛋白质化学合成方法。
1994年，生理、医学，Alfred G.Gilman（美国），发现G蛋白及其在细胞内信号转导中的作用。
1、Rechard J.Roberts(美)等，发现断裂记因化学奖
2．Karg B. Mallis(美)发明PCR方法。
3．Michaet Smith(加拿大)建立DNA合成用与定点诱变研究
1996年，Petr c. Doherty（美）等，发现T细胞对病毒感染细胞的识别和MHC(主要组织相容性复合体)限制。生理医学奖
1997年
1.stanley B.prusiner(美)发现一中新型的致病因子—感染性蛋白颗粒“pnion”（疯牛病）生理医学奖
2 paul D.Boyer（美）等，说明ATP酶促成机制化学奖
3 Jens c. skon(丹麦)发现输送离子的Na+\K+___ATP酶。
1998年，生理、医学，Rolert F. Furchgott（美国），发发现NO是心血管系统的信号分子。
四、 生物化学与二十一世纪生命科学展望
1、 生物化学和分子生物学是二十一世纪生命科学的带头学科。
学科热点：基因组、蛋白质组、生物克隆
2、 生物化学与
农业
原始农业：采集与狩猎，游牧式
传统农业：原始的种植业，畜牧业
现代农业：化肥，农药；绿色革命（杂种优势），生物防治，分子育种。
分子农业（工厂化农业）：离开土地，细胞水平甚至是分子水平的生化加工业，仿生学原理。
植物：光合作用 → 固定化细胞培养，叶绿体→光合器。
动物：细胞培养。
3、 生物化学与环保
生物净化：
生物传感：酶，细胞，指示植物
4、 生物化学与轻工业
发酵工业：抗生素、
氨基酸。
食品工业与饲料工业：酶，添加剂，香味剂，
制革与造纸工业：
生物电子学：DNA储存器。
5、 生物化学与医药
生化药物：疫苗，
基因工程药物：
基因治疗：
6、 生物化学的机遇与挑战
（1）、 机遇：研究手段和研究方法的出现
（2）、 挑战：许多重大的理论问题没有解决
光合作用
生物能学
基因表达与调控
五、 参考书籍
教材；沈同《生物化学》上下、陶慰孙《蛋白质化学》、《Biochemistry》、《生
物大分子物质的结构与功能》
杂志；《中国科学》
《科学通报》
《Annu. Rev. Biochem.》
练习题；
网站； 生命科学（生物化学）
六、 讲课方式；
只讲重点和难点和前沿性的热点，一般性知识看书。
讨论和启发式
提问式
七、
学习方法
认真听讲，做好笔记。
下去看书，即时消化
最好能预习一下
八、 应掌握内容
1、 基本的生物化学理论和知识
（1）生物大分子的结构、性质和功能（糖、脂、蛋白质、酶、维生素、核酸、激素、抗生素）。
功能：生理功能、发育、免疫、进化、生物膜、遗传
信息传递等。
（2）生物大分子在生物体内的代谢（分解、合成、转化过程、能量的转化）。
（3）遗传信息传递的化学基础：
DNA复制与修复、RNA生物合成、蛋白质生物合成、代谢调节
2、 生化分离分析的一些技术手段（实验生化和生化技术细讲）
第一章 糖
一、 糖的概念
糖类物质是多羟基(2个或以上)的醛类(aldehyde)或酮类(Ketone)化合物，以及它们的衍生物或聚合物。
据此可分为醛糖(aldose)和酮糖(ketose)。 糖
还可根据碳层子数分为丙糖(triose)，丁糖(terose)，戊糖(pentose)、己糖(hexose)。
最简单的糖类就是丙糖(甘油醛和二羟丙酮)
由于绝大多数的糖类化合物都可以用通式Cn (H2O)n表示，所以过去人们一直认为糖类是碳与水的化合物，称为碳水化合物。现在已经这种称呼并恰当，只是沿用已久，仍有许多人称之为碳水化合物。
二、 糖的种类
根据糖的结构单元数目多少分为：
（1）单糖：不能被水解称更小分子的糖。
（2）寡糖：2-6个单糖分子脱水缩合而成，以双糖最为普遍，意义也较大。
（3）多糖：
均一性多糖：淀粉、糖原、纤维素、半纤维素、几丁质(壳多糖)
不均一性多糖：糖胺多糖类(透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素等)
（4）结合糖(复合糖，糖缀合物，glycoconjugate)：糖脂、糖蛋白(蛋白聚糖)、糖-核苷酸等
（5）糖的衍生物：糖醇、糖酸、糖胺、糖苷
三、 糖类的生物学功能
(1) 提供能量。植物的淀粉和动物的糖原都是能量的储存形式。
(2) 物质代谢的碳
骨架，为蛋白质、核酸、脂类的合成提供碳骨架。
(3) 细胞的骨架。纤维素、半纤维素、木质素是植物细胞壁的主要成分，肽聚糖是细胞壁的主要成分。
(4) 细胞间识别和生物分子间的识别。
细胞膜表面糖蛋白的寡糖链参与细胞间的识别。一些细胞的细胞膜表面含有糖分子或寡糖链，构成细胞的天线，参与细胞通信。
红细胞表面ABO血型决定簇就含有岩藻糖。
第一节 单糖
一、 单糖的结构
1、 单糖的链状结构
确定链状结构的方法（葡萄糖）：
a. 与Fehling试剂或其它醛试剂反应，含有醛基。
b. 与乙酸酐反应，产生具有五个乙酰基的衍生物。
c. 用钠、汞剂作用，生成山梨醇。
图2
最简单的单糖之一是甘油醛(glyceraldehydes)，它有两种立体异构形式(Stereoismeric form)，图7.3。
这两种立体异构体在旋光性上刚好相反，一种异构体使平面偏振光(Plane polarized liyot)的偏振面沿顺时针方向偏转，称为右旋型异构体(dextrorotary)，或D型异构体。另一种异构体则使平面偏振不的编振机逆时针编转，称左旋异构体(levorotary,L)或L型异构体。
像甘油醛这样具有旋光性差异的立体异构体又称为光学异构体(Cptical lsmer)，常用D，L表示。
以甘油醛的两种光学异构体作对照，其他单糖的光学异构构与之比较而规定为D型或L型。
差向异构体(epimer)：又称表异构体，只有一个不对称碳
原子上的基因排列方式不同的非对映异构体，如D-等等糖与D-半乳糖。
链状结构一般用Fisher投影式表示：碳骨架、竖直写；氧化程度最高的碳原子在上方，
2、 单糖的环状结构
在溶液中，含有4个以上碳原子的单糖主要以环状结构。
单糖分子中的羟基能与醛基或酮基可逆缩合成环状的半缩醛(emiacetal)。环化后，羰基C就成为一个手性C原子称为端异构性碳原子(anomeric carbon atom)，环化后形成的两种非对映异构体称为端基异构体，或头异构体(anomer)，分别称为a-型及b-型头异构体。
环状结构一般用Havorth结构式表示：
用FisCher投影式表示环状结构很不方便。Haworth结构式比Fischer投影式更能正确反映糖分子中的键角和键长度。转化方法：
① 画一个五员或六员环
② 从氧原子右侧的端基碳(anomerio carbon)开始，画上半缩醛羟基，在Fischer投影式中右侧的居环下，左侧居环上。
构象式：
Haworth结构式虽能正确反映糖的环状结构，但还是过于简单，构象式最能正确地反映糖的环状结构，它反映出了糖环的折叠形结构。
3、 几种重要的单糖的链状结构和环状结构
(1) 丙糖：D-甘油醛 二羟丙酮
(2) 丁糖：D-赤鲜糖 D-赤鲜酮糖
(3) 戊糖：D-核糖 D-脱氧核糖 D-核酮糖 D-木糖 D-木酮糖
(4) 己糖：D-葡萄糖(a-型及b型) D-果糖
(5) 庚糖：D-景天庚酮糖
4、 变旋现象
在溶液中，糖的链状结构和环状结构(a、b)之间可以相互转变，最后达到一个动态平衡，称为变旋现象。
从乙醇水溶液中结晶出的D—glucose称为α-D-（+）Glucose（[α]20D=+113°），从吡啶溶液中结晶出的D—glucose称为β-D-（+）glucose（[α]20D=+18.7°）。将a-D-(+)葡萄糖与b-D-(+)葡萄糖分别溶于水中，放置一段时间后，其旋光率都逐渐转变为+52.7°C。原因就是葡萄糖的不同结构形式相互转变，最后，各种结构形式达到一定的平衡，其中a型占36%，b型占63%，链式占1%。
图5 葡萄糖的变旋
5、 构型与构象
构型：分子中由于各原子或基团间特有的固定的空间排列方式不同而使它呈现出不同的较定的立体结构，如D-甘油醛与 L-甘油醛，D-葡萄糖和L葡萄糖是链状葡萄糖的两种构型，a-D-葡萄糖和b-D-葡萄糖是环状葡萄糖的两种构型。
一般情况下，构型都比较稳定，一种构型转变另一种构型则要求共价键的断裂、原子(基团)间的重排和新共价键的重新形成。
图3甘油醛的构型：
构象：由于分子中的某个原子(基团)绕C-C单键自由旋转而形成的不同的暂时性的易变的空间结构形式，不同的构象之间可以相互转变，在各种构象形式中，势能最低、最稳定的构象是优势对象。
图1-3 吡喃型己糖构象
6、 构型与旋光性
旋光性是分子中具有不对称结构的物质的一种
物理性质。
显然，构型不同旋光性就不同。
构型是人为规定的，旋光性是实验测出的。
因此，构型与旋光性之间没有必然的对应规律，每一种物质的旋光性只能通过实验来确定。
二、 单糖的物理
化学性质
（一） 物理性质
旋光性：是鉴定糖的一个重要指标
甜度：以蔗糖的甜度为标准
溶解性：易溶于水而难溶于乙醚、丙酮等有面溶剂
（二） 化学性质
1、 变旋
图7-11
在溶液中，糖的链状结构和环状结构(a、b)之间可以相互转变，最后达到一个动态平衡，称为变旋现象。三者间的比例因糖种类而异。
只有链状结构才具有下述的氧化还原反应。
2、 糖醛反应(与酸的反应)
(1) Molish反应
Molish反应可以鉴定单糖的存在。
(2) Seliwannoff反应
据此区分酮糖与醛糖。还可利用溴水区分醛糖与酮糖。
3、 氧化反应
氧化只发生在开链形式上。
在氧化剂、金属离子如Cu2+、酶的作用下，单糖可以发生几种类型的氧化：
图7、12
醛基氧化：糖酸(aldonic acid)
伯醇基氧化：醛酸(uronic acid)
醛基、伯醇基同时氧化：二酸(alduric acid)
能被弱氧化剂(如Fehhing试剂、Benedict试剂)氧化的糖称为还原性糖，所有的单糖都是还原性糖。
单糖氧化形成的羟基可以进一步形成环状内酯(Lactone)。
内酯在自然界中很普遍，如L-抗坏血酸(L-ascorbio acid)，又称VC (Vitamcn c)，就是D-葡萄糖酸的内酯衍生物。分子量176.1，它在体内是一种强还原剂。豚鼠（guinea pig）、猿（ape）和人不能合成Vc，从能合成Vc的肝脏微粒体中分离到合成Vc的三种酶，人和猿缺乏gulonolactone oxidase)。缺乏抗坏血酸将导致坏血病(scurvy)，龄龈(gum)、腿部等开始出血，肿胀，逐渐扩展到全身，柑橘类果实(citrus frait)中含有丰富的Vc。
4、 还原反应
单糖可以被还原成相应的糖醇(Sugar alcohol)。
D-葡萄糖被还原成D-葡萄糖醇，又称山犁醇(D-Sorbitol)。
糖醇主要用于
食品加工业和医药，山犁醇添加到糖果中能延长糖果的货架期，因为它能防止糖果失水。用糖精处理的果汁中一般都有后味，添加山犁醇后能去除后味。人体食用后，山犁醇在肝中又会转化为果糖。
5、 异构化
在弱碱性溶液中，D-葡萄糖、D-甘露糖和D-果糖，可以通过烯醇式相互转化(enediol intermediate)
图7.15
D-葡萄糖异构化为D-甘露糖后，由于其中的一个手性碳原子的构型发生变化，又称差向异构化(epimerization)。
6、 酯化
生物体中最常见也是最重要的糖酯是磷酸糖酯和硫酸糖酯。
磷酸糖酯及其衍生物是糖的代谢活性形式(糖代谢的中间产物)。
硫酸糖酯主要发现于结缔组织的蛋白聚糖中(Proteo glycan)，由于硫酸糖酯带电荷，因此它能结合大量的水和阳离子。
葡萄糖的核苷二磷酸酯，如UDPG参与多糖的生物合成。
7、 糖苷化
单糖环状结构上的半缩醛羟基与醇或酚的羟基缩合失水成为缩醛式衍生物，通称为糖苷(glycosides)。
8、 糖脎反应(亲核加成)
糖脎反应发生在醛糖和酮糖的链状结构上。
糖脎易结晶，可以根据结晶的形状，判断单糖的种类。
三、 重要的单糖
四、 重要的单糖衍生物
1、 糖醇
2、 糖醛酸
单糖的伯醇基被氧化成-COOH。
动物体内有两种很重要的糖醛酸：a-D-葡萄醛酸和差向异构物b-L-艾杜糖醛酸，它们在结缔组织中含量很高。
glucuronic acid β-L-iduronate
葡萄糖醛酸是肝脏内的一种解毒剂，它与类固醇、一些药物、胆红素(血红蛋白的降解物)结合增强其水溶性，使之更易排出体外。
3、 氨基糖(糖胺，amino sugar, glycosamine)
单糖的一个羟基(通常是C2位)被氨基取代。
常见的氨基糖有D-葡萄糖胺(D-glucosamine)和D-半乳糖胺(D-galactosamine)。
氨基糖的氨基还经常被乙酰化形成N-乙酰糖胺。
4、 糖苷
单糖的半缩醛羟基与其它分子的醇、酚等羟基缩合，脱水生成缩醛式衍生物，称糖苷Glycoside。
半缩醛部分是Glc，称Glc糖苷。半缩醛部分是Gal，称Gal糖苷。
O糖苷、N糖苷、S糖苷。
糖苷物质与糖类的区别：糖是半缩醛，不稳定，有变旋；苷是缩醛，较稳定，无变旋。
糖苷大多数有毒。
5、 脱氧糖
重要的有6-脱氧D-甘露糖，L-岩藻糖(L-fucose)和2-脱氧D-核糖。
岩藻糖常见于一些糖蛋白中，如红细胞表面ABO血型决定簇
第二节 双糖和三糖
双糖在自然界中含量也很丰富，它是人类饮食中主要的热源之一。在小肠中，双糖必须在酶的作用下水解成单糖才能被人体吸收。如果这些酶有缺陷的话，那么人体摄入双糖后由于不能消化它就会出现消化病。未消化的双糖进入大肠，在渗透压的作用下从周围组织夺取水分(腹泻，diarrhea)，结肠中的细菌消化双糖(发酵)产生气体(气胀和绞痛或痉孪)。最常见的双糖消化缺陷是乳糖过敏，就是由于缺乏乳糖酶(Lactose)，解决办法就是乳糖酶处理食物或避免摄入乳糖。
一、 麦芽糖(maltose, malt sugar)
它是直链淀粉的水解中间物(a-麦芽糖)，在自然界中似乎并不存在天然的麦芽糖。
结构：两分子a-葡萄糖，a(1-4)糖苷键。
a-麦芽糖(葡萄糖-a，a(1-4)-葡萄糖苷) b-麦芽糖[葡萄糖-a, b（1-4）-葡萄糖苷]
性质：
① 变旋现象，在水溶解中形成a、b和开链的混合物
② 具有还原性
③ 能成脎
异麦芽糖：a(1-6)键型，支链淀粉和糖元的水解产物
二、 蔗糖
植物的茎、叶都可以产生蔗糖，它可以在整个植物体中进行运输，也是光合产物的运输形式之一。
结构：a-葡萄糖，b-果糖 a，b(1-2)糖苷键，无异构体
蔗糖[葡萄糖-a，b(1-2)-果糖苷]
性质：① 无变旋现象 ② 无还原性 ③ 不能成脎
三、 乳糖
顾名思义，主要存在于哺乳动物的乳汁中
结构：b-半乳糖 b(1-4)糖苷键 a(或b)-葡萄糖。两种异构体。
a-Lactose[半乳糖-b，a(1-4)-葡萄糖苷] b-lactose[半乳糖-b，b(1-4)-葡萄糖苷]
性质：① 有变旋现象 ② 具有还原性 ③ 能成脎
四、 纤维二糖(cellobiose)
纤维素的降解产物和基基本结构单位，自然界中不存在游离的纤维二糖
结构：两分子b-葡萄糖 b-(1，4)糖苷键
纤维二糖[葡萄糖-b(1，4)-葡萄糖苷]
性质：① 具有变旋现象 ② 具有还原性 ③ 能成脎
五、 海藻糖
两分子α-D-Glc，在C1上的两个半缩醛羟基之间脱水，由α-1.1糖苷键构成。
六、 棉子糖(三糖)
P31 结构
非还原性三糖
第三节 寡糖
寡糖是指含有2-10个单糖单元的糖类。它们常常与蛋白质或脂类共价结合，以糖蛋白或糖脂的形式存在。
连接它们的共价键类型主要两大类：N-糖甘键型和O-糖苷键型。
① N-糖苷键型：寡糖链与多肽上的Asn的氨基相连。这类寡糖链有三种主要类型：高甘露糖型，杂合型和复杂型。
图7.29
② O-糖苷键型，寡糖链与多肽链上的Ser或Thr的羟基相连，或与膜脂的羟基相连。
第四节 多糖
多糖是由多个单糖分子缩合脱水而形成的。由于构成它的单糖的种类、数量以及连接方式的不同，多糖的结构极其复杂而且数量、种类庞大。
多糖是重要的能量贮存形式(如淀粉和糖原等)和细胞的骨架物质(如植物的纤维素和动物的几丁质)，此外多糖还有更复杂的生理功能(如粘多糖和血型物质等)。
大部分的多糖类物质没有固定的分子量。多糖的大小从一定程度上可以反映细胞的代谢状态。例如：当血糖水平高时(如饭后)，肝脏就合成糖原(glycogen)这时就分子量可达2´107，当血糖水平下降时，肝脏中的酶类就水解糖原，把葡萄糖释放到血液中。
多糖在水溶液中只形成
胶体，虽然具有旋光性，但无变旋现象，也无还原性。
多糖可以分为均一性多糖(由同一种单糖分子组成)和不均一性多糖(由两种或两种以上单糖分子组成)
一、 均一性多糖
自然界中最丰富的均一性多糖是淀粉和糖原、纤维素。它们都是由葡萄糖组成。淀粉和糖原分别是植物和动物中葡萄糖的贮存形式，纤维素是植物细胞主要的结构组分。
1、 淀粉
植物营养物质的一种贮存形式，也是植物性食物中重要的营养成分。
① 直链淀粉
许多a-葡萄糖以a(1-4)糖苷键依次相连成长而不分开的葡萄糖多聚物。典型情况下由数千个葡萄糖线基组成，分子量从150000到600000。
结构：长而紧密的螺旋管形。这种紧实的结构是与其贮藏功能相适应的。遇碘显兰色
图7.30
② 支链淀粉
在直链的基础上每隔20-25个葡萄糖残基就形成一个a-(1-6)支链。不能形成螺旋管，遇碘显紫色。
淀粉酶：内切淀粉酶（α-淀粉酶）水解α-1.4键，外切淀粉酶（β-淀粉酶）α-1.4，脱支酶α-1.6
2、 糖元
与支链淀粉类似，只是分支程度更高，分支更，每隔4个葡萄糖残基便有一个分支。结构更紧密，更适应其贮藏功能，这是动物将其作为能量贮藏形式的一个重要原因，另一个原因是它含有大量的非原性端，可以被迅速动员水解。
糖元遇碘显红褐色。
3、 纤维素
结构：许多b-D-葡萄糖分子以b-(1-4)糖苷键相连而成直链。纤维素是植物细胞壁的主要结构成份，占植物体总重量的1/3左右，也是自然界最丰富的有机物，地球上每年约生产1011吨纤维素，经济价值：木材、纸张、纤维、棉花、亚麻。
完整的细胞壁是以纤维素为主，并粘连有半纤维素、果胶和木质素。约40条纤维素链相互间以氢键相连成纤维细丝，无数纤维细丝构成细胞壁完整的纤维骨架。
图7.33
降解纤维素的纤维素主要存在于微生物中，一些反刍动物可以利用其消化道内的微生物消化纤维素，产生的葡萄糖供自身和微生物共同利用。虽大多数的动物(包括人)不能消化纤维素，但是含有纤维素的食物对于健康是必需的和有益的。
4、 几丁质(壳多糖)：
N-乙酰-b-D-葡萄糖胺以b(1，4)糖苷链相连成的直链。
5、 菊 糖 inulin
多聚果糖，存在于菊科植物根部。
6、 琼 脂 Ager
多聚半乳糖，是某些海藻所含的多糖，人和微生物不能消化琼脂。
几种均一多糖的结构、性质比较。
P35表1-6
二、 不均一性多糖
不均一性多糖种类
繁多。
有一些不均一性多糖由含糖胺的重复双糖系列组成，称为糖胺聚糖(glyeosaminoglycans，GAGs)，又称粘多糖。(mucopoly saceharides)、氨基多糖等。
糖胺聚糖是蛋白聚糖的主要组分，按重复双糖单位的不同，糖胺聚糖有五类：
1、透明质酸
2、硫酸软骨素
3、硫酸皮肤素
4、硫酸用层酸
5、肝素
6、硫酸乙酰肝素
第五节 结合糖(glycoconjugate)
糖与非糖物质共价结合形成的复合物称结合糖(复合糖，糖缀合物)，包括糖脂(glycolipids)，糖蛋白与蛋白聚糖、肽聚糖（peptidoglycan），糖—核酸
。
一、 糖蛋白
糖蛋白是由短的寡糖链与蛋白质共价相连构成的分子。其总体性质更接近蛋白质。糖与蛋白质之间以蛋白质为主，其一定部位上以共价健与若干短的寡糖链相连，这些寡糖链常常是具分支的杂糖链，不呈现重复的双糖系列，一般由2-10个单体(少于15)组成，未端成员常常是唾液酸或L-岩藻糖。
（一） 组成
β-D-葡萄糖（Glc） α-D-甘露糖（Man） α-D-半乳糖（Gal）α-D-木糖（Xyl） α-D-阿拉伯糖（Ara） α-L-岩藻糖（Fuc） 葡萄糖醛酸（GlcuA） 艾杜糖醛酸（IduA） N-乙酰葡萄糖胺（GlcNAG） N-乙酰半乳糖胺（GalNAC） N-乙酰神经氨酸（NeuNAC） 即唾液酸（Sia）
（二） 糖链与蛋白的连接方式
糖蛋白的糖肽连接键，简称糖肽键。糖肽链的类型可以概况为：
①N-糖苷键型：寡糖链（GlcNAC的β-羟基）与Asn的酰胺基、N-未端的a-氨基、Lys或Arg的W-氨基相连
图15
② O-糖苷键型：寡糖链（GalNAC的α-羟基）与Ser、Thr和羟基赖氨酸、羟脯氨酸的羟基相连。
图16
③ S-糖苷键型：以半胱氨酸为连接点的糖肽键。
④ 酯糖苷键型：以天冬氨酸、谷氨酸的游离羧基为连接点。
（三） 糖蛋白中糖链的结构
糖蛋白中的糖链变化较大，含有丰富的结构信息。寡糖链往往是受体、酶类的识别位点。
1、 N-糖苷键型（N-连接）
N-糖苷键型主要有三类寡糖链：① 高甘露糖型，由GlcNAc和甘露糖组成；② 复合型：除了GlcNAc和甘露糖外、还有果糖、半乳糖、唾液酸；③ 杂合型，包含①和②的特征。
图17 五糖核心
A. 高甘露糖型
中国地仓鼠卵细胞膜
图18
B. N-乙酰半乳糖型
图19
C. 混合型
卵白蛋白的一种糖链
图20
2、 O-糖苷键型（O-连接）
没有五糖核心。
图21 人血纤维蛋白溶酶原：
图22 人免疫球蛋白IgA:
（四） 糖蛋白的生物学功能
（1）糖蛋白携带某些蛋白质代谢去向的信息
糖蛋白寡糖链末端的唾液酸残基，决定着某种蛋白质是否在血流中存在或被肝脏除去的信息。
A脊椎动物血液中的铜蓝蛋白
肝细胞能降解丢失了唾液酸的铜蓝蛋白，唾液酸的消除可能是体内“老”蛋白的标记方式之一。
B.红细胞
新生的红细胞膜上唾液酸的含量远高于成熟的红细胞膜。用唾液酸酶处理新生的红细胞，回注机体，几小时后全部消失。而末用酶处理的红细胞，回注后，几天以后，仍能在体内正常存活。
（2）寡糖链在细胞识别、信号传递中起关键作用
淋巴细胞正常情况应归巢到脾脏，而切去唾液酸后，结果竞归巢到了肝脏。
在原核中表达的真核基因，无法糖基化。
糖蛋白可以是胞溶性的，也可以是膜结合型的，可以存在于细胞内在也可存在于细胞间质中。
糖蛋白在动植物中较为典型，脊柱动物中糖蛋白尤为丰富，金属转运蛋白(转铁蛋白)、血铜蓝蛋白，凝血因子、补体系统、一些激素，促卵泡素(Follicle-stimulating hormone, FSH，前脑下垂体分泌，促进卵子和精子的发育)、RNase、膜结合蛋白(如动物细胞膜的Na+-K+-ATPase)、主要组织相容性抗原(major histocompatibility antigen,细胞表面上介导供体器官与受体器官交叉匹配的标识)。
绝大多数糖蛋白的寡糖是糖蛋白的功能中心。有些糖蛋白的糖对于糖蛋白自身成机体起着保护作用或润滑作用，如牛的RNaseB(糖蛋白)对热的抗性大于RNaseA，大量的唾液酸能增强唾液粘蛋白的粘性从而增强唾液的润滑性。南极鱼抗冻蛋白的糖组分能与水形氢键，阻止冰品的形成从而提高了抗冻性。
糖蛋白在细胞间信号传递方面着更为复杂的作用。Hiv的靶细胞结合蛋白GP120是一个糖蛋白，能与人类靶细胞表面的CD4受体结合从而附着在靶细胞表面，如果去掉GP120的糖部分则不能与CD4受体结合从而失去感染能力。细胞表面的糖蛋白形成细胞的糖萼(糖衣)、参与细胞的粘连，这在胚和组织的生长、发育以及分化中起着关键性作用。
二、 蛋白聚糖(oroteoglycans)
由糖胺聚糖与多肽链共价相连构成的分子，总体性质与多糖更为接近。糖胺聚糖链长而不分支，呈现重复双糖系列结构，其一定部位上与若干肽链相连。由于糖胺聚糖具有粘稠性，所以蛋白聚白又称为粘蛋白、粘多糖–蛋白质复合物等。
（一） 蛋白聚糖中的糖肽键
在蛋白聚糖中已知有三种不同类型的糖肽键：
1、 D-木糖与Ser羟基之间形成的O-糖肽键；
硫酸软骨素
硫酸皮肤素
硫酸类肝 GlcUAβ1→3Galβ1→3Galβ1→4Xyl1 → Ser
肝素
2、 N-乙酰半乳糖胺与Thr或Ser羟基之间形成的O-糖肽键。
骨骼硫酸角质素→ GalNAc l→ 6 GalNAc→ser(Thr)
Sia 2→3 Gal1→3↗
3、 N-乙酰葡萄糖胺与Asn之间形成的N-糖肽键；
角膜硫酸角质素→GlcNAc—N—Asn.
（二） 糖白聚糖的生物学功能
糖白聚糖主要存在于软骨、键等结缔组织和各种腺体分泌的粘液中，有构成组织间质、润滑剂、防护剂等多方面的作用。
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三、 肽聚糖 peptidoglycan
是细菌细胞壁的主要成分，草兰氏阳性细菌胞壁所含的肽聚糖占干重的50-80%，草兰氏阴性细菌胞壁所含的肽聚糖占干重的1-10%
糖链由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸通过β-1.4糖苷键连接而成，糖链间由肽链交联，构成稳定的网状结构，肽链长短视细菌种类不同而异。
图14
组成及结构特点（金黄色葡萄球菌）
1. G—M聚糖
2. 四肽及连接方式
四肽中N端的Ala上α-NH2与M中乳酸的羧基连接。
3.五聚Gly及连接方式
（1）五聚Gly的N端α—NH2与四肽C端Ala上的羧基连接。
（2）五聚Gly的C端羧基与另一个四肽的Lysε-NH2连接。
溶菌酶能水解G-M间的β-1.4糖苷键，使细胞壁出现孔洞，基至解体，从而杀死细菌。人的眼泪中存在大量的溶菌酶，某些噬菌体在感染宿主时也可分泌溶菌酶。鸡蛋中也含大量的溶菌酶。
生素能抑制肽聚糖的生物合成。
四、 糖脂
见脂类
生化笔记--沈同（适用第2版及第3版）第二章 脂类
第二章 脂类 Lipids
重点：磷脂、糖脂
一、 脂类的概念
不溶于水而能被乙醚、氯仿、苯等非极性有机溶剂抽提出的化合物，统称脂类。脂类包括油脂（甘油三脂）和类脂（磷脂、蜡、萜类、甾类）。
二、 分类
（1）单纯脂：
脂肪酸与醇类形成的酯，甘油酯、鞘脂、蜡
（2）复合脂：甘油磷脂、鞘磷脂。
（3）萜类和甾类及其衍生物：不含脂肪酸，都是异戊二烯的衍生物。
（4）衍生脂：上述脂类的水解产物，包括脂肪酸及其衍生物、甘油、鞘氨醇等。
（5）结合脂类：糖脂、脂蛋白
三、 脂类的生物学功能
脂类的生物学功能也多种多样：
①生物膜的结构组分(甘油磷脂和鞘磷脂，胆固醇、糖脂)；②能量贮存形式(动物、油料种子的甘油三酯)；③激素、维生素和色素的前体(萜类、固醇类)；④生长因子；⑤抗氧化剂；⑥ 化学信号(如 )；⑦参与信号识别和免疫（糖脂）；⑧动物的脂肪组织有保温，防机械压力等保护功能，植物的蜡质可以防止水分的蒸发。
第一节 脂肪酸及其衍生物
一、 脂肪酸
绝大多数的脂肪酸含有
偶数个碳原子，形成长而不分支的链(也有分支的或含环的脂肪酸)。
不饱和脂肪酸有顺式和反式两种异物体。但生物体内大多数是顺式结构。
不饱和脂肪酸中，反式双键会造成脂肪酸链弯曲，分子间没有饱和脂肪酸链那样结合紧密。因此，不饱和脂肪酸的熔点低。
脂肪酸(主要是豆蔻酸与
棕榈酸)可以与蛋白质共价相连，形成脂酰蛋白(acyloted protein)，脂酰基团能促进膜蛋白与疏水环境间的相互作用。
1、必需脂肪酸 essential fatty acids
植物和细菌可以利用乙酰CoA合成所需的全部脂肪酸。
哺乳动物既可以从食物中获得大部分脂肪酸，也可以合成饱和脂肪酸和一些单不饱和脂肪酸。
但是，哺乳动物不能合成多不饱和脂肪酸（如亚油酸和亚麻酸），称为必需脂肪酸。
亚油酸和亚麻酸必须从植物中获取。花生四烯酸可由亚油酸在体内合成。
P52 表2—3某些油脂的脂肪酸组成
2、皂化值（评估油的质量）
完全皂化1克油脂所需KOH的毫克数，称皂化值。
用来评估油脂的质量。
3、酸值（酸败程度）
中和1克油脂中的游离脂肪酸所消耗的KOH毫克数。
4、（不饱和键的多少）
100克油脂吸收碘的克数。
二、 类二十烷酸
也称类花生酸（eicosanoid），包括前列腺素类(prostaglandin)，凝血恶烷类(thromboxane)和白细胞三烯类(leucotriene)
是一大类由许多哺乳动物组织产生的激素类的物质。它们只在产生的器官中起作用，所以称为自泌调控分子，而不是激素。
大多数的类二十烷酸是花生四烯酸的衍生物。
花生四烯酸也称5,8,11,14-二十碳四烯酸(eicosatetraenoio acid)，是由亚油酸合成后加上一个二碳单位、引入两个双键。
1、 前列腺素类
图9A
前列腺素类是花生四烯的衍生物。
前列腺素类有一个环戊烷结构，C11、C15位点各有一个-OH。
PGE在C9位上有一个C=O(carbonyl group)，PGF在C9上有一个-OH。
角注
数学表明分子中双键的数目，PG2类前列腺素是人类中最重要的前列腺素。
前列腺素参与许多生理过程的调节控制，促进炎症反应，参与生殖过程(如排卵、受孕和分娩时子宫的收缩)，参与消化。
图9B
2、 、凝血恶烷类(thromboxanes)
凝血恶烷类也是花生四烯酸的衍生物。
与其他类二十烷酸不同的是凝血恶烷类有环醚的结构。
凝血恶烷A2(TxA2)是该类化合物中最重要的一种，它主要由血小板产生，促进血小板凝聚和平滑肌收缩。
3、 白细胞三烯（leucotriene,LT）
是花生四烯酸的羟基脂肪酸衍生物。
最初是在白细胞中发现的，并且有三烯结构，故名白细胞三烯。
LTC4、LTD4和LTE4是过敏性反应的慢反应物质的组分，在炎症反应起积极作用，促进白细胞趋向破坏组织。
第二节 脂酰甘油
因为不带电荷，有时也称中性脂(neutral fats)
结构：
图1
简单三脂酰甘油
混合三脂酰甘油
第三节 磷脂
磷脂是重要的两亲物质，它们是生物膜的重要组分、乳化剂和表面活性剂(表面活性剂是能降低液体，通常是水的，表面张力，沿水表面扩散的物质)。
磷脂有两类：甘油磷脂和鞘氨醇磷脂。
甘油磷脂由甘油、脂肪酸、磷酸和一分子氨基醇(如胆碱、乙醇胺、丝氨酸或肌醇)组成。
鞘氨醇磷脂只是以鞘氨醇代替了甘油。
一、 甘油磷脂
天然存在的甘油磷脂都是L—构型。
1、 结构与分类
依照氨基醇的不同可分以下几类：
P57 表2-6各种甘油磷脂的极性头部和电荷量
（1）、 磷脂酰胆碱（卵磷脂）（PC）
HO—CH2CH2N+（CH3）3（胆碱）
分布：
植物：大豆等，
动物：脑、精液、肾上腺、红细胞，蛋卵黄（8-10%）。
作用：控制肝脂代谢，防止脂肪肝的形成。
（2）、 磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）（PE）
HO—CH2CH2—N+H3（乙醇胺）
参与血液凝结。
（3）、 磷脂酰丝氨酸（PS）
HO—CH2CH—COO-（丝氨酸）
N+H3
（1）—（3）X均为氨基醇。
（4）、 磷脂酰肌醇（PI）
图
（5）、 磷脂酰甘油（PG）
（6）、 二磷脂酰甘油（心磷脂）
2、 甘油磷脂的性质
①极性：极性头、非极性尾
②带电性（可用于分离纯化）
图
二、 鞘磷脂
高等动物组织中含量较丰富。
1、 组成：
一个鞘氨醇 一个脂肪酸 一个磷酸 一个胆碱或乙醇胺
2、 结构与性质
鞘磷脂极性头部分是磷脂酰胆碱或磷脂酰乙醇胺。
鞘磷脂结构与甘油磷脂相似，因此性质与甘油磷脂基本相同。
第四节 鞘脂类
鞘脂类也是动植物生物膜的重要组分。
鞘脂类含有一个长的氨基醇。
一、 鞘氨醇
已发现的鞘氨醇类约有30种。
图 2-氨基-4-十八碳烯-1.3-二醇
此双键还原，即二氢鞘氨醇
鞘氨醇 植物鞘氨醇
二、 神经酰胺
鞘脂类的核心结构是神经酰胺（ceramide），由鞘氨醇氨基以酰胺键与长链（18—26C）脂肪酸的羟基相连。
神经酰胺
在鞘磷脂中，神经酰胺1位的-OH被磷酸胆碱(phosphorylcholine)或磷酸乙醇胺(phosphorylethanolamine)的磷酸基因酯化。
除了动物细胞膜外，鞘磷脂在神经细胞的髓鞘中含量最丰富。
第五节 结合脂类
一、 糖脂 glycolipid
P478 图9—8 P479 图9—10
甘油醇糖脂 N—脂酰神经鞘氨醇糖脂（神经酰胺糖脂）
1、 甘油醇糖脂
图
半乳糖甘油二酯 称：6—磺基Glc甘油二酯
2、 N—脂酰神经鞘氨醇糖脂（神经酰胺糖脂）
神经酰胺还是糖脂的前体物，有时称鞘糖脂。
图9.9
在鞘糖脂中，单糖、双糖或寡糖通过O-糖苷键与神经酰胺相连，重要的鞘糖脂有脑苷脂(cerebroside)、硫脑苷脂(sulfatide)和神经节苷脂(ganglioside)。
脑苷脂是单糖与神经酰胺形成的糖脂，是非离子型的。半乳糖脑苷脂(galatocerebroside)几乎全部存在于脑的细胞膜中。
脑苷脂被硫酸化后称为硫脑苷脂，在生理pH下带
负电荷。
寡糖链(带有一个或多个唾液酸残基)与神经酰胺形成的鞘糖脂称为神经节苷脂，最初是从神经组织中分离到的，在其它组织中也有分布。
神经节苷脂的命名含有M、D、T和角注数字，M、D、T分别表示含有一个、两个、三个唾液酸，数字表示在糖链上的位置。
（1）、 脑苷脂（中性糖鞘脂类）
图
主要在神经、脑组织中，X为Glc称Glc脑苷脂，X为Gal称Gal脑苷脂。X还可能是：Fuc、GlcNAc、GalNAc
（2）、 神经节苷酯（酸性糖鞘脂类）
含有唾液酸，在脑灰质和胸腺中含量高。
中枢神经系统某些神经元膜的特征性脂，可能与通过神经元的神经冲动传递有关。
图
人的神经系统细胞膜至少有15种神经节苷脂，它们的生物功能尚未完全了解。
3、 糖脂的生物学功能
糖脂的功能还不十分清楚，有些动物细胞膜上的糖脂分子能与细菌毒素以及细菌细胞结合，起受体的作用。
（1）细胞结构的刚性
（2）抗原的化学标记 血型抗原
图
人的A、B、O血型差异在于糖链末端残基。现在临床上正研究用酶促降解B—抗原或A抗原的末端残基Gal或GalNAc，从而增加O—抗原的血液来源。
（3）细胞分化阶段可鉴定的化学标记
可能与糖链的长短有关
（4）调节细胞的正常生长
与正常细胞转化成肿癌细胞有关。肿癌Cell的神经节苷脂糖链比正常Cell的短。
（5）授予细胞与其它生物活性物质的反应性倾向。
u 鞘脂贮积病(sphingolipld storage disease, sphingolipidose)
溶酶体贮积病是由于降解某种特定代谢物的酶发生遗传性缺陷造成的。一些溶解体贮积病与鞘脂代谢有关，也称鞘脂贮积病，常见的就是Tay-sochs神经节苷GM2贮积病，这是由于降解它的b-hexosaminidaseA(b-氨基己糖苷酶)缺陷造成的。当细胞积累GM2时就溶胀最终死亡，Tay-Sachs综合症(失明，肌肉萎缩，抽搐，精神错乱)，通常在出生数月后表现出来。
disease symptern Accumulating spluingolipid Enzyme deficiency
Tay-sachs disease BlindnessMuscle weaknessSeizuresMental retardation Ganglioside GM2 b-hexosaminidoseA
Gaucheris disease Mental retardations,Liver and spleen enlargementEresion of cong bones Glucocerebosile b-glucosidase
Niemann-Pick disease Montal retardution sphingomyelin sphingomylinase
二、 脂蛋白 lipoprotein
要点：血桨脂蛋白 血桨白蛋白
（学生自己看，此处不讲，在脂代谢中讲。）
虽然脂蛋白可以指任何与脂基(如脂肪酸、异戊二烯)共价相连的蛋白、但它常常用来指哺乳动物血浆(尤其是人)中的脂-蛋白质复合物。
血浆脂蛋白可以把脂类(三酰甘油、磷脂、胆固醇)从一个器官运输到另一个器官。
图9.17 P233
血浆脂蛋白根据密度来分类：
（1） 乳糜微粒，密度非常低，运输甘油三酯和胆固醇脂，从小肠到组织肌肉和adipose组织。
（2） 极低密度脂蛋白VLDL(0.95-1.006g/cm3)，在肝脏中生成，将脂类运输到组织中，当VLDL被运输到全身组织时，被分解为三酰甘油、脱辅基蛋白和磷脂，最后，VLDL被转变为低密度脂蛋白。
（3） 低密度脂蛋白(LDL，1.006-1.063g/cm3)，把胆固醇运输到组织，经过一系列复杂的过程，LDL与LDL受体结合并被细胞吞食。
（4） 高密度脂蛋白(HDL，1.063-1.210g/cm3)，也是在肝脏中生成，可能负责清除细胞膜上过量的胆固醇。当血浆中的卵磷脂：胆固醇酰基转移酶(Lecithin cholesterol acyltransferase, LCAT)将卵磷脂上的脂肪酸残基转移到胆固醇上生成胆固醇脂时，HDL将这些胆固醇脂动输到肝。肝脏将过量的胆固醇转化为胆汁酸。
u 脂蛋白与动脉粥样硬化：(atherosclerosis)
动脉粥样硬化是一个慢性病，在此过程中，粥样物质逐渐沉积在动脉的内壁上，这些沉积物称为Plaque(蚀斑)，在plaque形成过程中，平滑肌细胞、巨噬细胞和各种细胞残渣逐渐聚集。当巨噬细胞中吞食了大量脂类物质(主要是胆固醇和胆固醇脂)它们就成为粥样化细胞。最后，粥样硬化斑钙化(calcify)突入动脉腔，阻止血液流动，大脑、心、肺等器官就会缺氧和营养。冠状动脉粥样硬化病是最常见的一种，由于缺氧和营破坏了心肌。
Plaque中的胆固醇大部分是来自粥样细胞吞噬的LDL。因此，毫不奇怪，高水平的血浆LDL与冠状动脉粥样症直接相关(LDL含有大量的胆固醇及胆固醇脂)，其它相关因素还包括高脂类饮食、吸烟、抑郁和缺少运动，高水平的血浆HDL与代几率的冠状动脉病有关。肝细胞是唯一具有HDL受体的细胞。
可粥样化的细胞具有LDL受体，当LDL与受体结合后这些细胞就通过胞吞作用吞食LDL。在正常情况下，进入细胞中的LDL释放出的胆固醇和其它脂类可用于细胞结构和代谢上的需要。通常情况下LDL受体功能是高度调控的，吞入相对大量的LDL后，LDL受体合成就降低。巨噬细胞却不同，LDL受体的合成并不降低，粥样硬化斑中的巨噬细胞含有高水平的LDL受体，而且对氧化破坏的LDL仍有亲和力。抗坏血酸(Vc)和VE都是抗氧化剂，能抑止粥样斑的形成。
第六节 萜类和固醇类化合物
可以统称为类异戊二烯类(isoprenoid)，由乙酰-CoA经由异戊二烯焦磷酸生成的，而不是由异戊二烯合成的
一、 萜类
一些真核蛋白质合成后经过异戊二烯化，常见的异戊二烯基团就是farnesyl和geranylgeranyl group
二、 固醇类
结构：
含有环戊烷多氢菲母核的一类醇、酸及其衍生物。包括：固醇、固醇衍生物。
图
1、 胆固醇（二氢胆固醇、T—脱氢胆酸、胆固醇酯）
以游离或酯的形态存在于一切动物组织中，植物中没有。是最早由从动物胆石中分离出的固醇。
（1）、 结构
C3 羟基
C10和C13各一个甲基
C5与C6间一个双键
C17异辛烷
（2）、 性质
白色、斜方晶体。
a. 醇基可与脂酸成酯（棕榈酸、硬脂酸、油酸）
b. 双键可加氢
（3）、 分布及功能
a. 70千克人体含140克左右，1/4在脑及神经组织中，肝、肾含量较多。肾上腺、卵巢等合成固醇激素的腺体含量也较多，可达1—5%。血清中含量升高，会增加患心血管疾病的可能性。
b. 胆固醇是生物膜的重要成分，羟基极性端分布于膜的亲水界面，母核及侧链深入膜双层，控制膜的流动性，阻止磷脂在相变温度以下时转变成结晶状态，保证膜在低温时的流动性及正常功能。
c. 胆固醇是合成胆汁酸、类固醇激素、维生素D等生理活性物质的前体。
胆汁酸（在肝中合成）参与肠道脂类吸收
肾上腺皮质激素、雌激素、雄激素
7一脱氢胆固醇 紫外线 维生素D3
2、 植物固醇
不能被动物吸收和利用。
主要有：豆固醇（大豆中）
麦固醇（麦芽中）
3、 酵母固醇
麦角固醇，经紫外光照射可转化成维生素D3。
三、 固醇衍生物
1、 胆汁酸
图
多数脊椎动物的胆酸，能以肽键与Gly或牛磺酸结合。胆酸与脂肪酸或其他脂类结合（胆固醇，胡萝卜素）成盐，乳化肠腔内油脂，增加脂肪酶作用位点，便于油脂消化吸收。
2、 类固醇激素
（1）肾上腺皮质激素（７种）
（2）性激素
雄性激素：睾丸酮
雌性激素：雌二醇、黄体酮
生化笔记—沈同（适用第2版及第3版）第三章 蛋白质
第一节 蛋白质概论
蛋白质是所有生物中非常重要的结构分子和功能分子，几乎所有的生命现象和生物功能都是蛋白质作用的结果，因此，蛋白质是现代生物技术，尤其是基因工程，蛋白质工程、酶工程等研究的重点和归宿点。
一、 蛋白质的化学组成与分类
1、 元素组成
碳 50% 氢7% 氧23% 氮16% 硫 0-3% 微量的磷、铁、铜、碘、锌、钼
凯氏定氮：平均含氮16%，粗蛋白质含量=蛋白氮×6.25
2、 氨基酸组成
从化学结构上看，蛋白质是由20种L-型α氨基酸组成的长链分子。
3、 分类
（1）、 按组成：
简单蛋白：完全由氨基酸组成
结合蛋白：除蛋白外还有非蛋白成分（辅基）
详细分类，P 75 表 3-1，表 3-2。（注意辅基的组成）。
（2）、 按分子外形的对称程度：
球状蛋白质：分子对称，外形接近球状，溶解度好，能结晶，大多数蛋白质属此类。
纤维状蛋白质：对称性差，分子类似细棒或纤维状。
（3）、 功能分：
酶、运输蛋白、营养和贮存蛋白、激素、受体蛋白、运动蛋白、结构蛋白、防御蛋白。
4、 蛋白质在生物体内的分布
含量(干重) 微生物 50-80%
人 体 45%
一般细胞 50%
种类
大肠杆菌 3000种
人体 10万种
生物界 1010-1012
二、 蛋白质分子大小与分子量
蛋白质是由20种基本aa组成的多聚物，aa数目由几个到成百上千个，分子量从几千到几千万。一般情况下，少于50个aa的低分子量aa多聚物称为肽，寡肽或生物活性肽，有时也罕称多肽。多于50个aa的称为蛋白质。但有时也把含有一条肽链的蛋白质不严谨地称为多肽。此时，多肽一词着重于结构意义，而蛋白质原则强调了其功能意义。
P 76 表3-3 （注意：单体蛋白、寡聚蛋白；残基数、肽链数。）
蛋白质分子量= aa数目*110
对于任一给定的蛋白质，它的所有分子在氨基酸组成、顺序、肽链长度、分子量等方面都是相同的，均一性。
三、 蛋白质分子的构象与结构层次
蛋白质分子是由氨基酸首尾连接而成的共价多肽链，每一种天然蛋白质都有自己特有的空间结构，这种空间结构称为蛋白质的（天然）构象。
P77 图3-1，蛋白质分子的构象示意图。
一级结构 氨基酸顺序
二级结构 α螺旋、β折叠、β转角，无规卷曲
三级结构 α螺旋、β折叠、β转角、松散肽段
四级结构 多亚基聚集
四、 蛋白质功能的多样性
细胞中含量最丰实、功能最多的生物大分子。
1． 酶
2． 结构成分（结缔组织的胶原蛋白、血管和皮肤的弹性蛋白、膜蛋白）
3． 贮藏（卵清蛋白、种子蛋白）
4． 物质运输（血红蛋白、Na+-K+-ATPase、葡萄糖运输载体、脂蛋白、电子传递体）
5． 细胞运动（肌肉收缩的肌球蛋白、肌动蛋白）
6． 激素功能（胰岛素）
7． 防御（抗体、皮肤的角蛋白、血凝蛋白）
8． 接受、传递信息（受体蛋白，味觉蛋白）
9． 调节、控制细胞生长、分化、和遗传信息的表达（组蛋白、阻遏蛋白）
第二节 氨基酸
一、 蛋白质的水解(见P79)
氨基酸是蛋白质的基本结构单位。在酸、碱、蛋白酶的作用下，可以被水解成氨基酸单体。
酸水解：色氨酸破坏，天冬酰胺、谷胺酰胺脱酰胺基
碱水解：消旋，色氨酸稳定
酶水解：水解位点特异，用于一级结构分析，肽谱氨基酸的功能：
（1）、 组成蛋白质
（2）、 一些aa及其衍生物充当化学信号分子
g-amino butyric acid (g-氨基丁酸)、Serotonic(5-羟色胺，血清紧张素)、melatonin(褪黑激素，N-乙酰-甲氧基色胺)，都是神经递质，后二者是色氨酸衍生物(神经递质是一个神经细胞产生的影响第二个神经细胞或肌肉细胞功能的物质)。
Thyroxine(甲状腺素，动物甲状腺thyroid gland产生的Tyr衍生物)和吲乙酸(植物中的Trp衍生物)都是激素(激素就是一个细胞产生的调节其它细胞的功能的化学信号分子)。
（3）、 氨基酸是许多含N分子的前体物
核苷酸和核酸的含氮碱基、血红素、叶绿素的合成都需要aa
（4）、 一些基本氨基酸和非基本aa是代谢中间物
精氨酸、Citrulline(瓜氨酸)、Ornithine(鸟氨酸)是尿素循不(Urea cycle)的中间物，含氮废物在脊椎动物肝脏中合成尿素是排除它们的一种重要机制。
三、 氨基酸的结构与分类
1809年发现Asp，1938年发Thr，目前已发现180多种。但是组成蛋白质的aa常见的有20种，称为基本氨基酸（编码的蛋白质氨基酸），还有一些称为稀有氨基酸，是多肽合成后由基本aa经酶促修饰而来。此外还有存在于生物体内但不组成蛋白质的非蛋白质氨基酸(约150种)。
（一） 编码的蛋白质氨基酸（20种）
也称基本氨基酸或标准氨基酸，有对应的遗传密码。
近年发现谷胱甘肽过氧化物酶中存在硒代半胱氨酸，有证据表明此氨基酸由终止密码UGA编码，可能是第21种蛋白质氨基酸。
结构通式：
不变部分，可变部分。L-型，羧酸的α-碳上接-NH2，，所以都是L-α-氨基酸。
α-氨基酸都是白色晶体，熔点一般在200℃以上。
除胱氨酸和酪氨酸外都能溶于水，脯氨酸和羟脯氨酸还能溶于乙醇和乙醚。
表 20种氨基酸结构
1、 按照R基的化学结构分（蛋白质工程的同源替代）：
（1）、 R为脂肪烃基的氨基酸（5种）
Gly、Ala、Val、Leu、Ile、
图3-2
R基均为中性烷基（Gly为H），R基对分子酸碱性影响很小，它们几乎有相同的等电点。（6 .0±0.03）
P 92 表 3-7 （比较等电点。）
Gly是唯一不含手性碳原子的氨基酸，因此不具旋光性。
从Gly至Ile，R基团疏水性增加，Ile 是这20 种a.a 中脂溶性最强的之一（除Phe 2.5、Trp3.4 、Tyr 2.3以外）。
（2）、 R中含有羟基和硫的氨基酸（共4种）
含羟基的有两种：Ser和Thr。
图3-3
Ser的-CH2 OH基（pKa=15），在生理条件下不解离，但它是一个极性基团，能与其它基团形成氢键，具有重要的生理意义。在大多数酶的活性中心都发现有Ser残基存在。
Thr 中的-OH是仲醇，具有亲水性，但此-OH形成氢键的能力较弱，因此，在蛋白质活性中心中很少出现。
Ser和Thr的-OH往往与糖链相连，形成糖蛋白。
含硫的两种：Cys、Met
图3-4
Cys中R含巯基（-SH），Cys 具有两个重要性质：
（1）在较高pH值条件，巯基离解。
（2）两个Cys的巯基氧化生成二硫键，生成胱氨酸。
Cys—s—s—Cys
二硫键在蛋白质的结构中具有重要意义。
Cys还常常出现在酶的活性中心。
Met的R中含有甲硫基（-SCH3），硫原子有亲核性，易发生极化，因此，Met是一种重要的甲基供体。
u Cys与结石
在细胞外液如血液中，Cys以胱氨酸(Cystine)氧化形式存在，胱氨酸的溶解性最差。
胱氨酸尿(Cystinuria)是一种遗传病，由于胱氨酸的跨膜运输缺陷导致大量的胱氨酸排泄到尿中。胱氨酸在肾(Kidney)、输尿管(ureter)、膀胱(urinary bladder)中结晶形成结石(Calculus, calculi)，结石会导致疼疼、发炎甚至尿血。
大量服用青霉胺(Penicillcemine)能降低肾中胱氨的含量，因为青霉胺与半胱氨酸形成的化合物比胱氨酸易溶解。
青霉胺的结构
（3）、 R中含有酰胺基团（2种）
Asn、Gln
图3-5
酰胺基中氨基易发生氨基转移反应，转氨基反应在生物合成和代谢中有重要意义
（4）、 R中含有酸性基团（2种）
Asp、Glu，一般称酸性氨基酸
图3-6
Asp侧链羧基pKa（β-COOH）为3.86，Glu侧链羧基pKa（γ-COOH）为4.25
它们是在生理条件下带有负电荷的仅有的两个 氨基酸。
（5）、 R中含碱性基团（3种）
Lys、Arg、His，一般称碱性氨基酸
图3-7
Lys的R侧链上含有一个氨基，侧链氨基的pKa为10.53。生理条件下，Lys侧链带有一个
正电荷（—NH3+），同时它的侧链有4个C的直链，柔性较大，使侧链的氨基反应活性增大。（如肽聚糖的短肽间的连接）
Arg是碱性最强的氨基酸，侧链上的胍基是已知碱性最强的有机碱，pKa值为12.48，生理条件下完全质子化。
His含咪唑环，咪唑环的pKa在游离氨基酸中和在多肽链中不同，前者pKa为6.00，后者为7.35，它是20种氨基酸中侧链pKa值最接近生理pH值的一种，在接近中性pH时，可离解平衡。它是在生理pH条件下唯一具有缓冲能力的氨基酸。
His含咪唑环，一侧去质子化和另一侧质子化同步进行，因而在酶的酸碱催化机制中起重要作用。
（6）、 R中含有芳基的氨基酸（3种）
Phe、Try、Trp
图3-8
都具有共轭π电子体系,易与其它缺电子体系或π电子体系形成电荷转移复合物( charge-transfer complex)或电子重叠复合物。在受体—底物、或分子相互识别过程中具有重要作用。
这三种氨基酸在紫外区有特殊吸收峰，蛋白质的紫外吸收主要来自这三种氨基酸，在280nm处，Trp＞Tyr＞Phe。
Phe疏水性最强.。
酪氨酸的-OH磷酸化是一个十分普遍的调控机制，Tyr在较高pH值时，酚羟基离解。
Trp有复杂的π共轭休系，比Phe和Tyr更易形成电荷转移络合物。
（7）、 R为环状的氨基酸（1种）
Pro，有时也把His、Trp归入此类。
图3-9
Pro是唯一的一种环状结构的氨基酸，它的α-亚氨基是环的一部分，因此具有特殊的刚性结构。它在蛋白质空间结构中具有极重要的作用，一般出现在两段α-螺旋之间的转角处，Pro残基所在的位置必然发生骨架方向的变化，
u 必需氨基酸：
成年人：Leu、Ile、Val、Thr、Met、Trp、Lys、Phe
婴儿期：Arg和His供给不足，属半必须氨基酸。
必须氨基酸在人体内不能合成，是由于人体内不能合成这些氨基酸的碳架（α-酮酸）
2、 按照R基的极性性质(能否与水形成氢键)20种基本aa，可以分为4类：
侧链极性(疏水性程度)
Gly 0 Ser -0.3 Glu -2.5 Lys -3.0
Ala 0.5 Asn -0.2 Asp -2.5 Arg -3.0
Met 1.3 Gln -0.2 His 0.5
Pro 1.4 Thr 0.4
Val 1.5 Cys 1.0
Leu 1.8 Tyr 2.3
Ile 1.8
Phe 2.5
Trp 3.4
（1）、 非极性氨基酸
9种，包括：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、甲硫氨酸氨酸、脯氨酸，这类氨基酸的R基都是疏水性的，在维持蛋白质的
三维结构中起着重要作用。
（2）、 不带电何的极性氨基酸
6种，丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺。这类氨基酸的侧链都能与水形成氢键，因此很容易溶于水。
酪氨酸的-OH磷酸化是一个十分普遍的调控机制，Ser和Thr的-OH往往与糖链相连，Asn和Gln的-NH2很容易形成氢键，因此能增加蛋白质的稳定性。
（3）、 带负电荷的aa(酸性aa)
2种，在pH6~7时，谷氨酸和天冬氨酸的第二个羧基解离，因此，带负电何。
（4）、 带正电何的aa(碱性aa)
3种，Arg、Lys、His。在pH7时带净正电荷。
当胶原蛋白中的Lys侧链氧化时能形成很强的分子间(内)交联。Arg的胚基碱性很强，与NaOH相当。His是一个弱碱，在pH7时约10%质子化，是天然的缓冲剂，它往往存在于许多酶的活性中心。
酶的活性中心：His、Ser、Cys
非极性aa一般位于蛋白质的疏水核心，带电荷的aa和极性aa位于表面。
（二） 非编码的蛋白质氨基酸
也称修饰氨基酸，是在蛋白质合成后，由基本氨基酸修饰而来。
Prothrombin(凝血酶原)中含有g-羧基谷氨酸，能结合Ca2+。
结缔组织中最丰富的蛋白质胶原蛋白含有大量4-羟脯氨酸和5-羟赖氨酸。
图3-10 修饰aa的结构
（1）4-羟脯氨酸
（2）5-羟赖氨酸
这两种氨基酸主要存在于结缔组织的纤维状蛋白（如胶原蛋白）中。
（3）6-N-甲基赖氨酸（存在于肌球蛋白中）
(4)г-羧基谷氨酸
存在于凝血酶原及某些具有结合Ca2+离子功能的蛋白质中。
（5）Tyr的衍生物： 3.5 -二碘酪氨酸、甲状腺素 （甲状腺蛋白中）
（6）锁链素由4个Lys组成（弹性蛋白中）。
（三） 非蛋白质氨基酸
除参与蛋白质组成的20多种氨基酸外，生物体内存在大量的氨基酸中间代谢产物，它们不是蛋白质的结构单元，但在生物体内具有很多生物学功能，如尿素循环中的L-瓜氨酸和L-鸟氨酸。
（1）L-型α –氨基酸的衍生物
L-瓜氨酸
图
L-鸟氨酸
图
（2）D-型氨基酸
D-Glu、D-Ala（肽聚糖中）、D-Phe（短杆菌肽S）
（3）β-、γ-、δ-氨基酸
β-Ala（泛素的前体）、γ-氨基丁酸（神经递质）。
四、 氨基酸的构型、旋光性和光吸收
1、 氨基酸的构型
除Gly外，19种氨基酸的α-碳原子都是不对称碳原子，因此有两种光学异构体，而Thr和Ile的β-碳原子也是不对称的，因此Thr、Ile各有两个不对称碳原子，有四种光学异构体。
图 P86 L-苏氨酸 D-苏氨酸 L-别一苏 D-别-苏
构成蛋白质的氨基酸均属L-型（L-苏氨酸），大部分游离氨基酸也是L-型。
2、 旋光性
20种氨基酸中，只有Gly无手性碳。Thr、Ile各有两个手性碳。其余17种氨基酸的L型与D型互为镜象关系，互称光学异构体（对映体，或立体异构体）。一个异构体的溶液可使偏振光逆时针旋转（记为（一））。另一个异构体可使偏振光顺时针旋转（计为（+）），称为旋光性。
光学异构体的其它理化性质完全相同。
外消旋物：D-型和L-型的等摩尔混合物。
L-苏氨酸和D-苏氨酸、L-别一苏氨酸和D-别-苏氨酸分别组成消旋物，而L-（D-）苏氨酸和L-（D-）别一苏氨酸则是非对映体。
旋光性物质在化学反应时经过对称的过度态时会发生消旋现象。蛋白质在与碱共热水解时或用一般的化学方法人工合成氨基酸时也会得到无旋光性的D-、L-消旋物。。
内消旋物：分子内消旋
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胱氨酸有三种立体异构体：L-胱氨酸、D-胱氨酸、内消旋胱氨酸。
L-胱氨酸和D-胱氨酸是外消旋物
图 P86
L-胱氨酸 D-胱氨酸 内消旋胱氨酸：（分子内部互相抵消而无旋光性）
蛋白质中L型氨基酸的比旋光度
P 87 蛋白质中L型氨基酸的比旋光度。
氨基酸的旋光符号和大小取决于它的R基的性质，并与溶液的PH值有关（PH值影响氨基和羧基的解离）。
3、 氨基酸的光吸收性
20种氨基酸在可见光区域无光吸收，在远紫外区（〈220nm〉均有光吸收，在近紫外区（220-300nm）只有Tyr、Phe、Trp有吸收。
Tyr、Phe、Trp的R基含有共轭双键，在220-300nm紫外区有吸收。
λ（nm） ε
Tyr 275 1.4×103
Phe 257 2.0×102
Trp 280 5.6×103
Lambert-Beer：
五、 氨基酸的酸碱性质（重点）
1、 氨基酸在晶体和水溶液中主要以兼性离子形式存在
α-氨基酸都含有-COOH和-NH2，都是不挥发的结晶固体，熔点200-350℃，不溶于非极性溶剂，而易溶于水，这些性质与典型的羧酸（R-COOH）或胺（R-NH2）明显不同。
三个现象：
①晶体溶点高→离子晶格，不是分子晶格。
②不溶于非极性溶剂→极性分子
③介电常数高（氨基酸使水的介电常数增高，而乙醇、丙酮使水的介电常数降低。）→水溶液中的氨基酸是极性分子。
原因：α-羧基pK1在2.0左右，当pH>3.5，α-羧基以-COO-形式存在。α-氨基pK2在9.4左右，当pH<8.0时，α-氨基以α-NH+3形式存在。在pH3.5-8.0时，带有相反电荷，因此氨基酸在水溶液中是以两性离子离子形式存在。
Gly溶点232℃比相应的乙酸（16.5℃）、乙胺（-80.5℃）高，可推测氨基酸在晶体状态也是以两性离子形式存在。
图
2、 氨基酸的两性解离和酸碱滴定曲线
HA A- + H+
pH=pKa/ +Log[共轭碱]／[共轭酸] pOH=pKb/+Log[共轭酸]／[共轭碱]
（1）pH > pKa/ 时，[碱] > [酸]
pH = pKa/ 时，[碱] = [酸]
pH < pKa/ 时， [酸] > [碱]
（2） pKa/ 就是[碱] = [酸]时溶液的pH值，Ka/就是此时溶液的[H+]
（3）当[碱] = [酸]时，溶液的pH值等于pKa/
（4）Gly的两性解离和滴定曲线
图3-14 Gly的滴定曲线
在pH2.34和pH9.60处，Gly具有缓冲能力。
滴定开始时，溶液中主要是Gly+。
起点：100% Gly+ 净电荷：+1
第一拐点： 50%Gly + ，50%Gly± 平均净电荷：+0.5
第二拐点： 100%Gly± 净电荷：0 等电点pI
第三拐点： 50%Gly± ， 50%Gly- 平均净电荷：-0.5
终点： 100% Gly- 净电荷：-1
第一拐点：pH=pK+lg[Gly±]/[Gly+]，pH=pK1=2.34
第二拐点：100%Gly±，净电荷为0，此时的pH值称氨基酸的等电点pI。
第三拐点：pH=pK2+lg[Gly-]/[Gly±]=pK2=9.6
Gly的等电点：
等电点时：[Gly-]=[Gly+]
等电点时氢离子浓度用I表示
I2=K1•K2 PI=1/2(pK1+pK2)
氨基酸在等电点状态下，溶解度最小
pH > pI时，氨基酸带负电荷，-COOH解离成-COO-，向正极移动。
pH = pI时，氨基酸净电荷为零
pH < pI时，氨基酸带正电荷，-NH2解离成-N+H3，向负极移动。
以Gly为例
pH>2.34 正 +1.0 — +0.5
pH=2.34 正 +0.5
2.34<PH<5.97&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP; 0
5.97<PH<9.60&NBSP;&NBSP;&NBSP;&NBSP; — -0.5
pH>9.60 负 -0.5 — -1.0
问题：
（1）pH = pKa/ 时，缓冲能力最大，等电点时缓冲能力最小。为什么？
（2）pI的计算（氨基酸，寡肽），等电点时各组分的比例分析
（3）不同pH下的组成分析和电泳行为
pH > pI时，氨基酸带负电荷，-COOH解离成-COO-，向正极移动。
pH = pI时，氨基酸净电荷为零，溶解度最小
pH < pI时，氨基酸带正电荷，-NH2解离成-N+H3，向负极移动。
（4）利用pI和pKa/确定各种氨基酸适合的酸碱缓冲范围
（5）计算不同氨基酸水溶液的pH值
（6）绘制滴定曲线（Glu）
根据P92页表3-7中Glu的数据（pK1α-COOH 2.19， pK2α-N+H39.67，pKR R-COOH 4.25，pI 3.22）
①绘出滴定曲线
②指出Glu-和Glu=各一半时的pH值
③指出Glu总是带正电荷的pH范围
④指出Glu±和Glu-能作为缓冲液使用的pH范围
①解：见图
②Glu-和Glu=各50%时pH为9.67
③pH<3.22时 Glu总带正电荷
④Glu±和Glu-缓冲范围pH4.25左右
P92 表3-7，氨基酸的表观解离常数和等电点
①从表中（P92）可以看出，氨基酸的α-羧基pKa在1.8-2.6间，比典型羧基的pKa（如乙酸pKa为4.76）要小很多，说明氨基酸羧基的酸性此普通羧基强100倍以上。主要原因是氨基酸中α-氨基对α-羧基解离的影响（场效应）。
图
②表中只有His的咪唑基侧链在生理条件下不带电荷。
在生理条件下，只有His有缓冲能力。
血红蛋白中His含量高，在血液中具很强的缓冲能力。
六、 氨基酸的化学性质
（一） α-NH2参加的反应
1、 酰化反应
①酰化试剂：苄氧酰氯、叔丁氧甲酰氯、苯二甲酸酐、对-甲苯磺酰氯。这些酰化剂在多肽和蛋白质的人工合成中被用作氨基保护剂。
②丹磺酰氯（DNS-cl，5—二甲基氨基萘-1-磺酰氯）
DNS—cl可用于多肽链—NH2末端氨基酸的标记和微量氨基酸的定量测定。
图
N Gly—Ala—Ser—Leu—Phe C →→→→ DNS—Gly—Ala—Ser—Leu—Phe C
水解 DNS—Gly、 Ala、 Ser、 Leu、 Phe
DNS-氨基酸在紫外光激发后发黄色荧光。
③蛋白质的合成
图
④（生物体内）在酶和ATP存在条件下，羧酸也可与氨基酸的氨基作用，形成酰基化产物。
苯甲酸与Gly的氨基的酰基化反应是生物体内解毒作用的一个典型的例子。
将经过匀浆的动物肝脏组织与Gly、苯甲酸和ATP混合保温，从混合液中可分离出N-苯甲酸一Gly。
图
苯甲酸是食品防腐剂，在生物体内转变成N-苯甲酰-Gly后，可经尿排出。
2、 烷基化反应
α-氨基中的氮是一个亲核中心，能发生亲核取代反应。
①肌氨酸是存在于生物组织中重要的组分，它是Gly甲基化的产物：
图
②强亲电的有机物能与α-NH2发生烷基化反应。
第一次大战中使用的芥子气，它的主要作用是使氨基酸的α-氨基烷基化，从而破坏蛋白质的正常功能。
图
③Sanger反应（2.4一二硝基氟苯，DNFP）
图
二硝基苯基氨基酸（DNP-氨基酸），黄色，层析法鉴定，被Sanger用来测定多肽的NH2末端氨基酸。
④Edman反应（苯异硫氰酸酯，PITC）
图
苯氨基硫甲酰衍生物（PTC-氨基酸） → 苯乙内酰硫脲衍生物（PTH-氨基酸）
PTH-氨基酸，无色，可以用层析法分离鉴定。被Edman用来鉴定多肽的NH2末端氨基酸
⑤生成西佛碱的反应（Schiff）
氨基酸的α氨基与醛类反应，生成西佛碱。
图
西佛碱是某些酶促反应的中间产物（如转氨基反应的中间产物）。
⑥含硫氨基酸的烷基化反应
硫原子也是亲核中心，可发生亲核取代反应。
生物体内，最重要的甲基化剂是S-腺苷甲硫氨酸（SAM），是由Met与ATP作用得到的S-烷基化产物。
图
在酶催化下，SAM可以使多种生物分子的氨基甲基化，如磷脂酰胆碱的生物合成。
图
S-腺嘌呤核苷-高半胱氨酸（比Cys多一个CH2）
（二） α-羧基参加的反应
①成盐、成酯
分别与碱、醇作用
②成酰氯的反应（使羧基活化）
氨基被保护后，羧基可与二氯亚砜或五氯化磷反应，生成酰氯。
图
此反应使氨基酸的羧基活化，易与另一个氨基酸的氨基结合，在多肽的人工合成中常用。
（三） α-NH2和α-COOH共同参加的反应
1、 与茚三酮反应
茚三酮在弱酸中与α-氨基酸共热，引起氨基酸的氧化脱氨，脱羧反应，最后，茚三酮与反应产物——氨和还原茚三酮反应，生成紫色物质。（λmax=570nm）
定性、定量。
（四） 侧链R基参加的反应——用于蛋白质的化学修饰
（不作要求，只提一下，《陶慰孙》第四章）
七、 氨基酸的分离和分析
1、 电泳分离
电泳的基本原理
举例：Glu、Leu 、His 、Lys，4种混合样，在pH6.0时，泳动方向及相对速度。
Glu Leu His Lys
pI 3.22 5.98 7.59 9.74
图
2、 滤纸层析和薄层层析
分配原理
3、 离子交换层析分离氨基酸
磺酸型阳离子交换树脂
图
树脂先用含Na的缓冲液处理成钠盐，且pH在2左右，将氨基酸混合液（pH2-3）上柱，氨基酸此时是阳离子，与树脂上的钠离子交换，被固定在树脂上。
作用力：（1）静电吸引，（2）氨基酸侧链与树脂基质(聚苯乙烯)的疏水作用力
氨基酸分析仪
第三节 肽 peptide
一、 肽和肽键的结构
肽：是由一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基脱水缩合而成的化合物。
肽键：氨基酸间脱水后形成的共价键称肽键（酰氨键），其中的氨基酸单位称氨基酸残基。
由两个氨基酸形成的肽叫二肽，
少于10个氨基酸的肽叫寡肽，
多于10个氨基酸的肽叫多肽。
结构：P111上 5肽
主要重复单位：
侧链Ｒ：由不同的氨基酸残基构成
名称：丝氨酰甘氨酰酪氨酰丙氨酰亮氨酸
写法： Ｎ Ser-Gly--Try-Ala---Leu或ＳＧＹＡＬ，如果倒过来写，则表示不同的肽，如Leu—Ala---Tyr---Gly---Ser。
肽键的结构特点：
（1）酰胺氮上的孤对电子与相邻羰基之间的共振作用，形成共振杂化体，稳定性高。
（2）肽键具有部分双键性质，不能自由旋转，具有平面性。
图P111 下 肽键结构
结构１中，Ｃ－Ｎ单键长0.148nm
结构２中，Ｃ＝Ｎ双键长０.127nm
结构３中，Ｃ--Ｎ键长0.132nm，６个原子几乎处在同一平面内（酰氨平面）。
肽键结构介于１和２之间（结构3），是结构1和结构2之间的平均中间状态。Ｃ－Ｎ单键具有的40%的双键性质，C═O双键具有40%的单键性质。
（3）肽键亚氨基在pH0---14内不解离。
（4）肽链中的肽键一般是反式构型，而Pro的肽键可能出现顺、反两种构型．
图
二、 肽的重要性质
1、 旋光性
一般短肽的旋光度等于其各个氨基酸的旋光度的总和。蛋白质水解得到的各种短肽，只要不发生消旋作用，也具有旋光性。
2、 肽的酸碱性质
短肽在晶体和水溶液中也是以偶极离子形式存在。
在pH0―14范围内，肽键中的亚氨基不解离，因此肽的酸碱性质主要取决于Ｎ端α－ＮＨ２和Ｃ端α－COOH以及侧链Ｒ上可解离的基团。
在长肽或蛋白质中，可解离的基团主要是侧链基团。
肽中的末端α－COOH pK值比游离 a.a中的大一些，而末端α－Ｎ＋Ｈ３的pK值比游离氨基酸中的小一些，R基变化不大。
pK值改变的原因：
见Ｐ113、表３－８，比较表３－８中Gly-Gly和Gly-Gly-Gly
Gly—Glu—Lys—Ala的解离：
图 P113
pH 占优势离子的净电荷：
<3.5 +2
3.5-4.5 +1
4.5-7.8 0
7.8-10.2 -1
>10.2 -2
注意：占优势离子的净电荷不是全部离子的平均净电荷。
问题1：求出二肽Lys—Lys 及三肽Lys—Lys—Lys的pI值。
图
将Ｒ＋＋— 变成Ｒ＋—，就必须考虑R＋—与R（+ ，+ ，-1）等同，即侧链—N+H3解离50%，此时
图
Lys-Lys-Lys分子中有三个侧链可解离，它的R+-实际相对于R（+ ，+ ，+ ， -1 ），此时每个侧链解离后带有 1/3个正电荷。
问题2：把一个氨基酸结晶加入pH7.0的纯水中，得到pH6.0的溶液，此氨基酸的pI值是大于6.0？小于6.0? 还是等于6.0？ （小于6.0）
多肽的等电点，随着肽链内酸性氨基酸残基数的增加而下降，随着肽链内碱性氨基酸残基数的增加而上升。
多肽的等电点可以通过计算求得（如上例中），但残基数增大时，此法不行。可将肽链内酸性残基和碱性残基进行清点比较，推测等电点偏酸还是偏碱，然后用等电点聚焦电泳进行实验测定。
3、 肽的化学反应
和游离氨基酸一样，肽的α—羧基，α—氨基和侧链R基上的活性基团都能发生与游离氨基酸相似的反应。
凡是有肽键结构的化合物都会发生双缩脲反应，且可用于定量分析。双缩脲反应是肽和蛋白质特有的反应，游离氨基酸无此反应。
图
三、 天然存在的活性肽
生物体内存在大量的多肽和寡肽，其中有很多具有很强的生物活性，称活性肽。
生物的生长、发育、细胞分化、大脑功能、免疫、生殖、衰老、病变等都涉及到活性肽。
活性肽是细胞内部、细胞间、器官间信息沟通的主要化学信使。
很多激素、抗生素都属于肽类或肽的生物。
1、 谷胱甘肽 Glu—Cys—Gly
广泛存在于动、植、微生物细胞内，在细胞内参与氧化还原过程，清除内源性过氧化物和自由基，维护蛋白质活性中心的巯基处于还原状态。
2GSH GS—SG
H2O2 + 2GSH 2H2O + GS—SG
2、 短杆菌肽（抗生素）
由短杆菌产生的10肽环。抗革兰氏阳性细菌，临床用于治疗化浓性病症。
L-Orn—L-Leu—D-Phe—L-Pro—L-Val—L-Orn—L-Leu—D-Phe —L-Pro—L-Val
3、 脑啡肽（5肽）
已发现几十种
Met--- 脑啡肽： Tyr—Gly—Gly—Phe—Met
Leu----脑啡肽： Tyr—Gly—Gly—Phe—Leu
具有镇痛作用。
1982年，中科院上海生化所用蛋白质工程技术合成了Leu---脑啡肽，既有镇痛作用又不会象吗啡那样使人上瘾。
《神经生物化学》 神经多肽
生物体内多肽或寡肽的来源：
①合成蛋白质的剪切、修饰
②酶专一性逐步合成（如谷胱甘肽）、
③动物肠道可吸收寡肽
第四节 蛋白质的一级结构（共价结构）
蛋白质的一级结构也称共价结构、主链结构。
一、 蛋白质结构层次
一级结构（氨基酸顺序、共价结构、主链结构）
↓ 是指蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序
二级结构
↓
超二级结构
↓
构象（高级结构） 结构域
↓
三级结构(球状结构)
↓
四级结构(多亚基聚集体)
一级结构：共价结构、蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序(含二硫键)
二级结构：多肽链主链中各个肽段形成的规则的或无规则的构象。主要有α-螺旋、β折叠、β-转角、无规卷曲。
超二级结构：由两个以上二级结构单元相互聚集形成的有规则的二级结构的组合体如αα、βαβ、βββ。
结构域：大的球蛋白分子中，多肽链形成几个紧密的球状构象，彼此分开，以松散的肽链相连，此球状构象是结构域，结构域是多肽链的独立折叠单位，一般由100-200个氨基酸残基构成。
三级结构：多肽链通过盘旋、折叠，形成紧密的借各种次级键维持的球状构象。
或：蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排布，不含亚基间或分子间的空间排列关系。
四级结构：寡聚蛋白中亚基种类、数目、空间排布及亚基间相互作用力。
单链蛋白质只有一、二、三级结构，无四级结构。
RNase
单条肽链 肌红蛋白
单体蛋白 胰岛素
多条肽链 胰凝乳蛋白酶
蛋白质
相同亚基 一种乳酸脱氢酶α4
寡聚蛋白
不同亚基 血红蛋白α2β2
蛋白质一级结构(序列)中含有形成高级结构的全部需的信息，一级结构决定高级结构结构及功能。
二、 一级结构的要点
蛋白质主链由氨基酸以酰胺键连接，多肽的线性结构叫肽链，组成肽链的氨基酸叫氨基酸残基。
一级结构要点：
⑴蛋白质中的肽键都是由α-NH2和α-COOH结合生成的。
⑵每一种蛋白质都有相同的肽主链结构，各种蛋白质间的差异是蛋白质的氨基酸种类、数量及排列顺序不同。
⑶氨基酸的α-NH2和α-COOH缩合，只有末端及侧链基团有化学活性。
⑷每个蛋白质或每个蛋白质的亚基只有一个α-NH2 和α-COOH
⑸分子量大于5000的活性肽才能称为蛋白质。
三、 ．蛋白质一级结构测定
推断 预测
氨基酸序列（一级结构） → 空间结构 （高级结构） → 功能
（一） 蛋白质测序的一般步骤
祥见 P116
（1） 测定蛋白质分子中多肽链的数目。
（2） 拆分蛋白质分子中的多肽链。
（3） 测定多肽链的氨基酸组成。
（4） 断裂链内二硫键。
（5） 分析多肽链的N末端和C末端。
（6） 多肽链部分裂解成肽段。
（7） 测定各个肽段的氨基酸顺序
（8） 确定肽段在多肽链中的顺序。
（9） 确定多肽链中二硫键的位置。
（二） 蛋白质测序的基本策略
对于一个纯蛋白质，理想方法是从N端直接测至C端，但目前只能测60个N端氨基酸。
1、 直接法（测蛋白质的序列）
两种以上特异性裂解法
N C
A 法裂解 A1 A2 A3 A4
B 法裂解 B1 B2 B3 B4
用两种不同的裂解方法，产生两组切点不同的肽段，分离纯化每一个肽段，分离测定两个肽段的氨基酸序列，拼接成一条完整的肽链。
2、 间接法（测核酸序列推断氨基酸序列）
核酸测序，一次可测600-800bp
（三） 测序前的准备工作
1、 蛋白质的纯度鉴定
纯度要求，97%以上，且均一，纯度鉴定方法。（两种以上才可靠）
⑴聚丙烯酰胺凝胶电泳(PAGE)要求一条带
⑵DNS—cl（二甲氨基萘磺酰氯）法测N端氨基酸
2、 测定分子量
用于估算氨基酸残基n=
方法：凝胶过滤法、沉降系数法
3、 确定亚基种类及数目
多亚基蛋白的亚基间有两种结合方式：
⑴非共价键结合
8mol/L尿素，SDS SDS-PAGE测分子量
⑵二硫键结合
过甲酸氧化：
—S—S—+HCOOOH → SO3H
β巯基乙醇还原：
举例:： 血红蛋白 (α2β2)
（注意，人的血红蛋白α和β的N端相同。）
分子量： M
拆亚基： M1 、M2 两条带
拆二硫键： M1 、M2 两条带
分子量关系： M = 2M1 + 2M2
4、 测定氨基酸组成
主要是酸水解，同时辅以碱水解。氨基酸分析仪自动进行。
确定肽链中各种a.a出现的频率,便于选择裂解方法及试剂。
①Trp测定
对二甲基氨基苯甲醛 590nm。
②Cys 测定
5、5/一二硫代双（—2—硝基苯甲酸）DTNB ，412nm
5、 端基分析
①N端分析
DNS-cl法：最常用，黄色荧光，灵敏度极高，DNS-多肽水解后的DNS-氨基酸不需要提取。
DNFB法：Sanger试剂，DNP-多肽，酸水解，黄色DNP-氨基酸，有机溶剂（乙酸乙酯）抽提分离，纸层析、薄层层析、液相等
PITC法：Edman法，逐步切下。无色PTH-氨基酸，有机溶剂抽提，层析。
②C端分析
A．肼解法
H2N-A-B-C-D-COOH 无水肼NH2NH2 100℃ 5-10h。
A-NHNH2 、 B-NHNH2 、 C-NHNH2 、 D-COOH
氨基酸的酰肼，用苯甲醛沉淀，C端在上清中，Gln、Asn、Cys、Arg不能用此法。
B．羧肽酶法（Pro不能测）
羧肽酶A：除Pro、Arg、Lys外的所有C端a.a
羧肽酶B：只水解Arg、Lys
N H2N… … … … …Val—Ser—Gly C
图 P118 羧肽酶法测C末端
（四） 肽链的部分裂解和肽段的分离纯化
1、 化学裂解法
①溴化氰 —Met—X— 产率85%
②亚碘酰基苯甲酸 —Trp—X— 产率70-100%
③NTCB（2-硝基-5-硫氰苯甲酸）—X—Cys—
④羟胺NH2OH —Asn—Gly—
约150个氨基酸出现一次
2、 酶法裂解
①胰蛋白酶 Lys X
(X ≠ Pro)
Arg—— X
②胰凝乳蛋白酶 Tyr——X
(X ≠ Pro)
Trp——X
Phe——X
胃蛋白酶
Phe(Trp、 Try、 Leu)——Phe(Trp、 Try、 Leu)
③Glu蛋白酶 Glu——X
（V8蛋白酶）
④Arg蛋白酶 Arg——X
⑤Lys蛋白酶 X——Lys
⑥Pro蛋白酶 Pro——X
3、 肽段的分离纯化
①电泳法 ＳＤＳ－ＰＡＧＥ
根据分子量大小分离
②离子交换层析法（DEAE—Cellulose、DEAE—Sephadex）
根据肽段的电荷特性分离
③反相ＨＰＬＣ法
根据肽段的极性分离
④凝胶过滤
4、 肽段纯度鉴定
分离得到的每一个肽段，需分别鉴定纯度，常用ＤＮＳ－c l法
要求：ＳＤＳ－ＰＡＧＥ单带、ＨＰＬＣ单峰、Ｎ端单一。
（五） 肽段的序列测定及肽链的拼接
1、 Edman法
一次水解一个Ｎ端a.a
（1）耦联
PITC ＋ H２N—A-B-C-D…… pH8—9 ，40℃ PTC——A-B-C-D……
（2）裂解
PTC—A-B-C-D……TFA无水三氟乙酸 ATZ—A + H2N—B-C-D
（3）转化
ATZ—A PTH—A
用GC或HPLC测定PTH-A
PTC肽：苯氨基硫甲酰肽
ATZ：噻唑啉酮苯胺（一氨基酸）
PTH：苯乙内酰硫脲（一氨基酸）
耦联：得PTC肽
一次循环 裂解：ATZ- a.a
转化：PTH-a.a
反应产率 99％ 循环次数 120
(偶联、降 98% 60
解两步） 90% 40
2、 DNS-Edman法
用DNS法测N末端，用Edman法提供（n-1）肽段。
Ａ－Ｂ－Ｃ－Ｄ－Ｅ肽
图
3、 有色Edman法
荧光基团或有色试剂标记的PITC试剂。
4、 用自动序列分析仪测序
仪器原理：Edman法，可测60肽。
1967液相测序仪
自旋反应器，适于大肽段。
1971固相测序仪
表面接有丙氨基的微孔玻璃球，可耦连肽段的Ｃ端。
1981气相测序仪
用Polybrene反应器。
（聚阳离子）四级铵盐聚合物
液相：5nmol 20-40肽 97%
气相：5pmol 60 肽 98%
5、 肽段拼接成肽链
16肽，Ｎ端H Ｃ端Ｓ
Ａ法裂解：ONS PS EOVE RLA HOWT
Ｂ法裂解：
SEO WTON VERL APS HO
重叠法确定序列：HOWTONSEOVER LAPS
（六） 二硫键、酰胺及其他修饰基团的确定
1、 二硫键的确定（双向电泳法）
碘乙酰胺封闭-SH
胃蛋白酶酶解蛋白质
第一向电泳
过甲酸氧化—S—S—生成-SO3H
第二向电泳
分离出含二硫键的两条短肽，测序
与拼接出的肽链比较，定出二硫键的位置。
2、 酰胺的确定
Asp –Asn、Glu-Gln
酶解肽链，产生含单个Asx或Glx的肽，用电泳法确定是Asp还是Asn
举例：Leu-Glx-Pro-Val肽在pH=6.0 时，电荷量是 Leu+ Pro0 Val-
此肽除Glx外，净电荷为0，可根据此肽的电泳行为确定是Glu或是Gln。
3、 糖、脂、磷酸基位置的确定
糖类通过Asn、Ser与蛋白质连接，-N-糖苷 -0-糖苷
脂类：Ser、 Thr、Cys
磷酸：Ser、 Thr、His
经验性序列： Lys(Arg)-Ser-Asn-Ser(PO4)
Arg-Thr-Leu-Ser(PO4)
Lys(Arg) –Ala-Ser(PO4)
四、 蛋白质的一级结构与生物功能
（一） 蛋白质的一级结构决定高级结构和功能
蛋白质一级结构举例：
（1） 牛胰岛素
Sanger于1953年首次完成测序工作。
P128 图3-38
分子量：5700 dalton
51个a.a残基，A链21个残基，B链30个残基，
A链内有一个二硫键 Cys 6—Cys 11
A.B链间有二个二硫键 A.Cys 7 — B Cys 7
A.Cys 20—B Cys 19
（2）核糖核酸酶（RNase）
P128 图3-39
分子量：12600
124个a.a残基
4个链内二硫键。
牛胰RNase变性一复性实验：
P164 图3-69。
(8M尿素+β硫基乙醇)变性、失活→透析，透析后构象恢复，
活性恢复95%以上，而二硫键正确复性的概率是1/105。
（3）人血红蛋白α和β链及肌红蛋白的一级结构
P129 图3-40
（二） 同源蛋白质一级结构的种属差异与生物进化
同源蛋白质：在不同的生物体内具有同一功能的蛋白质。如：血红蛋白在不同的脊椎动物中都具有输送氧气的功能，细胞色素在所有的生物中都是电子传递链的组分。
同源蛋白质的特点：
①多肽链长度相同或相近
②同源蛋白质的氨基酸顺序中有许多位置的氨基酸对所有种属来说都是相同的，称不变残基，不变残基高度保守，是必需的。
③除不变残基以外，其它位置的氨基酸对不同的种属有很大变化，称可变残基，可变残基中，个别氨基酸的变化不影响蛋白质的功能。
通过比较同源蛋白质的氨基酸序列的差异可以研究不同物种间的亲源关系和进化，亲源关系越远，同源蛋白的氨基酸顺序差异就越大。
1、 细胞色素C
存在于线粒体膜内，在真核细胞的生物氧化过程中传递电子。
P130，图3-41
分子量：12500左右
氨基酸残基：100个左右，单链。
25种生物中，细胞色素C的不变残基35个。
60种生物中，细胞色素C的不变残基27个。
亲源关系越近的，其细胞色素C的差异越小。
亲源关系越远的，其细胞色素C的差异越大。
人与黑猩猩 0
人与猴 1
人与狗 10
人与酵母 44
2、 胰岛素
祥见 P175 胰岛素的结构与功能
不同生物的胰岛素a.a序列中，有24个氨基酸残基位置始终不变，
A．B链上6个Cys 不变（重要性），其余18（24-6）个氨基酸多数为非极性侧链，对稳定蛋白质的空间结构起重要作用。
其它氨基酸 对稳定蛋白质的空间结构作用不大，但对免疫反应起作用，猪与人接近，而狗则与人不同，因此可用猪的胰岛素治疗人的糖尿病。
（三） 蛋白质一级结构的个体差异—分子病
分子病：基因突变引起某个功能蛋白的某个（些）氨基酸残基发生了遗传性替代从而导致整个分子的三维结构发生改变，致使其功能部分或全部丧失。
Linus Pauling首先发现镰刀形红细胞贫血现是由于血红蛋白发生了遗传突变引起的，成人的血红蛋白是由两条相同的a链和两条相同的b链组成a2b2，镰刀形红细胞中，血红蛋白b链第6位的aa线基由正常的Glu变成了疏水性的Val。因此，当血红蛋白没有携带O2时就由正常的球形变成了刚性的棍棒形，病人的红细胞变成镰刀形，容易发生溶血作用(血细胞溶解)导致病血，棍棒形的血红蛋白对O2的结合力比正常的低。
以血红蛋白为例：α2β2寡聚蛋白
正常人血红蛋白，β.N......Glu 6
镰刀型贫血 β.N......Val 6
生理条件下电荷：
Va10 Glu-
疏水 亲水
人的血红蛋白分子的四条肽链中（574个氨基酸残基）只有两个Glu分子变化成Va1分子，就能发生镰刀状细胞贫血病。
（四） 一级结构的部分切除与蛋白质的激活
一些蛋白质、酶、多肽激素在刚合成时是以无活性的前体形式存在，只有切除部分多肽后才呈现生物活性，如血液凝固系统的血纤维蛋白原和凝血酶原，消化系统的蛋白酶原、激素前体等。
1、 血液凝固的机理
凝血因子（凝血酶原致活因子）
凝血酶原 凝血酶
纤维蛋白原A 纤维蛋白B 凝胶
（1）、 凝血酶原
P133 图3-43 凝血酶原的结构糖蛋白，分子量66000，582个a.a残基，单链。
在凝血酶原致活因子催化下，凝血酶原分子中的Arg274—Thr275和Arg323—Ile324断裂，释放出274个a.a，产生活性凝血酶。
A链49 a.a
B链259 a.a
（2）、 纤维蛋白原
P133 图3-44 纤维蛋白原的结构
α2β2r2
α肽：600个氨基酸，β肽：461氨基酸，r肽：410个氨基酸
在凝血酶作用下，从二条α链和二条β链的N端各断裂一个特定的肽键-Arg—Gly-，释放出二个纤维肽A（19个氨基酸）和二个纤维肽B（21个氨基酸），它们含有较多的酸性氨基酸残基。
P133 纤维肽A .B的结构
A、B肽切除后，减少了蛋白质分子的负电荷，促进分子间聚集，形成网状结构。
P134上
在凝血因子XIIIa（纤维蛋白稳定因子）催化下，纤维蛋白质单体间形成共价健（Gln-Lys结合），生成交联的纤维蛋白。
2、 胰岛素原的激活
P134图3-45
胰岛素在胰岛的β细胞内质网的核糖体上合成，称前胰岛素原，含信号肽。前胰岛素原在信号肽的引导下，进入内质网腔，进入后，信号肽被信号肽酶切除，生成胰岛素原，被运至高尔基体贮存。并在特异的肽酶作用下，切除C肽，得到活性胰岛素。
五、 多肽与蛋白质的人工合成
在医药和研究方面意义重大
1958年，北大生物系合成催产素8肽。
1965年，中国科学院生化所、有机所、北大化学系人工合成牛胰岛素。
1969年，美国Merrifield用自动化的固相多肽合成仪合成第一个酶——牛胰RNase（124aa—）。
P139图3-46 多肽的固相合成
C端 N端。
挂接→去保护→中和→缩合→去保护→中和→缩合
第五节 蛋白质的二级结构和纤维状蛋白质
二级结构是指多肽链中有规则重复的构象。
一、 肽链的构象
多肽链的共价主链上所有的α--碳原子都参与形成单键，因此，从理论上讲，一个多肽主链能有无限多种构象。
但是，目前已知，一个蛋白质的多肽链在生物体内只有一种或很少几种构象，且相当稳定，这种构象称天然构象，此时蛋白质具有生物活性，这一事实说明：天然蛋白质主链上的单键并不能自由旋转。
1、 肽链的二面角
P143图3-51、图3-52
多肽主链上只有α碳原子连接的两个键（Cα—N1和Cα-C2）是单键，能自由旋转。
环绕Cα—N键旋转的角度为Φ
环绕Cα—C2键旋转的角度称Ψ
多肽链的所有可能构象都能用Φ和Ψ这两个构象角来描述，称二面角。
当Φ的旋转键Cα-N1两侧的N1-C1和Cα-C2呈顺式时，规定Φ=0°。
当Ψ的旋转键Cα-C2两侧的Cα-N1和C2-N2呈顺式时，规定Ψ=0°。
从Cα向N1看，顺时针旋转Cα-N1键形成的Φ角为正值，反之为负值。
从Cα向C2看，顺时针旋转Cα- C2键形成的Ψ角为正值，反之为负值。
2、 多肽链折叠的空间限制
Φ和Ψ同时为0的构象实际不存在，因为两个相邻肽平面上的酰胺基H原子和羰基0原子的接触距离比其范德华半经之和小，空间位阻。
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因此二面角（Φ、Ψ）所决定的构象能否存在，主要取决于两个相邻肽单位中非键合原子间的接近有无阻碍。
Cα上的R基的大小与带电性影响Φ和Ψ
P144表3-12 蛋白质中非键合原子间的最小接触距离。
拉氏构象图：Ramachandran根据蛋白质中非键合原子间的最小接触距离，确定了哪些成对二面角（Φ、Ψ）所规定的两个相邻肽单位的构象是允许的，哪些是不允许的，并且以Φ为横坐标，以Ψ为纵坐标，在坐标图上标出，该坐标图称拉氏构象图。
P145 拉氏构象图（Gly除外）
⑴实线封闭区域
一般允许区，非键合原子间的距离大于一般允许距离，此区域内任何二面角确定的构象都是允许的，且构象稳定。
⑵虚线封闭区域
是最大允许区，非键合原子间的距离介于最小允许距离和一般允许距离之间，立体化学允许，但构象不够稳定。
⑶虚线外区域
是不允许区，该区域内任何二面角确定的肽链构象，都是不允许的，此构象中非键合原子间距离小于最小允许距离，斥力大，构象极不稳定。
Gly的Φ、Ψ角允许范围很大。
总之，由于原子基因之间不利的空间相互作用，肽链构象的范围是很有限的，对非Gly 氨基酸残基一般允许区占全平面的7.7%，最大允许区占全平面20.3％。
二、 二级结构的基本类型
驱使蛋白质折叠的主要动力：
(1)暴露在溶剂中的疏水基团降低至最少程度。
(2)要保持处于伸展状态的多肽链和周围
水分子间形成的氢键相互作用的有利能量状态。
1、 α螺旋
（1）、 α螺旋及其特征
在α螺旋中，多肽主链按右手或左手方向盘绕，形成右手螺旋或左手螺旋，相邻的螺圈之间形成链内氢键，构成螺旋的每个Cα都取相同的二面角Φ、Ψ。
典型的α螺旋有如下特征：
① 二面角：Φ= -57°, Ψ= - 48°，是一种右手螺旋
回忆 P143图3-52
② 每圈螺旋：3.6个a.a残基， 高度：0.54nm
③ 每个残基绕轴旋转100°，沿轴上升0.15nm
④ 氨基酸残基侧链向外
⑤ 相邻螺圈之间形成链内氢链，氢键的取向几乎与中心轴平行。
⑥ 肽键上N-H氢与它后面（N端）第四个残基上的C=0氧间形成氢键。
图
这种典型的α螺旋用3.613表示，3.6表示每圈螺旋包括3.6个残基，13表示氢键封闭的环包括13个原子。
2.27螺旋（n=1）
310 螺旋（n=2，Φ= -49°, Ψ= - 26°）
613螺旋（n=3）
4.316螺旋（n=4）
封闭环原子数3n+4（n=1、2、.....）
2.27 310 3.613 4.316
n=1 n=2 n=3 n=4
α-螺旋 π-螺旋
（2）、 R侧链对α—螺旋的影响
R侧链的大小和带电性决定了能否形成α—螺旋以及形成的α—螺旋的稳定性。
① 多肽链上连续出现带同种电荷基团的氨基酸 残基,(如Lys，或Asp，或Glu)，则由于静电排斥，不能形成链内氢键，从而不能形成稳定的α—螺旋。如多聚Lys、多聚Glu。而当这些残基分散存在时，不影响α—螺旋稳定。
② Gly的Φ角和Ψ角可取较大范围，在肽中连续存在时，使形成α—螺旋所需的二面角的机率很小，不易形成α—螺旋。丝心蛋白含50%Gly，不形成α—螺旋。
③ R基大（如Ile）不易形成α—螺旋
④ Pro、脯氨酸中止α—螺旋。
⑤ R基较小，且不带电荷的氨基酸利于α—螺旋的形成。如多聚丙氨酸在pH7的水溶液中自发卷曲成α—螺旋。
（3）、 pH对α—螺旋的影响
多聚L-Glu和多聚L-Lys
P149 图3-57
（4）、 右手α-螺旋与左手α-螺旋
图 P148
右手螺旋比左手螺旋稳定。
蛋白质中的α—螺旋几乎都是右手，但在嗜热菌蛋白酶中有很短的一段左手α—螺旋，由Asp-Asn-Gly-Gly（226-229）组成（φ+64°、Ψ+42°）。
（5）、 α-螺旋结构的旋光性
由于α-螺旋结构是一种不对称的分子结构，因而具有旋光性，原因：（1）α碳原子的不对称性，（2） 构象本身的不对称性。
天然α—螺旋能引起偏振光右旋，利用α—螺旋的旋光性，可测定蛋白质或多肽中α—螺旋的相对含量，也可用于研究影响α—螺旋与无规卷曲这两种构象之间互变的因素。
α-螺旋的比旋不等于构成其本身的氨基酸比旋的加和，而无规卷曲的肽链比旋则等于所有氨基酸比旋的加和。
（6）、 α-螺旋（包括其它二级结构）形成中的协同性
一旦形成一圈α-螺旋后，随后逐个残基的加入就会变的更加容易而迅速
2、 β-折叠
P149 图3—58 P150 图3—59
两条或多条几乎完全伸展的多肽链（或同一肽链的不同肽段）侧向聚集在一起，相邻肽链主链上的NH和C=0之间形成氢链，这样的多肽构象就是β-折叠片。β-折叠中所有的肽链都参于链间氢键的形成，氢键与肽链的长轴接近垂直。多肽主链呈锯齿状折叠构象，侧链R基交替地分布在片层平面的两侧。
平行式：所有参与β-折叠的肽链的N端在同一方向。
反平行式：肽链的极性一顺一倒，N端间隔相同
平行式：φ=-119° Ψ=+113°
反平行式：φ=-139° Ψ=+135°
从能量上看，反平β-折叠比平行的更稳定，前者的氢键NH---O几乎在一条直线上，此时氢键最强。
在纤维状蛋白质中β-折叠主要是反平行式，而在球状蛋白质中反平行和平行两种方式都存在。
在纤维状蛋白质的β-折叠中，氢键主要是在肽链之间形式，而在球状蛋白质中，β-折叠既可在不同肽链间形成，也可在同一肽链的不同部分间形成。
3、 β-转角（β-turn）
β-转角也称β-回折（reverse turn）、β-弯曲（β-bend）、发夹结构（hair-pin structure）
β-转角是球状蛋白质分子中出现的180°回折，有人称之为发夹结构，由第一个a.a残基的C=O与第四个氨基酸残基的N-H间形成氢键。
目前发现的β转角多数在球状蛋白质分子表面，β转角在球状蛋白质中含量十分丰富，占全部残基的1/4。
β转角的特征：
①由多肽链上4个连续的氨基酸残基组成。
②主链骨架以180°返回折叠。
③第一个a.a残基的C=O与第四个a.a残基的N-H生成氢键
④C1α与C4α之间距离小于0.7nm
⑤多数由亲水氨基酸残基组成。
4、 无规卷曲
没有规律的多肽链主链骨架构象。
球状蛋白中含量较高，对外界理化因子敏感，与生物活性有关。
α-螺旋，β-转角，β-折叠在拉氏图上有固定位置，而无规卷曲的φ、Ψ二面角可存在于所有允许区域内。
三、 超二级结构
由若干个相邻的二级结构单元（α-螺旋、β-折叠、β-转角及无规卷曲）组合在一起，彼此相互作用，形成有规则的、在空间上能够辨认的二级结构组合体。
1、 αα结构（复绕α-螺旋）
由两股或三股右手α-螺旋彼此缠绕而成的左手超螺旋，重复距离140A。
p153 图3-61 A
存在于α-角蛋白，肌球蛋白，原肌球蛋白和纤维蛋白原中。
2、 βxβ结构
两段平行式的β-链（或单股的β-折叠）通过一段连接链（x结构）连接而形成的超二级结构。
①βcβ
x为无规卷曲
p153 图3-61 B
②βαβ
x为α-螺旋，最常见的是βαβαβ，称Rossmann折叠，存在于苹果酸脱氢酶，乳酸脱氢酶中。
p153 图3-61 C
3、 β曲折（β-meander）
由三条（以上）相邻的反平行式的β-折叠链通过紧凑的β-转角连接而形成的超二级结构。
P153图3-61 D
4、 回形拓扑结构（希腊钥匙）
P153图3-61 E
5、 β-折叠桶
由多条β-折叠股构成的β-折叠层，卷成一个筒状结构，筒上β折叠可以是平行的或反平行的，一般由5-15条β-折叠股组成。
超氧化物歧化酶的β-折叠筒由8条β-折叠股组成。筒中心由疏水氨基酸残基组成。
6、 α-螺旋-β转角-α-螺旋
两个α-螺旋通过一个β转角连接在一起。
λ噬菌体的λ阻遏蛋白含此结构。在蛋白质与DNA的相互作用中，此种结构占有极为重要的地位。
四、 纤维状蛋白质
纤维状蛋白质的氨基酸序列很有规律，它们形成比较单一的、有规律的二级结构，结果整个分子形成有规律的线形结构，呈现纤维状或细棒状，分子轴比（轴比：长轴/短轴）大于10，轴比小于10是的球状蛋白质。
广泛分布于脊椎和无脊椎动物体内，占脊椎动物体内蛋白质总量的50%以上，起支架和保护作用。
1、 角蛋白
源于外胚层细胞，包括皮肤及皮肤的衍生物（发、毛、鳞、羽、甲、蹄、角、爪、丝）可分为α-角蛋白和β角蛋白。
（1）、 α-角蛋白
P155 图3-63，P156 图3-64
主要由α-螺旋结构组成，三股右手α-螺旋向左缠绕形成原纤维，原纤维排列成“9+2”的电缆式结构称微纤维，成百根微纤维结合成大纤微
结构稳定性由二硫键保证，α-角蛋白在湿热条件下可伸展转变成β-构象，烫发的化学机理Cys含量较高。
？a-角蛋白(a-Keratin)中有两种类型的多肽链：I型和II型。每一个I型多肽型和一个II型多肽链形成一个卷曲螺旋二聚体(Coiled coil dimmer)。一对卷曲螺旋反平行式地形成左手超螺旋结构称原纤维(Protofilament，4股右手a-螺旋)，原纤维的亚基间以氢键和二硫键相连。4个原纤维形成微纤维，成百根微纤维形成大纤维，每一个头发细胸，也将纤维(fiber)含有数个大纤维，一根头发就是由无数的死细胞相互间以角蛋白相连组成的。？
（2）、 β-角蛋白
P157 图3-65
含大量的Gly、Ala、Ser，以β-折叠结构为主。
丝心蛋白取片层结构，即反平行式β-折叠片以平行的方式堆积成多层结构。链间主要以氢键连接，层间主要靠范德华力维系。
2、 胶原蛋白
3、 弹性蛋白
4、 肌球蛋白、肌动蛋白和微管蛋白
第六节 球状蛋白质的高级结构与功能
前面讲了蛋白质结构的两个较低级的组织水平：一级结构和二级结构（包括超二级结构），本节讲述蛋白质（主要是球蛋白）的高级结构：结构域、三级结构、四级结构，及其与生物功能。
一、 蛋白质的一级结构决定高级结构
蛋白质功能的复杂性和多样性是建立在结构多样性的基础上。
多肽链的二级结构由R基的短程顺序决定，当一组在肽链上相邻的氨基酸残基具有适当的顺序时，能自发形成α-螺旋和β-折叠，并处于稳定状态。
而多肽链的三级结构由氨基酸的长程顺序决定，如产生特异转弯的氨基酸残基（Pro、Thr、Ser）的精确位置决定多肽链转弯形成的方向和角度。
同源蛋白质的不变残基决定蛋白质的高级结构。
RNase的变性、复性实验，证明蛋白质的三维构象归根结底是复杂生物大分子的“自我装配”。
P164 图3-69 RNase的变性与复性示意图二、 球状蛋白质的结构域、三级结构与功能
（一） 结构域
结构域(domain)，又称motif(模块)
在二级结构及超二级结构的基础上，多肽链进一步卷曲折叠，组装成几个相对独立、近似球形的三维实体。结构域是球状蛋白的折叠单位，多肽链折叠的最后一步是结构域间的缔合。
对于较小的蛋白质分子或亚基来说，结构域和三级结构往往是一个意思，就是说这些蛋白质是单结构域的。
结构域一般有１００－２００氨基酸残基，结构域之间常常有一段柔性的肽段相连，形成所谓的铰链区，使结构域之间可以发生相对移动。
每个结构域承担一定的生物学功能，几个结构域协同作用，可体现出蛋白质的总体功能。例如，脱氢酶类的多肽主链有两个结构域，一个为NAD+结合结构域，一个是起催化作用的结构域，两者组合成脱氢酶的脱氢功能区。
结构域间的裂缝，常是活性部位，也是反应物的出入口。一般情况下，酶的活性部位位于两个结构域的裂缝中。
EF手：钙结合蛋白中，含有Helix-Loop-Lelix结构
锌指：DNA结合蛋白中，2个His、2个Cys结合一个Zn
亮氨酸拉链：DNA结合蛋白中，由亮氨酸倒链形成的拉链式结构，
图5.19
（二） 三级结构：
三级结构：整个多肽链在二级结构、超二级结构和结构域的基础上盘旋、折叠，形成的特定的整个空间结构。
或者说，三级结构是多肽链中所有原子的空间排布。
1、 三级结构有以下特点：
许多在一级结权上相差很远的aa碱基在三级结构上相距很近。
‚ 球形蛋白的三级结构很密实，大部分的水分子从球形蛋白的核心中被排出，这使得极性基团间以及非极性基团间的相互用成为可能。
ƒ 大的球形蛋白(200aa以上)，常常含有几个结构域，结构域是一种密实的结构体，典型情况下常常含有特定的功能(如结合离子和小分子)
2、 维持三级结构的作用力：
P164 图3-70
（1）氢键
大多数蛋白质采取的折叠策略是使主链肽基之间形成最大数目的分子内氢键（如α-螺旋、β-折叠），同时保持大部分能成氢键的侧链处于蛋白质分子表面，与水相互作用。
（2）范德华力（分子间及基团间作用力）
包括三种弱的作用力：
定向效应 极性基团间
诱导效应 极性与非极性基团间
分散效应 非极性基团间
（3）疏水相互作用
蛋白质中的疏水残基避开水分子而聚集在分子内部的趋向力。它在维持蛋白质的三级结构方面占有突出的地位。
（4）离子键（盐键）
是正电贺和负电荷之间的一种静电作用。
生理pH下，Asp、Glu侧链解离成负离子，Ｌys、Arg、His离解成正离子。多数情况下，这些基团分布在球状蛋白质分子的表面，与水分子形成排列有序的水化层。偶尔有少数带相反电荷的测链在分子的疏水内部形成盐键。
（5）共价健，主要的是二硫键，
在二硫键形成之前，蛋白质分子已形成三级结构，二硫键不指导多肽链的折叠，三级结构形成后，二硫键可稳定此构象。
主要存在于体外蛋白中，在细胞内，由于有高浓度的还原性物质，所以没有二硫键。
6、静电相互作用
最强的静电作用就是带相反电何的离子基因间的静电作用，又称盐桥。盐桥和较弱的静电相互作用(离子-偶级、偶级-偶级、范德华力)也是维持亚基间以及蛋白质与配体间的作用力。
3、 免疫球蛋白的一级结构
P193 图3-99
第七节 蛋白质的性质与分离、纯化、鉴定
一、 蛋白质的酸碱性质
蛋白质也是一类两性电解质，能和酸、碱发生作用。
在蛋白质分子中，可解离基团主要是侧链基团，及少数N端-NH2和C端-COOH。
P197 表3-16
天然球状蛋白质的可解离基团大部分可被滴定，而某些天然蛋白质中有一部分可解离基因由于埋藏在分子内部或参与氢键形成而不能解离。
1、 等电点和等离子点（中性盐Ca2+、Mg2+、cl、HPO42++）
等电点：
P198表3-17 3-18
蛋白质的等电点和它所含的酸性氨基酸残基和碱性氨基酸残基的比例有关。
等离子点：没有其它盐类干扰时，蛋白质质子供体解离出的质子数与质子受体结合的质子数相等时的pH值称等离子点，是每种蛋白质的特征常数。
在等电点条件下，蛋白质的电导性、溶解度最小，粘度最大。
2、 蛋白质的电泳分离
聚丙烯酰胺凝胶电泳PAGE
SDS-PAGE（荷质比相同，分子量不同）
3、 离子交换层析分离蛋白质
与氨基酸分离原理相似
二、 蛋白质的大小与形状
测分子量的方法：
化学组成法
凝胶过滤法
SDS-PAGE法
三、 胶体性质与蛋白质的沉淀
蛋白质分子直径在1-100nm之间，在水溶液中具有胶体溶液的通性（布朗运动，丁达耳现象，不能通过半透膜）
透析：将含小分子杂质的蛋白质放入透析袋中，置水溶液中，小分子杂质不断从袋中出来，大分子蛋白质仍留在袋中。
蛋白质在水中溶解度依赖于多肽链氨基酸残基侧链基团的相对极性，离子化基因数量越多，溶解度越大。
1、 稳定蛋白质胶体溶液的主要因素
①蛋白质表面极性基团形成的水化膜将蛋白质颗粒彼此隔开，不会互相碰撞凝聚而沉淀。
②两性电解质非等电状态时，带同种电荷，互相排斥不致聚集而沉淀。
一旦电荷被中和或水化膜被破坏，蛋白质颗粒聚集，便从溶液中析出沉淀。
2、 沉淀蛋白质的方法
①盐析法 向蛋白质溶液中加入大量的中性盐[（NH4）2SO4、Na2SO4、Nacl]，使蛋白质脱去水化层而聚集沉淀。
②有机溶剂沉淀法 破坏水化膜，降低介电常数
③重金属盐沉淀
pH大于等电点时，蛋白质带负电荷，可与重金属离子（Hg2+. Pb2+. Cu2+ 等）结成不溶性沉淀
④生物碱试剂和某些酸类沉淀法
pH小于等电时，蛋白质带正电荷，易与生物碱试剂和酸类的负离子生成不溶性沉淀。
生物碱试剂：是指能引起生物碱沉淀的一类试剂，单宁酸、苦味酸、钨酸。
酸 类：三氯乙酸、磺基水杨酸。
⑤加热变性沉淀。
往往是不可逆的。
四、 蛋白质的变性
变性作用：理、化因素影响，使蛋白质生物活性丧失，溶解度下降，不对称性增大及其它理化常数改变。
（1）变性的因素：
强酸和强碱；‚ 有机溶剂，破坏疏水作用；ƒ 去污剂、去污剂都是两亲分子，破坏疏水作用；„ 还原性试剂：尿素、b-硫基乙醇；… 盐浓度、盐析、盐溶；† 重金属离子，Hg2+、pb2+，能与-SH或带电基团反应。‡ 温度；ˆ 机械力：如搅拌和研磨中的气泡。
（2）变性的实质：
次级键（有时包括二硫键）被破坏，天然构象解体。变性不汲及一级结构的破坏。
（3）蛋白质变性后，往往出现下列现象：
①结晶及生物活性丧失是蛋白质变性的主要特征。
②硫水侧链基团外露。
③理化性质改变，溶解度降低、沉淀，粘度增加，分子伸展。
④生理化学性质改变。分子结构伸展松散，易被蛋白酶水解。
实际应用：
A.消毒灭菌：75%乙醇，紫外线，高温。
B.制备活性蛋白质时严防蛋白质变性。
（4）变性机理
①热变性（往往是不可逆的）多肽链受到过分的热振荡，引起氢链破坏。
②酸碱变性：破坏了盐链。
③有机溶剂：破坏水化膜，降低蛋白质溶液介电常数。
（5）可逆变性与不可逆变性
有人认为：二级、三级或四级结构遭受被破坏即为变性，三级（或四级）结构被破坏时引起可逆变性，而二级及三级（或四级）结构一并遭破坏时引起不可逆变性。
五、 分离纯化蛋白质的主要方法
实质：①蛋白与非蛋白分开，②蛋白质之间分开
原理：
1. 溶解度差异
PEG沉淀法
有机溶剂沉淀法
等电点沉淀法
2. 热稳定性差异
热处理沉淀法
铜锌SOD（65℃、15分钟、稳定）
3. 电荷性质差异
离子交换层析法
电泳法
4. 分子大小和形状差异
凝胶过滤、超滤法
透析法、离心法
5. 亲和力的差异
亲和层析法
某种蛋白质能与一种配基特异而非共价结合。
配基是指能被生物大分子识别并与之结合的原子、原子团和分子，如酶的底物、辅酶、调节效应物及其结构类似物，激素与受体蛋白、抗原与抗体。
分离原理：
P224 图3-124
u 蛋白质毒素
一些致病生物产生的毒素中有很多是蛋白质。毒性机理有： 破坏细胞膜；‚ 干扰细胞内机能；ƒ 抑制神经细胞突触的功能。
直接作用于细胞膜的毒素称溶细胞毒素，可以由细菌、真菌、植物、鱼、蛇等产生。链球菌属(Streptoccus)Pyogene产生的链球菌溶血素(包括0.5等)，能使精细胞产生孔洞，Na+等离子外渗，细胞死亡。链球菌溶血素O是产生风湿热的原因之一(rheiematie fever)。此外，一些有毒的酶点，如蛇的磷酯酶在A2也能破坏细胞膜。
破坏细胞内机能的毒素也很多，如白候杆菌(Corynebacteriadiphtheriae)产生的白候毒素(diphtheria toxin)和霍乱弧菌(Vibrio cholerae)产生的霍乱毒素(cholera toxin)。它们均由A、B两个亚基组成，B亚基与靶细胞结合，A亚基致毒。白候毒素分子一旦进入靶细胞，AB亚在就分开，A亚基是一种酶能阻止蛋白质的合成，寄主的心、肾和神经组织都会被破坏。
霍乱毒素的B亚基由5个相同亚基组成，B亚基与肠细胞膜结合，A亚基就被送入这些细胞中，A亚基激活一种酶使cAMP大量产生，cAMP打开细胞膜的CL通道，由于CL-外泄引起渗适压的改变，水分也大量丧失，结果导致腹泻(diarrhoea)，不加治疗的话，严重的脱水可使病人48小时内死亡。
神经突触连接两个神经元或一个神经元与一个肌肉细胞。一种毒蜕的产生的毒素a-Latrotoxin(125KD)是一条多肽链，能剌激神经递质乙酰胆碱(acetylcholine, ACH)的广谱性释放酶。肉毒杆菌(Lostrldium botulinum)产生的肉毒杆菌毒素(botulinum toxin)能抑制Ach释放酶肉毒中毒(botulism)为是由于受了被污染的罐袋食物引起的
生化笔记--沈同（适用第2版及第3版）第四章 酶
第四章 酶
酶是一类具有高效率、高度专一性、活性可调节的高分子生物催化剂。
1957巴斯德提出酒精发酵是酵母细胞活动的结果。
1 分子Glc→2分子乙醇+2分子CO2 从Glc开始，经过12种酶催化，12步反应，生成乙醇。
1897 Buchner兄弟证明发酵与细胞的活动无关，不含细胞的酵母汁也能进行乙醇发酵。
1913 Michaelis和Menten提出米氏学说—酶促动力学原理。
1926 Sumner首次从刀豆中提出脲酶结晶，并证明具有蛋白质性质。
1969 化学合成核糖核酸酶。
1967-1970 从E.coli中发现第I、第II类限制性核酸内切酶。
1986 Cech发现四膜虫细胞大核期间26S rRNA前体具有自我剪接功能。
ribozyme ， deoxyribozyme
E.coRI
5’——GAATTC——3’
3’——CTTAAG——5’
限制作用 修饰作用
5’——GAATTC——3’ 5’——GAATTC——3’
3’——CTTAAG——5’ 3’——CTTAAG——5’
第一节 酶学概论
一、 酶的生物学意义
大肠杆菌生命周期20分钟，生物体内化学反应变得容易和迅速进行的根本原因是体内普通存在生物催化剂—酶。没有酶，生长、发育、运动等等生命活动就无法继续。
限制性核酸内切酶（限制-修饰）
二、 酶的概念及其作用特点
1、 酶是一种生物催化剂
酶是一类具有高效率、高度专一性、活性可调节的高分子生物催化剂。
生物催化剂 ：酶(enzyme)，核（糖）酶(ribozyme)，脱氧核（糖）酶(deoxyribozyme)
2、 酶催化反应的特点
（1）、 催化效率高
酶催化反应速度是相应的无催化反应的108-1020倍，并且至少高出非酶催化反应速度几个数量级。
（2）、 专一性高
酶对反应的底物和产物都有极高的专一性，几乎没有副反应发生。
（3）、 反应条件温和
温度低于100℃，正常大气压，中性pH环境。
（4）、 活性可调节
根据据生物体的需要，许多酶的活性可受多种调节机制的灵活调节，包括：别构调节、酶的共价修饰、酶的合成、活化与降解等。
（5）、 酶的催化活性离不开辅酶、辅基、金属离子
3、 酶与非生物催化剂相比的几点共性：
①催化效率高，用量少（细胞中含量低）。
②不改变化学反应平衡点。
③降低反应活化能。
P234 图4-1 非催化过程及催化过程自由能的变化
④反应前后自身结构不变。
催化剂改变了化学反应的途径，使反应通过一条活化能比原途径低的途径进行，催化剂的效应只反映在动力学上（反应速度），不影响反应的热力学（化学平衡）。
三、 酶的化学本质
（一） 酶的蛋白质本质
经典概念：所有的酶都是蛋白质，酶是具有催化功能的蛋白质，因此酶具有蛋白质的一切共性。
1、 酶的蛋白质组成
有些酶仅由蛋白质组成，例如，脲酶、溶菌酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等
有些酶不仅含有蛋白质（酶蛋白），还含有非蛋白质成分（辅助因子），只有酶蛋白与辅助因子结合形成复合物（全酶）才表现出酶活性，如超氧化物歧化酶Cu2+、Zn2+）、乳酸脱氢酶（NAD+）
酶的专一性由酶蛋白的结构决定，辅助因子传递电子或某些化学基团。
2、 酶的辅助因子
酶的辅助因子主要有金属离子（Fe2+、Fe3+ 、Cu+、Cu2+、 Mn2+、、Mn3+、Zn2+、Mg2+ 、K+、 Na+ 、Mo6+ 、Co2+等）和有机化合物。
辅酶：与酶蛋白结合较松，可透析除去。
辅基：与酶蛋白结合较紧。
酶 辅助因子
CuZn-SOD Cu2+ Zn2+
Mn-SOD Mn2+
过氧化物酶 Fe2+或Fe3+
II型限制性核酸内切酶 Mg2+
羧肽酶 Zn2+
P235 表4-1 一些酶的辅助因子（金属离子）
P237 表4-2 基团反应中的辅酶和辅基。
酶蛋白决定酶专一性，辅助因子决定酶促反应的类型和反应的性质。比如，NAD+可与多种酶蛋白结合，构成专一性强的乳酸脱氢酶、醇脱氢酶、苹果酸脱氢酶、异柠檬酸脱氢酶。
生物体内酶种类很多，而辅助因子种类却很少，原因是一种辅助因子可与多种酶蛋白结合。
（二） ribozyme核酶（具有催化功能的RNA）
1980以前，已知所有的生物催化剂，其化学本质都是蛋白质。
80年代初，美国科罗拉多
大学博尔德分校的Thomas Cech和
美国耶鲁大学Sidney Altman各自独立发现RNA具有生物催化功能，此发现被认为是近十年生化领域最令人鼓舞的发现，此二人分亨1989诺贝尔化学奖。
ribozyme种类：①自我剪接ribozyme ②自我剪切ribozyme ③催化分子间反应ribozyme
后边细讲
四、 按酶蛋白的亚基组成及结构特点分类
1、 单体酶
由一条或多条共价相连的肽链组成的酶分子
牛胰RNase 124a.a 单链
鸡卵清溶菌酶 129a.a 单链
胰凝乳蛋白酶 三条肽链
单体酶种类较少，一般多催化水解反应。
2、 寡聚酶
由两个或两个以上亚基组成的酶，亚基可以相同或不同，一般是偶数，亚基间以非共价键结合。
①含相同亚基的寡聚酶
苹果脱胱氢酶（鼠肝），2个相同的亚基
②含不同亚基的寡聚酶
琥珀酸脱氢酶（牛心），αβ2个亚基
寡聚酶中亚基的聚合，有的与酶的专一性有关，有的与酶活性中心形成有关，有的与酶的调节性能有关。
大多数寡聚酶是胞内酶，而胞外酶一般是单体酶。
3、 多酶复合体
由两个或两个以上的酶，靠非共价键结合而成，其中每一个酶催化一个反应，所有反应依次进行，构成一个代谢途径或代谢途径的一部分。如脂肪酸合成酶复合体。
例如：大肠杆菌丙酮酸脱氢酶复合体由三种酶组成
①丙酮酸脱氢酶（E1） 以二聚体存在2×9600
②二氢硫辛酸转乙酰基酶（E2） 70000
③二氢硫辛酸脱氢酶（E3） 以二聚体存在2×56000
复合体：12个E1二聚体 24×96000
24个E2单体 24×70000
6个E3二聚体 12×56000
总分子量560万
4、 多酶融合体
一条多肽链上含有两种或两种以上催化活性的酶，这往往是基因融合的产物。
例如：天冬氨酸激酶I---高丝氨酸脱氢酶I融合体（双头酶）
该酶是四聚体α4，每条肽链含两个活性区域：N-端区域是Asp激酶，C端区域是高Ser脱氢酶。
五、 酶在细胞中的分布
一个细胞内含有上千种酶，互相有关的酶往往组成一个酶体系，分布于特定的细胞组分中，因此某些调节因子可以比较特异地影响某细胞组分中的酶活性，而不使其它组分中的酶受影响。
1. 分布于细胞核的酶
核被膜 酸性磷酸酶
染色质 三磷酸核苷酶
核仁 核糖核酸酶
核内可溶性部分 酵解酶系、乳酸脱氢酶
2. 分布于细胞质的酶
参与糖代谢的酶 酵解酶系
磷酸戊糖途径酶系
参与脂代谢的酶 脂肪酸合成酶复合体
参与a.a蛋白质的酶 Asp氨基转移酶
参与核酸合成的酶 核苷激酶 核苷酸激酶
3. 分布于内质网的酶
光滑内质网 胆固醇合成酶系
粗糙内质网 蛋白质合成酶系
（细胞质一侧）
4. 分布于线粒体的酶
外膜：酰基辅酶A合成酶
内膜：NADH脱氢酶
基质：三羧酸循环酶系
脂肪酸β-氧化酶系
5. 分布于溶酶体的酶
水解蛋白质的酶
水解糖苷类的酶
水解核酸的酶
水解脂类的酶
6. 标志酶
有些酶只分布于细胞内某种特定的组分中，
核： 尼克酰胺单核苷酸腺苷酰转移酶，功能：DNA、RNA生物合成
线粒体：琥珀酸脱氢酶（电子转移、三羧酸循环）
溶酶体：酸性磷酸酶（细胞成分的水解）
微粒体：（核蛋白体、多核蛋白体、内质网）Glc-6-磷酸酶
上清液：乳酸脱氢酶
第二节 酶的国际分类及命名
一、 习惯命名
1961年6以前使用的酶沿用习惯命名
1.（绝大多数酶）依据底物来命名
如：催化蛋白质水解的酶称蛋白酶。催化淀粉水解的酶称淀粉酶。
2. 依据催化反应的性质命名
如：水解酶、转氨酶
3 结合上述两个原则命名，琥珀酸脱氢酶。
4. 有时加上酶的来源
如：胃蛋白酶、牛胰凝乳蛋白酶
习惯命名较简单，但缺乏系统性。
二、 国际系统命名
系统名称应明确标明酶的底物及催化反应的性质。
如：草酸氧化酶（习惯名），系统名称： 草酸：氧氧化酶
又如：谷丙转氨酶（习惯名），系统名： 丙氨酸：α-酮戊二酸氨基转移酶
反应：丙氨酸+α--酮戊二酸→Glu+丙酮酸
三、 国际系统分类法及编号（EC编号）
原则：将所有酶促反应按性质分为六类，分别用1、2、3、4、5、6表示。
再根据底物中被作用的基团或键的特点，将每一大类分为若干个亚类，编号用1、2、3……，每个亚类又可分为若干个亚一亚类，用编号1、2、3……表示。
每一个酶的编号由4个数字组成，中间以“•”隔开。第一个数字表示大类，第二个数字表示亚类，第三个表示亚-亚类，第四个数字表示在亚-亚中的编号。
1、 氧化还原酶类
催化氧化还原反应： A•2H+B=A+B•2H
乳酸：NAD+氧化还原酶（EC1.1.1.27）， 习惯名：乳酸脱氢酶
图
2、 转移酶类
AB+C=A+BC
Ala：酮戊二酸氨基移换酶（EC2.6.1.2）， 习惯名： 谷丙转氨酶
图
3、 水解酶类
催化水解反应，包括淀粉酶、核酸酶、蛋白酶、脂酶。
亮氨酸氨基肽水解酶（EC3.4.1.1）， 习惯名： Ile氨肽酶。
4、 裂合酶类（裂解酶）
催化从底物上移去一个基团而形成双键的反应或其逆反应
二磷酸酮糖裂合酶（EC4.1.2.7）， 习惯名：醛缩酶
5、 异构酶（EC5.3.1.9）
催化同分异构体相互转化，6-磷酸Glc异构酶
6、 合成酶（连接酶）
催化一切必须与ATP分解相偶联、并由两种物质合成一种物质的反应。
P241 表4-8 酶的国际分类——大类和亚类
举例：乙醇脱氢酶的分类编号是 EC1.1.1.1 ，乳酸脱氢酶EC1.1.1.27 ， 苹果酸脱氢酶EC1.1.1.37
第一个数字表示大类： 氧化还原
第二个数字表示反应基团：醇基
第三个数字表示电子受体：NAD+或NADP+
第四个数字表示此酶底物：乙醇，乳酸，苹果酸。
前面三个编号表明这个酶的特性：反应性质、底物性质（键的类型）及电子或基团的受体，第四个编号用于区分不同的底物。
酶的物种和组织的差异
来自不同物种或同一物种不同组织或不同细胞器的同一种酶，虽然它们催化同一个生化反应，但它们的一级结构可能不相同，有时反应机制也可能不同，可是无论是酶的系统命名法还是习惯命名法，对这些均不加以区别，而定为相同的名称，这是因为命名酶的根据是酶所催化的反应。
例如， SOD不管来源如何，均催化如下反应
2O2-+2H+→H2O2+O2 H2O2再由过氧化氢酶催化、分解
它们有同一个名称和酶的编号EC1.15.1.1
实际此酶可分三类：
CuZn-SOD 真核生物细胞质中
Mn-SOD 真核生物线粒体中
Fe-SOD
即使同是CuZn-SOD，来自牛红细胞与猪红细胞的，其一级结构也有很大不同。
因此，在讨论一个具体的酶时，应对它的来源与名称一并加以说明。
第三节 酶促反应动力学
酶促反应动力学是研究酶促反应的速度以及影响酶促反应速度的各种因素，包括低物浓度、酶浓度、pH、温度、激活剂与抑制剂、等。
一、 酶的量度
酶的含量不能直接用重量和摩尔数表示（不纯、失活、分子量不知），而采用酶的活力单位表示
1、 酶活力与酶促反应速度
酶活力：用在一定条件下，酶催化某一反应的反应速度表示。反应速度快，活力就越高。
酶量—酶活力一反应速度
酶促反应速度的表示方法：单位时间、单位体积中底物的减少量或产物的增加量。
单位：浓度/单位时间
P243 图4-4 酶反应速度曲线
研究酶促反应速度，以酶促反应的初速度为准。因为底物浓度降低、酶部分失活产物抑制和逆反应等因素，会使反应速度随反应时间的延长而下降。
2、 酶的活力单位（U）
国际酶学会标准单位：在特定条件下，1分钟内能转化1umol底物的酶量，称一个国际单位（IU）。特定条件：25℃ pH及底物浓度采用最适条件（有时底物分子量不确定时，可用转化底物中1umol的有关基团的酶量表示）。
实际工作中，每一种酶的测活方法不同，对酶单位分别有一个明确的定义。
如 ：限制性核酸内切酶
用粘度法测活性：定义为30℃， 1分钟，使底物DNA溶液的比粘度下降25%的酶量为1个酶单位。
转化率法：标准条件，5分钟使1ug供体DNA残留37%的转化活性所需的酶量为1个酶单位。
凝胶电泳法测活：37℃，1小时，使1ugλDNA完全水解的酶量为1个酶单位。
可见，同一种酶采用不同的测活方法，得到的酶活单位是不同的，即使是同一种测活法，实验条件稍有相同，测得的酶单位亦有差异。
如 淀粉酶，两种定义
A：1 g可溶性starch，在1h内液化所需的enzyme量。
B：l ml 2%可溶性starch ，在1h内液化所需的enzyme量。
1g 酶制剂溶于1000ml H2O，取0.5ml与2%的starch 20ml反应，pH6.0，10分钟完全液化，求酶活力。
A：60/10×20×2%×1/0.5×1000=4800u/克enzyme制剂
B：60/10×20/0.5×1000=240000u/克enzyme制剂
3、 酶的比活力 Specific activity
每毫克酶蛋白所具有的酶活力。酶的比活力是分析酶的纯度是重要指标。
单位：U/mg蛋白�
