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生物化学BIOCHEMISTRY绪论ProlegomenaWhat is BIOCHEMISTRY?CHEMISTRY：the branch of science which deals with the identification of the substances of which matter is composed, the investigation of their properties and the ways in which they interact, combine, and change, and the use of these processes to form new substancesBiochemistry: the branch of science concerned with the chemical and physic-chemical processes which occur within living organisms Including:The chemistry of the components in living organisms (static biochemistry)The principles for the chemical changes in living organisms (dynamic biochemistry)The chemistry of metabolism and cell functions (functional biochemistry)生物化学的主要分支：按化学的研究范畴划分：生物无机化学（bioinorganic chemistry），生物有机化学（bioorganic chemistry），生物物理化学（biophysical chemistry）按生物学的研究领域划分：动物生物化学（animal biochemistry），植物生物化学（plant biochemistry），微生物生物化学（microbe biochemistry）按研究对象划分：蛋白质化学（protein chemistry），核酸化学（nucleate chemistry）按与生产、生活关系划分：生理生化（physiological biochemistry），工业生化（industrial biochemistry），农业生化（agricultural biochemistry），医药生化（medicinal biochemistry）生物化学的使命：揭示生命现象的本质，促进生命科学发展；改善人类健康水平和生活质量；促进物种的改良和优化；带动工、农业的发展和变革分子生物学Molecular biology：什么是分子生物学：在分子水平上研究生物大分子的结构与功能，从而阐明生命现象本质的科学主要研究领域：蛋白质体系，蛋白质-核酸体系，蛋白质-脂质体系分子生物学的三个支柱学科：生物化学，遗传学，微生物学分子生物学的地位：由学科分支成长为主流前沿，殊途同归的集大成者，生物学科走向统一的前驱古代生物化学（在化学中萌芽）：19世纪以前：A.L. Lavoisier, “呼吸作用的本质和燃烧是一样的”；C.W. Scheele, 多种生化物质的分离；J.von.Liebig, 新陈代谢（stoff wechsel)；Hoppe Seyler, 1877年，提出“biochemie”近代生物化学（由静态走向动态）：19世纪中叶20世纪50年代，相关学科的蓬勃发展：1804，John Dalton 提出原子论；1859，Port Darwin 进化论；1865，Gregor Mendel 遗传定律；1869，D.L.Mendelyeev 元素周期律生物化学的发展：1848, Helmhoitz & Bernard， 肝脏的生糖功能；1869，J.F. Michel 分离“核素”（核酸）；1897，Bucher ，酵母榨出液可使蔗糖发酵生成乙醇；1902，D.A. Leeven，从核酸中分离胞嘧啶；1904，Knoop ，脂肪酸的b-氧化；1907，E.H. Fischer ，蛋白质的降解与合成；1912，F.G. Hopkins， 确立维生素概念，形成剑桥生物化学学派；1921，F.G.班廷 和C.H.贝斯特，分离纯胰岛素；1926，J.B. Sumner 分离脲酶，并证明其是蛋白质；1929，Lohmann & Fiske ，ATP的能量功能；1931，Warburg 制得呼吸酶并研究其生物氧化作用；1937，Krebs，三羧酸循环的假说；1950，L.C. Pauling，蛋白质构象（a-helix）；1953，Watson & Crick DNA的双螺旋模型现代生物化学阶段（分子生物学时代）：20世纪中叶至今，技术的进步使生物学走向新的时代：1933，Ernst Ruska，电子显微镜，1935，G.C. 海韦希，同位素技术，1940s，遗传学开始向分子水平迈进，1930s1940s，计算机和自动控制技术的巨大进步生物学各分支向分子水平进军并走向融合：A. L. Hodgkin, 神经兴奋和传导的离子学说；1953，F. Sanger，胰岛素序列测定；1954，S. Benzer，噬菌体基因精细结构分析；1954，M. Calvin，光合作用的CO2固定， Calvin循环；1956，E.W. 萨瑟兰，cAMP，第二信使；1956，F.H.C. Crick， 中心法则；1962，M. W. Nirenberg，遗传密码的发现；1965，邹承鲁、刑其毅等，人工合成牛胰岛素；1970，H.O. Smith，限制性内切酶 ；1970，梁栋材等，精度0.25nm的胰岛素结构（1974，达0.18nm）；1975， F. Sanger，建立DNA序列分析方法；1980，A. Keluger，DNA与组蛋白的结构基因工程和基因技术的兴起：P. Berg，DNA体外重组；1973，S.N. Cohen，外源基因在大肠杆菌的表达；1975，美国Asiomar国际会议，制定第一个基因安全准则；1977，H.W. Boyer等，第一个基因工程产品生长激素释放抑制激素（somatostatin）；1983，l噬菌体DNA全序列；1985，Mulis，聚合酶链式反应技术（PCR)；1987，转基因植物：荧光素转入烟草；1990，Anderson & Cular 第一例基因治疗成功；1997，第一只成年动物体细胞克隆的绵羊Dolly；2000，人类基因组计划（HGP）公布第一张草图生物化学的一些基本问题什么是生命：我们所处在的地球充满着无数的生物，从最简单的病毒、类病毒到菌藻树草，从鱼虫鸟兽到最复杂的人类，处处都可以发现它们的踪迹，觉察到生命的活动。地球上的生物形形色色，千姿百态。不同的生物，其形态、生理特征和对环境的适应能力各不相同，都经历着生长、发育、衰老、死亡的变化，都具有繁殖后代的能力。生命的特征：新陈代谢、生长发育、繁衍后代、遗传变异、环境应激性、自主运动、进化演变；结构复杂性、组织性和有序性、物质能量交换、生长发育、遗传变异、环境应激性、进化演变生命的定义：“生命是蛋白体的存在方式，这个存在方式的基本因素在于和它周围的外部自然界的不断地新陈代谢，而且这种新陈代谢一停止，生命就随之停止，结果便是蛋白质的分解。”恩格斯“生命是开放的非平衡系统中发生的一系列过程”鲍尔“非平衡态是通过熵从生物体流向周围介质来维持的”（耗散结构）薛定鄂生命是高度有序的，开放的，具有耗散特征的，远离平衡态的动力学系统，其基本框架为：DNA-RNA-蛋白质 不断更新的自组织属性 具有多级超循环结构 在生命系统混沌与吸引子作用下不断朝更高层次迈进生命的化学基础：全世界250余万种生物，无论是形态结构还是生理过程都千姿百态，迥然不同，但他们却有着相似的化学基础。从分子到细胞（图）生命的化学组成： 水：65%-75% 蛋白质：10%-15% 脂质：3%-7% 糖类：2%-4% 核酸：3%-5%其他有机物：1% 无机物：2%-3%构成生命的化学元素：组成生命体的物质是极其复杂的。但在地球上存在的92种天然元素中，只有28种元素在生物体内被发现。第一类元素：包括C、H、O和N四种元素，是组成生命体最基本的元素。这四种元素约占了生物体总质量的99%以上。第二类元素：包括S、P、Cl、Ca、K、Na和Mg。这类元素也是组成生命体的基本元素。第三类元素：包括Fe、Cu、Co、Mn和Zn。是生物体内存在的主要少量元素。第四类元素：包括Al、As、Be、Br、Cr、F、I、Mo、Se、Si等。重要的有机化学概念：什么是有机物：有机物原义是“有生机的物质”，即来自于生命体的物质。“有机”、“无机”并无绝对界限。从目前来看，有机化学主要研究是以C、H元素共价结合体为骨架的“有机化合物”的结构、特性以及相互之间的转化和反应C 原子是构成有机分子的重要元素，它能形成四个稳定共价键，是有机分子的骨架；H 原子做为最小的原子，具有形成稳定共价键以及离子键、氢键的能力；所有有机化合物均包含C、H元素构成的分子骨架一般情况下，C原子的四跟共价键是对称的，形成四棱锥结构。对C-C单键连接的分子我们一般接受这一假设； C原子可绕单键自由旋转； C=C双键或三键具有刚性，因此C原子与其他相连原子处于同一平面，不能旋转。三种常用的有机分子结构：Fisher，Ball-and-stick，Space filling (图)重要的有机官能团：所谓官能团，是指有机化合物中区别于共同碳骨架的结构部分。一般有机分子的化学性质主要取决于官能团。复杂的有机分子通常有多个官能团。甲基，乙基，苯基，羟基，醛基，酮基，羧基，酯，醚，酐，乙酰磷酸，磷酸酐，氨基，酰氨基，胍基，咪唑基，巯基，二硫键，硫酯有机分子的构型构象：不对称碳原子：当一个C原子上连接的4个基团各不相同时，该C原子即不对称C原子，因不对称C原子上基团连接方式的不同，而产生有机分子的不同构型和手性现象。构型：指有机分子内部基团的共价连接方式的差异。改变构型必须断裂共价键。构象：由于各基团绕C原子旋转而产生的有机分子内各原子的空间排布的差异，不涉及共价键的断裂R、S构型命名系统，D、L构型命名系统生物化学反应的基本原则：1，共价键是通过两个原子共用外层电子而形成的：原子有通过获得、失去或共享电子的方式，达到“满电子状态”的倾向；如果形成共价键的原子“电负性”相近，那么形成的共价键是 非极性的，否则就是“极性的”；共价键的强弱，可用“键能”来衡量，所谓“键能”就是断裂该键所需的能量，或者该键形成时所释放的能量。2， 多数生化反应是通过“亲核基团”攻击“亲电基团”来实现的：“亲核基团”指那些含有多余电子，倾向于通过提供共享电子而形成共价键的官能团或原子，含O、N、S的基团是生化中常见的“亲核基团”；“亲电基团”指有空的电子轨道，倾向于通过捕获电子而形成共价键的官能团或原子，H+和金属阳离子是生化中常见的“亲电基团”；C原子可同时表现为C+、C-（取决于所连接的基团）。重要的生物化学反应形式：氧化-还原（oxidation-reduction reaction）；取代反应（substitution reaction)；异构化反应 （isomerization reaction）；缩合反应（condensation reaction）中的脱水反应（dehydration reaction）；裂解反应（lytic reaction）中的水解反应（hydrolytic reaction）。（图）电负性，键能，化学反应键的断裂有均裂和异裂，细胞内常见的亲核基团（含电负性较强的原子，具有孤对电子），SN1反应和SN2反应，异构化反应，氨基酸的脱水反应和二肽的水解反应。生物分子间的其他非共价的相互作用力：氢键：两个电负性原子（O，N）分享一个H原子和形成；离子键：不同电荷的基团之间的相互吸引；疏水力：非极性基团相互聚集而排斥水分子或极性分子产生；范德华氏力：当两原子相互临近时产生。蛋白质Proteins（I）Amino Acids and Proteins蛋 白 质 概 述The overview for proteinsprotein, any of a class of nitrogenous organic compounds which have large molecules composed of one or more long chains of amino acids and are an essential part of all living organisms,especially as structural components of body tissues such as muscle, hair, collagen, etc., and as enzymes and antibodies ：Carbon 50；Hydrogen 7；Oxygen 23；Nitrogen 16%；Sulphur 03；Other Trace（微量）The content of Nitrogen in proteins is mostly 16%，Content of protein（g%）=the content of Nitrogen in the biological simples per gram 6.25Proteins are macromolecules with huge Molecular Weight （6,000-1,000,000）The Molecular Weight of a protein due to the amino acid constitute in it.The quantity of amino-acids residue in a protein without prosthetic group could be reckoned by divided its molecular weight by 110.The average molecular weight(MW) of amino-acids is 138，but most of amino-acids in proteins are small, they have an average MW at 128，then, take of the MW of water,18, when they dehydrated to form protein. So we got the MW of amino-acids residue in protein is 110蛋白质的分类：1，简单蛋白（Simple protein）:除氨基酸以外不含其他成分的蛋白质：清蛋白（albumin）：溶于水、稀酸或稀碱；为饱和硫酸铵沉淀；e.g. 血清清蛋白、乳清清蛋白球蛋白（globulin）为半饱和硫酸铵沉淀。（优球蛋白（euglobulin），不溶于水，溶于稀盐溶液；拟球蛋白（pseuglobulin），溶于水。）e.g.血清球蛋白、肌球蛋白、种子球蛋白谷蛋白（glutelin）：不溶于水、醇、中性盐；易溶于稀酸或稀碱。 e.g. 米谷蛋白、面谷蛋白醇溶谷蛋白（prolamine）不溶于水无水乙醇，溶于70-80%的乙醇，含脯氨酸和酰胺较多。 e.g. 玉米醇溶蛋白、麦醇溶蛋白组蛋白（histone）溶于水和稀酸，为氨水沉淀。分子含碱性氨基酸较多。 e.g. 小牛胸腺组蛋白精蛋白（protamine）溶于水和稀酸，不溶于氨水。含碱性氨基酸特别多。 e.g. 鱼精蛋白、蛙精蛋白硬蛋白（scleroprotein）不溶于水、盐、稀酸或稀碱。 e.g. 角蛋白、胶原、弹性蛋白,2，结合蛋白（conjugated protein）:除由氨基酸组成蛋白质部分外，还含有非蛋白成分，这些非蛋白成分，有时称辅基（prosthetic group）或配基（ligand）：核蛋白（nucleprotein）辅基为核酸。 e.g. 脱氧核糖核蛋白、核糖体脂蛋白（lipoprotein）与脂质结合的蛋白， e.g. b1-脂蛋白，卵黄球蛋白糖蛋白（glycoprotein）含单糖或多糖的蛋白质， e.g. 卵清蛋白、g-球蛋白（抗体）、血型蛋白磷蛋白（phosphoprotein）辅基为磷酸基的蛋白质。 e.g. 酪蛋白，胃蛋白酶卟啉蛋白（porphyrin protein）辅基含卟啉环的蛋白质， e.g. 血红蛋白、细胞色素C，叶绿蛋白，血蓝蛋白黄素蛋白（flavoprotein）辅基为黄素腺嘌呤二核苷酸。 e.g. 琥珀酸脱氢酶、D-氨基酸氧化酶金属蛋白（metalloprotein）与金属直接结合的蛋白质， e.g. 铁蛋白，乙醇脱氢酶，黄嘌呤氧化酶3， 根据蛋白质的分子外形分类：球状蛋白质（globular proteins），纤维状蛋白质（fibrous proteins）4， 根据蛋白质功能分类：结构蛋白质（structural proteins），酶蛋白（enzymes），运输蛋白质（transport proteins），运动蛋白质（kinesis proteins），贮藏蛋白质（storage proteins），防御蛋白质（defensive proteins）The brief review of Proteins function：Structural materials （结构物质）Metabolic Catalysis （代谢作用催化）Storages of Nutritions （营养贮藏）Transport between organisms and its environment（运输）Motility functions for organisms and cells（运动）Metabolic regulation（调节）Biological Defense: immune （免疫）Signal transduction and response（转导应答膜 ）Record, Transcription and express the genetic information, control the growth of organisms蛋白质的基本结构单位-氨基酸：蛋白质的水解：酸水解：常用6 mol/L的盐酸或4 mol/L的硫酸在105-110条件下进行水解，反应时间约20小时。优点是不容易引起水解产物的消旋化。缺点是色氨酸被沸酸完全破坏；含有羟基的氨基酸如丝氨酸或苏氨酸有一小部分被分解；天冬酰胺和谷氨酰胺侧链的酰胺基被水解成了羧基。碱水解：一般用5 mol/L氢氧化钠煮沸10-20小时。由于水解过程中许多氨基酸都受到不同程度的破坏，产率不高。部分的水解产物发生消旋化。该法的优点是色氨酸在水解中不受破坏。酶水解：目前用于蛋白质肽链断裂的蛋白水解酶（proteolytic enzyme）或称蛋白酶（proteinase）已有十多种。应用酶水解多肽不会破坏氨基酸，也不会发生消旋化。水解的产物为较小的肽段。最常见的蛋白水解酶有：胰蛋白酶（trypsin），胃蛋白酶（pepsin）、糜蛋白酶（chymotrypsin）、木瓜蛋白酶（papain）氨基酸（amino acids, Aa）的结构通式：生物体中发现的氨基酸达180余种，但组成蛋白质的基本氨基酸一共只有20种n 甘氨酸（glycine） 氨基乙酸 Gly Gn 丙氨酸（alanine） a-氨基丙酸 Ala An 缬氨酸（valine） a-氨基异戊酸 Val Vn 亮氨酸（leucine） a-氨基异己酸 Leu Ln 异亮氨酸（isoleucine） a-氨基-b-甲基戊酸 Ile In 丝氨酸（serine） a-氨基-b-羟基丙酸 Ser Sn 苏氨酸（threonine） a-氨基-b-羟基丁酸 Thr Tn 半胱氨酸（cysteine） a-氨基-b-巯基丙酸 Cys Cn 甲硫氨酸（methionine） a-氨基-g-巯基丁酸 Met Mn 天冬酰胺（asparagine） a-氨基丁二酸- b-酰胺 Asn Nn 谷氨酰胺（Glutamine） a-氨基戊二酸- g-酰胺 Gln Qn 天冬氨酸（aspartic acid） a-氨基丁二酸 Asp Dn 谷氨酸（glutamic acid ） a-氨基戊二酸 Glu En 赖氨酸（lysine） a,e-二氨基己酸 Lys Kn 精氨酸（arginine） a-氨基-d-胍基戊酸 Arg Rn 苯丙氨酸（phenylalanine） a-氨基-b-苯基丙酸 Phe Fn 酪氨酸（tyrosine） a-氨基-b-对羟苯基丙酸 Tyr Yn 色氨酸（tryptophan） a-氨基-b-吲哚基丙酸 Trp Wn 组氨酸（histidine） a-氨基-b-咪唑基丙酸 His Hn 脯氨酸（proline） b-吡咯烷基-a-羧酸 Pro P除脯氨酸外，基本氨基酸的共同结构特点是：与羧基相邻的a-C原子上都有氨基，称a-氨基酸。除甘氨酸外，基本氨基酸的a-碳原子都是手性碳原子，因此都具有旋光性。构成蛋白质的基本氨基酸， a-碳原子都属L-构型。氨基酸的分类：1，根据侧链R基的化学结构可分为脂肪族、芳香族、杂环族和杂环亚族。脂肪族氨基酸：一氨基一羧基中性Aa：Gly、Ala、Val、Leu、Ile，含羟基的Aa：Ser、Thr，含硫的Aa：Cys、Met，含酰胺基的Aa：Asn、Gln，一氨基二羧基的Aa：Asp、Glu，二氨基一羧基的Aa：Lys、Arg。芳香族氨基酸：Phe、Tyr杂环族氨基酸：Trp、His杂环亚氨基酸：Pro2，按侧链R基的极性性质分类：非极性R基Aa：Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Trp、Met、Pro不带电荷的极性R基Aa：Ser、Thr、Tyr、Asn、Gln、Cys、Gly带正电荷的极性R基Aa：Lys、Arg、His带负电荷的极性R基Aa：Glu、Aspn 必需氨基酸：Ile、Met、Val、Leu、Trp、Phe、Thr、Lys，（携一两本甲色书来）其他不常见氨基酸：蛋白质氨基酸：不常见Aa通常由常见Aa衍生：4-羟脯氨酸：胶原；5-羟赖氨酸：胶原；6-N-甲基赖氨酸：肌球蛋白；g-羧基谷氨酸：凝血酶原；锁链素：弹性蛋白；微生物和昆虫的蛋白质常含有D-氨基酸非蛋白质氨基酸：b-丙氨酸（b-Ala）；g-氨基丁酸；L-瓜氨酸（L-Cit）；L-鸟氨酸（L-Orn）怎样记忆氨基酸的分类：记少不记多，记简不记繁，口诀：甘丙丝半苏缬蛋；亮和异亮中性完；酸性谷氨天门冬；精氨赖氨皆是碱；芳香族里酪苯丙；组氨色脯有杂环。氨基酸的理化性质：一般物理性质：无色晶体，熔点高（200C），有味（不同），能溶于水，不溶于有机溶剂旋光性：除甘氨酸外，都具有旋光性。光吸收：可见光区域没有光吸收。远紫外（l200nm）都有光吸收。近紫外（220-300nm）只有Tyr、Phe、Trp有光吸收两性性质与等电点：氨基酸的两性电离：在水等极性介质中，Aa的偶极离子在水中：既起酸（质子供体）的作用。又起碱（质子受体）的作用。按Lowry的酸碱质子理论，酸是质子供体，碱是质子受体等电点和等点状态：Aa的带电状态与溶液的pH值有关，当Aa所带的正电荷和负电荷相等即净电荷为0的兼性离子状态：称等电状态。使Aa处于等电状态的pH称为氨基酸的等电点中性Aa的等电点：对于侧链基团不解离的氨基酸有：pI = (pK1+pK2)/2酸性Aa的等电点：An acidic amino acid pI=(pK1+pKR)/2碱性Aa的等电点：A basic amino acid pI=(pKR+pK2)/2氨基酸的滴定：一般情况下氨基酸不能被滴定：等当点pH或过高（12-13），或过低（1-2），没有适当的指示剂可被选用。氨基酸的甲醛滴定法：向AA溶液中加入过量的甲醛，用标准NaOH滴定时， 由于甲醛与Aa中的-NH2作用形成-NH.CH2OH -N (CH2OH)2等羟甲基衍生物而降低了氨基的碱性，相对地增强了-NH3+的酸性解离，使Pk2减少了2-3个pH单位，NaOH滴定的曲线A向pH低的方向转移，滴定终点也移动pH9附近。原因：甲醛与H2N-CH2-COO-结合,有效地减低了后者的浓度,所以对于加入任何量的碱, H2N-CH2-COO- / +H3N-CH2-COO- 的比值总要比不存在甲醛的情况下小得多。加入甲醛的甘氨酸溶液用标准盐酸滴定时，滴定曲线B并不发生改变。 氨基酸的常见化学反应：1， a-氨基的反应：（1）亚硝酸反应 ：范围：可用于Aa定量和蛋白质水解程度的测定（Van slyke法）。注意：生成的氮气只有一半来自于Aa，氨基酸也可反应，速度较慢 （2）与酰化试剂的反应 ：Aa酰氯，酸酐Aa被酰基化 。丹磺酰氯用于多肽链末端a的标记和微量a的定量测量 （3） 烃基化反应：Aa的氨基的一个氢原子可被烃基（包括环烃及其衍生物）取代与2，4二硝基氟苯（DNFB，FDNB）反应 ，最早Sanger用来鉴定多肽或蛋白质的氨基末端的Aa与苯异硫氰酸酯（PITC）的反应， Edman用于鉴定多肽或蛋白质的N末端Aa 在多肽和蛋白质的Aa顺序分析方面占有重要地位（ Edman降解法 ）（4） 形成西佛碱反应 ：Aa的-NH2能与醛类化合物反应生成弱碱，即西佛碱（schiff s base） 。前述甲醛滴定也属于西佛碱反应（5） 脱氨基反应：Aa在生物体内经Aa氧化酶催化即脱去-NH2而转变成酮酸2， -COOH参加的反应：（1）成盐和成酯反应 Aa + 碱盐 ：Aa + NaOH 氨基酸钠盐(重金属盐不溶于水) Aa-COOH + 醇 酯： Aa+ EtOH 氨基酸乙酯的盐酸盐（该反应以干燥的HCL气体为催化剂，二氯亚砜做干燥剂） （Aa酯是制备Aa的酰氨or酰肼的中间物 ）（2）当Aa的COOH变成甲酯，乙酯或钠盐后，COOH的化学反应性能被掩蔽或者说COOH被保护，NH2的化学性能得到了加强或活化，易与酰基结合。成酰氯反应 ：当氨基酸的氨基用适当的保护基保护以后，其羧基可与二氯亚砜作用生成酰氯。用于多肽人工合成中的羧基激活叠氮反应：氨基酸的氨基通过酰化保护后，羧基经酯化转变为甲酯，然后与肼和亚硝酸变成叠氮化合物。用于多肽人工合成中的羧基激活脱羧基反应：AA在脱羧酶的催化下生成一级胺和CO2。3， a-氨基和-羧基共同参与的反应（1）与茚三酮反应 ：茚三酮在弱酸性溶液中与a-氨基酸共热，引起氨基酸氧化脱氨、脱羧反应，最后茚三酮与反应产物中的氨和还原茚三酮发生作用生成紫色物质。Pro与hyPro（羟脯氨酸）不释放氨，而直接生成黄色化合物。该反应用以定性，定量测定各种Aa，蛋白质，测定CO2 的量，从而可计算参加反应的Aa的量 。（2）成肽反应：一个Aa的NH2+另一个Aa的COOH可以缩合成肽，形成的键称肽键。4，侧链R基参加的反应 （1）R功能基：羟基，酚基，巯基（二硫键），吲哚基，咪唑基，胍基，甲硫基，非a-NH2,非a-COOH。酪氨酸的酚基在3和5位上容易发生亲电取代反应： 二碘酪氨酸或一硝基酪氨酸和二硝基酪氨酸。酪氨酸的酚基可以与重氮化合物（对氨基苯磺酸的重氮盐）生成桔黄色的化合物。Pauly反应。组氨酸的咪唑基可以发生类似反应但产物颜色为棕红色 。精氨酸的侧链胍基在硼酸钠缓冲液（pH 8-9, 25-35C）中，与1.2-环已二酮反应，生成缩合物。 该缩合物在羟胺缓冲液中，重新生成Arg。色氨酸的侧链吲哚基在温和条件下可被N溴代琥珀酰亚胺（N-bromosuccinimide）氧化。此反应可用于分光光度法测定蛋白质中色氨酸的含量，并能在色氨酸和酪氨酸残基处选择性化学断裂肽键。 蛋氨酸侧链上的甲硫基是一个很强的亲核基团，与烃化试剂如甲基碘容易形成锍盐（sulfonium salt）此反应可被硫基试剂逆转。在逆转反应中，原有的甲基和新加入的甲基除去的机会是相等的，因此当用14C标记的甲基碘处理时，获得的蛋氨酸将有50%是同位素标记的。 半胱氨酸侧链上的巯基（SH）有很强的反应活性，可参与很多反应：二硫键的形成和打开：2R-SH + 1/2 O2 R-S-S-R + H2O ；Cu2+，Fe2+ ，Co2+和Mn2+存在下，巯基的空气氧化将显著提高。胱氨酸中的二硫键在稳定蛋白质的构象上起很大的作用。氧化剂和还原剂都可打开二硫键。过甲酸可以定量地打开二硫键，生成磺基丙氨酸（cysteic acid）残基。还原剂如巯基化合物（R-SH）也能打开二硫键，生成半胱氨酸残基及相应的二硫化物 二硫苏糖醇（dithiothreitol，缩写为DTT），与胱氨酸中的二硫键反应形成一个含分子内二硫键的稳定六元环 巯基能和各种金属离子形成稳定程度不等的络合物e.g. 对氯汞苯甲酸（p-chloromercuribenzoic acid） 由于许多蛋白质，如SH酶，其活性中心涉及-SH基，当遇到重金属离子而生成硫醇盐时，将导致酶的失活，因此制备这类蛋白质时应避免进入重金属离子。 半胱氨酸可与二硫硝基苯甲酸（dithionitrobenzoic acid，缩写为DTNB）或称Ellman氏试剂发生硫醇-二硫化物交换反应：反应中1分子的半胱氨酸引起1分子的硝基苯甲酸的释放。它在pH8.0时，在412nm波长处有强烈的光吸收，因此可利用比色法定量测定-SH基 。蛋白质（II）蛋白质的结构蛋白质的共价结构:蛋白质的一级结构（Primary structure）：蛋白质的共价结构，即蛋白质分子内部通过共价键连接而形成的结构形式，包含： 氨基酸在蛋白质内的排列顺序 二硫键的位置和连接顺序 侧链基团的修饰和连接情况（是否磷酸化，磷酸化位置；是否糖基化，糖基化位置，糖链组成；是否酯化，酯化位置，酯的组成） 是否有辅基或其他分子,连接方式。肽 键:蛋白质是氨基酸通过脱水缩合形成肽键而形成的，实验证据：（1）蛋白质分子中游离的-氨基，-羧基很少。若水解，游离-氨基，- 羧基以等mol数增加 说明氨基，-羧基参与某种结合，水解时，这种结合断开。 （2） 人工合成肽可以被蛋白酶水解（3） 包含O=C-N- H基团的化合物如双缩脲H2N-CO-NH-NH2能与硫酸铜-氢氧化钠溶液产生双缩脲颜色反应。天然蛋白质也存同样反应。 （4）人工合成的多聚AA的X射线衍射图案和红外吸收光谱与天然的纤维状蛋白质十分相似。（5）我国在世界上首次人工合成蛋白质-结晶牛胰岛素的成功，完全证明了蛋白质的肽链结构学说的正确性。肽键的特点：酰胺键： 由于酰胺氮上的孤对电子与相邻羰基的共振作用，表现出高稳定性。 CN具40双键性质 。CO具40单键性质。共振杂化体。CN键长：0.184nm CN键长：0.127nm C N键长：0.132nm 亚氨基（NH）pH 014没有明显的解离和质子化倾向肽键是一个平面，称肽平面。可以有反式顺式结构，但旋转能障较高，反式稳定（Pro例外）蛋白质中的每一个氨基酸单位称氨基酸残基（residue）肽链结构的命名与书写： 根据含Aa的数目命名：*肽。从NH2末端Aa残基开始，称为：某氨基酰某氨基酰某氨基酰.氨基酸。书写时氨基端在左边，羧基端在右边；以氨基酸的三字缩写或单字缩写代表对应的氨基酸；用短横线代表氨基酸残基之间的肽键肽的物理化学性质：一般物理性质：短肽晶体、熔点很高（离子晶体、偶极离子）肽的两性解离：决定于游离氨基末端、游离羧基末端以及侧链基团。肽链羧基的pK比氨基酸的大一些，而氨基的pK则要小一些多肽等电点的计算：中性肽的等电点：溶液的pH功能团解离（带电）状况占优势离子的净电荷-COOHCOOH-NH2-NH23.5COOHCOOH+ N H3+ N H3+23.54.5COOCOOH+ N H3+ N H3+14.57.8COOCOO+ N H3+ N H307.810.2COOCOONH2+ N H3-110.2COOCOONH2NH2-2酸性肽的等电点：碱性肽的等电点：常见化学反应：N端氨基酸残基与茚三酮、DNFB、PITC等反应C氨基酸残基成酯、成酰胺、成盐侧链氨基酸的反应：磷酸化：Tyr、Ser、Thr；酯化：Ser、Thr、Tyr；糖基化： Ser、Thr、Cys双缩脲反应（Biuret reaction）：多肽与CuSO4碱性溶液反应，生成紫红色或蓝紫色的复合物，540nm处有最大光吸收。为肽和蛋白质特有（两个或两个以上肽键），氨基酸没有该反应。天然活性多肽：定义：在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位，但是，也有许多分子量比较小的多肽以游离状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为活性肽。常见活性多肽：谷胱甘肽（GSH）；g-Glu-Cys-Gly；巯基缓冲剂；脑啡肽（enkephalins）：神经系统中产生的一类短肽，具有多种特殊生物学功能；蕈毒素、蛇毒素：a鹅膏蕈碱 ：能与真核生物的RNA聚合酶（RNA polymerase）和牢固结合而抑制酶的活性，因而使RNA的合成不能进行，但不影响原核生物的RNA合成；短肽类抗生素。蛋白质一级结构测定：氨基酸顺序测定的一般步骤：要求：样品均一，纯度97%以上，已知分子量 （误差小于10%）一般步骤：测定蛋白质分子中多肽链的数目蛋白质末端残基（NH2末端、COOH末端）mol数；蛋白质的分子量。拆分蛋白质分子的多肽链。(几条多肽链借助非共价键连接在一起，称为寡聚蛋白质，如，血红蛋白为四聚体，烯醇化酶为二聚体；可用8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍处理，即可分开多肽链(亚基).)测定多肽链的Aa组成。（水解蛋白质获得Aa混合液、色谱分析氨基酸组成和含量、分析水解液氨含量，推导酰胺氨基酸的含量。）分析多肽链的N末端和C末端残基。断裂多肽链内的二硫键（过甲酸氧化，巯基化合物还原）。（可以通过加入盐酸胍方法解离多肽链之间的非共价力；应用过甲酸氧化法或巯基还原法拆分多肽链间的二硫键。）多肽链断裂成肽段（酶解法，化学法）。（溴化氰水解法，能选择性地切割由甲硫氨酸的羧基所形成的肽键）。测定各个肽段的Aa顺序（Edman降解法）。（Edman （苯异硫氰酸酯法）氨基酸顺序分析法实际上也是一种N-端分析法。此法的特点是能够不断重复循环，将肽链N-端氨基酸残基逐一进行标记和解离。）确定肽段在多肽链中的次序。确定原多肽链中二硫键的位置。多肽N末端分析方法：（1）二硝基氟苯（DNFB or FDNB法），Sange试剂 （图）（2）丹磺酰氯（DNS）法 ：原理：与DNFB相同。优点：DNS具强烈的荧光，检测灵敏度可以达到110-9mol比DNFB法高100倍（图）（3）苯异硫氰酸酯（PITC）法（图）（4）氨肽酶法 ：氨肽酶：可以从多肽链的N端逐个 降解氨基酸的肽链外切酶。亮氨酸氨肽酶（LAP）：水解以Leu为N末端的肽键速度为最大 多肽C末端分析方法：（1）肼解法：蛋白质or 多肽无水肼, C末端Aa以游离形式存在，其他Aa转变为相应的Aa酰肼化物加入苯甲醛可以使Aa酰肼化物转变成二苯基衍生物沉淀， C末端Aa则在溶液中。缺点：Gln、Asp、Cys破坏不易测出，Arg Orn。（图）（2）还原法：肽链C末端Aa + 硼氢化锂 a氨基醇 （3）羧肽酶法：最有效，最常用的测C端殘基方法。羧肽酶：专一地从肽链的C端逐个降解，释放出游离Aa肽链外切酶 多肽链的部分断裂和肽段的拼接：常用蛋白酶（内切酶）： 胰蛋白酶（ Trypsin ）：专一性强、只断裂Lys、Arg的羧基参与形成的肽键；可以通过修饰增加或减少酶切位点。糜蛋白酶（ Chymotrypsin ）：专一性胰蛋白酶 ，断裂Phe, Trp, Tyr等疏水芳香Aa的羧基所形成的肽键；断裂键邻近的基团若为碱性：裂解能力，酸性：裂解能力 嗜热菌蛋白酶（ thermolysin ）：含Zn. Ca， Zn是活力必需的， Ca与热稳定有关；专一性差，断裂较短的多肽链or大肽段最适PH89。 胃蛋白酶（Pepsin）：专一性 糜蛋白酶 ，要求被断裂键两侧的殘基都是疏水性Aa；最适PH2，可用来确定二硫键的位置。 金黄色葡萄球菌蛋白酶（Glu蛋白酶）：磷酸缓冲液PH7.8，能在Glu殘基和Asp殘基的羧基侧断裂肽键；NH4HCO3缓冲液PH7.8，或醋酸铵缓冲液PH4.0中，只能断裂Glu殘基的羧基侧肽键。 梭状芽孢杆菌蛋白酶（Arg蛋白酶）：专门裂解Arg殘基的COOH所形成的肽键，对不溶性蛋白质的长时间裂解很有效。肽段的拼接次序确定：（1）利用不同的方法获得多种肽段组合：断裂点位置差异越大越好，断裂点不宜过多或少。确定肽段在多肽链中的次序：利用两套或多套肽段的氨基酸顺序彼此间的交错重叠，拼凑出整条多肽链的氨基酸顺序。（2）确定N、C末端的Aa残基。（3）确定各个肽段的Aa顺序。（4）根据不同的肽段组合内Aa顺序的部分重叠，确定肽段的拼接次序。所得资料氨基末端残基 H羧基末端残基 S第一套肽段 第二套肽段OUSSEOPS WTOUEOVE VERLRLAAPSHOWT HO二硫键的位置确定：胃蛋白酶水解；过甲酸打开二硫键；双向电泳法分析。一般采用胃蛋白酶处理没有断开二硫键的多肽链，利用电泳技术分离开各个肽段，用过甲酸处理后，在垂直方向上再次电泳。由于二硫键断裂后，肽段的大小、电荷性质会发生变化，因此，会出现偏离对角线的现象利用已知的肽段组成和排序，可以推知二硫键位置蛋白质的一级结构和生物功能的关系：同源蛋白质的种属差异与生物进化：同源蛋白质：在不同的有机体中实现同一功能的蛋白质顺序同源：同源蛋白质的Aa顺序的相似性。不变残基：同源蛋白质Aa顺序中对所有的种属来说都相同的Aa残基可变残基：不同种属有相当大的变化的Aa残基生物学意义：生物进化的标记，e.g. 细胞色素C；遗传变异的分子基础，e.g. 镰刀型贫血病。一级结构的改变与蛋白质的活性变化：局部断裂与蛋白质的激活：胰岛素原的激活：前胰岛素原(N末端多一段肽链,信号肽引导新生的多肽链进入内质网) 胰岛素原(信号肽被切) (Golgi体) 胰岛素(肽酶催化胰岛素的二个特定肽键断裂)。胰岛素原包括A、B链和C链，C链即连接肽，在储存颗粒（storage granule）中，可以为特殊的肽酶切去，而转变成活性的胰岛素。血液凝固的机制：13种凝血因子构成凝血系统；血浆纤维蛋白原在凝血酶的激活作用下转变为不溶性纤维蛋白；激活作用是通过凝血酶切去纤维蛋白原N末端富含酸性氨基酸的A、B肽，然后在XIIIa（纤维蛋白稳定因子）作用下，发生交联而实现凝血。其他一级结构变化与功能：磷酸化：许多生物酶可以通过磷酸化/去磷酸化实现活性的改变。连接糖链：活性、抗原性、寿命。连接脂质：活性、溶解性蛋白质的二级结构：蛋白质的二级结构(Secondary structure)是指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。二级结构的研究方法：X-衍射；圆二色性；核磁共振；荧光偏振。肽平面二面角与蛋白质二级结构：（1）Ca-N1，Ca-C2单键，可自由旋转： F角-绕Ca-N1键旋转的角度角-绕Ca-C2键旋转的角度F 、原则上可以在 -180-+180 之间任意取值多肽链的所有可能构象都能用F 、这两个构象角描述， 每一对F 、 称肽平面的二面角。（2）Ramachandran构象图：可能构象分析：由于分子间的相互作用力，并非所有构象都可以成Ramachandran构象图的预测作用几种常见的二级结构：1，a-螺旋（a-helix)， 结构要点：肽链内每个残基Ca的成对二面角和各自取同一数值 ：5748。右手、左手螺旋，均由L-型Aa残基构成 ，右手a-螺旋和左手a-螺旋不是对映体，蛋白质中a-螺旋几乎均为右手的，右手的比左手的稳定。每圈螺旋占3.6个AA残基，沿螺旋轴方向上升0.54nm。 肽链内