第二章 生物的化学组成 教学要求 : 生命的一个共同特征的化学成学的同一性, 即生物体具有相同的元素组成, 具有相同的构建生命的功能和结构单位 细胞的生物大分子种类, 生物大分子有相同的单体组成, 蛋白质的单体包括相同的 20 种氨基酸, 核酸包括 8 种核苷酸 基于这种同一性, 在分子层次上了解 探索生命成为目前生命科学的研究重点, 例如人类基因组计划的实施, 就是要对人类的遗传信息的载体 DNA 进行测序, 并继而解读生命的编码, 在此基础上, 蛋白质组学和结构生物学等学科都是以生物大分子作为研究对象, 来探索生命的奥秘 在分子层次上可以用来研究生命的调控机制 生命的起源与进化 疾病的发生机制和药物的作用机制等 本章作为对生命化学的基础性介绍, 要求掌握生命的基本元素构成和分子构成, 特别是生物大分子的结构 功能及其关系 ; 了解生物多样性的化学基础以及如何从生物大分子出发来研究生命的进化 第一节构成细胞及生物体的元素组成尽管生命形态有着千差万别, 但是它们在化学组成上却表现出了高度的相似性 ; 所有生物大分子的构筑都是以非生命界的材料和化学规律为基础, 反映了在生命界和非生命界之间并不存在截然不同的界限 ; 生物大分子结构与其功能紧密相关, 即生物体的各种生物学功能起始于化学水平 例如, 叶绿素分子仅仅是由碳 氢 氧 氮 镁五种元素组成, 但它高度有序化和个性化的化学结构, 使之成为光化学反应过程中核心成员 对生命的化学组成的深入了解, 是揭示生命本质的基础 自然界中存在 130 种元素, 其中含量最丰富的元素是 O Si Al Fe 而在生物体中大约只有 25 种元素是构成生命不可缺少的元素 包括 : 一 常量元素 1. 定义指在生物体内含量较高, 至少约占生物体质量的万分之一以上, 且在生物体内具有重要生物功能的组成元素 2. 主要种类主要包括 :C H O N S P Cl Ca K Na Mg 等 11 种元素 其中 C H O N P S Ca 等, 约占生物体元素组成的 99.35%, 而 C H O N 四种元素则占 96% 例 : 人体的元素组成 这些元素在细胞构成和生命活动中分别具有各种重要的作用和功能 3. 常量元素的主要生理功能 O 存在于几乎所有的有机化合物中, 是构成水的元素之一, 又为细胞呼吸所必需 C 相互联结成环或链, 形成各种生物大分子的基本骨架 H 几乎存在于所有的有机化合物中, 是构成水的另一种元素 在生物代谢反应中, 1
H+ 还与电子及能量的转移有关 N 是蛋白质 核酸 植物细胞中叶绿素等的重要组成元素 Ca 是动物骨骼 牙齿等的成分, 钙离子在肌肉收缩 细胞信号转导中发挥重要作 用, 并参与了血液的凝聚和植物细胞壁的组成 P 是核酸 生物膜中磷脂的成分, 参与细胞内能量的转移反应, 骨骼的祖分 K+ 和 Na+ 细胞质与动物组织液中的主要阳离子, 对维持体液和细胞内外正负离子 的平衡 神经冲动的传导具有重要作用 K+ 还影响肌肉的收缩, 控制叶片气孔的开合 S 大多数蛋白质的组分 Mg 生物体内酶的组分, 对酶具有激活作用 ; 植物叶绿素的成分 Cl 细胞质与动物组织液的主要阴离子, 对于维持体液或细胞内外正负离子平衡具有 重要作用, 对植物的光合作用必不可少 例 : 钙 人每天需要摄入多少钙? 人体每天需要补充钙的数量 成人 800 mg 婴儿 (10 个月 ) 400 mg 幼儿 (<3 岁 ) 600 mg 少年 (<10 岁 ) 800 mg 青年 (12~18 岁 ) 1000 mg 老年 1200 mg 孕妇 / 哺乳 1500 mg 钙几乎参加生物体内的每一种生理代谢过程 Ca 在体内的生理作用 ( 1.5% ~ 2%): 骨骼及牙齿 99%; 血浆中 10 克 需要 Ca 参与的生理过程主要有 : 肌肉 肌肉收缩 ; 免疫 白细胞吞噬功能 ; 循环 血液凝固, 毛细血管通透性, 微循环改善 ; 内分泌 激素分泌 ; 骨骼 骨骼形成 ; 神经 神经肌肉应激性 ; Ca 调节多种酶的活性 缺钙引起佝偻病或骨质疏松症 佝偻病是一种营养缺乏症 主要是由于机体内缺少维生素 D, 使钙不能吸收, 引起钙磷代谢失常, 影响骨骼发育, 对全身代谢功能也有影响 主要症状为 : 早期表现为多汗 好哭 睡眠不沉 易惊, 由于头部的多汗而使头部发痒, 孩子常摇头, 头枕部秃发 严重时出现特征症状, 即骨骼出现病变, 胸廓畸形如胸骨前突呈 鸡胸 和肋缘的外翻 由于四肢和背部肌肉的无力, 孩子的坐 立和走路都晚于健康的 2
孩子, 且容易跌跤, 走路可出现两下肢向内或向外弯曲的畸形呈 0 型腿或 x 型腿 此外, 孩子的出牙也延迟, 且容易发生蛀牙 治疗和预防 : 口服或注射维生素 D 在冬天或寒冷地区, 可通过口服鱼肝油或晒太阳来预防因为阳光中含有紫外线, 紫外线照到人体皮肤时, 穿透皮肤表面, 作用于皮下的 7 脱氢胆固醇, 使它发生一系列的变化, 变成维生素 D3 从生物体的元素成分可以看出, 生物体内各种元素含量的相对百分比存在 反自然 现象 : 自然界中 C H N 三种元素的总和还不到元素总量的 1%, 然而生物体中 C H N 和 O 四种元素竟占了 96% 以上, 它们是构成糖 脂肪 蛋白质和核酸 4 中生物大分子的主要成分 ; 余下不足 4% 的元素包括 Ca Pi K S 以及众多的微量元素, 它们当中有许多成员在生命活动过程中主要起调节代谢反应的作用 这种 反自然 现象与生命具有浓集自然界中稀少元素的能力有关, 而这种能力也正是生命的一种突出的特征 二 微量元素 1. 定义指在生物体内含量很少, 一般在百万分之一 (µg/g) 或亿分之一 (ng/g) 级的组成元素 2. 主要种类微量元素主要包括 :Fe Cu Zn Mn Co Mo Se Cr Ni V Sn Si I F 等 14 种元素 3. 微量元素的生理功能 Fe( 铁 ) 动物血红蛋白的重要组分 ; 参与部分酶的活化, 与氧的运送和酶的活性有关 缺少时, 引起缺铁性贫血 Cu( 铜 ) 是细胞色素 C 氧化酶 多巴胺 超氧化物歧化酶等的组分, 参与细胞内的氧化反应 Zn( 锌 ) 根种酶的组分或激活剂, 参与四大生物大分子的代谢过程 在青少年的发育生长阶段缺锌, 对其生长 免疫 智力和发育等均可产生不良影响, 表现为多病 早衰 Mo( 钼 ) 与酶的活性 食道癌的发病率和防治有关 I( 碘 ) 甲状腺素的组成成分 缺碘产生地方性甲状腺肿大, 幼儿发生呆小症和智力低下 3
Mn( 锰 ) 与酶的活性有关 Co( 钴 ) 是维生素 B12 的成分, 是红细胞形成及成熟的必需成分 缺钴可引起恶性贫血 青春期少女 0.015mg/ 每日 V( 钒 ) 有促进造血 降血压和抑制胆固醇的生物合成作用 F( 氟 ) 齿骨的组分之一, 与牙齿健康有关 缺氟易产生龋齿 ; 过多则形成斑齿和氟中毒 Ni( 镍 ) 有刺激造血 促进红细胞增生的作用 Sn( 锡 ) 影响骨钙化速度 Si( 硅 ) 植物中含量较多, 使组成植物细胞壁的重要组分 Se( 硒 ) 是谷胱甘肽过氧化酶的活性中心成分, 故对生物体内分解活性氧, 清除自由基, 防止其对细胞的损伤具有重要作用 缺硒产生克山病, 与肝功能, 冠心病发病和防治有关 值得注意的一点是 : 微量元素在生物体内或人体中存在的数量较少, 但对生物体来讲是必可少的, 对生物体的代谢活动 保健和抗衰老具有非常重要的作用 由于微量元素在生物体内含量很低, 所以微量元素的营养学研究较晚, 且研究困难较大, 一些微量元素在 1950 年或 1970 年以后才确证为人体必需微量元素 要证明某一种微量元素在营养学上是必不可少的, 至少需要做下面三个方面的实验 : (1) 让实验动物摄入缺少某一种元素的膳食, 观察是否出现特有的病症 (2) 向膳食中添加该元素后, 实验动物的上述特有病症是否消失 (3) 进一步阐明该种元素在身体中起作用的代谢机理 4
只有上述三条都弄清楚, 才能确定某种元素是否为营养上必需的元素 第二节生物的分子组成不同类型的生物和细胞, 其分子组成大致相同 生物体主要由蛋白质 ( 约 15%) 核酸 (7%) 脂类 ( 约 2%) 糖类( 约 3%) 无机盐( 约 1%) 和水 ( 约 70%) 等组成 但不同的生物体内这些物质的相对含量相差很大 按相对分子量的大小, 可将生物体内的分子分为生物小分子和生物大分子 已知的生物大分子都是由生物小分子为单体所组成的多聚物 蛋白质 核酸 脂类和糖类是组成生物体的最重要的生物分子, 其中蛋白质 糖类和核酸分别是由氨基酸 单糖和核苷酸这些生物小分子物质组成的多聚体 无论是生物小分子还是大分子在生物体内具有各自的生理功能 一 水水来自海洋, 生命离不开水 水分子是占细胞中比例最大的基本组分, 水又是细胞中代谢反应的基本环境 没有水就没有生命 1. 水的特性水的特性符合生物生存的需要 : (1) 水是极性分子, 由于氧原子有高的电负性, 即具有很强的吸引电子的能力 氧原子与氢原子或碳原子共用电子时, 形成了极性共价键 2 个 H 原子与 1 个 O 原子形成 H2O 分子时, 形成 2 个呈 V 型的极性共价键 (2) 水是细胞中各种离子和极性溶质的优良溶剂分子 细胞中 70% 左右的组分是水, 细胞中的无机盐一般都以离子状态存在 由于水具有很强的结合能力, 是一种较好的极性溶剂, 所以对于物质的运输, 生命化学反应的进行, 正常的新陈代谢具有重要意义 (3) 由于氧原子有强的电负性, 与 H 形成的共价键具有较强的极性, 易与临近的 H 原子产生较弱的静电引力, 即形成氢键 相邻水分子形成不稳定的氢键, 使水有较强的内聚力和表面力, 具有黏性 吸附性和一定的表面张力, 也在生物细胞中具有特殊的功能, 如水形成毛细管作用, 促使其在植物茎和叶片内的运输 (4) 水还具有沸点高 比摩尔热容大 摩尔蒸发热大等特性, 故在温度改变时, 热量的需求和释放均较大, 有利于保持细胞温度和代谢速率的稳定, 有利于维持体温 2. 水在生物体内的作用 (1) 水是代谢物质良好的溶剂和运输载体 游离水可溶解许多物质和化合物, 在胞间 胞内可自由流动, 将溶解的营养物质运输到各组织并将组织产生的废物运输到排泄器官排出体外 (2) 水是促进代谢的反应物质和结构物质 结合水是细胞结构的重要组成成分, 可赋予各种组织 器官一定的形状 硬度和弹性 水还直接参与细胞内的水解 氧化还原反应, 一切生物氧化合酶促反应均需要水的参与 (3) 水具有调节和联系生理功能的作用维持机体温度 润滑作用 体液循环等 5
3. 无机盐无机盐一般以离子状态存在, 主要组分为 Na + K + Ca 2+ Mg 2+ Cl - 和 PO4 3- 无机盐的生理功能 : 对细胞的渗透压和 ph 值具有重要作用 酶的活化因子和调节因子 如 Ca 2+ 和 Mg 2+ 合成有机物的原料 PO4 3- 合成磷脂和核苷酸 动作电位, 肌肉收缩等,Na + K + 和 Ca 2+ 内环境稳定 :ph 值 生物生存的 ph 一般在 3~8.5 各种生物 各种组织均有适宜的 ph 范围, 细胞中的离子有一定的缓冲能力 二 有机化合物的碳骨架和功能基团 在学习糖类和脂类这两大生物大分子前, 首先必须了解有机化合物的碳骨架和功能基团 细胞中几乎所有的分子都是碳的化合物 由于碳原子比较小, 有 4 个外层电子, 能和别的原子形成 4 个强的共价键, 从而造成了在生物体中存在着数量巨大化学性质和分子量不同的各种含碳化合物 更重要的是碳原子彼此之间可以单键 双键或三键相结合连接形成链状 分枝链状或环状的分子结构, 即有机化合物的碳骨架 碳骨架的排列和长短决定了有机物的基本性质 糖 脂肪 蛋白质和核酸这四种重要的生物大分子的基本骨架就是这样成链状或环状的 除了碳骨架外, 有机化合物上还具有各种官能团, 如羟基 羧基 氨基 羰基等 这些功能基团几乎均为极性基团, 使得生物分子具有亲水性, 有利于其在含水细胞内的稳定性及发生的各种转移反应 生物大分子典型的共价键中所储藏的能量大约为 63-714kJ/mol, 在生物氧化过程中碳化合物的共价键的断裂可以释放出大量的能量 三 糖类糖类是多羟基醛或多羟基酮及其缩合物和某些衍生物的总称, 是自然界分布最广的有机物质, 是生物体内重要组分之一和重要的碳源与能源 生物所需的能量, 主要由糖类化合物在体内的分解代谢供给, 如成人每天所需热量的 60% ~70% 来自糖类 1. 糖类的生物学功能 (1) 生命活动所需能量来源 ; (2) 重要的中间代谢产物 ; (3) 构成生物大分子, 形成糖脂和糖蛋白 ; (4) 是细胞中重要的结构成分 ( 如纤维素和淀粉 ) 2. 糖的分子组成与分类糖是由 C H O 三种元素组成,C:H:O = 1:2:1, 分子通式为 (CH2O)n 由于糖分子含 6
有不对称 C 原子, 因此它不但有旋光性, 而且不对成 C 原子上相连的基团或原子可由两种不同空间排列方式, 形成左右手或互为镜像的关系, 这样的异构体即称旋光异构体 一般旋光性化合物构型的参照物是甘油醛, 其 OH 在右边的定为 D 型, 在左边的定为 L 型 (+) 表示使偏振光振动面向右旋转,( ) 表示向左旋转 根据糖分子是否水解, 以及水解产物的组成情况, 可将糖类化合物分为单糖 寡糖 多糖 糖的衍生物和复合糖 (1) 单糖 : 构成各种糖分子的基本单位, 不能水解为更小的分子 (2) 寡糖 : 由 2~10 分子的单糖分子结合而成 水解后产生单糖 (3) 多糖 : 由大量单糖或衍生物分子连接而成的聚合体 水解后产生原来的单糖或衍生物 (4) 复合糖 : 又称结合糖, 由糖类和非糖物质结合而成, 如糖脂核糖蛋白 在生物体内, 糖类物质主要以均一多糖 杂多糖 糖蛋白和蛋白聚糖形式存在 3. 单糖 构成糖分子的基本单位单糖是构成各种糖分子的基本单位 在糖通式中, 单糖的 n 是从 3~7 的整数 生物体内重要的单糖包括三碳糖的甘油醛, 五碳糖的核糖和脱氧核糖, 六碳糖的葡萄糖 果糖和半乳糖等 天然存在的单糖一般都是 D 型 单糖有环式结构和开链式结构两种存在形式 五碳糖和六碳糖等单糖分子在水溶液中称环式结构 在环状葡萄糖分子中, 半缩醛羟基 ( 即 C-1 上的 OH) 和分子末端 -CH2OH 临近不对称碳原子的 OH 在碳链的同侧, 称 α 型 ; 在异侧的称 β 型 这样葡萄糖分子就有 α- D- 葡萄糖和 β- D- 葡萄糖两种异构体 图 2-1 葡萄糖构象 7
图 2-2 单糖的种类开链式单糖含有若干个 -OH 以及一个醛基或一个酮基, 其中醛基和酮基起着特殊的作用 :(1) 它能够同本分子的 -OH 反应, 而成为环状, 原来酮基或醛基碳和氧之间的连结形成单键 (2) 一旦成环状, 环上的 -OH 能与另一糖分子 OH 形成糖苷键而成为二糖, 通过相同的连接方式将有更多单糖分子连接起来成为寡糖, 直至可以由数千个单糖分子连成的相对分子质量非常大的多糖 由于每个单糖有多个自由的 -OH, 都能与另一单糖形成连接, 这样形成不同多糖结构的类型可能就非常多 由二个葡萄糖构成的二糖连接形式就可以多达 11 种, 而三种不同的己糖可以参与构建几千种不同三糖 4. 二糖 (disaccharide) 二糖又称为双糖, 是最简单的寡糖 由两分子的单糖经过脱水缩合作用形成糖苷键连接形成二糖 二糖水解后形成两分子单糖 重要的二糖为 : 蔗糖 麦芽糖和乳糖 蔗糖 (sucrose): 由一分子葡萄糖和一分子果糖通过糖苷键连接而成, 无还原性 乳糖 (lactose): 半乳糖和葡萄糖结合而成 存在与哺乳动物的乳汁中 麦芽糖 (maltose): 两分子葡萄糖由糖苷键连接, 具有还原性 图 2-3 麦芽糖的分子结构葡萄糖 -α(1 4) 葡萄糖苷 5. 多糖 (polysaccharides) 多糖一般是由几百个或几千个单糖分子间通过脱水缩合而成的分支或不分枝的长链分子 主要为 α- 葡萄糖分子间的缩合 与人类关系密切的多糖主要为同多糖 ( 均一多糖 ), 是由某一种单糖所组成的多糖 如植物细胞 ( 谷粒, 块根, 果实 ) 体内的淀粉 动物细胞中的糖原 ( 如肝细胞中 ) 植物细胞中 8
的纤维素 ( 木材 50% 棉花 90%) 和氨基葡聚糖等 (a) (b) (c) 图 2-4 多糖 (a) (b) 支链淀粉或糖原分子示意图 ;(c) 纤维素一级结构多糖经过降解和生物氧化后, 可以将其中所储藏的能量释放出来供生命活动所用 此外, 纤维素经浓盐酸水解可得纤维二糖, 三糖, 四糖等, 做饲料 ; 用碱水解木材, 可除去木素, 得到纯纤维素, 它是制造纸和离子交换纤维素等原材料 四 脂类脂类是脂肪酸和醇所形成的脂及其衍生物 脂类广泛的存在于动植物体内及其细胞中 1. 脂类的组成和功能脂类由 C H O 三种元素组成,H:O 比远大于 2, 主要是由碳原子和氢原子通过共价键形成的非极性化合物, 故不溶于水, 能溶于非极性溶剂 脂类在生物体内的主要功能为 :(1) 是构成生物膜的骨架 ;(2) 是动物体的主要贮能物质 ;(3) 参与构成某些生物大分子, 如脂蛋白和脂多糖 ;(4) 直接间接的参与生物的代谢反应 ;(5) 作为良好的溶剂, 可促进某些脂溶性物质的溶解, 如维生素 A D E K 和类胡萝卜素等物质的吸收 (6) 构成身体或器官保护层, 如植物表面 鸟类羽毛上的蜡质, 皮下脂肪等 (7) 固醇类则对动物的许多生理活性具有重要作用 2. 分类 (1) 中性脂肪 (fat) 和油 (oil) 中性脂肪和油都是由甘油和脂肪酸生成的三酰甘油酯 对于动物称为脂肪, 对于植物称为油 甘油和脂肪酸结合而成, 甘油的每一个 -OH 和脂肪酸的 -COOH 结合, 形成酯键 三个脂肪酸一般各不相同 ; 少数有二个脂肪酸相同, 如甘油二硬酯酸一软脂酸酯 ; 三个都一样的有人体中所含的三油酸甘油酯 脂肪酸有二个特殊的区域 : 一个是长的碳氢链, 疏水, 化学反应性很低 ; 二是羧基, 在溶液中呈解离状态, 是亲水性的 9
(2) 磷脂 (phospholipids) 磷脂又称为磷酸甘油脂, 是由甘油的 1 位上 α- 羟基和磷酸结合成酯, 另外两个羟基与脂肪酸缩合成脂 磷脂主要存在于细胞的膜系统中, 在脑 肺 肾 心 骨髓 卵及大豆细胞中含量丰富 主要的磷脂包括卵磷脂 ( 又称磷脂酰胆碱 ) 脑磷脂 ( 磷脂酰乙醇胺和磷脂酰丝氨酸 ) 心磷脂 磷脂酰胆碱的结构特征 : 含有一个亲水的极性头和两个非极性的疏水尾巴 最主要的生物功能在于它们是生物膜脂质双分子层的主要成分 (3) 固醇类和萜固醇类是环戊烷多氢菲的衍生物 固醇类广泛的分布于动植物体内, 动物固醇以胆固醇为代表, 只物固醇以麦角固醇为代表 胆固醇是动物细胞膜和神经髓鞘的重要成分, 与膜的透性有关 血液中胆固醇含量过高易引发动脉粥样硬化 萜类化合物是是非极性 疏水的异戊二烯的缩合物, 有成链状和环状两种结构 其中有些成员在人体内具有很强的抗氧化性, 因此有抗衰老 抗辐射等重要的应用价值 如 : 植物 10
细胞中的胡萝卜素 维生素 E 和维生素 K 五 蛋白质 (protein) 蛋白质一词来自希腊文的 proteios, 意思是 首要的, 提示它在生物大分子中的重要性 蛋白质是所有生命分子中最主要的结构和功能物质, 参与生物体内的一切生命活动过程 1. 蛋白质的主要种类和功能按功能分可将蛋白质分为 : (1) 酶 : 具有催化作用, 绝大多数酶是蛋白质 (2) 调节蛋白 : 调节机体代谢, 大多数为激素 (3) 转运蛋白 : 专一性运输各种小分子, 如血红蛋白 ; 膜转运蛋白 (4) 贮存蛋白 : 如卵清蛋白 ; 铁蛋白 (5) 防御和进攻蛋白 : 免疫球蛋白 ; 蛇毒蛋白 (6) 运动蛋白 : 肌肉蛋白和肌球蛋白 (7) 受体蛋白 : 接受和传递信息, 如阻遏蛋白 (8) 其他作用 : 视觉蛋白, 味觉蛋白, 霉素蛋白 2. 蛋白质的基本结构单位 氨基酸蛋白质的组成单体是氨基酸, 蛋白质是由多种氨基酸单体组成的生物大分子多聚体 组成蛋白质的常见氨基酸有 20 多种, 除脯氨酸和羟脯氨酸外, 这些天然氨基酸在结构上的共同特点为 : (1) 分子中同时含有羧基和氨基, 且在 α- 碳原子同时连接有一个羧基和一个氨基, 因而称为 α- 氨基酸 其结构通式如图所示 (2) 除甘氨酸外, 其它所有氨基酸分子中的 α- 碳原子都为不对称碳原子, 故都具有旋光性 (3) 每一种氨基酸都具有 D- 型和 L- 型两种立体异构体 目前已知的天然蛋白质中氨基酸都为 L- 型 20 种氨基酸的基本差别就在于其侧链 R 基团的不同 按照侧链基团化学性质的不同, 可将氨基酸分为 : (1) 非极性的疏水氨基酸 : 包括 Ala Val Leu Ile Phe Pro Trp 和 Met (2) 极性氨基酸 : 带电荷的极性氨基酸 Arg Lys His 和 Asp Glu 不带电荷的氨基酸 Ser Thr Cys Asn Gln Tyr Gly 人体所需的八种必需氨基酸分别为 : 赖氨酸 (Lys) 缬氨酸 (Val) 蛋氨酸 (Met) 色氨酸 (Trp) 亮氨酸 (Leu) 异亮氨酸 (Ile) 苏氨酸 (Thr) 苯丙氨酸 (Phe) 婴儿时期还需要精氨酸 (Arg) 组氨酸 (His) 这些氨基酸人体自身不能合成, 必须从食物中摄取 11
3. 肽键 肽和多肽一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基缩合脱水形成的酰胺键, 称肽键 不同数目的氨基酸以肽键顺序相连, 形成链状分子, 即是肽 (peptide) 或多肽 (polypeptide), 通常分子量在 1500 以下的为肽, 在 1500 以上的为多肽 蛋白质分子就是由成千上万个氨基酸通 过肽键连接形成的多聚体 O O NH 2 -CH-C-N-CH-C H H H OH 图 肽键 12
4. 蛋白质的结构天然蛋白质都具有特定的三维空间结构和形态, 即构象 蛋白质的空间结构包括一级 二级 三级和四级四个连续不同的结构层次 其中蛋白质的一级结构是指肽链的氨基酸组成及其排列顺序 氨基酸序列是蛋白质分子结构的基础, 它决定蛋白质的高级结构 蛋白质的多肽链并不是线形伸展的, 而是按一定方式折叠盘绕成特有的空间结构 蛋白质的三维构象, 也称空间结构或高级结构, 是指蛋白质分子中原子和基团在三维空间上的排列 分布及肽链的走向 高级结构是蛋白质表现其生物功能或活性所必须的, 包括二级 三级和四级结构 (1) 蛋白质的一级结构又称初级结构, 是指形成多肽链的氨基酸数目 种类和线性排列顺序等 蛋白质一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础 一级结构的改变可使其二级结构和蛋白质的功能发生改变 例 : 镰刀性贫血病同源蛋白质与生物进化 (2) 蛋白质二级结构蛋白质的二级结构是指肽链主链的空间走向 ( 折叠和盘绕方式 ), 是有规则重复的构象 主要类型包括 : 1 α - 螺旋 : 多肽主链骨架围绕一个中心轴呈螺旋状盘曲上升 α - 螺旋最为常见, 每圈螺旋中有 3.6 个氨基酸残基, 沿螺旋轴方向上升 0.54nm, 每个残基旋转 100, 沿轴上升 0.15nm, 螺旋半径为 0.23nm, 氢键封闭环包含 13 个原子 2 β - 折叠 : 由两条或多条几乎完全伸展的多肽链, 侧向聚集在一起, 靠链间氢键连结形成的片层结构 有平行或反平行两种类型 平行式 β - 折叠的所有肽链的氨基端在同一端 ; 而反平行式的所有肽链的氨基端按正反方向交替排列 3 β - 转角 : 是由多肽链中残基 n 的 CO 基与残基 (n+3) 的 NH 基形成氢键所产生的一种结构, 使蛋白质的肽链急剧扭转走向, 广泛存在于球状蛋白中 13
4 无规卷曲指没有一定规律的松散肽链结构 此结构看来杂乱无章, 但对一种特定蛋白又是确定的, 而不是随意的 在球状蛋白中含有大量无规卷曲, 倾向于产生球状构象 这种结构有高度的特异性, 与生物活性密切相关, 对外界的理化因子极为敏感 酶的活性中心往往位于无规卷曲中 超二级结构是蛋白质二级结构和三级结构的一种过渡空间构像, 是由相邻的二级结构单元可组合在一起, 相互作用, 形成有规则, 在空间上能辨认的二级结构组合体, 充当三级结构的构件的结构 图平行式 β - 折叠反平行式 β - 折叠 α - 螺旋 (3) 蛋白质三级结构三级结构是指多肽链中所有原子和基团的构象 它是在二级结构的基础上进一步盘曲折叠形成的, 包括所有主链和侧链的结构 一般呈球状或纤维状 球蛋白是由 α - 螺旋和不规则的不成 α - 螺旋的部分, 折叠成球形 常见的球蛋白有酶 蛋白质激素 抗体以及细胞质和细胞膜中的蛋白质 纤维蛋白的蛋白质分子围绕一个纵向轴缠绕成螺旋状 指甲 毛发 真皮 韧带等中的胶原蛋白就是纤维蛋白 结构域是在三级结构与超二级结构之间的一个组织层次 一条长的多肽链, 可先折叠成几个相对独立的结构域, 再缔合成三级结构 大的蛋白质可包括若干结构域 形成意义 : 动力学上更为合理 ; 蛋白质 ( 酶 ) 活性部位往往位于结构域之间, 使其更具柔性 (4) 蛋白质四级结构组成蛋白质的多条肽链在天然构象空间上的排列方式, 多以弱键相互连接, 如疏水力 氢键和盐键 组成蛋白质四级结构的每条肽链本身具有一定的三级结构, 称为蛋白质分子的亚基 14
维持蛋白质的空间结构的作用力主要是氢键 盐键 ( 离子键 ) 疏水键 范德华力 二 硫键 脂键等次级键 5. 蛋白质结构与功能的关系蛋白质多种多样的生物功能是以其化学组成和极其复杂的结构为基础的 蛋白质特定的空间结构对于其功能起决定性的作用 (1) 种属差异与生物进化对不同机体中表现同一功能的蛋白质的一级结构进行详细比较, 发现种属差异十分明显 例如对不同种属的细胞色素 C 的研究指出具有同种功能的蛋白质在结构上的相似性 细胞色素 C 广泛存在于需氧生物细胞的线粒体中, 是一种含血红素辅基的单链蛋白, 由 124 个残基构成, 在生物氧化反应中起重要作用 对 100 个种属的细胞色素 C 的一级结构进行了分析, 发现亲缘关系越近, 其结构越相似 人与黑猩猩 猴 狗 金枪鱼 飞蛾和酵母的细胞色素 C 比较, 其不同的氨基酸残基数依次为 0 1 10 21 31 44 细胞色素 C 的氨基酸顺序分析资料已经用来核对各个物种之间的分类学关系, 以及绘制进化树 根据进化树不仅可以研究从单细胞到多细胞的生物进化过程, 还可以粗略估计各种生物的分化时间 (2) 分子病蛋白质分子一级结构的改变有可能引起其生物功能的显著变化, 甚至引起疾病 这种现象称为分子病 突出的例子是镰刀型贫血病 这种病是由于病人血红蛋白 β 链第六位谷氨 15
酸突变为缬氨酸, 这个氨基酸位于分子表面, 在缺氧时引起血红蛋白线性凝集, 使红细胞容易破裂, 发生溶血 血红蛋白分子中共有 574 个残基, 其中 2 个残基的变化导致严重后果, 证明蛋白质结构与功能有密切关系 (3) 蛋白质空间结构与功能的关系 血红蛋白的别构效应含亚基的蛋白质由于其中一个亚基构像的改变而引起其他亚基和整个分子的构像 性质和功能发生改变的作用称为别构效应 变构现象与蛋白质的生理功能有密切联系 如血红蛋白在运输氧气时, 就有变构现象发生 血红蛋白是红细胞的主要成分, 是红细胞运输 O2 和 CO2 的载体 血红蛋白是由四个亚基形成的四聚体, 每个亚基含一个血红素辅基, 血红素中含有二价铁原子能与氧可逆结合, 一般来讲还原型血红蛋白和氧的结合能力较弱 但当 1 个或 2 个亚基和氧结合后,Hb 同氧的结合力大大增加, 很快达到饱和 这主要是因为 : 还原型血红蛋白的 4 个亚基间以非共价键相连, 影响每一个亚基中的 Fe 原子与氧的结合 但当有一条多肽链与氧结合时, 与这条链有关的 Fe 原子位置发生移动, 链与链间的连接键被破坏, 肽链的构像发生变化, 其余的肽链构像也随之发生改变, 整个分子的构像变化是所有 Fe 原子的位置都变得适宜于与氧的结合, 故复氧速度大大加快 蛋白质的变性 (denaturation) 处理也可证明蛋白质的功能是由其特殊的空间结构决定的 天然蛋白因受物理或化学因素影响, 高级结构遭到破坏, 致使其理化性质和生物功能发生改变, 但并不导致一级结构的改变, 这种现象称为变性, 变性后的蛋白称为变性蛋白 能使蛋白变性的因素很多, 如强酸 强碱 重金属盐 尿素 胍 去污剂 三氯乙酸 有机溶剂 高温 射线 超声波 剧烈振荡或搅拌等 但不同蛋白对各种因素的敏感性不同 6. 蛋白质的分离提纯和结构的研究蛋白质的结构研究涉及蛋白质从细胞中的分离 纯化和结构分析等复杂的过程, 需要在 0~4 的低温条件下进行, 以减少蛋白质的变形和去折叠 (1) 粗分离蛋白质的主要来源包括动物 植物和微生物 首先需要进行细胞破碎, 使蛋白释放出来 动物细胞可用匀浆器 组织捣碎机 超声波 丙酮干粉等方法破碎 植物可用石英砂研磨或纤维素酶处理 微生物的细胞壁是一个大分子, 破碎较难 有超声振荡 研磨 高压 溶菌酶 细胞自溶等方法 再进行蛋白质抽提, 可溶蛋白常用稀盐提取, 如 0.1Mol/L NaCl 脂蛋白可用稀 SDS 或有机溶剂抽提, 不溶蛋白用稀碱处理 抽提的原则是少量多次 要注意防止植物细胞液泡中的代谢物改变 ph, 可加入碱中和 ; 为防止酚类氧化可加 5mMol/L 维生素 C 加 DFP 或碘乙酸可抑制蛋白酶活力, 防止蛋白被水解 然后进行粗分离, 主要目的是除去糖 脂类 核酸及大部分杂蛋白, 并将蛋白浓缩 常采用沉淀法和盐析的方法 (2) 纯化对粗蛋白样品需进行进一步的分离纯化, 常采用离心 柱层析 电泳等技术 16
离心 : 将被分离的样品溶液在离心机中高速旋转, 将不同质量或密度的分子分离开来 柱层析 : 又称柱色谱技术, 通过将蛋白质样品加到一个装有不溶性固体基质的柱子内, 利用特定的溶剂洗脱, 由于蛋白质混合液中不同的祖分在固定相和流动相中的分配系数的不同, 进过多次反复分配, 将不同的蛋白质组分逐一分离的过程即为柱色谱 常用的柱色谱技术有 : 离子交换层析 凝胶过滤层析和亲和层析 电泳 : 利用电场来分离可溶性带电分子的一种实验技术 蛋白质大多数带负电荷, 在电场中向正极移动, 其移动速率与带电荷数成正比, 与质量成反比 (3) 蛋白质结构分析结晶的蛋白质晶体 X 射线衍射技术 核磁共振技术 六 核酸核酸是生物体内另一种重要的生物大分子, 其主要功能为贮存遗传信息, 控制蛋白质的合成 核酸包括两种 : 脱氧核糖核酸 (DNA) 和核糖核酸 (RNA) 基因是贮存遗传信息的特殊的 DNA 片段, 主要编码蛋白质的氨基酸序列, 决定蛋白质的功能 1. 组成核酸的结构单位 核苷酸核酸是由核苷酸单体连接形成的大分子多聚体 每一个核苷酸包括一个含氮碱基 一个核糖和一个磷酸根 (1) 碱基核酸中的碱基分为两类 : 嘌呤和嘧啶 嘧啶碱 (pyrimidine,py) 是嘧啶的衍生物, 共有三种 : 胞嘧啶 (cytosine,cyt) 尿嘧啶 (uracil,ura) 和胸腺嘧啶 (thymine,thy) 其中尿嘧啶只存在于 RNA 中, 胸腺嘧啶只存在于 DNA 中, 但在某些 trna 中也发现有极少量的胸腺嘧啶 嘌呤碱 (purine,pu) 由嘌呤衍生而来, 常见的有两种 : 腺嘌呤 (adenine,ade) 和鸟嘌呤 (guanine,gua) 嘌呤分子接近于平面, 但稍有弯曲 (2) 戊糖戊糖有两种, 即 D- 核糖和 D-2- 脱氧核糖 17
(3) 核苷核苷是戊糖与碱基缩合而成的 糖的第 1 位碳原子与嘧啶的第 1 位氮原子或嘌呤的第 9 位氮原子以糖苷键相连, 一般称为 N- 糖苷键 (4) 核苷酸核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化, 就形成核苷酸 核糖核苷的糖环上有三个羟基, 可形成三种核苷酸 :2 3 和 5 - 核糖核苷酸 脱氧核糖只有 3 和 5 两种 生物体内游离存在的多是 5 - 核苷酸 核酸的两大类 : 脱氧核糖核酸 DNA, 含 G A C T 四种碱基和脱氧核糖 核糖核酸 RNA, 含 G A C U 四种碱基和核糖 核苷酸的功能 : 作为核酸的成分 ; 为需能反应提供能量, 例如 UTP 用于多糖合成,GTP 用于蛋白质合成,CTP 用于脂类合成,ATP 用于多种反应, 是细胞内最重要的高能化合物 用于细胞内的代谢调节 激素信号转导等过程, 如 camp( 环状腺苷一磷酸 ) 参与构成辅酶, 如 NAD FAD CoA 等都含有 AMP 成分 2. DNA 的结构 (1)DNA 的一级结构 DNA 是由成千上万个脱氧核糖核苷酸聚合而成的多聚脱氧核糖核酸 它的一级结构是它的构件的组成及排列顺序, 即碱基序列 在 DNA 分子中, 相邻核苷酸以 3,5 - 磷酸二酯键连接构成长链, 前一个核苷酸的 3 - 羟基与后一个核苷酸的 5 - 磷酸结合 链中磷酸与糖交替排列构成脱氧核糖磷酸骨架, 链的一端有自由的 5 - 磷酸基, 称为 5 端 ; 另一端有自由 3 - 羟基, 称为 3 端 在 DNA 中, 每个脱氧核糖连接着碱基, 碱基的特定序列携带着遗传信息 18
(2)DNA 的二级双螺旋结构 DNA 双螺旋结构的阐明, 是本世纪最重大的自然科学成果之一 1953 年 Watson 和 Crick 根据 Wilkins 的 DNAX- 射线衍射数据和碱基组成规律, 建立了 DNA 的双螺旋结构模型, 从而揭开了现代分子生物学的序幕 Watson 和 Crick 阐明的是 B-DNA 结晶的结构模型, 与细胞内存在的 DNA 大体一致 近年来又发现, 局部 DNA 还可以其他双螺旋或三螺旋的形式存在 B-DNA 双螺旋结构的要点 : 1 DNA 分子是由两条反向平行的多核苷酸链围绕同一中心轴上缠绕而成的 ; 两条链均为右手螺旋 2 嘌呤和嘧啶碱位于双螺旋的内侧, 磷酸和核糖在外侧, 彼此之间通过磷酸二酯键相连接, 形成 DNA 分子骨架 3 碱基平面与纵轴垂直, 糖环的平面则与纵轴平行, 与碱基平面垂直 两条链偏向一侧, 形成一条大沟和一条小沟 4 双螺旋的直径为 2nm, 两个相邻碱基对 (bp) 之间的距离为 0.34nm, 相邻核苷酸之间的夹角为 36 沿中心轴旋转一周有 10 个核苷酸 每一转的高度 ( 即螺距 ) 为 3.4nm 5 两条核苷酸链依靠彼此碱基之间形成的氢键相连结合在一起 由于受碱基几何形状的限制,A 只与 T,G 只与 C 配对形成氢键 G 与 C 形成三个氢键,A 与 T 形成两个氢键 ( 即碱基配对原则 ) DNA 双螺旋发现的最深刻意义在于 : 能够圆满地解释作为遗传功能分子的 DNA 是如何进行复制的, 是现代分子生物学的理论基础, 可以解释和指导分子生物学和生物技术领域的许多理论和实践问题 19
以后发现,DNA 还有左手螺旋, 即 Z-DNA, 其骨架呈锯齿走向 Z-DNA 作为特殊的 结构标志, 与基因表达的调控有关 补充材料 DNA 结构的多态性 B 构象 : 在生理盐溶液中 92% 相对温度下进行 X- 射线衍射图谱, 最常见的 DNA 构象 A 构象 : 在以钠 钾或铯作反离子, 相对温度为 75% 时. 不仅出现于脱水 DNA 中, 还出现在 RNA 分子中的双螺旋区域的 DNA-RNA 杂交分子中 C 构象 : 以锂作反离子, 相对温度进一步降为 66% Z 构象 :Wang 和 Rich 等人在研究人工合成的 CGCGCG 单晶的 X- 射线衍射图谱时分别发现这种六聚体的构象与上面讲到的完全不同 它是左手双螺旋, 在主链中各个磷酸根呈锯齿状排列, 有如 之 字形一样. 这一构象中的重复单位是二核苷酸而不是单核苷酸 ; 而且 Z-DNA 只有一个螺旋沟, 它相当于 B 构象中的小沟, 它狭而深, 大沟则不复存在 Z-DNA 的形成是 DNA 单链上出现嘌呤与嘧啶交替排列所成的 这种碱基排列方式会造成核苷酸的糖苷键的顺式和反式构象的交替存在 当碱基与糖构成反式结构时, 它们之间离得远 ; 而当它们成顺式时, 就彼此接近 嘧啶糖苷键通常是反式的, 而嘌呤糖苷酸键既可成顺式的也可成反式的 而在 Z-DNA 中, 嘌呤碱是顺式的 这样, 在 Z-DNA 中嘧啶的糖苷链离开小沟向外挑出, 而嘌呤上的糖苷键则弯向小沟 嘌呤与嘧啶的交替排列就使得糖苷键也是顺式与反式交替排列, 从而使 Z-DNA 主链呈锯齿状或 之 字形 细胞 DNA 分子中确实存在有 Z-DNA 区 而且, 细胞内有一些因素可以促使 B-DNA 转变为 Z- DNA 应当指出 Z-DNA 的形成通常在热力学上是不利的 因为 Z-DNA 中带负电荷的磷酸根距离太近了, 这会产物静电排斥 但是,DNA 链的局部不稳定区的存在就成为潜在的解链位点 DNA 解螺旋却是 DNA 复制和转录等过程中必要的环节, 因此认为这一结构位点与基因调节有关 比如 SV40 增强子区中就有这种结构, 又如鼠类微小病毒 DNS 复制区起始点附近有 GC 交替排列序列 此外,DNA 螺旋上沟的特征在其信息表达过程中起关键作用 调控蛋白都是通过其分子上特定的氨基酸侧链与 DNA 双螺旋沟中的碱基对一侧的氢原子供体或受体相互作用, 形成氢键从而识别 DNA 上的遗传信息的 大沟所带的遗传信息比小沟多 沟的宽窄和深浅也直接影响到调控蛋白质对 DNA 信息的识别 Z-DNA 中大沟消失, 小沟狭而深, 使调探蛋白识别方式也发生变化 这些都暗示 Z-DNA 的存在不仅仅是由于 DNA 中出现嘌呤 - 啶嘧交替排列之结果, 也一定是在漫漫的进化长河中对 DNA 序列与结构不断调整与筛选的结果, 有其内在而深刻的含意, 只是人们还未充分认识而已 3. RNA 的结构特点 RNA 分子是一条单链, 可以回折, 自身互补配对, 出现双螺旋, 形成发夹或称为茎环结构 形成局部 A 螺旋至少要有 4~6 个碱基对 某些分子中回折可占 50% RNA 按功能分为三类 : 转运 RNA(tRNA) 信使 RNA(mRNA) 和核糖体 RNA(rRNA) (1)mRNA 是线形单链分子, 长短不一, 相对分子质量在 150,000 2,000,000 之间, 数量占细胞内 RNA 总量的 5%~10% 作为指导合成蛋白质的模板, 具有种类多 拷贝少 寿命短 修饰 20
成分少的特点 特点 :1 携带 DNA 信息, 作为指导合成蛋白质的模板 ; 2 5' 端有甲基化的 G 帽, 抗水解, 稳定 mrna 的作用有前导序列和一 3'-polyA 结构 ; 3 半衰期短 ( 几分钟到几小时 ) ( 3) trna trna 占细胞核酸总量的 5%~10%, 单链分子, 由 73-93 个核苷酸组成, 其中含大量稀有碱基, 如假尿嘧啶核苷 (ψ), 各种甲基化的嘌呤和嘧啶核苷, 二氢尿嘧啶 (hu 或 D) 和胸腺嘧啶 (T) 核苷等, 约有一半核苷酸彼此以氢键互补相连造成局部的双链, 使其二级结构呈由一个臂和三个发夹构成的三叶草形 trna 分子在二级结构的基础上进一步扭曲形成一个像倒置的 L 的三级结构 trna trna 分子的主要功能是转运氨基酸, 按照信使 RNA 的碱基序列合成蛋白质 20 种氨基酸都有专一的转运 RNA, 有的还有 2 种或多种转运 R N A 核糖体 RNA(rRNA) 是蛋白质合成的场所 (4)rRNA 含量最多, 占细胞总量的约 82%, 相对分子质量最大, 与蛋白质结合而成核糖体 功能是作为 mrna 的支架, 使 mrna 分子在其上展开, 实现蛋白质的合成 rrna 是由多基因编码的, 序列十分保守 虽然核糖体小亚基 rrna 分子大小有多种, 但是它的复杂的折叠结构却是高度保守的 4. 核酸的提纯 21
提取 : 一般先破碎细胞, 然后用酚 - 氯仿除蛋白, 用乙醇或异丙醇将核酸沉淀出来, 干燥后再溶解即可 纯化 : 常用电泳或层析 PAGE 一般用于分离 1K 以下的核酸, 如测序 较大的要用琼脂糖电泳 纯化 mrna 常用 oligo-dt 的层析柱或磁珠 本章内容总结 1. 微量元素与常量元素的共同点与不同点 2. 水在生物体的组成中占体重的绝大部分, 试从水的生物功能对这一现象进行分析 3. 写出氨基酸的基本通式 4. 生物大分子有那些特性 5. 具体写出蛋白质的一至四级结构分别代表什么? 6. 说明 DNA 结构的特点和功能 7. 分析脱氧核糖核苷酸与核糖核苷酸在结构和功能上的不同 8. 生物大分子有哪些特性? 参考书目 : [1] 生物化学简明教程 ( 第三版 ), 聂剑初 吴国利等编, 高等教育出版社,1999 年 [2] 生物化学 ( 第三版 ), 王镜岩 朱圣庚主编, 高等教育出版社,2002 年 [3] 普通生物化学 ( 第三版 ), 郑集 陈钧辉编著, 化学工业出版社, 高等教育出版社, 1998 年 [4] 基础生物化学, 郭蔼光主编, 高等教育出版社,2001 年 [5] 应用生物化学, 欧伶 愈建瑛等编著, 化学工业出版社,2002 年 [6] 生物化学原理, 张楚富主编, 高等教育出版社,2004 年 22