中山大学生化笔记.pdf
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1、中山大学生物化学课堂笔记李国富郑利民版Contents for this semester:1生物化学绪论和基础(郑利民)2 氨 基 酸(李国富)3 蛋白质的结构(李国富)4 蛋白质的功能(李国富)5 蛋白质研究的基本方法(李国富)6 酶(李国富)7 糖(李国富)8 核甘酸与核酸(李国富)9 脂(李国富)1 0 生物膜与物质转运(李国富)1 1 生物信号(郑利民)1 2 生物体对环境应答的生化基础(郑利民)第二节 Amino acids 2.1 Preknowledge一 同 分 异 构 Isomerism1构造异构 Constitutional碳架异构/Carbon chain 位置异构/P
2、osition 官能团异构/Functional group互变异构/Tautomerism(两种异构体可在溶液中自然发生可逆的相互变化)价键异构/Valence(指键的杂化类型:SP/S/SF3)2 立体异构 Stereoisomerism构象异构Conformation a.交叉式构象b.重叠式构象 构 型 异 构a.顺反异构/Cistrans旋光异构/Optical 构型V S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(骨架组合);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。构象:广义的构象是指分子中原子或基团在三维空间的取向和定位
3、;狭义的构象是指具有相同构造和构型分子中,由于某个原子(基团)绕单键自由旋转而形成的不同的易变的空间结构形式(有无数种);在各种构象形式中,势能最低、最稳定的构象是优势构象。二旋光性和手性1光的介绍光是横波(电磁波),电场和磁场振动的方向与光前进的方向垂直(见下图)自 然 光:其在振动和波面内各方向具有相同的概率,这种振动方向概率相等的波称 平 面 偏 振 光:不再具有振动方向各向概率相等的特性。旋光活性:指可以使平面偏振光发生偏转的特性。2 手 性(c h i r a l i t y)它们互为镜象,和左右手之间的关系一样,外形相似,但不能重合,此为手性。这两个物体称对映异构体(旋光异构体)。
4、C、N、C、S i等原子都可以成为手性中心。只有在同一平面内进行旋转可重合才算为手性分子,在空间翻转不算。3手性的判定法则存在下列情况之一,不是手性分子O有对称中心O有对称面O 有旋转反轴(a.旋转轴:沿此种轴物体旋转n【3 6 0 重1 8 0二 重1 2 0三 重90四重60五重】后 分 子 复 原b.旋转反轴:先旋转n。后,通过一个镜面的映射物体复原)同时存在下列情况,肯定是手性分子O 没有对称中心O没有对称面O没有四重反轴即分子存在下列结构之一:手性中心/Ch i r a l c e n t e r采用SP3杂化,为有四条轨道的正四面体,而且每个轨道所对应四个不同的原子或基团手性轴/C
5、h i r a l a xi s (了解)由于双键、分子过大等因素的存在使其不能自由旋转手性面/Chiral plane(了解)4旋光性的标记CHOIH *C OHICHzOH(I)glyceraldehydesD(羟基在右)CHOIHO *C HICH2OH(II)glyceraldehydesL(羟基在左)制化程度最高的基团放在上面,和ch。对应 19世纪末,费歇尔建议用甘油醛为标准来确定对映体的构型.(见上图)即采用D-L系统,而且所有的构型都是相对构型(相对于甘油醇来说),与旋光性没有关系2.2 Structural Features General formula(由于生理p H 为
6、 7,所以此形式为氨基酸在生理条件下的主要存在形式)COO+IH3N C HR结构式中水平键指向直面外,竖直键指向纸面内。Each has a different side chain R(R=uRemainder of the molecule),which vary in size,structure andelectric charge(电荷)and influence AAs 在水里的溶解性。a-A A:官能团所连的第一个碳为a-碳,以竣基为主官能团,氨基在o r 碳上,所以称o r 氨基酸;实质就是-CO O H 和-N H 2 连接在案同一碳原子上的氨基酸。组成蛋白质的氨基酸均为a
7、 氨基酸,一般b i o c h a m所指的都是这种氨基酸。(根据氨基连结在竣酸中碳原子的位置,可分为a、0、Y、5的氨基酸(C.C-CC-C-CO O H)o除少数列外,大多数氨基酸只有a-c a r b o n 是手性碳原子。氨基酸的旋光异构性1由于氨基酸的C 连接四个不同的基团(甘氨酸除外),所及具有手性,所以A A S 具有旋光异构体。2 氨基酸的D-L 构型不是由其自己的旋光活性确定的,而是对应甘油醛的D/L 构型确定的,(其氨基对应0 H),同样,氨基酸的D,L构型与其具体的旋光性(左旋还是右旋)没有直接对应关系。3绝大多数蛋白质中的氨基酸是L-A A s,D-A A s 在细菌
8、细胞壁的肽聚糖以及抗菌肽中出现。XCHOH O-2 -HI3cH 20HL-Glyceraldehydeo oroivcCHOAH一C 一 OH!CH2OHo-Glyceraldehyde6-HCACTCn-A lanine2.3Category-S t an d ar d A A s:判断依据1 为 L 构型2 为直接用于合成蛋白质的单体,即有对应的t RN A将其运送至核糖体中用于肽链合成。特征1 每个标准AA都有其俗名(即非IU PAC)e.g:酪氨酸(第一次从c h e e s e 中获得)2 每个都有一个三字母缩写&一个一字母缩写名(便于以后蛋白质链的缩写)通常为首三/一字母3 共
9、20种 分类分类依据:按照氨基酸中R 基的极性进行分类。R 基极性的判断:有无极性是相对来言,一般看分子偶极矩的大小,即极性键多还是非极性键多,如烷燃一般没有极性(C-H.H-H),但若基团含0H,C 00H等集团,则极性较大,极性大的集团一般亲水性较强(氢键作用)。()Nopolar AAs(疏水)1甘氨酸:G l y (G),由于其R 基为H,所以其无手性C原子,即无旋光性。2 亮氨酸:L e u(L)3 异亮氨酸:l i e (I),2 和 3 为同分异构体;异亮氨酸有两个手性C 原子,但在生物化学中,一般以a-C为手性碳来标识其L-D 构型。4 苯丙氨酸:Ph c (F)5 色氨酸:T
10、 r p (W)O 唯一带共柜体系(苯环)的三种氨基酸苯丙氨酸 络氨酸 色氨酸其在近紫外区有吸收光的能力,一般最大光吸收在28 0m m 处。(实践中一般使用色氨酸)6 丙氨酸:Al a(A)7 脯氨酸:Pr o (P)8 缀氨酸:V ai (V)10甲硫氨酸:M e t (M)Arom atic R groupsN o n p o la r,a lip h a tic R grou psc o o-H3NC H甘氯 丙氮Glycine Ajaninec o o-c o o-c o oH3N C HProline 脯 氮 V aline 缜 氯(二)极 性 氨 基 酸(亲 水)A 不带电荷1丝
11、氨酸:Se r (S),R基为C H20H2苏氨酸:T h r (T),有两个手性C,但仍以a-C为手性碳来标识其L-D构型。3 半胱氨酸:C y s (C),R:-C H2-SH-SH在蛋白质中常被氧化成二硫键-S-S(用于固定蛋白质的构象,在生物坚硬蛋白质中含量高,如指甲,牛角等)COO-COO-I +IHjNCH HjNCHCysteine ICHa.I 2H*+2e-SH 广SH,、2H+2ecCysteine|C HS.CHNH3c o o-4天冬氨酸:As n (N),R基带N H2,5谷氨酰胺、;G i n (Q),R基带N H26酪氨酸:含苯环,有近紫外吸收。CH2SCysti
12、neSI产.CHNHsc o o-O 带OH、N H2、SH基团的AAS组合形成蛋白之后,一般为蛋白质发挥作用的部位(e.g:酶的催化)B带 电 荷a.带 正 电 荷1赖氨酸:L y s (K)2精氨酸:A r g (R)3组氨酸:H i s (H)b.带 负 电 荷1天冬氨酸:A s p (D):有两个C O C T2谷氨酸:G l u (E),有两个C O C T(三)Two rare standard AAs+Selenocysteine:encoded(编 码)by the RNA nucleotide triplet UGA found inArchaea,eubacteria an
13、d animals including mammals.+Pyrrolysine:encoded by the RNA nucleotide triplet UAG,found in Archaea,and eubacteria.二 Nonstandard AAs 产生途径1由蛋白质中的标准A A S经修饰而成即在标准A A S合成蛋白质之后,由于蛋白质功能需要,会对A A S进行修饰改进,其水解后的产物便有非标准 A A S (are found in certain proteins and are made after the standard aminoacids have been
14、incorporated into proteins)2 A A S和蛋白质代谢的中间产物e.g:鸟氨酸瓜氨酸 2.4 Chemical Properties Acid-Base and Titration Curves(滴定曲名戋)-酸 碱 性 相 关 知 识 补 充A Ionization of Water(水的电离)Water dissociates into hydronium(H3O+)and hydroxyl(OH-)ions.Forsimplicity,we refer to the(H3O+)as a hydrogen ion(H+)and write theequilibri
15、um asH2O 5=iH*+OH-其中,式子的平衡常数%=(I)式子中括号里表示的是离子的摩尔浓度。由于水的解离度很小,所 以expression 1 can besimplified to giveKW=H+OH-(2)K w则表示水的离子积。Note that the concentrations of H+and OH-arereciprocally related.If the concentration of H+is high,then theconcentration of OH-must be low,and vice versa.B Definition of Acid a
16、nd Base(碱)1 An acid is a proton donor.A base is a proton acceptor.,The species formed by the ionization(电离)ofAcid H+base.,_ an acid is its conjugate base(共轨碱)=Conversely,CHOOH=H+CH3coec r,Acenecid Acetate protonation(质子化)of a base yields its conjugateNH?=H+NH,acid.Ammonium ion AmmoniaC Definition of
17、 pH and pK1 The pH of a solution is a measure of its concentration(浓度)of H+.The pHis defined aspH=log10(l/H+)-log10(H+(3)这个电离的表观平衡常数K.=H+A-/HA(4)Ka的意义:即当弱电解质电离达到平衡时(只有弱电解质发生不完全电离,讨论才有意义),已经发生电离的离子浓度和未发生电离的离子浓度之比。2 The pKa of an acid is defined aspKt=-logKa=log(l/KJ(5)the pKa of an acid is the pH at
18、which it is half dissociated,when A-=HA3 pH和pka的关系可以用等式表示为pH=pKa+log(A-/(HA)(8)二 氨 基 酸 的 酸 碱 特 性若按氨基酸的酸碱特性来分,可 将2 0种氨基酸分为中性AAS(分子中仅含一个竣基和一个氨基)、酸性AAS(两个竣基和一个氨基,即门冬氨酸(Asp)和谷氨酸(G lu)碱性AAS(一个段基和两个氨基,即赖氨酸(Lys),精氨酸(A rg)和组氨酸(His).A两性解离 由于a-A AS既 含-COOH又含NH?,因此,在水溶液中,它既可作为酸又可作为碱起作用。从物理化学性质上看,所有a AAS都具以下一些独
19、特的性质:1.为不挥发、高熔点的结晶晶体。2.在水中的溶解性要比在有机溶剂中好得多。Rea son for 1&2:其分子中既有正离子又有负离子,是一种盐,所以其为高熔点晶体且具有好的水溶性。3.其偶极矩比简单的酸和胺大得多。4.表现出酸碱两重性质,其酸性大都比较酸弱,其球性也比大多数胺的碱性弱。Rea son:AAS在结晶状态或者溶液中,并不是以游离氨基和竣基形式存在,而是以解离成两性离子的形式存在。在两性离子中,作为酸的是质子化的氨基(-NH3+),作为碱的是去质子化的竣基(-C O O),所以其酸性弱于痰酸而碱性弱于胺的原因。5.但a-A A 中的a-COOH比一般化合物中的PKa 更小
20、,即更容易解离(注意和4 区分!4 是相对于其已经解离为两性离子而言的 ),酸性更大,因为由于其本身以两性离子形式存在,所以其NH3+作为强的吸电子基团产生吸电子诱导效应,有利于竣基的解离。解离后的皴基负离子与氨基正离子存在静电相互吸引作用,且带正电的质子会与氨基正离子存在静电相互排斥作用,从而导致皴基负离子难与质子相结合。以上两种因素最终导致a-AA竣基酸性大大增加。同样的,a-A A中的a-NH:也比一般化合物中的PKa 小,说明更容易解离。酸碱性详述1 溶液中AAS的存在形式溶液中,AAS的存在形式依赖于溶液的pH,当溶液的pH发生变化时,其的存在形式也发生变化。碱性溶液中质子化的氨基(
21、N H 3+)释放出质子,表现出酸的性质,AAS以负离子形式存在(HzNCHRCOCT)酸性溶液中竣酸负离子被质子化,表现出碱的性质,氨基酸以正离子的形式存在(H3N+CHRCOOH),接近中性的溶液中AAS主要以两性的离子形式存在(H3N+CHR C00)2AAs完全质子化时,可看成是多元酸,中性AAS为二元酸,酸性和碱性AAS可看成是三元酸。例(有 生 738页)B 等电点定义:当溶液处于某一 p H 时,氨基酸溶液中所含的-3*和9 0 0-数目正好相等,净电荷为0.这一P h 称为该AAS的等电点p l 不同的AAS有不同的p l。1 由于不同的AAS有不同的p l,因此可以通过电泳将
22、AAS混合物分离开来。(带不同电荷的AAS由于静电吸引力向不同方向移动,不带电荷的则不移动。)2 AAs的等电点是是其的一个重要性质,当AAS处于等电点时,具一下特点:溶解度最小可以利用此性质分离AAS净电荷为0.在电场中不移动。对于含一个氨基和一个酸基的AAS来说:pI=pKl+pK2/2 对于侧链上含有可解离基团的酸性AAS和碱性AAS来说,它们的等电点则是侧链可解离基团解离常 数(pKR)与数值比较接近(pKR)的 a-氨 基 或 a-峻基的算术平均值。即酸性 AAS:pI=pKi+pKR/2碱性 AAS:pI=pK2+pKR/2 Characteristic Reactions第三节
23、Protein Structure 3.1 Primary Structure-R e I at e d c o n c e p t s Residue:氨基酸残基 每个氨基酸残基的平均相对分子量为110 C/N terminal:一般写时为 左N 右 C Peptide bond:肽键,实为一种酰胺键(共价键),为蛋白质肽链骨架的重复结构单元。Peptide:AAS以酰胺键连接起来的化合物称肽 肽的命名:根据氨基酸残基来确定的,即从多肽N 末端的AAS残基开始向C 末端按顺序依次称为“某氨基酰某氨基酰氨基酸”。isoelectric point(pl):Each peptide has a
24、characteristic titration curve(滴定曲线)andan pl无法像AAS的 PI那样直接计算,只可通过实验直接测定。分类:根据AAS含量不同Oligopeptides寡聚肽 Polypeptides多肽 Protein蛋白质less than 50 btw 50-10 more than 100二 Structural features1由于-CONH-中的C&N都采用SP2杂化,所以肽键中的四个原子和它相邻的两个a-C原子都处在同一平面上,此刚性结构的平面称肽平面or酰胺平面。2由于酰胺基中携基的n 电子与氮原子上的孤电子对占据的p轨道形成p-n共聊,氮原子上的电
25、子云向城基偏移,导致单双键的键长趋向平均化。所以酰胺分子中镀基碳原子与氨基氮原子之间的C-N键在常温时是不能自由旋转的。3但Ca-C键和N-Ca是可以自由旋转的。N-Ca所在的肽平面随N-Ca键旋转的角度为0(向纸平面内旋转);Ca-C所在的肽平面随Ca-C键旋转的角度为(P(向纸外旋转)。N-Ca Ca-C C-N当两个平面转到组成一个共矩形平面时,。和 p 为0.(but it is disallowed by the steric空间上的 overlap between H and O atoms of adjacent 令 B 近的 peptide planes.)=1 8 0 ,v|
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