生物无机化学讲义.doc

第一章 生物配体及其配合物在大多数情况下，金属元素并不是以自由离子形式存在于生物体内，而是与生物体中具有生物功能的配体形成各式各样的配合物，这些生命内的配位体称为生物配体按照相对分子量的大小，生物配体可分为两大类：一类为大分子配体，包括蛋白质、多糖、核酸等，其分子量大小从几千到数百万不等；另一类为小分子配体，包括氨基酸、羧酸、卟啉等第一节 氨基酸氨基酸是指含有氨基的羧酸，为蛋白质的基本组成单位按照软硬酸碱理论，氨基酸具有碱性较强的氨基及碱性较弱的羧基，故氨基酸具有很强的配位能力，能与大多数过渡及稀土元素形成配合物一、 氨基酸的结构通式 自然界中已发现氨基酸有上百种，但从蛋白质水解产物中分解出来的氨基酸通常只有20种，而且这些氨基酸，除脯氨酸外，具有相似的结构单元，均为α-氨基酸，即羧酸分子中α-碳原子的一个氢原子被氨基取代而成的化合物其结构通式可用下式表示式中R 为α-氨基酸的侧链，方框内的基团为各种氨基酸的共同的结构 不带电形式 带电形式图1-1 氨基酸结构通式二、 氨基酸的分类氨基酸分类法有多种，这里根据组成蛋白质的20种氨基酸的侧链R基的化学结构的不同，分为4大类：1、 脂肪族氨基酸：① 一氨基一羧基氨基酸：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、丝氨酸、苏氨酸；②一氨基二羧基氨基酸及其酰胺：谷氨酸、谷氨酰胺 、天冬氨酸、天冬酰胺；③二氨基一羧基氨基酸：赖氨酸、精氨酸；2、 芳香族氨基酸：苯丙氨酸、酪氨酸；3、 杂环氨基酸：组氨酸、色氨酸；4、 杂环亚氨酸：脯氨酸。

表1-1 氨基酸分类表普通名称中英文简称结构式等电点1、脂肪族氨基酸一氨基一羧基氨基酸 甘氨酸甘Gly5.97丙氨酸丙Ala6.00缬氨酸缬Val5.96亮氨酸亮Leu5.98异亮氨酸异亮Lle6.02蛋氨酸(甲硫氨酸)蛋Met5.74半胱氨酸半胱Cys5.07丝氨酸丝Ser5.68苏氨酸苏Thr6.16一氨基二羧基氨基酸谷氨酸谷Glu3.22天冬氨酸天Asp2.77二氨基一羧基氨基酸赖氨酸赖Lys9.74精氨酸精Ary10.762、芳香族氨基酸苯丙氨酸苯Phe 5.48酪氨酸酪Tyr5.66 3、杂环氨基酸及杂环亚氨基酸组氨酸组His 7.59色氨酸色Try5.89脯氨酸脯Pro6.30三、 氨基酸的立体异构和旋光性从上述结构通式可看出，除R为H（甘氨酸）外，所有α-氨基酸分子中α-碳原子都为不对称碳原子因此，第一，氨基酸都具有旋光性，能使偏振光平面向左或右旋转，左旋者通常用（—）表示，右旋者用（+）表示；第二，每一种氨基酸都D-型和L-型两种立体异构体蛋白质水解产物中的α-氨基酸都属于L-型，即与L-甘油醛同型生物体中，特别是在细菌中也有D-型氨基酸。

D-型氨基酸和L-型氨基酸结构式如图1-2所示 D-型氨基酸 L-型氨基酸 图1-2 D-型和L-型氨基酸四、 氨基酸的酸碱性质实验证明，氨基酸在水溶液中或晶体状态时都以离子形式存在，与无机盐不同的是它以两性离子的形式存在，即 ，所谓两性离子是指在同一个氨基酸分子上带有能放出质子的 正离子和能接受质子的负离子因此氨基酸是两性电解质氨基酸的两性离子在水溶液中有如下平衡： 正离子 两性离子 负离子上述三种离子的浓度，随溶液pH而变如果适当调节水溶液pH，使氨基酸的酸性电离和碱性电离恰好相抵消，氨基酸在溶液中只以两性离子的形式存在，分子的净电荷为零，这时的pH称为氨基酸的等电点（pI）在等电点的氨基酸分子很容易聚集并沉淀析出，利用各种氨基酸的等电点不同，可使它们彼此分离第二节 蛋白质 蛋白质是动物、植物和微生物细胞中最重要的有机物质之一除含有碳、氢、氧、氮外，含有少量的硫不同蛋白质的含氮均有一定的比例，这是蛋白质的一重要特点。

一般蛋白质含氮在15%~17.6%，平均值为16%，因此只要测定样品的含氮量就可以计算求出样品蛋白质含量实验已经证明蛋白质是由各种氨基酸通过肽键连接而成的多肽链，再由一条或多条肽链按各自特殊方式组合成完整生物活性的大分子随着肽链数目、氨基酸组成及其排列顺序的不同，就有不同的三维结构也就形成了不同蛋白质一、 蛋白质的一级结构蛋白质的结构分为四级蛋白质的一级结构是指肽链的数目、肽链中氨基酸的连接方式和排列顺序，以及二硫键的数目和位置二级以上是指空间结构肽链中的肽键是由一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基缩合去一个水分子而成下图为蛋白质中多肽链一个片断的结构通式，表示氨基酸的种类、连接方式和排列顺序 肽链上的R1、R2、R3…代表各种氨基酸的不同侧链它们对维持蛋白质分子的立体结构和行使蛋白质功能都起着重要作用方框内为肽键，多个氨基酸以这种方式首尾相连而形成肽链肽链中的氨基酸已不是原来完整的分子，而是具有 结构的氨基酸残基在蛋白质和多肽分子中，连接氨基酸残基的共价键除肽键外，较常见的还有二硫键，它由两个半胱氨酸残基的巯基脱氢氧化连接而成它可以使两条肽键共价交联，或使一条肽链的某一部分成环 图1-3 蛋白质肽链中和肽键间二硫键示意图二、 蛋白质的二级结构蛋白质分子的多肽链并非呈直线伸展，而是盘曲和折叠成特有的空间构象。

蛋白质二级结构指多肽链盘曲折叠方式目前公认二级结构主要指α-螺旋、β-折叠结构1、 α-螺旋结构其要点如下：①α-螺旋结构中，每隔3.6个氨基酸残基，螺旋上升1圈螺旋沿螺旋体的中心轴每上升1圈相当于向上平移0.54nm，即每个氨基酸残基沿轴上升0.15nm螺旋上升时，每个残基沿轴旋转100°②α-螺旋体中氨基酸残基侧链伸向外侧，相邻的螺圈之间形成链内氢键，氢键取向几乎与中心轴平行氢键是由每个氨基酸残基的N-H 与前面隔三个氨基酸残基的C=O形成的α-螺旋体的结构允许所有肽键都能参与链内氢键的形成，正是由于氢键的作用，α-螺旋的构想非常稳定螺旋体内氢键形成示意图如下：α-螺旋结构有左手螺旋和右手螺旋两种，天然蛋白质的α-螺旋绝大多数为右手螺旋近年来，也偶尔发现极少数蛋白质中存在左手α-螺旋结构蛋白质多肽链能否形成α-螺旋结构以及形成的螺旋体是否稳定，与它的氨基酸组成和序列有直接关系如多肽链中有脯氨酸时，α-螺旋就会被中断，并产生一个结点，这是因为脯氨酸的α-亚氨基上氢原子参与形成肽键后，再没有多余氢原子形成氢键，所以肽链序列上有脯氨酸残基时，肽链就不转弯不再形成α-螺旋2、β-折叠结构在β-折叠结构中，肽链采取较伸展的形式，各条肽链的长轴平行，相邻肽链之间借助氢键连接成如图1-4的片状结构。

这种由一条肽链的羰基和另一个肽链的亚氨基形成在β-折叠结构中，所有肽链均参与构成链间的氢键，并且氢键与肽链长轴接近垂直图1-4 β-折叠结构三、 蛋白质的三级结构及四级结构多肽链首先在某些区域相邻氨基酸形成有规则的二级结构，然后以相邻的二级结构片段集装成超二级结构，进而折叠绕曲成结构域，由两个或两个以上的结构域组装成三级结构蛋白质三级结构是指多肽链上的所有原子在三维空间的分布大多数相对分子质量大的蛋白质都是由几个多肽链组成为1个活性单位这些肽链相互以非共价联结成一个相当稳定的单位，这种肽链就称为该蛋白质的亚基蛋白质的四级结构是指亚基之间的相互关系，空间排布，亚基间通过非共价键聚合而成的特定构象亚基单独存在，无生物活性或活性很小，只有通过亚基相互聚合成四级结构时，蛋白质才是具有完整的生物活性四、 蛋白质分子中的共价键及非共价键蛋白质分子的一级结构是由共价键形成，如肽键和二硫键都属于共价键而维持蛋白质的空间构象的作用力主要是非共价键作用，包括氢键、盐键、疏水键范德华力等氢键是维持蛋白质二级结构如α-螺旋结构、β-折叠结构等构象的作用力，如前所述，这种氢键不但存在于多肽链的链内，而且链间的也存在大量的氢键。

疏水键是指多肽链上疏水性较强的氨基酸如缬氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸等具有芳环或杂环等疏水侧基可以避开水而相互聚集在一起，形成孔穴，对维持蛋白质的三级结构起着重要作用盐键是指蛋白质中正负电荷的侧基相互接近，通过静电吸引而形成的非共价键，如羧基和氨基、咪唑等基团之间的作用力范德华力是指分子间非极性基团的偶极与偶极之间的相互作用，以及极性基团的偶极与偶极之间的相互作用第三节 核酸1869年Miescher 从脓细胞的细胞核中分离出含磷很高的酸性化合物，称为核素，1889年Altman 制备了不含蛋白质的同类物质，首次使用“核酸”这一名称，以后四五十年里，Kossel等人在确定核酸组分方面做了大量而卓有成绩的工作，逐步明确了核酸可分为两大类，含脱氧核糖的称为脱氧核糖核酸（DNA），含核糖的称为核糖核酸（RNA）1943年Avery通过细菌转化实验证明了DNA是重要遗传物质，第一次向人们展示了DNA的生理功能1953年，两个年轻科学家在前人工作的基础上，提出了DNA的双螺旋结构模型，从分子水平上阐述了生命遗传物质，提出DNA的半保留复制机理，为现代分子生物学奠定基础 1975年Berg建立了DNA体外重组技术 — 基因工程，使核酸的研究取得了迅猛的发展，并逐步转向实际应用。

所有这些划时代的发现，无不改变人们的生活，成为人们探索生命奥秘和创造最大财富的武器2001年，美、英、日、法、德和中国科学家宣布共同完成了人类基因组序列的测试工作，这是继发现DNA结构后生命科学中的又一里程碑，标志着人类基因组时代的到来在揭示核酸这一生命遗传物价的遗传奥秘的进程，一系列工具酶的使用起着重要作用，使人们有可能对DNA和RNA的结构进行详细分析，并有可能将不同来源的遗传物质重新组合，赋予生物体新的性状，或按照拟定的蓝图设计出新的生物体一、 核酸的化学组成与分类核酸完全水解产生嘌呤和嘧啶等碱性物质、戊糖（核糖或脱氧核糖）和磷酸的混合物核酸部分水解则产生核苷和核苷酸每个核苷分子含一分子碱基和一分子戊糖，一分子核苷酸部分水解后除产生核苷外，还有一分子磷酸核酸的逐步水解过程如下图： 磷酸核酸核苷酸（碱基-戊糖-磷酸）核苷酸（碱基-戊糖）嘌呤和嘧啶（碱基）核糖或脱氧核糖（戊糖） 。