生物化学笔记汇总

生物化学知识总结

第一章

第一节蛋白质的分子组成

一、蛋白质的元素组成

主要有C、H、0、N、S o

各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16% o

二、蛋白质的基本组成单位——氨基酸

蛋白质在酸、碱或蛋白酶的作用下，最终水解为游离氨基酸（ami no acid ），即蛋白质组成单体

或构件分子。存在于自然界中的氨基酸有300余种，但合成蛋白质的氨基酸仅20种（称编码氨

基酸）。

（一）氨基酸的结构通式

组成蛋白质的20种氨基酸有共同的结构特点：

1 ?氨基连接在a - C上，属于a -氨基酸（脯氨酸为a -亚氨基酸）。

2. R是側链，除甘氨酸外都含手性C，有D-型和L-型两种立体异构体。天然蛋白质中的氨基酸

都是L-型。

（二）氨基酸的分类

1?按R基的化学结构分为脂肪族、芳香族、杂环、杂环亚氨基酸四类。

2?按R基的极性和在中性溶液的解离状态分为非极性氨基酸、极性不带电荷、极性带负电荷或带正电荷的四类。

带有非极性R （烃基、甲硫基、吲哚环等，共9种）：甘（Gly）、丙（人。）、缬（Vai）、亮（Leu）、异亮（lie）、苯丙（Phe）、甲硫（Met）、脯（Pro）、色（Trp）

带有不可解离的极性R （羟基、巯基、酰胺基等，共6种）：丝（Ser）、苏（Thr）、天胺（Asn ）、

谷胺（Gin）、酪（Tyr）、半（Cys）

带有可解离的极性R基（共5种）：天（Asp）、谷（Glu ）、赖（Lys ）、精（Arg ）、组（His ），前两个为酸性氨基酸，后三个是碱性氨基酸。

（三）氨基酸的重要理化性质

1 .一般物理性质

a -氨基酸为无色晶体，熔点一般在200 0C以上。各种氨基酸在水中的溶解度差别很大（酪

氨酸不溶于水）。一般溶解于稀酸或稀碱，但不能溶解于有机溶剂，通常酒精能把氨基酸从其溶液中沉淀析岀。

芳香族氨基酸（Tyr、Trp、Phe）有共轭双键，在近紫外区有光吸收能力，Tyr、Trp的吸收

峰在280nm，Phe在265 nm。由于大多数蛋白质含Tyr、Trp残基，所以测定蛋白质溶液280nm 的光吸收值，是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。

2 .两性解离和等电点（isoelectric point, pl ）

氨基酸在水溶液或晶体状态时以两性离子的形式存在，既可作为酸，又可作为碱起作用，是两性

电解质，其解离度与溶液的pH有关。

在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势和程度相等，成为兼性离子，呈

电中性，

此时溶液的pH称为该氨基酸的等电点。

3 ?氨基酸的化学反应

氨基酸的化学反应是其基团的特征性反应。

（1）茚三酮反应

所有具有自由a -氨基的氨基酸与过量茚三酮共热形成蓝紫色化合物。

（2）与2，4-二硝基氟苯（DNFB ）的反应

三、肽（peptide）

1 ?肽键与肽链

一个氨基酸的a -羧基和另一个氨基酸的 a -氨基脱水形成的酰胺键称为肽键。多肽链的方向

性是从N末端指向C末端。

肽分子中不完整的氨基酸称为氨基酸残基。肽按其序列从N端到C端命名。一般10肽以下

属寡肽，10肽以上为多肽。

2. 生物活性肽

谷胱甘肽（glutathione , GSH）

是由Glu、Cys、Gly组成的一种三肽，又叫丫-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸（含丫-肽键）。

第二节蛋白质的分子结构

一、蛋白质的一级结构（primary structure ）

蛋白质一级结构是空间结构和特异生物学功能的基础。

二、蛋白质的二级结构（secondary structure ）

蛋白质的二级结构是指其分子中主链原子的局部空间排列，是主链构象（不包括侧链R基团）。

两种主链原子的局部空间排列的分子模型（ a -螺旋）和（B -折叠）。

1 .肽单位肽键及其两端的a -C共6个原子处于同一平面上，组成了肽单位（所在的平面称肽键平面）。

肽键C—N键长为0.132nm，比相邻的单键（0.147nm ）短，而较C=N双键（0.128nm ）长，有部分双键的性质，不能自由旋转。肽键平面上各原子呈顺反异构关系，肽键平面上的0、H以及2个a -碳原子为反式构型（transconfiguration ）。

2. a -螺旋

a -螺旋是肽键平面通过 a -碳原子的相对旋转形成的一种紧密螺旋盘绕，是有周期的一种主

链构象。其特点是：

② 螺旋每转一圈上升 3.6个氨基酸残基，螺距约0.54nm

②相邻的螺圈之间形成链内氢键，氢键的取向几乎与中心轴平行。

③螺旋的走向绝大部分是右手螺旋，残基侧链伸向外侧。R基团的大小、荷电状态及形状均对a -螺旋的形成及稳定有影响。

3. B -折叠

①相邻肽键平面间折叠成110度角，呈锯齿状。

②两个以上具B -折叠的肽链或同一肽链内不同肽段相互平行排列，形成 B -折叠片层，其稳定

因素是肽链间的氢键。

③逆向平行的片层结构比顺向平行的稳定。

a -螺旋和B -折叠是蛋白质二级结构的主要形式。

4. B -转角

5. 不规卷曲

6. 超二级结构和结构域

三、蛋白质的三级结构（tertiary structure ）

指一条多肽链中所有原子的整体排布，包括主链和侧链。维系三级结构的作用力主要是次级

键（疏水相互作用、静电力、氢键等）。在序列中相隔较远的氨基酸疏水侧链相互靠近，结合蛋白质的辅基往往镶嵌其内，形成功能活性部位，而亲水基团则在外，这也是球状蛋白质易溶于水

的原因。

四、蛋白质的四级结构(quater nary structure)

有些蛋白质的分子量很大，由2条或2条以上具有独立三级结构的多肽链通过非共价键相互

结合而成，称为蛋白质的四级结构。构成四级结构的每条多肽链称为亚基(subunit)，亚基单独存

在时一般没有生物学功能，构成四级结构的几个亚基可以相同或不同。如血红蛋白(hemoglobin,Hb)是由两个

a -亚基和两个p -亚基形成的四聚体。

五、蛋白质分子中的化学键

蛋白质的一级结构是由共价键形成的，如肽键和二硫键。而维持空间构象稳定的是非共价的

次级键。如氢键、盐键、疏水键、范德华引力等。

第三节蛋白质结构与功能的关系

一、蛋白质一级结构与功能的关系

(一)一级结构是空间构象的基础

如果一级结构未破坏，保持了氨基酸的排列顺序就可能回复到原来的三级结构，功能依然存在。

(二)种属差异

(三)分子病

镰刀状红细胞贫血病。

二、蛋白质空间结构与功能的关系

蛋白质的空间结构是其生物活性的基础，空间结构变化，其功能也随之改变。

第四节蛋白质的理化性质

蛋白质的理化性质和氨基酸相似，有两性解离及等电点、紫外吸收和呈色反应。还有胶体性质、沉淀、变性和凝固等特点。

一、蛋白质的高分子性质

蛋白质的水溶液具有亲水胶体的性质。颗粒表面的水化膜和电荷是其稳定的因素，调节pH 至pl、加入脱水剂等，蛋白质即可从溶液中沉淀岀来。

透析法是利用蛋白质不能透过半透膜的性质，去掉小分子物质，达到纯化的目的。

大小不同的蛋白质分子可以通过凝胶过滤分开。又称分子筛层析。

二、蛋白质的两性解离

蛋白质和氨基酸一样是两性电解质，在溶液中的荷电状态受pH值影响。当蛋白质溶液处于

某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为该蛋白质的等电点。pH > pI时，该蛋白质颗粒带负电荷，反之则带正电荷。在人体体液

中多数蛋白质的等电点接近pH5，所以在生理pH7.4环境下，多数蛋白质解离成阴离子。少量蛋白质，如鱼精蛋白、组蛋白的pI偏于碱性，称碱性蛋白质，而胃蛋白酶和丝蛋白为酸性蛋白。

三、蛋白质的变性、沉淀和凝固

蛋白质在某些理化因素的作用下，空间结构被破坏，导致理化性质改变，生物学活性丧失，

称为蛋白质的变性(denaturation )。

蛋白质变性的本质是多肽链从卷曲到伸展的过程，不涉及一级结构的改变。变性作用不过于

剧烈，是一种可逆反应，去除变性因素，有些蛋白质原有的构象和功能可恢复或部分恢复，称为复性(denaturation )。

蛋白质变性的主要表现是失去生物学活性，变性蛋白溶解度降低，易形成沉淀析岀；易被蛋白水解酶消化。

蛋白质自溶液中析岀的现象，称为蛋白质的沉淀。盐析、有机溶剂、重金属盐、生物碱试剂

都可沉淀蛋白质。盐析沉淀蛋白质不变性，是分离制备蛋白质的常用方法。如血浆中的清蛋白在饱和的硫酸铵溶液中可沉淀，而球蛋白则在半饱和硫酸铵溶液中发生沉淀。乙醇、丙酮均为脱水剂，可破坏水化膜，降低水的介电常数，使蛋白质的解离程度降低，表面电荷减少，从而使蛋白质沉淀析

岀。低温时，用丙酮沉淀蛋白质，可保留原有的生物学活性。但用乙醇，时间较长则会导致变性。重金属盐（Hg2+、Cu2+、Ag+ ），生物碱与蛋白质结合成盐而沉淀，是不可逆的。

凝固是蛋白质变性发展的不可逆的结果。沉淀的蛋白质不一定变性（如盐析）。

四、蛋白质的紫外吸收和呈色反应

蛋白质含芳香族氨基酸，在280nm波长处有特征性吸收峰。

第五节蛋白质的分类

第二章核酸的化学

第一节核酸的化学组成

天然存在的核酸有两类，即脱氧核糖核酸（deoxyribo nucleic acid ，DNA ）和核糖核酸

（rib on ucleic acid ，RNA ）。

一、核酸的基本组成单位

核酸是一种多聚核苷酸，组成单位一一核苷酸。而核苷酸又由碱基、戊糖和磷酸组成。

（一）戊糖

（二）碱基（base）

核酸中的碱基有两类：嘌吟碱和嘧啶碱。有5种基本的碱基外，DNA和RNA中常见的两

种嘌吟碱是腺嘌吟（adenine，A）、鸟嘌吟（guanine，G）。而嘧啶碱有所不同：RNA主要含

胞嘧啶（cytosine, C）、尿嘧啶（uracil，U ），DNA 主要含胞嘧啶、胸腺嘧啶（thymine，T）。

tRNA中含有较多的稀有碱基（修饰碱基），多为甲基化的。

（三）核苷酸

是核苷的磷酸酯。生物体内游离存在的多是5/ -核苷酸（如pA、pdG等）。常见的核苷酸

为AMP、GMA、CMP、UMP。常见的脱氧核苷酸有dAMP、dGMA、dCMP、dTMP。AMP 是一些重要辅酶的结构成分（如NAD+、NADP+、FAD等）；环化核苷酸（cAMP/cGMP ）是细胞

功能的调节分子和信号分子。ATP在能量代谢中起重要作用。

二、核苷酸的连接方式

RNA和DNA链都有方向性，从5/~ 3，。前一位核苷酸的3/ - OH与下一位核苷酸的5/

位磷酸基之间形成3/，5/ -磷酸二酯键，从而形成一个没有分支的线性大分子，两个末端分别称为5/末端和3/末端。

第二节DNA的分子结构

一、DNA 的一级结构（primary stucture）

DNA的一级结构是指分子中脱氧核苷酸的排列顺序，常被简单认为是碱基序列（base

seque nee）。碱基序有严格的方向性和多样性。一般将5 / -磷酸端作为多核苷酸链的“头”，一般将3/ -磷酸端作为多核苷酸链的“尾”。

二、DNA的二级结构-- 双螺旋（double helix）

1 ?两条反向平行的多核苷酸链形成右手螺旋。一条链为5/- 3/，另一条为3/- 5/。

（某些病毒的DNA是单链分子ssDNA ）

2 ?碱基在双螺旋内侧，A与T，G与C配对，A与T形成两个氢键，G与C形成三个氢键。

糖基-磷酸基骨架在外侧。表面有一条大沟和一小沟。

3 ?螺距为3.

4 nm，含10个碱基对（bp），相邻碱基对平面间的距离为0.34 nm。螺旋直径

为 2 nm。

氢键维持双螺旋的横向稳定。碱基对平面几乎垂直螺旋轴，碱基对平面间的疏水堆积力维持

螺旋的纵向稳定。

4 .碱基在一条链上的排列顺序不受限制。遗传信息由碱基序所携带。

5. DNA构象有多态性。

三、D NA的三级结构

DNA双螺旋进一步盘曲所形成的空间构象称DNA的三级结构。

某些病毒、细菌、真核生物线粒体和叶绿体的DNA是环形双螺旋，再次螺旋化形成超螺旋；

在真核生物细胞核内的DNA是很长的线形双螺旋，通过组装形成非常致密的超级结构。

1 ?环形DNA可形成超螺旋

螺旋具有相同的结构，但L值不同的分子称为拓扑异构体。DNA拓扑异构酶切断一条链或两条

链，拓扑异构体可以相互转变。W的正表示双链闭环的螺旋圈在增加，W的负表示减少。L和T

的正负表示螺旋方向，右手为正，左手螺旋为负；L值必定是整数。

四、D NA和基因组

1 ? DNA分子中的最小功能单位称作基因，为RNA或蛋白质编码的基因称结构基因，DNA 中具调节功能而不转录生成RNA的片段称调节基因。

基因组（genome）是某生物体所含的全部基因，即全部DNA或完整的单套遗传物质（配子

中的整套基因）。

2 ?细菌、噬菌体、大多数动植物病毒的基因组即指单个DNA分子。

3 ?真核生物基因一般分布在若干条染色体上，其特点是：有重复序列（按重复次数分单拷

贝序、中度重复序和高度重复序）；有断裂基因

第三节RNA的分子结构

RNA通常以单链形式存在，比DNA分子小得多，由数十个至数千个核苷酸组成。RNA链可以回折且通过A与U , G与C配对形成局部的双螺旋，不能配对的碱基则形成环状突起，这种短的双螺旋区和环称为发夹结构。

RNA主要分为tRNA、rRNA和mRNA三类。此外，细胞的不同部位还存在着另一些小分子

RNA，如核内小RNA （snRNA ）、核仁小RNA （snoRNA ）、胞质小RNA （scRNA ）等，分别参与mRNA的前体（hnRNA ）和rRNA的转运和加工过程。

一、转运RNA （transfer RNA，tRNA ）

1 ?分子量最小的RNA，约占总RNA的15%。主要功能是在蛋白质生物合成过程中，起着转运氨基酸的作用。

2. tRNA的一级结构特点：核苷酸残基数在73?95 ;含有较多的稀有碱基（如mG、DHU 等）；5/ -末端多为pG，3/ -末端都是-CCA。

3. tRNA的二级结构为“三叶草”形，包括4个螺旋区、3个环及一个附加叉。各部分的结

构都和它的功能有关。5 /端1~7位与近3/端67~72位形成的双螺旋区称氨基酸臂，似“叶柄”，3/端有共同的-CCA-OH结构，用于连接该RNA转运的氨基酸。3个环是二氢尿嘧啶环（D环）、反密码子环、T W C环。

4 ? tRNA的三级结构呈倒L字母形，反密码环和氨基酸臂分别位于倒L的两端

、信使RNA ( m RNA )

1 ?细胞内含量较少的一类RNA，约占总RNA的3%。其功能是将核内DNA的碱基顺序（遗

传信息）按碱基互补原则转录至核糖体，指导蛋白质的合成

2?种类多，作为不同蛋白质合成的模板，其一级结构差异很大。真核细胞的mRNA有不同

于原核细胞的特点：3/ -末端有多聚A （polyA ）尾，5/ -末端加有一个“帽”式结构，（m7 Gppp）。

3 ?代谢活跃，寿命较短。

三、核糖体RNA （ribosomal RNA，rRNA ）

1 ?约占细胞总RNA的80%。主要功能是与多种蛋白质组成核糖体，是蛋白质合成的场所。

2 ?核糖体在结构上可分离为大小两个亚基。原核细胞的rRNA有3种，23S与5S rRNA在

大亚基，16S在小亚基。真核细胞有4种rRNA，其中大亚基含28S、5.8S、5S，小亚基只有18S

3. 各种rRNA的一级结构中的核苷酸残基数及其顺序都不相同，且有特定的二级结构。