生物無機(jī)化學(xué) 第二章 重要的生物配體課件

生物無機(jī)化學(xué)1第二章重要的生物配體第一節(jié)氨基酸第二節(jié)蛋白質(zhì)第三節(jié)金屬離子與氨基酸和蛋白質(zhì)的相互作用第四節(jié)核酸第六節(jié)酶第七節(jié)金屬離子與酶的配合物2導(dǎo)語生物無機(jī)化學(xué)的主體部分:

由金屬元素的配位化合物所構(gòu)成。在生命體系中:

金屬中心常常被給電子的各種配體所“包圍”。3第一節(jié)氨基酸氨基酸：是蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元。已發(fā)現(xiàn)：自然界中存在的氨基酸有100多種，但參與組成蛋白質(zhì)的氨基酸卻只有20種，稱為必需氨基酸。5HCH3甘氨酸丙氨酸谷氨酸氨基酸的結(jié)構(gòu)通式及特點(diǎn)：(2)R基不同、氨基酸不同(生物體內(nèi)約20種)。(1)每個(gè)氨基酸分子至少都含有一個(gè)氨基(--NH2)和一個(gè)羧基(--COOH)，并且都有一個(gè)氨基和一個(gè)羧基連在同一個(gè)碳原子上，這個(gè)碳原子上還連接一個(gè)氫原子和一個(gè)側(cè)鏈基團(tuán)（R)。CH2CH2COOHHCH3NH2NH2NH2COOHCOOHCOOH6第一節(jié)氨基酸常見α-氨基酸名稱，中英文簡稱和結(jié)構(gòu)式。P13-1420種，組氨酸、半胱氨酸、谷氨酸（☆）781012氨基酸中參與和金屬離子配位的主要基團(tuán)包括：組氨酸的咪唑基；14氨基酸中參與和金屬離子配位的主要基團(tuán)包括：谷氨酸和天冬氨酸的羧基；15氨基酸中參與和金屬離子配位的主要基團(tuán)包括：酪氨酸的苯酚基；16氨基酸中參與和金屬離子配位的主要基團(tuán)包括：蛋氨酸的甲硫基。17說明α-氨基酸多數(shù)是二齒，但有例外。側(cè)鏈上也有可配位基團(tuán)，例如組氨酸中側(cè)鏈上咪唑基也會參與配位。另外還有蛋白質(zhì)，應(yīng)考慮多種因素，例如pH。18第二節(jié)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)分子中氨基酸連接的基本方式是肽鍵。兩個(gè)氨基酸分子之間失去一個(gè)水分子而形成一個(gè)肽鍵。任何數(shù)目的氨基酸都能以這種方式連接成多肽鏈。20酶肽鍵+H2O二肽脫水縮合反應(yīng)H2O21多肽鏈的氨基一端通常被稱為N端或氨基端，羧基一端被稱為C端或羧基端。習(xí)慣上，將N端列在左邊，C端列在右邊。23蛋白質(zhì)分子中氨基酸殘基的排列順序被稱為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。24蛋白質(zhì)分子并不是一條走向隨機(jī)的松散肽鏈，而是折疊成具有特定構(gòu)象的三維結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)主要包括以下幾個(gè)層次：二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)。這種特定的結(jié)構(gòu)是各種蛋白質(zhì)具有不同功能和活性的分子基礎(chǔ)。26蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)也可稱為構(gòu)象單元，因?yàn)樗鼈兪堑鞍踪|(zhì)復(fù)雜的空間構(gòu)象的基礎(chǔ)。常見的構(gòu)象單元有α螺旋（α-helix）、β折疊（β-sheet）、β轉(zhuǎn)角（β-turn）等。α螺旋和β折疊是有規(guī)律的構(gòu)象。2728

一條多肽鏈中所有原子在三維空間的整體排布，稱為三級結(jié)構(gòu)，是包括主、側(cè)鏈在內(nèi)的空間排列。三級結(jié)構(gòu)主要靠次級鍵（非共價(jià)鍵）維系固定。三級結(jié)構(gòu)形成后，生物學(xué)活性必需基團(tuán)靠近，形成活性中心或部位，即蛋白質(zhì)分子中形成了某些發(fā)揮生物學(xué)功能的特定區(qū)域。303132兩個(gè)或兩個(gè)以上具有獨(dú)立的三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈（通常被稱為亞基或亞單位），彼此借次級鍵相連，形成一定的空間結(jié)構(gòu)，稱為四級結(jié)構(gòu)。33例如：血紅蛋白分子就是兩個(gè)由141個(gè)氨基酸殘基組成的α亞基（藍(lán)色、紅色）和兩個(gè)由146個(gè)氨基酸殘基組成的β亞基（黃色、綠色）按特定的接觸和排列組成的一個(gè)球狀蛋白質(zhì)分子，每個(gè)亞基中各有一個(gè)含亞鐵離子的血紅素輔基。四個(gè)亞基間靠氫鍵和八個(gè)鹽橋維系著血紅蛋白分子嚴(yán)密的空間構(gòu)象。34其中包含了α螺旋、β折疊等二級結(jié)構(gòu)信息，以及亞基等三級結(jié)構(gòu)及其組成的四級結(jié)構(gòu)35蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)多樣性的原因：組成氨基酸種類不同;每種氨基酸的數(shù)目成百上千;氨基酸形成肽鏈時(shí)，不同種類氨基酸的排列順序千變?nèi)f化;肽鏈的盤曲、折疊方式及其形成的空間結(jié)構(gòu)千差萬別36由一條或幾條肽鏈通過化學(xué)鍵連接在一起，螺旋、

折疊、盤曲形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。37小結(jié)：蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)層次基本單位氨基酸種類：20種通式：特點(diǎn)：化學(xué)結(jié)構(gòu)多肽（肽鏈）形成：多個(gè)氨基酸脫水縮合而成肽鍵特點(diǎn)：呈鏈狀結(jié)構(gòu)，又叫肽鏈，有一定的氨基酸序列空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子連接：肽鏈通過一定化學(xué)鍵連接形成：螺旋、卷曲、折疊形成空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：具生物活性、多樣性RCHCOOHNH2有一個(gè)—NH2和—COOH,且連在同一碳原子上脫水縮合38說明肽——人工接肽反應(yīng)，α-氨基酸碳末端與另一氮末端縮合失水而成，用縮合劑例如N,N`-二環(huán)己基碳二亞胺和水反應(yīng)生成N,N`-二環(huán)己基脲39肽鍵與酰胺基有何區(qū)別？短；部分雙鍵；不能自由旋轉(zhuǎn)40

維持蛋白質(zhì)作用力——二硫鍵；疏水鍵41第三節(jié)金屬離子與氨基酸和蛋白質(zhì)的相互作用蛋白質(zhì)與金屬離子的配位與氨基酸明顯不同。金屬離子和蛋白質(zhì)組成配合物后，金屬可影響蛋白質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)和反應(yīng)能力，并對蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)起穩(wěn)定作用。42大多數(shù)金屬離子與蛋白質(zhì)的結(jié)合可分為兩類：一類：是金屬和蛋白質(zhì)牢固地結(jié)合在一起，金屬離子是蛋白質(zhì)的組成部分，將金屬離子移去后，金屬蛋白的活性也就失去。在這一類金屬蛋白中，金屬與蛋白質(zhì)之比為一恒定常數(shù)，金屬與蛋白質(zhì)組成一個(gè)穩(wěn)定的配合物。43另一類：是金屬和蛋白質(zhì)結(jié)合較弱，金屬容易被除去，且金屬和蛋白質(zhì)之比不恒定。44說明肽的金屬配合物肽可配位基團(tuán)（5種）多肽與蛋白質(zhì)區(qū)別——蛋白質(zhì)：具有高級結(jié)構(gòu)的多肽；寡肽與肽類似但蛋白質(zhì)在一定條件下，∵金屬滿足條件——①配體具有強(qiáng)配位能力②處于有利配位位置∴蛋白質(zhì)配合物并不多45牛胰島素A鏈21，B鏈30個(gè)殘基，屬于二聚體，通有2個(gè)二硫鍵連起→蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜需用晶體分析46第四節(jié)核酸一、核酸核酸分為脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）兩種。核酸核苷酸磷酸核苷戊糖堿基47脫氧核糖核酸（DNA）是染色體的主要成分，真核生物的線粒體和葉綠體中也含有DNA，原核生物的質(zhì)粒全由DNA構(gòu)成。除了RNA病毒和噬菌體外，DNA是所有生物的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)。生物體的遺傳信息都儲存在DNA分子中。48堿基結(jié)構(gòu)：某個(gè)N可配位，某N某C（嘌呤N-1，N-7，C-8;嘧啶N-3可配位）堿基位于外側(cè)（Z-DNA）或內(nèi)側(cè)（B-DNA）DNA結(jié)構(gòu)：骨架：磷酸+核糖；內(nèi)側(cè)：堿基；兩鍵-反向-右旋（氫鍵維持雙旋）49例如：八面體多吡啶釕配合物，φ=10nm，比堿基間距(0.34nm)大，不可完全插入雙螺旋間作用力：堿基堆積力（πe作用）；堿基氫鍵；殘基上電荷靜電作用50

1953年，沃特森和克里克提出了DNA的雙螺旋模型：

DNA由兩條方向相反的多核苷酸鏈所構(gòu)成；脫氧核糖和磷酸二酯鍵所形成的骨架在外側(cè)，兩兩配對的堿基在雙螺旋內(nèi)側(cè)；每對堿基處于同一平面，和中心軸垂直，而不同堿基對的平面互相平行。5152第六節(jié)酶酶是一類由活細(xì)胞產(chǎn)生，具有催化活性和高度專一性的特殊蛋白質(zhì)。由于酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)，因此酶主要由氨基酸構(gòu)成。53酶一般分為六大類：1、氧化還原酶類，催化氧化還原反應(yīng)；2、轉(zhuǎn)移酶類，催化功能基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)；3、水解酶類，催化水解反應(yīng)；4、裂解酶類，催化從底物移去一個(gè)基團(tuán)；5、異構(gòu)酶，催化異構(gòu)體互相轉(zhuǎn)變；6、合成酶，催化雙分子合成一種新物質(zhì)。54酶的催化特性：1、高效性；2、高度專一性；3、反應(yīng)條件溫和；55第七節(jié)金屬離子與酶的配合物酶——Pr生物催化劑例如：碳酸酐酶是金屬酶，以Zn2+做輔基，促CO2+H2O=HCO3-,到肺再進(jìn)行逆向反應(yīng)呼出CO2,其酶變率10-6s-1。1mol酶每秒能催化底物的mol數(shù)即10-6mol，而非酶催化劑7×10-4s-1，二者差109倍。酶催化活性：高，溫和，專一。56輔基、輔酶（重要?。┒邊^(qū)別：結(jié)合程度酶包括：簡單Pr，結(jié)合Pr書中：功能、名稱（不要求），鐵卟啉57①黃素核苷酸——其中戊糖不成環(huán)，堿基不同（不是嘌呤、嘧啶），與其他區(qū)別?！包S素”——除PO32-之外稱為核黃素（維B2），氧化型為黃色，與Pr結(jié)合后還是黃色。功能——1N,10N☆名稱，屬于輔基、輔酶；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；功能；通過基團(tuán)化學(xué)N-H傳遞作用58②NAD與NADP區(qū)別——腺嘌呤核苷酸戊糖上有一個(gè)PO43-，煙酰胺堿基吡啶環(huán)上C4位置結(jié)合H③輔A④輔Q光合作用，通過59酶的金屬配合物與普通——異同①相同點(diǎn)金屬離子（可變價(jià)、配位能力、極化能力、配合物立體構(gòu)型）②不同配體的差別——生物大分子（M大）；簡單配體60金屬酶配合物的結(jié)構(gòu)特征（詳見綜述）①其配體具剛?cè)嵯酀?jì)、動靜結(jié)合的性質(zhì)柔性：大分子肽鏈折疊、卷曲及由此引起的種種現(xiàn)象剛性：相鄰原子間（鍵角鍵長一般固定）；高級結(jié)構(gòu)（廣義）大分子剛性部位微小動作可引起張力或其他力，并沿剛性部位把力傳到其他部位；大分子柔性部位易變形，易運(yùn)動，通過剛性部位傳遞力的作用，使配體采取有利方式接近包圍結(jié)合所選定的底物（作用的對象）61動態(tài)：構(gòu)象的易變性靜態(tài)：在Mn+結(jié)合部位基本固定。當(dāng)?shù)孜锱c配合物結(jié)合時(shí)，配合物的構(gòu)象（大分子配體）會發(fā)生變化且以最合適方式與底物結(jié)合。62②金屬酶活性中心具獨(dú)特配位特征變形配位：柔性使強(qiáng)配位基團(tuán)由遠(yuǎn)離到金屬離子附近，而金屬離子處于高能狀態(tài)。與底物結(jié)合?！胺肿幼R別”生物大分子通過構(gòu)象改變，使某些基團(tuán)對底物識別，特別是以松散結(jié)合，從而使效率↗，而普通僅通過分子碰撞。例如：鐵卟啉活性中心處于多肽鏈中。63又例如：插圖見筆記P13作為P450模擬物，催化環(huán)乙烷羥化成環(huán)己醇，C2<C6<C8<<C18MnP到聚苯乙烯960pm，C18長度2157pm，比非固載增大5倍催化效率（烷烴鏈類似于生物大分子，將MnP包圍可用于模擬天然酶）64要求了解蛋白質(zhì)和核酸等的組成和結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)關(guān)注與金屬離子的結(jié)合部位和配位方式。65思考題1.熟記常見α-氨基酸名稱，中英文簡稱和結(jié)構(gòu)式。2.氨基酸都是二齒配體嗎？舉例說明。3.結(jié)合生物化學(xué)參考書學(xué)習(xí)，了解蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)、高級結(jié)構(gòu)和維持蛋白質(zhì)空間構(gòu)象的主要作用力。4.肽有哪些可配位基團(tuán)？蛋白質(zhì)呢？蛋白質(zhì)分子能與同一種金屬離子形成多種配合物嗎？5.結(jié)合生物化學(xué)參考書學(xué)習(xí)，了解核酸組成、降解產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)；DN