1、1Lecturer：周再春周再春 Ph.DE-mail:湖南科技大学大学化学化工学院湖南科技大学大学化学化工学院理论有机化学与功能分子教育部重点实验室理论有机化学与功能分子教育部重点实验室生物无机化学生物无机化学Bioinorganic Chemistry2第第1章章 生物无机化学中的基本概念和原理生物无机化学中的基本概念和原理 第第2章章 生物无机化学的研究方法生物无机化学的研究方法 第第3章章 生物体内金属离子的选择、摄取和调控生物体内金属离子的选择、摄取和调控 第第4章章 金属离子与生物大分子的结合与作用金属离子与生物大分子的结合与作用 第第5章章 金属蛋白和金属酶金属蛋白和金属酶 第第
2、6章章 细胞毒性和化学治疗细胞毒性和化学治疗 第第7章章 仿生固氮仿生固氮 第第8章章 生物无机化学的研究前沿课题生物无机化学的研究前沿课题3CONTENTSChapter 1 The Basic Conceptions and Reasons of Bioinorganic Chemistry Chapter 2 The Research Methods of Bioinorganic Chemistry Chapter 3 The Choice,Extraction and Control of Metal Species in Biological Systems Chapter 4 T
3、he Binding and Acting in Between Metal Species and Bio-macromoleculeChapter 5 Metal Proteins and Metal EnzymesChapter 6 Cell Toxicity and Chemical Treatments Chapter 7 The Enzyme Nitrogenase Chapter 8 The New Topics and Development Fields of Bioinorganic Chemistry4o 第一和第二章教师讲授，从第一和第二章教师讲授，从第三章第三章开开始
4、教师上课和同学讲解相结合。始教师上课和同学讲解相结合。o 每人准备一章内容，并制作每人准备一章内容，并制作ppt课件来课件来讲解，时间讲解，时间2530min。o ppt的内容和讲解效果，作为考核成绩的内容和讲解效果，作为考核成绩的一部分。的一部分。o 期末考试每人写一篇论文（期末考试每人写一篇论文（34千字）千字）5 生物无机化学生物无机化学是一门对处于生命环境中的金属离子是一门对处于生命环境中的金属离子进行研究的学科。进行研究的学科。o 研究在生命过程中起作用的研究在生命过程中起作用的生物金属与配体生物金属与配体之间的之间的相互作用；相互作用；o 在在分子、亚分子水平分子、亚分子水平上测定
5、、表征、阐明这些生物上测定、表征、阐明这些生物化合物的结构、性能及其在生命体中的作用规律；化合物的结构、性能及其在生命体中的作用规律；o 无机化学（特别是配位化学）、生物化学、医学临无机化学（特别是配位化学）、生物化学、医学临床化学、营养化学、环境科学等学科床化学、营养化学、环境科学等学科相互渗透、相相互渗透、相互融合互融合的产物。的产物。6o 一是做这方面研究的人来自一是做这方面研究的人来自生物学、无机化学、医学科生物学、无机化学、医学科学、农业科学学、农业科学等各个领域，对这门尚未定型的学科有不等各个领域，对这门尚未定型的学科有不同的见解与思路，使初学者感到只要涉及生物体甚至生同的见解与思
6、路，使初学者感到只要涉及生物体甚至生态环境中的各种无机元素的问题都是生物无机化学问题。态环境中的各种无机元素的问题都是生物无机化学问题。这样就把传统上本属这样就把传统上本属流行病学、营养学、土壤化学、水流行病学、营养学、土壤化学、水化学化学等方面的一部分内容都划入生物无机化学之中；等方面的一部分内容都划入生物无机化学之中；o 另一个特点是目前的研究工作多属另一个特点是目前的研究工作多属点上的工作点上的工作。比如，。比如，载氧配合物、细胞色素、少数几种金属酶载氧配合物、细胞色素、少数几种金属酶等正吸引着大等正吸引着大量科学家的注意，研究工作虽然很深入，但是很少把这量科学家的注意，研究工作虽然很深
7、入，但是很少把这些点上的工作总结成为生物无机化学的整体学科体系。些点上的工作总结成为生物无机化学的整体学科体系。7o 对一位学化学的人来说，往往注意的是各种各样物质对一位学化学的人来说，往往注意的是各种各样物质的的组成和性质组成和性质，而且都是没有生命活动时的情况。比，而且都是没有生命活动时的情况。比如，人们往往只把一种蛋白质都是由一定的氨基酸按如，人们往往只把一种蛋白质都是由一定的氨基酸按一定序列联接起来的化合物拿来研究，而不注意这种一定序列联接起来的化合物拿来研究，而不注意这种蛋白质的蛋白质的生物活性生物活性是怎样产生的。是怎样产生的。o 本来化学主要研究本来化学主要研究结构和性质结构和性
8、质的关系，但是若放在生的关系，但是若放在生物体内来考虑，则应研究物体内来考虑，则应研究结构结构-性质性质-活性活性关系。关系。o 因此，我们研究的对象是有生物活性的物质。通过这因此，我们研究的对象是有生物活性的物质。通过这部分内容的学习先初略了解一下有生物活性的、含无部分内容的学习先初略了解一下有生物活性的、含无机元素的化合物大致包括哪些类，各有什么功能。机元素的化合物大致包括哪些类，各有什么功能。8化学知识的积累和构造化学知识的积累和构造感性认识感性认识 理性认识理性认识现象现象 反应反应 物质物质 性质性质 结构结构 化学知识的掌握和应用化学知识的掌握和应用9研究内容、研究方法、基本概念和
9、基本思想研究内容、研究方法、基本概念和基本思想o 目前生物无机化学的研究工作绝大多数是目前生物无机化学的研究工作绝大多数是点上的工作点上的工作。但是。但是实际上，这些点之间有许多共性。怎样把握个性中的共性，实际上，这些点之间有许多共性。怎样把握个性中的共性，首先还是需要无机化学和生物化学等的基本知识。首先还是需要无机化学和生物化学等的基本知识。o 例如，有许多促进例如，有许多促进水解的酶水解的酶都含有都含有锌离子锌离子或需要锌离子，而或需要锌离子，而且常常是酶蛋白中的且常常是酶蛋白中的组氨酸等组氨酸等和锌配位和锌配位，又常常形成，又常常形成五配位五配位的配合物等等。的配合物等等。o 要想抓住共
10、性，先要了解要想抓住共性，先要了解 Zn2+的配位趋向、易与的配位趋向、易与 Zn2+结合结合的氨基酸是什么，的氨基酸是什么，Zn2+的配合物立体结构是什么样的，的配合物立体结构是什么样的，Zn2+的基本性质的基本性质（有无传递电子能力、极化性大小、软硬（有无传递电子能力、极化性大小、软硬度等）又是什么。有了这些基本知识，当你遇到个别问题时，度等）又是什么。有了这些基本知识，当你遇到个别问题时，就可以探索与它有关系的、类似的化合物了。就可以探索与它有关系的、类似的化合物了。10研究内容、研究方法、基本概念和基本思想研究内容、研究方法、基本概念和基本思想学化学的人进入学化学的人进入生物领域生物领
11、域时，先要体会几个指导思想：时，先要体会几个指导思想：o 首先要体会由没有生命的所谓首先要体会由没有生命的所谓 in vitro 的化学向有的化学向有生命参与的所谓生命参与的所谓 in vivo 的化学这一转变。的化学这一转变。o 其次要体会由一种其次要体会由一种简单的、无活性的简单的、无活性的配合物向配合物向复杂复杂的、有活性的的、有活性的配合物的飞跃。配合物的飞跃。o 另外，还不能忽视。由一般化学处理的另外，还不能忽视。由一般化学处理的封闭的或部封闭的或部分封闭的分封闭的、背景单一的反应体系到、背景单一的反应体系到开放的开放的、有特殊、有特殊背景的生物反应体系的过渡等。不但要随时注意到背景
12、的生物反应体系的过渡等。不但要随时注意到这些差异，而且要通过个别事例了解这些差别的由这些差异，而且要通过个别事例了解这些差别的由来。来。11研究内容、研究方法、基本概念和基本思想研究内容、研究方法、基本概念和基本思想o 必须了解研究生物无机化学的方法，否则就难以必须了解研究生物无机化学的方法，否则就难以体会那些观点和结果都是怎样得来的。体会那些观点和结果都是怎样得来的。o 例如，例如，某种元素某种元素是人体必需的，但是整个人体所是人体必需的，但是整个人体所含的这种元素不过几毫克或者更少，我们怎样知含的这种元素不过几毫克或者更少，我们怎样知道它是人体必需的呢？道它是人体必需的呢？o 再如，一种酶
13、的分子量高达几万，但一个分子中再如，一种酶的分子量高达几万，但一个分子中只含有只含有一个锌原子一个锌原子，我们怎样知道这个锌原子的，我们怎样知道这个锌原子的存在以及它在维持酶活性中所起的重要作用呢？存在以及它在维持酶活性中所起的重要作用呢？而且，象这样一个含有几百个氨基酸的酶，它的而且，象这样一个含有几百个氨基酸的酶，它的结构是怎样确定的呢？结构是怎样确定的呢？12o 目前国内外出版的生物无机化学教材都缺乏目前国内外出版的生物无机化学教材都缺乏系统性和概括性系统性和概括性。这两个问题不是在短期内。这两个问题不是在短期内能解决的。能解决的。o 本课程的学习中，应注意：本课程的学习中，应注意：(1
14、)以研究生物体内有无机元素参与的有生物以研究生物体内有无机元素参与的有生物活性的化合物的活性的化合物的结构结构-性质性质-活性活性关系为主要关系为主要线索；线索；(2)选择有典型性的，各有特点的若干内容。选择有典型性的，各有特点的若干内容。13o 生物无机化学生物无机化学 杨频杨频 高飞编著高飞编著 科学出版社科学出版社 20022002年年4 4月第一版月第一版o Bioinorganic ChemistryA short course Rosette M.Roat-Maloneo 生物无机化学原理生物无机化学原理 美美S.J.Lippard and J.M.Berg著著 席振峰席振峰 姚光
15、庆姚光庆 项斯芬项斯芬 任宏伟译任宏伟译 北京大学出版社北京大学出版社 20002000年年6 6月月 第一版第一版o 生物无机化学导论生物无机化学导论计亮年计亮年 莫庭焕莫庭焕 中山大学出版社中山大学出版社14oBioinorganic ChemistryoJ.of Inorganic BiochemistryoJ.of Biological Inorganic ChemistryoBiological Trace Elements ResearchoCurr Opinion in Biological Chemistry15o 1970 首届国际生物无机化学学术讨论会首届国际生物无机化学学
16、术讨论会(U.S.Virginia)生物无机化学生物无机化学(Bioinorganic Chemistry)论文集论文集o 1971 英国科学家英国科学家D.R.Williams的专著的专著生命金属生命金属（The Metal of Life）出版）出版o 1971 学术期刊学术期刊Bioinorganic Chemistry在美国问世在美国问世 (1979年更名为年更名为Journal of Bioinorganic Chemistry)这些事件标志着生物无机化学作为一个独立学科的建立这些事件标志着生物无机化学作为一个独立学科的建立.。16国际生物无机化学会议（国际生物无机化学会议（ICBI
17、CICBIC）简介）简介 ICBIC 1970年年 美国美国 无机化学与模型研究方法无机化学与模型研究方法ICBIC0 1976年年 英国英国 无机化学和生物交叉地带发展无机化学和生物交叉地带发展ICBIC1 1983年年 意大利意大利 ICBIC2 1985年年 葡萄牙葡萄牙ICBIC3 1987年年 荷兰荷兰ICBIC4 1989年年 美国美国ICBIC5 1991年年 英国英国 金属识别、储存、输送和组装金属识别、储存、输送和组装ICBIC6 1993年年 美国美国 固氮酶的分子结构以及自然界固氮酶的分子结构以及自然界 N2转变为转变为NH3的功能及其机理的功能及其机理17ICBIC7
18、1995年年 德国德国 金属离子对基因调节影响金属离子对基因调节影响ICBIC8 1997年年 日本日本 丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺丙烯腈水合酶合成丙烯酰胺ICBIC9 1999年年 美国美国ICBIC10 2001年年 意大利意大利 中枢神经系统的生物无机化学中枢神经系统的生物无机化学ICBIC11 2003年年 澳大利亚澳大利亚 金属离子在细胞的交通图，金属离子在细胞的交通图，以及许以及许 多交通干线的划分和金属离子的走向多交通干线的划分和金属离子的走向ICBIC12 2005年年 美国美国ICBIC13 2007年年 欧洲欧洲ICBIC14 2009年年 中国中国 国际生物无机化学会议（国
19、际生物无机化学会议（ICBICICBIC）简介）简介 18国际应用生物无机化学国际应用生物无机化学学术讨论会（学术讨论会（ISABCISABC）简介）简介 ISABC1 1990年年 武汉武汉 金属药物和抗癌药金属药物和抗癌药ISABC2 1992年年 广州广州 生物矿化和生物材料生物矿化和生物材料ISABC3 1994年年 澳大利亚澳大利亚 利用生物电子转移利用生物电子转移 设计制作生物传感器设计制作生物传感器ISABC4 1997年年 南非南非 环境生物无机化学环境生物无机化学ISABC5 1999年年 希腊希腊 地中海贫血地中海贫血ISABC6 2001年年 英国英国ISABC7 200
20、3年年 墨西哥墨西哥ISABC8 2004年年 香港香港 小分子修饰使蛋白小分子修饰使蛋白 酶功能改变和关闭酶功能改变和关闭ISABC9 2006年年 阿根廷阿根廷 国内定期召开全国生物无机化学学术讨论会，国内定期召开全国生物无机化学学术讨论会，2003年召开全国生物无机化学咨询会议，共同讨年召开全国生物无机化学咨询会议，共同讨论未来我国生物无机化学的发展方向论未来我国生物无机化学的发展方向,生物无机生物无机化学研究方向紧跟时代步伐化学研究方向紧跟时代步伐,不断深入和调整。不断深入和调整。20Bioinorganic Chemistry Area：A Multidisciplinary Res
21、earch Area 21生物无机化学的基本任务生物无机化学的基本任务1.生物机体中固有的无机元素，特别是生物机体中固有的无机元素，特别是生物金属生物金属元素元素在生命体内的分布、形态、代谢规律以及在生命体内的分布、形态、代谢规律以及它们的生物学功能的研究。它们的生物学功能的研究。2.环境中的外来金属离子通过不同途径进入生命环境中的外来金属离子通过不同途径进入生命体后的体后的运输、分布、形态、代谢运输、分布、形态、代谢以及它们是如以及它们是如何参与并影响生命过程的研究。何参与并影响生命过程的研究。22生物无机化学的发展前景和价值生物无机化学的发展前景和价值1.通过对生物无机化学问题和规律的研究
22、探索有通过对生物无机化学问题和规律的研究探索有助于进一步揭示助于进一步揭示生命的奥秘生命的奥秘。2.生物无机化学规律的揭示及其成果将有助于改生物无机化学规律的揭示及其成果将有助于改善人类的生活环境，保护人类的健康，延长人善人类的生活环境，保护人类的健康，延长人类的寿命，从而造福人类。类的寿命，从而造福人类。23Chapter 1 The Basic Conceptions and Reasons of Bioinorganic Chemistry1.Essential Chemical Elements in Biological systems(1)Bulk elements(宏量元素）：宏
23、量元素）：6 elements H、C、N、O、P、S；(2)Macrominerals and ions（矿物质离子）（矿物质离子）：Na、K、Mg、Ca、Cl、PO43、SO42；(3)Trace elements（微量元素）（微量元素）:Fe、Zn、Cu；(4)Ultratrace elements（痕量元素）（痕量元素）:nonmetals:F、I、Se、Si、As、B；Metals：Mn、Mo、Co、Cr、V、Ni、Cd、Sn、Pb、Li；24Essential Elements in Essential Elements in Organisms25Percentage Compo
24、sition of Selected Elements in the Human BodyElementPercentage(by weight)ElementPercentage(by weight)Oxygen 53.6Silicon,Magnesium0.04Carbon16.0Iron,Fluorine0.005Hydrogen13.4Zinc0.003Nitrogen2.4Copper,Bromine210-4Sodium,potassium,sulfur0.1Selenium,Manganese,Arsenic,Nickel210-5Chlorine0.09Lead,Cobalt9
25、10-626Metal Ions in a Single Metal Ions in a Single Cell元素元素功功 能能元素元素功功 能能Fe最主要的生命金属元素，起电子传递、最主要的生命金属元素，起电子传递、O2输运及催化氧化还原作用。输运及催化氧化还原作用。Se谷胱甘肽过氧化物酶谷胱甘肽过氧化物酶Si骨骼、软骨形成初期阶段及甲壳动物骨骼、软骨形成初期阶段及甲壳动物外壳所需要。外壳所需要。F进入牙齿的羟基磷灰石晶格进入牙齿的羟基磷灰石晶格Zn水解酶、与水解酶、与DNA，RNA的转录及与翻的转录及与翻译有关的酶，蛋白质中的金属辅基。译有关的酶，蛋白质中的金属辅基。Mo催化氧化反应催化
26、氧化反应Cu电子运送，电子运送，O2的输运，催化氧化的输运，催化氧化还原反应，结缔组织的合成。还原反应，结缔组织的合成。Co维生素维生素B12的必须组分的必须组分Mn几种糖类生化反应过程中的必需几种糖类生化反应过程中的必需辅基，过氧化氢酶。辅基，过氧化氢酶。Cr在糖代谢作用中与胰岛在糖代谢作用中与胰岛素相互作用。素相互作用。I甲状腺激素的必要组分。甲状腺激素的必要组分。Ni催化氧化还原反应（氢催化氧化还原反应（氢化酶，化酶，F430辅基）及水解辅基）及水解作用（脲酶）作用（脲酶）28 法国科学家法国科学家G.BertrandG.Bertrand在研究了在研究了锰锰对植物生对植物生长的影响后提出
27、了一个最适营养定律：长的影响后提出了一个最适营养定律：即植物缺少某种必需的元素时就不能成活，即植物缺少某种必需的元素时就不能成活，当该元素适量时就能茁壮成长，但若过量时又会当该元素适量时就能茁壮成长，但若过量时又会转为有害。转为有害。该定律不仅适用于植物，也适用于一切生物。该定律不仅适用于植物，也适用于一切生物。最适营养浓度定律最适营养浓度定律29Bertrand最适营养浓度定量示意图最适营养浓度定量示意图30生物元素的选择与演化生物元素的选择与演化丰度规则丰度规则o 当完成某种生物学功能有若干种元素可供当完成某种生物学功能有若干种元素可供选择时，生物体就选择自然环境中丰度最选择时，生物体就选
28、择自然环境中丰度最高的那种元素。高的那种元素。o 构成人体构成人体99.9%以上的以上的11种宏量元素以及种宏量元素以及Fe、Zn、Cu、Mn、I等必需元素，它们的等必需元素，它们的丰度无论是在地壳中还是在海水中都是相丰度无论是在地壳中还是在海水中都是相当高的。当高的。31o 在丰度规则前提下，生物利用度也起决定作用。在丰度规则前提下，生物利用度也起决定作用。丰度虽高，但若可利用度低，也不会被选择为丰度虽高，但若可利用度低，也不会被选择为必需元素；反之亦然。必需元素；反之亦然。o 例如：例如：元素元素Ti地丰度很高，但由于该元素的常地丰度很高，但由于该元素的常见离子见离子Ti4+在在pH 68
29、的生物体液中难于溶解和的生物体液中难于溶解和输运，从而导致极低的利用度，因而未被生物输运，从而导致极低的利用度，因而未被生物所利用。所利用。生物元素的选择与演化生物元素的选择与演化生物利用度规则（生物利用度规则（bioavailability)32生物元素的选择与演化生物元素的选择与演化基本适宜规则基本适宜规则o 某种金属元素若被选择，它就具有完成某种功某种金属元素若被选择，它就具有完成某种功能的能力。换言之，某种金属元素由于适应某能的能力。换言之，某种金属元素由于适应某一特定配位环境，从而能够有效地发挥某种功一特定配位环境，从而能够有效地发挥某种功能。业已存在的就是基本适宜的。能。业已存在的
30、就是基本适宜的。o 例如：例如：血红蛋白血红蛋白的生物功能是载氧，它利用了的生物功能是载氧，它利用了Fe2+离子，但是，若无特点的蛋白质与离子，但是，若无特点的蛋白质与Fe(II)就就会被会被O2氧化而丧失其可逆地结合并释放氧化而丧失其可逆地结合并释放O2的功的功能。能。33生物元素的选择与演化生物元素的选择与演化有效性规则有效性规则o 生物体总是选择更加有效的化合物加以利用。生物体总是选择更加有效的化合物加以利用。34METALS IN BIOLOGICAL SYSTEMS:Metals in biological systems function in a number of differ
31、ent ways:1.Group 1 and 2 metals operate as structural elements or in the maintenance of charge and osmotic balance(Table 1.2).2.Transition metal ions that exist in single oxidation states,such as zinc(II),function as structural elements in superoxide dismutase and zinc fingers(Table 1.3).35METALS IN
32、 BIOLOGICAL SYSTEMS:3.Transition metals that exist in multiple oxidation states serve as electron carrierso iron ions in cytochromes(细胞色素）细胞色素）o ironsulfur clusters in enzyme nitrogenase（固氮酶）（固氮酶）o copper ions in azurin（天青蛋白）（天青蛋白）and plastocyanin质体蓝素质体蓝素(一种在叶绿体的光合作一种在叶绿体的光合作用中作为电子用中作为电子传递体的含铜蛋白)(Ta
33、ble 1.4)36METALS IN BIOLOGICAL SYSTEMS:4.Transition metals as facilitators of oxygen transporto iron ions in hemoglobin(血色素血色素)o copper ions in hemocyanin血蓝蛋白血蓝蛋白(Table 1.5);5.Transition metals as enzyme catalysiso copper ions in superoxide dismutase(超氧化物超氧化物岐化酶）岐化酶）o iron and molybdenum ions in nit
34、rogenase(Table 1.6)37Metals in Biological Systems:Charge Carriers38Metals in Biological Systems:Structural,Triggers39Metals in Biological Systems:Electron Transfer40Metals in Biological Systems:Dioxygen Transport41Metals in Biological Systems:Enzyme Catalysis42The HardSoft AcidBase Theory of Inorgan
35、ic Chemistryo Ligand preference and possible coordination geometries of the metal center are important bioinorganic principles.o Metal ligand reference is closely related to the hardsoft acidbase nature of metals and their preferred ligands:o In general,hard metal cations form their most stable comp
36、ounds with hard ligands,whereas soft metal cations form their most stable compounds with soft ligands.43HardSoft AcidBase Classification of Metal Ions and Ligands44ELECTRONIC AND GEOMETRIC STRUCTURESOF METALS IN BIOLOGICAL SYSTEMS.45Representations of the five d orbitals along x,y,and z axes46Approx
37、imate energy levels for d electrons in octahedral,tetrahedral,and square-planar fields47spectrochemical serieso The strength of the ligand field at a metal center is strongly dependent on the character of the ligands electronic field and leads to the classification of ligands according to a spectroc
38、hemical series arranged below in order from weak field (halides,sulfides,hydroxides)to strong field(cyanide and carbon monoxide):48High-spin and low-spin d-electron configurations for the octahedral field49ELECTRON TRANSFERo Complementary Reaction:o Noncomplementary Reactions:50Two types of electron
39、 transfer mechanismso Outer-sphere electron transfer occurs when the outer,or solvent,coordination spheres of the metal centers is involved in transferring electrons.No reorganization of the inner coordination sphere of either reactant takes place during electron transfer:51Two types of electron tra
40、nsfer mechanismso Inner-sphere electron transfers involve the inner coordination sphere of the metal complexes and usually take place through a bridging ligand:52BIOCHEMISTRY FUNDAMENTALSo PROTEINSo Amino Acid Building Blocks 天然蛋白质水解得到的氨基酸有天然蛋白质水解得到的氨基酸有30余种，常见余种，常见的有的有20种，除脯氨酸外均为种，除脯氨酸外均为-氨基酸。氨基酸。*
41、NH2R CH COOH53-氨基酸的构型、分类和命名氨基酸的构型、分类和命名o 除甘氨酸外，分子中除甘氨酸外，分子中-碳均为手性碳原子，有旋碳均为手性碳原子，有旋光异构体。光异构体。o 构型习惯上采用构型习惯上采用D/LD/L法标记。不论含几个手性碳原法标记。不论含几个手性碳原子，以子，以-碳的构型为准。碳的构型为准。HRH2NCOOHHRCOOHNH2 HH2NCOOHCH3蛋白质水解得到的蛋白质水解得到的-氨基酸几乎都是氨基酸几乎都是L L构型。构型。5420种天然氨基酸种天然氨基酸序号序号 中文名称中文名称 英文缩写英文缩写 结构式结构式 1 甘氨酸甘氨酸 Gly(G)2 丙氨酸丙氨酸
42、 Ala(A)3 亮氨酸亮氨酸*Leu(L)4 异亮氨酸异亮氨酸*Ile(I)5 缬氨酸缬氨酸*Val(V)6 丝氨酸丝氨酸 Ser(S)7 苏氨酸苏氨酸*Ihr(T)8 甲硫氨酸甲硫氨酸 (蛋氨酸蛋氨酸)*Met(M)9 半胱氨酸半胱氨酸 Cys(C)10 苯丙氨酸苯丙氨酸*Phe(F)CH3CHCOOHNH2CH3CH-CHCOOHNH2CH3H-CHCOOHNH2CH3CHCH2CHCOOHNH2CH3CH3CH2CH-CHCOOHNH2CH3NH2CH2CHCOOHCH3SCH2CH2CHCOOHNH2HOCH2CHCOOHNH2HOCH-CHCOOHNH2CH3HSCH2CHCOOH
43、NH255 20种天然氨基酸种天然氨基酸(续续)序号序号 中文名称中文名称 英文缩写英文缩写 结构式结构式 11 谷氨酰胺谷氨酰胺 Gln(Q)12 天冬酰胺天冬酰胺 Asn(N)13 酪氨酸酪氨酸 Tyr(Y)14 色氨酸色氨酸*Trp(W)15 天冬氨酸天冬氨酸 Asp(D)16 谷氨酸谷氨酸 Glu(E)17 赖氨酸赖氨酸*Lys(K)18 精氨酸精氨酸*Arg(R)19 组氨酸组氨酸*His(H)20 脯氨酸脯氨酸 PrO(P)H2NCOCH2CH2CHCOOHNH2H2NCOCH2CHCOOHNH2NH2HOCH2CHCOOHNH2HNCH2CHCOOHHOOCCH2CH2CHCOO
44、HNH2HOOCCH2CHCOOHNH2H2NCH2(CH2)3CHCOOHNH2H2NCNH(CH2)3CHCOOHNH2NHNH2CH2CHCOOHHNNNCOOHH56Zwitterions of nonpolar hydrophobic amino acids at physiological pH57Zwitterions of polar neutral amino acids at physiological pH58Zwitterions of acidic amino acids at physiological pH59Zwitterions of basic amino
45、acids at physiological pH60Protein Structureo All proteins have at least three levels of structure:o primary,secondary,tertiary.o Proteins with more than one polypeptide chainhemoglobin and nitrogenase are examplesalso possess quaternary structure.61Formation of a peptide bond62primary structure:A p
46、eptide of four amino acids63Peptide StructureCHONCCCONCCNCR HRRRHHH64Secondary Structureo Two types of protein secondary structure:the a-helix and b-pleated sheet.65-螺旋结构螺旋结构在在-螺旋结构中，多肽螺旋结构中，多肽链中各肽键平面通过链中各肽键平面通过-碳原子的旋转，围绕中心碳原子的旋转，围绕中心轴形成一种紧密螺旋盘曲轴形成一种紧密螺旋盘曲构象。绝大多数蛋白质分构象。绝大多数蛋白质分子中所存在的子中所存在的-螺旋几螺旋几乎都是
47、乎都是右手螺旋。右手螺旋。66-螺旋其结构特点螺旋其结构特点肽链呈螺旋上升，肽链呈螺旋上升，每相隔每相隔3.6个氨个氨基酸残基基酸残基上升上升1圈，每个氨基酸圈，每个氨基酸残基沿轴旋转残基沿轴旋转100，沿轴向，沿轴向升高升高0.15nm，故，故螺距约为螺距约为0.54nm；67-螺旋其结构特点螺旋其结构特点螺旋间靠氢键维系，螺旋间靠氢键维系，氢键氢键是由同一条主链上一个氨是由同一条主链上一个氨基酸残基中的基酸残基中的C=OC=O氧与后氧与后面第四个氨基酸残基中的面第四个氨基酸残基中的N-HN-H氢形成，方向与螺旋氢形成，方向与螺旋轴大致平行，由于每个肽轴大致平行，由于每个肽键中的键中的C=O
48、C=O和和N-HN-H都参与形都参与形成链内氢键、故保持了成链内氢键、故保持了-螺旋的最大稳定性。螺旋的最大稳定性。68-螺旋的四种表示方法螺旋的四种表示方法69-折叠结构折叠结构-折叠折叠一般有两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段共一般有两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段共同参与形成，它们平行排列，并在两条肽链或一条肽同参与形成，它们平行排列，并在两条肽链或一条肽链内的两个肽段之间以链内的两个肽段之间以氢键氢键维系而成。维系而成。70Tertiary Structure纤维状蛋白质纤维状蛋白质一般只有一类二级结构构象单元，而一般只有一类二级结构构象单元，而球状蛋白质球状蛋白质可能在同一分子
49、内有几类二级结构构象单元。可能在同一分子内有几类二级结构构象单元。蛋白质的蛋白质的三级结构三级结构是指蛋是指蛋白质（主要指球状蛋白）白质（主要指球状蛋白）分子在二级结构的基础上分子在二级结构的基础上依靠非共价键力进一步卷依靠非共价键力进一步卷曲、折叠而构成的一种不曲、折叠而构成的一种不规则的、特定的、更复杂规则的、特定的、更复杂的空间结构。的空间结构。-转角转角-折迭折迭-螺旋螺旋无规卷曲无规卷曲71抹香鲸肌红蛋白的三级结构抹香鲸肌红蛋白的三级结构存在于哺乳动物存在于哺乳动物（鲸、海狗和海豚）（鲸、海狗和海豚）肌肉中的肌红蛋白肌肉中的肌红蛋白是一种较小的球状是一种较小的球状蛋白，它是由一条蛋白
50、，它是由一条含含153个氨基酸残基个氨基酸残基组成的多肽链。主组成的多肽链。主链中链中75绕曲成绕曲成8段段比较直的比较直的-螺旋螺旋。72猪胰岛素空间结构示意图猪胰岛素空间结构示意图1971年我国科学工作者全部完成了年我国科学工作者全部完成了0.25nm分辨率的猪胰岛素晶体结构分辨率的猪胰岛素晶体结构的测定工作。的测定工作。1974年又完成了分辨年又完成了分辨率为率为0.18nm的胰岛素晶体结构的分的胰岛素晶体结构的分析工作。析工作。我国测定绘制的猪胰岛我国测定绘制的猪胰岛素空间结构示意图素空间结构示意图73quaternary structure蛋白质的四级结构中的每一个具有三级结构的多肽
