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第十九章 氨基酸 蛋白质 核酸
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蛋白质存在于所有的生物细胞中，是生命活动的物质基础，它参与了几乎所有的生命活动过程。
氨基酸是构成蛋白质的基石。
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19.1氨基酸 19.1.1氨基酸的结构、分类与命名 分子中既含有氨基，又含有羧基的化合物统称为氨基酸。
按氨基与羧基的相对位置：－氨基酸、－氨基酸、－氨基酸等。 组成肽和蛋白质的结构单元分子 —— a- amino Acid －氨基酸
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根据分子中所含氨基和羧基的数目分为中性氨基酸、碱性氨基酸和酸性氨基酸：
■中性氨基酸：分子中氨基和羧基的数目相等。但氨基的碱性和羧基的酸性不是完全相当的，所以它们并不是真正中性的物质，只能说它们近乎中性。 ■碱性氨基酸：分子中氨基的数目多于羧基时呈现碱性. ■酸性氨基酸：氨基的数目少于羧基时呈现酸性。
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命名:
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20种氨基酸
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氨基酸代码 G Glycine Gly 甘氨酸 P Proline Pro 脯氨酸 A Alanine Ala 丙氨酸 V Valine
缬氨酸 L Leucine Leu 亮氨酸 I Isoleucine Ile 异亮氨酸 M Methionine Met 蛋氨酸 C Cysteine Cys 半胱氨酸 F Phenylalanine Phe 苯丙氨酸 Y Tyrosine Tyr 酪氨酸 W Tryptophan Trp 色氨酸 H Histidine His 组氨酸 K Lysine Lys 赖氨酸 R Arginine Arg 精氨酸 Q Glutamine Gln 谷氨酰胺 N Asparagine Asn 天冬酰胺 E Glutamic Acid Glu 谷氨酸 D Aspartic Acid Asp 天冬氨酸 S Serine Ser 丝氨酸 T Threonine Thr 苏氨酸
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必需氨基酸 人体内不能合成它们。必需从食物中得到，营养的实验证明，没有这几种氨基酸，就会发生由于缺乏营养所引起的病症，即它们是生命的必需物质。其它的氨基酸可以用其它的物质在体内合成。 人们可以从不同的食物内得到必需的氨基酸，但并不能从某一食种物内获取全部必需的氨基酸，因此食物多样化一点，就可以保证得到足够的营养必需的氨基酸。
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几种重要的不常见氨基酸 在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸，通常称为不常见蛋白质氨基酸。 这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的。
其中重要的有4-羟基脯氨酸、5-羟基赖氨酸、N-甲基赖氨酸、和3,5-二碘酪氨酸等。这些不常见蛋白质氨基酸的结构如下。
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氨基酸的性质 1. 氨基酸的旋光性 除甘氨酸外，氨基酸均含有一个手性-碳原子，因此都具有旋光性。比旋光度是氨基酸的重要物理常数之一，是鉴别各种氨基酸的重要依据
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甘氨酸：NH2CH2COOH,无手性，其它19种天然氨基酸都有手性，且大多是L型。
若用R-S标记法,碳原子的构型都是S型.
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2.氨基酸的酸碱性——两性和等电点 氨基酸含有羧基和氨基，是两性物质。
中性氨基酸含有一个羧基和一个氨基，形成一种内盐式的结构，由于这种分子同时具有两种离子的性质，所以是两性离子。具有： 物理性质： ① 高熔点（或分解点）固体； ② 易溶于水，不溶于非极性有机溶剂。
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在不同的pH条件下，两性离子的状态也随之发生变化。
氨基酸在结晶形态或在水溶液中，并不是以游离的羧基或氨基形式存在，而是离解成两性离子。在两性离子中，氨基是以质子化(-NH3+)形式存在，羧基是以离解状态(-COO-)存在。 在不同的pH条件下，两性离子的状态也随之发生变化。 PH 净电荷 正离子 两性离子 负离子 等电点PI
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氨基酸的等电点（Isoelectric Point）：
当溶液浓度为某一pH值时，氨基酸分子中所含的-NH3+和-COO-数目正好相等，净电荷为0。这一pH值即为氨基酸的等电点，简称pI。在等电点时，氨基酸既不向正极也不向负极移动，即氨基酸处于两性离子状态。 处于等电点的氨基酸，其溶解度最小。可用于分离。
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中性氨基酸pI 与解离常数 pK间的关系： pI = (pK1 + pK2)/2
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Calculation of pI ：
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纸电泳 (Paper electrophoresis)
pH < pI, 样品带正电荷，样品点向阴极移动 pH > pI, 样品带负电荷，样品点向阳极移动 pH = pI, 样品不带电荷，样品点不移动
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3. 氨基酸的反应 1)氨基的酰化 2)氨基的烃化 3)与亚硝酸反应
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4) 与茚三酮反应 除脯氨酸外的－氨基酸，都能与茚三酮的碱性溶液作用，生成蓝色或者紫红色物质。是鉴定－氨基酸的灵敏方法。
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5）受热后的反应 －氨基酸： β－氨基酸：
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或－氨基酸：
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氨基酸的制备 1. 由蛋白质水解 蛋白质在酸、碱或酶的作用下水解，最后生成多种－氨基酸的混合物。将混合物用各种分离手段(如色层分离法，离子交换法、电泳法等等)进行分离，即可分别得到各种氨基酸。
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2、－卤代酸的氨解（胺的烷基化） 盖布瑞尔合成法（Gabriel合成法）
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3、由丙二酸酯合成 消旋产物
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19.2 多肽（Peptides ） —— 由两个以上氨基酸通过酰胺键连接起来的化合物。
二肽（dipeptide）：2 amino acid residues 寡肽（oligopeptide ）：2~10 amino acid residues 多肽（polypeptide ）：> 10 amino acid residues 蛋白质（protein ）：molecular weight > 10 thousand 多肽
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一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基之间失水形成的酰胺键称为肽键（Peptide band)
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19.2.1多肽的结构 在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为氨基酸顺序
通常在多肽链的一端含有一个游离的-氨基，称为氨基端或N-端；在另一端含有一个游离的-羧基，称为羧基端或C-端。 氨基酸的顺序是从N-端的氨基酸开始，以C-端氨基酸为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为： Ser-Val-Tyr-Asp-Gln
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多肽的命名
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思考题：Are Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu and Leu-Ala-Tyr-Gly-Ser same peptides?
命名以C-端氨基酸为母体 丝氨酰-甘氨酰-色氨酰-丙氨酰-亮氨酸 思考题：Are Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu and Leu-Ala-Tyr-Gly-Ser same peptides?
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肽键 肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。 组成肽键的原子处于同一平面。
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肽键 肽键中的C-N键具有部分双键性质，不能自由旋转。 在大多数情况下，以反式结构存在。
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肽
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19.2.3 天然存在的重要多肽 在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位。
但是，也有许多分子量比较小的多肽以游离状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为活性肽。 如：脑啡肽；激素类多肽；抗生素类多肽；谷胱甘肽；蛇毒多肽等。
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+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-COO-
+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-COO- Leu-脑啡肽
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二硫键Disulfide bond
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Disulfide Bonds
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烫发的过程是一个旧二硫键还原打开而后又氧化形成新的二硫键过程
Hair: Straight or curly? 烫发的过程是一个旧二硫键还原打开而后又氧化形成新的二硫键过程
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多肽结构的测定 多肽和蛋白质既然是由这20种氨基酸形成的多聚酰胺，要测定多肽和蛋白质的结构，首先就要测定分子中氨基酸的顺序，但是分子很大，初一看，测定这个顺序几乎是不可能的一件事情。即便是不很复杂的蛋白质，如最小的胰岛素，就有51个17种不同的氨基酸，可能排列的次序几乎是无穷无尽的。但是到了50年代，一方面由于生物化学的进步，另一上方面是分离分析的方法有了很大的发展，终于把这一个极为困难的问题全部解决，首次测定了胰岛素这个最小的蛋白质的结构。这是有机化学及生物化学一件划时代的大事，为生命科学的研究开辟了一条重要道路。
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Determining the structure of peptides
测定一个蛋白质或肽链的一级结构需要进行下列的几项工作： 1.二硫键的存在与否 2.氨基酸的组成 3.测定肽或蛋白质中各氨基酸的排列顺序
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氨基酸的组成： 首先将蛋白质用6 mol/L的盐酸在120℃下加热20h。彻底水解，色氨酸对酸不稳定，在水解过程中，即被部分地分解，其他的氨基酸的混合物经提纯后，进行纸层析，然后用茚三酮显色，各氨基酸在一定的条件下具有一定的Rf值，因此可以很迅速地鉴别各氨基酸，用比色的方法，即可测定各氨基酸的相对含量。
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Amino Acids Analyzer
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肽或蛋白质中各氨基酸的排列顺序 在分析氨基酸后下一步就是要测定肽链或蛋白质中氨基酸的结合顺序，通常可采用末端分析法： （1）N-端氨基酸单元的分析： （a）Sauger方法：
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（b）Edman方法：
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（2）c-端氨基酸单元的分析： c-端的氨基酸单元可以通过羧肽酶催化水解，羧肽酶可以选择性切断游离羧基相邻的肽键，在溶液中切断下来的氨基酸是C-端位置的，已切断了c-端氨基酸的肽键。再与羧肽酶作用，如此不断进行，可以使整个多肽或蛋白质水解为氨基酸。根据氨基酸出现的时间，可以推断C-端氨基酸的排列顺序。
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（3）肽键部分水解: 测定肽键氨基顺序的一个关键是部分分解，将一个长的肽键分解为许多小肽，然后将这些小肽分离，再进行氨基酸分析，N-端基标记，这样多次地重复下去，最终得到整个肽链氨基酸的顺序。 肽键部分水解——酶法和化学法 许多消化道内分泌出来的酶可以使肽键水解。有些酶的专一性并不很强，但是有些酶的水解是具有高度专一性的，不同的酶只能分解不同氨基酸的肽键。
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多肽的合成 保护了氨基的氨基酸 + 保护了羧基的氨基酸 + 一定的偶联剂
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(Aspartame or NutraSweet, 150 sweeter than sucrose)
天苯甜 (Aspartame or NutraSweet, 150 sweeter than sucrose) —— to synthesize Asp-Phe-OMe
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（一）氨基的保护 Z保护
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Boc保护
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（二）羧基的保护（酯化〕
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（三）接肽的办法
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19.3 蛋白质 由多种－氨基酸按一定顺序用肽键连接起来，具有特定的空间结构与生理功能的生物大分子。
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蛋白质的结构组成 蛋白质是一类含氮有机化合物，除含有碳、氢、氧外，还有氮和少量的硫。某些蛋白质还含有其他一些元素，主要是磷、铁、碘、碘、锌和铜等。这些元素在蛋白质中的组成百分比约为： 碳 50％ 氢 7％ 氧 23％ 氮 16% 硫 0—3％ 其他 微 量
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19.3.2 蛋白质的分类 (1) 依据蛋白质的外形分类 按照蛋白质的外形可分为球状蛋白质和纤维状蛋白质。
球状蛋白质：globular protein外形接近球形或椭圆形，溶解性较好，能形成结晶，大多数蛋白质属于这一类。 纤维状蛋白质：fibrous protein分子类似纤维或细棒。它又可分为可溶性纤维状蛋白质和不溶性纤维状蛋白质。可溶性纤维状蛋白质有肌球蛋白和纤维蛋白原等；不溶性纤维状蛋白质有角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等。
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（2）依据蛋白质的组成分类 按照蛋白质的组成，可以分为 简单蛋白(simple protein)
结合蛋白(conjugated protein) 。
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简单蛋白 又称为单纯蛋白质；这类蛋白质只含由-氨基酸组成的肽链，不含其它成分。
1，清蛋白和球蛋白：albumin and globulin广泛存在于动物组织中。清蛋白易溶于水，球蛋白微溶于水，易溶于稀酸中。 2，谷蛋白(glutelin)和醇溶谷蛋白(prolamin)：植物蛋白，不溶于水，易溶于稀酸、稀碱中，后者可溶于70－80％乙醇中。 3，精蛋白和组蛋白：碱性蛋白质，存在与细胞核中。 4，硬蛋白：存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中，分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。
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结合蛋白 由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成， 色蛋白：由简单蛋白与色素物质结合而成。如血红蛋白、叶绿蛋白和细胞色素等。
糖蛋白：由简单蛋白与糖类物质组成。如细胞膜中的糖蛋白等。 脂蛋白：由简单蛋白与脂类结合而成。 如血清-，-脂蛋白等。 核蛋白：由简单蛋白与核酸结合而成。如细胞核中的核糖核蛋白等。
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蛋白质的性质 等电点 胶体性质 沉淀作用 变性作用 颜色反应
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（1）蛋白质的两性离解和等电点 蛋白质与多肽一样，能够发生两性离解，也有等电点。在等电点时(Isoelectric point pI)，蛋白质的溶解度最小，在电场中不移动。 在不同的pH环境下，蛋白质的电学性质不同。在等电点偏酸性溶液中，蛋白质粒子带负正荷，在电场中向负极移动；在等电点偏碱性溶液中，蛋白质粒子带负电荷，在电场中向正极移动。这种现象称为蛋白质电泳(Electrophoresis)。
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（2）蛋白质的胶体性质 由于蛋白质的分子量很大，它在水中能够形成胶体溶液。蛋白质溶液具有胶体溶液的典型性质，如丁达尔现象、布郎运动等。 由于胶体溶液中的蛋白质不能通过半透膜，因此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除去。
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蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量大小、所带的电荷和水化作用有关。 改变溶液的条件，将影响蛋白质的溶解性质
（3）蛋白质的沉淀作用 蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量大小、所带的电荷和水化作用有关。 改变溶液的条件，将影响蛋白质的溶解性质 在适当的条件下，蛋白质能够从溶液中沉淀出来。
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可逆沉淀 在温和条件下，通过改变溶液的pH或电荷状况，使蛋白质从胶体溶液中沉淀分离。 在沉淀过程中，结构和性质都没有发生变化，在适当的条件下，可以重新溶解形成溶液，所以这种沉淀又称为非变性沉淀。 可逆沉淀是分离和纯化蛋白质的基本方法，如等电点沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法等。
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不可逆沉淀 在强烈沉淀条件下，不仅破坏了蛋白质胶体溶液的稳定性，而且也破坏了蛋白质的结构和性质，产生的蛋白质沉淀不可能再重新溶解于水。 由于沉淀过程发生了蛋白质的结构和性质的变化，所以又称为变性沉淀。 如加热沉淀、强酸碱沉淀、重金属盐沉淀和生物碱沉淀等都属于不可逆沉淀。
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（4）蛋白质的变性 蛋白质的性质与它们的结构密切相关。某些物理或化学因素，能够破坏蛋白质的结构状态，引起蛋白质理化性质改变并导致其生理活性丧失。这种现象称为蛋白质的变性(denaturation)。
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蛋白质的变性 变性蛋白质通常都是固体状态物质，不溶于水和其它溶剂，也不可能恢复原有蛋白质所具有的性质。所以，蛋白质的变性通常都伴随着不可逆沉淀。引起变性的主要因素是热、紫外光、激烈的搅拌以及强酸和强碱等。
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（5）蛋白质的颜色反应
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蛋白质的结构 一级结构 二级结构 三级结构 四级结构
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19.3.4.1 蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构(Primary structure)包括组成蛋白质的多肽链数目. 多肽链的氨基酸顺序，
以及多肽链内或链间二硫键的数目和位置。 其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋白质生物功能的基础。
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、 蛋白质的二级结构 蛋白质的二级(Secondary)结构是指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。 主要有-螺旋、-折叠、-转角。
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（1）-螺旋 多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm,含20.6个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离为0.15nm; 肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺基团的-CO基与第四个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键。 蛋白质分子为右手-螺旋。
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-螺旋
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（2）-折叠 -折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。 -折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。
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（3）-转角 在-转角部分，由四个氨基酸残基组成;
弯曲处的第一个氨基酸残基的 -C=O 和第四个残基的 –N-H 之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。 这类结构主要存在于球状蛋白分子中。
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、蛋白质的三级结构 蛋白质的三级结构(Tertiary Structure)是指在二级结构基础上，肽链的不同区段的侧链基团相互作用在空间进一步盘绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构。 维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键，在蛋白质三级结构中起着重要作用。
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、蛋白质的四级结构 蛋白质的四级结构(Quaternary Structure)是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。 这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基或亚单位Subunit，它一般由一条肽链构成，无生理活性； 维持亚基之间的作用力主要是疏水力。 由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白；
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两个亚基的结构
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角蛋白
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丝蛋白
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胶原蛋白
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血红蛋白
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煤气中毒的机制 一氧化碳（CO）也能与血红素Fe原子结合。由于CO与血红蛋白结合的能力是O2的200倍，因此，人体吸入少量的CO即可完全抑制血红蛋白与O2的结合，从而造成缺氧死亡。急救方法是尽快将病人转移到富含O2的环境中（如新鲜空气、纯氧气或高压氧气），使与血红素结合的CO被O2置换出来。
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19.4 核酸 19.4.1核苷酸和核苷
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核苷 戊糖与杂环碱形成的苷叫做核苷。由于RNA和DNA所含杂环碱各有四种，所以它们各有四种核苷。RNA的四种核苷是：
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核苷酸
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核酸的结构 核酸是由许多核苷酸单元所构成的高分子化合物。在核酸分子中，核苷酸单元是通过磷酸酯键，在戊糖的3，位上联结起来的。例如，RNA结构可用下式示意：
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DNA单体
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RNA单体
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DNA的双螺旋结构 腺嘌呤A－胸腺嘧啶T 鸟嘌呤G－胞嘧啶C
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DNA的双螺旋结构
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