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1、绪论,教师: 高蓝 Email:gaolan2010 参考书：王镜岩主编的生物化学（上下册） 周爱儒主编的生物化学学习指南,生物化学,生物化学： 是研究生物体内化学分子与化学反应的科学，从分子水平探讨生命现象的本质。 研究内容： 研究生物体分子结构与功能，物质代谢与调节，以及遗传信息传递的分子基础与调控规律。 方法： 化学、生物物理、生理、遗传、细胞和免 疫等。 生物化学与分子生物学的关系,第一节 生物化学发展简史,18世纪-20世纪初- 20世纪50年代-至今 叙述生物化学阶段：化学组成 脂、糖、氨基酸性质研究 核酸的发现 化学合成了简单的多肽 酵母发酵过程中的催化剂-酶,动态生物化学阶段：
2、 营养（必需氨基酸，必需脂肪酸，维生素） 内分泌（激素） 酶学（酶结晶） 物质代谢（如糖代谢途径，脂肪酸氧化，尿素 合成，三羧酸循环）,分子生物学时期 蛋白质与核酸（蛋白质螺旋，胰岛素测序，DNA双螺旋） 遗传学中心法则（遗传密码破译） 物质代谢途径(代谢调节) 重组DNA技术 转基因动植物和基因剔除 基因诊断与基因治疗 核酶 PCR技术 人类基因组计划（1990-2003） 发现和鉴定基因-结构、功能与调控研究,蛋白质组学，转录物组，RNA组学， 代谢组学，糖组学 生物信息学 我国的贡献： 公元前用曲造酒（酶催化谷物淀粉的发酵） 血液化学分析方面 蛋白质化学（变性学说） 免疫化学 人工合成牛
3、胰岛素（1965） 酶学、蛋白质结构、生物膜结构与功能 人类基因组计划 第一个中国人基因组图谱”（“炎黄一号”）,中国承担的3号染色体短臂的测序区域,生化发展进程中的里程碑（重大事件、重要人物）,英国化学家桑格尔(F.Sanger)用1945年至1953年的近十年时间，完成了牛胰岛素的氨基酸组成结构的分析，这是第一个蛋白质组成结构的分析。1977年提出了末端终止法测定核苷酸顺序。 于1958年和1980年获得诺贝尔化学奖。,2. H.A.克雷布斯（19001981）德裔英国生物化学家，1930年发现了哺乳动物体内尿素合成的途径。1937年又提出了三羧酸循环理论，并解释了机体内所需能量的产生过程
4、和糖、脂肪、 蛋白质的相互联系及相互转变机理。于1953年获诺贝尔奖。,3. 1953年沃森（J.D.Watson）和克里克（F.H.C.Crick）提出了DNA双螺旋三维结构模型。这一模型的建立，揭开了生物遗传信息传递的秘密，从遗传物质结构变化的角度解释了遗传性状突变的原因，并标志着遗传学完成了由“经典”向“分子”时代的过渡。于1962年获奖。,4. 1965年9月17日，人工合成胰岛素在中国首次。这也是世界上第一个蛋白质的全合成。这是我国科技人员在奋力攀登世界科学高峰，为祖国在基础研究方面争得的一项世界冠军。这一成果促进了生命科学的发展，开辟了人工合成蛋白质的时代。,5. 1982年塞克（
5、T.R.Cech）等在四膜虫中发现了具有催化活性的RNA核酶。,6. Paul Berg(P.伯格)，将两种病毒的DNA连接起来，产生了一种新的重组DNA分子。标志着基因工程技术的诞生。 获1980年诺贝尔化学奖。,转基因动物,转基因植物,7. 1997年英国I.Wilmut等运用羊的体细胞（乳腺细胞）克隆出了羊克隆羊多莉。,世界首只人兽混种羊,2007年美国内华达大学的伊斯梅尔赞加尼教授领导的研究小组 目前绵羊体内的人类细胞比例达到15%，动物细胞比例为85%。 从病人的骨髓中提取干细胞，然后将其注入一只绵羊的胚胎中,中国科学家成功获得人类体细胞克隆胚胎,2009年山东省干细胞工程技术研究中
6、心李建远教授 健康卵细胞志愿捐献者12人，经促排卵获得135枚卵细胞，经试验最终成功获取囊胚5枚，其中，4枚囊胚的供体细胞来源于正常人皮肤纤维细胞，1枚来源于帕金森病患者外周血淋巴细胞。,第二节 当代生物化学研究的主要内容,1、生物分子的结构与功能 分子结构、分子识别和分子的相互作用 2、物质代谢及其调节 调节，细胞信号转导 3、基因信息传递及其调控 DNA重组、转基因、基因剔除、新基因克隆、 人类基因组及功能基因组研究 基因表达调控 遗传病、恶性肿瘤、心血管病分子水平的诊断、治疗。,第三节 生物化学与医学,研究内容： 正常人体的生物化学以及疾病过程中的生物化学相关问题。 已成为生物学各学科之
7、间、医学各学科之间相互联系的共同语言： 理论和技术在基础医学和临床医学中的应用产生了分子遗传学、分子免疫学、分子微生物学、分子病理学和分子药理学等交叉学科。 为推动各学科发展作出了重要的贡献： 疾病预防、诊断和治疗，发病机制的研究（疾病相关基因的克隆、基因芯片的应用和基因治疗）,第一篇 生物大分子的结构与功能,蛋白质 核酸 酶,蛋白质的结构与功能,第1章,Structure and Function of Protein,什么是蛋白质?,蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。,蛋白质研究的历史,1833年
8、，从麦芽中分离淀粉酶；随后从胃液中分离到类似胃蛋白酶的物质。 1864年，血红蛋白被分离并结晶。 19世纪末，证明蛋白质由氨基酸组成，并合成了多种短肽。 20世纪初，发现蛋白质的二级结构；完成胰岛素一级结构测定。,20世纪中叶，各种蛋白质分析技术相继建立，促进了蛋白质研究迅速发展； 1962年，确定了血红蛋白的四级结构。 20世纪90年代，功能基因组与蛋白质组研究展开。,蛋白质的生物学重要性,分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。 含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80。,1. 蛋白质是生物体重要组成成
9、分,作为生物催化剂（酶） 代谢调节作用 免疫保护作用 物质的转运和存储 运动与支持作用 参与细胞间信息传递,2. 蛋白质具有重要的生物学功能,3. 氧化供能,蛋白质的分子组成 The Molecular Component of Protein,第一节,组成蛋白质的元素,主要有C、H、O、N和 S。 有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘 。,各种蛋白质的含氮量很接均为16。,由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量：,100克样品中蛋白质的含量 (g %) = 每克样品含氮克数 6.25100
10、,1/16%,蛋白质元素组成的特点,一、组成人体蛋白质的20种氨基酸均属于L-氨基酸,存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。,COO-,C,H3N+,CH3,H,CHO,C,HO,CH2OH,H,L-甘油醛 L-丙氨酸,C,CH3,+NH3,COO-,D-丙氨酸,H,C,+,N,H,3,C,O,O,-,H,非极性脂肪族氨基酸 极性中性氨基酸 芳香族氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸,二、氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类,(一)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸,(二)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸,(三)侧
11、链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸,天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22,赖氨酸 lysine Lys K 9.74,精氨酸 arginine Arg R 10.76,组氨酸 histidine His H 7.59,(四)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸,(五)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸,几种特殊氨基酸,脯氨酸 （亚氨基酸）, 半胱氨酸,胱氨酸,5-羟赖氨酸,4-羟脯氨酸,鸟氨酸和瓜氨酸,三、20种氨基酸具有共同或特异的理化性质,两性解离及等电点,氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的
12、酸碱度。,等电点(isoelectric point, pI) 在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。,（一）氨基酸具有两性解离的性质,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,（二）含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。,大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，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。,芳香族氨基酸的紫外吸收,苯丙氨酸,（三）氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物,氨基酸与茚三酮水合物共热，
13、可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。 由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。,四、蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链,肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。,（一）氨基酸通过肽键连接而形成肽 (peptide),+,甘氨酰甘氨酸,肽键,肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。,两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽,肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。,由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由更多的氨基
14、酸相连形成的肽称多肽(polypeptide)。,N 末端：多肽链中有游离-氨基的一端 C 末端：多肽链中有游离-羧基的一端,多肽链有两端：,多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。,牛核糖核酸酶的一级结构,返回,（二）体内存在多种重要的生物活性肽,1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH),GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,GSH与GSSG间的转换,体内许多激素属寡肽或多肽,神经肽(neuropeptide),2.多肽类激素及神经肽,蛋白质的分子结构 The Molecular Structure of Pr
15、otein,第二节,蛋白质的分子结构包括:,一级结构(primary structure) 二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure),定义: 蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。,一、氨基酸的排列顺序决定蛋白质 的一级结构,主要的化学键: 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。,bovine insulin 1953年 Frederick sanger测定,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象和功能的唯一因素。,二、多肽链的局
16、部主链构象为蛋白质 二级结构,主要的化学键：氢键,（一）参与肽键形成的6个原子在同一平面上,参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，C1和C2在平面上所处的位置为反式(trans)构型，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。,肽键C-N键长为0.133nm C-N单键长为0.149nm C=N双键长为0.127nm,-螺旋 ( -helix) -折叠 (-pleated sheet) -转角 (-turn) 无规卷曲 (random coil),（二）-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构,蛋白质二级结构,-螺旋,螺旋的结构特点： (1)多个肽键平面通过碳原子旋转，相互之间紧密盘曲成稳固的右手螺旋。 (2)主链呈螺旋上升，每3.6个氨基酸残基上升
