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1、生物分析化学Bioanalytical Chemistry吴志勇，Dr.Prof. 东北大学分析科学研究中心 zywu_课 程 计 划n课时：32学时n时间：11-19周一18学时；12，14，16，17，18周三（10学时 ）；机动（4学时）n考试方法：课堂表现 15%期中测验 20%期末考试 65%n参考教材：鞠熀先等编著生物分析化学，科学出版社课程计划内容周次时间讲次内 容 1111.091前言；中心法则，基因密码，核酸和蛋白的关系 1211.162典型生物分子 11.183凝胶电泳技术，SDS；2D PAGE1311.234毛细管电泳-仪器，进样，检测；芯片电泳 11.255机动 14
2、11.306CE理论-电泳和电渗；效率 12.027CE分离模式-ITP，CZE，IEF 1512.078CE分离模式-MECC，CGE，ECE 12.099机动 1613.1410蛋白质组学分析中的2D LC-MS 12.1611核酸PCR扩增；荧光定量原理；Sanger法测序 1712.2112新的核酸测序技术-焦磷酸测序反应 12.2313电化学生物传感器；阵列芯片技术测定核酸和蛋白等 1812.2814生物质谱技术，ESI，MALDI；源内裂解技术 12.3015组学简介，生物信息学 1901.0416期末考试课程的目的n了解生命科学的最新发展n结合已有分析化学、特别是仪器分析知识，掌
3、握重要的现代生化分析方法的基本原理n学习运用分析化学的基础理论和方法认识和解决生命学领域中各种生物活性物质定性和定量问题n理解分析化学在生命科学中的重要地位和作用第一讲 绪 论现代化学 学科的两大基础内容n反应与合成n分析与表征欧洲分析化学分会主席Jens E T Anderson： “总体上，在教育体系之外，分析化学家比任何其他专业的化学家都多。这一事实在很多欧洲国家被忽视。如果欧洲想在基于化学的工业方面具有竞争性，那么知识完备的有经验的分析化学家的教育是非常关键的。”分析化学的变革n20世纪初，物理化学溶液理论的发展（四大平衡）成为理论基 础，使分析化学由一门技术发展为一门学科n20世纪4
4、0s，物理学和电子学的发展，从化学分析（经典）到仪 器分析（现代）n21世纪，生命科学，环境科学，新材料可科学的发展的需要， 生物学、信息技术，计算机技术的引入，分析化学进入新的发展时 期（南京大学陈洪渊院士）分析化学定义的发展和变化n北京大学2005分析化学教程测定物质组成和结构的学科，也是研究分析方法的学科。n2006年武汉大学主编分析化学发展和应用各种理论、方法、仪器和策略以获得有关物质在相对时 空内的组成和性质的信息的一门科学，又被称为分析科学。（与欧 洲化学协会联合会的定义相同）n2009科学出版社10000个科学难题：化学卷分析化学是研究物质的组成和结构，确定物质在不同状态和演变过
5、 程中化学成分、结构、含量和分布的量测科学，是化学科学的分支 学科。两则消息我国研制出猪感染甲型H1N1 病毒检测试剂盒农业部新闻办公室5 月3 日发布消息，农业部 组织专家开展联合攻关，成功研制出猪感染甲 型H1N1病毒RT-PCR 检测试剂盒，可在5 小时 内完成猪感染甲型H1N1 病毒快速检测。境外 出现人感染甲型H1N1 流感疫情后，农业部立 即组织国家禽流感参考实验室、中国动物卫生 与流行病学中心等单位专家成立猪感染甲型 H1N1 病毒防控专家组，研制开发快速有效的 诊断试剂，做好技术储备。国家禽流感参考实 验室与有关国际组织联系，获得了此次引起人 感染发病的甲型H1N1 流感病毒基
6、因序列。专 家组用不到一周时间完成了猪感染甲型H1N1 病毒RT-PCR 检测方法的引物设计和临床测试 工作，并对检测试剂盒进行了敏感性试验、特 异性试验、稳定性试验、可操作性试验以及各 项复核试验。该方法敏感性高、特异性强，不 仅适用于猪感染甲型H1N1 病毒的检测，对诊 断人感染甲型H1N1 流感病毒也有较高的参考 价值。核酸探针2 小时检出新的甲型H1N1 流感病毒军事医学科学院5 月2 日宣布，针对新的甲 型H1N1 流感病毒，该院成功研制出具有自主 知识产权的“复合探针”核酸检测试剂盒。 该试剂盒是针对甲型流感病毒基因的特异性 变异位点，用核酸探针进行检测，具有灵敏 度高、检测速度快
7、的优点，可在2 小时内完 成样本检测过程。同时，考虑到甲型H1N1 病 毒可能发生的变异，研究小组经过连夜验证 ，获得3 套特异性探针，即使流感病毒检测 位点的基因出现变异，也可以确保不出现漏 检情况。该方法采用具有自主知识产权的“ 复合探针”技术，该技术已获国家发明专利 ，是国内在实时荧光PCR方面唯一取得国家专 利的技术，根据该技术研制的8 种烈性病原 体检测试剂盒均已注册申报。该试剂盒特异 性强，目前正加紧进行批量装配，可立即投 入使用。同时，正在研制中的用于甄别甲型 H1N1 流感病毒及其耐药性的基因芯片也已取 得重要进展，将于近日完成。20世纪90年代生命分析化学被列为10个热门生物
8、技术行业之一。生物分析化学是分析化学与生命科学交叉中 形成的一个分支，1990s以来发展迅速，已经成为生命科 学研究的重要部分。北京大学1992年将生物化学设为本科生必修基础课之一。 2002年北京大学李元宗教授著的生化分析中解释为：生命活性物质的分析和利用生物化学技术所进行的 分析。何为生物分析化学？以分析化学的理论、方法和技术为基础，以生物化学，分子生物学、免疫学和细胞学等学科理论与技术为补 充，以数学、物理学和计算机技术为手段，测量并获取 生物体系中的生物物质的组成、结构、功能和化学信息 的前沿交叉学科。任务：提取生物体系中的生物活性物质的组成、含量、结构、形态等方面的信息，发展获取这些
9、信息的方法 以及复杂物质的分离和纯化技术，建立用于研究生命活 性物质间相互作用的技术手段。Chemistry Analytical Chemistry Analytical ScienceBiology Biochemistry Molecular biology Genetics Proteomics Systems Biology Life ScienceBioanalytical Chemistry Biaochemical Analysis Analytical Biochemistry Analytical Chemistry for Life Science不同于经典分析化学，分析
10、样品主要来自于组织、细胞和体液，要获得好的分析结果，样品制备往往是一个瓶颈环节，样品处理方法是否合理是影响实验结果的关键因素之一。生物样品往往是一种具有高度复杂性的体系，这种复杂性表现在组成、含量、动力学范围、时空依存性等各个方面，这使得生物样品的处理有很大的难度。 生物分析化学的分析对象生物体内的各种有机分子均称生物分子，包括蛋白质、核酸、糖、脂、维生素与激素等等。按其 分子量大小，可分为生物小分子和生物大分子。其 中，多糖、蛋白质与核酸是分别由多个基本结构单 位单糖、氨基酸和核苷酸，按照一定的排列顺序 和连接方式而形成的重要的生物大分子。 生物分子生物样品的特点1. 来源多样，不同生物体或
11、者相同生物体的不同组织 2. 形态多样，游离，结合，超分子，混合态等 3. 结构和成分的多样性，蛋白，核酸，多糖，脂肪，维 生素，等 4. 组分含量的多样性，常量，微量，痕量等 5. 组分结构和成分的动态变化、代谢和分布的多样性， 组分的活性易变化 6. 对各组分分析目的的多样性。不同分析技术对分析样 品的要求不同，富集，分离与制备的方法不同生物样品信息高密度载体n人类基因组，30亿个碱基对n约3万个基因n基因在表达中的变化，一个基因数个mRNAn经剪切的mRNA可翻译成数个蛋白，后修饰400多种n99.9%相同和600万个SNPn微米尺度的细胞内有一套完整的基因拷贝，有一个蛋 白质组（数万个
12、蛋白），随时间程序性动态变化血浆蛋白组是典型的最复杂的蛋白质组样品p 血液蛋白质组更综合反映整体健康状况，是最复杂的蛋白质组，也最有诊断价值。p 高浓度存在的6个蛋白占了血清蛋白的80，白蛋白本身就占了血液中总蛋白的51。而很多低浓度水平的蛋白可能是关键的诊断指标。p 蛋白的动态范围在9个数量级以上。血清白蛋白丰度最高（3050 mg/ml），白介素6（interleukin）低达0-5 pg/ml。生命科学发展现状基因组时代已经成为过去，目前是后基因组和蛋白质组学时代。有很多问题急待解决。例 如蛋白组蛋白全分析，而核酸分析变得相对简 单，尽管相关的分析技术仍有待提高，如测序 成本降低及速度的
13、提高，以满足个性化医药及 保健的需要。 人类基因组计划（Human Genome Project HGP） 2001年完成草图，2003年提前完成现在是蛋白质组（Proteome）时代生命科学进展分析化学家拯救了人类基因组计划n人类基因组计划提前完成得益于如下分析技术凝胶毛细管电泳阵列毛细管电泳（测序过程video）全基因组鸟枪测序目前测序技术存在的问题nCost highnSpeed lownSample20mgnPCR biasnShort readsnSequencing accuracy not high enoughNano-pores策略：dsDNA通过纳米孔，碱基不同时造成的电导
14、变化不同，从 而直接进行读序，有可能成为计算机的数据读写头-生物计算机技术生命物质的不同层次基因水平；蛋白水平；代谢水平样品的种类是多种多样的。本课着重强调核酸和蛋白的分析，反映生命科学发展现状，其中的很多问题 也是迫切需要解决的分析化学问题。代谢也虽然也是 生命过程的重要部分，代谢物中有很多生命状态信息 ，很多可以用现有方法解决。核酸与蛋白的关系nDNAnRNA-mRNA, tRNAnProtein核酸基因染色体细胞组织生物体n生命体的同一性n个体差异源于基因组微小差别n生命体的多样性、复杂性、功能性源于蛋白质组分子生物学基础n中心法则n遗传密码nDNA, RNA和蛋白质的关系分子生物学的中
15、心法则DNARNA多肽链蛋白质转录 逆转录翻译（遗传密码）折叠折叠密码？复制复制？正常细胞过程病毒侵染过程第一核苷酸 （5）第二核苷酸第三核苷酸 （3）UCAGUUUU苯丙氨酸 UUC苯丙氨酸 UUA亮氨酸 UUG亮氨酸UCU丝氨酸 UCC丝氨酸 UCA丝氨酸 UCG丝氨酸UAU酪氨酸 UAC酪氨酸 UAA终止密码 UAG终止密码UGU半胱氨酸 UGC半胱氨酸 UGA终止密码 UGG色氨酸U C A GCCUU亮氨酸 CUC亮氨酸 CUA亮氨酸 CUG亮氨酸CCU脯氨酸 CCC脯氨酸 CCA脯氨酸 CCG脯氨酸CAU组氨酸 CAC组氨酸 CAA谷氨酰胺 CAG谷氨酰胺CGU精氨酸 CGC精氨酸
16、 CGA精氨酸 CGG精氨酸U C A GAAUU异亮氨酸 AUC异亮氨酸 AUA异亮氨酸 AUG甲硫氨酸ACU苏氨酸 ACC苏氨酸 ACA苏氨酸 ACG苏氨酸AAU天冬酰胺 AAC天冬酰胺 AAA赖氨酸 AAG赖氨酸AGU丝氨酸 AGC丝氨酸 AGA精氨酸 AGG精氨酸U C A GGGUU缬氨酸 GUC缬氨酸 GUA缬氨酸 GUG缬氨酸GCU丙氨酸 GCC丙氨酸 GCA丙氨酸 GCG丙氨酸GAU天冬氨酸 GAC天冬氨酸 GAA谷氨酸 GAG谷氨酸GGU甘氨酸 GGC甘氨酸 GGA甘氨酸 GGG甘氨酸U C A G遗传密码表（mRNA与蛋白的氨基酸序列的关系）多肽的合成过程 mRNA的三联码，如半胱氨酸（Cys）：UGU 密码的简并性，Cys 有两个编码：UGU，UGC 线粒体中有变异的密码子生物信息学定义：综合运用计算机科学、数学、和生物学的 各种工具，对生物信息进行获取、处理、存储、分发、 分析和解释等处理的科学。研究内容：将基因组DNA序列信息分析
