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1、生 物 化 学,Bio-chemistry,基础医学院 黄映红,question 1:什么是生物化学?,question 2:学习生化能做什么?,question 3:生命科学的进展有哪些?,第一章 绪论,一.生物化学的定义及其研究内容,生物化学=生物+化学,对象,原理,方法,生物化学是研究发生在活细胞和组织内各种分子和其化学反应的一门学科。,研究方法,化学、生物学、生理学、物理学、数学、物理化学,研究对象,生物有机体： 人体、动物、微生物 、植物,二. 研究内容,静态生化： 生物大分子的结构和功能 蛋白质的结构与功能 核酸的结构与功能 酶 维生素,动态生化,物质代谢及调节,新陈代谢的过程：消
2、化、吸收、合成、分解、转化、排泄,分子生物学 遗传信息的流向及调控，生命科学发展的主流 DNA的复制、修复 基因的转录、转录后加工及逆转录 蛋白质的生物合成-翻译,三.生物化学的发展简史 静态生化学阶段Fisher 动态生化学阶段 机能生化学阶段 分子生物学阶段,Watson Crick,我国生物化学的发展,酿酒,黄帝内经,五谷为养，五果为助，五畜为益，五菜为充,酶,吴宪,血糖测定法；蛋白质变性假说,1979年合成酵母丙氨酰tRNA,四.研究目的 帮助诊断疾病 了解疾病的发病机制 针对疾病的发病机制，治疗疾病 了解药物的毒副作用 了解疾病的预后 在营养学和预防医学中的作用,五.生物化学的学习方
3、法 记忆与理解 归纳与类比,六.细胞的基本构造 细胞的分类 细胞的结构,（一）细胞膜,1.细胞膜的结构,2.细胞膜的分子组成 脂类物质（磷脂、胆固醇、糖脂） 蛋白质（周边蛋白、整合蛋白） 糖类物质,3.细胞膜的功能 物质转运 分子识别 信息传递 能量交换 细胞免疫 神经传导 代谢调控,（二）细胞核,（三）线粒体,结 语,生物化学是沟通生物学、生理学、病理学、药学、微生物学的共同语言,周爱儒 2001 生物化学第五版 人民卫生出版社 Murray RK,Granner DK,et al. 2000 Harpers Biochemistry( 哈珀生物化学）25th McGraw-Hill(科学出
4、版社，英文影印版） Nelson DL,Cox MM. 2000 Lehninger Principles of Biochengmistry.3rd ed Worth Publishers,五、生物化学的参考书,第二章 蛋白质化学,Chapter 2 Structure and Function of Protein,研究内容： 蛋白质的分子组成、氨基酸的理化性质 蛋白质的分子结构（构型）与其理化性质 蛋白质的结构与功能的关系 重点内容： 蛋白质基本组成单位氨基酸的结构及其性质 蛋白质的分子结构及性质：蛋白质两性电离和等电点、蛋白质的沉淀、蛋白质的变性 难点： 氨基酸及蛋白质的两性电离和等电
5、点,概述,第二章 蛋白质化学,蛋白质,Protein,First importance,Question1：什么是蛋白质？,Question2：蛋白质有多重要？,Question3：如何了解蛋白质？,什么是蛋白质？,组成：氨基酸,连接方式：肽键,蛋白质是生命的物质基础,一.蛋白质是机体结构的基础 蛋白质是构成生物体的基本成分 二.蛋白质是机体功能的基础 蛋白质具有多样性的生物学功能： 塑造、更新和修补作用,执行机体重要生理功能 催化和调节 转运和储存作用 运动和支持作用 免疫保护作用 生长和繁殖作用 载体和受体 基因表达和信息转导作用 氧化供能,第一节 蛋白质的分子组成,Section 1 T
6、he Molecular Components of Protein,一、元素组成和分子量 1.主要元素：C、H、O、N 稀有元素：P、Fe、Zn、Mn、I 等 2.特点：N含量恒定，平均16% 100克蛋白质中含 16克N。 1克N=6.25 克蛋白质 应用：凯氏定氮法测定样品中蛋白质的含量,(一)构件分子（ building block molecule)： L-氨基酸（ amino acid,aa),二.蛋白质的基本组成单位氨基酸,氨基酸的结构,COOH,NH2,R,H,C,L-氨基酸,COOH,NH2,H,C,H,甘 氨 酸,氨基酸的结构特点,1. 相同的结构主链，不同的结构侧链,2.
7、除甘氨酸外，组成蛋白质的氨基酸为L- -氨基酸,3.氨基酸是两性电解质,（二）氨基酸的分类 1.根据有机化合物分类,氨基酸,芳香烃氨基酸,：酪氨酸,脂肪族氨基酸,：谷氨酸,杂环氨基酸,：色氨酸、组氨酸、脯氨酸,2.根据R侧链的的结构和极性分类,氨基酸,碱性氨基酸,中性氨基酸,酸性氨基酸,甘氨酸、丙氨酸,：赖氨酸、精氨酸、 组氨酸,含极性不带电荷R基团的氨基酸：,非极性疏水性氨基酸：,：天冬氨酸、谷氨酸,半胱氨酸、丝氨酸,3. 特殊氨基酸(非编码的aa) 胱氨酸-2分子Cys氧化 羟脯氨酸- Pro羟化 羟赖氨酸-Lys羟化 4. 医学营养学上将20种氨基酸分为: 8种营养必需 12种营养非必需
8、氨基酸,（三）氨基酸的主要理化性质,1.氨基酸的两性电离和等电点,酸式电离：,-COOH,COO,-,H,碱式电离：,-NH2,H,NH3,氨基酸的两性电离,R-CH-COO,R-CH-COOH,NH2,NH3,+,氨基酸所带正电荷数目与负电荷数目相等时，所处的离子状态为兼性离子状态。,影响氨基酸带电状态的因素 氨基酸所处溶液pH值 氨基酸的R基团结构,氨基酸所处溶液PH值对其带电状态的影响,R-CH-COOH NH2,H+,OH-,H+,OH-,兼性离子,PHpI,PH=pI,R-CH-COOH NH3+,R-CH-COO- NH3+,R-CH-COO- NH2,正离子,负离子,PHpI,氨
9、基酸的等电点：,氨基酸分子呈兼性离子状态时，溶液 所处的pH值为氨基酸的等电点，用pI 表示。,氨基酸处于等电点时，其溶解度、粘度、渗透压最小,What s isoelectric point of amino acid?,氨基酸的结构及羧基、氨基的相对解离度对其带电状态的影响,酸性氨基酸：pI7,碱性氨基酸： pI7,中性氨基酸： pI 7,思考题： 1.要使中性氨基酸成为兼性离子，应向溶液中加酸还是加碱？ 2.假设某种氨基酸的pI=5，将其放入pH为6的电场中，氨基酸分子应向正极还是负极移动？,2.芳香族氨基酸的紫外吸收,色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸在波长为260-280nm处有特征性的最大吸
10、收峰,这一特性可用于蛋白质定量分析，但容易受到嘌呤、嘧啶化合物的干扰。,3.茚三酮颜色反应,可用于氨基酸的定量分析,4.氨基酸的羧基和氨基反应,羧基反应：成盐、成酯、脱羧 氨基反应：成盐、放氮、合成酰胺,5.氨基酸的一般性质,无色结晶、熔点高、易溶于酸碱、不溶于有机溶剂,三.氨基酸在肽链（peptide）中的连接方式,（一）肽键（ peptide bond）的形成,H NH2 -C-COOH R1,H H-N-C-COOH H R2,H O NH2-C-C-N-CH-COO R1 H R2,Glu-His-Lys,-H,-OH,（二）肽、多肽、蛋白质,由肽键将氨基酸相互连接形成的链状化合物称为
11、肽。,1.肽的定义,2.肽链的结构,主链,侧链：R基团,两个末端：N端 C端,(三)肽链的分类、命名,谷氨酰组氨酰赖氨酸,第二节 蛋白质的分子结构,Section 2 Molecular Structure and Function of Protein,一.蛋白质分子中的主要化学键 1.主键：肽键 2.副键： （1）氢键（hydrogen bond） （2）疏水键（hydrophobic interaction） （3）盐键（salt bond） （4）二硫键,蛋白质分子中的肽键,蛋白质分子中氢键的形成,在蛋白质分子中，由于存在数目众多的氢键，故氢键在稳定蛋白质的空间结构上起着重要的作用。
12、但氢键的键能较低(12kJ/mol)，易被破坏。,蛋白质分子中离子键的形成,4范德华氏引力（van der Waals force)： 原子之间存在的相互作用力。,二硫键（disulfide bond）, 化学共价键 由一条或二条多肽链上的Cys脱氢氧 化生成 作用 加固由次级键维系的蛋白质空间结构， 进一步稳定蛋白质构象和生理功能,二、蛋白质的一级结构（primary structure） ： (一)定义： 1.多肽链中氨基酸（残基）的排列顺序 2.是蛋白质的基本结构 3.是空间结构、生理功能的基础 主要化学键：肽键 副键：二硫键 肽键平面（酰胺平面）,肽键平面 连接在肽键两端的C=O、N-
13、H，及两个-碳原子共6个原子，空间位置在一个平面上，称为肽键平面 （能自由旋转的键为C-N，C-C）,肽键平面示意图,三.蛋白质的二级结构(secondary structure),多肽链中，肽键平面相对旋转，使主链骨架借氢键作用盘旋或折叠形成的有规律的空间构象。,（一）定义,（二）形式,1.-螺旋（-helix） 右手螺旋 链内氢键，与长轴平行 螺距为0.54nm,每个螺旋含3.6个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离0.15nm.,2.-折叠（-pleated sheet） R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心距为0.35nm -折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的 氢
14、键与链的长轴接近垂直 -折叠有两种类型：平行式及反平行式,-折叠的平行式与反平行式排列,3. -转角（-turn）,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,4. 无规卷曲（random coil）：,无规卷曲是指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。 对于特定的蛋白质分子而言，其无规卷曲部分的构象则是特异的。,（三）特点：,1.使主链骨架盘旋折叠，不涉及侧链,2.以一级结构为基础相对旋转,3.有规律、有周期性,4.主要化学力为氢键,四.蛋白质的三级结构(tertiary structure),（一）定义,在二级结构的基础上，多肽链进一
15、步折叠形成的空间结构。反映主链及侧链所有原子的整体排布。,胰岛素分子的三级结构,溶菌酶分子的三级结构,磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构,（二）特点：,1.以二级结构为基础，靠侧链基团相互作用,2.整条肽链参与构成三级结构,3.主要化学力为疏水键,4.具有三级结构的蛋白质可有生物学活性,六.蛋白质的四级结构（quaternary structure）,由具有三级结构的亚基通过副键聚合形成的一定空间结构的聚合体，称为蛋白质的四级结构。,（一）定义,亚基（subunit）是指参与构成蛋白质四级结构的、每条具有三级结构的多肽链。,（二）特点：,1. 多个亚基，亚基间非共价连接,2.单独的亚基无生物
16、学活性。,镰刀状红细胞贫血,（一）一级结构与功能的关系,（二）空间结构与功能的关系,七.蛋白质分子结构与功能的关系,蛋白质四级结构与功能的关系变构效应,血红蛋白的变构,当血红蛋白的一个亚基与氧分子结合以后，可引起其他亚基的构象发生改变，对氧的亲和力增加，从而导致整个分子的氧结合力迅速增高，使血红蛋白的氧饱和曲线呈“S”形。,血红蛋白的氧饱和曲线,这种由于蛋白质分子构象改变而导致蛋白质分子功能发生改变的现象称为变构效应（allosteric effect）。,Section 3 The Physical and Chemical Characters of Protein, as well as its Separation and Purification,第三节 蛋白质的理化性质,一.蛋白质的紫外吸收特性 两个吸收峰：2
