生物化学绪论 (2)

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1、生物化学简明教程 Biochemistry,课程介绍,课程性质：生物专业基础课 总学时:72 周学时：4 考核方式:平时成绩 30%（作业+出勤）+期中成绩20% + 期末成绩 50%,教材：张丽萍等主编，高等教育出版社生物化学简明教程 参考书： 沈同、王镜岩主编生物化学上下册； 赵文恩等编著生物化学化学工业出版社； 刘志国主编新编生物化学中国轻国业出版社； 郭勇编著现代生化技术科学出版社； 王镜岩等编译生物化学科学出版社。,生物化学的概念,生物化学是研究生物体分子组成及其变化规律的基础学科，是对生命现象最为基础，最为深入的分子水平的机制探讨。有”生命的化学”之称。,生物化学的研究内容,1.

2、生物体物质的化学组成、结构、性质和功能 2.生物分子的分解与合成，反应过程中的能量变化及新陈代谢的调节与控制 3. 生物体遗传信息的储存、传递和表达,生物化学的产生与发展,十九世纪末至20世纪初，生物化学成为一门独立的学科。 1903年德国人Neuberg（纽伯格）提出了“Biochemistry”。,生物化学发展史上的重大事件,1828,维勒从氰酸铵中合成出尿素,1897,Buchner 演示细胞提取物的发酵， 活体外试验开始,1926,Sumner 分离出第一个酶的晶体脲酶.,1944,Avery, MacLeod, and McCarty 认为DNA是遗传物质.,1953,Watson

3、and Crick 提出 DNA双螺旋结构模型,1959,Perutz 确定了血红蛋白的空间结构.,1966,遗传密码被破译.,1937,Krebs 提出三羧酸循环.,1868,Miescher 从脓细胞 中分离出核素,1925,阐明了糖的酵解途径,国内生物化学的发展,生物化学家和营养学家吴宪：国际著名生物化学家、中国近代生物化学事业的开拓者和奠基人。他一生共发表163篇研究论文，3部专著，在该学科的临床化学、气体与电解质的平衡、蛋白质化学、免疫化学、营养学以及氨基酸代谢等6个领域的研究居当时国际前沿地位。 20世纪20年代后期建立了制备血滤液的方法以及测定血糖的方法（Folin-Wu法）；2

4、0世纪30年代，1931年蛋白质变性理论,2项突出成果 ： 1965年合成了具有生物活性的牛胰岛素 1981年合成了具有生物活性的酵母丙氨酸tRNA 最近二、三十年生物工程 目前已能用基因工程的方法生产许多产品如乙型肝炎疫苗、SOD（超氧化物歧化酶）、人生长激素、各种干扰素、各种白细胞介素等等。 我国于1993年启动人类基因组计划（HGP, 1%）,第二章 蛋白质化学,什么是蛋白质（Protein）？ 是由许多不同的-氨基酸按一定的序列通过酰胺键缩合而成的，具有较稳定的构象并具有一定生物功能的生物大分子。,一、蛋白质的元素组成,元素组成：所有蛋白质都含有 C、H、O、N 四种元素，大多数蛋白质

5、还含有少量的 S，有些蛋白质还含有一些其它元素，如 P、Fe、Zn、Cu、Mo、I等。 各种蛋白质的含氮量都很接近，都在16%左右。 蛋白质含量(总氮含量-无机氮含量)6.25,二、蛋白质的分类,按形状分为三种： 球状蛋白质 纤维状蛋白质 膜蛋白质,纤维蛋白：结构有规律，分子极不对称，呈纤维状，溶解性能差，主要起保护、支持、结缔的功能。如角蛋白、胶原蛋白、各种纤维蛋白等。 球状蛋白：结构复杂，球形或椭圆形，如血红蛋白、肌红蛋白、清蛋白、球蛋白等。 膜蛋白：一般折叠成近球状，插入生物膜，或结合在生物膜的 表面,纤维状蛋白的构象 角蛋白（keratin）,按分子组成： 简单蛋白：仅由肽链组成，不包

6、含其他辅助成分的蛋白质 结合蛋白：由简单蛋白和非蛋白组分两部分组成,结合蛋白,由简单蛋白和非蛋白组分两部分组成，非蛋白质部分称为辅基。根据辅基的不同，结合蛋白可以分为5类：核蛋白、糖蛋白与蛋白聚糖、脂蛋白、色蛋白、磷蛋白。,1.核蛋白（nucleoprotein）,由蛋白质和核酸（DNA或RNA）组成。存在于所有细胞里，细胞核里的核蛋白（染色体）是由DNA和组蛋白（His）结合而成。 细胞质中的核糖体（ribosome）是由RNA和蛋白质组成的。 病毒（virus）全部是核蛋白。,2.糖蛋白（glycoprotein）和聚糖蛋白,由蛋白质和糖通过共价键相连而成。 连接方式：O-连接和N-连接。

7、 功能：催化、运载、免疫、激素、保护、信号传导。,生物膜上的糖蛋白,3.脂蛋白（lipoprotein）,由蛋白质和脂质通过非共价键相连而成，存在于生物膜和动物血浆中。 蛋白质部分称为脱辅基蛋白，又称载脂蛋白。生物膜中的脂含量差异很大。血浆中的脂蛋白的主要功能是经过血液循环在各器官间运输不溶于水的脂类。,4.色蛋白（chromoprotein）,由蛋白质和色素组成的色蛋白种类很多，其中含卟啉类的色蛋白最为重要。 如血红蛋白、细胞色素c、过氧化氢酶都是由蛋白质和铁卟啉组成的。 血红素是由一种原卟啉与一个亚铁原子构成的化合物。,原卟啉（Protoporphyrin ）,血红素（heme）,5.磷蛋

8、白（phosphoprotein）,由蛋白质和磷酸组成，磷酸通常与Ser（丝）或Thr（苏）侧链的-OH结合。如胃蛋白酶，乳中的酪蛋白都含有许多Ser磷酸残基。,按功能分类,酶：具催化活性的蛋白质； 调节蛋白； 贮存蛋白； 转运蛋白 运动蛋白； 防疫蛋白和毒蛋白； 受体蛋白； 支架蛋白； 结构蛋白 异常功能。,三、蛋白质的氨基酸组成,用酸、碱或酶将蛋白质彻底水解，可以得到许多种氨基酸的混合物，说明氨基酸是蛋白质的基本结构单位。,（一）氨基酸的结构通式,除脯氨酸（Pro）外，其他19种氨基酸均为 -氨基酸。而脯氨酸为-亚氨基酸。,Pro,构型（configuration）：组成蛋白质的氨基酸除G

9、ly以外都有手性碳原子，在三维空间上就有两种不同的排列方式，它们互为镜影，这两种不同的构型分别称为D-型和L-型。,立体异构（enantiomers or stereoisomers ） D, L system,L-(-)甘油醛 L-glyceraldehyde,D-(+)甘油醛 D-glyceraldehyde,参照物,组成蛋白质的氨基酸除Gly以外，都有手性碳原子， 所以都有旋光性，能使偏振光的偏振面的向左或向右旋转，向左旋转的称左旋，用“（-）”号表示，向右旋转的称右旋，用“（）”号表示。,外消旋,内消旋,消旋,氨基酸的立体异构与旋光异构没有直接的对应关系。各种-型氨基酸中有左旋也有右旋

10、的。,除甘氨酸以外，蛋白质水解的其他 -氨基酸均为-型。,（二）氨基酸的分类,1.根据侧链的化学结构 脂肪族氨基酸（aliphatic Aa，15种） 甘氨酸（Gly）、丙氨酸（Ala） 、缬氨酸（Val）、亮氨酸（Leu） 、异亮氨酸（Ile） 、甲硫氨酸（Met） 、半胱氨酸（Cys） 、丝氨酸（Ser） 、苏氨酸（Thr） 、谷氨酸（Glu） 、谷氨酰胺（Gln） 、天冬氨酸（Asp） 、天冬酰氨（Asn） 、赖氨酸（Lys） 、精氨酸（Arg） 。,芳香族氨基酸（aromatic Aa) 苯丙氨酸（Phe）、酪氨酸（Tyr） 杂环氨基酸（heterocyclic Aa） 组氨酸（His

11、）、色氨酸（Trp） 杂环亚氨基酸（heterocyclic Aa） 脯氨酸（Pro）,2.根据侧链R基团的极性和在中性条件下带电的情况，分为极性和非极性两大类，四小类,非极性氨基酸,甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸,亮氨酸 甲硫氨酸 异亮氨酸,非极性氨基酸,苯丙氨酸 脯氨酸 色氨酸,具有非极性或疏水性侧链的氨基酸，在水中的溶解度较极性氨基酸小，其疏水程度随着脂肪族侧链的长度增加而增大 。,甘氨酸的特殊性,按理甘氨酸应属于极性氨基酸（侧链为H），介于极性和非极性之间，因此可以列为非极性氨基酸。,不带电荷的极性氨基酸,丝氨酸 苏氨酸 半胱氨酸,酪氨酸 天冬酰胺 谷氨酸,极性基团（R基）能够与水形成氢键。丝

12、氨酸，苏氨酸和酪氨酸的极性与它们所含的羟基有关，天冬酰胺，谷氨酰胺的极性同其酰胺基有关。而半胱氨酸则因含有巯基，所以属于极性氨基酸,极性带正电荷的R氨基酸,赖氨酸 精氨酸 组氨酸,带正电荷侧链（在pH接近中性时）的氨基酸包括赖氨酸，精氨酸和组氨酸，它们分别具有-NH2，胍基和咪唑基（碱性）。这些基团的存在是使它们带有电荷的原因，组氨酸的咪唑基在pH7时，有10%被质子化，而 pH6时50%质子化。,极性带负电荷的R氨基酸,天冬氨酸 谷氨酸,带有负电荷侧链的氨基酸（pH接近中性时）包括天冬氨酸和谷氨酸。由于侧链为羧基（酸性），在中性pH条件下带一个净负电荷。,（三）氨基酸的重要理化性质,1.一般

13、物理性质 -氨基酸为晶体，熔点一般在200以上。不同氨基酸的味道有所不同。 溶解度差别很大，溶于稀酸、碱，不溶于有机溶剂（可以用酒精沉淀分离）。,2.两性解离和等电点 氨基酸是两性离子（Zwitterion），存在能够释放质子的-NH3+和接受质子的-COO-。,不同pH时氨基酸以不同的离子化形式存在：,正离子,两性离子,负离子,氨基酸所带静电荷为0时，溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（isoelectric point），以pI表示。此时，溶解度最小，容易沉淀（等电点沉淀）。,当溶液的pH=pI时，氨基酸主要从两性离子形式存在。 pHpI时，氨基酸主要以负离子形式存在。,等电点的计算,中性氨

14、基酸：以Gly为例,pI =,2,pK1 + pK2,酸性氨基酸，以Asp为例：,碱性氨基酸，以Lys为例：,氨基酸的pI值等于该氨基酸的两性离子状态两侧的基团pK值之和的二分之一。,羧基的解离度大于氨基（-羧基最大），所以中性氨基酸的pI在pH6.0左右，碱性氨基酸pI较大，酸性氨基酸较小。PI(碱性中性酸性）,3.氨基酸的化学性质,氨基酸的-氨基、 -羧基以及侧链均可参加反应。,（1）与水合茚三酮的反应,除Pro以外，其他氨基酸与茚三酮反应均生成蓝紫色产物（570nm），Pro生成的产物为黄色（440nm）。茚三酮反应非常灵敏，可以用于氨基酸的定性和定量测定。 多肽和蛋白质也可反应，但灵敏

15、度差。 此反应是-氨基和-羧基共同参与的反应。,（2）与甲醛的反应（-氨基）,羟甲基氨基酸,二羟甲基氨基酸,氨基酸的甲醛滴定,酚酞作指示剂，NaOH滴定，终点为紫色。 可以测定蛋白质的水解或合成进度。,（3）与2,4-二硝基氟苯的反应,2,4-二硝基氟苯,DNP-氨基酸（黄色）,多肽或蛋白质N端氨基酸的-氨基也能与DNFB反应，生成DNP-多肽和DNP-蛋白质。 DNP-氨基酸与其他氨基酸的溶解度不同，可以用乙醚将DNP-氨基酸抽提（extract，萃取）出来。 上述方法曾用于胰岛素一级结构的测定（F. Sanger）,与5-二甲氨基萘磺酰氯 （dansyl chloride, DNS-Cl）

16、的反应,荧光光度计测定N-端氨基酸,（4）与异硫氰酸苯酯的反应,反应条件：弱碱性。 此反应也可以用以测定多肽或蛋白质序列（Edman反应）。 测定条件：酸水解，乙酸乙酯抽提。,（5）与荧光胺反应,反应非常灵敏，产物有荧光。 可用荧光分光光度法测定氨基酸含量。,荧光胺 Fluorescamine,（6）与5,5-双硫基-双-2-硝基苯甲酸反应,半胱氨酸的-SH参与的反应。 产物在412nm有一个最大吸收峰，可测定半胱氨酸的含量。,+,PH8.0,+,四、肽（peptide）,氨基酸的-氨基和-羧基缩水而成的化合物称为肽。形成的键称为肽键，或酰胺键。,肽和肽键的形成,+,肽键,丙氨酸,甘氨酸,丙氨酰甘氨酸,二肽,二肽 三肽 四肽,多肽（Polypeptide）,肽的命名,命名：根据氨基酸组成，由N端C端命名,丙氨酰甘氨酰亮氨酸 AlaG