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1、生物化学,Biochemistry,本期教学安排,总学时：100学时 学分: 5.5 理论： 76学时 实验： 24学时 理论考试:75% 分数: 实验考核:25%,绪 论 Introduction to biochemistry,什么是生物化学?,化学分子 化学反应,是从分子水平 探讨生物体内的,医学生物化学研究的对象为人体。,研究对象,生物化学发展史,18世纪中到19世纪末 初期发展阶段 主要研究生物体的化学组成 20世纪初到中期 快速发展阶段 多方面研究都取得重大进展，主要在营养生化、代谢生化、酶学、内分泌研究 20世纪50年代到现在分子生物学时期 1953年 Watson 和Crick
2、 提出DNA双螺旋模型 1973年 重组DNA技术的建立（基因工程诞生） 2003年 HGP完成，蛋白组学、代谢组学及它组学研究,于2003完成的人类基因组计划 (HGP) 是由美国科学家于1985年率先提出，于1990年正式由美国能源部和国立卫生研究院启动，随后英、日、法、德、中也先后参与进来，共耗时13年、耗资约30亿美元。HGP完成了对构成人类基因组的30多亿个碱基对进行了精确测序。与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并称为三大科学计划。,Human Karyotype,中国科学家在生化领域取得的成就,我国生化学界的先驱吴宪教授在20年代初由美回国后，在协和医科大学生化系与汪猷、张昌颖等人完成
3、了蛋白质变性理论、血液生化检测和免疫化学等一系列有重大影响的研究。 1965年我国在世界上首次人工合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素；1983年又通过大协作完成了酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工合成。 1999年中国获准加入人类基因组计划，承担1的测序任务，成为参与这一计划的唯一发展中国家。此外，我国科学家在酶学研究、蛋白质结构及生物膜结构与功能等方面都有举世瞩目的研究成果。,奖 励 等 级：一等奖 主要完成单位： 上海生物化学研究所 北京大学 上海有机化学研究所 主要完成者： 钮经义，龚岳亭，邹承鲁，杜雨苍，季爱雪, 邢其毅，汪猷，徐杰诚,1981年, 我国科学家在世界上首次人工合成酵母 Ala-
4、tRNA.,王德宝院士，1940年毕业于中央大学。1951年获美国西部保留地大学博士学位。19511954年在美国约翰.霍普金斯大学从事博士后研究。首创了从辅酶I直接合成辅酶II的方法，30年来为世界各大药厂采用；在我国最早开展核酸生化研究工作，是我国生产核苷酸类助鲜剂的创始人；参加并领导世界首次人工合成了具有生物活性酵母丙氨酸转移核糖核酸的工作；使我国人工合成生物大分子的水平居于世界领先地位。,杨焕明 （Huan ming Yang）,1999年中国获准加入人类基因组计划，承担1的测序任务，成为参与这一计划的唯一发展中国家。,生化研究内容,生物大分子的结构与功能,蛋白质、核酸、糖类、脂类的结
5、构组成与功能,物质代谢和调节,生物大分子（糖、脂、蛋白质）的代谢及其调控过程,DNA是遗传物质，基因作为DNA的功能片段是如何将其所携带的遗传信息准确无误地传递给后代？是如何指导蛋白质合成的？这些过程又是如何进行精确调控？以及由此衍生出的现代分子生物学技术。,遗传信息的传递及调控,掌握,熟悉,了解,怎样学习生物化学,一些建议,认真阅读教科书，不懂即问不要犹豫。 不要单纯地死记硬背，要在理解的基础上 加深记忆。 作好准备学习新词汇。 横向、纵向综合所学知识。 通过练习，运用所学知识来解决相关问题。 通过实验，加深理解所学知识。,第一章,蛋白质的结构与功能 Structure and functi
6、on of protein,蛋白质的分子组成 蛋白质的分子结构 蛋白质结构与功能的关系 蛋白质的理化性质 蛋白质的分离、纯化与结构分析,本 章 内 容,蛋白质的分子组成 The Molecular Component of Protein,第 一 节,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。,蛋白质的生物学重要性,1. 蛋白质是生物体重要组成成分 分布广：所有器官、组织和细胞中都含有蛋白质。 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
7、80。,1）作为生物催化剂（酶） 2）代谢调节作用 3）免疫保护作用 4）物质的转运和存储 5）运动与支持作用 6）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,各种蛋白质的含氮量很接均为16。由于食物中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，就可以推算出蛋白质的大致含量：,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 。,组成蛋白质的元素,蛋白质元素组成的特点,婴儿因长期服食含三聚氰胺的“三鹿”婴幼儿配方奶粉，患有“双肾多发性结石”和“输尿管结石”症。三聚氰胺的致病机理是在尿路结晶形成结石阻塞泌尿系
8、，导致肾衰。 三聚氰胺其分子中含有大量氮元素。用普通的全氮测定法测饲料和食品中的蛋白质数值时，根本不会区分这种伪蛋白氮。添加在食品中，可以提高检测时食品中蛋白质检测数值。,一、氨基酸 组成蛋白质的基本单位,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（编码氨基酸），且均属 L-氨基酸（甘氨酸除外）。 自然界中的D-氨基酸不参与蛋白质的构成，主要分布于较低等的生物中（抗生素、生物碱、细胞壁）。,氨基酸的一般结构通式,-羧基,-氨基,-碳原子,侧链或 R基团,COO l H3N C H l CH3,CHO l HOC H l CH2OH,L-丙氨酸,L-甘油醛,_,+,非极
9、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、氨基酸的分类,* 20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:,非极性脂肪族氨基酸,甘氨酸 (Gly, G),丙氨酸 (Ala, A),缬氨酸 (Val, V),脯氨酸 (Pro, P),亮氨酸 (Leu, L),异亮氨酸 (Ile, I),2. 极性中性氨基酸,半胱氨酸 (Cys, C),甲硫氨酸 (Met, M),丝氨酸 (Ser, S),苏氨酸 (Thr, T),天冬酰胺 (Asn, N),谷氨酰胺 (Gln, Q),苯丙氨酸 (Phe, F),3.芳香族氨基酸,吲哚,5. 碱性氨基酸,赖氨酸 (Lys, K),精
10、氨酸 (Arg, R),组氨酸 (His, H),胍基,咪唑,脯氨酸（亚氨基酸）,几种特殊氨基酸:,在生理pH条件下，组氨酸的咪唑环既可作为质子受体也可作为质子供体。因此，组氨酸经常会存在酶的活性中心部位。, 组氨酸,三、氨基酸的理化性质,1. 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酸碱度。,R CH COOH COO-+H+ l NH2+H+ NH3+,氨基酸即可作酸也可作碱,非离子状态,两性离子状态,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
11、基酸的等电点。,氨基酸的滴定曲线,-COOH 首先被解离，随后-NH3 被解离，解离常数分别为pK1和pK2。 等电点 (pI) pI1/2*（pK1 pK2） 3. pH低于pI 氨基酸带正电荷 4. pH高于 pI 氨基酸带负电荷,2. 紫外吸收,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,3. 茚三酮反应,氨基酸与茚三酮水合物共热，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
12、方法。 脯氨酸与茚三酮反应后生成黄色化合物。,四、肽（peptide）与多肽（polypeptide),* 肽键是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键，具有部分双键性能，不能自由旋转。,（一）肽键（peptide bond）,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,几个概念：,由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽(oligopeptide)，由10个以上但不足50个氨基酸相连形成的肽称多肽(polypeptide), 50个以上氨基酸构成的肽称为蛋白质。,肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(
13、residue)。,多肽链, N端,C端, 多肽链书写及命名；主链及侧链的概念,N 末端：多肽链中有自由氨基的一端 C 末端：多肽链中有自由羧基的一端,肽链有两端：,N 末端,C末端,（二）几种生物活性肽,1. 谷胱甘肽(glutathione, GSH),Thyrotropin-releasing hormone,Tropic hormones,蛋白质的分子结构 The Molecular Structure of Protein,第 二 节,定义 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。,一、蛋白质的一级结构,主要的化学键 肽键，也包括二硫键,（一）肽单元,参与肽键的6个原子C1、C、
14、O、N、H、C2位于同一平面，此同一平面上的6个原子构成了所谓的肽单元 (peptide unit) 。,phi,psi,（二）-螺旋,-螺旋的主要特征,是蛋白质二级结构的主要形式，螺旋走向为右手螺旋；螺旋每上升一圈含有3.6个氨基酸残基，每个氨基酸残基上升的距离为0.15nm，螺距为0.54nm； 氨基酸侧链伸向螺旋外侧，侧链性质会影响螺旋的形成。 -螺旋的每个肽键的N-H和第四个肽键的羰基O形成氢键，氢键是稳定螺旋的最重要化学键；,（三）-折叠,-折叠呈锯齿状排列，氨基酸侧链交替位于锯齿面的上下侧；-折叠是充分伸展的二级结构；氢键是维持-折叠稳定的主要作用力；-折叠结构中肽链走向可平行排列
15、，也可反向排列 。,平行-折叠,反平行-折叠,反平行-折叠比平行折叠更稳定。,（四）-转角和无规卷曲,-转角,无规卷曲是用来阐述没有特定规律性的肽链结构。,氢键,（五）模体（motif）,在许多蛋白质分子中，二个或二个以上具有二级结构的肽段在空间上相互接近，形成一个具有一定功能的特殊空间构象，被称为模体。,超二级结构示意图,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,影响二级结构的因素,氨基酸侧链的大小 氨基酸所带电荷的性质 脯氨酸不利于-螺旋的形成,上次课重点内容复习,蛋白质元素组成特点及应用 组成蛋白质的基本单位-L- -氨基酸 氨基酸结构特点 氨基酸分类：酸性氨基酸，碱性氨基酸 氨基酸理化性
16、质 两性电离及等电点 紫外吸收 茚三酮反应,三、蛋白质的三级结构,整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子在三维空间的排布。,（一） 定义,His64,His93,血红素是4个吡咯环相连形成的平板状铁卟啉化合物，Fe2居于卟啉环的中央，铁离子有6个配位键，其中4个与吡咯环的N原子相连，1个与多肽链的组氨酸残基结合，氧分子则与第6个配位键相结合。,（二）结构域,大分子蛋白质的三级结构常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域。,3-磷酸甘油醛脱氢酶亚基的结构域示意图,3-磷酸甘油醛脱氢酶有四个相同的亚基，每个亚基由两个结构域组成，N端（形成的第一个结构域能与NAD+结合，第二个结构域（147-333氨基酸）能与底物3-磷酸甘油醛结合。,（三）分子伴侣,分子伴侣(chaperon)
