基础生物化学1-2章.ppt

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1、基础生物化学,主讲人：刘鹏举,第一章 绪 论,一、生物化学的概念、研究对象和内容 二、生物化学的发展简史 三、生物化学与其他学科的关系 四、生物化学的应用与发展前景 五、生物化学的学习方法,一、生物化学的概念、研究对象和内容,生物化学（biochemistry）是运用化学的原理和方法研究生物有机体化学组成和生命过程中化学变化规律的科学。简言之，生物化学就是研究生命活动的化学本质。生命的本质是新陈代谢，而新陈代谢的物质基础是细胞，细胞是生物体新陈代谢的基本结构。,细胞结构,生物化学研究的主要内容包括静态生物化学和动态生物化学。,静态生物化学,研究生物体的化学物质组成，以及它们的结构、性质和功能，

2、包括蛋白质、核酸等生物大分子；激素、有机酸等小分子化合物,动态生物化学,研究组成生物体的化学物质在生物体内进行的分解与合成，相互转化与制约以及物质转化过程中伴随的能量转换等问题。,二、生物化学的发展简史,生物化学是18世纪70年代以后，伴随着近代化学和生理学的发展，开始逐步形成的一门独立的新兴边缘学科，至今只有200多年历史。,一、叙述生物化学阶段,大约从十八世纪中叶到二十世纪初，主要完成了各种生物体化学组成的分析研究，,二、动态生物化学阶段,大约从二十世纪初到二十世纪五十年代。此阶段对各种化学物质的代谢途径有了一定的了解。其中主要的有：1932年，英国科学家Krebs 建立了尿素合成的鸟氨酸

3、循环；1937年，Krebs又提出了各种化学物质的中心环节三羧酸循环的基本代谢途径；1940年，德国科学家Embden和Meyerhof提出了糖酵解代谢途径。,三、分子生物学阶段,从1953年至今。以1953年，Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构模型为标志，生物化学的发展进入分子生物学阶段。这一阶段的主要研究工作就是探讨各种生物大分子的结构与其功能之间的关系。,四、生物化学的应用,在农业生产上：作物栽培、作物品种鉴定、遗传育种、土壤农业化学、豆科作物的共生固氮、植物的抗逆性、植物病虫害防治等学科都越来越多地应用生物化学作为理论基础 在工业生产上：如食品工业、发酵工业、制药工业、生物

4、制品工业、皮革工业等都需要广泛地应用生物化学的理论及技术。在医学领域，生物化学的应用非常广泛。,五、生物化学的学习方法,扎实的基础知识（如分析化学，有机化学等）课上注意听讲，理论课课后做好复习，实验课做好预习选择合适的参考书做一定量的习题注意章节之间的联系,第二章 蛋白质（protein）,蛋白质是生物体内最为重要的生物大分子。自然界中事物的千差万别都是通过蛋白质来实现的,第一节 蛋白质的重要功能及元素组成,一蛋白质的重要功能 生物体的组成成分 酶的催化作用 运输功能 储藏作用 收缩运动 免疫保护功能 激素功能 接受和传递信息 控制生长和分化,二、蛋白质的元素组成,蛋白质所含的主要元素有：碳：

5、5055，平均52%；氢：6.97.7，平均7%；氧：2124，平均23%；氮：1517.6，平均16%；硫：0.32.3，平均2%。有些蛋白质还含有少量的其他元素，称为微量元素,蛋白质中氮的含量,蛋白质中氮的含量较恒定，平均为16，即每100g蛋白质中含16g氮，因此可通过测定生物样品中的氮来测定蛋白质的含量（每测得1g氮即相当于6.25g蛋白质 蛋白质含量含氮量6.25蛋白质含量的测定方法：微量凯氏定氮法、紫外吸收法、双缩脲法、福林酚试剂法、考马斯亮蓝比色法,第二节 氨基酸(amino acid),蛋白质可以被酸、碱和酶催化水解，在水解过程中逐渐降解成相对分子质量越来越小的肽段，直到最后成

6、为氨基酸的混合物。如将天然的蛋白质完全水解，最后都可得到二十种不同的氨基酸。除脯氨酸和甘氨酸外，其余均属于L-氨基酸。,一、-氨基酸的结构特点,蛋白质氨基酸有20种，除脯氨酸及其衍生物外这些氨基酸在结构上的共同点是：与羧基（carboxyl group）相连的-碳原子上都结合一个氨基（amino group）故称为-氨基酸，-碳原子上还连有一个氢原子和一个各不相同的侧链R基团，各种氨基酸的差别就在于其R侧链的结构不同。,二、氨基酸的分类,按侧链R基团的化学结构和极性大小分类：1、脂肪族氨基酸；2、芳香族氨基酸；3、杂环族氨基酸；,1、脂肪族氨基酸,（1）中性氨基酸；甘氨酸（氨基乙酸）Gly(G

7、)（不具有旋光性）丙氨酸（-氨基丙酸）Ala(A),缬氨酸（-氨基-甲基丁酸）Val(V)亮氨酸（-氨基-甲基戊酸）Leu(L),异亮氨酸（-氨基-甲基戊酸）Ile(I),（2）含羟基或硫氨基酸,丝氨酸（-氨基-羟基丙酸）Ser(S)苏氨酸（-氨基-羟基丁酸）Thr(T),半胱氨酸（-氨基-巯基丙酸）Cys(C)常以氧化型-胱氨酸形式存在甲硫氨酸（-氨基-甲硫基丁酸）Met(M)机体代谢中作为甲基的供体,（3）酸性氨基酸及其酰胺,天冬氨酸（-氨基丁二酸）Asp(D)谷氨酸（-氨基戊二酸）Glu(E),天冬酰胺 Asn(N)谷氨酰胺 Gln(Q),（4）碱性氨基酸,赖氨酸（，-二氨基己酸）Lys

8、(K)精氨酸（-氨基-胍基戊酸）Arg(R)动物体内尿素形成中的中间物质,2、芳香族氨基酸,苯丙氨酸（-氨基-苯基丙酸）Phe(F)临床上该氨基酸在人体内的浓度用于苯丙酮尿证的诊断酪氨酸（-氨基-对羟苯基丙酸）Tyr(Y),色氨酸（-氨基-吲哚基丙酸）Trp(W)植物体内可转化为生长素，某些动物体内可转化为尼克酸,3、杂环族氨基酸,组氨酸（-氨基-咪唑基丙酸）His(H)碱性氨基酸，大量存在于珠蛋白中脯氨酸（-吡咯烷基-羧酸）Pro(P)没有自由的-氨基，是一种亚氨基酸，可以看作是-氨基酸侧链取代了自身氨基上的氢原子而形成的杂环结构,根据R基团的极性分类：,（1）非极性R基团氨基酸；（2）极性

9、不带电荷R基团氨基酸；（3）R基团带负电荷的氨基酸；（4）R基团带正电荷的氨基酸。,三、必需氨基酸,植物和某些微生物可以合成各种氨基酸，而人和动物则不同。人体和动物通过自身代谢可以合成大部分氨基酸，但有一部分氨基酸自身不能合成，必须由外界食物供给，这些氨基酸称为必需氨基酸（essential amino acids,EAA）。人体所需的必需氨基酸有8种，包括L-赖氨酸、L-色氨酸、L-甲硫氨酸、L-苯丙氨酸、L-缬氨酸、L-亮氨酸、L-异亮氨酸、L-苏氨酸。,四、蛋白质的稀有氨基酸,蛋白质的稀有氨基酸是基本氨基酸的衍生物，没有相应的三联密码子,五、非蛋白质氨基酸,各种组织和细胞中发现了近200

10、种氨基酸，不存在于蛋白质中，称为非蛋白质氨基酸。,六、氨基酸的酸碱性,1、氨基酸的兼性离子形式(偶极离子)概念：两性离子,2、氨基酸的两性解离,3、氨基酸的等电点,概念：等电点等电点的计算方法：一氨基一羧基氨基酸 二氨基一羧基氨基酸 一氨基二羧基氨基酸,丙氨酸的滴定曲线,组氨酸的解离情况,pK值就是某种解离基团有一半解离时溶液的pH值,七、氨基酸的立体化学,L-、D-：参考甘油醛划分的（不对称C原子的存在）。2、旋光性：用旋光仪测定的（不对称C原子的存在）左旋：Ser、Leu、Pro、Trp、Phe等。右旋：Ala、Ile、Glu、Asp、Val、Lys、Arg等。Gly由于不具有不对称C原子

11、，所以没有旋光性。,八、氨基酸的吸收光谱,有显著紫外吸收的氨基酸：Tyr 275nmPhe 257nmTrp 280nm,九、氨基酸的重要化学反应,氨基和羧基共同具有的反应1、茚三酮反应蓝紫色产物（570nm）2、成肽反应氨基具有的反应1、Sanger反应黄色产物(DNP-氨基酸)2、艾德曼(Edman)反应白色产物(PTH-衍生物)羧基具有的反应,-氨基具有的反应,1、与亚硝酸反应与其他伯胺一样可以与亚硝酸反应放出氮气，并可通过测定氮气的体积来测定氨基酸的含量。2、与酰化试剂的反应3、烃基化反应 Sanger反应（DNFB反应）艾德曼(Edman)反应4、脱氨基反应氨基酸在生物体内经氨基酸氧

12、化酶催化即脱去氨基转变成酮酸,Sanger反应（DNFB反应）2、4-二硝基氟苯的反应,荧光胺反应与丹磺酰氯反应,用DNS(二甲基萘磺酰氯)测定N端氨基酸原理DNFB法相同但水解后的DNS-氨基酸不需分离，可直接用电泳或层析法鉴定由于DNS有强烈荧光，灵敏度比DNFB法高100倍，比Edman法高几到十几倍可用于微量氨基酸的定量,与丹磺酰氯的反应,艾德曼(Edman)反应异硫氰酸苯酯的反应,羧基具有的反应,成盐，成酯成酰氯反应脱羧基反应叠氮反应,第三节 肽,肽键：一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的-氨基脱去一分子水缩合后形成酰胺键，也叫肽键 peptide bond.二肽、三肽、寡肽、多肽肽的末

13、端,肽的命名天然存在的活性寡肽谷光甘肽全称为-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸（GSH）肽健其他寡肽：短杆菌肽，鹅膏蕈素，催产素，加压素等,谷胱甘肽的生理功用,解毒作用：与毒物或药物结合，消除其毒性作用；参与氧化还原反应：作为重要的还原剂，参与体内多种氧化还原反应；保护巯基酶的活性：使巯基酶的活性基团-SH维持还原状态；维持红细胞膜结构的稳定：消除氧化剂对红细胞膜结构的破坏作用,第四节 蛋白质的分子结构,蛋白质的结构层次蛋白质的一级结构蛋白质的二级结构蛋白质的超二级结构蛋白质的结构域与三级结构蛋白质的四级结构,二、蛋白质的一级结构,1.定义蛋白质的一级结构是指：氨基酸在肽链中的排列顺序，以及二硫健的位置。

14、（二硫健起稳定空间结构的作用，二硫健越多蛋白质越稳定）蛋白质一级结构的重要意义：蛋白质一级结构决定其空间结构和生物功能。,2、蛋白质一级结构的测定方法,（1）测定蛋白质中氨基酸的顺序（2）通过测定编码蛋白质的基因的核甘酸的序列推导得出（是现在应用最广泛的方法）,3、蛋白质一级结构测定的具体步骤,（1）获得一定量的纯品氨基酸（97%以上）并测定其分子量（2）测定蛋白质分子中多肽链的数目（根据氨基末端的摩尔数）（3）拆分蛋白质分子的多肽链并将它们分离（共价键：采用过甲酸：过氧化氢+甲酸，氧化二硫键后，用过量的巯基乙醇还原，再用碘乙酸保护还原后的巯基。非共价键：尿素/盐酸胍/高浓度盐亚基分离）（4）

15、测定各个多肽链的氨基酸组成，并分析每一条多肽链的N末端和C末端（5）裂解多肽链成较小的肽段（用不同的蛋白酶）（6）测定各肽段的氨基酸顺序（用EDMAN降解法）（7）重建完整多肽链的一级结构（8）确定半胱氨酸残基的位置,一些特殊酶的酶切位点,1、胰蛋白酶：断裂赖氨酸或精氨酸的羧基参与形成的肽键（产生的肽段数等于赖氨酸和精氨酸的总数+1）2、糜蛋白酶（胰凝乳蛋白酶）：断裂Phe、Trp、Tyr等疏水性氨基酸的羧基端肽键（断点附近是碱性氨基酸时裂解能力增强/酸性时减弱）3、胃蛋白酶：断点两侧都是疏水性氨基酸4、葡萄球菌蛋白酶（Glu蛋白酶）：磷酸缓冲液中：谷氨酸和天冬氨酸羧基端碳酸氢铵（或醋酸铵）缓

16、冲液中：谷氨酸羧基端,4蛋白质一级结构举例,胰岛素：1953年 Sanger有两条链组成A链：21个氨基酸B链：30个氨基酸,3D-structure of insulin,蛋白质一级结构举例,牛胰核糖核酸酶的氨基酸顺序,三、蛋白质的二级结构,1、定义：蛋白质的二级结构是指：肽链主链有规律的空间排布，是肽链局部的空间构象。蛋白质二级结构的基本类型主要有：-螺旋、-折叠、-转角：稳定二级结构的主要作用力是：氢键,三、蛋白质的二级结构,1.构型与构象2.多肽链折叠的空间限制肽平面（酰胺平面）3.蛋白质二级结构的基本类型,1.构型与构象,构型:指具有相同结构式的立体异构体中取代基团在空间的相对取向。

17、（不同的构型如果没有共价键的破裂是不能互变的）构象：指具有相同的结构式和构型的分子在空间里可能的多种形态（构象形态间的改变不涉及共价键的破裂）,2、肽平面,肽单位是一个刚性的平面C-N键是介于双键和单键之间的部分双键性质，因此使六个原子处于同一个平面之内。羰基氧和亚氨基氢处于反式排布,3.蛋白质二级结构的基本类型,-螺旋的基本特征1、每隔3.6个AA残基螺旋上升一圈，螺距0.54nm;2、螺旋体中所有氨基酸残基R侧链都伸向外侧，链中的全部C=0 和N-H几乎都平行于螺旋轴;3、每个氨基酸残基的N-H与前面第四个氨基酸残基的C=0形成氢键，肽链上所有的肽键都参与氢键的形成。形成因素：与组成和排列

18、顺序直接相关。多态性：多数为右手（较稳定），亦有少数左手螺旋存在（不稳定）；存在尺寸不同的螺旋。,-折叠片的基本特征,特征：两条或多条伸展的多肽链（或一条多肽链的若干肽段）侧向集聚，通过相邻肽链主链上的N-H与C=O之间有规则的氢键，形成锯齿状片层结构，即折叠片。类别：平行 反平行,-折叠片的基本特征,-折叠包括平行式和反平行式两种类型,-转角,特征：多肽链中氨基酸残基n的羰基上的氧与残基（n+3）的氮原上的氢之间形成氢键，肽键回折1800。,无规则卷曲示意图,无规卷曲,-螺旋,-转角,-折迭,四、蛋白质的超二级结构,概念：蛋白质中相邻的二级结构单位（即单个螺旋或折叠或转角）组合在一起，形成有

19、规则的、在空间上能辩认的二级结构组合体称为蛋白质的超二级结构基本类型-螺旋(coiled coil-helix):-角蛋白、胶原蛋白：Rossmann fold()：反平行折叠,五、结构域,概念：在二级结构的基础上，多肽进一步卷曲折叠成几个相对独立、近似球形的三维实体，再由两个或两个以上这样的三维实体缔合成三级结构，这种相对独立的三维实体称为结构域。区分三级结构与结构域形成意义：动力学上更为合理 蛋白质（酶）活性部位往往位于结构域之间，使其更具柔性,卵溶菌酶的三级结构中的两个结构域,结构域1,-转角,-折叠,结构域2,二硫键,-螺旋,六、蛋白质的三级结构,概念：蛋白质的三级结构是指蛋白质分子或

20、亚基内所有原子的空间排布，也就是一条多肽链的完整的三维结构维持蛋白质三级结构的力肌红蛋白,维持蛋白质三级结构的力,次级键：氢键、盐键、离子键、范德华力1、氢键(hydrogen bond)的形成常见于连接在一电负性很强的原子上的氢原子，与另一电负性很强的原子之间。氢键在维系蛋白质的空间结构稳定上起着重要的作用。氢键的键能较低(12kJ/mol)，因而易被破坏。,蛋白质分子中氢键的形成,2.疏水键：,非极性物质在含水的极性环境中存在时，会产生一种相互聚集的力，这种力称为疏水键或疏水作用力。蛋白质分子中的许多氨基酸残基侧链也是非极性的，这些非极性的基团在水中也可相互聚集，形成疏水键，如Leu，Il

21、e，Val，Phe，Ala等的侧链基团。,3.离子键（盐键）：,离子键(salt bond)是由带正电荷基团与带负电荷基团之间相互吸引而形成的化学键。在近中性环境中，蛋白质分子中的酸性氨基酸残基侧链电离后带负电荷，而碱性氨基酸残基侧链电离后带正电荷，二者之间可形成离子键,4范德华氏（van der Waals)引力：原子之间存在的相互作用力。,维持蛋白质分子构象的作用力a.盐键 b.氢键 c.疏水键 d.范得华力 e.二硫键,肌红蛋白,肌红蛋白(myoglobin),：1960年-6；1962年-1.4 三维结构紧密：45 35 25-螺旋占主链构象的80%，8 段-螺旋，从N端起定名为A-H

22、，由5个 非螺旋区(转角)连接形成一个珠蛋白(globin)，所有螺旋为右手螺旋 内部结合一个血红素(heme)分子,蛋白质的四级结构,蛋白质的四级结构（quaternary structure)就是指蛋白质分子中亚基的立体排布，亚基间的相互作用与接触部位的布局。亚基(subunit)就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。维系蛋白质四级结构的是氢键、盐键、范氏引力、疏水键等非共价键。,蛋白质四级结构与功能的关系变构效应,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。

23、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,血红蛋白与肌红蛋白的氧结合曲线,第五节 蛋白质的分子结构与功能的关系,蛋白质复杂的组成和结构是其多种多样生物学功能的基础；而蛋白质独特的性质和功能则是其结构的反映。蛋白质一级结构包含了其分子的所有信息，并决定其高级结构，高级结构和其功能密切相关。,一、蛋白质一级结构与功能二、蛋白质高级构象与功能,一级结构决定高级结构，也决定蛋白质的功能,1、蛋白质一级结构的种属差异与同源性 实例：细胞色素2、蛋白质一级结构的变异与分子病 实例：血红蛋白质异常病变镰刀型贫血病3、蛋白质前体的激活与一级结构 实例：胰岛素原的激活,高级构象决

24、定蛋白质的功能,1、蛋白质高级构象破坏，功能丧失 实例：核糖核酸酶的变性与复性2、蛋白质在表现生物功能时，构象发生一定变化（变构效应）实例：血红蛋白的变构效应和输氧功能,第六节 蛋白质的重要性质,一、两性解离性质及等电点二、蛋白质胶体性质三、蛋白质的沉淀四、蛋白质的变性与复性五、蛋白质的紫外吸收特性六、蛋白质呈色反应,蛋白质两性解离性质和等电点,当蛋白质溶液在某一定pH值时，使某特定蛋白质分子上所带正负电荷相等，成为两性离子，在电场中既不向阳极也不向阴极移动，此时溶液的pH值即为该蛋白质的等电点（isoelectric point，pI）。,等电点时的特性：（1）净电荷为零（2）易沉淀析出，溶

25、解度下降失去双电层（3）导电能力下降（4）粘度最小,蛋白质胶体性质,由于蛋白质分子量很大，在水溶液中形成1-100nm的颗粒，因而具有胶体溶液的特征。可溶性蛋白质分子表面分布着大量极性氨基酸残基，对水有很高的亲和性，通过水合作用在蛋白质颗粒外面形成一层水化层，同时这些颗粒带有电荷，因而蛋白质溶液是相当稳定的亲水胶体蛋白质胶体性质的应用 透析法:利用蛋白质不能透过半透膜的的性质，将含有小分子杂质的蛋白质溶液放入透析袋再置于流水中，小分子杂质被透析出，大分子蛋白质留在袋中，以达到纯化蛋白质的目的。这种方法称为透析（dialysis）。盐析法:在蛋白质溶液中加入高浓度的硫酸铵、氯化钠等中性盐，可有效

26、地破坏蛋白质颗粒的水化层。同时又中和了蛋白质表面的电荷，从而使蛋白质颗粒集聚而生成沉淀，这种现象称为盐析（salting out）。,蛋白质的沉淀,如果加入适当的试剂使蛋白质分子处于等电点状态或失去水化层（消除相同电荷，除去水膜），蛋白质胶体溶液就不再稳定并将产生沉淀。沉淀方法类别:1、高浓度中性盐（盐析、盐溶）2、酸硷（等电点沉淀）3、有机溶剂沉淀 4、重金属盐类沉淀 5、生物碱试剂和某些酸类沉淀 6、加热变性沉淀,蛋白质变性与复性,蛋白质各自所特有的高级结构，是表现其物理性质和化学特性以及生物学功能的基础。当天然蛋白质受到某些物理因素和化学因素的影响，使其分子内部原有的高级构象发生变化时，

27、蛋白质的理化性质和生物学功能都随之改变或丧失，但并未导致其一级结构的变化，这种现象称为变性作用（denaturation）。特征变化：生物活性丧失；物理性质（溶解度、粘度、扩散系数、光谱特性等）和化学性质（化学反应，被酶解性）改变 变性因素：高温、高压、强酸、强碱、各种射线、某些化学试剂 应用：变性灭菌、消毒；变性制食品；抗衰老 蛋白质的变性作用如果不过于剧烈，则是一种可逆过程，变性蛋白质通常在除去变性因素后，可缓慢地重新自发折叠成原来的构象，恢复原有的理化性质和生物活性，这种现象成为复性（renaturation）。,蛋白质主要呈色反应,双缩脲反应酚试剂反应 蛋白质定量、定性 茚三酮反应 测定常用方法,双缩脲反应,蛋白质在碱性溶液中也能与硫酸铜发生相同反应，产生红紫色络合物,Cu2+,(硷性溶液),红紫色络合物,