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生物化學簡明教程 2011 2012第二學期 主編 張麗萍 楊建雄 第四版 課時安排與考試考勤要求 課時安排理論課48實驗課16學時共64學時學分4學分考試要求平時成績和期中成績占30 期末成績占70 平時成績 實驗成績 考勤 課堂表現(xiàn)考勤要求遲到早退 每節(jié)課考勤曠課3學時 平時成績不及格 緒論 生物化學是一門什么課程 研究生物體的化學生命機體的結構層次在分子水平揭示生物體深層次內(nèi)在規(guī)律的學科 動物細胞結構圖 植物細胞結構圖 蛋白質(zhì)化學核酸的化學酶維生素和輔酶生物氧化糖代謝脂類代謝蛋白質(zhì)和氨基酸代謝核酸代謝核酸的生物合成蛋白質(zhì)的生物合成物質(zhì)代謝的相互聯(lián)系和調(diào)節(jié)控制 學什么 生物分子的結構與功能 物質(zhì)代謝能量代謝 信息變化 總結 生物體在分子水平的一致性 生命物質(zhì)主要元素組成的規(guī)律性生物大分子組成的共同規(guī)律性物質(zhì)代謝和能量代謝的規(guī)律性生物界遺傳信息傳遞的統(tǒng)一性 怎么學 結構決定功能掌握關鍵環(huán)節(jié) 有什么用 專業(yè)基礎課考研等等 生物化學發(fā)展史 從其產(chǎn)生的時間和研究內(nèi)容可將其分為三個階段 一 靜態(tài)生物化學階段 十八世紀中葉到二十世紀初 各種生物體化學組成的分析研究 發(fā)現(xiàn)了生物體主要由糖 脂 蛋白質(zhì)和核酸四大類有機物質(zhì)組成 二 動態(tài)生物化學階段 代謝 二十世紀初到二十世紀五十年代此階段對各種化學物質(zhì)的代謝途徑有了一定的了解 1932年 英國科學家krebs建立了尿素合成的鳥氨酸循環(huán) 1937年 krebs又提出了各種化學物質(zhì)的中心環(huán)節(jié) 三羧酸循環(huán)的基本代謝途徑 1940年 德國科學家embden提出了糖酵解代謝途徑 三 分子生物學階段 功能 從1953年至今1953年 watson和crickdna的雙螺旋結構模型標志生物化學的發(fā)展進入分子生物學階段 這一階段的主要研究工作就是探討各種生物大分子的結構與其功能之間的關系 1953年 確定dna雙螺旋結構 獲1962年諾貝爾生理醫(yī)學獎1955年 sanger確定牛胰島素結構 獲1958年諾貝爾化學獎1965年 首次人工合成結晶牛胰島素 中國1973年 基因重組技術建立1980年 dna序列測定 獲1980年諾貝爾化學獎1984年 建立和發(fā)展蛋白質(zhì)化學合成方法1993年 多聚鏈式反應 pcr 方法發(fā)明1994年 發(fā)現(xiàn)g蛋白在細胞內(nèi)信號轉導中的作用1996年 克隆羊誕生1998年 發(fā)現(xiàn)no是心血管系統(tǒng)的信號分子 2001年 人類基因組計劃完成2002年 用核磁共振檢測生物大分子的結構2004年 發(fā)現(xiàn)泛素調(diào)控的蛋白質(zhì)降解2006年 發(fā)現(xiàn)了rna干擾機制2008年 發(fā)現(xiàn)和研究綠色熒光蛋白 gfp 課外閱讀書籍 王鏡巖 生物化學 沈仁權 生物化學教程 鄭集 普通生物化學 朱玉賢李毅 現(xiàn)代分子生物學 陳宏博李忠義 生物有機化學 第一章 蛋白質(zhì)化學 蛋白質(zhì)的分子組成 蛋白質(zhì)的分子結構 蛋白質(zhì)結構與功能的關系 蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)與分離純化 主要內(nèi)容 蛋白質(zhì)的分類 蛋白質(zhì)的分類 分子形狀球狀蛋白質(zhì)纖維狀蛋白質(zhì)膜蛋白質(zhì)分子組成簡單蛋白質(zhì)結合蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)的生物學意義 1 蛋白質(zhì)是生物體的重要組成成分 結構蛋白2 蛋白質(zhì)具有重要的生物學功能1 作為生物催化劑 酶2 代謝調(diào)節(jié)作用 激素3 免疫保護作用 抗體 受體4 物質(zhì)的轉運和存儲 膜蛋白 貯存蛋白5 運動與支持作用 肌蛋白6 參與細胞間信息傳遞 傳遞蛋白 蛋白質(zhì)的分子組成 第一節(jié) 蛋白質(zhì)是由多個氨基酸通過肽鍵相連形成的高分子含氮化合物 一 氨基酸 蛋白質(zhì)的基本組成單位 含有氨基和羧基的一類有機化合物的通稱 含有一個堿性氨基和一個酸性羧基 氨基一般連在 碳上 結構通式 組成蛋白質(zhì)的氨基酸都為a 氨基酸 除pro外 c 酸 氨 不同的aa在于r基團的不同 組成蛋白質(zhì)的氨基酸都為l型 除gly外 d型與l型 組成蛋白質(zhì)的氨基酸共有20種 一 氨基酸的分類 1根據(jù)側鏈r基的極性分類 1 非極性氨基酸 2 極性不帶電荷氨基酸 3 極性帶負電荷 4 極性帶正電荷 2根據(jù)側鏈r基的結構分類芳香族氨基酸 酪氨酸 tyr 苯丙氨酸 phe 雜環(huán)氨基酸 組氨酸 his 色氨酸 trp 雜環(huán)亞氨基酸 脯氨酸 pro 脂肪族氨基酸 絲氨酸 ser 蘇氨酸 thr 等15種其余氨基酸 3 由氨基酸的營養(yǎng)需求 人類自身能合成 人類自身不能合成或不能足量合成 必須依賴食物供給 lys 賴 arg 精 his 組 val 纈 leu 亮 ile 異亮 met 蛋 phe 苯丙 thr 蘇 trp 色 gly 甘 ala 丙 ser 絲 tyr 酪 cys 半胱 pro 脯 asn 天冬酰胺 asp 天冬 glu 谷 gln 谷氨酰胺 pro 為環(huán)狀亞氨基酸 4幾種特殊氨基酸 半胱氨酸 胱氨酸 5稀有的蛋白質(zhì)氨基酸 通常是常見氨基酸的衍生物 如4 羥脯氨酸 5 羥賴氨酸 以游離或結合態(tài)存在于細胞或組織中 大部分是常見氨基酸的衍生物或異構型 如存在于細菌細胞壁肽聚糖內(nèi)的d 谷氨酸和d 丙氨酸 花生中的g 亞甲基谷氨酸 甘蔗中的b 氨基丁酸 刀豆中的刀豆氨酸等 6非蛋白質(zhì)氨基酸 鳥氨酸 orn 瓜氨酸 cit 二 氨基酸的理化性質(zhì) 氨基酸是離子化合物 熔點較高 200 300 溶于稀酸稀堿 不溶于有機溶劑谷氨酸鈉 味精 1一般物理性質(zhì) 2 兩性性質(zhì)和等電點 氨基酸同時含有氨基和羧基 氨基具有堿性 羧基具有酸性 nh3 nh3 nh2 oh oh h c cooh h c coo h c coo h h rrr陽離子兩性離子陰離子phpi pi是氨基酸的特征常數(shù) 使氨基酸凈電荷為零時溶液的ph值 稱為等電點 用pi表示 運用 沉淀氨基酸分離氨基酸 等電點的應用1 電泳分離 應用 氨基酸的分離與分析氨基電泳 帶電顆粒在電場中移動的現(xiàn)象稱為電泳酸不同 pi不同 大小不同 在電場中泳動速度不同 因此可以通過電泳將氨基酸彼此分開當ph pi時 氨基酸呈兼性離子 在電場中不移動當ph pi時 氨基酸帶負電荷 在電場中向正極移動當ph pi時 氨基酸帶正電荷 在電場中向負極移 蛋白質(zhì)在高于或低于其等電點的溶液中是帶電的 在電場中能向電場的正極或負極移動 從而分離蛋白質(zhì) 根據(jù)支撐物不同 有薄膜電泳 凝膠電泳等 等電點應用2 蛋白質(zhì)沉淀與分離 處于等電點的蛋白質(zhì)溶解度最小 當?shù)鞍踪|(zhì)混合物的ph被調(diào)到其中一種成分的等電點時 該蛋白質(zhì)將大部分或全部沉淀下來 那些等電點高于或低于該ph的蛋白質(zhì)仍保留在溶液中 可利用此性質(zhì)進行蛋白質(zhì)的分離 這樣沉淀出來的蛋白質(zhì)保持天然構象 能再溶解于水并具有天然的活性 20種氨基酸的pi 氨基酸等電點的計算 公式 ph pkn pkn 1 2n 氨基酸完全質(zhì)子化時帶正電荷基團的個數(shù)pk 解離基團的解離常數(shù)等電點時溶液的ph與氨基酸濃度無關 等電點計算 例gly的pi計算 pi 1 2 pk1 pk2 例賴氨酸的pi計算 pi 1 2 pk2 pk3 溶液ph值增大 谷氨酸的解離 pi 1 2 pk1 pk2 3 重要的化學性質(zhì) 1 茚三酮反應 反應分2步 茚三酮反應常用于aa的定性和定量分析 在酸性條件下 氨基酸與茚三酮共熱 生成紫色化合物 pro的茚三酮反應呈黃色 在弱堿溶液中 氨基酸的 氨基與2 4 二硝基氟苯 dnfb 反應 生成黃色的二硝基苯氨基酸 dnp aa 此反應最初被sanger用于測定胰島素一級結構 2 sanger反應 1918 英國生物化學家 曾獲1958年諾貝爾化學獎 3 edman反應 此反應即是目前 蛋白質(zhì)順序測定 的設計原理 此反應即是目前 蛋白質(zhì)順序測定 的設計原理 二 肽 肽 是由一個氨基酸的 羧基與另一個氨基酸的 氨基脫水縮合而形成的化合物 肽鍵 氨基酸脫水后形成的化學鍵 一 肽 peptide 二肽 如丙氨酰甘氨酸 肽是由氨基酸通過肽鍵縮合而形成的化合物 兩分子氨基酸縮合形成二肽 三分子氨基酸縮合則形成三肽 肽鏈中的氨基酸分子因為脫水縮合而基團不全 被稱為氨基酸殘基 由12 20個氨基酸相連而成的肽稱為寡肽由20個以上的氨基酸相連形成的肽稱多肽 多肽鏈 氨基末端 羧基末端 多肽鏈 主鏈 側鏈 側鏈 n末端 多肽鏈中有自由氨基的一端c末端 多肽鏈中有自由羧基的一端多肽鏈的表示方法 從n端開始到c端 多肽有兩端 n末端 c末端 牛核糖核酸酶 二 生物活性肽 化學信使 溝通細胞內(nèi)部 細胞與細胞間以及器官與器官之間的信息 與生物的生長發(fā)育 細胞分化 大腦活動 腫瘤病變 免疫防御 生殖控制 抗衰防老 生物鐘規(guī)律 分子進化等有關 生物活性肽是能夠調(diào)節(jié)生物機體的生命活動或具有某些生理活性的寡肽或多肽的總成 谷胱甘肽 glutathione gsh 結構 谷氨酸 半胱氨酸和甘氨酸組成的三肽谷氨酸的 羧基形成肽鍵 sh為活性基團為酸性肽是體內(nèi)重要的還原劑幫助保持正常的免疫系統(tǒng)的功藥理作用 本品可促進糖 脂肪及蛋白質(zhì)代謝 加速自由基排泄 保護肝臟的合成 解毒 滅活激素等功能 gsh過氧化物酶 gsh還原酶 nadph h nadp 主要功能 蛋白質(zhì)的分子結構themolecularstructureofprotein 第二節(jié) 蛋白質(zhì)的分子結構包括 一級結構 primarystructure 二級結構 secondarystructure 三級結構 tertiarystructure 四級結構 quaternarystructure 蛋白質(zhì)分子中的結構層次一級結構 二級結構 超二級結構 結構域 三級結構 亞基 四級結構 1定義 蛋白質(zhì)的一級結構指多肽鏈中氨基酸的排列順序 一 蛋白質(zhì)的一級結構 主要化學鍵 肽鍵二硫鍵 半胱氨酸 胱氨酸 一級結構是蛋白質(zhì)空間構象和特異生物學功能的基礎 胰島素的一級結構 30 21 胰島素的一級結構 蛋白質(zhì)的根本差異在于一級結構的不同 2多肽鏈中氨基酸序列分析 分析已純化蛋白質(zhì)的氨基酸殘基組成 測定多肽鏈的氨基末端與羧基末端為何種氨基酸殘基 把肽鏈水解成片段 分別進行分析 測定各肽段的氨基酸排列順序 一般采用edman降解法 一般需用數(shù)種水解法 并分析出各肽段中的氨基酸順序 然后經(jīng)過組合排列對比 最終得出完整肽鏈中氨基酸順序結果 則其氨基酸排列順序為 thr asn val lys ala trp gly lys 如測一個九肽 測得n端氨基酸殘基為thr 又分別測得片段 ala ala trp gly lysval lys ala ala trpthr asn val lys 二 蛋白質(zhì)的二級結構 蛋白質(zhì)多肽鏈本身的折疊盤繞方式 定義 穩(wěn)定因素 氫鍵 鹽鍵 疏水鍵 范德華力 蛋白質(zhì)二級結構的主要形式 螺旋 helix 折疊 pleatedsheet 轉角 turn 自由回轉 randomcoil 一 螺旋 結構要點 從n端為起點 多肽鏈主鏈圍繞中心軸形成右手螺旋 側鏈伸向螺旋外側 每圈螺旋含3 6個氨基酸 螺距為0 54nm 每個肽鍵的亞氨氫和第四個肽鍵的羰基氧形成的氫鍵保持螺旋穩(wěn)定 氫鍵與螺旋長軸基本平行 1肽單元 參與組成肽鍵的6個原子位于同一平面 又叫酰胺平面或肽鍵平面 它是蛋白質(zhì)構象的基本結構單位 二 折疊 h h h h 多肽鏈充分伸展 相鄰肽單元之間折疊成鋸齒狀結構 側鏈位于鋸齒結構的上下方 2 折疊 兩段以上的 折疊結構平行排列 兩鏈間可順向平行 也可反向平行 反平行結構更為穩(wěn)定 兩鏈間的肽鍵之間形成氫鍵 以穩(wěn)固 折疊結構 氫鍵與螺旋長軸垂直 反平行 平行 三 轉角 肽鏈內(nèi)形成180 回折 含4個氨基酸殘基 第一個氨基酸殘基與第四個形成氫鍵 四 自由回轉 沒有確定規(guī)律性的肽鏈結構 酶的功能部位常位于這種構象區(qū)域 二 三級過渡態(tài) 超二級結構 在蛋白質(zhì)分子中 由若干相鄰的二級結構單元組合在一起 彼此相互作用 形成有規(guī)則的 在空間上能辨認的二級結構組合體 幾種類型的超二級結構 丙糖磷酸異構酶 二 三級過渡態(tài) 結構域 多肽鏈在超二級結構基礎上進一步繞曲折疊稱緊密的近似球狀 具有部分生物功能的結構 三 蛋白質(zhì)的三級結構 疏水鍵 多肽鏈上疏水性較強的氨基酸的非極性側鏈避開水相自相粘附聚集在一起 形成空穴 離子鍵 鹽健 由蛋白質(zhì)中正 負電荷的側鏈基團相互接近 通過靜電吸引而形成的基團之間的作用力 氫鍵 一個電負性原子上共價連接的氫 與另一個電負性原子之間的靜電作用力 穩(wěn)定因素 由一個或多個結構域組裝而成的結構 定義 肌紅蛋白 mb 亞基之間的結合力主要是氫鍵和離子鍵 四 蛋白質(zhì)的四級結構 由多條多肽鏈組成的蛋白質(zhì) 肽鏈間相互以非共價鍵聯(lián)結成一個活性單位 這種肽鏈就稱為該蛋白質(zhì)的亞基 蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布 亞基間通過非共價鍵聚合而成的特定構象 稱為蛋白質(zhì)的四級結構 血紅蛋白 hb 的四級結構 蛋白質(zhì)分子中的結構層次一級結構 二級結構 超二級結構 結構域 三級結構 亞基 四級結構 五蛋白質(zhì)分子中的共價鍵與次級鍵 維系蛋白質(zhì)分子的一級結構 肽鍵二硫鍵維系蛋白質(zhì)分子空間結構 疏水鍵氫鍵范德華力鹽鍵 蛋白質(zhì)結構與功能的關系therelationofstructureandfunctionofprotein 第三節(jié) 一 一級結構是空間構象的基礎 一 蛋白質(zhì)一級結構與功能的關系 天然狀態(tài) 有催化活性 尿素 巰基乙醇 去除尿素 巰基乙醇 非折疊狀態(tài) 無活性 二 一級結構與功能的關系 例 鐮刀形紅細胞貧血癥 這種由蛋白質(zhì)分子一級結構的氨基酸排列順序發(fā)生變異所導致的疾病 稱為 分子病 正常紅細胞 鐮刀形細胞 hb可逆地與o2結合 hb與o2結合后稱為氧合hb 血紅蛋白的構象變化與結合氧 二 蛋白質(zhì)空間結構與功能的關系 某些蛋白質(zhì)表現(xiàn)其生物學功能時 構象發(fā)生改變 從而改變了整個分子的性質(zhì) 這種現(xiàn)象稱為別構效應 r relaxedstate t tensestate 血液中o2的運輸 hbr t態(tài)的互換 靜脈 動脈 環(huán)境氧濃度高時hb快速吸收氧分子 環(huán)境氧濃度低時hb迅速釋放氧氣 釋放氧氣后hb變回tstate 第四節(jié) 蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)與分離純化thephysicalandchemicalcharactersandseparationandpurificationofprotein 一 蛋白質(zhì)的兩性電離 一 理化性質(zhì) 蛋白質(zhì)分子除兩端的氨基和羧基可解離外 氨基酸殘基側鏈中某些基團 在一定的溶液ph條件下都可解離成帶負電荷或正電荷的基團 蛋白質(zhì)的等電點 pi 當?shù)鞍踪|(zhì)溶液處于某一ph時 蛋白質(zhì)所帶的正電荷和負電荷相等 在電場中蛋白質(zhì)分子既不向陽極移動也不向陰極移動 此時溶液的ph稱為蛋白質(zhì)的等電點 在等電點時 蛋白質(zhì)的溶解度最小 在電場中不移動 在不同的ph環(huán)境下 蛋白質(zhì)的電化學性質(zhì)不同 在等電點偏酸性溶液中 蛋白質(zhì)粒子帶負電荷 在電場中向正極移動 在等電點偏堿性溶液中 蛋白質(zhì)粒子帶正電荷 在電場中向負極移動 利用蛋白質(zhì)兩性電離的性質(zhì) 可通過電泳 離子交換層析 等電聚焦等技術分離蛋白質(zhì) 二 蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì) 蛋白質(zhì)屬于生物大分子之一 其分子的直徑可達1 100nm 為膠粒范圍之內(nèi) 蛋白質(zhì)膠體穩(wěn)定的因素顆粒表面帶有同種電荷水化膜 水化膜 溶液中蛋白質(zhì)的聚沉 三 蛋白質(zhì)的沉淀 加入適當?shù)脑噭┦沟鞍踪|(zhì)分子處于等電點狀態(tài)或失去水化層 蛋白質(zhì)的膠體溶液就不再穩(wěn)定并將產(chǎn)生沉淀 可逆沉淀 蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀后 用透析等方法除去沉淀劑 可使蛋白質(zhì)重新溶于原來的溶液中 不可逆沉淀 蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀后 不能用透析等方法除去沉淀劑使蛋白質(zhì)重新溶于原來的溶液中 使蛋白質(zhì)沉淀的試劑 1 高濃度中性鹽 nh4 2so4 na2so4 nacl