生物化学讲义

1第一章绪论（2学时）一、生物化学研究的主要内容生物分子是生物体和生命现象的结构基础和功能基础，是生物化学研究的基本对象。生物分子和结构与功能：探讨生物体的物质组成以及分子结构、性质和功能。物质代谢及其调节：物质代谢的规律、能量转化及其调节控制。二、生物化学的定义简单地说生物化学就是研究生命现象的化学本质。具体来说生物化学是用物理的、化学的原理与技术，从分子水平来研究生物体的化学组成、生命活动的基本规律及调节方式，从而阐述生命现象化学本质的一门科学。三、生物化学的分类根据研究对象不同，生物化学可分为：植物生物化学动物生物化学微生物生物化学和病毒生物化学。根据研究的目的不一样，生化又可分为：农业生物化学工业生物化学医用生物化学和药物生物化学。四、生物化学发展简史起源于18世纪晚期、发展于19世纪、直到20世纪初始成独立学科。依据发展过程及其特点可大致划分为：起始阶段--叙述生化(descriptive)快速发展阶段--动态生化(dynamic)分子生物学崛起--机能生化(functional)第二章蛋白质（10学时）第一节通论蛋白质（protein）在生物体内具有广泛和重要的生理功能，它不仅是各器官、组织的主要化学组成，且生命活动中各种生理功能的完成大多是通过蛋白质来实现的，而且蛋白质在其中还起着关键的作用，所以蛋白质是生物化学学科中传统、基础的内容，在分子生物学学科中又是发展最快、最重要的部分之一，2protein一词就是来自1938年JonsJBerzelius创造的希腊单词protios，意为第一或最重要的意思。一、蛋白质的概念蛋白质（protein，简写pro):是由20种L-氨基酸按一定的序列通过酰胺键（肽键）缩合而成的，具有稳定构象和一定生物功能的生物大分子。二、蛋白质的分类三、蛋白质的元素组成1.共有的元素有C、H、O、N，其次S、稀有P等2.其中N元素的含量相对恒定，占13%～19%，平均为16%，因此通过样品中含氮量的测定，乘以6.25，即可推算出其中蛋白质的含量（凯氏定氮法）。四、蛋白质的生物学功能.蛋白质是生命的表征，哪里有生命活动哪里就有蛋白质1.酶：作为酶的化学本质，温和、快速、专一，任何生命活动之必须，酶的另一化学本质是RNA，不过它比蛋白质差远了，种类、速度、数量。2.免疫系统：防御系统，抗原（进入“体内”的生物大分子和有机体），发炎。细胞免疫：T细胞本身，分化，脓细胞。体液免疫：B细胞，释放抗体，导弹，免疫球蛋白（Ig）。3.肌肉：肌肉的伸张和收缩靠的是肌动蛋白和肌球蛋白互动的结果。4.运输和储存氧气：Hb和Mb。5.激素：含氮类激素，固醇类激素。6.基因表达调节：操纵子学说，阻遏蛋白。7.生长因子：EGF（表皮生长因子），NGF（神经生长因子），促使细胞分裂。8.信息接收：激素的受体，糖蛋白，G蛋白。9.结构成分：胶原蛋白（肌腱、筋），角蛋白（头发、指甲），膜蛋白等。生物体就是蛋白质堆积而成，人的长相也是由蛋白质决定的。10.精神、意识方面：记忆、痛苦、感情靠的是蛋白质的构象变化，蛋白质的构象分类是目前热门课题。第二节氨基酸（aminoacids）--------蛋白质组成单位氨基酸（aminoacid,aa)：蛋白质的基本组成单位，是含氨基的羧酸。是羧酸分子中Cα上的一个H被氨基取代而成的化合物。一、氨基酸的一般结构特征大分子蛋白质的基本组成单位或构件分子（building-blockmolecule）是氨基酸（aminoacid，AA）。3在种类上，虽然自然界中存在着300多种氨基酸，但构成蛋白质的只有20种氨基酸，且都是L-α-氨基酸，在蛋白质生物合成时它们受遗传密码控制。另外,组成蛋白质的氨基酸，不存在种族差异和个体差异。在20种氨基酸中，除甘氨酸不具有不对称碳原子和脯氨酸是亚氨基酸外，其余均为Ｌ-α-氨基酸。氨基酸分子的结构通式为：RH|C|COOHNH2氨基酸的构型：自然选择L-型，D-型氨基酸没有营养价值，仅存在于缬氨霉素、短杆菌肽等极少数寡肽之中，没有在蛋白质中发现。二、氨基酸的分类和结构1.按侧链R基的极性1极性氨基酸：亲水氨基酸：溶解性较好，酸性氨基酸、碱性氨基酸、含巯基、羟基、酰胺基的氨基酸，Glu、Asp、Arg、Lys、His、Cys、Ser、Thr、Tyr、Gln、Asn。2非极性氨基酸：疏水氨基酸：溶解性较差，具有烷烃链、甲硫基、吲哚基等的氨基酸，Gly、Ala、Leu、Ile、Val、Pro、Met、Trp、Phe。20种基本氨基酸的表示方法有下列几种：（1）中文名：X（X）氨酸，如甘氨酸、半胱氨酸。20种要会背。（2）英文名：3字名，如Gly、Cys等，20种要会背。（3）按顺序演示，记忆技巧。AlaArgAspAsnCysGluGlnGlyHisIle丙精天天冬酰氨半谷谷氨酰氨甘组异亮LeuLysMetPheProSerThrTrpTyrVal亮赖甲硫苯丙脯丝苏色酪缬氨基酸的具体结构：20种全部记住，仅注意R。讲解顺序：甘Gly（最特殊，唯一无旋光性）、丙Ala（顾名思义）、苯丙Phe（顾名思义）。酪Tyr（有β-苯酚基）、半胱Cys（β-巯基）、丝Ser（β-羟基）、苏Thr（β-羟基）、天冬Asp（酸性氨基酸，β-羧基）、天冬酰胺Asn（β-酰胺）、色Trp（β-吲哚基）、组His（β-咪唑基）。谷Glu（酸性氨基酸，γ-羧基）、谷氨酰胺Gln（γ-酰胺）、甲硫Met（γ-甲硫基）。精Arg（δ-胍基）。赖Lys（碱性氨基酸，ε-氨基）。缬Val、亮Leu、异亮Ile：都是烷烃链。脯Pro（亚氨基）。42.按侧链R基的结构1脂肪族氨基酸：酸性氨基酸（2羧基1氨基：Glu、Asp），碱性氨基酸（2氨基1羧基：Arg、Lys），中性氨基酸（氨基羧基各一：很多）2芳香族氨基酸：含苯环：Phe、Tyr3杂环氨基酸：His（也是碱性氨基酸）、Pro、Trp3.按氨基酸营养价值1必需氨基酸：人和哺乳动物不可缺少但又不能合成的氨基酸，只能从食物中补充，共有8种：Leu、Lys、Met、Phe、Ile、Trp、Thr、Val2半必需氨基酸：人和哺乳动物虽然能够合成，但数量远远达不到机体的需求，尤其是在胚胎发育以及婴幼儿期间，基本上也是由食物中补充，只有2种：Arg、His。有时也不分必需和半必需，统称必需氨基酸，这样就共有10种。3非必需氨基酸：人和哺乳动物能够合成，能满足机体需求的氨基酸，其余10种4.非基本氨基酸1氨基酸的衍生物：蛋白质分子中尚含有一些经修饰的氨基酸，并无遗传密码编码，它们往往是在蛋白质生物合成后，由其中相应氨基酸经加工修饰生成。如胱氨酸是由2个半胱氨酸脱氢氧化生成，含有二硫键，存在于部分蛋白质分子中；而羟赖氨酸与羟脯氨酸来自蛋白质中赖氨酸和脯氨酸的羟化，主要存在于胶原蛋白分子中，它与胶原蛋白分子结构的稳定与功能均有关；一些凝血因子分子中含有γ－羧基谷氨酸，也来自蛋白质分子中谷氨酸的羧化，且与其凝血活性密切有关；而一些酶蛋白分子中的丝氨酸、苏氨酸或酪氨酸羟基，还可与磷酸结合被磷酸化等，更与酶活性的调节功能密切相关。2非蛋白氨基酸：仅游离存在，瓜氨酸、鸟氨酸、β-丙氨酸3D-氨基酸：缬氨霉素、短杆菌肽中含有。三、氨基酸的性质1.物理性质1溶解性：溶解于水，特别是稀酸稀碱溶液，不溶于乙醇、氯仿等有机溶剂。2紫外吸收：有共轭双键的物质都具有紫外吸收，在20种基本aa中，有4种是具有共轭双键的，Trp、Tyr、Phe、His，其中His只有2个双键共轭，紫外吸收比较弱，Trp、Tyr、Phe均有3个双键共轭，紫外吸收较强，其中Trp的紫外吸收最厉害，是蛋白质紫外吸收特性的最大贡献者。2.化学性质1两性解离和等电点：氨基酸是个两性电解质，既可进行酸解离也可进行碱解离，用解离方程式表示，这样，氨基酸在水溶液中5就可能带电，+或-，以及呈电中性，到底是什么情况，完全由溶液的PH值来决定。等电点：如果调节溶液的PH值使得氨基酸所带正负电荷相等，即净电荷为零时溶液的pH值即为该氨基酸的等电点。PI是氨基酸的重要常数之一，它的意义在于，物质在PI处的溶解度最小，是分离纯化物质的重要手段。2等电点的计算：对于所有的R基团不解离的氨基酸而言（即解离只发生在α-羧基和α-氨基上），计算起来非常简单：PI＝（PK1’+PK2’）/2若是碰到R基团也解离的，氨基酸就有了多级解离，这个公式就不好用了，比如Lys、Glu等。在这种情况下可以按下面的步骤来计算：一氨基二羧基氨基酸,其公式为:pI=(pK1+Pk2)/2二氨基一羧基氨基酸,其公式为:pI=(pK2+pK3)/2氨基酸等电点范围中性aa:PI5.0~6.5酸性aa:PI2.7~3.2碱性aa:PI9.5~10.7如果给不同的aa溶液通以电流:PHPIaa-向阳极移动PHPIaa+向阴极移动PH=PIaa为两性离子不发生电泳在一定pH范围中，溶液的pH离AA等电点愈远，AA带净电荷愈多。在电场中移动愈快。因此,带电颗粒的迁移速度与其所带净电荷多少,分子大小,分子形状有关.3紫外吸收特征4氨基酸的重要化学反应α-氨基和α-羧基共同参加的反应（1）茚三酮反应：Pro产生黄色物质，其它为蓝紫色。(2)成肽反应α-氨基参加的反应（1）DNFB（二硝基氟苯，Sanger试剂），蛋白质N端测定一级结构分析。（2）PITC（苯异硫氰酸酯，Edman试剂）蛋白质N端测定一级结构分析。（3）甲醛滴定aa含量：（封闭氨基）。6α-羧基参加的反应侧链反应(1)黄色反应----芳香族氨基酸（色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸）芳香族氨基酸遇浓硝酸生成黄色硝基苯衍生物，在碱性溶液中，进一步形成深橙色的硝醌酸钠。(2)乙醛酸反应----色氨酸特有反应色氨酸在浓硫酸中与乙醛酸反应生成红紫色物质。(3)福林(Folin)反应----酪氨酸酪氨酸在碱性条件下与Folin试剂中的磷钼酸\磷钨酸反应生成蓝色化合物。第三节蛋白质的结构一.肽与肽键1肽键（peptidebond）是蛋白质分子中的主要共价键，性质比较稳定。它虽是单键，但具有部分双键的性质，难以自由旋转而有一定的刚性，因此形成肽键平面（图2－3），则包括连接肽键两端的C═O、Ｎ－Ｈ和2个Cα共6个原子的空间位置处在一个相对接近的平面上，而相邻2个氨基酸的侧链R又形成反式构型，从而形成肽键与肽链复杂的空间结构。2肽（peptide）是氨基酸通过肽键相连的化合物，蛋白质不完全水解的产物也是肽。肽按其组成的氨基酸数目为2个、3个和4个等不同而分别称为二肽、三肽和四肽等，一般含10个以下氨基酸组成的称寡肽（oligopeptide），由10个以上氨基酸组成的称多肽（polypeptide），它们都简称为肽。肽链中的氨基酸已不是游离的氨基酸分子，因为其氨基和羧基在生成肽键中都被结合掉了，因此多肽和蛋白质分子中的氨基酸均称为氨基酸残基（aminoacidresidue）。多肽有开链肽和环状肽。在人体内主要是开链肽。开链肽具有一个游离的氨基末端和一个游离的羧基末端，分别保留有游离的α－氨基和α－羧基，故又称为多肽链的N端（氨基端）和C端（羧基端），书写时一般将N端写在分子的左边，并以此开始对多肽分子中的氨基酸残基依次编号，而将肽链的C端写在分子的右边。写法和读法：规定书写方法为N端→C端，例如：Ala-Gly-Phe，读作：丙氨酰甘氨酰苯丙氨酸。3肽的性质1.酸碱性：肽至少有一个游离的氨基和游离的羧基，也是两性化合物，至少有2级解离，通常都有多级解离。因此，肽在水溶液中也能够带电，也有自己的等电点PI，其计算与测定完全同氨基酸的。例如：谷胱甘肽，Glu-Cys-Gly，，注意Glu-Cys之间的肽键（γ-，而不是正常的α-），各解离基团的PK’值，PI＝（2.13+2.34）/2＝2.235，很酸。2.双缩脲反应：双缩脲（相似于三肽，即2个肽键）、碱性铜离子、紫红色化合物。凡大于三肽的肽都能发7生此反应，2肽不行。4肽的