生物化学1

2003级生物技术教师：李琳生物化学概述1.蛋白质化学2.核酸的化学3.糖类的结构与功能4.脂类和生物膜5.酶6.维生素和辅酶7.新陈代谢与生物氧化8.糖代谢9.脂类的代谢10.氨基酸代谢11.核苷酸代谢12.核酸的生物合成13.蛋白质的合成14.代谢的相互联系和调节控制概述生物化学：利用化学的理论和方法研究生物的科学研究内容组成生物体的物质种类及结构生物体内的物质代谢和能量代谢过程物质的结构、性质、功能及代谢变化与生命的关系发展历史叙述生物化学（18世纪~19世纪末）–酶、维生素、激素是19世纪初生化领域的三大发现动态生物化学-细胞水平（20世纪初~50年代）机能生物化学-分子水平（50年代~目前）–近二三十年，“中心法则”、限制性内切酶、人类基因组计划、克隆技术等生物化学的研究方向最终目标：解析生命体的微观结构、体内生物化学反应机制及复制生命器官1.生命大分子物质的合成、结构和功能的关系2.生物工程的研究（基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程、发酵工程）3.生物膜的研究4.物质代谢调控的研究克隆技术(Clone)1938年，德国胚胎学家首次提出设想1952年，用青蛙开展首次克隆实验1996年7月，爱丁堡罗斯林研究所威尔莫特克隆了名为“多莉”的雌性小绵羊人类基因组计划（HGP）1986年，达尔贝科提出1990年，美国国会批准“HGP”，9月，中国获准加入，负责测定人类基因组序列的1%2000年6月26日，草图绘制成功2003年4月14日，人类基因组序列图绘制成功进入后基因组时代人类基因组研究在新药开发中的作用基因组研究的目标：发现特定基因的生物学功能并鉴定和验证药物的作用靶点，开发基因组药物寻找新基因或基因新功能，提供新药筛查和重新设计的靶标或开拓疾病诊断和防治的新技术和新方法可发现作为基因药物用的新细胞因子蛋白质组学20世纪90年代中期蛋白质组学以细胞内全部蛋白质的存在及其活动方式为研究对象1994年，首次提出蛋白质组概念1996年，澳大利亚建立了第1个蛋白质组研究中心（APAF）2001年4月，美国成立了国际人类蛋白质组研究组织（HUPO）蛋白质组学的发展趋势1.基础研究方面：2应用研究方面：寻找疾病分子标记和药物靶标的最有效方法之一3.技术发展方面：多种技术并存，蛋白质组学与其它学科的交叉生物芯片技术通过微加工工艺在厘米见方的芯片上集成有成千上万个与生命相关的信息分子，实现对基因、配体、抗原等生物活性物质进行测试和分析包括基因芯片和肽芯片DNA芯片的概念起始于80年代中期，96年美国创造了第1块DNA芯片（AFFYMATRIS公司）发达国家在生物技术领域的发展美国：率先开启以蛋白质和药物基因学为研究重点的后基因研究时代，保持世界先进技术领先地位德国：“全国基因组科研网”符赖斯堡“生物谷”日本：重点推进生物信息技术、系统生物技术及纳米生物技术英国：干细胞研究发展中国家在生物技术领域的发展印度：干细胞巴西：基因研究大国，正在建世界最大农业基因库韩国：重点发展基因组学、蛋白质组学及生物信息学中国：在人类基因组计划中占1%，独立绘制水稻的基因序列蛋白质化学1.概述2.氨基酸3.肽4.蛋白质概述1.生物学意义：催化；运输；运动；调节；防御体系；控制遗传信息、细胞膜通透性及记忆、识别机构、机械强度等蛋白质是一切生物体的细胞和组织的主要组成成分，也是生物体形态结构的物质基础；蛋白质功能的共性：特异结合元素：C、H、O、N（15~18%）、S氨基酸构成蛋白质的氨基酸主要有20种，除脯氨酸外，都是α-氨基酸。人和动物需要的某些氨基酸可以由另一种氨基酸在人体或动物体内转化而来，但有些氨基酸不能由体内转化，须由食物或饲料提供。若人体缺乏此氨基酸，则影响机体正常的生长必需氨基酸HRCCOOHNH2旋光性L-氨基酸和D-氨基酸氨基酸的分类G、A、V、L、I、M、C、S、T、E、Q、D、N、K、RF、YH、WP脂肪族氨基酸芳香族氨基酸杂环氨基酸杂环亚氨基酸氨基酸的分类S,T,N,Q,Y,CH,K,RD,EG,A,V,L,I,F,M,P,W极性氨基酸非极性氨基酸极性不带电荷极性带正电荷极性带负电荷氨基酸的理化性质1.溶解度2.熔点:高3.旋光性有旋光性4.味感：D-氨基酸大多带甜味，L-氨基酸有苦、甜、鲜、酸等四种不同味感。1.两性性质：氨基酸分子中含有氨基及羧基，使其既能象酸又能象碱一样解离；2.与甲醛作用：3.与2,4-二硝基氟苯作用：4.与茚三酮的作用：5.与异硫酸苯酯的作用：6.与荧光胺的作用：7.与5,5‘-双硫基-双(硝基苯甲酸)反应等电点概念：在等电点时，氨基酸的溶解度最小，易沉淀等电点可用酸碱滴定方法测定，也可通过pK值计算–侧链无解离基团时：pI=(pK1+pK2)/2–侧链有解离基团时,pI相当于氨基酸的两性离子状态两侧的基团pK值和的一半返回肽一个氨基酸的α-羧基和另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而成的化合物为肽;A氨基酸的α-羧基和B氨基酸的α-氨基缩合的二肽为AB。谷胱甘肽（GSH）三肽：由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸组成；分子中有一γ-肽键，由谷氨酸的γ-羧基和α-氨基缩合而成；GSH含一个巯基，易氧化为GSSG。GSH是某些酶的辅酶，在体内氧化还原过程中起重要作用。催产素和升压素在下丘脑的神经细胞中合成，合成后与神经垂体运载蛋白结合，经轴突运输到神经垂体，再释放至血液；为9肽，有环状结构；催产素使子宫和乳腺平滑肌收缩，具有催产及使乳腺排乳作用；升压素则促进血管平滑肌收缩，升高血压，减少排尿。其他促肾上腺皮质激素（ACTH）–39肽，刺激肾上腺皮质的生长和肾上腺皮质激素的合成与分泌脑肽–脑啡肽：镇痛–Β-内啡肽：吗啡样活性及镇痛；–Γ-内啡肽：抗精神分裂症胆囊收缩素–33肽胰高血糖素–胰脏-α细胞分泌胰高血糖素，为29肽；–可调控肝糖原降解产生葡萄糖维持血糖水平；舒张血管；抑制肠蠕动。返回蛋白质的结构1.蛋白质的一级结构：由共价键结合在一起的氨基酸残基的排列序列；2.蛋白质的二级结构：主链上原子的局部空间排列，不包括与其它链段之间的相互关系及侧链结构；[α-螺旋结构（α、αⅡ、γ、310）、β-片层结构（β折叠、β卷曲）、无规卷曲结构、其它结构]3.蛋白质的三级结构：α螺旋、β折叠、β卷曲及无规卷曲等二级结构的多肽链在三维空间的排列方式。4.蛋白质的四级结构：具有三级结构的蛋白质亚单位通过非共价键缔合的结果，稳定四级结构的力或键与稳定三级结构的那些键相同。蛋白质的一级结构一级结构---氨基酸残基的排列顺序蛋白质中氨基酸连接的基本方式是肽键除肽键外还有-S-S-键,是连接肽键内与肽链间的主要桥键二硫键:起稳定肽链空间结构的作用,与生物活性有关胰岛素O=C-N-H胰岛素–由51个氨基酸组成–A链+B链–A链：由21个氨基酸组成–B链：由30个氨基酸组成–A链和B链由2对-S-S-键连起来蛋白质一级结构的测定测序策略：Ex：一个肽与FDNB反应后，用5.7mol/LHCl水解后得到DNP-Ser和6种其它氨基酸，用酶1可将此肽切为3个小肽：Ser-Met-Lys、Arg-Thr和Ala-Glu；后用酶2将之切为3段：Lys-Ala、Ser-Met及Glu-Arg-Thr；确定此肽序列多肽链数目的确定氨基酸组成分析重建多肽链的一级结构裂解多肽链成小片段鉴定N-末端和C-末端断开-S-S-键拆分多肽链测定各肽段的氨基酸序列确定-S-S-位置蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构:蛋白质分子中所有原子在是三维空间的排列分布和肽链的走向二级结构:蛋白质多肽的折叠和盘绕方式–α螺旋–β折叠：平行和反平行结构–β转角：–自由回转：没有一定规律的松散肽链结构超二级结构和结构域α螺旋每隔3.6个氨基酸残基,螺旋上升一圈.α螺旋中氨基酸侧链伸向外侧,相邻的螺圈之间形成氢键氢键（稳定蛋白质二级结构的主要作用力）：多肽主链上-C=O和N-H-，氢键还可在侧链与侧链、侧链和水、主链肽基与侧链间形成；Ns；天然蛋白质大多为右手螺旋β折叠肽链按层排列，依靠相邻肽链上的C=O与N-H形成的氢键来维持结构的稳定性–平行结构：所以肽链的N端都处于同一端，是同一方向的；–反平行结构：肽链的N端一顺一倒排列（更稳定）β折叠-反平行结构β折叠-平行结构β转角超二级结构是蛋白质二级结构和三级结构层次中的过渡态构象层次超二级结构：若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的、在空间上能辨认的二级结构组合体超二级结构超二级结构超二级结构结构域是球状蛋白质的折叠单位，在空间上彼此分隔，各自具有部分生物功能的结构含100~200个氨基酸残基，1条长的多肽链首先折叠成几个相对独立的结构域再缔合成三级结构蛋白质的三级结构是多肽链上的所有原子在三维空间的分布肌红蛋白：由153个氨基酸残基和1个血红素辅基组成8段长度为7~24个氨基酸残基的α螺旋，拐角处，α螺旋被破坏；拐角一般为1~8个氨基酸残基组成的松散肽链脯氨酸、异亮氨酸及丝氨酸存在于拐角处具极性基团侧链的氨基酸残基在分子表面，而非极性的则埋于分子内部蛋白质的四级结构大多数相对分子质量大的蛋白质都由几条多肽链组成为1个活性单位；“亚基”四级结构：亚基的相互关系，空间排布、亚基间通过非共价键聚合而成特定构象稳定蛋白质三维结构的作用力氢键（稳定蛋白质二级结构的主要作用力）：多肽主链上-C=O和N-H-，氢键还可在侧链与侧链、侧链和水、主链肽基与侧链间形成；范德华力：相互作用数量大且具有加成效应和位相效应；静电相互作用疏水作用：水介质中球状蛋白质的折叠趋向于把疏水残基埋藏在分子内部（主要动力为蛋白质溶液系统的熵增加）；二硫交联键：-S-S-不规定多肽键的折叠，但对此构象起稳定作用。蛋白质分子结构和功能的关系一级结构和功能–种属差异–分子病构象与功能–别构现象蛋白质的理化性质1.蛋白质溶液的渗透压较低；蛋白质分子表面带有水化膜，使蛋白质溶液的流动阻力及粘度都较大；2.（1）蛋白质的两性解离及等电点（2）.蛋白质的胶体性质（3）.蛋白质的沉淀作用（4）.蛋白质的变性及凝固（5）.蛋白质水解作用（6）.蛋白质氧化-还原作用（7）.蛋白质的颜色反应蛋白质的两性解离及等电点当蛋白质溶液处于等电点时，其溶解度最小；粘度、渗透压、膨胀性及导电能力也降为最低值。返回蛋白质的胶体性质1.具有胶体的一切特性（布郎运动、丁达尔现象、电泳、不能透过半透膜、具有吸附能力）2.亲水胶体（稳定性水合作用、双电层）3.溶胶凝胶（蛋白质颗粒分散在水中）（水分散在蛋白质颗粒中）返回蛋白质的沉淀反应1.盐析2.有机溶剂沉淀反应3.重金属盐沉淀反应4.某些酸引起的沉淀反应蛋白质的沉淀反应1.盐析：将中性盐类加于蛋白质溶液中，使其从溶液中沉淀析出。感胶离子序：Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+Li+Na+K+Rb+Cs+；C6H5O73-C4H4O63-SO42-CH3COO-Cl-NO3-2.有机溶剂沉淀：（有机溶剂亲水性蛋白质）3.重金属沉淀反应：蛋白质+重金属（Zn2+、Cu2+、Hg2+、Pb2+、Fe2+）蛋白质金属盐4.有机酸沉淀剂的沉淀反应：（苦味酸、磷钨酸、磷钼酸、鞣酸、三氯醋酸、磺酰水杨酸）+蛋白质沉淀（pH等电点）返回蛋白质的变性及凝固概念：蛋白质受到外界因素的影响，使构成空间结构的氢键等遭受破坏，导致二级、三级结构发生变化，天然蛋白质的空间构型解体，使天然蛋白质的理化特性改变并失去原有的生理活性。变性后蛋白质的特性：1.物理性质的改变2.化学性质的改变3.生物性能的改变影响因素：1.温度：2.有机溶剂：3.酸、碱：返回蛋白质的变性变性蛋白质的特性1.物理性质的改变：旋光值改变，粘度增加，失去结晶能力，溶解度下降，发生絮凝、沉淀2.化学性质的