生物化学的的概念

第一章绪论一、生物化学的的概念生物化学（biochemistry）是利用化学的原理与方法去探讨生命的一门科学，是研究生命的化学本质的科学。它是介于化学、生物学及物理学之间的一门边缘学科。二、生物化学的发展1．静态生物化学阶段：是生物化学发展的萌芽阶段，其主要的工作是分析和研究生物体的组成成分以及生物体的分泌物和排泄物。2．动态生物化学阶段：是生物化学蓬勃发展的时期。就在这一时期，人们基本上弄清了生物体内各种主要化学物质的代谢途径。3．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。三、生物化学研究的主要方面1．生物体的物质组成、结构与功能：高等生物体主要由蛋白质、核酸、糖类、脂类以及水、无机盐等组成，此外还含有一些低分子物质。通过对生物大分子结构的理解，揭示结构与功能之间的关系。2．物质代谢与调控：物质代谢的基本过程主要包括三大步骤：消化、吸收→中间代谢→排泄。其中，中间代谢过程在细胞内进行的，是最为复杂的化学变化过程，它包括合成代谢，分解代谢，物质互变，代谢调控，能量代谢几方面的内容。3．遗传信息的传递与表达：对生物体遗传与繁殖的分子机制的研究，也是现代生物化学与分子生物学研究的一个重要内容。四、学习生物化学的方法第二章蛋白质的结构与功能重点：蛋白质的性质与结构难点：蛋白质的空间结构教法：:课件第一节蛋白质是生命的物质基础一蛋白质是构成生命的物质基础二蛋白质的生物学功能1．生物催化作用2．代谢调控作用3．免疫防御作用4．运输及储存作用5．运动作用6．生物膜功能及受体作用7．其它作用三：蛋白质的分类1根据生物学功能分：酶、抗体、运输蛋白、激素等2：根据化学组成成分分类：简单蛋白：仅由aa构成结合蛋白：简单蛋白与其它生物分子的结合物，糖蛋白（共价）、脂蛋白（非共价）3：根据分子形状分类：球蛋白：长/宽≤3～4，血红蛋白纤维蛋白：长/宽10，血纤蛋白、丝蛋白第二节蛋白质的分子组成一、蛋白质的元素组成：C(50%-56%)H(6%-8%)O(19%-24%)N(13%-19%)S(0%-4%)其中氮的含量稳定15%-17%，平均为16%，通过测定物质的含氮量可测蛋白质的含量。粗蛋白=含氮量ⅹ6、25二、组成蛋白质的基本单位———氨基酸（一）氨基酸的结构特点：都有一个氨基和一个羧基且连在同一个碳原子上。RNH2----C-----COOHH（二）氨基酸的分类：1、根据R基团的化学结构：脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸、杂环族氨基酸2、根据R基团的酸碱性分为：中性氨基酸、酸性氨基酸、碱性氨基酸3、根据R基团的带电性质分为：疏水性氨基酸、带电荷极性氨基酸、不带电荷的极性氨基酸。(三)氨基酸的理化性质1、一般性质：2、化学性质：（1）氨基酸的两性电离与等电点两性电解质：在同一分子中带有性质相反的酸、碱两种解离基团的化合物，称为两性电解质。等电点：在一定的PH溶液中，氨基酸带正、负电荷为零，净电荷为零，此时溶液的PH值为该氨基酸的等电点。（2）氨基酸分子之间头脱水生成肽（3）呈色反应：印三酮反应、羰氨反应第三节蛋白质的分子结构一蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构是指肽链中氨基酸排列顺序二蛋白质的空间结构1蛋白质的二级(Secondary)结构是指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。二级结构的常见类型α-右手螺旋、β-折叠、无规卷曲、U型回折。2蛋白质的三级结构(TertiaryStructure)是指在二级结构基础上，肽链的不同区段的侧链基团相互作用在空间进一步盘绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构。维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键，在蛋白质三级结构中起着重要作用。3蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构(QuaternaryStructure)是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基或亚单位Subunit，它一般由一条肽链构成，无生理活性；维持亚基之间的化学键主要是疏水力。由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白；三.蛋白质的结构与功能的关系1每一种蛋白质都具有特定的结构，也具有特定的功能。2蛋白质的结构决定了蛋白质的功能。3蛋白质的功能直接由其高级结构（构象）决定。例子，蛋白质的变性现象。4蛋白质的一级结构决定高级结构（构象），因此，最终决定了蛋白质的功能。例子，人工合成胰岛素，A、B链分别合成，等比例混合后就有活性。而生物合成胰岛素则是先合成一条长肽链，形成正确的二硫键，而后再剪去中间的C肽才形成胰岛素的。草图显示。第四节蛋白质的理化性质1：两性离解和等电点：在等电点时(IsoelectricpointpI)，蛋白质的溶解度最小，在电场中不移动。在不同的pH环境下，蛋白质的电学性质不同。在等电点偏酸性溶液中，蛋白质粒子带负电荷，在电场中向正极移动；在等电点偏碱性溶液中，蛋白质粒子带正电荷，在电场中向负极移动。这种现象称为蛋白质电泳(Electrophoresis)。蛋白质在等电点pH条件下，不发生电泳现象。利用蛋白质的电泳现象，可以将蛋白质进行分离纯化。2：蛋白质的高分子性质：由于蛋白质的分子量很大，它在水中能够形成胶体溶液。蛋白质溶液具有胶体溶液的典型性质，如丁达尔现象、布郎运动等。由于胶体溶液中的蛋白质不能通过半透膜，因此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除去。蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量大小、所带的电荷和水化作用有关。改变溶液的条件，将影响蛋白质的溶解性质在适当的条件下，蛋白质能够从溶液中沉淀出来。3：蛋白质的沉淀：可逆沉淀：在沉淀过程中，结构和性质都没有发生变化，在适当的条件下，可以重新溶解形成溶液，所以这种沉淀又称为非变性沉淀。一般是在温和条件下，通过改变溶液的pH或电荷状况，使蛋白质从胶体溶液中沉淀分离。（可逆沉淀是分离和纯化蛋白质的基本方法，如等电点沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法等。）不可逆沉淀：在蛋白质的结构和性质，产生的蛋白质沉淀不可能再重新溶解于水强烈沉淀条件下，不仅破坏了蛋白质胶体溶液的稳定性，而且也破坏了。由于沉淀过程发生了蛋白质的结构和性质的变化，所以又称为变性沉淀。4：蛋白质变性：蛋白质的性质与它们的结构密切相关。某些物理或化学因素，能够破坏蛋白质的结构状态，引起蛋白质理化性质改变并导致其生理活性丧失。这种现象称为蛋白质的变性(denaturation)。变性蛋白质通常都是固体状态物质，不溶于水和其它溶剂，也不可能恢复原有蛋白质所具有的性质。所以，蛋白质的变性通常都伴随着不可逆沉淀。引起变性的主要因素是热、紫外光、激烈的搅拌以及强酸和强碱等。5：蛋白质的紫外吸收：大部分蛋白质均含有带芳香环的苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸。这三种氨基酸的在280nm附近有最大吸收。因此，大多数蛋白质在280nm附近显示强的吸收。利用这个性质，可以对蛋白质进行定性鉴定。6：蛋白质的颜色反应：可以用来定量定性测定蛋白质双缩脲反应：红色，λm＝540nm黄色反应：与HNO3的反应，生成硝基苯，呈黄色。皮肤遇到HNO3的情况，白→黄→橙黄。米伦氏反应：与HgNO3或HgNO2的反应，呈黄色，原理同上。与乙醛酸的反应：红色，Trp的吲哚基的特定反应。坂口反应：红色，Arg的胍基的反应。福林反应：蓝色，是Tyr的酚基与磷钼酸和磷钨酸的反应。印三酮反应：紫红色Pauly反应：樱红色，His的咪唑基双缩脲反应、印三酮反应、福林-酚试剂反应第三章酶重点：酶的结构和酶促反应动力学难点：酶的结构和酶催化作用的特点课时安排：共用4学时酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂Biocatalysts。绝大多数的酶都是蛋白质。酶催化的生物化学反应，称为酶促反应Enzymaticreaction。在酶的催化下发生化学变化的物质，称为底物substrate。第一节酶分子的组成与结构一、酶分子的组成：根据酶的组成情况，可以将酶分为两大类：单纯蛋白酶：它们的组成为单一蛋白质.结合蛋白酶：某些酶，例如氧化-还原酶等，其分子中除了蛋白质外，还含有非蛋白组分.结合蛋白酶的蛋白质部分称为酶蛋白，非蛋白质部分包括辅酶及金属离子(或辅因子cofactor)。酶蛋白与辅助成分组成的完整分子称为全酶。单纯的酶蛋白无催化功能.全酶=酶蛋白+辅助因子酶蛋白决定反应的专一性，辅助因子决定反应的性质。二、几种重要的辅酶与辅助因子：见维生素一章三、酶分子的空间结构与酶活性中心酶分子上具有一定空间构象的部位，该部位化学基团集中，直接参与将底物转变为产物的反应过程，这一部位就称为酶的活性中心。参与构成酶的活性中心的化学基团，有些是与底物相结合的，称为结合基团，有些是催化底物反应转变成产物的，称为催化基团，这两类基团统称为活性中心内必需基团。在酶的活性中心以外，也存在一些化学基团，主要与维系酶的空间构象有关，称为酶活性中心外必需基第二节酶催化作用的特点一、酶和一般催化剂的共性1，用量少而催化效率高；2，它能够改变化学反应的速度，但是不能改变化学反应平衡。3，酶能够稳定底物形成的过渡状态，降低反应的活化能，从而加速反应的进行。二、酶催化作用特性1：高效性。酶的催化作用可使反应速度提高106-1012倍。例如：过氧化氢分解2H2O2——→2H2O+O2用Fe+催化，效率为6*10-4mol/mol.S，而用过氧化氢酶催化，效率为6*106mol/mol.S。用-淀粉酶催化淀粉水解，1克结晶酶在65C条件下可催化2吨淀粉水解。2：酶的专一性Specificity又称为特异性，是指酶在催化生化反应时对底物的选择性(1)反应专一性酶一般只能选择性地催化一种或一类相同类型的化学反应。(2)底物专一性一种酶只能作用于某一种或某一类结构性质相似的物质。结构专一性绝对专一性：有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的底物。这种专一性称为绝对专一性（Absolutespecificity)。相对专一性：有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合物或一类化学键。这种专一性称为相对专一性(RelativeSpecificity)。包括族(group)专一性。如-葡萄糖苷酶，催化由-葡萄糖所构成的糖苷水解，但对于糖苷的另一端没有严格要求，和键(Bond)专一性。如酯酶催化酯的水解，对于酯两端的基团没有严格的要求。立体化学专一性：酶的一个重要特性是能专一性地与手性底物结合并催化这类底物发生反。例如，淀粉酶只能选择性地水解D－葡萄糖形成的1，4－糖苷键几何专一性：有些酶只能选择性催化某种几何异构体底物的反应，而对另一种构型则无催化作用。如延胡索酸水合酶只能催化延胡索酸水合生成苹果酸，对马来酸则不起作用。3．反应条件温和酶促反应一般在pH5-8水溶液中进行，反应温度范围为20-40C。高温或其它苛刻的物理或化学条件，将引起酶的失活。4.酶活力可调节控制如抑制剂调节、共价修饰调节、反馈调节、酶原激活及激素控制等。第三节酶催化作用的机制一酶作用专一性的机制酶分子活性中心部位，一般都含有多个具有催化活性的手性中心，这些手性中心对底物分子构型取向起着诱导和定向的作用，使反应可以按单一方向进行。酶能够区分对称分子中等价的潜手性基团。（一）“三点结合”的催化理论。认为酶与底物的结合处至少有三个点，而且只有一种情况是完全结合的形式。只有这种情况下，不对称催化作用才能实现。（二）锁钥学说：认为整个酶分子的天然构象是具有刚性结构的，酶表面具有特定的形状。酶与底物的结合如同一把钥匙对一把锁一样（三）诱导契合学说：该学说认为酶表面并没有一种与底物互补的固定形状，而只是由于底物的诱导才形成了互补形状。二：酶作用高效率的机制1，中间产物学说在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶－底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。E+S====E-SP+E许多实验事实