生物化学精要

1生物化学精要（与多媒体课件配套）第○章绪论一、生物化学概念生物化学是运用化学的原理和方法，研究生物体的物质组成和遵循化学规律所发生的一系列化学变化，进而深入揭示生命现象本质的一门科学，有生命的化学之称。二、生物化学研究内容1.生物体物质的化学组成、结构、性质和功能2.生物体内的物质代谢、能量转换和代谢调控3.生物体的信息代谢4.运用生物化学原理和方法，为农业、工业、医药卫生、环境保护等服务，开拓富有经济价值的生物资源（酶制剂、药品、食品添加剂、杀虫剂……）三、生物化学的发展1静态生物化学时期（二十世纪二十年代以前）：研究内容以分析生物体内物质的化学组成、性质和含量为主。2动态生物化学时期（二十世纪前半叶）：物质代谢途径及动态平衡、能量转化，光合作用、生物氧化、糖的分解和合成代谢、蛋白质合成、核酸的遗传功能、酶、维生素、激素、抗生素等的代谢3机能生物化学及分子生物学时期（二十世纪五十年代以后）：生命的本质和奥秘：运动、神经、内分泌、生长、发育、繁殖等的分子机理第一章蛋白质化学一．蛋白质的生物学意义生物体的组成成分；酶；运输；运动；抗体；干扰素；遗传信息的控制；细胞膜的通透性；高等动物的记忆、识别机构。二．蛋白质的元素组成C（50~55%）、H（6~8%）、O（20~23%）、N（15~18%）、S（0~4%）、…N的含量平均为16%——凯氏（Kjadehl）定氮法的理论基础：蛋白质含量＝蛋白氮×6.25三．蛋白质的组成氨基酸是蛋白质的基本组成单位。从细菌到人类，所有蛋白质都由20种标准氨基酸组成（牢记三字符号和结构式）。Cα如是不对称C（除Gly），则：（1）具有两种立体异构体[D-型和L-型]；（2）具有旋光性（手性）[左旋（-）或右旋（+）]氨基酸的重要理化性质：（1）一般物理性质：无色晶体，熔点极高（200℃以上），不同味道；水中溶解度差别较大（极性和非极性），不溶于有机溶剂。具有紫外吸收性质（280nm）。2（2）两性解离和等电点：氨基酸在水溶液中或在晶体状态时都以离子形式存在，在同一个氨基酸分子上带有能放出质子的—NH3+正离子和能接受质子的—COO-负离子，为两性电解质。调节氨基酸溶液的pH，使氨基酸分子上的—+NH3基和—COO-基的解离程度完全相等时，即所带净电荷为零，此时氨基酸所处溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（pI）。（3）化学性质：①与茚三酮的反应：Pro产生黄色物质，其它为蓝紫色。在570nm（蓝紫色）或440nm（黄色）定量测定（几μg）；②与甲醛的反应：氨基酸的甲醛滴定法，可以用来直接测定氨基酸的浓度和蛋白质水解程度；③与异硫氰酸苯酯（PITC）的反应，重复测定多肽链N端氨基酸排列顺序，设计出“多肽顺序自动分析仪”。四．肽肽是一个氨基酸的α-羧基和另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而成的化合物。氨基酸之间脱水后形成的键称肽键（酰胺键）。肽链写法：游离α-氨基在左，游离α-羧基在右，氨基酸之间用“－”表示肽键。五．蛋白质的结构蛋白质是氨基酸以肽键相互连接的线性序列。在蛋白质中，多肽链折叠形成特殊的形状（构象）。在结构中，这种构象是原子的三维排列，由氨基酸序列决定。蛋白质有四种结构层次：一级结构，二级结构，三级结构和四级结构（不总是有）。（一）蛋白质的一级结构一级结构就是蛋白质分子中氨基酸残基的排列顺序，即氨基酸的线性序列。在基因编码的蛋白质中，这种序列是由mRNA中的核苷酸序列决定的。一级结构中包含的共价键主要指肽键和二硫键。（二）蛋白质的空间结构是指蛋白质分子中所有原子在三维空间的排列分布和肽链的走向。由于羰基碳-氧双键的靠拢，允许存在共振结构，碳与氮之间的肽键有部分双键性质，由CO-NH构成的肽单元呈现相对的刚性和平面化，肽键中的4个原子和它相邻的两个α-碳原子多处于同一个平面上。蛋白质构象稳定的原因：（1）酰胺平面；（2）侧链基团R的影响。1.蛋白质的二级结构：指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕方式。（1）α-螺旋：Pauling和Corey于1965年提出。结构要点：1）螺旋的每圈有3.6个氨基酸，螺旋间距离为0.54nm，每个残基沿轴旋转100°。2）每个肽键的羰基氧与远在第四个氨基酸氨基上的氢形成氢键，氢键的走向平行于螺旋轴，所有肽键都能参与链内氢键的形成。3)R侧链基团伸向螺旋的外侧。4）Pro的N上缺少H，不能形成氢键，经常出现在α-螺旋的端头，它改变多肽链的方向并终止螺旋。（2）β-折叠结构：是一种肽链相当伸展的结构。肽链按层排列，依靠相邻肽链上的羰基和氨基形成的氢键维持结构的稳定性。肽键的平面性使多肽折叠成片，氨基酸侧链伸展在折叠片的上面和下面。β-折叠片中，相邻多肽链平行或反平行（较稳定）。（3）β-转角：为了紧紧折叠成紧密的球蛋白，多肽链常常反转方向，成发夹形状。一个氨基酸的羰基氧以氢键结合到相距的第四个氨基酸的氨基氢上。（4）自由回转：没有一定规律的松散肽链结构。酶的活性部位。2.蛋白质的三级结构指多肽链上的所有原子（包括主链和侧链）在三维空间的分布。3.蛋白质的四级结构多肽亚基的空间排布和相互作用。亚基间以非共价键连接。（三）蛋白质结构中的共价健和次级键六．蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质分子具有多样的生物学功能，需要一定的化学结构，还需要一定的空间构象。（一）蛋白质一级结构与功能的关系31.种属差异蛋白质一级结构的种属差异十分明显，但相同部分氨基酸对蛋白质的功能起决定作用。根据蛋白质结构上的差异，可以断定它们在亲缘关系上的远近。2.分子病蛋白质分子一级结构的氨基酸排列顺序与正常有所不同的遗传病。（二）蛋白质构象与功能的关系别（变）构作用：含亚基的蛋白质由于一个亚基的构象改变而引起其余亚基和整个分子构象、性质和功能发生改变的作用。因别构而产生的效应称别构效应。如血红蛋白是别构蛋白，O2结合到一个亚基上以后，影响与其它亚基的相互作用。七．蛋白质的性质（一）蛋白质的相对分子量蛋白质相对分子量在10000~1000000之间。测定分子量的主要方法有渗透压法、超离心法、凝胶过滤法、聚丙烯酰胺凝胶电泳等。最准确可靠的方法是超离心法（Svedberg于1940年设计）：蛋白质颗粒在25~50×104g离心力作用下从溶液中沉降下来。沉降系数的单位常用S，1S=1×10-13（s）（二）蛋白质的两性电离及等电点蛋白质在偏酸溶液中带正电荷，在偏碱溶液中带负电荷，在等电点时为两性离子。电泳：带电颗粒在电场中移动的现象。分子大小不同的蛋白质所带净电荷密度不同，迁移率即异，在电泳时可以分开。（三）蛋白质的胶体性质布郎运动、丁道尔现象、电泳现象，不能透过半透膜，具有吸附能力。蛋白质溶液稳定的原因：1）表面形成水膜（水化层）；2）带相同电荷。（四）蛋白质的变性天然蛋白质受物理或化学因素的影响，其共价键不变，但分子内部原有的高度规律性的空间排列发生变化，致使其原有性质发生部分或全部丧失，称为蛋白质的变性。变性蛋白质主要标志是生物学功能的丧失。溶解度降低，易形成沉淀析出，结晶能力丧失，分子形状改变，肽链松散，反应基团增加，易被酶消化。变性蛋白质分子互相凝集为固体的现象称凝固。有些蛋白质的变性作用是可逆的，其变性如不超过一定限度，经适当处理后，可重新变为天然蛋白质。第二章核酸的化学一．核酸的概念和重要性1869年，Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleicacid）；此后几十年内，弄清了核酸的组成及在细胞中的分布。1944年，Avery等成功进行肺炎球菌转化试验。1952年，Hershey等的实验表明32P-DNA可进入噬菌体内，证明DNA是遗传物质。除少数病毒（RNA病毒）以RNA作为遗传物质外，多数有机体的遗传物质是DNA。不同有机体遗传物质（信息分子）的结构差别，使得其所含蛋白质（表现分子）的种类和数量有所差别，有机体表现出不同的形态结构和代谢类型。RNA的主要作用是从DNA转录遗传信息，并指导蛋白质的合成。二．核酸的组成成分碱基（熟记腺嘌呤、鸟嘌呤、尿嘧啶、胞嘧啶和胸腺嘧啶的结构式）、戊糖（核糖或脱氧核糖）、磷酸。各种核苷三磷酸和脱氧核苷三磷酸是体内合成RNA和DNA合成的直接原料。4在体内能量代谢中的作用：ATP——能量“货币”；UTP——参加糖的互相转化与合成；CTP——参加磷脂的合成；GTP——参加蛋白质和嘌呤的合成。第二信使——cAMP、cGMP。三．DNA的结构（一）DNA的一级结构因为DNA的脱氧核苷酸只在它们所携带的碱基上有区别，所以脱氧核苷酸的序列常被认为是碱基序列。通常碱基序列由DNA链的5′→3′方向写。DNA中有4种类型的核苷酸，有n个核苷酸组成的DNA链中可能有的不同序列总数为4n。（二）DNA的双螺旋结构1953年，Watson和Crick提出。DNA的双螺旋模型特点：（1）两条反向平行的多聚核苷酸链沿一个假设的中心轴右旋相互盘绕而形成。（2）磷酸和脱氧核糖单位作为不变的骨架组成位于外侧，作为可变成分的碱基位于内侧，链间碱基按A—T，G—C配对（碱基配对原则，Chargaff定律）。（3）螺旋直径2nm，相邻碱基平面垂直距离0.34nm，螺旋结构每隔10个碱基对（bp）重复一次，间隔为3.4nm。（4）碱基平面与纵轴垂直，糖环平面与纵轴平行；（5）两条核苷酸链之间依靠碱基间的氢链结合在一起（G-C三个氢键，A-T二个氢键）；（6）螺圈之间主要靠碱基平面间的堆积力维持。DNA的双螺旋结构的意义：该模型揭示了DNA作为遗传物质的稳定性特征，最有价值的是确认了碱基配对原则，这是DNA复制、转录和反转录的分子基础，亦是遗传信息传递和表达的分子基础。该模型的提出是20世纪生命科学的重大突破之一，它奠定了生物化学和分子生物学乃至整个生命科学飞速发展的基石。DNA双螺旋的构象类型：B-DNA、A-DNA、Z-DNA。四．DNA与基因组织基因是DNA片段的核苷酸序列，DNA分子中最小的功能单位。包括结构基因与调节基因。基因组是指细胞内遗传信息的携带者－DNA的总体。基因组的特点：1.原核生物基因组的特点：（1）DNA大部分为结构基因，每个基因出现频率低。（2）功能相关基因串联在一起，并转录在同一mRNA中（多顺反子）。（3）有基因重叠现象。2.真核生物基因组的特点：（1）具有重复序列。（2）有断裂基因（由于内含子有存在）。内含子（intron)：基因中不为多肽编码，不在mRNA中出现。外显子（exons）：为多肽编码的基因片段。例外：组蛋白基因和干扰素基因没有内含子。）。五．RNA的结构与功能RNA分子是含短的不完全的螺旋区的多核苷酸链。（一）tRNAtRNA约占RNA总量的15%，主要作用是转运氨基酸用于合成蛋白质。tRNA分子量为4S，1965年Holley测定AlatRNA一级结构，提出三叶草二级结构模型。主要特征：1.四臂四环；2.氨基酸臂3′端有CCAOH的共有结构；3.D环上有二氢尿嘧啶（D）；4.反密码环上的反密码子与mRNA相互作用；5.可变环上的核苷酸数目可以变动；6.TψC环含有T和ψ；7.含有修饰碱基和不变核苷酸。（二）rRNA占细胞RNA总量的80%，与蛋白质（40%）共同组成核糖体。（三）mRNA与hnRNAmRNA约占细胞RNA总量的3~5%，是蛋白质合成的模板。真核生物mRNA的前体在核内合成，包括整个基因的内含子和外显子的转录产物，形成分子大小极不均匀的hnRNA。（四）RNA的其它功能51981年，Cech发现RNA的催化活性，提出核酶（ribozyme）。大部分核酶参加RNA的加工和成熟，也有催化C-N键的合成。23SrRNA具肽酰转移酶活性。六．核酸的性质（一）一般理化性质：（1）为两性电解质，通常表现为酸性。（2）DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末，不溶于有机溶剂。（3）DNA溶液的粘度极高，而RNA溶液要小得多。（4）RNA能在室温条件下被稀碱水解而DNA对碱稳定。（5）利用核糖和脱氧核糖不同的显色反应鉴定DNA与RNA。（二）核酸的紫外吸收性质：核酸的