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医学生物化学周晶一、课程概况生物化学是研究生命化学的科学，它在分子水平上探讨生命的本质，即研究生物体的化学组成及化学变化规律的科学。医学生物化学主要研究人体的生物化学，它是一门重要的医学基础课程。近年来，生物学、微生物学、免疫学、生理学和病理学等基础医学学科的研究均深入到分子水平，并应用生物化学的理论和技术解决各个学科的问题。同样，生物化学与临床医学的关系也很密切。近代医学的发展经常运用生物化学的理论和方法来诊断、治疗和预防疾病，而且许多疾病的机理也需要从分子水平上加以探讨。生物化学课程为其它医学基础课程和临床医学课程提供必要的理论基础，是医学各专业的必修课。本课程适应医科类各专业的学生学习。学生必须具备化学的基础知识。通过本课程的学习，使学生理解生物分子的结构与生理功能，以及两者之间的关系；理解生物体重要物质代谢的基本途径、主要生理意义、调节以及代谢异常与疾病的关系；理解基因信息传递的基本过程、基因表达调控的概念；理解各组织器官的代谢特点及它们在医学上的意义。根据课程的分工，有关血液凝固、纤维蛋白溶解、气体运输、各种激素的结构与功能，及肾脏的有关内容归入生理学课程。本课程的同期及后续课为医学免疫学与微生物学、病理学、药理学等。第一部分为生物分子的结构与功能，包括第1~4章，内容为蛋白质化学、核酸化学和酶。第二部分为物质代谢与调节，包括第5~10章，内容为糖代谢、脂代谢、生物氧化、氨基酸代谢、核苷酸代谢、物质代谢的联系与调节。第三部分为遗传信息的传递，包括第11~14章，内容为DNA的生物合成——复制、RNA的生物合成——转录、蛋白质的生物合成——翻译、基因表达调控与基因工程。第四部分为重要组织器官代谢，包括第15~20章，内容为肝胆生化、血液生化、骨骼与磷钙代谢、水、电解质和酸碱平衡、营养生化。第一部分生物分子的结构与功能第一章蛋白质化学要求掌握1．蛋白质的重要生理功能；2．掌握蛋白质的含氮量及与蛋白质定量关系；3．蛋白质的基本结构单位；4．掌握蛋白质一、二、三、四级结构的概念；5．掌握结构与功能的关系。熟悉1．氨基酸的酸性、碱性、含硫、含羟基及芳香族氨基酸；2．熟悉蛋白质的重要理化性质及其在医学中的应用。提要：本章着重从蛋白质的基本化学组成、分子结构以及结构与功能的关系、理化性质和分类等方面进行讲述。一、蛋白质的元素组成蛋白质是各种生命现象的主要物质基础，是各种组织的基本组成成分。人体内蛋白质含量约占人体干重的45％。其主要元素有碳、氢、氧、氮、硫等，其中氮的含量比较恒定，平均为16％左右。这是蛋白质元素组成的重要特点，也是蛋白质定量测定的依据。通常只要测定出生物样品中的含氮量，就可用样品中含氮的克数乘以6.25=样品中蛋白质的克数来计算蛋白质的含量。二、蛋白质分子的基本结构单位—氨基酸氨基酸是蛋白质的基本组成单位。组成蛋白质的氨基酸有20种，它们在结构上都有一个共同点，即在α-碳原子上都结合有氨基或亚氨基，都为L型α-氨基酸。所有的氨基酸都含有碱性的氨基，又含有酸性的羧基，因此是两性电解质，在不同的pH值溶液中，可带不同的电荷。当氨基酸处在某一pH值溶液中时，氨基酸所带的正、负电荷数相等，此时溶液的pH值为该氨基酸的等电点(pI)。不同的氨基酸有各自特定的等电点。氨基酸由于和茚三酮反应发生颜色变化，故可用于氨基酸的定性和定量测定。三、蛋白质的分子结构由一个氨基酸的羧基予另一个氨基酸的氨基脱去一分子水形成的键称为肽键。肽键是蛋白质结构中的基本键。根据多肽链中氨基酸的残基数分别称为二肽、三肽、寡肽或多肽。多肽链是蛋白质分子的最基本结构形式。蛋白质多肽链中氨基酸按一定排列顺序以肽键相连形成蛋白质的一级结构。蛋白质的一级结构是其高级结构的基础。蛋白质分子中的多肽链经折叠盘曲而具有一定的构象称为蛋白质的高级结构。高级结构又可分为二级、三级和四级结构。维持蛋白质高级结构的化学键主要是次级键，有氢键、离子键、疏水键、二硫键以及范德华引力。蛋白质的二级结构是指在一级结构基础上多肽链本身折叠或盘曲所形成的局部空间构象，主要的有α-螺旋和β-片层结构。蛋白质的三级结构是多肽链在二级结构的基础上进一步盘曲、折叠而形成的整体构象。某些蛋白质具有三级结构即可表现生物学活性，三级结构是其分子结构的最高形式。许多蛋白质分子是由两条或两条以上具有三级结构的多肽链相互聚合而成的蛋白质分子称为蛋白质的四级结构，其中每一个具有三级结构的多肽链称为亚基或亚单位。亚基之间借次级键缔合在一起，形成寡聚体或多聚体。其中每个亚基单独存在时无生物学活性。但并非所有蛋白质分子均具有四级结构形式。蛋白质的功能与其特异的构象有密切关系，而一级结构对空间结构有决定作用。即蛋白质的一级结构是其生物学功能的基础。蛋白质一级结构不同，其生物学功能不同，各种蛋白质的特定功能是由其特殊的结构决定的。蛋白质的一级结构改变而使生物学功能发生很大的变化。蛋白质的空间结构直接与其生物活性相关，空间结构发生改变，其生物学活性也随之改变。四、蛋白质的理化性质1．两性游离和等电点：蛋白质的部分理化性质与氨基酸相同，如某些呈色反应等。根据蛋白质的两性游离性质，采用电泳方法可对蛋白质进行分离、纯化鉴定和分子量的测定。2．高分子化合物的性质：如胶体性质，易沉淀，不易透过半透膜。根据蛋白质这些性质可用透析法分离蛋白质，利用超速离心法既能分离、纯化蛋白质，又能测定蛋白质分子量。天然蛋白质常以稳定的亲水胶体溶液形式存在，这是由于蛋白质颗粒表面存在水化膜和表面电荷。如除去这两个稳定因素，蛋白质就可发生沉淀。例如调节蛋白质溶液的pH到等电点，加入脱水剂去除水化膜。常采用盐析、有机溶剂和某些酸类或重金属离子等都可使蛋白质沉淀。3．蛋白质的沉淀：蛋白质的沉淀和变性反应是不同的两个概念。蛋白质在某些理化条件下，空间结构发生变化而丧失其生物活性称为变性。分散在溶液中的蛋白质分子发生凝聚，并从溶液中沉淀、析出的现象，成为蛋白质的沉淀。根据沉淀的方法和条件不同，蛋白质的沉淀可能是变性的，也可能是未变性。第二章核酸化学要求掌握1．DNA和RNA分子组成的异同；2．掌握多核苷酸链中单核苷酸之间的连接方式及多核苷酸链的方向性；3．掌握DNA双螺旋结构模型要点、碱基配对规律；4．掌握核酸的紫外吸收特性、DNA变性、Tm、复性及杂交的概念。熟悉1．核酸的分类、细胞分布及生物学功能；2．熟悉核酸的平均磷含量与核酸定量之间的关系；3．熟悉核苷酸、核苷和碱基的基本概念；4．熟记常见的核苷酸的缩写符号；5．熟悉体内重要的环核苷酸cAMP和cGMP；6．熟悉rRNA、mRNA、tRNA的结构特点及功能。提要：1．核苷酸的分子组成核酸分子主要由碳、氢、氧、氮和磷等元素组成，含磷量为9％～10％，可通过测定磷含量来估计样品中核酸含量。核酸的基本组成单位是核苷酸，核酸是由数十个到数十万个核苷酸连接而成的，故也称为多核苷酸。核苷酸由碱基、戊糖和磷酸组成。碱基又分为嘌呤碱和嘧啶碱两类。戊糖可分为核糖和脱氧核糖。DNA中的碱基和戊糖与RNA的有所不同。DNA分子中主要有A(腺嘌呤)、T(胸腺嘧啶)、G(鸟嘌呤)和C(胞嘧啶)四种碱基，戊糖为脱氧核糖；RNA分子中碱基成分多为A、U(尿嘧啶)、G和C，戊糖为核糖。此外，DNA和RNA还含有少量稀有碱基。碱基和戊糖缩合后的生成物称核苷。嘌呤和嘧啶可分别与核糖以糖苷键相连，形成嘌呤核苷或嘧啶核苷。嘌呤和嘧啶同样也可与脱氧核糖以糖苷键相连，形成各种脱氧核苷。核苷与磷酸以磷酯键相连，可形成2’-，3’-或5’-核糖核苷酸。脱氧核苷与磷酸借助磷酯键相连可形成3’-或5’-脱氧核糖核苷酸。在生物体内大量游离存在的多是5’-核苷酸(NMP)。5’-核苷酸的磷酸基上往往可以再连接一分子磷酸或二分子磷酸，形成二磷酸核苷(NDP)或三磷酸核苷(NTP)。脱氧核苷酸(dNMP)也可以再连接一分子或二分子磷酸，形成脱氧二磷酸核苷(dNDP)或脱氧三磷酸核苷(dNTP)。在体内有一些游离的核苷酸及其衍生物在代谢中起重要作用。如多种三磷酸核苷特别是ATP是重要的直接供能物质。4种NTP和dNTP是合成RNA和DNA的原料。cAMP(环化腺苷酸)和cGMP(环化鸟苷酸)是多种激素作用的第二信使，调节细胞内多种物质代谢。一些游离核苷酸的衍生物是体内一些重要酶的辅酶，参与生物氧化和各种物质代谢过程。2．DNA分子的空间结构核酸是遗传的物质基础。各种生物都含有两类核酸，即核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)。病毒只含有DNA或RNA。DNA是遗传信息的载体，其绝大部分存在于细胞核内。RNA与蛋白质的合成密切相关，主要分布在细胞质中。在多核苷酸链中，脱氧核苷酸的连接方式、数量和排列顺序称为DNA的一级结构。组成核酸的核苷酸按一定顺序排列，以3’，5’-磷酸二酯键相连的链式结构。首尾分别为5’-磷酸基及3’-羟基，即按5’®3’方向书写。二级及三级结构统称高级结构，DNA和RNA各有特点。DNA的二级结构特点是双链双螺旋、两条链反向平行、碱基向内互补(A-T，G-C)。每个碱基对的两碱基处于同一平面，该平面垂直与双螺旋的中心轴。配对碱基之间的氢键和范德华引力使该结构稳定。无论DNA双螺旋结构形式如何，DNA分子中两条多核苷酸联的碱基排列顺序总遵循碱基互补规律的。只要其中一条链排列顺序确定，另一条也随确定。DNA的三级结构是在二级结构基础上进一步形成的超螺旋结构。如真核细胞DNA的双链缠绕在组蛋白上构成核小体，它是染色体的基本单位。3．RNA的分子结构RNA为单链结构，局部可因碱基互补配对(A-U，C-G)以氢键相连形成双螺旋结构。不参加配对的碱基所形成的单链则被排斥在双链外，形成环状突起。这就是RNA的二级结构。RNA按功能不同分为三类，即信使RNA(mRNA)、转运RNA(tRNA)及核蛋白体RNA(rRNA)。每三个碱基对应一种氨基酸，因此其碱基排列顺序决定了由它指导合成的蛋白质多肽链的氨基酸排列顺序。mRNA携带了DNA的遗传信息，在蛋白质合成中作为合成蛋白质的模板起传递遗传信息的作用。tRNA的二级结构最具特色，呈三叶草型。其主要功能部位有二个，一是氨基酸臂的3’末端为-CCA-OH，起特异结合氨基酸作用；二是有一个反密码环，环上有反密码子，与mRNA上的密码子反向互补，于是由tRNA携带的氨基酸可被转运到与密码子对应的部位，因此tRNA具有携带转运氨基酸的作用。tRNA的三级结构为倒“L”型，是天然状态下的构象。rRNA不单独存在，它与蛋白质结合为核蛋白体，分为大小亚基，存在于粗面内质网与胞浆中。核蛋白体是蛋白质生物合成的场所。3．核酸的理化性质和应用酸碱性：由于DNA和RNA的多核苷酸链上既有酸性的磷酸基团，又有碱基上的碱性基团，因此它也是两性电解质。在一定pH溶液中可带某种电荷，故可用电泳方法将其分离。核酸通常显酸性，易与金属离子生成盐，此时可加入乙醇或异丙醇使其沉淀析出。高分子特性：如：胶体性质。紫外吸收特性、变性、复性与杂交特性：：核酸在260nm处有吸收峰，可用于定量分析。核酸还具有高分子化合物的某些性质，如粘度大，沉降速度快。核酸在某些条件下会发生氢键断裂，双螺旋结构松散分开即为核酸的变性，但无共价键的断裂。核酸变性后理化性质发生改变，如紫外(260nm)吸收峰值增高，粘度降低。核酸热变性时，其紫外光吸收峰值达到最大值一半时的温度称解链温度(Tm)。Tm值大小与核酸分子中的G-C对含量多少及核酸分子的长度有关。核酸热变性后，温度再缓慢下降，解开的两条链又可重新缔合而形成双螺旋，此即为核酸的复性。不同来源的变性核酸一起复性，有可能发生杂交，核酸分子杂交在分子生物学研究中是一项应用较多的重要实验技术。第三章酶要求掌握1．酶、酶的活性中心、必需基团、酶原的激活、同工酶和变构酶的概念；2．酶的化学组成、特性和结合蛋白酶（全酶）类的特性；3．影响酶促反应的因素；4．米氏方程和米氏常数的意义；5．竞争性抑制作用的概念；6．三种抑制作用对最大速度和Km的影响。提要：生物体内所有的反应均在常温、常压和近中性温和的内环境条件