生物化学简明教程（精品） .ppt

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1、生物化学简明教程,2011-2012第二学期,主编：张丽萍、杨建雄,第四版,课时安排与考试考勤要求,课时安排 理论课 48 实验课 16学时 共 64学时 学分 4学分 考试要求 平时成绩和期中成绩占 30 期末成绩占70 平时成绩=实验成绩+考勤+课堂表现 考勤要求 迟到早退 ：每节课考勤 旷课3学时：平时成绩不及格,绪 论,生物化学是一门什么课程？,研究生物体的化学 生命机体的结构层次 在分子水平揭示生物体深层次内在规律的学科,动物细胞结构图,植物细胞结构图,蛋白质化学 核酸的化学 酶 维生素和辅酶 生物氧化 糖代谢 脂类代谢 蛋白质和氨基酸代谢 核酸代谢 核酸的生物合成 蛋白质的生物合成

2、 物质代谢的相互联系和调节控制,学什么？,生物分子的结构与功能,物质代谢 能量代谢,信息变化,总结,生物体在分子水平的一致性,生命物质主要元素组成的规律性 生物大分子组成的共同规律性 物质代谢和能量代谢的规律性 生物界遗传信息传递的统一性,怎么学？,结构决定功能 掌握关键环节,有什么用？,专业基础课 考研 等等,生物化学发展史,从其产生的时间和研究内容可将其分为三个阶段： （一）静态生物化学阶段（十八世纪中叶到二十世纪初） 各种生物体化学组成的分析研究， 发现了生物体主要由糖、脂、蛋白质和核酸四大类有机物质组成 。,（二）动态生物化学阶段（代谢） 二十世纪初到二十世纪五十年代 此阶段对各种化学

3、物质的代谢途径有了一定的了解。 1932年，英国科学家Krebs 建立了尿素合成的鸟氨酸循环； 1937年，Krebs又提出了各种化学物质的中心环节三羧酸 循环的基本代谢途径； 1940年，德国科学家Embden提出了糖酵解代谢途径。,（三）分子生物学阶段（功能） 从1953年至今 1953年，Watson和Crick DNA的双螺旋结构模型 标志生物化学的发展进入分子生物学阶段。 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。,1953年，确定DNA双螺旋结构，获1962年诺贝尔生理医学奖 1955年，Sanger确定牛胰岛素结构，获1958年诺贝尔化学奖 1965年

4、, 首次人工合成结晶牛胰岛素-中国 1973年, 基因重组技术建立 1980年，DNA序列测定，获1980年诺贝尔化学奖 1984年，建立和发展蛋白质化学合成方法 1993年， 多聚链式反应（PCR）方法发明 1994年，发现G蛋白在细胞内信号转导中的作用 1996年，克隆羊诞生 1998年，发现NO是心血管系统的信号分子,2001年, 人类基因组计划完成 2002年，用核磁共振检测生物大分子的结构 2004年，发现泛素调控的蛋白质降解 2006年，发现了RNA干扰机制 2008年，发现和研究绿色荧光蛋白（GFP）,课外阅读书籍,王镜岩生物化学 沈仁权生物化学教程 郑集普通生物化学 朱玉贤 李

5、毅 现代分子生物学 陈宏博 李忠义 生物有机化学,第 一 章,蛋白质化学,蛋白质的分子组成,蛋白质的分子结构,蛋白质结构与功能的关系,蛋白质的理化性质与分离纯化,主要内容,蛋白质的分类,蛋白质的分类,分子形状 球状蛋白质 纤维状蛋白质 膜蛋白质 分子组成 简单蛋白质 结合蛋白质,蛋白质的生物学意义,1. 蛋白质是生物体的重要组成成分结构蛋白 2. 蛋白质具有重要的生物学功能 1）作为生物催化剂酶 2）代谢调节作用激素 3）免疫保护作用抗体、受体 4）物质的转运和存储膜蛋白、贮存蛋白 5）运动与支持作用肌蛋白 6）参与细胞间信息传递传递蛋白,蛋白质的分子组成,第 一 节,蛋白质是由多个氨基酸通过

6、肽键相连形成的高分子含氮化合物。,一、氨基酸,蛋白质的基本组成单位。 含有氨基和羧基的一类有机化合物的通称。 含有一个碱性氨基和一个酸性羧基，氨基一般连在-碳上。,结构通式,组成蛋白质的氨基酸都为a-氨基酸（除Pro外）,C,酸,氨,不同的 aa 在于 R基团 的不同,组成蛋白质的氨基酸都为L型（除Gly外）,D型 与 L型,组成蛋白质的氨基酸共有 20 种,（一）氨基酸的分类,1 根据侧链R基的极性分类,1）非极性氨基酸,2）极性不带电荷氨基酸,3）极性带负电荷,4）极性带正电荷,2 根据侧链R基的结构分类 芳香族氨基酸：酪氨酸（Tyr）、苯丙氨酸（Phe） 杂环氨基酸：组氨酸（His） 、

7、 色氨酸（Trp） 杂环亚氨基酸：脯氨酸（Pro） 脂肪族氨基酸：丝氨酸（Ser）、苏氨酸（Thr）等15种其余氨基酸,3. 由氨基酸的营养需求,人类自身能合成,人类自身不能合成或不能足量合成，必须依赖食物供给。,Lys (赖) Arg(精) His(组) Val(缬) Leu(亮) Ile(异亮) Met (蛋) Phe(苯丙) Thr(苏) Trp(色),Gly(甘) Ala(丙) Ser(丝) Tyr(酪) Cys(半胱) Pro(脯) Asn(天冬酰胺) Asp(天冬) Glu(谷) Gln(谷氨酰胺),Pro：为环状亚氨基酸,4 几种特殊氨基酸, 半胱氨酸,胱氨酸,5 稀有的蛋白质氨

8、基酸,通常是常见氨基酸的衍生物。 如4-羟脯氨酸、5-羟赖氨酸,以游离或结合态存在于细胞或组织中，大部分是常见氨基酸的衍生物或异构型。 如存在于细菌细胞壁肽聚糖内的D-谷氨酸和D-丙氨酸、花生中的g-亚甲基谷氨酸、甘蔗中的b-氨基丁酸，刀豆中的刀豆氨酸等。,6 非蛋白质氨基酸,鸟氨酸 (Orn),瓜氨酸(Cit),二、氨基酸的理化性质,氨基酸是离子化合物。 熔点较高（200300） 溶于稀酸稀碱，不溶于有机溶剂 谷氨酸钠 “味精”,1 一般物理性质,2. 两性性质和等电点,氨基酸同时含有氨基和羧基： 氨基具有碱性，羧基具有酸性,NH3+ NH3+ NH2 | +OH- | +OH- | H-C

9、-COOH = H-C-COO- = H-C-COO- | +H+ | +H+ | R R R 阳离子 两性离子 阴离子 pHpI,I 是氨基酸的特征常数,使氨基酸净电荷为零时溶液的pH值，称为等电点 (用 pI 表示),运用：沉淀氨基酸 分离氨基酸,等电点的应用1-电泳分离,应用-氨基酸的分离与分析 氨基电泳：带电颗粒在电场中移动的现象称为电泳 酸不同（pI不同，大小不同），在电场中泳动速度不同，因此可以通过电泳将氨基酸彼此分开 当pH=pI时，氨基酸呈兼性离子，在电场中不移动 当pHpI时，氨基酸带负电荷，在电场中向正极移动 当pHpI时，氨基酸带正电荷，在电场中向负极移,蛋白质在高于或低

10、于其等电点的溶液中是带电的，在电场中能向电场的正极或负极移动，从而分离蛋白质。根据支撑物不同，有薄膜电泳、凝胶电泳等。,等电点应用2-蛋白质沉淀与分离,处于等电点的蛋白质溶解度最小。当蛋白质混合物的 pH 被调到其中一种成分的等电点时，该蛋白质将大部分或全部沉淀下来。那些等电点高于或低于该 pH的蛋白质仍保留在溶液中，可利用此性质进行蛋白质的分离。这样沉淀出来的蛋白质保持天然构象，能再溶解于水并具有天然的活性,20种氨基酸的pI,氨基酸等电点的计算,公式：pH=(pKn+pKn+1)/2 n:氨基酸完全质子化时带正电荷基团的个数 pK：解离基团的解离常数 等电点时溶液的pH与氨基酸浓度无关。,

11、等电点计算,例 Gly 的pI 计算,pI = 1/2 ( pK1 + pK2 ),例赖氨酸的pI 计算,pI = 1/2 ( pK2 + pK3 ),溶液 pH 值增大,谷氨酸的解离,pI = 1/2 ( pK1 + pK2 ),3. 重要的化学性质,(1) 茚三酮反应,反应分2步：,茚三酮反应常用于aa的定性和定量分析,在酸性条件下，氨基酸与茚三酮共热，生成紫色化合物,Pro的茚三酮反应呈黄色,在弱碱溶液中，氨基酸的-氨基与2,4-二硝基氟苯(DNFB) 反应，生成黄色的二硝基苯氨基酸（DNP-AA）。,此反应最初被Sanger 用于测定胰岛素一级结构,(2) Sanger反应,1918-

12、, 英国生物化学家, 曾获 1958年诺贝尔化学奖,(3) Edman反应,此反应即是目前“蛋白质顺序测定”的设计原理,此反应即是目前“蛋白质顺序测定”的设计原理,二、肽,肽：是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化合物。 肽键：氨基酸脱水后形成的化学键。,（一）肽(peptide),二肽：如丙氨酰甘氨酸,* 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。,* 两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽,* 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基。,由12-20个氨基酸相连而成的肽称为寡肽 由20个以上的氨基酸相连形成的肽称多肽。,多肽链,氨基末端

13、,羧基末端,多肽链,主链,侧链,侧链,N 末端：多肽链中有自由氨基的一端 C 末端：多肽链中有自由羧基的一端 多肽链的表示方法：从N端开始到C端,* 多肽有两端：,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,（二）生物活性肽,化学信使：沟通细胞内部、细胞与细胞间以及器官与器官之间的信息。 与生物的生长发育、细胞分化、大脑活动、肿瘤病变、免疫防御、生殖控制、抗衰防老、生物钟规律、分子进化等有关。 生物活性肽是能够调节生物机体的生命活动或具有某些生理活性的寡肽或多肽的总成。,谷胱甘肽(glutathione, GSH),结构:,谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽 谷氨酸的-羧基形成肽键 SH为活性基团 为酸性肽

14、 是体内重要的还原剂 帮助保持正常的免疫系统的功 药理作用：本品可促进糖、脂肪及蛋白质代谢，加速自由基排泄，保护肝脏的合成、解毒、灭活激素等功能。,GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,主要功能:,蛋 白 质 的 分 子 结 构The Molecular Structure of Protein,第 二 节,蛋白质的分子结构包括： 一级结构 (primary structure) 二级结构 (secondary structure) 三级结构 (tertiary structure) 四级结构 (quaternary structure),蛋白质分子中的结构层次 一级结

15、构二级结构超二级结构结构域三级结构亚基 四级结构,1 定义： 蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。,一、蛋白质的一级结构,主要化学键：肽键 二硫键, 半胱氨酸,胱氨酸,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。,胰岛素的一级结构,30,21,胰岛素的一级结构,蛋白质的根本差异在于一级结构的不同,2 多肽链中氨基酸序列分析,分析已纯化蛋白质的氨基酸残基组成,测定多肽链的氨基末端与羧基末端为何种氨基酸残基,把肽链水解成片段，分别进行分析,测定各肽段的氨基酸排列顺序，一般采用Edman降解法,一般需用数种水解法，并分析出各肽段中的氨基酸顺序，然 后经过组合排列对比，最终得出完整肽链中氨

16、基酸顺序结果。,则其氨基酸排列顺序为： Thr-Asn-Val-Lys-Ala-Trp-Gly-lys,如测一个九肽,测得N端氨基酸残基为Thr,又分别测得片段: Ala-Ala-Trp-Gly-Lys Val-Lys-Ala-Ala-Trp Thr-Asn-Val-Lys,二、蛋白质的二级结构,蛋白质多肽链本身的折叠盘绕方式。,定义：,稳定因素： 氢键、盐键、疏水键、范德华力,蛋白质二级结构的主要形式,-螺旋 ( -helix ) -折叠 ( -pleated sheet ) -转角 ( -turn ) 自由回转 ( random coil ),（一） -螺旋,结构要点: 从N端为起点，多肽

17、链主链围绕中心轴形成右手螺旋，侧链伸向螺旋外侧。,每圈螺旋含3.6个氨基酸，螺距为0.54nm。,每个肽键的亚氨氢和第四个肽键的羰基氧形成的氢键保持螺旋稳定。氢键与螺旋长轴基本平行。,1 肽单元,参与组成肽键的6个原子位于同一平面，又叫酰胺平面或肽键平面。它是蛋白质构象的基本结构单位。,（二）-折叠,H,H,H,H,多肽链充分伸展，相邻肽单元之间折叠成锯齿状结构，侧链 位于锯齿结构的上下方。,2 -折叠,两段以上的 -折叠结构平行排列 ，两链间可顺向平行，也可 反向平行，反平行结构更为稳定 。 两链间的肽键之间形成氢键，以稳固 -折叠结构。氢键与螺旋 长轴垂直。,反平行,平行,（三） -转角：

18、, 肽链内形成180回折。 含4个氨基酸残基，第一个氨基酸残基与第四个形成氢键。,（四）自由回转,没有确定规律性的肽链结构。,酶的功能部位常位于这种构象区域,二、三级过渡态：超二级结构,在蛋白质分子中，由若干相邻的二级结构单元组合在一起，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。几种类型的超二级结构：,丙糖磷酸异构酶,二、三级过渡态：结构域,多肽链在超二级结构基础上进一步绕曲折叠称紧密的近似球状、具有部分生物功能的结构。,三、蛋白质的三级结构,疏水键: 多肽链上疏水性较强的氨基酸的非极性侧链避开水相自相粘附 聚集在一起，形成空穴。 离子键（盐健）:由蛋白质中正、负电荷的侧链基

19、团相互接近，通过静 电吸引而形成的基团之间的作用力。 氢键：一个电负性原子上共价连接的氢，与另一个电负性原子之间的静电作用力,稳定因素：,由一个或多个结构域组装而成的结构。,定义,肌红蛋白 (Mb),亚基之间的结合力主要是氢键和离子键。,四、蛋白质的四级结构,由多条多肽链组成的蛋白质，肽链间相互以非共价键联结成一个活性单位，这种肽链就称为该蛋白质的亚基。,蛋白质分子中各亚基的空间排布、亚基间通过非共价键聚合而成的特定构象，称为蛋白质的四级结构。,血红蛋白（Hb）的四级结构,蛋白质分子中的结构层次 一级结构二级结构超二级结构结构域三级结构亚基 四级结构,五 蛋白质分子中的共价键与次级键,维系蛋白

20、质分子的一级结构： 肽键 二硫键 维系蛋白质分子空间结构： 疏水键 氢键 范德华力 盐键,蛋白质结构与功能的关系 The Relation of Structure and Function of Protein,第 三 节,（一）一级结构是空间构象的基础,一、蛋白质一级结构与功能的关系,天然状态，有催化活性,尿素、-巯基乙醇,去除尿素、 -巯基乙醇,非折叠状态，无活性,（二）一级结构与功能的关系,例：镰刀形红细胞贫血症,这种由蛋白质分子一级结构的氨基酸排列顺序发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。,正常红细胞,镰刀形细胞,Hb可逆地与O2结合， Hb与O2结合后称为氧合Hb。,血红蛋白的构象

21、变化与结合氧,二、蛋白质空间结构与功能的关系,某些蛋白质表现其生物学功能时，构象发生改变，从而改变了整个分子的性质，这种现象称为别构效应。,(R) relaxed state,(T) tense state,血液中O2的运输 (Hb R/T态的互换),静脉,动脉,环境氧浓度高时 Hb 快速吸收氧分子,环境氧浓度低时 Hb 迅速释放氧气,释放氧气后 Hb 变回 T state,第四节,蛋白质的理化性质与分离纯化 The Physical and Chemical Characters and Separation and Purification of Protein,（一）蛋白质的两性电离,一

22、、理化性质,蛋白质分子除两端的氨基和羧基可解离外，氨基酸残基侧链中某些基团，在一定的溶液pH条件下都可解离成带负电荷或正电荷的基团。,蛋白质的等电点(pI) 当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质所带的正电荷和负电荷相等，在电场中蛋白质分子既不向阳极移动也不向阴极移动，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。,在等电点时，蛋白质的溶解度最小，在电场中不移动。,在不同的pH环境下，蛋白质的电化学性质不同。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。,利用蛋白质两性电离的性质，可通过电泳、离子交换层析、等电聚焦等技术分离蛋白质。

23、,（二）蛋白质的胶体性质,蛋白质属于生物大分子之一，其分子的直径可达1100nm，为胶粒范围之内。,蛋白质胶体稳定的因素 颗粒表面带有同种电荷 水化膜,水化膜,溶液中蛋白质的聚沉,（三）蛋白质的沉淀,加入适当的试剂使蛋白质分子处于等电点状态或失去水化层，蛋白质的胶体溶液就不再稳定并将产生沉淀。,可逆沉淀： 蛋白质发生沉淀后，用透析等方法除去沉淀剂，可使蛋白质重新溶于原来的溶液中。,不可逆沉淀： 蛋白质发生沉淀后，不能用透析等方法除去沉淀剂使 蛋白质重新溶于原来的溶液中。,使蛋白质沉淀的试剂：,1.高浓度中性盐 （NH4)2SO4、Na2SO4、NaCl 这种加入盐中和蛋白质的电荷，使蛋白质沉淀

24、析出的现象称为盐析，用于蛋白质分离制备。 2.有机溶剂 丙酮、乙醇 破坏蛋白质水膜 3.重金属盐 Hg2+、Ag+、Pb+ 与蛋白质中带负电基团形成不易溶解的盐 4.生物碱试剂 苦味酸、三氯乙酸、目酸、钨酸等 与蛋白质中带正电荷的基团生成不溶性盐,（四）蛋白质的变性,蛋白质的变性 在某些物理和化学因素作用下，蛋白质分子的特定空间构象被破坏，从而导致其理化性质改变和生物活性的丧失。,造成变性的因素： 如加热、乙醇等有机溶剂、强酸、强碱、重金属离子及生物碱试剂等 。,应用举例 临床医学上，高温高压消毒灭菌。 豆腐,蛋白质变性后的性质改变： 溶解度降低、粘度增加、结晶能力消失、生物活性丧失及易受蛋白

25、酶水解。,若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，蛋白质仍可恢复或部分恢复其原有的构象和功能，称为复性。,复性(renaturation),天然状态，有催化活性,尿素、-巯基乙醇,去除尿素、 -巯基乙醇,非折叠状态，无活性,（五）蛋白质的紫外吸收,由于蛋白质分子中含有共轭双键的酪氨酸和色氨酸，因此在280nm波长处有特征性吸收峰。蛋白质的OD280与其浓度呈正比关系，因此可作蛋白质定量测定。,（六）蛋白质的颜色反应,二、蛋白质的分离和纯化,（一）透析,* 透析：利用透析袋把大分子蛋白质与小分子化合物分开的方法。,（二）盐析,*盐析 将硫酸铵、硫酸钠或氯化钠等加入蛋白质溶液，使蛋白质表面电荷被中和以及水化膜被破坏，导致蛋白质沉淀。,（三）电泳,蛋白质在高于或低于其pI的溶液中为带电的颗粒，在电场中能向正极或负极移动。这种通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术, 称为电泳。 根据支撑物的不同，可分为薄膜电泳、凝胶电泳等。,SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳,