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1、生物化学,本科,什么是生物化学？ （biochemistry）,研究生命化学的科学,分子生物学,在分子水平探讨生命的本质,研究生物体的分子结构与功能、物质代谢与调节及其在生命活动中的作用。,第一节 生物化学发展简史,一、叙述生物化学阶段（18世纪中19世纪末） 研究生物体的化学组成 二、动态生物化学阶段（20世纪初期末） 营养学、 内分泌、酶学、物质代谢 三、分子生物化学阶段（20世纪末） DNA双螺旋结构发现、DNA克隆、基因组学及其他组学的研究,第二节 生物化学研究的主要内容,生物分子的结构与功能,2物质代谢及其调节,3. 基因信息传递及其调控,第一篇 生物大分子的结构与功能,授 课 教
2、师：盛 健,第一章,蛋白质的结构与功能,一、什么是蛋白质?,蛋白质(protein)是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。,二、蛋白质的生物学重要性,1. 是生物体重要组成成分 分布广 含量高,2. 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 3）免疫保护作用 4）物质的转运和存储 5）运动与支持作用 6）参与细胞间信息传递,3. 氧化供能,蛋 白 质 的 分 子 组 成 The Molecular Component of Protein,第 一 节,组成元素,主要有C、H、O、N和S,少量磷、硒、铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘。,各种蛋白质的含
3、氮量很接近，平均为16%。,元素组成的特点,一、氨基酸(amino acid),（一）氨基酸的结构特点 20种 L-氨基酸（甘氨酸除外）,C,+,N,H,3,C,O,O,-,H,氨基酸的旋光异构,非极性脂肪族氨基酸 极性中性氨基酸 芳香族氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸,二、氨基酸的分类,(一) 非极性脂肪族氨基酸,(二) 极性中性氨基酸,(三) 芳香族氨基酸,(四)酸性氨基酸,(五)碱性氨基酸,目 录,特殊氨基酸,脯氨酸 （亚氨基酸）, 半胱氨酸,胱氨酸,三、氨基酸的理化性质,1. 两性解离及等电点,等电点(pI) 在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，
4、呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,2. 紫外吸收,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。,3.氨基酸与茚三酮反应生成蓝紫色化合物,氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。,四、肽,肽 键(peptide bond),（一）肽(peptide),* 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学键。,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,肽,氨基酸残基(residue),寡肽(oligopeptide) 多肽(polypeptide),* 由氨基酸通过肽键缩合而形成的
5、化合物。,* 肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全。,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,多肽链的两端,* 许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。,多肽链(polypeptide chain),N末端,C末端,牛核糖核酸酶,（二） 生物活性肽,谷胱甘肽(-GSH),GSH过氧化物酶,GSH还原酶,NADPH+H+,NADP+,GSH与GSSG间的转换,神经肽,多肽类激素及神经肽,蛋 白 质 的 分 子 结 构 The Molecular Structure of Protein,第 二 节,一级结构(primary structure) 二级结构(se
6、condary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure),高级结构,（空间构象）,定义 蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序。,一、蛋白质的一级结构,主要的化学键,肽键、二硫键,一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。,二、蛋白质的二级结构,主要的化学键： 氢键,（一）肽单元(peptide unit),参与肽键的6个原子C1、C、O、N、H、C2位于同一平面，构成肽单元。,肽键有部分双键性质,1） 肽键比一般C-N键短，且不能自由旋转 2）肽键原子及相邻的a碳原子组成肽平面 3） 相邻的a碳原子呈反式构型,
7、（二）蛋白质二级结构的主要形式,-螺旋 ( -helix ),-折叠 ( -pleated sheet ),-转角 ( -turn ),无规卷曲 ( random coil ),1、-螺旋,-螺旋特征是：,为右手螺旋(氨基酸侧链伸向螺旋外侧)； 每螺旋圈包含3.6个氨基酸残基，螺距为0.54nm； 氢键稳固螺旋结构，氢键的方向与螺旋长轴基本平行。,2、-折叠,-折叠的特征： 较伸展，呈锯齿状结构，氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上下方； 两条以上肽链结构可平行排列，走向可相同，也可相反； 肽链间的氢键稳固其结构。,3、转角,常发生于肽链进行180回折时的转角上。,4 、无规卷曲：没有确定规
8、律性的肽链结构。,由4个氨基酸残基组成， 氢键维系稳定,（三）模体(motif),在许多蛋白质分子中，二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个具有特殊功能的空间构象。,在许多蛋白质分子中，二个或三个具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合。 二级结构组合形式有：， 。,超二级结构,模体-是具有特殊功能的超二级结构,钙结合蛋白中结合钙离子的模体,锌指结构,三、蛋白质的三级结构,整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。即肽链中所有原子的空间排布。,（一） 定义,肌红蛋白 (Mb),纤连蛋白分子的结构域,（二）结构域 (domain),大分子蛋白质的三级结构
9、常可分割成一个或数个球状或纤维状的区域，折叠得较为紧密，各行使其功能，称为结构域。,（三）分子伴侣,通过提供一个保护环境从而帮助新生多肽链正确折叠成天然构象或形成四级结构的蛋白质。,作用机制：与未折叠肽段的疏水部分结合随后松开；诱导错误聚集的肽段解聚；诱导二硫键的形成。,伴侣蛋白在蛋白质折叠中的作用,主要的化学键：疏水作用、氢键和离子键,四、蛋白质的四级结构,含有二条或多条多肽链的蛋白质分子中，每一条具有完整三级结构的多肽链。,蛋白质的亚基,蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用。,蛋白质的四级结构,血红蛋白的四级结构,纤连蛋白分子,蛋白质的一级结构是它的氨基酸序列,蛋白质
10、的二级结构是由氢键导致的肽链卷曲与折叠,Primary structure,Secondary structure,蛋白质的三级结构是多肽链自然形成的三维结构,蛋白质的四级结构是亚基的空间排列,Polypeptide (single subunit of transthyretin),Transthyretin, with four identical polypeptide subunits,Tertiary structure,Quaternary structure,五、蛋白质的分类,根据蛋白质组成成分:,根据蛋白质形状:,纤维状蛋白质-多为结构蛋白质,球状蛋白质-多为具生理活性的蛋白质
11、,六、蛋白质组学,（一）蛋白质组学基本概念,蛋白质组是指一种细胞或一种生物所表达的全部蛋白质，即“一种基因组所表达的全套蛋白质”。,（二）蛋白质组学研究技术平台,蛋白质组学是高通量，高效率的研究:,双向电泳分离样品蛋白质 蛋白质点的定位、切取 蛋白质点的质谱分析,（三）蛋白质组学研究的科学意义,蛋白质结构与功能的关系,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）一级结构相似的蛋白质具有相似的高级结构与功能,（三）氨基酸序列提供重要的生物化学信息,（四）重要蛋白质的氨基酸序
12、列改变可引起疾病,例：镰刀形红细胞贫血,由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。,肌红蛋白/血红蛋白含有血红素辅基,血红素结构,二、蛋白质的功能依赖于特定空间结构,（一）血红蛋白亚基与肌红蛋白结构相似,肌红蛋白(Mb),血红蛋白(Hb),（二）血红蛋白的构象变化与结合氧,一个寡聚体蛋白质的一个亚基与其配体结合后，能影响此寡聚体中另一个亚基与配体结合能力的现象，称为协同效应。 正协同效应 负协同效应,变构效应(allosteric effect),蛋白质空间结构的改变伴随其功能的变化，称为变构效应。,（三）蛋白质构象改变与疾病,蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发
13、生改变，影响其功能，严重时导致疾病发生。,包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。,疯牛病是由朊病毒蛋白引起的一组人和动物神经退行性病变。 正常的PrP富含-螺旋，称为PrPc。 PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为-折叠的PrPsc，从而致病。,PrPc -螺旋,PrPsc -折叠,正常,疯牛病,疯牛病中的蛋白质构象改变,第四节,蛋白质的理化性质,一、蛋白质的两性电离,蛋白质的等电点(pI),当蛋白质溶液处于某一pH时，蛋白质解离成正、负离子的趋势相等，即成为兼性离子，净电荷为零，此时溶液的pH称为蛋白质的等电点。,二、蛋白质的胶体性质,分子量自1万至100万，
14、直径可达1100nm，为胶粒范围之内。,* 蛋白质胶体稳定的因素 颗粒表面电荷 水化膜,水化膜,带负电荷的蛋白质,溶液中蛋白质的聚沉,三、蛋白质的变性,定义 在某些物理和化学因素作用下，其特定的空间构象被破坏，导致其理化性质改变和生物活性丧失。,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 。,举例 临床医学上，变性因素常被应用来消毒及灭菌。 此外, 防止蛋白质变性也是有效保存蛋白质制剂（如疫苗等）的必要条件。,复性(renaturation): 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。,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,在一定条件下，蛋白疏水侧链暴露在外，肽链融会相互缠绕继而聚集，因而从溶液中析出。 变性的蛋白质易于沉淀，有时蛋白质发生沉淀，但并不变性。,蛋白质变性后的絮状物加热可变成比较坚固的凝块，不易再溶于强酸和强碱中。,蛋白质沉淀,蛋白质的凝固作用,四、蛋白质的紫外吸收,在280nm波长处有特征性吸收峰,蛋白质经水解后产生的氨基酸也可发生茚三酮反应。,蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，称为双缩脲反应，可用以蛋白质定量分析。,五、蛋白质呈色反应,茚三酮反应,双缩脲反应,