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生物化学大学教材

生物化学

一、生物化学概述

（一）生物化学研究的基本内容

生物化学是研究生物的化学组成和生命过程中各种化学变化的科学，是研究生命的化学本质的科学。

生物化学的研究内容包括以下三个方面：

研究生命有机体的化学组成、生物分子，特别是生物大分子的结构、相互关系及其功能。

研究细胞中的物质代谢与能量代谢。

生物大分子的合成降解及代谢途径的调控细胞中进行的化学过程。

组织和器官机能的生物化学。

（二）生物化学的发展简史

20世纪初，生物化学作为一个独立学科出现。

生物化学发展史中，有两个重要的突破。

一是1897年发现了酶作为生物催化剂的作用；二是1944发现了核酸作为遗传信息载体的作用。

1911年：

Funk结晶出复合维生素B，提出“vitamine”一词，现为“vitamin”

1926年：

Sunmer首次将酶（脲酶）结晶，证明了酶的蛋白质本质（1946年获Nobel奖）

1944年：

Avery等人通过细菌的转化试验证实DNA是遗传信息的载体。

（未获Nobel奖）

20世纪50年代后生物学进入分子水平。

该领域一大批科学家先后获得诺贝尔奖。

1953年，Watson和Crick推导出了DNA的三维结构。

1958年（Nobel）：

英国化学家Sanger测定了胰岛素一级结构。

1962年（Nobel）：

英国物理学家Kendrew（肌红蛋白）Perutz（血红蛋白）解析了蛋白质的三维结构。

法国生物学家Jocob,Monod：

遗传信息流（1965）

美国生物化学家 Nirenberg：

破遗遗传密码（1969）

美国生物化学家Holly：

解析tRNA结构（1969）

1978年（Nobel）：

Mitchell提出氧化磷酸化的偶联学说“化学渗透学说”

英国化学家Sanger:

DNA测序（1983）

1989年（Nobel）：

Cech&Altman分别发现了ribozyme。

等等

其他重要事件

我国科学家在生物化学领域所作的突出工作：

1965年，我国首次人工合成了结晶牛胰岛素。

1973年：

X-射线分析出猪胰岛素空间结构

1983年：

结合有机合成和酶促合成，实现了酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合合成（tRNAAla）1981年又成功合成了酵母丙氨酰tRNA。

1999年：

参与人类基因组测序计划（1%）

2000年我国生物化学工作者出色地完成了人类基因组计划中1%的测序工作，为世界人类基因组计划的完成贡献了力量。

2002年，我国的生物化学工作者又率先完成了水稻的基因组精细图，为水稻的育种和防病奠定基因基础

二、蛋白质化学

（一）蛋白质的概念与生物学意义

1、概念：

蛋白质是由氨基酸残基以肽键相连组成的不分支的长链生物大分子。

2、意义：

蛋白质是构成生物体的基本成分，占细胞干重的50%。

蛋白质是生命过程的执行者，种类繁多，表现出丰富的功能。

蛋白质在生物体的生命活动中起着极其重要的作用，已知的生物功能没有一个是离开蛋白质而实现的，生物个体间表现出的差异是由于其体内蛋白质的贡献。

1.生物体的组成成分-结构蛋白,胶原蛋白2.酶-生物催化剂3.运输-血红蛋白,肌红蛋白

4.运动-肌球蛋白,肌动蛋白5.抗体-免疫球蛋白6.干扰素7.遗传信息的控制8.细胞膜的通透性9.高等动物的记忆、识别机构

3、按形状可将蛋白质分为：

纤维状蛋白质：

多为结构蛋白。

球状蛋白质具有广泛的生物学功能。

如酶、蛋白类激素等。

4、按结构和功能可将蛋白质分为：

简单蛋白：

仅有蛋白质组成的、结构简单的蛋白质。

结合蛋白：

在蛋白质分子中除了含有氨基酸成分外，还要有其他的成分的存在，才能保证蛋白质的正常生物活性的蛋白质。

 即包含蛋白质和非蛋白质两部分，其中非蛋白部分通常称为辅基。

蛋白质中N的平均含量约16%。

每克样品中所含蛋白质的克数=每克样品中的含氮量（克）×6.25

（二）氨基酸

1．氨基酸的基本结构和性质

（1）氨基酸具有一级氨基（-NH3+）和羧基（-COOH）结合到α碳原子（Cα），同时结合到（Cα）上的是H原子和各种侧链（R基）。

氨基酸是蛋白质分子的基本组成单位。

构成天然蛋白质分子的氨基酸约有20种，除脯氨酸为α-亚氨基酸、甘氨酸不含手性碳原子外，其余氨基酸均为L-α-氨基酸。

20种常见氨基酸中的三个特殊氨基酸Gly不具有手性C原子；Pro为亚氨基酸、Cys中的巯基可与另一个Cys的巯基形成二硫键。

（2）.氨基酸的性质

①光吸收特性：

各种氨基酸在可见区都没有光吸收Tyr,Phe,Trp因苯环上含共轭双键，在紫外光区芳香族氨基酸在280nm处有最大吸收峰（色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸的最大吸收波长分别为279、278、259nm）

②氨基酸的两性解离

氨基酸的等电点：

对某一种氨基酸而言，当溶液在某一个特定的pH，氨基酸以两性离子的形式存在，并且其所带的正电荷数与负电荷数相等，即净电荷为零。

在直流电场中，它既不向正极，也不向负极移动。

此时溶液的pH称为这种氨基酸的等电点（pI）。

氨基酸的等电点计算

1.侧链不含离解基团的中性氨基酸，其等电点是它的pK’1和pK’2的算术平均值：

pI=（pK’1+pK’2）/2

2.对于侧链含有可解离基团的氨基酸，其pI值也决定于两性离子两边的pK’值的算术平均值。

酸性氨基酸：

pI=（pK’1+pK3 ）/2   

3.对于侧链含有可解离基团的氨基酸，其pI值也决定于两性离子两边的pK’值的算术平均值。

碱性氨基酸：

pI=（pK’2+pK3 ）/2    

pHpI时，AA带负电，电场中向正极移动

pHpI时，带正电，   向负移动

pHpI时，不带电，   不移动

在一定pH范围中，溶液的pH离aa等电点愈远，aa带净电荷愈多。

③化学反应：

茚三酮反应：

反应试剂茚三酮，氨基酸参与反应基团α-NH2，α-COOH产物蓝紫色复合物产物颜色蓝紫色；Ruhemann 氏紫反应黄色

Sanger反应：

2,4-二硝基氟苯DNFB α-NH2侧链基团中的氨基、巯基、酚基 2,4-二硝基苯基氨基酸DNP-氨基酸 黄色

Edman反应：

苯异硫氰酸酯PITC α-NH2  PTH-氨基酸 无色

2、根据R基团极性对构成蛋白质的20种氨基酸进行分类

R基为疏水性或非极性的氨基酸、R基为极性不带电荷的氨基酸、R基为带电荷的氨基酸（包括带正电荷和负电荷的氨基酸）

（1）极性氨基酸：

1）不带电：

Gly、Ser、Thr、Asn、Gln、Tyr、Cys；

2）带正电：

His、Lys、Arg （碱性氨基酸）

3）带负电：

Asp、Glu （酸性氨基酸）

（2）非极性氨基酸：

Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Met、Pro、Trp

3、构成蛋白质的20种氨基酸的三字符

（三）蛋白质的结构与功能

1．肽的概念及理化性质

肽：

一个氨基酸分子的α-羧基与另一个氨基酸分子的α-氨基发生酰化反应，脱去一分子水形成肽键，也称为酰胺键。

肽就是氨基酸通过肽键连接起来的线性聚合物。

天然活性肽：

自然界中还存在着大量的肽类，具有各种特殊的生理活性统称为天然活性肽。

肽键：

蛋白质分子中，由前一个氨基酸的-COOH和后一个氨基酸的-NH2脱水缩合而成的酰胺键，是蛋白质结构中的主价键。

在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为氨基酸顺序。

氨基酸分子在参与形成肽键之后，由于脱水而结构不完整，称为氨基酸残基。

每条多肽链都有两端：

即自由氨基端（N端）与自由羧基端（C端），肽链的方向是N端→C端。

肽平面：

肽链主链的肽键C-N具有双键的性质， 因而不能自由的旋转，使连接在肽键上的六个原子共处于一个平面上，此平面称为肽平面，又称酰胺平面

二面角：

肽平面的连接处为α碳原子。

它与相邻的两个参与肽键形成的C和N原子之间的单键可以在一定范围内转动，Cα-N之间称φ角，在Cα-C之间称ψ角，这就是α-碳原子上的一对二面角。

这对二面角决定了相邻肽平面的相对位置。

谷胱甘肽、内啡肽的生理作用，谷胱甘肽的结构特点。

2．蛋白质的初级结构

蛋白质的一级结构是指多肽链上各种氨基酸残基的种类和排列顺序，包含了蛋白质结构的全部信息。

蛋白质的一级结构由遗传信息决定，其一级结构决定高级结构，一级结构是基本结构。

但一级结构并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。

3．蛋白质的高级结构（二级结构、超二级结构和结构域、三级结构、四级结构）

（1）非共价键氢键离子键  范德瓦尔力疏水作用

（2）S-S键

（1）.蛋白质的二级结构：

指多肽链主链在一级结构的基础上进一步的盘旋或折叠，形成的周期性构象，维系二级结构的力是氢键。

多肽链主链构象的空间限制来自两个方面：

1）.肽键不能自由旋转带来的构象限制。

肽链中的肽键主要为反式。

2）.α-C二面角φ、ψ虽然可以任意旋转，但不是任意二面角所决定的构象都是立体化学所允许的。

二级结构的类型：

α螺旋结构、β折叠、β-转角和无规卷曲的结构特点及参数。

α-螺旋在角蛋白中最常见的构象，为右手螺旋。

每圈螺旋3.6个氨基酸残基。

侧链基团R在螺旋外侧。

主链内部形成H-键，不涉及侧链R。

典型的α-螺旋是3.613螺旋，一周螺旋3.6个氨基酸，跨越13个原子。

（2）超二级结构：

在蛋白质中经常存在由若干相邻的二级结构单元按一定规律组合在一起，形成有规则的二级结构集合体，充当更高层次结构的构件，超二级结构又称基序或模体

（3）结构域：

在较大的蛋白质分子里，一条长的多肽链，在超二级结构的基础上，往往组装成几个相对独立的球状区域，彼此分开，以松散的单条肽链相连。

这种相对独立的球状区域，称为结构域。

（4）三级结构：

指一条多肽链在二级结构（超二级结构及结构域）的基础上，进一步盘绕、折叠而成的具有特定肽链走向的紧密球状结构,或者说三级结构是指多肽链中所有原子和基团在三维空间的排布。

三级结构是指蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排布，但是不包括亚基间或不同分子间的空间排列关系。

三级结构的特点:

1.整个分子紧密、结实2.常含有结构域3.许多在一级结权上相差很远的aa碱基在三级结构上相距很近。

肌红蛋白（Mb）是由153个氨基酸残基组成的单一多肽链的蛋白质，含8个螺旋（A、B、C、D、E、F、G、H），其辅基为血红素。

三级结构的稳定主要靠非共价键作用（氢键、离子键、疏水键、范德华力）此外还有二硫键。

（5）.四级结构：

多个具有三级结构的多肽链的聚合。

或者说四级结构指亚基的种类、数

目及各个亚基在寡聚蛋白中的空间排布和亚基之间的相互作用。

亚基：

有的蛋白质分子由两条以上的肽链通过非共价键相连聚合而成，每条多肽链称为一

个亚基。

结构特点：

1.分子具有对称性；2.亚基间以非共价键缔合

四级结构的稳定主要靠是疏水作用力，另外还有离子键、氢键、范德华引力等

6）.纤维状蛋白质的结构：

胶原蛋白：

含有较多的羟基脯氨酸（Hyp）、羟基赖氨酸（Hly），多肽链一级结构96%遵守（Gly-X-Y）n。

x多为Pro；y多为Hyp或Hly。

三股左手螺旋形成的右手超螺旋。

角蛋白：

α-角蛋白和β-角蛋白

α-角蛋白：

二聚体结构的中央是由两个右手螺旋的多肽链复绕成左手超螺旋棒状结构。

通常含有较多的二硫键。

丝心蛋白及β角蛋白：

一种独特的β-折叠片垛叠而成。

每个β折叠股的主要结构类型是由Gly-Ala/Ser交替形成的长链。

研究蛋白质立体结构的方法

（一）X-射线衍射技术

（二）核磁共振

  4．蛋白质的结构与功能的关系

一级结构与功能的关系，氨基酸组成变化改变其功能。

一级结构是空间结构