1、生生 物物 化化 学学Bio-chemistry基础医学院 黄映红 question 1:什么是生物化学什么是生物化学?question 2:学习生化能做什么学习生化能做什么?question 3:生命科学的进展有哪些生命科学的进展有哪些?第一章第一章 绪论绪论 一一.生物化学的定义及其研究内容生物化学的定义及其研究内容 生物化学生物化学=生物生物+化学化学生物化学是研究发生在活生物化学是研究发生在活细胞和组织内各种分子和细胞和组织内各种分子和其化学反应的一门学科。其化学反应的一门学科。二二.研究内容研究内容v物质代谢及调节物质代谢及调节新陈代谢的过程：消化、吸收、新陈代谢的过程：消化、吸收、
2、合成、分解、转化合成、分解、转化、排泄、排泄三三.生物化学的发展简史生物化学的发展简史v静态生化学阶段静态生化学阶段FisherFisherv动态生化学阶段动态生化学阶段v机能生化学阶段机能生化学阶段v分子生物学阶段分子生物学阶段WatsonCrick我国生物化学的发展我国生物化学的发展酿酒酿酒黄帝内经黄帝内经 五谷为养，五果为助，五五谷为养，五果为助，五畜为益，五菜为充畜为益，五菜为充酶酶吴宪吴宪 血糖测定法；蛋白质变性假说血糖测定法；蛋白质变性假说19791979年合成酵母丙氨酰年合成酵母丙氨酰tRNAtRNA 四四.研究目的研究目的v帮助诊断疾病帮助诊断疾病v了解疾病的发病机制了解疾病的
3、发病机制v针对疾病的发病机制，治疗疾病针对疾病的发病机制，治疗疾病v了解药物的毒副作用了解药物的毒副作用v了解疾病的预后了解疾病的预后v在营养学和预防医学中的作用在营养学和预防医学中的作用五.生物化学的学习方法v记忆与理解v归纳与类比六.细胞的基本构造v细胞的分类v细胞的结构（一）细胞膜1.细胞膜的结构2.细胞膜的分子组成l 脂类物质（磷脂、胆固醇、糖脂）l 蛋白质（周边蛋白、整合蛋白）l 糖类物质3.细胞膜的功能l 物质转运l 分子识别l 信息传递l 能量交换l 细胞免疫l 神经传导l 代谢调控（二）细胞核（三）线粒体结结 语语 生物化学是沟通生物学、生理学、病生物化学是沟通生物学、生理学、
4、病理学、药学、微生物学的共同语言理学、药学、微生物学的共同语言五、生物化学的参考书五、生物化学的参考书第二章 蛋白质化学Chapter 2 Structure and Function of Protein研究内容：v蛋白质的分子组成、氨基酸的理化性质v蛋白质的分子结构（构型）与其理化性质v蛋白质的结构与功能的关系重点内容：v蛋白质基本组成单位氨基酸的结构及其性质v蛋白质的分子结构及性质：蛋白质两性电离和等电点、蛋白质的沉淀、蛋白质的变性难点：氨基酸及蛋白质的两性电离和等电点概述蛋白质Question1：什么是蛋白质？Question2：蛋白质有多重要？Question3：如何了解蛋白质？什么
5、是蛋白质？组成：氨基酸连接方式：肽键蛋白质是生命的物质基础一.蛋白质是机体结构的基础蛋白质是构成生物体的基本成分二.蛋白质是机体功能的基础蛋白质具有多样性的生物学功能：v塑造、更新和修补作用v执行机体重要生理功能催化和调节转运和储存作用运动和支持作用免疫保护作用生长和繁殖作用载体和受体基因表达和信息转导作用v氧化供能第一节 蛋白质的分子组成Section 1 The Molecular Components of Protein二二.蛋白质的基本组成单位蛋白质的基本组成单位氨基酸氨基酸氨基酸的结构COOHNH2RHCL-氨基酸COOHNH2HCH甘 氨 酸氨基酸的结构特点氨基酸的结构特点1.相
6、同的结构主链，不同的结构侧链相同的结构主链，不同的结构侧链2.除甘氨酸外，组成蛋白质的氨基酸为除甘氨酸外，组成蛋白质的氨基酸为L-氨氨基酸基酸3.氨基酸是两性电解质氨基酸是两性电解质（二）氨基酸的分类（二）氨基酸的分类1.根据有机化合物分类根据有机化合物分类氨基酸氨基酸芳香烃氨基酸芳香烃氨基酸：酪氨酸：酪氨酸脂肪族氨基酸脂肪族氨基酸：谷氨酸：谷氨酸杂环氨基酸杂环氨基酸：色氨酸、组氨酸、脯氨酸：色氨酸、组氨酸、脯氨酸2.根据根据R侧链的的结构和极性分类侧链的的结构和极性分类氨基酸氨基酸碱性氨基酸碱性氨基酸中性氨基酸中性氨基酸酸性氨基酸酸性氨基酸甘氨酸、丙氨酸甘氨酸、丙氨酸：赖氨酸、精氨酸、赖氨酸
7、、精氨酸、组氨酸组氨酸含极性不带电荷含极性不带电荷R基团的氨基酸：基团的氨基酸：非极性疏水性氨基酸：非极性疏水性氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸天冬氨酸、谷氨酸半胱氨酸、丝氨酸半胱氨酸、丝氨酸（三）氨基酸的主要理化性质（三）氨基酸的主要理化性质1.氨基酸的两性电离和等电点氨基酸的两性电离和等电点酸式电离：酸式电离：-COOHCOO-H碱式电离：碱式电离：-NH2HNH3氨基酸的两性电离氨基酸的两性电离R-CH-COOR-CH-COOHNH2NH3+氨基酸所带正电荷数目与负电荷数目相等氨基酸所带正电荷数目与负电荷数目相等时，所处的离子状态为兼性离子状态。时，所处的离子状态为兼性离子状态。影响氨基酸带电状
8、态的因素影响氨基酸带电状态的因素v氨基酸所处溶液氨基酸所处溶液pH值值v氨基酸的氨基酸的R基团结构基团结构氨基酸所处溶液PH值对其带电状态的影响R-CH-COOH NH2H+OH-H+OH-兼性离子PHpIPH=pIR-CH-COOH NH3+R-CH-COO-NH3+R-CH-COO-NH2正离子负离子PHpI氨基酸的等电点：氨基酸的等电点：氨基酸分子呈兼性离子状态时，溶液氨基酸分子呈兼性离子状态时，溶液 所处的所处的pH值为氨基酸的等电点，用值为氨基酸的等电点，用pI 表示表示。氨基酸处于等电点时，其溶解度、粘度、渗氨基酸处于等电点时，其溶解度、粘度、渗透压最小透压最小What s iso
9、electric point of amino acid?氨基酸的结构及羧基、氨基的相对解离度对其带电状态的影响v酸性氨基酸：pI7v碱性氨基酸：pI7v中性氨基酸：pI 7思考题：1.要使中性氨基酸成为兼性离子，应向溶液中加酸还是加碱？2.假设某种氨基酸的pI=5，将其放入pH为6的电场中，氨基酸分子应向正极还是负极移动？2.芳香族氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸的紫外吸收色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸在波长为在波长为260-280nm处有特征性的最大吸收峰处有特征性的最大吸收峰这一特性可用于蛋这一特性可用于蛋白质定量分析，但白质定量分析，但容易受到嘌呤、嘧容易受到嘌呤、嘧啶化
10、合物的干扰。啶化合物的干扰。3.茚三酮颜色反应茚三酮颜色反应 可用于氨基酸的定量分析可用于氨基酸的定量分析4.氨基酸的羧基和氨基反应氨基酸的羧基和氨基反应羧基反应：成盐、成酯、脱羧羧基反应：成盐、成酯、脱羧氨基反应：成盐、放氮、合成酰胺氨基反应：成盐、放氮、合成酰胺5.氨基酸的一般性质氨基酸的一般性质 无色结晶、熔点高、易溶于酸碱、不无色结晶、熔点高、易溶于酸碱、不溶于有机溶剂溶于有机溶剂 三三.氨基酸在肽链（氨基酸在肽链（peptidepeptide）中的连接方式）中的连接方式（一）肽键（一）肽键（peptide bondpeptide bond）的形成）的形成 H HNHNH2 2-C-C
11、O-C-COOHOH R R1 1 H HH H-N-C-COOH-N-C-COOH H R H R2 2 H H O ONHNH2 2-C-C-C-NC-N-CH-COO-CH-COO R R1 1 H H R R2 2 Glu-His-Lys-H-OH（二）肽、多肽、蛋白质（二）肽、多肽、蛋白质由肽键将氨基酸相互连接形成的由肽键将氨基酸相互连接形成的链状化合物称为肽。链状化合物称为肽。1.肽的定义肽的定义2.肽链的结构肽链的结构主链主链侧链：侧链：R基团基团两个末端：两个末端：N端端 C端端(三三)肽链的分类、命名肽链的分类、命名谷氨酰组氨酰赖氨酸谷氨酰组氨酰赖氨酸第二节第二节 蛋白质的分
12、子结构蛋白质的分子结构Section 2 Molecular Structure and Function of Protein一一.蛋白质分子中的主要化学键蛋白质分子中的主要化学键1.主键：肽键主键：肽键2.副键：副键：（1）氢键（）氢键（hydrogen bond）（2）疏水键（）疏水键（hydrophobic interaction）（3）盐键（）盐键（salt bond）（4）二硫键）二硫键蛋白质分子中的肽键蛋白质分子中的肽键蛋白质分子中氢键的形成蛋白质分子中氢键的形成v在蛋白质分子中，由于存在数目众多的氢键，在蛋白质分子中，由于存在数目众多的氢键，故氢键在稳定故氢键在稳定蛋白质蛋白质
13、的空间结构上起着重要的的空间结构上起着重要的作用。作用。v但氢键的但氢键的键能键能较低较低(12kJ/mol)，易被破坏。，易被破坏。蛋白质分子中离子键的形成蛋白质分子中离子键的形成4范德华氏引力（范德华氏引力（van der Waals force)：v原子之间存在的相互作用力。原子之间存在的相互作用力。二硫键（二硫键（disulfide bonddisulfide bond）二、蛋白质的一级结构二、蛋白质的一级结构（primary structure）：主要化学键：肽键主要化学键：肽键副键：二硫键副键：二硫键肽键平面（酰胺平面）肽键平面（酰胺平面）肽键平面示意图肽键平面示意图三三.蛋白质的
14、二级结构蛋白质的二级结构(secondary structure)多肽链中，肽键平面相对旋转，使主链多肽链中，肽键平面相对旋转，使主链骨架借氢键作用盘旋或折叠形成的有规律骨架借氢键作用盘旋或折叠形成的有规律的空间构象。的空间构象。（一）定义（一）定义（二）形式（二）形式1.-螺旋螺旋（-helix）v右手螺旋右手螺旋v链内氢键，与长轴平行链内氢键，与长轴平行v螺距为螺距为0.54nm,每个螺旋含每个螺旋含3.6个氨基酸残基；个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离两个氨基酸之间的距离0.15nm.2.-折叠折叠（-pleated sheet）nR基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两基团处于折叠的棱角
15、上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心距为个氨基酸之间的轴心距为0.35nmn-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的成的n氢键与链的长轴接近垂直氢键与链的长轴接近垂直n-折叠有两种类型：平行式及反平行式折叠有两种类型：平行式及反平行式-折叠的平行式与反平行式排列折叠的平行式与反平行式排列3.-转角（-turn）n由四个氨基酸残基组成.n弯曲处的第一个氨基酸残基的-C=O 和第四个残基的 N-H 之间形成氢键4.无规卷曲（无规卷曲（random coil）：）：v无规卷曲无规卷曲是指多肽链主链部分形成的无规律的是指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。卷曲构
16、象。v对于特定的蛋白质分子而言，其对于特定的蛋白质分子而言，其无规卷曲无规卷曲部分部分的构象则是特异的。的构象则是特异的。（三）特点：（三）特点：1.使主链骨架盘旋折叠，不涉及侧链使主链骨架盘旋折叠，不涉及侧链2.以一级结构为基础相对旋转以一级结构为基础相对旋转3.有规律、有周期性有规律、有周期性4.主要化学力为氢键主要化学力为氢键四四.蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构(tertiary structure)（一）定义（一）定义 在二级结构的基础上，多肽链进一步在二级结构的基础上，多肽链进一步折叠形成的空间结构。反映主链及侧折叠形成的空间结构。反映主链及侧链所有原子的整体排布。链所有原子的整体
17、排布。胰岛素分子的三级结构胰岛素分子的三级结构溶菌酶分子的三级结构溶菌酶分子的三级结构磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构磷酸丙糖异构酶和丙酮酸激酶的三级结构（二）特点：（二）特点：1.以二级结构为基础，靠侧链基团相互作用以二级结构为基础，靠侧链基团相互作用2.整条肽链参与构成三级结构整条肽链参与构成三级结构3.主要化学力为疏水键主要化学力为疏水键4.具有三级结构的蛋白质可有生物学活性具有三级结构的蛋白质可有生物学活性六六.蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构（quaternary structure）由具有三级结构的亚基通过副键聚合形由具有三级结构的亚基通过副键聚合形成的一定空间结构的聚合体，称
18、为蛋白成的一定空间结构的聚合体，称为蛋白质的四级结构。质的四级结构。（一）定义（一）定义v亚基（亚基（subunit）是指参与构成蛋白质四是指参与构成蛋白质四级结构的、每条具有三级结构的多肽链。级结构的、每条具有三级结构的多肽链。（二）特点：（二）特点：1.多个亚基，亚基间非共价连接多个亚基，亚基间非共价连接2.单独的亚基无生物学活性。单独的亚基无生物学活性。镰刀状红细胞贫血镰刀状红细胞贫血（一）一级结构与功能的关系（一）一级结构与功能的关系（二）空间结构与功能的关系（二）空间结构与功能的关系七七.蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质分子结构与功能的关系蛋白质四级结构与功能的关系蛋白质四级结构与功
19、能的关系变构效应变构效应血红蛋白的变构血红蛋白的变构v当血红蛋白的一个当血红蛋白的一个 亚基与氧分子结合亚基与氧分子结合以后，可引起其他亚基的构象发生改变，以后，可引起其他亚基的构象发生改变，对氧的亲和力增加，从而导致整个分子对氧的亲和力增加，从而导致整个分子的氧结合力迅速增高，使血红蛋白的氧的氧结合力迅速增高，使血红蛋白的氧饱和曲线呈饱和曲线呈“S”形。形。血红蛋白的氧饱和曲线血红蛋白的氧饱和曲线v这种由于蛋白质分子构象改变而导致蛋这种由于蛋白质分子构象改变而导致蛋白质分子功能发生改变的现象称为白质分子功能发生改变的现象称为变构变构效应（效应（allosteric effect）。Secti
20、on 3 The Physical and Chemical Characters of Protein,as well as its Separation and Purification 第三节第三节 蛋白质的理化性质蛋白质的理化性质一一.蛋白质的紫外吸收特性蛋白质的紫外吸收特性两个吸收峰：两个吸收峰：200-220nm;280nm二二.蛋白质的呈色反应蛋白质的呈色反应1.双缩脲反应2.酚试剂呈色反应酚试剂呈色反应三三.蛋白质的两性电离和等电点蛋白质的两性电离和等电点1.蛋白质的两性电离蛋白质的两性电离2.蛋白质的等电点（蛋白质的等电点（pI）3.等电点的应用等电点的应用电泳技术电泳技术离
21、子交换层析离子交换层析电泳电泳v带电粒子在电场中趋动的现象称为带电粒子在电场中趋动的现象称为电泳电泳（electrophoresis）离子交换层析分离蛋白质离子交换层析分离蛋白质四四.蛋白质的大分子性质蛋白质的大分子性质（一）蛋白质分子的扩散、沉降与粘度（一）蛋白质分子的扩散、沉降与粘度（二）蛋白质分子的透析（二）蛋白质分子的透析（三）蛋白质的沉淀与变性（三）蛋白质的沉淀与变性蛋白质颗粒的表面电荷和水化膜蛋白质颗粒的表面电荷和水化膜+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质在等电点的蛋白质在等电点的蛋白质+带正电荷的蛋白质带正电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质带负电荷的蛋白质
22、不稳定的蛋白质颗粒不稳定的蛋白质颗粒酸酸碱碱酸酸碱碱脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用脱水作用1.蛋白质的沉淀蛋白质的沉淀（1）盐析）盐析 概念和原理概念和原理 v在蛋白质溶液中加入大量中性盐，以破坏在蛋白质溶液中加入大量中性盐，以破坏蛋白质的胶体性质，使蛋白质从溶液中沉蛋白质的胶体性质，使蛋白质从溶液中沉淀析出，称为淀析出，称为盐析（盐析（salt precipitation）。特点：不变性、复溶于酸碱特点：不变性、复溶于酸碱 应用：分段盐析法应用：分段盐析法 （2）有机溶剂沉淀）有机溶剂沉淀原理：原理：特点：可变性特点：可变性应用：分离蛋白质应用：分离蛋白质 脱水作用；脱水作用；使水
23、的介电常数降低，使水的介电常数降低，蛋白质溶解度降低蛋白质溶解度降低（3）重金属盐沉淀）重金属盐沉淀原理原理 特点：变性、一般不复溶特点：变性、一般不复溶应用应用（4）生物碱试剂沉淀）生物碱试剂沉淀原理原理 特点：变性、一般不复溶特点：变性、一般不复溶应用应用2.蛋白质的变性蛋白质的变性（1）概念）概念（2）变性蛋白的特征）变性蛋白的特征物理化学性质改变：物理化学性质改变：溶解度降低溶解度降低 粘度增加粘度增加 蛋白酶水解易蛋白酶水解易生物学活性丧失生物学活性丧失核糖核酸酶的变性与复性核糖核酸酶的变性与复性去除变性剂去除变性剂并缓慢氧化并缓慢氧化天然构象天然构象尿素，尿素，-巯基乙醇巯基乙醇变
24、性状态变性状态（3）可逆变性与复性）可逆变性与复性（4）蛋白质的凝固）蛋白质的凝固第四节 蛋白质分子的分类Section 4 The classification of Protein一一.按化学组成分类按化学组成分类蛋蛋白白质质结合蛋白质结合蛋白质单纯蛋白质单纯蛋白质氨基酸部分氨基酸部分非氨基酸部分非氨基酸部分二二.按分子对称性分类按分子对称性分类蛋蛋白白质质球状蛋白质球状蛋白质纤维状蛋白质纤维状蛋白质三三.按理化性质分类按理化性质分类单纯蛋白质单纯蛋白质清蛋白清蛋白球蛋白球蛋白四四.按理化性质分类按理化性质分类蛋白质蛋白质活性蛋白质：酶、激素活性蛋白质：酶、激素 转运蛋白转运蛋白 无活性蛋白质：胶原蛋白无活性蛋白质：胶原蛋白 弹性蛋白弹性蛋白请描述胰岛素的分子组成请描述胰岛素的分子组成及分子结构及分子结构
