生物化学1.ppt

2003级生物技术教师：李琳,生物化学,生物化学,概述1.蛋白质化学2.核酸的化学3.糖类的结构与功能4.脂类和生物膜5.酶6.维生素和辅酶7.新陈代谢与生物氧化,8.糖代谢9.脂类的代谢10.氨基酸代谢11.核苷酸代谢12.核酸的生物合成13.蛋白质的合成14.代谢的相互联系和调节控制,概述,生物化学：利用化学的理论和方法研究生物的科学研究内容,组成生物体的物质种类及结构,生物体内的物质代谢和能量代谢过程,物质的结构、性质、功能及代谢变化与生命的关系,发展历史,叙述生物化学（18世纪19世纪末）酶、维生素、激素是19世纪初生化领域的三大发现动态生物化学-细胞水平（20世纪初50年代）机能生物化学-分子水平（50年代目前）近二三十年，“中心法则”、限制性内切酶、人类基因组计划、克隆技术等,生物化学的研究方向,最终目标：解析生命体的微观结构、体内生物化学反应机制及复制生命器官1.生命大分子物质的合成、结构和功能的关系2.生物工程的研究（基因工程、细胞工程、酶工程、蛋白质工程、发酵工程）3.生物膜的研究4.物质代谢调控的研究,克隆技术(Clone),1938年，德国胚胎学家首次提出设想1952年，用青蛙开展首次克隆实验1996年7月，爱丁堡罗斯林研究所威尔莫特克隆了名为“多莉”的雌性小绵羊,人类基因组计划（HGP）,1986年，达尔贝科提出1990年，美国国会批准“HGP”，9月，中国获准加入，负责测定人类基因组序列的1%2000年6月26日，草图绘制成功2003年4月14日，人类基因组序列图绘制成功进入后基因组时代,人类基因组研究在新药开发中的作用,基因组研究的目标：发现特定基因的生物学功能并鉴定和验证药物的作用靶点，开发基因组药物寻找新基因或基因新功能，提供新药筛查和重新设计的靶标或开拓疾病诊断和防治的新技术和新方法可发现作为基因药物用的新细胞因子,蛋白质组学,20世纪90年代中期蛋白质组学以细胞内全部蛋白质的存在及其活动方式为研究对象1994年，首次提出蛋白质组概念1996年，澳大利亚建立了第1个蛋白质组研究中心（APAF）2001年4月，美国成立了国际人类蛋白质组研究组织（HUPO）,蛋白质组学的发展趋势,1.基础研究方面：2应用研究方面：寻找疾病分子标记和药物靶标的最有效方法之一3.技术发展方面：多种技术并存，蛋白质组学与其它学科的交叉,生物芯片技术,通过微加工工艺在厘米见方的芯片上集成有成千上万个与生命相关的信息分子，实现对基因、配体、抗原等生物活性物质进行测试和分析包括基因芯片和肽芯片DNA芯片的概念起始于80年代中期，96年美国创造了第1块DNA芯片（AFFYMATRIS公司）,发达国家在生物技术领域的发展,美国：率先开启以蛋白质和药物基因学为研究重点的后基因研究时代，保持世界先进技术领先地位德国：“全国基因组科研网”符赖斯堡“生物谷”日本：重点推进生物信息技术、系统生物技术及纳米生物技术英国：干细胞研究,发展中国家在生物技术领域的发展,印度：干细胞巴西：基因研究大国，正在建世界最大农业基因库韩国：重点发展基因组学、蛋白质组学及生物信息学中国：在人类基因组计划中占1%，独立绘制水稻的基因序列,蛋白质化学,1.概述,2.氨基酸3.肽4.蛋白质,概述,1.生物学意义：催化；运输；运动；调节；防御体系；控制遗传信息、细胞膜通透性及记忆、识别机构、机械强度等蛋白质是一切生物体的细胞和组织的主要组成成分，也是生物体形态结构的物质基础；蛋白质功能的共性：特异结合元素：C、H、O、N（1518%）、S,氨基酸,构成蛋白质的氨基酸主要有20种，除脯氨酸外，都是-氨基酸。人和动物需要的某些氨基酸可以由另一种氨基酸在人体或动物体内转化而来，但有些氨基酸不能由体内转化，须由食物或饲料提供。若人体缺乏此氨基酸，则影响机体正常的生长必需氨基酸,HRCCOOHNH2旋光性L-氨基酸和D-氨基酸,氨基酸的分类,G、A、V、L、I、M、C、S、T、E、Q、D、N、K、RF、YH、WP,脂肪族氨基酸,芳香族氨基酸,杂环氨基酸,杂环亚氨基酸,氨基酸的分类,S,T,N,Q,Y,CH,K,RD,EG,A,V,L,I,F,M,P,W,极性氨基酸,非极性氨基酸,极性不带电荷,极性带正电荷,极性带负电荷,氨基酸的理化性质,1.溶解度2.熔点:高3.旋光性有旋光性4.味感：D-氨基酸大多带甜味，L-氨基酸有苦、甜、鲜、酸等四种不同味感。,1.两性性质：氨基酸分子中含有氨基及羧基，使其既能象酸又能象碱一样解离；2.与甲醛作用：3.与2,4-二硝基氟苯作用：4.与茚三酮的作用：5.与异硫酸苯酯的作用：6.与荧光胺的作用：7.与5,5-双硫基-双(硝基苯甲酸)反应,等电点,概念：在等电点时，氨基酸的溶解度最小，易沉淀等电点可用酸碱滴定方法测定，也可通过pK值计算侧链无解离基团时：pI=(pK1+pK2)/2侧链有解离基团时,pI相当于氨基酸的两性离子状态两侧的基团pK值和的一半,返回,肽,一个氨基酸的-羧基和另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而成的化合物为肽;A氨基酸的-羧基和B氨基酸的-氨基缩合的二肽为AB。,谷胱甘肽（GSH）,三肽：由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸组成；分子中有一-肽键，由谷氨酸的-羧基和-氨基缩合而成；GSH含一个巯基，易氧化为GSSG。GSH是某些酶的辅酶，在体内氧化还原过程中起重要作用。,催产素和升压素,在下丘脑的神经细胞中合成，合成后与神经垂体运载蛋白结合，经轴突运输到神经垂体，再释放至血液；为9肽，有环状结构；催产素使子宫和乳腺平滑肌收缩，具有催产及使乳腺排乳作用；升压素则促进血管平滑肌收缩，升高血压，减少排尿。,其他,促肾上腺皮质激素（ACTH）39肽，刺激肾上腺皮质的生长和肾上腺皮质激素的合成与分泌脑肽脑啡肽：镇痛-内啡肽：吗啡样活性及镇痛；-内啡肽：抗精神分裂症,胆囊收缩素33肽胰高血糖素胰脏-细胞分泌胰高血糖素，为29肽；可调控肝糖原降解产生葡萄糖维持血糖水平；舒张血管；抑制肠蠕动。,返回,蛋白质的结构,1.蛋白质的一级结构：由共价键结合在一起的氨基酸残基的排列序列；2.蛋白质的二级结构：主链上原子的局部空间排列，不包括与其它链段之间的相互关系及侧链结构；-螺旋结构（、310）、-片层结构（折叠、卷曲）、无规卷曲结构、其它结构3.蛋白质的三级结构：螺旋、折叠、卷曲及无规卷曲等二级结构的多肽链在三维空间的排列方式。4.蛋白质的四级结构：具有三级结构的蛋白质亚单位通过非共价键缔合的结果，稳定四级结构的力或键与稳定三级结构的那些键相同。,蛋白质的一级结构,一级结构-氨基酸残基的排列顺序蛋白质中氨基酸连接的基本方式是肽键除肽键外还有-S-S-键,是连接肽键内与肽链间的主要桥键二硫键:起稳定肽链空间结构的作用,与生物活性有关胰岛素,O=C-N-H,胰岛素由51个氨基酸组成A链+B链A链：由21个氨基酸组成B链：由30个氨基酸组成A链和B链由2对-S-S-键连起来,蛋白质一级结构的测定,测序策略：Ex：一个肽与FDNB反应后，用5.7mol/LHCl水解后得到DNP-Ser和6种其它氨基酸，用酶1可将此肽切为3个小肽：Ser-Met-Lys、Arg-Thr和Ala-Glu；后用酶2将之切为3段：Lys-Ala、Ser-Met及Glu-Arg-Thr；确定此肽序列,多肽链数目的确定,氨基酸组成分析,重建多肽链的一级结构,裂解多肽链成小片段,鉴定N-末端和C-末端,断开-S-S-键,拆分多肽链,测定各肽段的氨基酸序列,确定-S-S-位置,蛋白质的空间结构,蛋白质的空间结构:蛋白质分子中所有原子在是三维空间的排列分布和肽链的走向二级结构:蛋白质多肽的折叠和盘绕方式螺旋折叠：平行和反平行结构转角：自由回转：没有一定规律的松散肽链结构超二级结构和结构域,螺旋,每隔3.6个氨基酸残基,螺旋上升一圈.螺旋中氨基酸侧链伸向外侧,相邻的螺圈之间形成氢键氢键（稳定蛋白质二级结构的主要作用力）：多肽主链上-C=O和N-H-，氢键还可在侧链与侧链、侧链和水、主链肽基与侧链间形成；Ns；天然蛋白质大多为右手螺旋,折叠,肽链按层排列，依靠相邻肽链上的C=O与N-H形成的氢键来维持结构的稳定性平行结构：所以肽链的N端都处于同一端，是同一方向的；反平行结构：肽链的N端一顺一倒排列（更稳定）,折叠-反平行结构,折叠-平行结构,转角,超二级结构,是蛋白质二级结构和三级结构层次中的过渡态构象层次超二级结构：若干相邻的二级结构中的构象单元彼此相互作用，形成有规则的、在空间上能辨认的二级结构组合体,超二级结构,超二级结构,超二级结构,结构域,是球状蛋白质的折叠单位，在空间上彼此分隔，各自具有部分生物功能的结构含100200个氨基酸残基，1条长的多肽链首先折叠成几个相对独立的结构域再缔合成三级结构,蛋白质的三级结构,是多肽链上的所有原子在三维空间的分布肌红蛋白：由153个氨基酸残基和1个血红素辅基组成8段长度为724个氨基酸残基的螺旋，拐角处，螺旋被破坏；拐角一般为18个氨基酸残基组成的松散肽链脯氨酸、异亮氨酸及丝氨酸存在于拐角处具极性基团侧链的氨基酸残基在分子表面，而非极性的则埋于分子内部,蛋白质的四级结构,大多数相对分子质量大的蛋白质都由几条多肽链组成为1个活性单位；“亚基”四级结构：亚基的相互关系，空间排布、亚基间通过非共价键聚合而成特定构象,稳定蛋白质三维结构的作用力,氢键（稳定蛋白质二级结构的主要作用力）：多肽主链上-C=O和N-H-，氢键还可在侧链与侧链、侧链和水、主链肽基与侧链间形成；范德华力：相互作用数量大且具有加成效应和位相效应；静电相互作用疏水作用：水介质中球状蛋白质的折叠趋向于把疏水残基埋藏在分子内部（主要动力为蛋白质溶液系统的熵增加）；二硫交联键：-S-S-不规定多肽键的折叠，但对此构象起稳定作用。,蛋白质分子结构和功能的关系,一级结构和功能种属差异分子病,构象与功能别构现象,蛋白质的理化性质,1.蛋白质溶液的渗透压较低；蛋白质分子表面带有水化膜，使蛋白质溶液的流动阻力及粘度都较大；,2.（1）蛋白质的两性解离及等电点（2）.蛋白质的胶体性质（3）.蛋白质的沉淀作用（4）.蛋白质的变性及凝固（5）.蛋白质水解作用（6）.蛋白质氧化-还原作用（7）.蛋白质的颜色反应,蛋白质的两性解离及等电点,当蛋白质溶液处于等电点时，其溶解度最小；粘度、渗透压、膨胀性及导电能力也降为最低值。返回,蛋白质的胶体性质,1.具有胶体的一切特性（布郎运动、丁达尔现象、电泳、不能透过半透膜、具有吸附能力）2.亲水胶体（稳定性水合作用、双电层）3.溶胶凝胶（蛋白质颗粒分散在水中）（水分散在蛋白质颗粒中）返回,蛋白质的沉淀反应,1.盐析2.有机溶剂沉淀反应3.重金属盐沉淀反应4.某些酸引起的沉淀反应,蛋白质的沉淀反应,1.盐析：将中性盐类加于蛋白质溶液中，使其从溶液中沉淀析出。感胶离子序：Mg2+Ca2+Sr2+Ba2+Li+Na+K+Rb+Cs+；C6H5O73-C4H4O63-SO42-CH3COO-Cl-NO3-2.有机溶剂沉淀：（有机溶剂亲水性蛋白质）,3.重金属沉淀反应：蛋白质+重金属（Zn2+、Cu2+、Hg2+、Pb2+、Fe2+）蛋白质金属盐4.有机酸沉淀剂的沉淀反应：（苦味酸、磷钨酸、磷钼酸、鞣酸、三氯醋酸、磺酰水杨酸）+蛋白质沉淀（pH等电点）返回,蛋白质的变性及凝固,概念：蛋白质受到外界因素的影响，使构成空间结构的氢键等遭受破坏，导致二级、三级结构发生变化，天然蛋白质的空间构型解体，使天然蛋白质的理化特性改变并失去原有的生理活性。变性后蛋白质的特性：物理性质的改变化学性质的改变生物性能的改变,影响因素：温度：有机溶剂：酸、碱：返回,蛋白质的变性,变性蛋白质的特性,1.物理性质的改变：旋光值改变，粘度增加，失去结晶能力，溶解度下降，发生絮凝、沉淀2.化学性质的改变：变性蛋白质易被酶水解，消化率提高；3.生物性能的改变：蛋白质变性后抗原性改变，生物功能损失，激素失去生理调节作用，抗体失去与抗原结合的能力。返回,蛋白质的水解作用,酸水解：盐酸可用加热的方法除去，水解彻底，能全部转化为氨基酸；构型不变；但色氨酸被破坏，且丝氨酸、酪氨酸及苏氨酸被破坏；水解液呈黑色；碱水解：氨基酸构型发生变化；色氨酸不被破坏，水解液澄清；蛋白酶水解：常温常压下即可进行，氨基酸不被破坏，不发生构型变化；时间较长且不易水解，中间产物多。返回,蛋白质的氧化-还原反应,蛋白质分子中对氧化反应最灵敏的是半胱氨酸的-SH键：-2HR-SH+HS-RR-S-S-R+2H返回,蛋白质的颜色反应,双缩脲反应（蛋白质含有肽键）米伦氏反应（酪氨酸及含酪氨酸的蛋白质）茚三酮反应（肽类、氨基酸及其它伯胺类化合物等具有氨基的化合物）乙醛酸反应（色氨酸的吲哚基）坂口反应（精氨酸及含精氨酸的蛋白质）福林反应（测定蛋白质含量）返回,蛋白质的分类,只由-氨基酸组成简单蛋白质非蛋白质,简单蛋白质,结合蛋白质,核蛋白,糖蛋白和蛋白聚糖,脂蛋白,色蛋白,磷蛋白,结合蛋白质,核蛋白：由蛋白质和核酸组成糖蛋白和蛋白聚糖脂蛋白由蛋白质和脂类通过非共价键连接，存在于生物膜和动物血浆中,脂类以甘油磷脂为主，蛋白主要为糖蛋白,功能：经过血液循环运输脂类；分为乳糜微粒、极低密度脂蛋白、低密度脂蛋白、高密度脂蛋白,结合蛋白质,色蛋白由蛋白质和色素组成血红蛋白磷蛋白蛋白质+磷酸磷酸与丝氨酸或苏氨酸侧链的羟基结合,核酸的化学,概论核酸的结构核酸的理化特性,核酸的发现及研究简史,1868年F.Miescher1953年，Watson&Crick,核酸的发现,早期研究,DNA双螺旋结构的建立,生物技术,人类基因组计划,1944年，O.T.Avery的细菌转化实验,证明DNA是遗传物质,52年，噬菌体感染大肠杆菌实验证明DNA是遗传物质,核酸的生物功能,1.DNA是主要的遗传物质2.RNA参与蛋白质的生物合成3.RNA具有多种功能：1）控制蛋白质的合成；2）作用于RNA转录后加工和修饰；3）基因表达与细胞功能调节；4）生物催化与其它细胞持家功能；5）遗传物质信息的加工和进化,返回,核酸结构,RNA：AGCUDNA：AGCTRNA：D-核糖DNA：D-脱氧核糖,核酸,核苷酸,磷酸,核苷,戊糖,碱基,核苷酸结构,核苷酸,1.碱基嘌呤碱嘧啶碱稀有碱基：大多为甲基化碱基，在tRNA中含量较高；2.糖苷：戊糖与碱基以糖苷键（N-C键）连接3.核苷酸：,碱基,碱基,脱氧核糖核苷,核糖核苷,核苷酸,核苷酸是核苷的磷酸酯；生物体内的游离核苷酸多为5-核苷酸（在核苷左侧加p表示，如pA，右侧则为3-核苷酸）；,核苷酸,各种核苷三磷酸如ATP、CTP、GTP、UTP是体内RNA合成的直接原料，脱氧核苷三磷酸为DNA合成的原料；在生物体的能量代谢中发挥作用腺苷酸是一些辅酶的结构成分cAMP：某些激素发挥生理作用的媒介物，为激素的第二信使。,核苷酸的连接方式,核酸的基本单位是核苷酸核苷酸的连接键是3,5-磷酸二酯键，由相间排列的戊糖和磷酸构成核酸大分子的主链，而碱基则是有次序连接在主链上的侧链基团（见图）核酸一级结构简写式表示核酸的一级结构：pApCpGpU,核酸共价结构的表示方法,DNA的结构,一级结构二级结构（见图）双螺旋结构模型（1953,Watson&Crick）DNA双螺旋的构象类型三级结构,双螺旋结构模型,1.DNA分子是由两条方向相反的平行多核苷酸链构成，两条链的主链都是右手螺旋，螺旋表面有大沟和小沟；2.碱基均在主链内侧，A与T配对，G与C配对，“半保留复制”3.成对碱基处于同一平面，与螺旋轴垂直，双螺旋每转1周有10个碱基对，螺距为3.4nm；大多数天然DNA属双链DNA；双链DNA分子较硬，呈比较伸展的结构。,DNA的二级结构,半保留复制,如果DNA的两条链分开，任何一条都可以按碱基互补的原则合成与之互补的另一条链,DNA双螺旋的构象,DNA的三级结构,双链DNA多数为线形分子，但有些为双链环状DNA（dcDNA）超螺旋松弛环形DNA解链环形DNA负超螺旋生物体内绝大多数螺旋DNA以负超螺旋形式存在；真核细胞染色质和一些病毒的DNA是双螺旋线形分子，双螺旋DNA盘绕组蛋白形成核小体。,DNA与基因组,生物体的遗传特征由DNA中特定的核苷酸序列决定，其通过自我复制合成完全相同的分子，从而将遗传信息由亲代传到子代DNAmRNA蛋白质概念：基因、结构、调节、基因组原核生物基因组的特点真核生物基因组的特点,转录,翻译,tRNA,rRNA,原核生物基因组的特点,只有1个“染色体”DNA且DNA分子较小特点除调节序列和信号序列外，大部分为蛋白质编码的结构基因功能相关的基因常串联在一起并转录在同一mRNA中有基因重叠现象,真核生物基因组的特点,重复序列单拷贝序列中度重复序列高度重复序列有断裂基因：内含子、外显子；“组蛋白”,RNA的结构,大多数天然的RNA分子是以一条单链形式存在的。但在生理条件下，RNA分子也可以形成双螺旋区，发卡式结构，茎-环结构等二级结构（下图）。这样的结构一般都出现在tRNA和rRNA分子中。RNA的双螺旋区的结构类似于A-DNA的结构。,RNA的功能,rRNA：核糖体的组成成分，细胞内最丰富的一类RNA，（80）；mRNA：最不稳定的一类RNA，载有来自DNA的信息，在核糖体中，作为模板指导蛋白质的合成（3）；tRNA：在蛋白质生物合成的过程中，转运氨基酸到核糖体-mRNA复合物的相应位置（15%）。,tRNA（三叶草二级结构）,tRNA（三叶草二级结构）,1.四环四臂2.氨基酸臂，3端有CCA-OH结构，其羟基可与可携带的氨基酸形成共价键3.D环和D臂4.反密码子臂和反密码子环，3436位为与mRNA作用的反密码子5.可变环6.TC臂7.含修饰碱基，不变核苷酸,酵母苯并氨酸tRNA的三级结构,rRNA,70S,80S,16S和5SrDNA的结构,mRNA和hnRNA,mRNA代谢活跃，寿命短，其核苷酸序列决定相应蛋白质的氨基酸序列；原核生物mRNA转录和翻译在细胞同一空间进行真核生物mRNA的前体在细胞核内合成，形成hnRNA，被加工为成熟的mRNA，进入细胞质指导蛋白质合成,snRNA和asRNA,snRNA（0.11%）主要存在于细胞核中，少数穿梭于核质之间或存在于细胞质中；5端有帽子结构，含U多的为U-RNA；与蛋白质连在一起，以核糖核酸蛋白（RNP）的形式存在，U-RNP在hnRNA及rRNA的加工中有作用asRNA可通过互补序列与特定的mRNA结合，抑制mRNA的翻译，还可抑制DNA的复制和转录。,返回,核酸的性质,大多数DNA为线性分子，分子极不对称，粘度极高，而RNA的粘度较小；1.核酸的水解2.核酸的酸碱性质既有磷酸基，又有碱性基团，为两性电解质，通常表现为酸性；3.核酸结构的稳定性3.核酸的紫外吸收4.核酸的变性、复性及杂交,核酸的水解,糖苷键和磷酸二酯键1.酸水解：糖苷键比磷酸二酯键易被酸水解；嘌呤碱的糖苷键比嘧啶碱的糖苷键稳定性差；2.碱水解：RNA的磷酸二酯键易水解，DNA的较稳定（见图）；3.酶水解：,核酸的紫外吸收,核酸中嘌呤和嘧啶环的共轭体系强烈吸收260290nm波段紫外光，其最高的