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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crickdna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 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 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 200 300 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 cooh h c coo h c coo h h rrr阳离子两性离子阴离子phpi pi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ph pi时 氨基酸带负电荷 在电场中向正极移动当ph pi时 氨基酸带正电荷 在电场中向负极移 蛋白质在高于或低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 2n 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 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 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 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themolecularstructureofprotein 第二节 蛋白质的分子结构包括 一级结构 primarystructure 二级结构 secondarystructure 三级结构 tertiarystructure 四级结构 quaternarystructure 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 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 lysval lys ala ala trpthr 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 pleatedsheet 转角 turn 自由回转 randomcoil 一 螺旋 结构要点 从n端为起点 多肽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 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therelationofstructureandfunctionofprotein 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 relaxedstate t tensestate 血液中o2的运输 hbr 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tstate 第四节 蛋白质的理化性质与分离纯化thephysicalandchemicalcharactersandseparationandpurificationofprotein 一 蛋白质的两性电离 一 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 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1 100nm 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