生物化学讲义

1 第一章第一章 绪论绪论 一 生物化学的概念一 生物化学的概念 生物化学是从分子水平研究生物体中各种化学变化规律的科学 因此生物化学又称为 生命的化学 简称 生化 是研究生命分子基础的学科 生物化学是一门医学基础理论 课 二 生物化学的主要内容二 生物化学的主要内容 1 研究生物体的物质组织 结构 特性及功能 蛋白质 核酸 2 研究物质代谢 能量代谢 代谢调节 研究糖 脂 蛋白质 核酸等物质代谢 代 谢调节等规律 是本课程的主要内容 3 遗传信息的贮存 传递和表达 研究遗传信息的贮存 传递及表达 基因工程等 是当代生命科学发展的主流 是现代生化研究的重点 三 生物化学的发展史三 生物化学的发展史 四 生物化学与健康的关系四 生物化学与健康的关系 生化是医学的基础 并在医 药 卫生各学科中都有广泛的应用 本课程不仅是基础医学如生理学 药理学 微生物学 免疫学及组织学等的必要基础 课 而且也是医学检验 护理等各医学专业的必修课程 五 学好生物化学的几点建议五 学好生物化学的几点建议 1 加强复习有关的基础学科课程 前 后期课程有机结合 融会贯通 熟练应用 2 仔细阅读 理解本课程的 绪论 了解本课程重要性 激发起学习生物化学的兴 趣和求知欲望 3 每次学习时 首先必须了解教学大纲的具体要求 预读教材 带着问题进入学习 4 学习后及时做好复习 整理好笔记 5 学生应充分利用所提供的相关网站 从因特网上查找学习资料 提高课外学习和主 动学习的能力 6 实验实训课是完成本课程的重要环节 亲自动手 认真 仔细完成每步操作过程 观察各步反应的现象 详细 科学 实事求是地记录并分析实验结果 独立完成实验报告 第一章第一章 蛋白质的化学蛋白质的化学 一 蛋白质的分子组成一 蛋白质的分子组成 一 蛋白质的元素组成 蛋白质分子主要元素组成 C H O N S 特征元素 N 元素 含量比较恒定约为 16 故所测样品中若含 1 克 N 即可折算成 6 25 克蛋白质 实例应用 实例应用 二 组成蛋白质的基本单位 氨基酸 AA 一 编码氨基酸的概念和种类 蛋白质合成时受遗传密码控制的氨基酸 共有 20 种 二 氨基酸的结构通式 L 氨基酸 甘氨酸除外 三 氨基酸根据 R 基团所含的基团 可分为酸性氨基酸 羧基 碱性氨基酸 氨基及 其衍生基团 和极性的中性氨基酸 羟基 巯基和酚羟基 二 蛋白质的结构与功能二 蛋白质的结构与功能 一 蛋白质的基本结构 1 肽键和肽 1 肽键 一个氨基酸的 羧基与另一氨基酸的 氨基脱水缩合而成的共价键称肽 2 键 肽键是蛋白质分子中氨基酸之间相互连接的主键 2 肽 氨基酸通过肽键而成的化合物称肽 3 生物活性肽 2 蛋白质的一级结构 概念 蛋白质肽链中氨基酸残基的排列顺序 是蛋白质分子的基本结构 意义 是空间结构及其功能的基础 实例分析 胰岛素 分子病等 二 蛋白质的空间结构 蛋白质在一级结构的基础上进一步折叠 盘曲而成的三维结构 又称构象 维系空间结构的化学键 氢键 盐键 疏水键和二硫键等 空间结构可分下列层次 1 蛋白质的二级结构 螺旋 折叠 转角和无规卷曲 2 蛋白质的三级结构 特点是多肽链中疏水的氨基酸一般集中在分子内部 有些蛋白质 仅有一条三级结构的多肽链 其表面可形成活性中心 具有活性 3 蛋白质的四级结构 亚基的概念 数目 种类 三 蛋白质的理化性质和分类三 蛋白质的理化性质和分类 一 蛋白质的理化性质 1 两性电离与等电点 蛋白质是两性离子 其分子所带电荷受环境 pH 的影响 蛋白质的等电点 蛋白质分子呈电中性时的溶液 pH 值称蛋白质的等电点 pI 1 蛋白质在 pH 小于其等电点的溶液中呈阳离子 2 蛋白质在 pH 大于其等电点的溶液中呈阴离子 3 蛋白质在 pH 和其等电点相同的溶液中不带电 此时溶解度最低 易于沉淀析出 临床应用 临床应用 电泳技术 电泳 带电颗粒在电场中朝与其所带电荷相反的方向泳动 称电泳 electrophoresis 电泳技术是目前分离 提纯 鉴定蛋白质最常用的方法之一 2 蛋白质的亲水胶体性质 临床应用 临床应用 盐析 salt precipitaion 有机溶剂沉淀法 3 蛋白质的沉淀 1 盐析法 2 有机溶剂沉淀法 3 生物碱试剂法 4 重金属沉淀法 4 蛋白质的变性 蛋白质在理化因素作用下 使蛋白质分子的空间结构破坏 理化性 质及生物学活性丧失的过程 引起蛋白质变形的因素 举例 举例 物理因素 化学因素和生物因素 变性的本质 非共价键断裂 使蛋白质分子从严密有规则的空间结构变成松散紊乱的 结构状态 蛋白质变性的实际应用举例 应用变性的实例 防止变性的实例 5 紫外吸收性质及呈色反应 在 280 nm 具有紫外吸收的特点 临床应用 临床应用 用 280nm 吸收值测定对蛋白质进行定性和定量 二 蛋白质的分类 1 按分子形状分类 球状蛋白质 纤维状蛋白质 2 按组成分类 单纯蛋白质 结合蛋白质 第二章第二章 核酸的化学核酸的化学 3 核酸的分类 分布与生物学功能核酸的分类 分布与生物学功能 分分 类类 分分 布布 生物学功能生物学功能 核糖核酸 RNA 细胞质 参与蛋白质的生物合成 mRNA 信使 RNA 5 Pr 合成的直接模板 tRNA 转运 RNA 15 活化与转运 AA rRNA 核蛋白体 RNA 80 充当装配机 提供场所 脱氧核糖核酸 DNA 核内染色质 遗传的物质基础 一 核酸的分子组成一 核酸的分子组成 一 组成成份 1 碱基 A G C U T 2 戊糖 3 磷酸 比较两类核酸的化学组成 组成成分 DNA RNA 磷酸 磷 酸 磷 酸 戊糖 2 脱氧核糖 核 糖 碱基 A G C T A G C U 二 组成核酸的基本单位 核苷酸 1 核苷 2 核苷酸 二 核酸的分子结构二 核酸的分子结构 一 核酸分子的一级结构 二 核酸分子的空间结构 1 DNA 的二级结构 双螺旋结构 其主要特点是 1 两条链方向相反 相互平行 主链是磷酸戊糖链 处于螺旋外侧 2 碱基在螺旋内侧并配对存在 A 与 T 配对的 G 与 C 配对 A 与 T 之间二个氢键相连 A T G 与 C 之间三个氢键相链 G C 3 螺旋直径 2nm 二个碱基对平面距 0 34mm 10bp 为一螺距 距离为 3 4nm 4 稳定因素主要是碱基之间的氢键和碱基对平面之间的堆积力 DNA 的二级结构的生物学意义 1 提出了遗传信息的贮存方式 DNA 的复制机理 2 是 DNA 复制 转录和翻译的分子基础 2 RNA 的空间结构 tRNA 二级结构特点 呈三叶草形 有三环四臂 第三章第三章 酶酶 一 酶的概述一 酶的概述 一 酶的概念 1 酶的定义 酶是由活细胞产生的生物催化剂 本质为蛋白质 具有高度专一性和 4 高效的催化作用 2 酶促反应 底物和作用物 二 酶促反应的特点 1 高度的催化效率 在常温常压及中性 pH 条件下 酶比一般催化剂的催化效率高 107 1013 倍 2 高度催化专一性 酶对所作用的底物有严格的选择性 从酶对底物分子结构要求不同 可分三种专一性 1 对专一性 一种 E 只能催化一种 S 脲酶 2 相对专一性 一种 E 只能催化一类 S 一种化学键 水解酶类 3 立体异构专一性 一种 E 只能催化一种 S 的某一种特定构型 LDH 乳酸脱氢 酶 3 高度的不稳定性 易受变性因素影响而失活 二 二 酶的结构与功能酶的结构与功能 一 酶的分子组成 1 单纯蛋白酶 如蛋白酶 淀粉酶 脂酶等水解酶 2 结合蛋白酶 酶蛋白 辅助因子 结合成全酶才有活性 1 酶蛋白 决定催化反应的特异性 选择 E 催化的 S 2 辅助因子 决定催化反应的类型 递电子 氢或一些基团 主要有金属离子和有机小分子 辅基 辅酶 参与组成 二 酶的活性中心与必需基团 1 活性中心 存在于酶分子表面的局部空间区域 构象 由必需基团所组成 功能 结合底物并催化底物进行反应 2 必需基团 与酶活性中心有关的功能基团 酶发挥催化作用所需要基团 一般指分 布在酶分子表面的极性基团 包括 COOH NH2 OH SH 咪唑基等 功能 在活性中心内 活性中心的组份 有结合基团和催化基团 在活性中心外 维持构象稳定 三 酶原与酶原激活 1 概念 在细胞内合成或初分泌时 只是酶的无活性前体 酶原 2 酶原激活 在一定条件下 使酶原转化成活性的酶 称酶原的激活 酶原激活的过程通常是在酶原分子中切除部分肽段 从而有利于酶活性中心的形成或暴 露 3 意义 在特定条件下被激活 可调节代谢 保护自体 避免细胞自身消化 保持血流畅通 许多蛋白水解酶如消化腺分泌的蛋白酶 参于血液凝固的酶和溶解纤维蛋白凝块的酶 均以酶原形式存在 发挥作用前需先经过加工 实例实例 胰蛋白酶原激活 四 同工酶 1 概念 催化功能相同 但酶蛋白的组成与结构等均不同的一组酶 特点 a 存在于同一种属或同一个体的不同组成或同一组织同一细胞中 b 一级结构不同 理化性质包括带电性质不同 免疫学性质不同 但空间结构中 的活性中心相同或相似 c 往往是四级结构的酶类 d 已发现一百多种酶具有同工酶性质 发现最早研究最多的是乳酸脱氢酶 它有 5 五种同工酶 临床测定同工酶酶谱的变化 多用于疾病的诊断和鉴别诊断 2 组成 分型 分布 命名和医学应用 以乳酸脱氢酶为例 LDH 是由 2 种亚基组成的四聚体 共有 5 种分型 LDH 同工酶在诊断中的意义 心肌炎 LDH1 肺梗塞 LDH3 肝炎 LDH5 三 酶催化反应的动力学三 酶催化反应的动力学 影响酶促反应的因素有酶浓度 底物浓度 pH 温度 激活剂等 必需采用测定反应 初速度的条件 一 底物浓度的影响 矩形双曲线 二 酶浓度的影响 在底物浓度足够高时 酶促反应速度与酶浓度呈正比 三 pH 的影响 酶活性最高时的 pH 值称酶的最适 pH 大多数酶最适 pH 值在 7 左右 亦有偏酸和偏碱的例外 四 温度的影响 最适温度 最大酶促反应速度时的温度 五 激活剂对反应速度的影响 1 凡能提高酶活性的物质称激活剂 activator 2 通常分必需激活剂和非必需激活剂两类 前者多为金属离子 六 抑制剂对酶促反应速度的影响 凡使酶活性降低或丧失的作用称抑制作用 使酶活性起抑制作用的物质称抑制剂 根据 抑制剂与酶结合的方式不同 抑制作用可分为不可逆抑制和可逆抑制两大类 1 不可逆抑制 例子 重金属离子对巯基酶的抑制作用 有机磷农药对羟基酶 如胆碱酯酶 的抑制 作用 2 可逆抑制 1 竞争性抑制 重要实例 丙二酸对琥珀酸脱氢酶的抑制作用 磺胺类药物的抑菌作用 2 非竞争性抑制作用 抑制剂可逆地与酶的非活性中心区结合 由于抑制剂不与底物 竞争酶的活性中心 故称非竞争性抑制作用 四 酶与医学的关系四 酶与医学的关系 一 酶与疾病发生 酶的质 量异常可致疾病 白化病 蚕豆黄 二 酶与疾病诊断 酶 活性高低可反映疾病 主要是血浆中的细胞酶类 三 酶与疾病治疗 多 酶 片 治疗消化不良 尿激酶酶 治疗血栓 抢救心梗 糜蛋白酶 治疗老慢支 清创 溶 酶 片 治疗口腔溃疡 维生素维生素 维生素是人体必需的小分子有机物 在体内不能合成或合成不足 必需由食物提供 6 一旦缺乏会导致缺乏症 维生素分为脂溶性和水溶性两种 脂溶性维生素包括 A D K E 缺乏维生素A易导致夜盲症和干眼病 缺乏维生素D会导致佝偻病及软骨病 维生素 E 是体内重要的抗氧化剂 维生素K促进多重凝血因子形成 水溶性维生素包括B 族维生素和维生素C两大类 缺乏维生素B1会导致脚气病 缺乏维生素B2可引起口角炎 等 缺乏维生素 PP 易导致癞皮病 维生素B6构成转氨酶的辅酶磷酸吡哆醛 生物素是羧 化酶辅酶 泛酸构成的 HSCoA 是酰基转移酶辅酶 叶酸是一碳单位的载体 维生素B12是 甲基转移酶辅酶 缺乏叶酸和B12都会导致巨幼红细胞性贫血 维生素C是羟化酶辅酶 参与胶原蛋白形成及体内多种氧化还原反应 缺乏维生素C导致坏血病 维生素 辅酶与相关酶之间的关系维生素 辅酶与相关酶之间的关系 维生素活性形式 辅助因子形式 相关酶 B1 焦磷酸硫胺素 TPP 酮酸脱氢酶复合体 B2 黄素单核苷酸 FMN 黄素腺嘌呤二核苷酸 FAD 黄素酶 PP 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸 NAD 尼克酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸 NADP 不需氧脱氢酶 B6 磷酸吡哆醛 磷酸吡哆胺转氨酶 脱羧酶 泛酸辅酶A HSCoA 酰基转移酶 生物素生物素羧化酶 叶酸四氢叶酸 FH4 一碳单位转移酶 B12 甲基B12 CH3 B12 甲基转移酶 C L 抗坏血酸 羟化酶 第四章第四章 糖代谢糖代谢 一 糖的分解代谢一 糖的分解代谢 一 糖的酵解 1 糖酵解的概念 糖的无氧分解是指葡萄糖或糖原在无氧条件下 分解成乳酸的过程 因其反应过程与酵母的生酵发酵相似 故又称糖酵解 反应部位 在细胞浆内进行 因酵解过程中所有的酶均存于胞浆 2 反应过程 可分二个阶段 第一阶段 葡萄糖分解生成丙酮酸的过程 第二阶段 丙酮酸还原成乳酸 3 糖无氧氧化的生理意义 1 糖无氧氧化是机体在缺氧或无氧条件下迅速获得能量的有效方式 2 有些组织细胞 如神经 白细胞 骨髓 成熟红细胞 肿瘤等 即使氧供充足 也 主要依靠糖无氧氧化获得能量 3 成熟红细胞因缺乏线粒体不能依靠糖的有氧氧化来获得能量 所需能量的 90 95 来自于糖酵解 二 糖的有氧氧化 7 1 糖的有氧氧化的概念 在有氧情况下 葡萄糖或糖原彻底氧化成 C02和 H20 的过程 是糖氧化产能的主要方式 2 糖有氧氧化的过程 分为三个阶段 3 糖有氧氧化的生理意义 1 在有氧条件下 人体内大多数组织细胞主要利用糖的有氧氧化获得能量 1 分子葡萄糖经有氧氧化可净得 38 或 36 分子 ATP 是无氧氧化的 19 或 18 倍 2 三羧酸循环是糖 脂肪和蛋白质彻底氧化分解的共同途径 3 三羧酸循环是糖 脂肪和蛋白质三大物质代谢相互联系与转化的枢纽 三 磷酸戊糖途径 二 二 糖原合成与分解糖原合成与分解 一 糖原的合成 由单糖合成糖原的过程称为糖原合成 二 糖原的分解 由糖原分解为葡萄糖的过程称为糖原分解 习惯上指肝糖原的分解 三 三 糖异生作用糖异生作用 糖异生作用是指非糖物质转变为葡萄糖或糖原的过程 一 糖异生途径 糖异生途径基本上是糖无氧氧化的可逆过程 二 糖异生的生理意义 1 维持空腹或饥饿情况下血糖浓度的相对恒定 2 有利于乳酸的利用 3 调节酸碱平衡 四 四 血糖血糖 一 血糖的来源与去路 1 血糖 血液中的葡萄糖 空腹血糖浓度为 3 9 6 1mmol L 葡萄糖氧化酶法 2 血糖恒定的意义 血糖浓度的相对稳定对保证组织器官 特别是对脑组织的正常生理 活动具有重要意义 二 血糖浓度的调节 1 组织器官的调节 肝 2 激素的调节 调节血糖的激素有两大类 一类是降低血糖的激素 即胰岛素 另一类是升高血糖的 激素 有胰高血糖素 肾上腺素 糖皮质激素和生长素等 三 高血糖和低血糖 1 高血糖和糖尿 临床上将空腹血糖浓度高于 7 22mmol L 称为高血糖 当血糖浓度超过肾糖阈 8 8 9 9mmol L 时 一部分葡萄糖从尿中排出 称之为糖尿 引起高血糖和糖尿的原因有生理性和病理性两种 2 低血糖 空腹血糖浓度低于 3 3mmol L 称为低血糖 低血糖影响脑组织的功能 会出现头晕 CO2 H2O ATP葡萄糖或糖原丙酮酸丙酮酸乙酰辅酶 A 三羧酸 循环 胞液 线粒体 第一阶段第二阶段第三阶级 8 心悸 倦怠无力等 严重时 血糖浓度低于 2 5mmol L 出现昏迷 称为低血糖休克 如 不及时给病人静脉补充葡萄糖 可导致死亡 引起低血糖的病因有 胰性 胰岛 细胞功能亢进 胰岛 细胞功能低下等 肝性 肝癌 糖原累积病等 内分泌异常 垂体功能低下 肾上腺皮质功能低下等 肿瘤 胃癌等 饥饿或不能进食者等 第六章第六章 脂类代谢脂类代谢 脂类包括三脂酰甘油 甘油三酯 及类脂 一 概述一 概述 一 脂类的分布与含量 二 脂类的生理功能 必需脂肪酸必需脂肪酸 亚油酸 亚麻酸 花生四烯酸 二 甘油三脂的中间代谢二 甘油三脂的中间代谢 一 一 三脂酰甘油的分解代谢 1 三脂酰甘油动员 2 脂肪酸的氧化 产物 二氧化碳和水 3 酮体的生成和利用 酮体是脂肪酸在肝内氧化不完全所产生的一类中间产物的统称 包括乙酰乙酸 羟 丁酸和丙酸 1 酮体的生成 生成部位 肝脏 2 酮体的利用 利用部位 肝外组织 意义 当糖供应不足时 酮体是脑组织的主要能源 饥饿 糖尿病等情况下 脂肪动员 增加 肝内生酮增加 血中酮体增加 可产生酮血症 酮尿症甚至酮症酸中毒 二 甘油三脂的合成代谢 三 类脂代谢三 类脂代谢 一 甘油磷脂代谢 二 胆固醇代谢 1 胆固醇的合成 合成部位 肝脏 合成原料 乙酰辅酶 A 合成过程 1 二羟戊酸的合成 2 鲨烯的生成 3 胆固醇的生成 2 胆固醇的转化与排泄 转化为 胆汁酸 转化为类固醇激素 转化为维生素 D3 四 血脂与血浆脂蛋白四 血脂与血浆脂蛋白 一 血脂的组成与含量 血浆中的脂质 包括甘油三酯 磷脂 胆固醇及其酯以及游离脂肪酸 二 血浆脂蛋白 1 血浆脂蛋白的分类 1 电脉分类法 脂蛋白 前 脂蛋白 脂蛋白 乳糜微粒 2 超速离心法 高密度脂蛋白 低密度脂蛋白 极低密度脂蛋白 乳糜微粒 2 血浆脂蛋白的性质 组成 功能 见表 6 2 9 三 高脂血症 又称高脂蛋白血症 标准 空腹 12 14 小时血甘油三酯 2 26mmol L 200mg dl 血胆固醇 6 21mmol L 240mg dl 为标准 第七章第七章 氨基酸分解代谢氨基酸分解代谢 一 蛋白质的营养作用一 蛋白质的营养作用 一 蛋白质的生理功能 1 维持组织细胞的生长 更新和修复 2 参与体内各种生理活动 3 氧化供能 二 蛋白质的需要量 1 氮平衡 16 2 蛋白质的需要量 80 克 天 二 氨基酸的一般代谢二 氨基酸的一般代谢 一 氨基酸代谢概况 血中氨基酸的来源和去路 来源 1 食物蛋白质消化吸收 2 组织蛋白质降解 3 体内合成的非必需氨基酸 去路 1 合成组织蛋白质 此为蛋白质的主要生理功能 2 分解成 CO2 H2O 尿素 能量 3 转变成其它含氮化合物 二 氨基酸的脱氨基作用 1 转氨基作用 重要的转氨酶 谷丙转氨酶 ALT 肝脏活性最强 和谷草转氨酶 ASP 心肌细胞活性 最强 这两种酶均为细胞内酶 借此用于临床疾病的诊断 2 氧化脱氨基作用 3 联合脱氨基作用 主要方式 联合脱氨基作用 是指转氨基作用 由转氨酶催化 和谷氨酸的氧化脱氨基作用 由 谷氨酸脱氢酶催化 偶联的过程 这是体内主要的脱氨基方式 三 氨的代谢 1 体内氨的来源 氨对机体有毒 因此机体必需及时消除氨的毒性作用 氨的来源有三 1 氨基酸脱氨生成是 NH3的主要来源 2 肠道 NH3的吸收 此途径的 NH3由蛋白质的腐败作用及尿素的肠肝循环产生 酸性 的肠道环境可减少 NH3的吸收 3 肾脏产 NH3