生物化学综述

生物化学综述摘要：生物化学是一门运用化学的理论和方法研究生命物质的重要学科。其任务主要是了解生物的化学组成、结构及生命过程中各种化学变化。从早期对生物总体组成的研究，进展到对各种组织和细胞成分的精确分析。它是研究生命物质的化学组成、结构及生命活动过程中各种化学变化的基础生命科学。生物化学主要研究生物体分子结构与功能、物质代谢与调节以及遗传信息传递的分子基础与调控规律。关键词：生物化学，大分子结构，物质代谢，诺贝尔奖1.前言二十一世纪是生物科学的世纪，而生物化学作为生物的一个重要的研究学科，也越来越受到人们的重视，近年来在生物化学领域也取得了很多重大的突破。本文将从生物大分子的结构与功能，物质的代谢与调节，生物化学的发展与诺贝尔奖三部分展开。2.生物大分子的结构与功能生物大分子指的是作为生物体内主要活性成分的各种分子量达到上万或更多的有机分子。高相对分子量的生物有机化合物（生物大分子）主要是指蛋白质、核酸以及高相对分子量的碳氢化合物。生物大分子是生物体的重要组成成份，不但有生物功能，而且分子量较大，其结构也比较复杂。2.1蛋白质蛋白质是生命的物质基础，没有蛋白质就没有生命。因此，它是与生命及与各种形式的生命活动紧密联系在一起的物质。机体中的每一个细胞和所有重要组成部分都有蛋白质参与。人体内蛋白质的种类很多，性质、功能各异，但都是由20多种氨基酸按不同比例组合而成的，并在体内不断进行代谢与更新。2.1.1氨基酸氨基酸是蛋白质的基本组成单位，是指含有氨基的羧酸。生物体内的各种蛋白质是由20种基本氨基酸构成的。除甘氨酸外均为L－α－氨基酸其中（脯氨酸是一种L－α－亚氨基酸）。除甘氨酸外，其它蛋白质氨基酸的α－碳原子均为不对称碳原子（即与α－碳原子键合的四个取代基各不相同），因此氨基酸可以有立体异构体，即可以有不同的构型（D－型与L－型两种构型）。20种蛋白质氨基酸在结构上的差别取决于侧链基团R的不同。通常根据R基团的化学结构或性质将20种氨基酸进行分类。氨基酸的一个重要光学性质是对光有吸收作用，在紫外区只有三种AA有光吸收能力，这三种氨基酸是苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸，因为它们的R基含有苯环共轭双键系统。蛋白质一般都含有这三种AA残基，所以其最大光吸收在大约280nm波长处，因此能利用分光光度法很方便的测定蛋白质的含量。氨基酸在水溶液或结晶内基本上均以兼性离子或偶极离子的形式存在。所谓两性离子是指在同一个氨基酸分子上带有能释放出质子的NH3正缬氨酸离子和能接受质子的COO-负离子，因此氨基酸是两性电解质。氨基酸的带电状况取决于所处环境的PH值，改变PH值可以使氨基酸带正电荷或负电荷，也可使它处于正负电荷数相等，即净电荷为零的两性离子状态。使氨基酸所带正负电荷数相等即净电荷为零时的溶液PH值称为该AA。氨基酸的氨基与茚三酮水合物反应生成蓝紫色化合物。2.1.2肽肽，一种有机化合物，由氨基酸脱水而成，含有羧基和氨基，是一种两性化合物。亦称“胜”。它是由两个或多个氨基酸通过一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基结合而成。一个氨基酸不能称为肽，也不能合成肽，必须是两个或两个以上氨基酸以肽键相连的化合物。两个氨基酸以肽键相连的化合物称为二肽。涉及生物体内多种细胞功能的生物活性物质。2.1.3蛋白质蛋白质是以氨基酸为基本单位构成的生物大分子。一级结构：蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序，以及二硫键的位置。二级结构：蛋白质分子局区域内，多肽链沿一定方向盘绕和折叠的方式。三级结构：蛋白质的二级结构基础上借助各种次级键卷曲折叠成特定的球状分子结构的空间构象。四级结构：多亚基蛋白质分子中各个具有三级结构的多肽链，以适当的方式聚合所形成的蛋白质的三维结构。蛋白质是由α-氨基酸通过肽键构成的高分子化合物，在蛋白质分子中存在着氨基和羧基，因此跟氨基酸相似，蛋白质也是两性物质。蛋白质在酸、碱或酶的作用下发生水解反应，经过多肽，最后得到多种α-氨基酸。有些蛋白质能够溶解在水里形成溶液。蛋白质的分子直径达到了胶体微粒的大小，所以蛋白质具有胶体的性质。在热、酸、碱、重金属盐、紫外线等作作用下，蛋白质会发生性质上的改变而凝结起来．这种凝结是不可逆的，不能再使它们恢复成原来的蛋白质．蛋白质的这种变化叫做变性。蛋白质变性后，就失去了原有的可溶性，也就失去了它们生理上的作用。因此蛋白质的变性凝固是个不可逆过程。2.2核酸核酸是由许多核苷酸聚合成的生物大分子化合物，为生命的最基本物质之一。核酸广泛存在于所有动物、植物细胞、微生物内、生物体内核酸常与蛋白质结合形成核蛋白。不同的核酸，其化学组成、核苷酸排列顺序等不同。根据化学组成不同，核酸可分为核糖核酸，简称RNA和脱氧核糖核酸，简称DNA。2.2.1核苷酸核苷酸是核糖核酸及脱氧核糖核酸的基本组成单位，是体内合成核酸的前身物，一类由嘌呤碱或嘧啶碱基、核糖或脱氧核糖以及磷酸三种物质组成的化合物。核苷酸随着核酸分布于生物体内各器官、组织、细胞的核及胞质中，并作为核酸的组成成分参与生物的遗传、发育、生长等基本生命活动。生物体内还有相当数量以游离形式存在的核苷酸。三磷酸腺苷在细胞能量代谢中起着主要的作用。体内的能量释放及吸收主要是以产生及消耗三磷酸腺苷来体现的。此外，三磷酸尿苷、三磷酸胞苷及三磷酸鸟苷也是有些物质合成代谢中能量的来源。腺苷酸还是某些辅酶，如辅酶Ⅰ、Ⅱ及辅酶A等的组成成分。核苷酸是核酸的基本结构单位，人体内的核苷酸主要有机体细胞自身合成。核苷酸在体内的分布广泛。细胞中主要以5′-核苷酸形式存在。细胞中核糖核苷酸的浓度远远超过脱氧核糖核苷酸。2.2.2RNA与DNA相比，RNA种类繁多，分子量相对较小，一般以单股链存在，但可以有局部二级结构，其碱基组成特点是含有尿嘧啶而不含胸腺嘧啶，碱基配对发生于C和G与U和A之间，RNA碱基组成之间无一定的比例关系，且稀有碱基较多。此外，tRNA还具有明确的三级结构。表1RNA的分类核蛋白体RNArRNAMttRNA核蛋白体组成成分信使RNAmRNAmttRNA蛋白质合成模板转运RNAtRNAmttRNA转运氨基酸不均一核RNAhnRNA成熟mRNA的前体小核RNAsnRNA参与hnRNA的剪接、转运小胞浆RNAscRNA蛋白质内质网定位合成的信号识别体的组成成分遗传信息从DNA分子抄录到RNA分子中的过程称为转录。在真核生物中，最初转录生成的RNA称为不均一核RNA(heterogeneousnuclearRNA)，然而在细胞浆中起作用，作为蛋白质的氨基酸序列合成模板的mRNA(messengerRNA)。hnRNA是mRNA的未成熟前体。mRNA的5′末端被加上一个m7pGppp帽子，在mRNA3′末端多了一个多聚腺苷酸(polyA)尾巴。mRNA从5′末端到3′末端的结构依次是5′帽子结构，5′末端非编码区，决定多肽氨基酸序列的编码区，3′末端非编码区，和多聚腺苷酸尾巴。tRNA(transferRNA)是蛋白质合成中的接合器分子。tRNA分子有100多种，各可携带一种氨基酸，将其转运到核蛋白体上，供蛋白质合成使用。tRNA是细胞内分子量最小的一类核酸，由70～120核苷酸构成，各种tRNA无论在一级结构上，还是在二、三级结构上均有一些共同特点。tRNA中含有10%～20%的稀有碱基(rarebases)。tRNA分子内的核苷酸通过碱基互补配对形成多处局部双螺旋结构，未成双螺旋的区带构成所谓的环和襻。现发现的所有tRNA均可呈现三叶草样(cloverleafpattern)二级结构。核蛋白体RNA(ribosomalRNA)是细胞内含量最多的RNA，约占RNA总量的80%以上，是蛋白质合成机器棗核蛋白体(核糖体)(ribosome)的组成成分。核糖体蛋白(ribosmalprotein,rp)有数十种，大多是分子量不大的多肽类，分布在核蛋白体大亚基的蛋白称为rpl，在小亚基的称rps。原核生物和真核生物的核蛋白体均由易于解聚的大、小亚基组成。对大肠杆菌核蛋白体的研究发现其质量中三分之二是rNRA，三分之一是蛋白质。rRNA分为5S、16S、23S三种。S是大分子物质在超速离心沉降中的一个物理学单位，可反映分子量的大小。小亚基由16SrRNA和21种rps构成，大亚基由5S、23SrRNA和31种rpl构成。真核生物核蛋白体小业基含18SrRNA和30多种rps，大亚基含28S、5.8S、5S三种rRNA。2.2.3DNA核酸是由很多单核苷酸聚合形成的多聚核苷酸，DNA的一级结构即是指四种核苷酸（dAMP、dCMP、dGMP、dTMP）按照一定的排列顺序，通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸，由于核苷酸之间的差异仅仅是碱基的不同，故又可称为碱基顺序。核苷酸之间的连接方式是：一个核苷酸的5′位磷酸与下一位核苷酸的3′-OH形成3′，5′磷酸二酯键，构成不分支的线性大分子，其中磷酸基和戊糖基构成DNA链的骨架，可变部分是碱基排列顺序。核酸是有方向性的分子，即核苷酸的戊糖基的5′位不再与其它核苷酸相连的5′末端，以及核苷酸的戊糖基3′位不再连有其它核苷酸的3′末端，两个末端并不相同，生物学特性也有差异。DNA双螺旋是核酸二级结构的重要形式。双螺旋结构理论支配了近代核酸结构功能的研究和发展，是生命科学发展史上的杰出贡献。总之，DNA的双螺旋结构永远处于动态平衡中，DNA分子构象的变化与糖基和碱基之间空间相对位置有关。在DNA的一级结构中，四种碱基A，T，C，G远非均匀分布，尽管双螺旋的构型大体相同，但沿着DNA链各处的物理结构不完全相同，各处双螺旋的稳定性也就显示出差别，充分体现了DNA一级结构决定高级结构的原理。双螺旋DNA进一步扭曲盘绕则形成其三级结构，超螺旋是DNA三级结构的主要形式。指DNA分子由稳定的双螺旋结构松解为无规则线性结构的现象。变性时维持双螺旋稳定性的氢键断裂，碱基间的堆积力遭到破坏，但不涉及到其一级结构的改变。凡能破坏双螺旋稳定性的因素，如加热、极端的pH、有机试剂甲醇、乙醇、尿素及甲酰胺等，均可引起核酸分子变性。指变性DNA在适当条件下，二条互补链全部或部分恢复到天然双螺旋结构的现象，它是变性的一种逆转过程。热变性DNA一般经缓慢冷却后即可复性，此过程称之为退火。3.物质的代谢与调节3.1糖代谢糖是一类化学本质为多羟醛或多羟酮及其衍生物的有机化合物。在人体中糖的主要主要存在形式是葡萄糖和糖原。葡萄糖是糖在血液中的运输形式，在机体糖代谢中占据主要地位；糖原是葡萄糖的多聚体，为糖在体内的储存形式，包括肝糖原和肌糖原。糖主要生理功能是提供能量，提供碳源，还可以通过一系列反应转变为脂肪，氨基酸等，或者与蛋白质，脂结合形成糖蛋白，糖脂，为生物膜的重要组分，另外，糖也参与了糖胺聚糖和蛋白聚糖的形成。糖酵解不需要氧，在各组织中分解葡萄糖以产生ATP的形式提供能量以及为其他代谢途径提供中间产物。在有线粒体的细胞，氧气充足时，糖酵解最终产物为丙酮酸，丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA，乙酰CoA是三羧酸循环的原料；在没有线粒体的组织（如红细胞）或者氧气供应不足时，糖酵解产生的丙酮酸进一步还原为乳酸。糖酵解全部反应都在胞浆中进行。有氧酵解：D-葡萄糖→→丙酮酸，净生成2分子ATP和2分子NADH无氧酵解：D-葡萄糖→→乳酸，净生成2分子ATPTCA循环是碳水化合物，氨基酸，脂肪酸汇聚进行氧化代谢，碳骨架转变为CO2的最终通路，是三大营养物质代谢联系的枢纽。整个过程在线粒体中进行，为氧化磷酸化提供了还原当量。在一次循环结束时，生成3分子NADH，1分子GTP，1分子FADH2。进入电子传递链最终被氧化生成10分子ATP。从非糖物质生成葡萄糖或者糖原的过程称为糖异生，可以在空腹或饥饿状态下保持血糖浓度相对稳定。其主要原料为乳酸，甘油和生糖氨基酸。糖异生主要在肝脏进行，在长时间禁食时，肾脏糖异生能力大大增强。PPP指葡萄糖生成磷酸戊糖和NADPH，反应在胞浆中进行，关键酶为葡萄糖-6-磷酸脱氢酶。该途径可为核苷酸的合成提供核糖以及提供NADPH作为体内重要的生化还原剂，也是食物来源的五碳糖代谢降解的主要途径。肌肉收缩使葡萄糖酵解产生乳酸，乳酸通过血液入肝，在肝内糖异生为葡萄糖，葡萄糖释放入血被肌肉摄取回到循环。3.2脂代谢脂类是不溶于水的，能用非极性溶剂从组织中提取的各种有机分子。脂类是机体主要的能源物质，可储能供能（如甘油三酯）；还可以构成生物膜，如磷脂和胆固醇；还可协助吸收，如可协助脂溶性维生素的吸收，提供必须脂肪酸；对机体还有保护和保温作用。脂肪酸合成主要在肝脏和泌乳乳腺，其次在脂肪组织。原料为葡萄糖氧化分解产生的乙酰CoA，由胞液中的脂肪酸合酶（fattyacidsynthase,FAS）催化。反应过程：乙酰CoA转运出线粒体（柠檬酸-丙酮酸穿梭作用）→乙酰CoA羧化为丙二酰CoA（乙酰CoA羧化酶，acetylCoAcarboxylase,ACC）→脂肪酸合成循环（加氢，脱水，再加氢）三酰甘油（triacylglycerol,TAG）一般以近无水形式的脂滴储存在脂肪细胞胞质，作为“脂库”，TAG很少在肝脏中储存，多数和其他脂类及载脂蛋白装配形成极低密度脂蛋白（VLDL），运输出肝脏到外周组织。反应过程：甘油磷酸→溶血磷脂酸→磷脂酸（二酰甘油磷酸）→二酰甘油（DAG）→三酰甘油（TAG）储存于脂肪细胞中的三酰甘油在激素敏感性脂酶的催化下水解释放出脂肪酸和甘油。游离的脂肪酸出细胞后在血浆中与清蛋白结合转运到组织氧化供能，甘油则通过血液转运到肝脏被磷酸化后用于TAG的合成或者参与糖异生。脂肪酸可以在体内大多数组织细胞的线粒体中氧化分解，生成乙酰CoA，NADH和FADH2。反应过程：活化阶段：位于线粒体外膜的长链脂酰CoA合酶（硫激酶）催化长链脂肪酸（LCFA）转变为脂酰CoA。进入阶段：脂酰CoA在位于线粒体内外膜的肉碱-软脂酰转移酶Ⅰ，Ⅱ（carnitinepalmitoyltransferaseⅠ,Ⅱ；CPT-Ⅰ,Ⅱ）的催化下，脂酰CoA进入线粒体。CPT-Ⅰ是关键酶。-氧化阶段：脱氢水化再脱氢硫解，最终分解为一分子乙酰CoA和一分子少了2个碳原子的脂酰CoA。重复以上循环过程直至脂肪酰完全被分解为乙酰CoA和FADH2,NADH。乙酰CoA进入三羧酸循环彻底氧化分解。3.3氨基酸代谢机体中不存在仅作为供应氨基酸的蛋白质，氨基酸必须从食物中获得或者从头合成。营养必需氨基酸为体内需要但是又不能自身合成的氨基酸，必须由食物供给，它们是：缬氨酸，异亮氨酸，亮氨酸，苯丙氨酸，甲硫氨酸，色氨酸，苏氨酸，赖氨酸。氨基酸可以合成蛋白质；转变为其他含氮小分子物质前体或者葡萄糖，糖原，脂肪酸，酮体等物质。在转氨酶（transaminase）的作用下，某一氨基酸去掉α-氨基生成相应的α-酮酸，而另一种α-酮酸得到氨基生成相应的氨基酸。但赖氨酸，苏氨酸，脯氨酸不能进行转氨基作用。转氨基最重要的氨基受体是α-酮戊二酸，产生谷氨酸。氨基酸分解代谢包括α-氨基的脱去和随后碳骨架的分解，这些途径有7种中间产物的形成：草酰乙酸，丙酮酸，α-酮戊二酸，延胡索酸，琥珀酰CoA，乙酰CoA和乙酰乙酸。这些产物进入葡萄糖或脂类的合成代谢途径或者通过三羧酸循环氧化产生能量。生糖氨基酸是分解代谢产生丙酮酸或者三羧酸循环中间产物之一的氨基酸。生酮氨基酸是分解代谢产生乙酰乙酸或者其前体（乙酰CoA或乙酰乙酰CoA）之一的氨基酸，有亮氨酸和赖氨酸。苯丙氨酸，酪氨酸，异亮氨酸，色氨酸是生糖兼生酮氨基酸。非必需氨基酸可以从中间代谢产物中合成，必需氨基酸必需来源于食物。4.生物化学的发展与百年诺贝尔奖生物化学是在18世纪70年代以后，伴随着近代化学和生理学的发展逐步兴起的。1775年，Lavoisier提出一种观点，认为生物体呼吸过程的本质与燃烧过程一样，均要消耗氧气，释放出二氧化碳和水。这种观点引发了人们对生物体能量代谢的关注，是近代生物化学研究的开端。1877年，德国科学家提出了生物化学这个名词。在这一时期，科学家从生物体内提取出了卵磷脂等有机物质，这对以后的研究起了很大的推动作用。19世纪末到20世纪初，酶、维生素和激素的发现被认为是这一时期最为重要的三大发现。1897年，Buchner证明了发酵过程在没有酵母菌存在的情况下也可进行，其本质是由酵素即酶引起的催化过程，由此开创了酶化学的研究。这项研究，成为近代生物化学诞生的标志，Buchner也因此获得了1907年诺贝尔化学奖。1926年，Summer首次制备出脲酶的结晶，使酶学获得迅速的发展，他也因此项发现获得了1