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1、生 物 化 学,全国中等卫生职业教育卫生部“十一五”规划教材,什么是生物化学 Biochemistry,Biochemistry，生命的化学 生命活动过程中的化学变化规律 在分子水平上研究生物体的化学组成 探索生命本质的科学,第一章 绪 论,生物化学：是研究生物体的物质组成、化学结构以及各种化学变化的科学，是从分子水平上解释一切生命现象的科学。 是生命科学及医学的重要组成部分。 它的研究对象是生物体,21世纪的带头学科,生命体具有基本构建层次 原子 小分子构件 生物大分子如蛋白质 和核酸等 细胞器 细胞 机体,黑猩猩我们最近的亲戚,研究显示，黑猩猩和人类基因组的序列相似性达到； 人类与黑猩猩有

2、的共同基因编码生成同样的蛋白质。 科学家说，人类与黑猩猩在万年前由共同的祖先分别进化。,鸡生蛋or蛋生鸡？,谢菲尔德大学 科林弗里曼“虽然人们一度认为蛋先于鸡出现，但是现在的科学依据却给出了相反的答案” 研究发现，鸡蛋只有在OC-17的蛋白质的催化下才能形成，而这种蛋白只存在于鸡的卵巢内 在OC-17蛋白质的作用下，碳酸钙转化为构成蛋壳的方解石。,生物化学的内容,1、研究生物体的物质组成 要研究生物体内的化学变化，首先要了解生物体的物质组成。这是生物化学最基本的研究内容，是生物化学的基础。 生物体是由无机物和有机物两大类物质组成的。 蛋白质和核酸是生物大分子，与生命现象有明确的、直接的关系，故

3、又称生物大分子。,2、研究新陈代谢物质代谢 生命的存在，有赖于所在环境的物质交换，即新陈代谢。 新陈代谢，包括分解代谢和合成代谢。 分解代谢是有大分子物质转变为小分子物质的过程，其目的在于释放能量，合成ATP供机体利用，同时也为合成代谢提供原料。 合成代谢是由小分子物质转变为大分子物质的过程，合成代谢是吸收能量过程。,3、研究生物大分子的结构和功能 通过研究蛋白质和核酸的结构来确定其与生物学功能，是当代生物化学的主要研究内容。 例如：人类首先认识了DNA的双螺旋结构，然后才了解遗传信息的传递过程及其规律，进一步了解遗传信息传递过程的调节和控制 首先认识了蛋白质的结构，然后才了解其空间结构被破坏

4、可是蛋白质失去活性。,生物化学与医学,1、生物化学与疾病的发生 血红蛋白结构异常会发生镰刀型血红细胞贫血； 胰岛素分泌不足，可发生糖尿病； 食物中缺乏叶酸和维生素B12会发生巨幼红细胞贫血 2、生物化学与疾病的诊断 临床上测定血清丙氨酸氨基转移酶，可了解肝脏功能是否正常。 检测血清中甲胎蛋白可协助诊断是否有肝癌的发生。,3、生物化学与疾病的治疗 将链激酶或尿激酶注入冠状动脉血栓形成处，可将血栓溶解，血管再通。 多晒太阳可促进佝偻病患者维生素d的合成，从而预防和治疗佝偻病和软骨病。 总之在临床实践中，不论是疾病的预防，还是疾病的诊断和治疗，用生物化学知识和技术可解决很多问题，这也是我们学习生物化

5、学的目的。,高脂血症,冠心病,糖尿病,脂肪肝,胆石症,痛 风,阻塞性睡眠呼吸暂停综合症,肥胖,司法鉴定-亲子鉴定,母亲 孩子 父亲1 父亲2,发展史,生物化学是生命科学中最古老的学科之一。 一、静态生物化学时期（1920年以前） 以分析生物体内物质的化学组成、性质和含量为主。 二、动态生物化学时期（1950年以前） 物质代谢途径及动态平衡、能量转化，光合作用、生物氧化、糖的分解和合成代谢、蛋白质合成、核酸的遗传功能、酶、维生素、激素、抗生素等的代谢 三、机能生物化学时期 （1950年以后） 生命的本质和奥秘：运动、神经、内分泌、生长、发育、繁殖等的分子机理,主要代表人物拉瓦锡1,拉瓦锡（Lav

6、oisier，法）：生物化学之父 法国著名化学家。近代化学的奠基人之一。 提交燃烧概论，证明燃烧原理，把呼吸作用和燃烧联系一起 现代化学方程式的雏形 葡萄糖(C6H12O6)=二氧化碳（CO2）+酒精(C2H5OH),主要代表人物拉瓦锡2,马拉写出了火焰论一书，企图做为一种燃烧学说而提交到了科学院。 佛克罗伊其人 他们可以一眨眼就把他的头砍下来，但他那样的头脑一百年也再长不出一个来了。 拉格朗日 生命中最后的研究！,主要代表人物巴斯德,“进入科学王国的最完美无缺的人” 1843年发表的两篇论文“双晶现象研究”和“结晶形态”，开创了对物质光学性质的研究。 1856年1860年，他提出了以微生物代

7、谢活动为基础的发酵本质新理论 1857年发表的“关于乳酸发酵的记录”是生物学界公认的经典论文。 1880年后又成功地研制出鸡霍乱疫苗、狂犬病疫苗等多种疫苗,动态生物化学过程酶学,斯帕兰扎尼（意大利）：将肉块放入小巧的金属笼中，然后让鹰吞下去。过一段时间他将小笼取出，发现肉块消失。 1926年，美国科学家萨姆钠从刀豆种子中提取出脲酶的结晶，并通过化学实验证实脲酶是一种蛋白质。 20世纪80年代，美国科学家切赫和奥特曼发现少数RNA也具有生物催化作用，称核酶。,近代生物化学发展史上的重大事件 1903年，Neuberg 首先使用“生物化学”一词 1937年，英国生物化学家克雷布斯（Krebs）发现

8、三羧酸循环 获1953年诺贝尔生理学奖。 1944年，麦克劳德(Macleod)和麦卡蒂(Mc Carty)(美)证明DNA是遗传物质 1953年，沃森克里克（WatsonCrick）确定DNA双螺旋结构，获1962年诺贝尔生理、医学奖。 1955年，英国生物化学家桑格尔（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.(美) 1980年，桑格尔和吉尔伯特（Gilbet）设计出测定DNA序列得方法，获1980年诺贝尔化学奖。 1984年，Bruce Merrifield（美国），建立和发展蛋白质化学合成方法，诺

9、贝尔化学奖 。 1993年 Rechard J.Roberts(美)等，发现断裂基因 化学奖 Karg B. Mallis(美)发明PCR方法。 Michaet Smith(加拿大)建立DNA合成用与定点诱变研究,1996年 Petr c. Doherty（美）等，发现T细胞对病毒感染细胞的识别和MHC(主要组织相容性复合体)限制。 诺贝尔生理医学奖 1997年 stanley B.prusiner(美)发现一中新型的致病因子感染性蛋白颗粒“prion”（疯牛病） 诺贝尔生理医学奖 paul D.Boyer（美）等，说明ATP酶促成机制 诺贝尔化学奖 1998年，ROLert F.furchg

10、ott（美国）等，发现NO是心血管系统的信号分子 诺贝尔生理医学奖 2000年，人类基因组计划完成,机遇与挑战,机遇：理论基础雄厚 核酸和蛋白质研究方法和研究手段的突破 挑战：许多重大的理论问题没有解决： 光合作用 生物能学 重大疾病的基因表达与调控机制,作业,什么是生物化学？ 生物化学与医学的关系？ 如何学好生物化学？,第二章 蛋白质与核酸化学,蛋白质和核酸是生物体内两种重要的物质是构成生命的物质基础。 蛋白质具有十分重要的生理功能，例如构成组织细胞维持组织的更新生长和修复以及作为生物活性物质参与肌肉收缩调节物质代谢等等。 核酸是遗传的物质基础,分为脱氧核糖核酸和核糖核酸两类。DNA是遗传信

11、息的携带者，他决定细胞和个体的基因型。 RNA又分为mRNA、tRNA、rRNA三种。,第一节 蛋白质,什么是蛋白质？ 蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。,问题探讨,1你能够说出多少种富含蛋白质的食品？,（3）肉蛋类食品：,（1）大豆制品：,豆腐、豆浆、腐竹等；,（2）奶类制品：,奶粉、酸奶、牛奶等；,牛肉、羊肉、鸡蛋等。,2004年劣质奶粉充斥阜阳 上百婴儿受害近半死亡。,年,图片新闻,该奶粉中蛋白质含量极低，不能满足婴儿的生长需要，导致婴儿死亡的事件。,蛋白质的生物学重要性,1. 蛋白质是生物体重

12、要组成成分 分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。 含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80。,2. 蛋白质具有重要的生物学功能 结构蛋白 催化作用 运输作用 调节生命活动 免疫作用 提供能量,1、结构蛋白：许多蛋白质是构成细胞和生物体结构的重要物质。如羽毛、肌肉、头发、蛛丝等的成分主要是蛋白质。,2、催化作用：细胞内的化学反应离不开酶的催化。绝大多数酶都是蛋白质。（右图所示为胃蛋白质酶结晶）,3、运输作用：有些蛋白质具有运输载体的功能。如血红蛋白、载体蛋白。,血红蛋白,4、调节生命活动：有些蛋白质起信息

13、传递的作用，能够调节机体的生命活动，如胰岛素、生长激素。,图中央浅色区域的部分细胞分泌胰岛素,5、免疫作用： 抗体,蛋白质的研究历史,1833年，从麦芽中分离淀粉酶；随后从胃液中分离到类似胃蛋白酶的物质。 1864年，血红蛋白被分离并结晶。 19世纪末，证明蛋白质由氨基酸组成，并合成了多种短肽。 20世纪初，发现蛋白质的二级结构；完成胰岛素一级结构测定。 20世纪中叶，各种蛋白质分析技术相继建立，促进了蛋白质研究迅速发展； 1962年，确定了血红蛋白的四级结构。 20世纪90年代，功能基因组与蛋白质组研究地展开。,摘要:“国际人类蛋白质组计划”启动： “蛋白质组”proteome一词源于“pr

14、otein”与“genome”的杂合，1994年，澳大利亚的科学家Marcwilkins提出蛋白质组概念。1995年，蛋白质组一词首次见诸报端。“proteome”蛋白质组一词第一次出现在“Electrophoresis”杂志上，明确定义：蛋白质组是由一个基因组，或一个细胞、组织表达的所有蛋白质。参与蛋白质研究的国家从1995年的澳大利亚一国。发展到美国、丹麦、瑞士、英国、法国、日本、瑞啦、意大利、德国等10国。,课外阅读：科学前沿 国际人类蛋白质组计划,蛋白质的元素组成 元素分析结果显示，组成蛋白质分子的元素，主要有碳，氢，氧，氮；大部分还含有硫，有的还含有少量的磷或铁、锰、锌等 蛋白质元素

15、组成的一个重要特点是一切蛋白质都含有氮，而且各种蛋白质的含氮量相当恒定，平均为16%，即每克氮相当于6.25克蛋白质。 经测定某一样品的含氮量为0.4克，请问样品中蛋白质含量是多少?,100g样品中的蛋白质含量（%）= 每克样品中的含氮克数6.25100 某样品经测定，每克样品中含氮元素0.1g，则此样品的蛋白质含量是多少？,蛋白质可以被人体直接吸收利用吗？,？,探讨2:,蛋白质的基本组成单位氨基酸,各种蛋白质，经酸碱和蛋白水解酶作用后最终的水解产物都是氨基酸，因此，氨基酸是蛋白质的基本组成单位。 自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸只有20种。,所有氨基酸必须从体外摄入吗？

16、,组成蛋白质的氨基酸约有20种; 有8种氨基酸是人体细胞不能合成的（婴儿有9种），必须从外界环境中直接获取，这些氨基酸叫做必需氨基酸。甲硫氨酸、缬氨酸、赖氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、色氨酸、苏氨酸，婴儿（加组氨酸）。我们应该注意及时补充必需氨基酸！ 另外12种氨基酸是人体细胞能够合成的，叫做非必需氨基酸。,？,探讨:,甘氨酸,缬氨酸,亮氨酸,丙氨酸,试一试,能不能推导出氨基酸的结构通式？,每种氨基酸至少有一个氨基(-NH2)和一个羧基(-COOH)，并且氨基和羧基连在同一个碳原子上。 氨基酸之间的区别在于R基不同。,C,+,N,H,3,C,O,O,-,H,练一练：以下哪些是组成蛋白质的氨

17、基酸?,根据氨基酸侧链的酸碱性不同，可将构成人体蛋白质的20种氨基酸分成三类。 酸性氨基酸，其特征是其侧链含有羧基（-COOH），易解离出H+而具有酸性。酸性氨基酸有：天冬氨酸和谷氨酸。 碱性氨基酸，其特征是其侧链含有易接受H+的基团，而具有碱性。碱性氨基酸有：赖氨酸、精氨酸、组氨酸。 中性氨基酸除了上述两种酸性氨基酸和三种碱性氨基酸外，其余为中性氨基酸，其特征是侧链显中性。,第二节 蛋白质的结构与功能,上述20种氨基酸按不同种类、不同数量和不同顺序，通过肽键连接可形成复杂多样的蛋白质分子，并具有一定的三维空间结构，由此而发挥，其特有的生物学功能。 根据蛋白质结构的不同层次，可将蛋白质分子结构

18、分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。 其中一级结构为蛋白质的基本结构，二级、三级、四级结构，为其空间结构。,一、蛋白质的基本结构,也称，蛋白质的一级结构，是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。,氨基酸的结合方式：,C,H,COOH,R1,C,H,NH2,COOH,R2,NH2,C,O,H,N,H,OH,氨基酸的结合方式,C,H,R1,NH2,OH,C,O,H2O,H,氨基酸的结合方式:,C,H,R1,NH2,C,O,H2O,二肽,肽键,脱水缩合,肽键：是有一个氨基酸的a-羧基（-COOH）与另一个氨基酸的a-氨基（-NH2）脱去一分子水缩合所形成的酰胺键（-CO-NH-）。 脱水缩合：一个

19、氨基酸分子的羧基（ COOH ）和另一个氨基酸分子的氨基（ NH2）相连接，同时脱去一分子水（ H2O ）的结合方式。 肽键为共价键，是蛋白质分子中的主键，参与组成肽键的六个原子，基本上处于同一平面，故这一平面称为肽键平面。,氨基酸的结合方式:脱水缩合,肽键,OH,H,二肽,H2O,H2O,三肽,若干个氨基酸之间通过肽键连接而形成的化合物称为肽。 由两个氨基酸形成的肽称二肽 由三个氨基酸形成的肽称三肽，以此类推， 由多个氨基酸构成的肽称多肽，又称多肽链。,N 末端：多肽链中有游离-氨基的一端 C 末端：多肽链中有游离-羧基的一端,多肽链有两端：,多肽链(polypeptide chain)是指

20、许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。 多肽链中的氨基酸已不是完整的氨基酸分子，所以称为氨基酸残基。,N末端,C末端,牛核糖核酸酶,蛋白质的一级结构是指氨基酸在蛋白质多肽链中的排列顺序。 不同蛋白质，一级结构不同 同种蛋白质，不同种属间也有差别 一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。,牛胰岛素由51个氨基酸残基构成，A、B两条链通过两个链间二硫键连接，A链形成一个链内二硫键。 维持蛋白质一级结构的作用力是肽键，有的包含二硫键。,二、蛋白质的二级结构,蛋白质的二级结构是指多肽链的主链原子延长轴方向折叠和盘曲，所形成的有规律地、重复出现的局部空间结构

21、。,-螺旋、-折叠是蛋白质二级结构中最常见的构像形式。此外还包括-转角和无规则卷曲。 维持蛋白质二级结构的化学键主要是氢键。,氢原子与电负性大、半径小的原子X(氟、氧、氮等)以共价键结合，若与电负性大的原子Y(与X相同的也可以)接近，在X与Y之间以氢为媒介，生成X-HY形式的一种特殊的分子间或分子内相互作用，称为氢键。,三、蛋白质的三级结构,蛋白质的三级结构是指蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排列，既包括主链原子，也包括侧链原子的三维空间排布。 维持蛋白质三级结构的作用力主要是多肽链侧链基团间所形成的次级键，如氢键、离子键等。,四、蛋白质的四级结构,蛋白质的四级结构是指两条或两条以上具有三级结

22、构的多肽链借非共价键连接所形成的空间构象。 在四级结构中，每条具有三级结构的多肽链称为亚基，亚基单独存在没有活性。 维持四级结构的作用力 主要是各亚基之间所形 成的次级键。,蛋白质的结构与功能,蛋白质的功能取决于一级结构为基础的蛋白质空间结构。 蛋白质一级结构不同，生物学功能不同。 蛋白质一级结构中关键部分相同，功能可能相似。 蛋白质一级结构中关键部分发生改变，则功能改变。 蛋白质的高级结构发生变化，功能会随之变化。,蛋白质的理化性质,两性解离及等电点,氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。,等电点(isoelectric point, pI) 在某一pH的溶液中，氨基酸解离成

23、阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,电泳法分离混合蛋白质,不同蛋白质的等电点不同，人体内大多数蛋白质等电点接近于5.0，所以在生理条件下它们以离子形式存在，带电离子在电场中向电极相反的一极移动的现象称为电泳。 由于不同蛋白质的等电点不同，在同一个pH条件下它们所带电荷的质量和数量就会不同，在同一电场中移动的方向和速度就会不同，这就是电泳法分离混合蛋白质的基本原理。,蛋白质的胶体性质,蛋白质是生物大分子，在溶液中，其颗粒大小已达到胶体颗粒的范围，1到100nm，所以蛋白质溶液具有胶体溶液的性质，溶液扩散慢，粘度大，