1、生物化学 绪论第一章绪论【目的与要求】1. 熟悉生物化学的含义、研究对象、研究内容。2. 了解生物化学的发展过程。3. 了解生物化学与其它学科的关系特别是生物化学在生命科学中的重要意义。4. 了解生物化学在工农业生产和日常生活中的应用。5. 了解生物化学的课程特点与学习方法。一. 生物化学的含义、研究对象、研究内容生物化学即可认为是生命的化学。它是用化学的理论与方法来研究生命现象，阐明生命现象的化学本质的学科。生物化学的研究对象：一切生物有机体，包括动物、植物、微生物和人体。研究它们的化学组成及其化学变化的规律。生物化学的研究内容，包括四个部分：1. 构成生物有机体的物质基础，即静态生物化学。
2、2. 生物物质在体内的运动规律，即动态生物化学或新陈代谢的规律。3. 生物物质的结构、功能、代谢与整个生命现象的关系，即机能生物化学。4. 生物信息的传递及其对物质代谢的调控，包括生物体内各种物质代谢的调节控制以及遗传基因信息的传递和调控，即信息生物化学。二. 生物化学的发展过程1. 早期生物化学的发展：二十世纪前，主要是静态生物化学的成果。(1) 早期生物化学的发展动力来自于医药实践和发酵工业的兴起。(2) 欧洲十七十八世纪工业的飞速发展也对生物化学这门学科的发展起了巨大的推动作用。(3) 十九世纪初，随着物理学、化学、生物学的巨大发展，影响和促进了生物化学理论体系的形成与发展。2. 动态生
3、物化学的发展：二十世纪初到二十世纪五十年代，主要是动态生物化学飞速发展时期。3. 分子生物学的兴起：二十世纪中叶开始，生物化学进入分子水平。4. 生物技术与生物工程的兴起：以生物化学等学科为基础。5. 现代生物化学的发展：人类基因组计划、后基因组计划。三. 生物化学与其它学科的关系、生物化学在生命科学中的地位。四. 生物化学与工农业生产的关系、生物化学的应用。五. 生物化学的特点与学习方法。第一章 蛋白质化学【目的与要求】1、1、 了解蛋白质对生物体的重要意义。2、2、 了解蛋白质的分类，掌握蛋白质元素组成的特点。3、3、 掌握蛋白质的基本构成单体：氨基酸的结构特点，从各氨基酸的结构特点上理解
4、氨基酸的分类。4、4、 掌握氨基酸的理化性质，重点掌握两性电离与等电点含义、茚三酮反应及其应用。5、5、 掌握蛋白质一级结构的概念；了解蛋白质一级结构的测定方法与思路，学会分析简单多肽的氨基酸顺序。6、6、 理解并掌握蛋白质二级结构的概念；二级结构的基本类型：螺旋及折叠的结构特点；了解几种常见纤维状蛋白质的结构特性；了解超二级结构及结构域的概念。7、7、 了解蛋白质三级结构、四级结构的概念及稳定因素。8、8、 充分理解蛋白质结构与功能的关系；从核糖核酸酶的变性与复性实验理解一级结构与空间结构的关系；以细胞色素C等为例充分理解一级结构与蛋白质生物学功能的关系；从血红蛋白与肌红蛋白的结构特性理解蛋
5、白质空间结构与生物学功能的关系。9、9、 掌握蛋白质的理化性质：胶体性质、两性电离与等电点、沉淀作用、变性作用以及这些性质的生理意义及实践意义。10、了解蛋白质分离提纯的常用方法及基本原理。第一节 通论一、蛋白质的生物学意义（一）、蛋白质是生命活动的物质基础生物体内的蛋白质是除水以外，机体组织中最多的组分，占人体干重的45%。占细菌干重的5070%。（二）、蛋白质的生物学功能1、作为生物催化剂：在体内催化各种物质代谢反应的酶几乎都是蛋白质。2、调节代谢反应：一些激素是蛋白质或肽，如胰岛素、生长素。3、运输载体：如红细胞中运输O2、CO2要靠Hb（Hemoglobin血红蛋白）、运输脂类物质的是
6、载脂蛋白、运铁蛋白等转运蛋白或叫载体蛋白。4、参与机体的运动：如心跳、胃肠蠕动等，依靠与肌肉收缩有关的蛋白质来实现，如肌球蛋白、肌动蛋白。5、参与机体的防御：机体抵抗外来侵害的防御机能，靠抗体，抗体也称免疫球蛋白，是蛋白质。6、接受传递信息：如口腔中的味觉蛋白、视网膜中的视觉蛋白。7、调节或控制细胞的生长、分化、遗传信息的表达。8、其它：如鸡蛋清蛋白、牛奶中的酪蛋白是营养和储存蛋白；胶原蛋白、纤维蛋白等属于结构蛋白。还有甜味蛋白、毒素蛋白等都具有特异的生物学功能。所以，我们不难理解，为什么说没有蛋白质就没有生命。二、蛋白质的分类1、1、 根据分子形状分：球状蛋白质、纤维状蛋白质。2、2、 根据
7、功能分：活性蛋白质、结构蛋白质。3、3、 根据组成分：（1）简单蛋白质：清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶谷蛋白、组蛋白、精蛋白、硬蛋白。（2）结合蛋白质：色素蛋白、金属蛋白、磷蛋白、核蛋白、脂蛋白、糖蛋白。4、4、 根据营养价值分：完全蛋白质、不完全蛋白质。三、蛋白质的水解：蛋白质蛋白胨多肽二肽氨基酸Mr： 104 2x103 1000500 200 1001、1、 酸水解条件：510倍的20%的盐酸煮沸回流1624小时，或加压于120水解2小时。优点：可蒸发除去盐酸，水解彻底，终产物为L氨基酸，产物单一，无消旋现象。缺点：色氨酸破坏，并产生一种黑色的物质：腐黑质，水解夜呈黑色。2、2、 碱水解条
8、件：4mol/L Ba(OH)2 或6mol/L NaOH煮沸6小时。优点：水解彻底，色氨酸不被破坏，水解夜清亮。缺点：产生消旋产物，破坏的氨基酸多，一般很少使用。3、3、 蛋白酶水解条件：蛋白酶如胰蛋白酶、糜蛋白酶，常温3740，pH值58优点：氨基酸不被破坏，不发生消旋现象。缺点：水解不完全，中间产物多。蛋白质酸碱水解常用于蛋白质的组成分析，而酶水解用于制备蛋白质水解产物。第二节 蛋白质的分子组成氨基酸一、蛋白质的元素组成 蛋白质是有机化合物，离不开C、H、O三种元素，还含有N、P、S、金属元素等。含量% 5055 67 20 23 1517 0.33 微量或无元素组成 C H O N S
9、 其它蛋白质中N是特征元素，且含量恒定，为16%左右 ，即16克氮/100克蛋白质，故可以用定氮法测量蛋白质含量，即：每100克蛋白质含氮16克，100/16=6.25克蛋白质含氮1克。所以，每克样品含氮量6.25100=100克样品蛋白质含量（克%）。有些蛋白质含有其他微量元素：P、Fe、Cu、Mn、Zn、Co、Mo、I等。二、蛋白质分子的基本组成单位-氨基酸（一）、氨基酸的结构通式：如下图所示：从氨基酸的结构通式可以看出：1、1、 构成蛋白质的氨基酸均为L氨基酸。2、2、 除R为H（甘氨酸）外，其余氨基酸均具有旋光性。3、3、 各种氨基酸的区别在于侧基R基上。（二）氨基酸的构型：构成蛋白质
10、的氨基酸除甘氨酸外，均含有碳原子，在空间各原子有两种排列方式：L构型与D构型，它们的关系就像左右手的关系，互为镜像关系，下图以丙氨酸为例：（三）、氨基酸的结构与分类1、按氨基酸分子中羧基与氨基的数目分：（1）、酸性氨基酸：一氨基二羧基氨基酸，有天冬氨酸、谷氨酸、（2）、碱性氨基酸：二氨基一羧基氨基酸 ，有赖氨酸、精氨酸、组氨酸（3）、中性氨基酸：一氨基一羧基氨基酸，有甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、脯氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸。2、按侧基R基的结构特点分：（1）、脂肪族氨基酸（2）、芳香族氨基酸：苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸（3
11、）、杂环氨基酸：脯氨酸、组氨酸3、按侧基R基与水的关系分：（1）、非极性氨基酸：有甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、脯氨酸。（2）、极性不带电氨基酸：天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸。（3）、极性带电氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸。4、4、 按氨基酸是否能在人体内合成分：（1）、必需氨基酸：指人体内不能合成的氨基酸，必须从食物中摄取，有八种：赖氨酸、色氨酸、甲硫氨酸、笨丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸。（2）、非必需氨基酸：指人体内可以合成的氨基酸。有十种。（3）、半必需氨基酸：指人体内可以合成但合成量不能满足人
12、体需要（特别是婴幼儿时期）的氨基酸，有两种：组氨酸、精氨酸。二十种氨基酸的名称和结构如图所示:注：二十种氨基酸的结构特点支链氨基酸有：缬氨酸、亮氨酸，异亮氨酸含羟基的氨基酸有：丝氨酸、苏氨酸含硫的氨基酸有：半胱氨酸（含巯基）、甲硫氨酸（含硫甲基）含苯环的氨基酸有：苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸含胍基的氨基酸有：精氨酸含咪唑基的氨基酸有：组氨酸亚氨基酸有：脯氨酸含酰胺的氨基酸有：天冬酰胺、谷氨酰胺含吲哚基的氨基酸有：色氨酸含-氨基的氨基酸有：赖氨酸（四）蛋白质中不常见的氨基酸羟脯氨酸、羟赖氨酸、r羧基谷氨酸、6氮甲基赖氨酸（五）非蛋白氨基酸鸟氨酸、胍氨酸、高半胱氨酸、高丝氨酸、丙氨酸、氨基丁酸等 三.
13、氨基酸的理化性质（一）物理性质11 形态：均为白色结晶或粉末，不同氨基酸的晶型结构不同。22 溶解性：一般都溶于水，不溶或微溶于醇，不溶于丙酮，在稀酸和稀碱中溶解性好。33 熔点：氨基酸的熔点一般都比较高，一般都大于200，超过熔点以上氨基酸分解产生胺和二氧化碳。44 光吸收：氨基酸在可见光范围内无光吸收，在近紫外区含苯环氨基酸有光的吸收。55 旋光性：除甘氨酸外的氨基酸均有旋光性。（二）（二） 化学性质：11 氨基酸的两性电离及等电点：氨基酸既含有氨基，可接受H+，又含有羧基，可电离出H+，所以氨基酸具有酸碱两性性质。通常情况下，氨基酸以两性离子的形式存在，如下图所示：从上图可知：氨基酸在酸
14、性环境中，主要以阳离子的形式存在，在碱性环境中，主要以阴离子的形式存在。在某一pH环境下，以两性离子（兼性离子）的形式存在。该pH称为该氨基酸的等电点。所以氨基酸的等电点可以定义为：氨基酸所带正负电荷相等时的溶液pH。 氨基酸的水溶液既可被酸滴定，又可被碱滴定，应该具有两性电离的性质，现以甘氨酸为例来说明氨基酸两性电离的特点。下图是甘氨酸的电离酸碱滴定曲线，从左向右是用NaOH滴定的曲线，溶液的pH由小到大逐渐升高；从右向左是用HCL滴定的曲线，溶液的pH由大到小逐渐降低。曲线中从左向右第一个拐点是氨基酸羧基解离50%的状态，第二个拐点是氨基酸的等电点，第三个拐点是氨基酸氨基解离50%的状态。
15、通过氨基酸的滴定曲线，可用下列HendersonHasselbalch方程求出各解离基团的解离常数（pK，）：根据pK，可求出氨基酸的等电点，可由其等电点左右两个pK，值的算术平均值求出。中性及酸性氨基酸：pI=(pK1，+pK2，)/2中性氨基酸：pK1，为羧基的解离常数，pK2，为氨基的解离常数。酸性氨基酸： pK1，为羧基的解离常数，pK2，为侧链羧基的解离常数。碱性氨基酸：pI=(pK2，+pK3，)/2其中：pK2，为氨基的解离常数，pK3，为侧链氨基的解离常数。二十种氨基酸的pK，及等电点：2.由氨基参加的反应：（1）（1） 亚硝酸反应：放出氮气，氮气的一半来自氨基氮，一半来自亚硝
16、酸，在通常情况下测定生成的氮气的体积量可计算氨基酸的量，此反应可用于测定蛋白质的水解程度。（2）（2） 与甲醛的反应：用过量的中性甲醛与氨基酸反应，可游离出氢离子，然后用NaOH滴定，从消耗的碱量可以计算出氨基酸的含量。此法称为间接滴定法。（3）（3） 与2，4二硝基氟苯（2，4DNFB）的反应（Sanger反应）：生成黄色的二硝基苯氨基酸衍生物。（4）（4） 与苯异硫氰酸酯（PITC）反应（Edman反应）：生成苯乙内酰硫脲氨基酸。（5）（5） 与丹磺酰氯（DNSCl）的反应：生成荧光物质DNS氨基酸。（4）（5）（6）反应用于蛋白质的N末端的测定。3.羧基参加的反应：（1）（1） 与碱反应
17、成盐：（2）（2） 与醇反应成酯：4.氨基与羧基共同参加的反应与茚三酮的反应：除脯氨酸与羟脯氨酸外，可与其它氨基酸生成蓝紫色化合物。 脯氨酸与羟脯氨酸为黄色化合物。5.侧链反应（颜色反应）：（1）（1） Millon反应：检测Tyr或含Tyr的蛋白质的反应。Millon试剂：汞的硝酸盐与亚硝酸盐溶液。产物：红色的化合物。（2）（2） Folin反应：检测Tyr或含Tyr的蛋白质的反应。Folin试剂：磷钼酸、磷钨酸混合溶液。产物：蓝色的钼蓝、钨蓝。（3）（3） 坂口反应：检测Arg或含Arg的蛋白质的反应。坂口试剂：萘酚的碱性次溴酸钠溶液。产物：砖红色的沉淀。（4）（4） Pauly反应：检测
18、His、Tyr及含His、Tyr蛋白质的反应。试剂：对氨基苯磺酸盐酸溶液、亚硝酸钠、碳酸钠混合溶液产物：橘红色的化合物。（5）乙醛酸的反应：检测Trp或含Trp蛋白质的反应。当Trp与乙醛酸和浓硫酸在试管中叠加时，产生分层现象，界面出现紫色环。（5）（5） Cys的反应：Cys或含Cys蛋白质与亚硝基亚铁氰酸钠在稀氨的溶液中，产生一种红色的化合物。四.氨基酸的分离测定（一）.层析法层析法是利用被分离样品混合物中各组分的化学性质的差异，使各组分以不同程度分布在两个相中，这两个相一个为固定相，另一个为流动相。当流动相流进固定相时，由于各组分在两相中的分配情况不同或电荷分布不同或离子亲和力不同等，而
19、以不同的速度前进，从而达到分离的目的。常见的层析法有：1.滤纸层析2.薄层层析3.离子交换层析4.亲和层析（二）.电泳法电泳是指带电的颗粒在电场中向着以其颗粒所带电荷相反的电极移动的现象。第三节 蛋白质的结构蛋白质的结构具有多种结构层次，包括一级结构和空间结构，空间结构又称为构象。空间结构包括二级结构、三级结构和四级结构。在二级与三级之间还存在超二级结构和结构域这两个结构层次。一.一. 蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构（Primary structure）又称为共价结构、化学结构。它是指蛋白质中的氨基酸按照特定的排列顺序通过肽键连接起来的多肽链结构。（一）、肽键与肽链肽键：一个氨基酸的a-CO
20、OH 和相邻的另一个氨基酸的a-NH2脱水形成共价键。【如图所示】氨基酸借肽键连接起来叫肽，肽是一大类物质，即：1.两个氨基酸组成的肽叫二肽；2.三个氨基酸组成的肽叫三肽；3.多个氨基酸组成的肽叫多肽；4.氨基酸借肽键连成长链，称为肽链，肽链两端有自由-NH2和-COOH，自由-NH2端称为N-末端（氨基末端），自由-COOH端称为C-末端（羧基末端）；5.构成肽链的氨基酸已残缺不全，称为氨基酸残基；6.肽链中的氨基酸的排列顺序，一般-NH2端开始，由N指向C，即多肽链有方向性，N端为头，C端为尾。肽键和肽的结构如图所示:（二）天然活性肽自然界中有自由存在的活性肽，主要有：1.1. 谷胱甘肽（
21、GSH）：三肽（GluCysGly），广泛存在于生物细胞中，含有自由的巯基，具有很强的还原性，可作为体内重要的还原剂，保护某些蛋白质或酶分子中的巯基免遭氧化，使其处于活性状态。2. 促甲状腺素释放激素：三肽（焦谷氨酰组氨酰脯氨酸），可促进甲状腺素的释放。3. 短杆菌素S：环十肽，含有D-苯丙氨酸、鸟氨酸，对革兰氏阴性细菌有破坏作用，主要作用于细胞膜。4. 青霉素：含有D半胱氨酸和D缬氨酸的二肽衍生物 。主要破坏细菌的细胞壁粘肽的合成引起溶菌。5. 牛催产素与加压素：均为九肽，分子中含有一对二硫键，两者结构类似。前者第九位为Gly或Lys或Phe，后者为Arg。前者可刺激子宫的收缩，促进分娩。后
22、者可促进小动脉收缩，使血压升高，也有抗利尿作用，参与水、盐代谢的调节。 牛催产素 S S CysTyrIleGlnAsnCysProLeuGly-NH2牛加压素 S S CysTyrPheGlnAsnCysProAryGly-NH26. 脑啡肽：为五肽，具有镇痛作用。（三）蛋白质的一级结构研究一级结构的研究包括：蛋白质的氨基酸组成测定，肽链数目的确定，末端氨基酸种类测定，氨基酸的排列顺序测定，二硫键位置的测定，酰胺位置的确定。大致步骤如下：1.1. 获取一定量纯的蛋白质样品，测其分子量，然后将样品完全水解，确定该蛋白质的氨基酸种类、数目及每种氨基酸的含量。2.2. 进行末端测定，确定该蛋白质的
23、肽链数目，N-端和C-端是什么氨基酸。N-末端测定法：常采用2，4二硝基氟苯法、Edman降解法、丹磺酰氯法。C-末端测定法：常采用肼解法、羧肽酶法。3.3. 肽链的拆分 经末端的分析，若该蛋白质含有两条以上的肽链，而且肽链之间是通过非共价键连接，使用蛋白质变性剂将其变性后分开；若蛋白质肽链之间通过共价键相连，则可采取过甲酸氧化法或巯基乙醇还原法将其分开。4.4. 各肽链中氨基酸排列顺序的测定 使用两种以上的方法将肽链部分水解成肽段，测各肽段的氨基酸顺序，然后使用片段重叠法推测出完整肽链的氨基酸顺序。5.5. 确定二硫键和酰胺的位置 (四)胰岛素的一级结构 二.二.蛋白质的二级结构（一）（一）
24、 构型与构象构型：指一个不对称的化合物中不对称中心上的几个原子或基团的空间排布方式。如单糖的、构型，氨基酸的D、L构型。当从一种构型转换成另一种构型的时候，会牵涉及共价键的形成或破坏。构象：指一个分子结构中的一切原子绕共价单键旋转时产生的不同空间排列方式。一种构象变成另一种构象不涉及共价键的形成或破坏。（二）（二） 蛋白质的二级结构二级结构的概念：多肽链在一级结构的基础上，按照一定的方式有规律的旋转或折叠形成的空间构象。其实质是多肽链在空间的排列方式。1.1. 蛋白质分子构象的立体化学原则Linus Pauling和Robert Corey于20世纪40年代末至50年代初，应用X射线衍射法（X
25、ray diffraction）技术对角蛋白等研究结果，提出了蛋白质分子构象的立体化学原则，要点如下：（1）肽链空间构象的基本结构单位为肽平面或肽单位。所谓的肽平面是指肽链中从一个C原子到另一个C原子之间的结构，共包含6个原子（C、C、O、N、H、C），它们在空间共处于同一个平面。如下图所示：（2）肽键上的原子呈反式构型（3）肽键C-N键长为0.132nm,比一般的CN单键（0.147nm）短，比C=N双键（0.128nm）要长，具有部分双键的性质（partial double-bond character），不能旋转。而C-COOH、C-NH2，为真正单键（pure single bond）
26、，可以旋转。（3）（3） 相邻肽平面构成二面角 ：一个C原子相连的两个肽平面，由于N1C和CC2（羧基碳）两个键为单键，肽平面可以分别围绕这两个键旋转，从而构成不同的构象。一个肽平面围绕N1C（氮原子与碳原子）旋转的角度，用表示。另一个肽平面围绕CC2（碳原子与羧基碳）旋转的角度，用表示。这两个旋转角度叫二面角（dihedral angle）。通常二面角（，）确定后，一个多肽链的二级结构就确定了。2. 蛋白质二级结构主要类型有：a-螺旋、-折叠、-转角a-螺旋（a-Helix） 又称为3.613螺旋，= -57。，= -47。 结构要点：(1)、多个肽键平面通过碳原子旋转，主链绕一条固定轴形成
27、右手螺旋。(2)、每3.6个氨基酸残基上升一圈，相当于0.54nm。（3）、相邻两圈螺旋之间借肽键中CO和N-H形成许多链内氢健，即每一个氨基酸残基中的NH和前面相隔三个残基的CO之间形成氢键，这是稳定螺旋的主要键。 (4)肽链中氨基酸侧链R，分布在螺旋外侧，其形状、大小及电荷影响螺旋的形成。影响螺旋稳定的因素：酸性或碱性氨基酸集中的区域，由于同电荷相斥，不利于螺旋形成；较大的R(如苯丙氨酸、色氨酸、异亮氨酸)集中的区域，也妨碍螺旋形成；脯氨酸因其碳原子位于五元环上，不易扭转，加之它是亚氨基酸，不易形成氢键，故不易形成上述螺旋；甘氨酸的R基为H，空间占位很小，也会影响该处螺旋的稳定。a-螺旋在
28、许多蛋白中存在，如角蛋白、血红蛋白、肌红蛋白等，主要由a-螺旋结构组成。螺旋的结构通常用“SN”来表示，S表示螺旋每旋转一圈所含的残基数，N表示形成氢键的C=O与H-N原子之间在主链上包含的原子数。结构如图所示-折叠（ -pleated sheets）又称片层、结构，其结构要点如下：（1）、多肽链呈锯齿状（或扇面状）排列成比较伸展的结构；（2）、相邻两个氨基酸残基的轴心距离为0.35nm，侧链R基团交替地分布在片层平面的上下方，片层间有氢键相连；（3）、有平行式和反平行式两种，平行式的折叠其=119。，=+113。反平行折叠其=139。，=+135。这种片层在丝心蛋白里大量存在。结构如图所示-
29、转角又称-弯曲，-回折或发夹结构。指蛋白质的多肽链在形成空间构象时经常会出现180。的回折，回折处的结构就称为-转角。一般由四个连续的氨基酸组成，第一个氨基酸的羧基与第四个氨基酸的氨基形成氢键。也有一些是由第一个氨基酸的羧基与第三个氨基酸的氨基形成氢键。结构如图所示维持二级结构的作用力：氢键超二级结构和结构域11 超二级结构超二级结构（Super-secondary structure）的概念是M.Rossmann于1973年提出来的。蛋白质分子中的多肽链在三维折叠中往往形成有规则的二级结构聚集体，在球蛋白中充当三级结构的构件。常见的有：、等。如图所示：22 结构域（structural domain）在一些相对较大的蛋白质分子中，在空间折叠时往往先分别折叠成几个相对独立的区域，再组装成更复杂的球状结构，这种在二级
