生物化学与分子生物学

生物化学涉及生物体内所有的化学反应，以及对生物大分子如糖，核酸，脂类的研究，由于这类研究不能简单的用传统的化学或物理方法处理，所以，生物化学这门学科应运而生，这门以实验为基础的科学日益成为生命科学的基础学科，并且日益受到人们的重视。 概括来讲，它分为结构研究和代谢研究两大部分。近年来，由于对核酸的重视，人们将其独立划分出来，所以也可以说是分为三大块。 第一大块：糖，脂，蛋白质，核酸，维生素等生命元素 第二大块：上面物质的代谢 第三大块：基因的结构及作用。

蛋白质的结构与功能

蛋白質的分子组成

主要有碳、氢、氧、氮和硫。有些蛋白質還含有少量磷或金屬元素鐵、铜、锌、锰、钴、鉬等，个别還含有碘。

各種蛋白质的含氮量很接近，平均为16%。因此可大致推算出：每克樣品含氮克数*6.25*100=100克样品中蛋白质含量（克%）。

• 组成蛋白質的基本單元為氨基酸

存在於自然界中的氨基酸有300餘種，但组成人體蛋白質的氨基酸只有18種，且均屬於L-α-氨基酸（甘氨酸除外，無D,L之分）。

• 氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类
  • 非极性脂肪族氨基酸

中文名	英文名	三字縮寫	一字縮寫
甘氨酸	Glycine	Gly	G
丙氨酸	Alanine	Ala	A
缬氨酸	Valine	Val	V
亮氨酸	Leucine	Leu	L
异亮氨酸	Isoleucine	Ilu	I
脯氨酸	Proline	Pro	P

• • 极性中性氨基酸

丝氨酸 serine Ser S

半胱氨酸 cysteine Cys C

甲硫氨酸 methionine Met M

天冬酰胺酸 asparagine Asn N

麩醯酰胺 glutamine Gln Q

苏氨酸 threonine Thr T

• • 芳香族氨基酸

苯丙氨酸 phenylalanine Phe F

色氨酸 tryptophan Trp W

酪氨酸 tyrosine Try Y

• • 酸性氨基酸

天冬氨酸 aspartic acid Asp D

麩胺酸 glutamic acid Glu E

• • 碱性氨基酸

離氨酸 lysine Lys K

精氨酸 arginine Arg R

组氨酸 histidine His H

• 20种氨基酸具有共同或特异的理化性质
  • 氨基酸具有两性解离的性质

通常氨基酸的等电点（pI）是由α-羧基和α-氨基的解离常数的负对数pK1和pK2决定的：

pI=1/2(pK1+pK2)

• • 含共轭双键的氨基酸具有紫外吸收性质

含共轭双键的Trp和Tyr的最大吸收峰在280nm波长附近。由于大多数蛋白质含有Trp和Tyr残基，因此测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速而简便的方法。

• • 氨基酸与茚三桐反应生成蓝紫色化合物

此化合物最大吸收峰在570nm波长处。

• 蛋白质是由许多氨基酸残基组成的多肽链
  • 氨基酸通过肽链连接而形成肽

α-羧基和α-氨基脱水形成酰胺键，称为肽键。

10个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽。

50个以下为多肽。

• • 体内存在多种重要的生物活性肽
    • 谷胱甘肽（GSH）

GSH的巯基具有还原性，能保护蛋白质或酶分子中的巯基免遭氧化。GSH的巯基还有嗜核特性，能与外源的嗜电子毒物结合。

• • • 多肽类激素及神经肽

蛋白质的分子结构

• 一级结构

在蛋白质分子中，从N-端到C-端的氨基酸排列顺序称为蛋白质的一级结构。化学键包括肽键和二硫键。

一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。

研究蛋白质一级结构的意义：

1、一级结构是蛋白质构象的基础，包含了形成特定的构象所需的全部信息。

2、一级结构是蛋白质生物活性的分子基础。

3、众多遗传病的分子基础是基因突变，导致其所表达的蛋白质的一级结构发生改变。

4、研究蛋白质的一级结构可以阐明生物进化史，不同物种之间的同源蛋白质之间的一级结构越相似，物种之间的进化关系就越近。

• 二级结构

是指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构，也就是该段肽链主链骨架原子的相对空间位置。包括α-螺旋、β-折叠、β-转角和无规则卷曲。

• • 参与肽键形成的6个原子在同一平面上，构成了肽单元
  • α-螺旋结构是常见的蛋白质二级结构

右手螺旋，每3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，螺距为0.54nm。肽链中的全部肽键都可形成氢键,方向与螺旋长轴基本平衡。

• 要点：
• α-螺旋是一种重复结构，螺旋中每个α-碳的φ和ψ分别在-57°和-47°附近。
• 每个氨基酸残基上的N-H与其前面第四个氨基酸残基上的羰基之间形成相邻螺旋之间的链内氢键。
• 氨基酸残基的侧链主要在螺旋的外侧。
• 天然蛋白质中α-螺旋大多数都是右手螺旋。
• 形成和稳定α-螺旋的因素： 氨基酸的组成和排列顺序
• 侧链的大小
  • β-折叠使多肽链形成片层结构

定义：指蛋白质的多肽链局部肽段的主链呈锯齿状伸展状态。

相邻β-折叠肽段的肽单位之间形成的氢键是维系蛋白质二级结构的主要作用力。

• • β-转角和无规则卷曲在蛋白质分子中普遍存在

β-转角常发生于肽链进行180°回折时的转角上，呈U形倒转。

• • 模体是具有特殊功能的超二级结构

两个或两个以上具有二级结构的肽段，在空间上相互接近，形成一个有规则的二级结构组合，称为超二级结构。常有以下几种形式：α-螺旋-β-转角-α-螺旋模体；链-β-转角-链模体；链-β-转角-α-螺旋-β-转角-链模体；锌指结构。

• • 氨基酸残基的侧链对二级结构形成的影响
• 三级结构
  • 三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置

也就是整条肽链所有原子在三维空间的排布位置。一级结构上相邻的二级结构常在三级结构中彼此靠近并形成超二级结构。

蛋白质三级结构的形成和稳定主要靠次级键，如疏水键、盐键、氢键和范德华力等。

• 定义：指的是多肽链在二级结构的基础上，通过侧链基团的进一步卷曲折叠，借助次级键维系使α-螺旋、β-折叠、β-转角等二级结构相互配置而形成的特定构象。（建立在二级结构、超二级结构和结构域基础上的球状蛋白质的高级空间结构。）
• 蛋白质三级结构的特点：
• 含有多种二级结构单元；有明显的折叠层次；为紧密的球状或橄榄球状实体；分子表面有一个空穴（活性部位）；疏水侧链埋藏在分子结构的内部，亲水侧链（基团）暴露出来，在分子的外部。
• 稳定三级结构的作用力：
• 氢键、二硫键、离子键、疏水作用力和范德华力，其中疏水作用力最为主要。
  • 结构域是三级结构层次上的局部折叠区

有些球形蛋白的一条肽链，或以共价键相连的两条或多条肽链在空间结构上可以区分为若干个球状的子结构，其中的每一个球状子结构就被称为一个结构域。。

• • 分子伴侣参与蛋白质折叠
• 四级结构

每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为亚基。各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级结构。各亚基间的结合力主要是氢键和离子键。

• 蛋白质的分类
  • 单纯蛋白质

只含氨基酸

• • 结合蛋白质

还含有非蛋白质部分，称为辅基，大部分通过共价键与蛋白质部分相连，为蛋白质的生物活性或代谢所依赖。

蛋白质结构与功能的关系

蛋白质的一结构与功能的关系

1、一级结构不同，生物学功能各异

2、一级结构的“关键”部位变化，其生物活性也改变

3、一级结构中“关键”部分相同，其功能也相同

蛋白质的空间构象与功能的关系

1、角蛋白含有大量的α-螺旋结构，与富含角蛋白组织的坚韧性和弹性直接相关

2、丝心蛋白含有大量的β-折叠结构，致使蚕丝具有伸展和柔软的特性

蛋白质的理化性质

1、氨基酸的两性电离和等电点

2、蛋白质的胶体性质

蛋白质高分子化合物，其分子量一般在10000-100000kD之间，球状蛋白的颗粒大小约在100-1nm范围内，达到了胶体的要求，因此蛋白质具有胶体的性质。

3、氨基酸的呈色反应

⑴氨基酸与茚三酮供热，发生紫色反应（脯氨酸与茚三酮反应生成黄色）

⑵含有多个肽键的蛋白质和肽在碱性溶液中加热可与铜离子作用生成紫红色的络合物。（双缩脲反应）

⑶蛋白质分子中酪氨酸残基在碱性条件下能与酚试剂（磷钨酸和磷钼酸）反应生成蓝色化合物

⑷坂口反应——精氨酸，呈红色

⑸黄色反应——芳香族氨基酸（其中以酪氨酸最容易进行）

4、芳香族氨基酸的紫外吸收特性

芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸）在280nm波长下具有特征性吸收峰。

5、蛋白质的变形：

指在某些理化因素作用下，天然蛋白质分子的空间结构遭到破坏，因而其理化性质发生改变而导致生物活性丧失的现象。

变形后的肽链从高度折叠状态变成伸展状态。疏水基团外露，溶解度降低，不对称性增加，失去结晶能力、生物活性丧失、易被蛋白酶水解。

6、蛋白质的复性：

一些变性的蛋白质在一定条件下可以恢复原来的结构及生物活性的过程。

蛋白质的分离、纯化与结构分析

从生物组织中制取蛋白质的一般不步骤：

1、材料的预处理及细胞破碎

常用的破碎方法：⑴研磨法

⑵组织捣碎器法

⑶冻融法

⑷超声波法

⑸化学处理法

⑹生物酶降解法

2、抽提

3、分离

⑴吸附法

⑵沉淀法

⑶超滤法

4、纯化

⑴依据相对分子质量不同的分离方法

①凝胶过滤，又称分子筛色谱

⑵利用溶解度不同的分离方法

①盐析

②等电点沉淀

⑶根据电荷性的不同进行分离的方法

①离子交换色谱

⑷根据特异性亲和力不同的分离方法

①亲和色谱

核酸的结构与功能

核酸的化学组成及一级结构

一、核酸的化学组成

1、构成核酸分子主要元素有C、H、O、N、P等。其中P元素约占9%-10%，且含量比较恒定，因此可以运用定磷法测定核苷酸的含量。

2、核酸是一种线性多聚核苷酸，它的基本结构单位是核苷酸。核苷酸由核苷和磷酸组成，核苷又由戊糖和碱基以β-N-糖苷键链接而成

⑴、碱基

含有嘌呤碱（purine base）和嘧啶碱（pyrimidine base）两种。

嘌呤碱主要含有：鸟嘌呤（G）、腺嘌呤（A）

嘧啶碱主要含有：胸腺嘧啶（T）、尿嘧啶（U）、胞嘧啶（C）

其中DNA的碱基组成是：A、T、G、C；RNA的碱基组成是：A、U、G、C；

还有两种常见的环核苷酸：cAMP、cGMP，这两种环核苷酸一般可作为第二信使在细胞中发挥作用。

⑵、戊糖

组成核酸的戊糖有两种，DNA所含有的戊糖是β-D-2-脱氧核糖，RNA所含有的是β-D-核糖。

⑶、核苷

有一个戊糖和一个碱基缩合而成。戊糖的第1’号 C 原子上的 -OH 与嘌呤碱的第9号 N 原子和嘧啶碱的第1号 N 原子上的 H 缩合形成的糖苷键。

⑷、核苷酸的生物学功能：

①参与DNA、RNA的合成、蛋白质的合成、糖与磷脂的合成。

②在能量转化中起重要作用，ATP是生物体内能量的通用货币

③是构成多种辅酶的成分：NAD、NADP、FAD、FMN和CoA

④参与细胞的代谢与调节（cAMP、cGMP）

二、DNA的一级结构

1、定义：指构成核酸的多聚核苷酸链上所有的核苷酸或碱基的排列顺序。

备注：DNA的碱基顺序本身就是遗传信息储存的分子形式。生物界物种的多样性即寓意着DNA分子中四种脱氧核苷酸千变万化的排列组合之中。

2、碱基的组成：

⑴、在所有的DNA中A=T、G=C，即A+G=T+C

⑵、DNA的碱基组成具有种的特异性，即不同的生物物种的DNA具有自己独特的碱基组成，但是没有组织和器官的特异性。

3、DNA一级结构的表示方法：

⑴结构式表示法

⑵线条式表示法

⑶字母式表示法

4、意义：生物体的遗传信息是储存在由4种核苷酸编码的特定的序列之中，而与高级结构无关。

DNA的空间结构与功能

一、DNA的二级结构

二、DNA的三级结构

三、核酸的功能

糖代谢

糖异生

糖异生途径概览

氨基酸代谢

蛋白质的营养作用

1、食物中蛋白质的营养功能

⑴蛋白质参与体内多种重要的生理活动

⑵蛋白质也是能源物质：

蛋白质在体内氧化分解可释放出17kJ/g的热量。

⑶维持细胞、组织的生长、更新、修补

2氮平衡

蛋白质含氮量平均在16%，所以可以通过测定食物中含氮量（摄入氮）来分析食物中蛋白质含量。

定义：

氮平衡是指摄入氮和排出氮之间的关系，它反映出体内蛋白质的代谢状态。

三种情况：

⑴氮总平衡——氮摄入量 = 氮排出量

⑵氮正平衡——氮摄入量 > 氮排出量

⑶氮负平衡——氮摄入量 < 氮排出量

• 根据氮平衡不仅可以分析体内蛋白质的代谢情况，还可以估算体内的蛋白质需求量。

3、蛋白质的生理需求

每人每天至少需要食入一般食物蛋白质30~45g，才能维持蛋白质总氮平衡。我国营养学会推荐成人每日蛋白质的摄入量在80g左右。

4蛋白质的营养价值

蛋白质的营养价值取决于各种蛋白质所含有的氨基酸的种类和数量，种类和数量不同它们的营养价值就不同。一般来说，含有必需氨基酸种类多而数量足的蛋白质，营养价值高，反之营养价值低。

蛋白质的消化、吸收与腐败

1、蛋白质的消化

食物蛋白质消化的意义：消除食物蛋白质的种属特异性或抗原性；使大分子蛋白质变成小分子肽和氨基酸，以便吸收和被机体所利用。

蛋白质消化的意义：一系列酶促水解反应。

基本过程：

胃 肠

食物蛋白质————胨及多肽————寡肽、氨基酸

水解酶 水解酶

⑴蛋白质消化吸收的场所：

①胃内消化

主要的水解产物是多肽和氨基酸

②小肠内消化

消化蛋白质的主要产所；在多种酶的共同作用下蛋白质水解成氨基酸

⑵水解酶的类型及作用

胃肠道中蛋白质水解酶刚分泌出来是，多以酶原的形式存在。酶原即无催化活性的酶。

蛋白质水解酶以酶原形式存在对保护组织受其分解作用具有重要的生理意义。

酶原经过激活即能成为有活性的酶：

胃蛋白酶

胃蛋白酶原——————胃蛋白酶 + 六个多肽

HCL或

胰蛋白酶

胰蛋白酶原——————胰蛋白酶 + 六肽

肠激酶或

• 胰腺中含有胰蛋白酶抑制剂，它具有抑制胰蛋白酶的活性保护胰腺的作用，抑肽酶对急性胰腺炎具有较好的效果。

⑶蛋白质的消化过程：

• 食物中的蛋白质在胃肠中经过各种酶的水解成小分子多肽或者胨，最终完全水解成氨基酸
• 结合蛋白的消化：

在消化道经酸或酶的作用使辅基和蛋白质分开，蛋白部分按照上述的方式水解成氨基酸，而辅基部分则分别在相应的酶的催化下进行各自特有的代谢。

2、蛋白质的吸收

氨基酸吸收的主要场所是小肠。小分子肽比游离的氨基酸更容易被人体所吸收，吸收肽经酶的作用大部分水解成氨基酸。吸收的氨基酸是人体氨基酸的主要来源，目前一般认为肽和氨基酸的吸收凡是主要是有两种：

• γ-谷氨酰基循环：见附图
• 主动转运：

氨基酸的吸收不是简单的扩散而是耗能的主动转运过程，这个过程需要Na+、运载蛋白、ATP和酶等。

3、蛋白质的腐败作用