生物化學教學課件：第一章 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

2023/1/111生物化學的概念、研究對象及研究內(nèi)容生物化學發(fā)展簡史生物化學與醫(yī)學怎樣學習生物化學2023/1/11吉林大學醫(yī)學院楊成君2緒論動物植物微生物2023/1/11吉林大學醫(yī)學院楊成君3一、生物化學的概念、研究對象與內(nèi)容Biochemistry生物化學？研究生物體內(nèi)化學分子與化學反應，從分子水平探討生命現(xiàn)象本質(zhì)的基礎(chǔ)生命科學。生物結(jié)構(gòu)功能物質(zhì)合成釋放能量化學變化化學分子蛋白質(zhì)核酸糖類脂類維生素激素水無機鹽關(guān)系消耗能量物質(zhì)分解微量元素基因表達調(diào)控物質(zhì)代謝與能量代謝及調(diào)控，基因表達及調(diào)控規(guī)律研究對象研究內(nèi)容生物化學研究采用的原理和方法早期：化學的原理和方法中期：融入生物物理學、生理學、細胞生物學、遺傳學、免疫學等的理論和技術(shù)后期：生物信息學介入使其與眾多學科有廣泛的聯(lián)系與交叉分子生物學molecularbiology研究核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能及基因結(jié)構(gòu)、表達與調(diào)控。是生物化學的重要組成部分。是生物化學發(fā)展的后期階段。重點研究生物大分子。2023/1/11吉林大學醫(yī)學院楊成君4生物化學與分子生物學2023/1/115生物化學的研究內(nèi)容靜態(tài)生物化學動態(tài)生物化學機能生物化學基因表達研究生物體基本物質(zhì)研究代謝及其規(guī)律研究代謝反應與生理機能的關(guān)系研究基因表達及調(diào)控規(guī)律化學組成、結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)、生物功能、結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（敘述生物化學）。物質(zhì)代謝與能量代謝生物化學的另一任務生物體具有多種生理機能，如肌肉收縮、神經(jīng)沖動傳導、腺體分泌、視覺和聽覺等,都是以物質(zhì)代謝為基礎(chǔ)的研究基因表達及調(diào)控規(guī)律2023/1/116物質(zhì)代謝物質(zhì)代謝合成代謝（同化作用）消耗能量分解代謝（異化作用）釋放能量物質(zhì)代謝之間的聯(lián)系及其調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝與能量代謝物質(zhì)代謝：生物體內(nèi)一系列的化學變化就是生物體與外界環(huán)境進行的物質(zhì)交換，稱為新陳代謝。簡言之，代謝就是在體內(nèi)進行的化學反應。代謝是生物體最基本的生命特征和生物體生長、發(fā)育、繁殖、修復等生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)。代謝是揭示生命現(xiàn)象的本質(zhì)的重要環(huán)節(jié)。生命隨代謝的停止而停止。正常的物質(zhì)代謝是正常生命活動的必要條件，代謝紊亂可以導致疾病的發(fā)生。物質(zhì)代謝及其調(diào)節(jié)：酶結(jié)構(gòu)和酶的含量的變化對代謝的調(diào)節(jié)作用；細胞信息傳遞的機制。物質(zhì)代謝總是伴隨能量代謝基因信息傳遞涉及到遺傳、變異、生長、分化等諸多的生命過程與多種疾病的發(fā)病機制有關(guān)遺傳病、腫瘤、心血管等多種疾病的發(fā)生都與此密切相關(guān)2023/1/11吉林大學醫(yī)學院楊成君7基因信息的傳遞及其調(diào)控中心法則（thecentraldogma）DNARNA蛋白質(zhì)DNARNA蛋白質(zhì)修正前的中心法則修正后的中心法則1958年F.Crick

提出1970年H.Temin修正生物大分子（蛋白質(zhì)、核酸、聚糖）結(jié)構(gòu)由某些基本結(jié)構(gòu)單位按一定順序和方式連接所形成的多聚體（polymer）。分子量一般超過104。生物大分子的一級結(jié)構(gòu)：基本單位的種類、排列順序和方式。生物大分子的空間結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系生物大分子的重要特征具有信息功能。又稱生物信息分子。分子識別和分子的相互作用：執(zhí)行生物分子功能的基本要素。2023/1/11吉林大學醫(yī)學院楊成君9當代生物化學研究的主要內(nèi)容初期階段：敘述生物化學18世紀中葉至20世紀初期，主要是研究生物體的化學組成。發(fā)展階段：動態(tài)生物化學20世紀上半世紀生物化學發(fā)展很快，主要在代謝方面分子生物學時期從20世紀50年代以來，生物化學有了突飛猛進的發(fā)展。2023/1/11吉林大學醫(yī)學院楊成君10二、生物化學的發(fā)展簡史對糖、脂、氨基酸的性質(zhì)的系統(tǒng)研究；核酸的發(fā)現(xiàn)；血紅蛋白的分離；多肽的合成；酶的發(fā)現(xiàn)等各種物質(zhì)代謝領(lǐng)域都取得了很大進展。多種代謝途徑被闡明（糖代謝、脂肪酸β氧化、鳥氨酸循環(huán)、TAC、ATP循環(huán)等）,開始進入代謝調(diào)節(jié)研究生物科學的研究已從過去的整體、組織器官和細胞等宏觀水平進入現(xiàn)在的亞細胞和分子等微觀水平，即分子生物學。蛋白質(zhì)與核酸成為研究的焦點。DNA雙螺旋、中心法則、遺傳密碼、重組DNA技術(shù)、PCR、基因診斷與治療、HGP、蛋白質(zhì)組學、轉(zhuǎn)錄組學、RNA組學、代謝組學、糖組學等等生物化學是在20世紀初才成為一門獨立的新學科，目前已成為自然科學中發(fā)展最快、最引起人們重視的學科之一。2023/1/1111中國（人）對生物化學的貢獻古代我國勞動人民，遠在古代即因生活需要，在生產(chǎn)、醫(yī)療和營養(yǎng)等方面的實踐中積累了許多有關(guān)生物化學的豐富經(jīng)驗.公元前23世紀（四千多年前夏禹時代）已知用糧食釀酒，釀酒用的酒母稱為曲或媒（即現(xiàn)代的“酶”）。公元前12世紀（在商周時期）已知制造醬、醋和飴的技術(shù)。酒、醬、醋、飴都是利用生物體內(nèi)的酶所催化的化學反應產(chǎn)物。對膳食營養(yǎng)作用的研究（對地方性甲狀腺腫、維生素A缺乏癥、糖尿病等均有描述）。近代上世紀20年代以來，我國生物化學家在營養(yǎng)學、臨床生化血液分析，蛋白質(zhì)的變性學說和抗原—抗體反應的定量分析和機制等方面也做出了一定的貢獻。吳憲首創(chuàng)了血濾液的制備和血糖測定法，與汪猷、張昌潁等提出蛋白質(zhì)變性學說，成為我國生物化學界的先驅(qū)。劉思職在用定量方法研究抗原抗體反應機制，對免疫化學領(lǐng)域作出了貢獻。1965年我國首先人工合成具有生物活性的牛胰島素，1971年完成空間結(jié)構(gòu)測定。1979－1981年又合成了酵母丙氨酰tRNA。2000年我國完成人類基因組計劃中1%的測序工作。2002年，我國完成水稻的基因組精細圖，為水稻的育種和防病奠定基因基礎(chǔ)。近年來在生物工程方面也取得了豐碩成果，標志著我國生化工作者在某些領(lǐng)域的工作已達到了“國際先進水平”。劉思職生物化學是重要的醫(yī)學專業(yè)基礎(chǔ)課生物化學在醫(yī)學教育中起到了承前啟后的重要作用。生物化學是從有機化學和生理學發(fā)展起來的，與之有著密切的聯(lián)系。生物化學的研究和學習還必須建立在對人體的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能全面了解的基礎(chǔ)上，相關(guān)學科如解剖學、組織學、生物學、細胞學等醫(yī)學前期課程都是學習生物化學的重要前提。2023/1/1112三、生物化學與基礎(chǔ)醫(yī)學生物化學與醫(yī)學各學科都有不同的聯(lián)系。生物學、組織學、生理學、微生物學、免疫學、病理學、藥理學等學科的研究深入到分子水平，生物化學的知識是必要的基礎(chǔ)。從分子水平闡明疾病發(fā)生的機制，藥物作用的原理及其在體內(nèi)的代謝過程等，都必須從分子水平以生物化學的知識為基礎(chǔ)。生物化學實驗技術(shù)，如蛋白質(zhì)和核酸分離、純化、分析及鑒定技術(shù)已廣泛地應用于免疫學、組織學、藥理學及臨床醫(yī)學等多種學科的研究中。近代醫(yī)學的發(fā)展經(jīng)常需要運用生物化學的理論和技術(shù)診斷、治療和預防疾病。生物化學已經(jīng)滲透到醫(yī)學各領(lǐng)域內(nèi)。2023/1/1113生物化學與醫(yī)藥生化藥物基因工程藥物等發(fā)病機制疾病預防疾病的診斷治療與其他學科交叉聯(lián)系生物化學生物化學內(nèi)容復雜、抽象，涉及到許多化學結(jié)構(gòu)式、反應式，學習有一定的難度。但只要掌握科學的學習方法，正確處理好以下幾個問題，會收到好的學習效果，達到預期的目標。2023/1/1114四、怎樣學習生物化學1·正確處理好化學結(jié)構(gòu)式與生化基礎(chǔ)知識的關(guān)系物質(zhì)代謝是生化知識結(jié)構(gòu)體系中的重要部分，涉及到許多化學結(jié)構(gòu)式，化學結(jié)構(gòu)式是學習生化知識的工具，采用比較前后化學反應變化的方法，抓住反應特點、反應性質(zhì)、條件、生理意義及其與臨床的聯(lián)系，不要死記硬背結(jié)構(gòu)式。2·正確處理好理解和記憶的關(guān)系理解是記憶的前提，在理解的基礎(chǔ)上記憶，但不等于理解了不記。理解就是對一個間題在不同的層次上解決是什么、怎么樣和為什么三個問題。為此可以采用綜合歸納、比較分析、簡圖簡表等學習方法，主動學習，加深對知識的理解和運用，只有經(jīng)過加工處理過的信息才容易記牢。3·抓主線、抓框架結(jié)構(gòu)、按層次學習主線是統(tǒng)帥每章的關(guān)鍵，可比喻為樹干，框架結(jié)構(gòu)是樹的分枝，不同層次是分叉。學習時先抓住各章的知識框架結(jié)構(gòu)，然后填充具體內(nèi)容，從整體上把握知識結(jié)構(gòu)，綱舉目張。4·學會自學，強調(diào)自主學習可以通過課前預習和課后復習閱讀教材學會看書，教科書作為學習生化知識的重要工具，掌握學習生化知識的基本方法，合理運用網(wǎng)絡，提高自己的自學能力，為今后繼續(xù)教育打好基礎(chǔ)。第一章

蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能

StructureandFunctionofProtein蛋白質(zhì)的分子組成蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)2023/1/11吉林大學醫(yī)學院楊成君15蛋白質(zhì)(protein)是由許多氨基酸（aminoacids）通過肽鍵（peptidebond）相連形成的高分子含氮化合物蛋白質(zhì)是由氨基酸構(gòu)成的具有特定空間結(jié)構(gòu)的有機化合物，是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)2023/1/11吉林大學醫(yī)學院楊成君16什么是蛋白質(zhì)?蛋白質(zhì)是生物體重要組成成分結(jié)構(gòu)功能：結(jié)締組織、骨基質(zhì)，形成組織形態(tài)蛋白質(zhì)具有重要的生物學功能動態(tài)功能氧化供能(能源物質(zhì))營養(yǎng)物質(zhì)：次要功能2023/1/11吉林大學醫(yī)學院楊成君17蛋白質(zhì)的生物學重要性第一節(jié)

蛋白質(zhì)的分子組成

TheMolecularComponentofProtein蛋白質(zhì)的元素組成蛋白質(zhì)的基本單位2023/1/11吉林大學醫(yī)學院楊成君18一、蛋白質(zhì)的元素組成根據(jù)對蛋白質(zhì)的***元素分析表明2023/1/11吉林大學醫(yī)學院楊成君19元素符號含量%碳C50-55氧O19-24氮N13-19氫H6-7硫S0-4有的還含有少量磷、鐵、錳、碘、鋅等。蛋白質(zhì)元素組成特點：皆含有恒定的氮（蛋白質(zhì)定量依據(jù)）。***蛋白質(zhì)含氮量比較接近而恒定一般為15—17％，平均為16％用定氮法測得的含氮量乘以6.25，即可算出樣品中蛋白質(zhì)的含量2023/1/11吉林大學醫(yī)學院楊成君20蛋白質(zhì)的含量計算存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種除甘氨酸外，均屬L-α-氨基酸2023/1/11吉林大學醫(yī)學院楊成君21二、組成人體的20種L-α-氨基酸甘氨酸無D、L構(gòu)型區(qū)分甘氨酸α碳原子上連接兩個相同的氫原子（對稱）不是手性碳原子NH3+CHHCOOR1/11/2023楊成君22甘油醛的構(gòu)型丙氨酸的構(gòu)型L-GlyceraldehydeCHO123HOHCCHOH2D-GlyceraldehydeCHOOHHCCHOH2COOHCHN3CH3L-AlanineCOOHCNH3CH3D-Alanine氨基酸D/L構(gòu)型的規(guī)定1/11/2023楊成君23COOCOO丙氨酸構(gòu)型L-AlanineD-AlanineCH3NCH3HCH3NCH3H1/11/2023楊成君24

！脯氨酸是亞氨基酸CH+COONH2CH2CH2CH2N原子在雜環(huán)中移動的自由度受到限制N形成肽鍵后不再能形成氫鍵常位于多肽鏈的轉(zhuǎn)角處1/11/2023楊成君25半胱氨酸與胱氨酸互變——二硫鍵形成2H+2e-+2H+2e-+CH2CHCOO—CH2SHH3N+CysteineCHCOO—SHNH3+CystineCHCOO—CH2SH3N+CH2CHCOO—SNH3+二硫鍵1/11/2023楊成君26三、氨基酸根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)分類20種氨基酸具有共同的核心結(jié)構(gòu)氨基、羧基、氫原子連接于α-碳原子20種氨基酸的結(jié)構(gòu)差異體現(xiàn)與α-碳原子相連接的側(cè)鏈基團α-R基團R基團結(jié)構(gòu)差異是氨基酸分類依據(jù)非極性疏水性氨基酸（7種）—苯極性中性（非電離）氨基酸（8種）—色、酪酸性氨基酸（2種）、堿性氨基酸（3種）1/11/2023楊成君27蛋白質(zhì)中的L-α-氨基酸結(jié)構(gòu)特點側(cè)鏈結(jié)構(gòu)特點主要氨基酸脂肪烴鏈甘、丙、纈、亮、異、脯含有羥基絲、蘇、酪含硫原子半胱、甲硫含酰胺（氨基衍生物）天冬酰胺、谷氨酰胺含酸性基團天冬、谷含堿性基團賴、精、組含芳香環(huán)組、苯、酪、色亞氨基成環(huán)（亞氨基酸）脯1/11/2023楊成君28氨基酸的R基團賦予氨基酸不同極性極性類別主要氨基酸非極性脂肪族丙、纈、亮、異亮、甲硫芳香族苯丙亞氨酸脯極性中性甘、絲、半、蘇、酪、色、酰胺酸性天冬、谷堿性賴、精、組1/11/2023楊成君29氨基酸的α-R基團直接影響肽鏈結(jié)構(gòu)氨基酸R基團的結(jié)構(gòu)與極性直接影響肽鏈結(jié)構(gòu)和功能名稱結(jié)構(gòu)與功能特點半胱氨酸形成二硫鍵，增強蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，巰基易結(jié)合金屬離子酸性氨基酸帶負電荷，位于水溶性蛋白質(zhì)表面，可結(jié)合帶正電分子和離子芳香族氨基酸側(cè)鏈結(jié)構(gòu)大，極性弱或無極性，常位于水溶性蛋白分子內(nèi)部甘氨酸無對映體，旋轉(zhuǎn)自由度大，賦予肽鏈柔性；分子最小的氨基酸，存在于空間致密的蛋白質(zhì)分子（膠原）組氨酸咪唑基易質(zhì)子化，影響蛋白質(zhì)構(gòu)象，參與蛋白質(zhì)功能的調(diào)節(jié)支鏈氨基酸側(cè)鏈大、剛性、疏水，影響蛋白質(zhì)折疊，常位于水溶蛋白內(nèi)部賴氨酸柔性側(cè)鏈帶正電荷，易結(jié)合帶負電分子（DNA），位于表面甲硫氨酸肽鏈合成起始氨基酸。參與含硫化合物代謝及甲基化反應脯氨酸N在雜環(huán)中自由度受限，不能形成氫鍵，常位于肽鏈轉(zhuǎn)角羥基氨基酸側(cè)鏈短，常在酶促反應中供氫，磷酸化位點，親水性強，表面1/11/2023楊成君30（一）兩性解離及等電點*****所有氨基酸都含有堿性的α-氨基和酸性的α-羧基，是兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。等電點(isoelectric-point,-pI)在氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性時溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點。（二）氨基酸的紫外吸收*****三種芳香族氨基酸(色氨酸\酪氨酸\苯丙氨酸)的紫外吸收光譜色氨酸與酪氨酸在近280nm波長處有吸收峰且與其含量呈正比，可用于蛋白質(zhì)的定量（三）茚三酮反應(ninhydrinreaction)氨基酸與茚三酮水合物共熱，可生成藍紫色化合物，其最大吸收峰在570nm處。由于此吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關(guān)系，因此可作為氨基酸定量分析方法。2023/1/11吉林大學醫(yī)學院楊成君31四、20種氨基酸的理化性質(zhì)（一）肽及相關(guān)概念肽鍵(peptide-bond)是由一個氨基酸的-羧基與另一個氨基酸的-氨基脫水縮合而形成的化學鍵?；蛘撸弘姆肿又羞B接兩個氨基酸殘基的酰胺鍵。肽（peptide）：氨基酸之間脫水縮合而形成的化合物。氨基酸通過肽鍵相連接形成的化合物。（二）體內(nèi)存在的醫(yī)學上的重要生物活性肽****谷胱甘肽***（glutathione，GSH）：體內(nèi)重要的還原劑多肽類激素：催產(chǎn)素、加壓素、促腎上腺皮質(zhì)激素等神經(jīng)肽(neuropeptide）:在神經(jīng)傳導過程中起信號轉(zhuǎn)導作用2023/1/11吉林大學醫(yī)學院楊成君32五、蛋白質(zhì)是氨基酸組成的多肽鏈六、蛋白質(zhì)分類單純蛋白質(zhì)與結(jié)合蛋白質(zhì)根據(jù)蛋白質(zhì)的分子組成劃分蛋白質(zhì)超家族、家族、亞家族根據(jù)蛋白質(zhì)具有相同或類似結(jié)構(gòu)域或模體球蛋白和纖維蛋白根據(jù)蛋白質(zhì)形狀2023/1/11楊成君33

蛋白質(zhì)根據(jù)分子組成分類單純肽鏈，只含有氨基酸，沒有其它成分單純蛋白質(zhì)（simpleprotein）蛋白質(zhì)成分+非蛋白質(zhì)成分（輔基：prostheticgroup）結(jié)合蛋白質(zhì)分子中蛋白質(zhì)部分和輔基部分多以共價鍵連