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1、生 物 化 学,Biochemistry,刘 毅韶关学院医学院 生化检验教研室,欢迎交流、探讨！地点：实验楼四楼东侧电话：短号：669544,第一章 绪 论,一、概 念,生物化学是研究生物体的化学组成和生命过程中化学变化规律的科学，从而从分子水平阐明各种生命现象的本质，又称为生命的化学。,生命的化学，化学的生命,生物学,动物学,植物学,微生物学,化学,生物学,生物化学,二、,研究内容,生物体的物质组成、分子结构及功能（叙述生化）蛋白质化学 核酸化学 酶和维生素,研究物质的化学结构、性质及功能,生物分子,七大营养要素：糖、脂类、蛋白质、维生素、氧、水、无机盐,无机物：水、无机盐,有机物,大分子有
2、机物：多糖、复合脂类、核酸和蛋白质等,小分子有机物：维生素、辅酶、激素、核苷酸和氨基酸等,物质代谢及其调节（动态生化）氧的代谢 糖代谢 脂类代谢 氨基酸代谢 核苷酸代谢,研究物质的新陈代谢，是生物体最基本的生命特征，是生命活动的基础,基因信息的贮存、传递与调控（遗传生化）DNA的复制 RNA的转录 蛋白质的翻译 癌基因与抑癌基因 分子生物学技术组织器官代谢及与功能的关系（机能生化）细胞信号转导 水、电解质、酸碱代谢 肝、肾和血液的生化,三、,生化的重要性,(一)发病机制的阐明,1.糖类代谢紊乱导致的糖尿病2.脂类代谢紊乱导致的动脉粥样硬化3.氨代谢异常与肝性脑病4.胆色素代谢异常与黄疸5.维生
3、素缺乏与夜盲症和佝偻病6.基因突变导致肿瘤和分子病7.遗传性酶缺乏导致白化病、痛风等8.蛋白质空间构象改变导致疯牛病,生物化学是一门重要的医学专业基础课,(二)疾病的诊断、治疗和预防,1.体液中无机盐类、有机化合物和酶类等的检测诊断。,2.PCR技术和基因诊断检测技术的临床应用、法医学鉴定和流行病学调查。,3.遗传病基因疗法、传染病基因疗法、肿瘤基因疗法和其他疾病基因疗法的完善和应用。,4.基因工程药物(如胰岛素)的研究开发应用。,四、,生化魅力,所有生物学科都不是孤立的，而是相互联系、相互补充、相互渗透，其基础就是“生命的化学语言”。换而言之，生物化学是联系生物学科之间的桥梁。,有 用,可以
4、知道很多有趣问题的答案 例如：猫为什么要吃老鼠？可以了解人体的众多奥秘 例如：火的利用对人体的价值？多吃糖为什么会发胖？为什么会影响视力？可实现个人愿望,有 趣,可成名,20-21世纪Nobel生理学与医学奖中半数以上是在生物化学与分子生物学领域取得重大突破例如：日本山中伸弥与英国约翰戈登因在细胞核重新编程研究领域的杰出贡献，而获得2012年诺贝尔生理学或医学奖。美国罗伯特莱夫科维茨和布赖恩科比尔卡分享2012年诺贝尔化学奖，以表彰他们在“G蛋白偶联受体”方面的研究。,可获利,无形资产：知识、专利有形资产：基因工程产品,五、,学习方法,生化的内容较枯燥，理论性较强，希望同学们注意预习、复习，注
5、意与日常生活和临床病例相联系。不要求背化学结构式和化学反应过程，但要求记重要的中间产物和物质代谢的联系；重点是各代谢途径的生理意义。生化与其他学科如解剖、生理等的关系，要注意知识点的横向交叉；生化各章节的内容也是相互关联，注意纵向联系。,一条主线：生命的化学、化学的生命 一个中心：认识生命、改造生命万能学习法：理解记忆学会自学温故而知新,什么都略懂一点，生活才会更精彩！,第二章蛋白质的结构与功能,概 述,一、蛋白质（protein，pro）的概念蛋白质是由氨基酸构成的具有特定空间结构的大分子有机化合物，是生命活动的物质基础。没有蛋白质就没有生命,二、蛋白质的生物学功能,2、蛋白质是生命活动的物
6、质基础,3、氧化供能,1g蛋白质在体内氧化产能417KJ,第一节蛋白质的分子组成,元素组成 氨基酸 氨基酸的连接 分子结构,一、元素组成,1、主要元素：C、H、O和N，有些蛋白质还含有S、P和金属元素等。2、特点：各种蛋白质的含氮量很接近，平均含氮量为16%。3、定氮法测定蛋白质含量：蛋白质含量样品含氮量 6.25,如何算来的？,【应用举例1】蛋白质含量是评价食物营养价值的指标之一，例如牛奶、鸡蛋、肉类等。,食物中蛋白质含量测定一般使用微量凯氏定氮法，测定食物中的含氮量，再乘以6.25，就可得到食物蛋白质的含量。,如何测定？,什么原理？,三聚氰胺（cyanuramide），分子式C3H6N6，
7、分子量：126.12。其含氮量为66左右，俗称“蛋白精”。,【应用举例2】三聚氰胺的来龙去脉,长期摄入三聚氰胺会造成生殖、泌尿系统损害和泌尿系结石，并可进一步诱发膀胱癌，导致肾功能衰竭。,二、基本组成单位氨基酸(amino acid,aa),（一）蛋白质的基本组成单位,（二）氨基酸结构的共同特点,两性电解质既具有酸性的羧基(-COO-)，又有碱性的氨基(-NH3+)旋光异构现象L-氨基酸（甘氨酸除外）侧链R基团不同影响蛋白质的性质、结构和功能,非极性脂肪族氨基酸（侧链非极性、疏水）甘(Gly),丙(Ala)；缬(Val),亮(Leu),异亮(Ile)；脯(Pro，亚氨基)极性中性氨基酸（侧链极
8、性、不带电荷）Ser,Thr(含羟基)；Cys,Met(含硫)；Gln,Asn(含酰氨)芳香族氨基酸（侧链带苯环）苯丙(Phe)；酪(Tyr)；色(Trp),（三）氨基酸的分类,酸性氨基酸（含有两个羧基）Asp(含羧基)；Glu(含羧基)碱性氨基酸（含有两个以上氨基）Lys(氨基)；Arg(胍基)；His(咪唑基),根据氨基酸某些结构共性分类含硫氨基酸：Met、Cys（含有硫）芳香族氨基酸：Phe、Tyr、Trp（含有苯环）支链氨基酸：Val、Leu、Ile,侧链含烃链的氨基酸是非极性脂肪族氨基酸,侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸,侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸,侧链含负性解
9、离基团的氨基酸是酸性氨基酸,侧链含正性解离基团的氨基酸是碱性氨基酸,蛋白质基本结构单位：L氨基酸 氨基酸：脯氨酸（亚氨基酸）除外 L氨基酸：甘氨酸（无不对称C）除外 氨基酸结构通式：RCH(NH2)COOH 常见氨基酸种类：20种。,小结,顾名思义 L-氨基酸氨基羧基，呈酸性-碳原子侧链R基团,（四）氨基酸的理化性质,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。,1、氨基酸的两性解离和等电点,pH=pI,pH
10、pI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,2、芳香族氨基酸的紫外吸收性质,色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。,大多数蛋白质含有这两种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。,3、氨基酸与茚三酮反应,氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。,三、氨基酸在蛋白质分子中的连接方式,1、肽键（peptide bond）一个氨基酸的-羧基与另一氨基酸的-氨基脱水缩合而成的共价键称为肽键，又称酰胺键。（CO-NH）,成肽反应：,
11、2、肽（peptide）,4、医学上重要的多肽：谷胱甘肽神经肽：脑啡肽(9肽)、内啡肽(9肽)、强啡肽(9肽)肽类激素：TRH(3肽)、催产素(9肽)、加压素(9肽)其他：生长因子；短杆菌S；甜味肽等,3、蛋白质的基本结构形式：多肽呈链状，又可称多肽链(NHCHCO-NHCHCO)多肽链的方向性：从N末端指向C末端。,GSH的功能：保护含SH的蛋白质和酶免遭氧化，维持其生物活性；具有解毒功能,第二节蛋白质的分子结构,高级结构（空间结构），又称构象，是指蛋白质分子中所有原子在三维空间的排布。,一级结构是指蛋白质的多肽链中氨基酸的排列顺序；主要靠肽键维系，另外还有二硫键。二四级结构称为蛋白质的空间
12、结构，或空间构象；主要靠次级键维系。,一、蛋白质的一级结构(primary structure),定义：是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。连接键：主要靠肽键维系，另外还有二硫键。重要意义：,一级结构体现生物信息：20n.多样性一级结构是空间结构及生物活性的基础.特异性研究一级结构有助于从分子水平诊断和治疗遗传病,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。,二、蛋白质的空间结构,定义 指蛋白质分子内各原子围绕某些共价键的旋转而形成的各种空间排布及相互关系，又称蛋白质的构象。,分类 主链构象是指多肽主链骨架上各原子的排布及相互关系；侧链构象是指各氨基酸残基
13、侧链基团中原子的排布及相互关系。,（一）蛋白质的二级结构,定义 指多肽主链骨架原子的局部空间排列，不涉及氨基酸残基侧链的构象，也就是该肽段主链骨架原子的相对空间位置。,1、形成二级结构的基础 肽键平面(peptide unit)由肽键中的四个原子和与之相邻的两个碳原子共同构成的刚性平面。（C1CO-NHC2）,肽键结构互变,肽键平面,2、蛋白质二级结构的基本形式,分类：主要有-螺旋、-折叠、-转角和无规则卷曲等维持二级结构的力量为氢键,（1）-螺旋(-helix)以肽键平面为单位，以-碳原子为转折点，形成的右手螺旋3.6个AA/圈，螺距0.54nm；氢键：第一个肽键的-NH与第四个肽键的-CO
14、形成氢键，方向与主链长轴平行；侧链R基团伸向螺旋的外侧【举例】肌红蛋白、血红蛋白、角蛋白、肌球蛋白和纤维蛋白等,（2）-折叠(-pleated sheet)多肽链充分伸展，肽平面折叠成锯齿状；侧链交错位于锯齿状结构的上下方；氢键：氢键的方向垂直长轴；可有顺向平行和反向平行2种结构。【举例】蚕丝蛋白,（3）-转角（-turn）多肽主链出现的180回折部分称-转角通常由4个连续的氨基酸残基构成，第1个残基的-CO与第4个残基的-NH形成氢键。（4）不规则卷曲 多肽链中没有确定规律性的部分构象,（二）三级结构,定义 指在一条多肽链中所有原子的整体空间排布，包括主链构象和侧链构象。三级结构的形成使得在
15、序列中相隔较远的氨基酸侧链相互靠近。,氨基酸位置由侧链极性决定：非极性（内）、极性（表面，少数内部）、带电（表面）次级键维系：疏水键、离子键、氢键、范德华力、二硫键功能区：表面或特定部位,次级键介导蛋白质高级结构形成,纤维连接蛋白分子的结构域,结构域是三级结构层次上的局部折叠区,肽链中某些局部的二级结构常可折叠成多个结构较为紧密的区域，并各行其功能，称为结构域(domain)。,定义：由2个或2个以上具有独立三级结构的多肽链借非共价键相互聚合形成的整体。,亚基(subunit)：寡聚蛋白中的单条独立的多肽链，具有独立的一、二、三级结构，单独存在时一般无生物学活性。亚基之间以非共价键联系，包括疏
16、水键、氢键、离子键、范德华力亚基可以相同或不同,（三）四级结构,若亚基分子结构相同，称之为同聚体；若亚基分子结构不同，则称之为异聚体。,血红蛋白的四级结构,对比蛋白质的分子结构,三、蛋白质结构与功能的关系,蛋白质一级结构是空间结构和生物功能的基础，一级结构决定空间结构；但一级结构并非决定空间结构的唯一因素。空间结构是生物活性的直接体现。,一级结构中的保守序列决定空间结构（1）不同蛋白质之间的比较：相似结构相似功能、不同结构不同功能（2）同一蛋白质不同状态的比较：一级结构决定空间结构（3）保守序列改变，功能改变；保守序列不变，功能不变【举例】胰岛素,（一）蛋白质一级结构与功能的关系,其活性仍能维
17、持100%,其活性只剩210,其活性完全丧失,将A、B两链间的二硫键还原，A、B两链即分离，胰岛素的功能完全消失。,氨基酸序列提供重要的生物化学信息,一些广泛存在于生物界的蛋白质如细胞色素(cytochrome C)，比较它们的一级结构，可以帮助了解物种进化间的关系。,1、空间结构体现生物特异性2、空间结构体现生物活性3、空间结构的灵活性，体现了生物活性的可调节特性,（二）蛋白质空间结构与功能的关系,空间结构中的特定区域体现生物活性,【经典举例】血红蛋白（Hb）：由22四聚体组成，每个亚基含有1个血红素辅基；Hb的氧解离曲线呈“S”型。多种空间构象，多种活性状态,Hb未结合O2时，4个亚基结构
18、紧密,称 紧密型(T型)随着O2 的结合,空间结构发生变化，使 结构相对松弛，称松弛型(R型)T型对氧亲和力低,不易与O2 结合 R型对氧亲合力高，是Hb结合O2 的形式,肺部 O2 分压高,促使T型转变成R型,组织 O2 分压低,促使R型转变成T型,Hb的这种变构效应 有利于它在肺部与O2结合、在周围组织释放O2,补充蛋白质结构改变与疾病,结构决定功能功能改变产生疾病,（一）蛋白质的氨基酸序列改变可引起疾病,例：镰刀形红细胞贫血,这种由蛋白质分子发生变异所导致的疾病，称为“分子病”。,分子病（molecular disease）：由于基因结构改变，蛋白质一级结构中的关键氨基酸发生改变，从而导
19、致蛋白质功能障碍，出现相应的临床症状，这类遗传性疾病称为分子病。【经典举例】镰形细胞贫血症：编码珠蛋白链的结构基因第六个密码子由CTTCAT，相应的多肽序列中N端的第六个氨基酸由GluVal；其空间结构发生相应改变，在表面形成互补区，使蛋白质分子之间彼此聚合，促使红细胞在低氧压下变形成镰形，丧失运输氧的生物活性。,（二）蛋白质构象改变可引起疾病,蛋白质构象疾病：若蛋白质的折叠发生错误，尽管其一级结构不变，但蛋白质的构象发生改变，仍可影响其功能，严重时可导致疾病发生。,蛋白质构象改变导致疾病的机理：有些蛋白质错误折叠后相互聚集，常形成抗蛋白水解酶的淀粉样纤维沉淀，产生毒性而致病，表现为蛋白质淀粉
20、样纤维沉淀的病理改变。,这类疾病包括：人纹状体脊髓变性病、老年痴呆症、亨停顿舞蹈病、疯牛病等。,疯牛病知识 1985年在英国发现后，90年代初发展成为一个高潮，又逐渐扩展到西欧目前已经变成世界性问题。疯牛病可能通过牛肉和牛肉制品，尤其是内脏和骨髓传染给人类，引起新型早老性 痴呆症即新型克雅氏症。,疯牛病是对牛海绵状脑病(BSE)的俗称，它是一种慢性、具有传染性的致死性 中枢神经系统疾病。,疯牛病是由朊病毒蛋白(prion protein,PrP)引起的一组人和动物神经退行性病变。正常的PrP富含-螺旋，称为PrPc。PrPc在某种未知蛋白质的作用下可转变成全为-折叠的PrPsc，从而致病。,疯
21、牛病的蛋白质构象改变,第三节蛋白质的理化性质,两性解离和等电点胶体性质变性、沉淀和凝固紫外吸收性质 呈色反应,一、,【概念】,+OH-,+H+,+OH-,+H+,pH=pI,pHpI,pHpI,pI是蛋白质特征性常数各种蛋白质有各自的pI,血浆中绝大部分蛋白质的pI在pH5左右，故在血浆pH7.4的生理情况下，血浆蛋白质呈负电。,带电状态判定 pH pI.带负电 pH pI.带正电 pHpI.不带电,【临床应用】,由于各种pr所带电荷性质和数量不同，以及pr分子量不同，在电场中移动速度也就不同。可借此对pr进行分离、纯化和鉴定。,pH=pI,pH pI,pH pI,向负极,向正极,位于原点,不
22、易,易,不易,溶解度最小，易沉淀折出 利用此性质，可以分离提纯蛋白质。,B,血 清 蛋 白 电 泳 图,A:染色后的图谱B:光密度扫描后的电泳峰,电泳技术是生化检验和实验研究常用技术，如利用该技术可作血清蛋白电泳、尿蛋白电泳及同工酶的鉴定，以帮助诊断疾病。,(对诊断肝、肾疾病有较大参考价值),几种常见疾病的电泳图型,二、,【原理】,【应用举例】,例1透析蛋白质不能透过半透膜。利用半透膜特性分离小分子物质，纯化蛋白质的方法称为透析。透析可用于临床疾病的治疗如肝硬化腹水患者自身腹水的超滤回输及尿毒症患者的透析疗法等。,【应用举例】,例2营养不良性水肿人体毛细血管壁也具有半透膜特性，形成胶体渗透压，
23、对维持血容量具有十分重要的意义。当由于营养不良，导致血浆蛋白下降，会形成水肿。例3超速离心,1、变性(denaturation)：在某些理化因素作用下，蛋白质的空间结构被破坏，导致理化性质改变和生物活性丧失的现象。变性的因素：物理、化学、生物等变性的本质：空间结构被破坏，不涉及一级结构的变化。理化性质的变化：溶解度下降，粘度增加，结晶能力丧失，易被蛋白酶水解。,三、蛋白质的变性、沉淀和凝固,2、沉淀,概念：蛋白质自溶液中析出的现象 蛋白质在溶液中维持稳定的因素：表面电荷、水化层沉淀蛋白质的方法：盐析：在蛋白质溶液中加入高浓度的中性盐（氯化钠、硫酸铵等），破坏pr的水化层和电荷层，使之沉淀，而不
24、使之变性。,3、复性：若蛋白质变性程度较轻，去除变性因素后，仍可恢复其原有的构象和功能，这种现象称为复性(renaturation)。4、凝固：变性蛋白经加热煮沸，可形成较坚固的凝块，不再溶于强酸和强碱中，这种现象称为蛋白质的凝固作用(protein coagulation)。,变性的蛋白质不一定沉淀，沉淀的蛋白质不一定变性，凝固的蛋白质一定变性,5、应用利用变性：酒精消毒高压灭菌血滤液制备防止变性：低温保存生物制品取代变性：乳品解毒（用于急救重金属中毒）,思考题,高温、高压、紫外线和乙醇等灭菌消毒的生化原理是什么？熟肉比生肉易消化的生化原理是什么？,四、紫外吸收性质,酪氨酸和色氨酸在280n
25、m波长附近具有最大吸收峰，其中色氨酸的最大吸收最接近280nm,五、蛋白质的呈色反应,蛋白质和多肽分子中肽键在稀碱溶液中与硫酸铜共热，呈现紫色或红色，此反应称为双缩脲反应，双缩脲反应可用来检测蛋白质水解程度。,1.双缩脲反应,蛋白质溶液在碱性铜的存在下，与酚试剂（含磷钨酸-磷钼酸）作用，生成蓝色化合物，最大吸收峰在540nm处。可用来进行蛋白质定量分析。,2.Folin-酚试剂反应,1、重要名词 氨基酸、肽键、肽键平面、结构域(domain)、等电点、变性、复性、凝固、双缩脲反应2、化学结构元素组成：C、H、O、N（16%，6.25）结构单位：20种L-氨基酸（芳香族、含硫、酸性、碱性氨基酸等）一级结构：肽键、二硫键；N端C端二级结构：氢键；类型（-螺旋，-折叠，-转角，无规则卷曲）三级结构：次级键四级结构：次级键3、理化性质 两性解离和等电点；胶体性质；变性；紫外吸收；呈色反应,小结,1、何谓氨基酸、蛋白质的两性电离与等电点？2、蛋白质二级结构有哪些形式？试述螺旋的结 构特点。3、蛋白质一级结构与其功能有何关系？4、维持蛋白质亲水胶体溶液稳定的条件有哪些？5、什么是蛋白质变性？在医学上有何应用？,课后思考题,
