生物化学教案

1生物化学内蒙古农业大学2014年8月2绪论教学目的与要求：1、了解生物化学的发展史，明确生物化学的概念、任务；2、了解生物化学与各学科之间的联系及研究生物化学现实意义；3、了解生物化学与其他学科的关系、应用与前景和学习方法。教学重点：生物化学的概念、研究对象和内容教学难点：生物化学的研究内容教学时数：1学时教学手段：讲授法，利用多媒体与传统方法的相结合。教学内容：一、生物化学的概念、研究对象和内容1、生物化学是介于生物和化学之间的一门边缘科学，它是用化学的理论和方法作为主要手段来研究生命现象，从而揭示生命的奥秘。它是从分子水平来研究生物体（包括人类、动物、植物和微生物）内基本物质的化学组成和生命活动所进行的化学变化（即代谢反应）的规律及其与生理机能的关系的一门科学。生物化学的任务就是研究组成生物体基本物质的性质，结构与功能，以及这些物质在生命活动过程中所进行的化学变化的规律及其与生理机能的关系，从而阐明生命现象的本质，并把这些知识应用到社会实践和生产实践中去，以达到征服自然和改造自然的目的。2、生物化学研究的主要内容1）．生物体的物质组成、结构与功能：高等生物体主要由蛋白质、核酸、糖类、脂类以及水、无机盐等组成，通过对生物大分子结构的理解，揭示结构与功能之间的关系。2）．物质代谢与调控：物质代谢的基本过程主要包括三大步骤：消化、吸收→中间代谢→排泄。其中，中间代谢过程在细胞内进行的，是最为复杂的化学变化过程，它包括合成代谢，分解代谢，物质互变，代谢调控，能量代谢几方面的内容。3）．遗传信息的传递与表达：对生物体遗传与繁殖的分子机制的研究，也是现代生物化学与分子生物学研究的一个重要内容。4）.组织与器官机能生物化学：生命有机体是一个统一协调整体。二、生物化学的发展第一阶段从19世纪末到20世纪30年代，主要是静态的描述性阶段，对生物体各种组成成分进行分离、纯化、结构测定、合成及理化性质的研究。其中菲舍尔测定了很多糖和氨基酸的结构，确定了糖的构型，并指出蛋白质是以肽键连接的。1926年萨姆纳制得了脲酶结晶，并证明它是蛋白质。第二阶段约在20世纪30～50年代，主要特点是研究生物体内物质的变化，即代谢途径，所以称动态生化阶段。其间突出成就是确定了糖酵解、三羧3酸循环以及脂肪分解等重要的分解代谢途径。对呼吸、光合作用以及腺苷三磷酸(ATF)在能量转换中的关键位置有了较深入的认识。第三阶段是从20世纪50年代开始，主要特点是研究生物大分子的结构与功能。生物化学在这一阶段的发展，以及物理学、技术科学、微生物学、遗传学、细胞学等其他学科的渗透，产生了分子生物学，并成为生物化学的主体。三、生物化学与其它学科的关系19世纪以前人们主要是通过生物体内的化学变化来认识生物体的生理机能，直到二十世纪初才发展成为一门独立的新型学科。它是介于生物和化学之间的一门学科，它和有机化学、生理学、生物物理学和分子生物学等学科的关系极为密切。深入了解各种生物的生长、生殖、生理、遗传、衰老、疾病、生命起源和演化等理解，都需要用生物化学的原理和方法进行探讨。因此，生物化学是各门生物科学的基础，特别是生理学、微生物学、遗传学、细胞学等各科的基础，在分子生物学中占有特别重要的位置。若以不同的生物为对象，生物化学可分为动物生化、植物生化、微生物生化、昆虫生化、医学生化等；若以生物体的不同组织或过程为研究对象，则可分为肌肉生化、神经生化、免疫生化、生物力能学等；因研究的物质不同，又可分为蛋白质化学、核酸化学、脂化学、糖化学、酶学等分支；研究各种天然物质的化学称为生物有机化学；研究各种无机物的生物功能的学科则称为生物无机化学或无机生物化学。四、生物化学的应用与发展前景介绍生物化学在农业、工业、医药、食品等各个领域的应用。结合实例着重介绍在农业生产及科研中的应用。本世纪与生物化学有关的最重要的领域主要有以下几个方面：（1）生物大分子结构与功能的关系；（2）生物膜的结构与功能；（3）机体自身调控的分子机理；（4）生化技术的创新与发明；（5）功能基因组、蛋白质组、代谢组等；（6）分子育种与分子农业（工厂化农业）；（7）生物净化；（8）生物电子学；（9）生化药物；（10）生物能源的开发等。五、生物化学的学习方法在学习理论知识的同时，注意理论联系实际，重视实验教学，把握各学科间的交叉与联系。思考题：1、生物化学的概念及研究的内容。课后总结：本次课教学目的明确，基础知识准确，符合大纲要求。恰当地选择和运用教学方法，调动学生学习的积极性使学生对生物化学产生很大兴趣。学生反映很好。存在问题、改进措施：一些学生化学基础较差，需复习有关知识。4第二章蛋白质化学教学目的与要求1、掌握蛋白质的概念和化学组成；蛋白质的基本结构单位——氨基酸的分类及结构；蛋白质各级分子结构的内容和特点。2、熟悉氨基酸、蛋白质的理化性质及分离鉴定方法。3、了解蛋白质的分子结构与功能的关系。教学重点：蛋白质的分子结构、主要性质以及结构与功能的关系，蛋白质的几种二级结构、超二级结构与结构域。教学难点：蛋白质的几种二级结构、超二级结构与结构域。教学时数：8学时教学方法：讲授法，利用多媒体与传统方法的相结合。教学内容2.1蛋白质分类一、蛋白质的化学组成与分类1、元素组成碳50%、氢7%、氧23%、氮16%、硫0.3%微量的磷、铁、铜、碘、锌、钼凯氏定氮：平均含氮16%，粗蛋白质含量=蛋白氮×6.252、氨基酸组成氨基酸是蛋白质的基本组成单位，蛋白质主要由20种常见氨基酸组成，其中有8种人体不能合成的氨基酸必须由食物中获得，为人体必需氨基酸，评价蛋白质食品的营养价值主要要看它的必需氨基酸的含量。此外蛋白质中还有一些稀有氨基酸，如羟基脯氨酸、赖氨酸，甲基甘氨酸、赖氨酸等，他们都是主要氨基酸的衍生物，在一些特殊的蛋白及组织中发挥作用。二、蛋白质的分类1.根据生物学功能分：酶、抗体、运输蛋白、激素等蛋白质功能的多样性1、酶2、结构成分（结缔组织的胶原蛋白、血管和皮肤的弹性蛋白、膜蛋白）3、贮藏（卵清蛋白、种子蛋白）4、物质运输（血红蛋白、Na+K+ATPase、葡萄糖运输载体、脂蛋白、电子传递体）5、细胞运动（肌肉收缩的肌球蛋白、肌动蛋白）6、激素功能（胰岛素）7、防御（抗体、皮肤的角蛋白、血凝蛋白）8．接受、传递信息（受体蛋白，味觉蛋白）59．调节、控制细胞生长、分化、和遗传信息的表达（组蛋白、阻遏蛋白2.根据化学组成成分分类：简单蛋白：仅由aa构成结合蛋白：简单蛋白与其它生物分子的结合物。3.根据分子形状分类：球蛋白：长/宽≤3～4，血红蛋白纤维蛋白：长/宽10，血纤蛋白、丝蛋白膜蛋白质：生物膜组成2.2蛋白质的基本结构单位—氨基酸蛋白质的水解：蛋白质可以受酸、碱或酶的作用而水解成氨基酸。1、酸水解：用6MHCl或4MH2SO4，105℃回流20小时即可完全水解。酸水解不引起氨基酸的消旋，但色氨酸完全被破坏，丝氨酸和苏氨酸部分破坏，天冬酰胺和谷氨酰胺的酰胺基被水解。如样品含有杂质，在酸水解过程中常产生腐黑质，使水解液变黑。(用3mol/L对甲苯磺酸代替盐酸，得到色氨酸较多，可像丝氨酸和苏氨酸一样用外推法求其含量。)2、碱水解：用5MNaOH，水解10－20小时可水解完全。碱水解使氨基酸消旋，许多氨基酸被破坏，但色氨酸不被破坏。常用于测定色氨酸含量。(可加入淀粉以防止氧化。)3、酶水解：酶水解既不破坏氨基酸，也不引起消旋。但酶水解时间长，反应不完全。一般用于部分水解，若要完全水解，需要用多种酶协同作用。一、氨基酸的结构、分类1.氨基酸的结构特点：都有一个氨基和一个羧基且连在同一个碳原子上。两个例外：（1）脯氨酸和羟脯氨酸是α-亚氨基酸；（2）除甘氨酸没有手性碳原子外，没有旋光性，其他蛋白质氨基酸均属于L型。2.氨基酸的分类：（1）根据R基团的化学结构：脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸、杂环族氨基酸（2）根据R基团的酸碱性分为：中性氨基酸、酸性氨基酸、碱性氨基酸（3）根据R基团的带电性质分为：疏水性氨基酸、带电荷极性氨基酸、不带电荷的极性氨基酸。3.蛋白质中氨基酸的修饰：4－羟脯氨酸4.非蛋白质中的氨基酸：L-鸟氨酸、L－瓜氨酸不对称碳原子：是连接四个不同原子或基团的碳原子。旋光异构现象：当光波通过尼克棱镜时，由于棱镜的结构通过的只是沿某一平面振动的光波，其他都被遮断，这种光称为“平面偏振光”。当它通过具有眩光性质的某异构物溶液时，则偏振面会向右或向左旋转。“+”和“-”分别表示右旋和左旋。6二、氨基酸的性质氨基酸的化学性质取决于其分子中的羧基、氨基、侧链基团以及这些基团的相互影响。1、一般物理性质溶解度：水中溶解度差别较大，不溶于有机溶剂。光吸收性：可见光区无光吸收，紫外光区Phe、Thy、Trp有光吸收。旋光性：AA的物理常数，与结构、PH值有关。味感：不同味道(与构型有关).2、两性电离及等电点各类氨基酸的pI值范围：中性氨基酸的等电点一般在5.0~6.5之间，酸性氨基酸为2.7~3.2，碱性氨基酸为9.5~10.7。[思考题]为什么中性氨基酸的等电点不等于7？中性氨基酸的羧基的酸式电离略大于其氨基的碱式电离，因而溶液的pH值必须达到偏酸时，才能使其两种电离趋向恰好相等。3、化学性质：（1）与茚三酮的反应：Pro产生黄色物质，其它为蓝紫色。在570nm（蓝紫色）或440nm（黄色）定量测定（几μg）。反应后蓝紫色的深度或二氧化碳的体积可作为a-氨基酸定量分析的依据。肽类和蛋白质也有此反应。由于反应非常灵敏，是鉴定氨基酸、肽类和蛋白质最迅速而又简便的方法，广泛用于a-氨基酸、肽类和蛋白质的比色测定或纸层析与薄层层析的显色。（2）与甲醛的反应：氨基酸的甲醛滴定法（3）与2,4-二硝基氟苯(DNFB)的反应用于测定蛋白质或多肽N-端氨基酸的方法，称为二硝基苯法，简称为DNP法。利用此法不断降解蛋白质或多肽，反复用DNFB标记其氨基末端，就可确定蛋白质或多肽链中氨基酸的排列顺序。（4）与异硫氰酸苯酯（PITC）的反应在弱碱性条件下，氨基酸的a-氨基易于异硫氰酸酯（PITC）反应，生成苯胺基硫甲酰衍生物，后者在硝基甲烷中与酸作用而环化，生成苯乙内酰硫脲（PTH）衍生物。蛋白质多肽链N端氨基酸的a-氨基也可以与PITC发生上述反应生成OTH-肽，在酸性溶液中释放出末端的PTH-氨基酸和比原来少一个氨基酸残基的多肽链，所得的PTH-氨基酸用层析法坚定，即可确定肽链N端氨基酸的种类。根据此原理设计出的蛋白质顺序测定仪，大大提高了蛋白质测序的效率。（5）与亚硝酸反应：α-氨基酸与亚硝酸作用，可释放氮气。若定量测定反应中所释放出的N2的体积，即可计算出氨基酸的含量，此种方法称为vanSlyke氨基氮测定法，7常用于氨基酸和多肽的定量分析。（6）与荧光胺反应：根据荧光强度测定氨基酸含量（ng级）。激发波长λx=390nm，发射波长λm=475nm。（7）与5,5′-双硫基-双（2-硝基苯甲酸）反应：2.3肽一、肽键及肽肽键：一个氨基酸的—羧基与另一个氨基酸的—氨基缩合脱水而形成的酰胺键称为肽键。肽键是蛋白质分子中氨基酸之间的主要连接方式。肽：氨基酸通过肽键连接形成的化合物称为肽，2个氨基酸形成的肽称为二肽，10个以下称寡肽，10个以上称多肽，所以蛋白质的结构是多肽链结构。二、肽的命名及结构介绍肽的命名原则和表示方法及结构。含有游离的α—NH2基一端称氨基端，或N—末端，含有游离的α—羧基末端称羧基末端，或C—末端。三、天然存在的活性寡肽生物体中有许多游离的肽具有生理功能。（以谷胱甘肽为例介绍谷胱甘肽(glutathione)可命名为γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸。）2.4蛋白质的分子结构蛋白质的结构可分为四个层次来研究。一、蛋白质的一级结构（一）蛋白质一级结构（介绍蛋白质一级结构的概念）（二）蛋白质一级结构的测定（简单介绍蛋白质一级结构测定的策略，结合图介绍牛胰岛素和牛胰核糖核酸酶的一级结构）二、蛋白质的二级结构首先介绍基本概念：蛋白质的二级结构、构象，并将构象和构型两个概念加以比较。（一）肽键的几何学（介绍肽平面的3个特点）1.肽单位是一个刚