生物化学与分子生物学

生物化学与分子生物学BiochemistryandMolecularBiology生物化学与分子生物学教研室李强BiochemistrySeekstoExplainLifeinChemicalTerms生物化学（Biochemistry）是研究生命本质的科学。应用化学的理论技术及物理学、免疫学等原理和方法来研究生物体的化学组成、化学变化及其在生命活动中的作用的科学。分子生物学是研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的形态、结构特征及其重要性、规律性和相互关系的科学。分子生物学(molecularbiology)是生物化学的重要组成部分。生物化学的发展简史静态生物化学时期（二十世纪二十年代之前）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分子生物学时期（二十世纪五十年代以后）分子生物学的崛起及蓬勃发展，主要特点是研究生物大分子的结构与功能。动态生物化学时期（二十世纪前半叶）研究生物体内物质的变化即物质代谢途径及其动态平衡重要贡献:对脂类、糖类和氨基酸的性质进行了较为系统的研究发现了核酸化学合成了简单多肽酵母发酵过程中“可溶性催化剂”的发现，奠定了酶学基础重要成果营养学：发现了人类必需氨基酸、必需脂肪酸和多种维生素内分泌：发现了多种激素，并将其分离、合成酶学：酶结晶获得成功物质代谢：对生物体内主要物质的代谢途径已基本确定近年来生物化学的研究进展DNA双螺旋结构的提出重组DNA技术PCR、转基因(transgene)、基因剔除（geneknockout）等核酶(ribozyme)的发现人类基因组计划(humangenomeproject)后基因组研究（蛋白质组学proteomics）1985年5月，加州大学校长Robert提出测定人类基因组全序列1986年3月，诺贝尔奖获得者Dulbecco首次提出人类基因组计划的概念1990年10月，正式启动人类基因组计划1999年7月，中国科学院遗传研究所承担了1%的测序工作2000年6月，全部基因的测序工作完成2001年2月，人类基因组图谱完成我国生物化学的发展公元前已有运用生物化学知识和技术的先例吴宪创立了血滤液和血糖测定法1965年首先合成了具有生物活性的胰岛素1981年成功合成了酵母丙氨酰tRNA近年来，在基因工程、蛋白质工程、人类基因组计划以及新基因的克隆和功能研究取得了重要成果生物化学研究的主要内容•生物分子的结构与功能核酸、蛋白质分子的结构及其与功能间的关系•物质代谢及其调节代谢途径及其调节的分子机制•基因信息传递及其调控基因信息传递过程的机制及基因表达时空调控的规律信号转导与基因工程二十一世纪是现代生物科学的世纪生物科学是当代自然科学中发展最迅速、对人类的生存和自身发展影响最大的学科领域之一。统计美国“科学引文索引（SCI）”收录的4500余种学术刊物，发现有2350种左右为生物科学相关杂志！统计全世界引用指数（Impactfactor）在10以上的超一流学术刊物，也发现80%左右（97年48种刊物中有38种）是生物科学相关刊物。学科杂志总数10平均引用指数30杂志数总论317.80化学211.80物理522.02数学118.20生物3819.17下面让我们来看一看从1910年到现在分子生物学史上的一些情况。1910年，德国科学家Kossel获得了诺贝尔生理医学奖，他首先分离出腺嘌呤、胸腺嘧啶、和组氨酸。1959年，Uchoa发现了细菌的多核苷酸磷酸化酶，成功地合成了核糖核酸，研究并重建了将基因内的遗传信息通过RNA中间体翻译成蛋白质的过程。而Kornberg则实现了DNA分子在细菌细胞和试管内的复制。他们共同分享了当年的诺贝尔生理医学奖。1962年，Watson和Crick因为在1953年提出了DNA的反向平行双螺旋模型而与Wilkins共享诺贝尔生理医学奖，后者通过对DNA分子的X射线衍射研究证实了Watson和Crick的DNA模型。1965年，Jacob和Monod由于提出并证实了操纵子作为调节细菌代谢的分子机制而获得了诺贝尔生理医学奖。同时他们还预言了mRNA分子的的存在。1969年Nirenberg由于在破译DNA遗传密码方面的贡献，与Holly和Khorana等人分享了诺贝尔生理医学奖。Holly的主要功绩在于阐明了酵母丙氨酸tRNA的核苷酸序列，并证实所有tRNA具有结构上的相似性，而Khorana第一个合成了核酸分子，并且人工复制了酵母基因。1975年，Temin和Baltimire由于发现在RNA肿瘤病毒中存在以RNA为模板，逆转录生成DNA的逆转录酶而共享诺贝尔生理医学奖。1980年，Sanger因设计出一种测定DNA分子内核苷酸序列的方法而获得了诺贝尔生理医学奖。DNA序列分析法至今仍被广泛应用，是分子生物学最重要的研究手段之一。1984年，Kohler、Milstein和Jerne由于发展了单克隆抗体技术，完善了极微量蛋白质的检测技术而分享了诺贝尔生理医学奖。1988年，McClintock由于在20世纪50年代提出并发展了可移动的遗传因子而获得诺贝尔生理医学奖。1989年，Altman和Cech由于发现某些RNA具有酶的功能（称为核酶）而共享诺贝尔化学奖。Bishop和Varmus由于发现正常的细胞同样带有原癌基因而分享当年的诺贝尔生理医学奖。1993年，Roberts和Sharp由于在断裂基因方面的工作而荣获诺贝尔生理医学奖。Mullis由于发明PCR仪而与第一个设计基因定点突变的Smith共享诺贝尔化学奖。1994年，Gilman和Rodbell由于发现了G蛋白在细胞内信息传导中的作用而分享诺贝尔生理医学奖。1995年，Lewis、Nusslei-Volhard和Wieschaus由于在20世纪40~70年代先后独立鉴定了控制果蝇体节发育基因而分享诺贝尔生理医学奖。生物化学与医学的关系：密切相关、相互促进临床医学的发展也要经常运用生物化学的理论和方法诊断、治疗和预防疾病，而且许多疾病的发生机理也需要从分子水平上加以探讨。生物化学生理学药理学免疫学遗传学病理学生物化学对现在及未来医学的影响对疾病机理的认识深入到分子水平改变现有的医生看病模式诊断技术的更新治疗方法的突破给未来的器官移植带来福音流行病防治将有大改观基因保健品和基因化妆品将被广泛应用药物基因组学将成为药物开发的主战场延长人类寿命第二章蛋白质的结构与功能StructureandFunctionofProtein蛋白质在生命过程中具有重要作用几乎一切生命现象都要通过蛋白质的结构与功能而体现出来调节蛋白调节代谢活动结构和支持作用结构蛋白转运功能转运蛋白贮存蛋白贮存功能收缩蛋白机体的运动酶催化作用蛋白质是生命现象的物质基础之一蛋白质是机体内含量最丰富的高分子物质了解蛋白质的结构和功能，是探求生命奥秘过程中最基本的任务本章要点蛋白质的组成：元素、基本单位蛋白质的结构：结构层次蛋白质结构与功能的关系蛋白质的理化性质及分离纯化第一节、蛋白质的分子组成组成蛋白质的基本元素碳：50～55%氢：6%～7%氧：19%～24%氮：13%～19%硫：0～4%有的还含磷，少数含铁、铜、锌、锰、钴、钼等蛋白质平均含氮量16%，比较接近由样品中的氮元素含量推算蛋白质含量：每克样品中含氮克数×6.25×100=100克样品中蛋白质含量(克%)100克样品中蛋白质含量(克%)*16%=每克样品中含氮克数*100一、组成蛋白质的基本单位——氨基酸（aminoacid）（一）氨基酸的结构通式：αα1.非极性氨基酸：7种，包括5种脂肪族氨基酸、苯丙氨酸、一般脯氨酸也列入此类。它们的R基团具有疏水性，不易溶于水。一般说来其侧链越大，疏水作用也越强。（二）氨基酸的分类2.极性氨基酸：8种，包括3种含羟基氨基酸（酪氨酸、丝氨酸和苏氨酸）、色氨酸和蛋氨酸、2种酰胺氨基酸、和半胱氨酸。它们的R基团有极性，但不解离，或仅极弱地解离，有亲水性。半胱氨酸和酪氨酸的侧链极性最强。3.碱性氨基酸：共3种，有精氨酸、赖氨酸和组氨酸。R基团有极性，且解离，在中性溶液中显碱性，亲水性强。4.酸性氨基酸：共2种，有天冬氨酸和谷氨酸。R基团有极性，且解离，在中性溶液中显酸性，亲水性强。稀有氨基酸(常见氨基酸的衍生物）OHHCCH2H2NCH2CHCH2CH2CHCOOHHCCH2COOHOHNH2NH4-羟基脯氨酸5-羟赖氨酸非蛋白质氨基酸如：D-谷氨酸、D-苯丙氨酸等（三）氨基酸的理化性质等电点（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称为该氨基酸的等电点。两性解离及等电点(isoelectricpoint)等电点计算公式：pI=1/2（pk1+pk2）Pk1和pk2分别为-羧基和-氨基的解离常数的负对数多个解离基团的等电点计算：pI=1/2（pkR+pk2）其他性质紫外吸收色氨酸、酪氨酸含有苯环共轭双键，在紫外光区280nm具有最大吸收峰*茚三酮反应常用于氨基酸的定性、定量分析二、肽肽和肽键肽(peptide)：一分子氨基酸的氨基和另一分子氨基酸的羧基脱水缩合生成的化合物肽键(peptidebond)：一分子氨基酸的氨基和另一分子氨基酸的羧基脱水缩合生成的酰氨键肽键平面图1-7、肽键平面二肽、三肽……寡肽(oligopeptide)（10），多肽(polypeptide)氨基酸残基(residue)、氨基末端(aminoterminal)（N末端）、羧基末端(carboxylterminal)（C末端）蛋白质和多肽在分子量上很难划出明确界限常见的生物活性肽谷胱甘肽（glutathione,GSH）：机体内重要的还原剂多肽类激素催产素（9肽）、加压素（9肽）、促肾上腺皮质激素（39肽）、促甲状腺释放激素（3肽）神经肽(neuropeptide)：在神经传导过程中起信号转导作用脑啡肽（5肽）、内啡肽（31肽）、强啡肽（17肽）等三、蛋白质的分类蛋白质类别举例非蛋白成分（辅基）单纯蛋白质血清蛋白，球蛋白无核蛋白病毒核蛋白，染色体蛋白核酸糖蛋白免疫球蛋白、粘蛋白，蛋白多糖糖类脂蛋白乳糜微粒、低密度脂蛋白、极度密度脂蛋白、高密度脂蛋白各种脂类磷蛋白酪蛋白、卵黄磷酸蛋白磷酸色素蛋白血红蛋白、黄素蛋白色素金属蛋白铁蛋白、铜兰蛋白金属离子结合蛋白质结合蛋白质=蛋白质+辅基根据形状分类：球状蛋白质：分子接近球形，如血红蛋白、肌红蛋白纤维状蛋白质：分子类似纤维，如胶原蛋白、弹性蛋白第二节蛋白质的分子结构一级结构二级结构三级结构四级结构空间结构(conformation)一、蛋白质的一级结构(primarystructure)定义：蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。HumanInsulinAminoAcidSequenceMALWMRLLPLLALLALWGPDPAAAFVNQHLCGSHLVEALYLVCGERGFFYTPKTRREAEDLQVGQVELGGGPGAGSLQPLALEGSLQKRGIVEQCCTSICSLYQLENYCN二、蛋白质的二级结构(secondarystructure)是肽链中各主链原子在各局部空间的排列分布状况，不涉及R侧链的空间排布。主要靠H-键维系结构定义：蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构。（一）肽单元与肽键平面肽单元(peptideunit)：参与肽键的6个原子——Cα1，C，O，N，H，Cα2位于同一平面上，Cα1、Cα2在平面上所处的位置为反式，此同一平面上的6个原子构成了一个肽单元，这个平面叫做肽键平面。肽键平面是构成主链构象的基本单位。以肽键平面为基本单位的旋转就是肽链折叠、盘旋的基础。（二）二级结构中的主要构象形式稳定二级结构的主要作用力为氢键1、α-螺旋(α-helix)多肽链的主链围绕中心轴上升，呈有规律的右手螺旋。要点：αC原子的旋转3.6氨基酸/圈、螺距为5.4A°，