浙大生物化学课件：1绪论&2蛋白质1

生物化学浙江大学生命科学学院江辉生物化学的特点21世纪发展最快的学科（Science、Nature、PNAS中生命学科文章占大多数，其中大部分与生物化学有关）以化学（尤其是有机化学）理论为基础生物分子间的作用力体系离子键氢键范德华力疏水相互作用提纲1、绪论（1课时）2、蛋白质（5课时）3、酶（5课时）4、维生素（1课时）5、核酸（3课时）6、激素（1课时）7、生物膜（3课时）8、生物能学（1课时）9、生物氧化（3课时）10、代谢总论（1课时）11、糖代谢（8课时）12、脂代谢（6课时）13、氨基酸代谢（4课时）14、核苷酸代谢（4课时）15、DNA复制（4课时）16、RNA转录（4课时）17、蛋白质翻译（4课时）学生演讲（4课时）复习答疑（2课时）第一章绪论生物化学（Biochemistry）：成千上万不同的无生命的生物分子怎样产生有生命的有机体。在分子水平探讨生命的本质。生物化学的主要内容1、研究生物分子的结构及功能大分子：蛋白质、核酸、多糖等小分子：脂类、糖、次级代谢产物等2、新陈代谢及其调节物质变化能量变化3、遗传信息的贮存、传递、表达及调控（分子生物学）生物化学简史18世纪，舍勒发现柠檬酸、苹果酸等生物中间代谢产物；19世纪，李比希首创大学化学实验的教学，提出新陈代谢；19世纪，霍佩-赛勒建成独立的生物化学学科，并提出“Biochemie”和“蛋白质”一词；1902~1907年，德国埃·费歇证明蛋白质由氨基酸组成；1909年，丹麦威约翰逊在《精密遗传学原理》一书中首次提出基因是遗传单位的概念；1912年，波兰的丰克分离出维生素B结晶，首次提出维生素的概念；1925年，英国凯林发现细胞色素，并指出生物氧化过程中的电子传递作用；1926年，美国萨姆纳首次制成尿素酶，开辟了酶化学的研究；1929年，美籍俄国人勒温发现核酸中的核糖和脱氧核糖；1937年，英籍德国人克勒勃斯发现三羧酸循环；1941年，德国李普曼发现ATP高能键在代谢过程中的作用；1953年，美国华特森和英国克里克根据DNA的X光衍射资料，提出DNA双螺旋结构模型；1954年，美籍俄国人伽莫夫首次提出一个核苷酸编成一个遗传密码的“三联密码说”；1955~1956年，美籍西班牙人奥巧阿和美国孔勃首次用酶促法人工合成核糖核酸RNA和DNA；人类基因组计划（humangenomeproject）：美国政府1990年10月正式启动，英法德日中参与，耗资30亿美元，旨在找到46条染色体上30亿个碱基对约10万个基因的准确序列，破译人类全部遗传信息。是生命科学领域有史以来最宠大的全球性研究计划，“生命登月计划”。2000年6月26日，克林顿亲自在白宫发表了人类基因密码组合草图。基因组——转录组——蛋白组——代谢组——？人类基因组计划之二（商业）：后发先至，1998年5月11日，世界上最大的测序仪生产商美国PEBiosystems公司，以300台最新毛细管自动测序仪（ABI3700）和3亿美元资金，成立了CeleraGenomics公司，以“霰弹法测序策略”完成人类基因组测序，声称要专利200～400个重要基因，并将所有序列信息保密3个月。就在六国共同宣布工作框架图构建完成的同一天，Celera公司宣称已组装出了完整的人类遗传密码。中国近代生物化学的发展1965年，由中科院上海生化所、北京大学化学系及中科院上海有机所人工合成了结晶牛胰岛素。1981年中科院上海生化所、中科院上海细胞所、中科院上海有机所、中科院生物物理所、北京大学成功合成了酵母丙氨酸转运核糖核酸。1985年中国完成天花粉蛋白全部结构的测定工作。上世纪末我国参与了人类基因组计划。生物分子的特点以碳原子为骨架手性方向性信息性生物分子的作用力体系离子键（盐键）氢键范德华力疏水相互作用第二章蛋白质化学第一节通论第二节氨基酸和多肽第三节蛋白质的结构第四节蛋白质结构与功能的关系第五节蛋白质的分离纯化与表征第一节通论一、蛋白质的元素组成碳、氢、氧，还有氮和少量硫等C50~55%H6~7%O19~24%N13~19%S0~4%凯氏定氮法理论依据：各种蛋白质含氮量接近，平均为16%，1克氮相当于6.25克蛋白质。有些蛋白质还含有P、Fe、Cu、Mn、Zn、Se等。凯氏定氮法1.有机物中氮在强热、CuSO4、浓H2SO4作用下生成(NH4)2SO4H2SO4→SO2+H2O+[O]R.CH(NH2).COOH+[O]→R.CO.COOH+NH32NH3+H2SO4→(NH4)2SO42.在凯氏定氮器中与碱作用释放NH3，收集于H3BO3溶液中2NH4++OH-→NH3+H2ONH3+H3BO3→NH4++H2BO3-3.用已知浓度的HCl标准溶液滴定NH3含量。H2BO3-+H+→H3BO3缺陷：其它含氮有机化合物也会被检测出毒奶粉事件二、蛋白质的分类按组成分类:单纯蛋白质：如血清清蛋白结合蛋白质：色蛋白：色素，如血红素金属蛋白：金属离子，铁、锌等磷蛋白：磷酸，一般在丝氨酸或者苏氨酸侧链核蛋白：核酸脂蛋白：脂类糖蛋白：糖基按分子形状分类：纤维状蛋白质：分子构象呈纤维形，长/短轴之比大于10，多为结构蛋白，难溶于水。球状蛋白质：近似球形或椭圆形，多数可溶于水或盐溶液。按溶解度分类：清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶谷蛋白、硬蛋白、组蛋白、精蛋白第二节氨基酸和多肽一、氨基酸及其分类1）标准氨基酸（常见氨基酸）：是组成蛋白质的原始构件，未经化学修饰，具有相应的遗传密码子编码。组成蛋白质的20种氨基酸均为L-α-氨基酸12α化学：碳原子编号生化：碳原子编号氨基酸的旋光性和构型化学：R构型、S构型生化：D构型、L构型D－甘油醛L－丙氨酸D－丙氨酸L－甘油醛氨基酸按侧链R的理化性质分为4类非极性氨基酸极性但不带电荷氨基酸带正电荷氨基酸（碱性氨基酸）带负电荷氨基酸（酸性氨基酸）非极性氨基酸甘氨酸GlyG丙氨酸AlaA缬氨酸ValV亮氨酸LeuL异亮氨酸IleI甲硫氨酸MetM苯丙氨酸PheF色氨酸TrpW脯氨酸ProP极性但不带电荷氨基酸丝氨酸SerS苏氨酸ThrT半胱氨酸CysC酪氨酸TyrY天冬酰胺AspN谷氨酰胺GlnQ带正电荷氨基酸（碱性氨基酸）赖氨酸LysK精氨酸ArgA组氨酸HisH带负电荷氨基酸（酸性氨基酸）天冬氨酸AspD谷氨酸GluE丙氨酸精氨酸天冬酰胺天冬氨酸半胱氨酸谷氨酸谷氨酰胺甘氨酸组氨酸异亮氨酸亮氨酸赖氨酸甲硫氨酸苯丙氨酸脯氨酸丝氨酸苏氨酸色氨酸酪氨酸缬氨酸2）非标准氨基酸（稀有氨基酸）由“标准氨基酸”修饰而来是“标准氨基酸”的代谢产物：组胺，多巴胺，γ-氨基丁酸是某些代谢途径的中间产物3）非核糖体肽中氨基酸（次级代谢产物）HNHNNHNHHNNHHOOCOOOOHOHCOOHNHOOOOHOOCONHNH2OHNONHHNNHHNOOOHOOCNHOOH2NONH2TrpD-AsnAspKynThr3-MeGluD-SerGlyGlyAspD-AlaAspOrn人体必需氨基酸有八种：MetTrpLysValIleLeuPheThr“假设来借一两本书”脯氨酸为亚氨基酸。半胱氨酸（Cys）常以胱氨酸的形式存在-OOCHCNH3+CH2SH+COO-HCNH3+CH2HS-OOCHCNH3+CH2SCOO-HCNH3+CH2S二、氨基酸的理化性质HCNH2COOHRCHCOOHRNH21）氨基酸的旋光性除甘氨酸外，其余氨基酸的α-碳原子为不对称碳原子，L型：氨基在左边D型：氨基在右边L-α-氨基酸D-α-氨基酸它们互为光学异构体。此外，苏氨酸、异亮氨酸、羟脯氨酸和羟赖氨酸等还有一个不对称碳原子，所以可存在4种光学异构体。2）氨基酸的酸碱性质氨基酸的两性电离性质：在生理状态下，-氨基酸的羧基可以作为一种酸释放H＋，氨基可以作为碱接受H＋。a）氨基酸的兼性离子形式：偶极离子形式的氨基酸是强极性分子，这就增加了水的介电常数。非离子形式两性离子形式b）氨基酸的两性解离酸与碱的关系：HA（酸）←→A-（碱）+H+（质子）酸是质子（H+）的供体，碱是质子的受体。氨基酸在水中的偶极离子既起酸（质子供体）的作用，也起碱（质子受体）的作用，因此是一类两性电解质。氨基酸的酸碱滴定c）氨基酸的等电点在不同的pH条件下，氨基酸两性离子的形式会发生变化。OH-H+等电点（isoelectricpoint，pI)：氨基酸分子所带净电荷为0时的溶液的pH。氨基酸等电点的计算（P133-134）三、氨基酸的化学反应RHCCOOHNH2+HNO2RHCCOOHH++N2H2O1）α-氨基参加的反应a）与亚硝酸反应：生成氮气可根据氮气体积，进行氨基酸定量和蛋白质水解程度的测定（生成的氮气只有一半来自氨基酸）b）甲醛滴定HCRNH3+COO-H+HCRNH2COO-HCHOHCRNHCH2OHCOO-HCRN(CH2OH)2COO-HCHOc）二硝基氟苯反应（Sanger反应）可用来鉴定N-末端氨基酸DNFBAminoacid(AA)DNP-AAO2NNO2F+HCH2NRCOOHO2NNO2HNHCCOOHR+HFd）异硫氰酸苯酯反应（Edman反应）用于蛋白质N端测序PITCAAPTC-AAPTHderivativeN+HCH2NRCOOHCSNHCNHSCRCHOOHNCNHSCRCHOH+e）与酰化试剂反应：氨基被酰基化R'COClNH2CHRCOOHR'CNHOCHRCOOH++HCl酰化试剂可被用作氨基的保护剂f）形成西佛碱反应：氨基与醛类反应形成弱碱某些酶促反应的中间产物（如转氨基反应）HCCOOH+RNR'CHOR'CHHCCOOHRH2N-H2O+H2O2）α-羧基参加的反应a）成盐和成酯反应：与碱作用生成盐；与醇反应生成酯RHCCOOHNH2+C2H5OHHClRHCCOOC2H5NH3+Cl-+H2Ob）成酰氯反应RCHNHR'C+PCl5RCHNHR'COClOOHPOCl3HCl++可使羧基活化，易与另一氨基酸的氨基结合，在人工多肽合成中使用。3）α-氨基和α-羧基共同参加的反应a）茚三酮反应CO2NH2RCHO++++CCCOOHOHH2NCHCOOHRCCCOOOHOH+2NH3CCCOOCCCOO-NH4+NH2O2++CCCOOOCCCOOHHOCCCOOOCCCOOOHOHH2OH2ONH3紫色用于氨基酸的检测b）成肽反应：四、氨基酸的分离与分析1）纸层析固定相：滤纸纤维素上吸附的水流动相：展层用的溶剂根据各种氨基酸在两个溶剂系统中具有不同的分配系数分开。2）离子交换层析固定相：阳离子交换树脂或阴离子交换树脂流动相：洗脱液根据各种氨基酸不同的等电点、pK值，逐步改变洗脱液的pH和盐浓度（离子强度），可将各种氨基酸以不同速度洗脱下来。五、多肽肽链中氨基酸残基按一定的顺序排列，称为氨基酸顺序。多肽链的一端含有一个游离的-氨基，称为氨基端或N-端；另一端含有一个游离的-羧基，称为羧基端或C-端。氨基酸的顺序是从N-端的氨基酸残基开始，以C-端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为：Ser-Gly-Tyr-Ala-Val或者SGYAV寡肽（oligopeptide）多肽（polypeptide）蛋白质（protein）重要的多肽谷胱甘肽glutathione（GSH）还原性GSH氧化性GSH[O][H]肽链的水解酸水解：常用6M的盐酸或4M的硫酸在105-110ºC条件下进行水解，反应时间约20小时。优点：不容易引起水解产物的消旋化缺点：色氨酸被完全破坏；含有羟基的氨基酸如丝氨酸或苏氨酸有一小部分被分解；天冬酰胺和谷氨酰胺侧链的酰胺基被水解成了羧基。碱水解：一般用5M氢氧化钠煮沸10-20小时。优点:色氨酸在水解中不受破坏。缺点:许多氨基酸都受到不同程度的破坏，产率不高；部分的水解产物发生消旋化。酶解：应用酶水解多肽不会破坏氨基