南昌大学生物化学生化教案.doc

南昌大学研究生院教学档案（专题型教案）课程名称：生物化学参考教材：生物化学（上、下册），第三版 沈同、王镜岩编，高等教育出版社第一专题绪 言教学基本要求:使学生了解生物化学的发展史，掌握生物化学的定义、研究内容及学习方法；理解生物化学与其他学科的关系，认识学习生物化学的重要意义；了解生物化学知识在生活中的广泛应用，激发学生学习生物化学的兴趣。 课时分配:1-2学时教学内容：一、生物化学的概念与研究内容生物化学（Biochemistry）是用化学的原理和手段研究生命现象，并阐述因果关系的一门边缘学科。生物化学也称生物的化学（Biological chemistry）或生理的化学（physiologcal chemistry）。生物化学的研究对象是生物体，包括植物、动物和微生物。（1）生物体重要化学组分，尤其是糖、脂、蛋白质和核酸生物大分子结构、性质和功能。（2）生物体内的物质代谢、能量代谢及调节方式。（3）生物体遗传信息传递与表达。（一）生物体重要化学组分，尤其是糖、脂、蛋白质和核酸生物大分子结构、性质和功能大量元素：C、H、O、N、P、S、Cl、Mg、K、Na、Ca(生物体组成的99%以上)。微量元素：Fe、Cu、Zn、Mo、Mn、Co、Si、Se、I、Al、B等元素所组成。这些元素通常又以碳为中心形成各种化合物，参与生物体的建成。碳氢化合物主要包括以下五种形式：（1）氨基酸以及由其构成的肽、蛋白质。（2）核苷酸、核酸。（3）糖类及其衍生物。（4）脂类及其衍生物。（5）维生素、激素及其它小分子有机物。其中，糖类、脂类、蛋白质、核酸四类化合物只存在于生物体内，分子量也很大，因此这些化合物又称为生物大分子（Biological macromolecue)。（二）生物体内的物质代谢、能量代谢及调节生物体区别于非生命物体的一个最主要特征就是具有新陈代谢作用，即生物体与其外界环境之间不断的物质的和能量的交换过程。同化作用异化作用这部分内容主要包括：糖代谢、脂代谢、蛋白质代谢和核酸代谢、生物氧化和代谢调节六专题。（三）生物体遗传信息传递与表达生物体区别于非生物物体的另一个重要特征就是具有自我复制的能力，即以自身为模板复制出与自身相同的后代的能力也即繁殖作用。本质是遗传信息在生物体亲子代间的传递作用。生物化学按其研究内容的不同又可以划分为：静态生物化学（有机生物化学）代谢生物化学（动态生物化学）功能生物化学（机能生物化学） （四）生命物质的基本特征生命是物质的一种特殊存在形式，生命物质具有一系列基本特征。（1）生物体内的化学反应遵循普通物理化学规律。（2）生物功能分子的结构、理化性质及功能之间具有明显的相互依存关系。（3）细胞是生命活动的基本结构和功能单位，一切重要功能分子都有明确的细胞定位。（4）生命是“一致性与差异性”的统一体 1）不同生物体内的各类有机大分子均由相同的单体构成。 2）不同生物体内各类有机大分子的代谢均按照相同的方式进行。 3）所有生物体均以核酸为遗传信息载体，并共用一套遗传密码。二、生物化学发展简史生物化学和其他自然科学一样，他的产生和发展主要是由生产实践和科学研究的需要所决定。早期生物化学发展的动力主要来自于医药学及发酵业的兴起。在西方，十七、十八世纪工业革命的兴起对生物化学的发展也起着重大的推动作用。生物化学作为一门科学，他的发展大体上可以分成三个阶段。20世纪之前20世纪初至50年代20世纪50年代以后20世纪之前，本时期是静态生物化学迅速兴起的时期，主要研究生物体的化学组成成分的种类、结构、含量、分布。整体上属于描述性的，在此时期出现了许多奠基性的重要发现。1770-1774年 Priestely发现O2，并证明动物消耗O2，植物产生O2。1776-1778年Scheele（舍勒）通过对许多天然药物化学成分的分析，首次分离得到了乳酸、酒石酸、苹果酸、尿酸、甘油等一系列天然有机物。1779-1796年 Ingen-Housz证明绿色植物产生O2需要光，并证明绿色植物可利用CO2。1780-1789年Lavoisier（拉瓦锡），法国的一位生物化学家，第一次发现动物的呼吸作用本质就是氧化作用，它和蜡烛的燃烧作用一样，都是碳氢化合物的氧化反应，并首先认识到乙醇的形成是一系列化学反应的结果。1854-1864年L.Pasteur证明发酵是由于微生物活动的结果，推翻了自生论。1864年Hoppe-seyler结晶出第一种蛋白质血红蛋白。1869年Miescher发现核酸。1877年Hoppe-seyler首次提出Biochemie，译成英语是Biochemistry或Biological chemistry将生理化学改为生物化学，使生物化学从生理学中分离出来，成为一门独立的学科。Hoppe-seyler还首创Proteids译成英语即Protein，他还创办了世界上第一本生物化学方面的杂志生理化学杂志。因此， Hoppe-seyler是生物化学的创始人之一。20世纪初期至50年代 该时期是新陈代谢过程研究的全盛时期，由于酶、激素、维生素等活性物质的发现及分离提取，使生物化学家的研究兴趣从此从静态转到到了动态，导致了许多新的代谢过程的被发现，现在人们所知的许多代谢过程都是在那个时期研究清楚的。 1905年，Knoop提出了脂肪酸的-氧化。1912年，Nuberg提出了生醇发酵的化学过程。1933年，Embden-Myerhof证明糖酵解及发酵化学历程中的关键性中间物。1937-1940年，Krebs提出了三羧酸循环的假设等。20世纪50年代以后 这个时期是生物大分子结构与功能研究突飞猛进的时期，许多与此有关的重要成果都是在这个时期取得的。1950年Pauling和Corey在X-光衍射实验的基础上提出了蛋白质的二级模型学说。1953年Sanger完成了世界上第一个天然蛋白质分子牛胰岛素51个氨基酸序列的分析。同年，Watson和Crick在M.H.F.Wilkins X-光衍射图谱研究的基础上提出了著名的DNA双螺旋结构模型，由于此贡献这三人分别获得了1962年度的诺贝尔生理医学奖1960年，Kendrew获得了高分辨率的鲸鱼血红蛋白结构X-光衍射分析。1961年，Jacob、Monod提出了操纵子学说，并假设了mRNA的功能，获得1965年度的诺贝尔生理医学奖。1965年，Holly测定了酵母丙氨酸tRNA的一级结构，获得了1968年度诺贝尔生理医学奖。1965年，我国首次在世界上用人工的方法合成了具有天然活性的结晶牛胰岛。1973年，使用0.18um X-光衍射分析法测定了牛胰岛素的空间结构。1975年，Dulbecco Temin和Baltimore在劳氏肉瘤病毒中发现逆转录现象，共享诺贝尔生理医学奖。1980年，Sanger发明DNA双脱氧测序法，与Gilbert和Berg共享诺贝尔生理医学奖。1981年，中国上海生物化学研究所的科学工作者人工全成了具有完全生物活性的酵母丙氨酸tRNA。1989年，Altman和Cech由于发现某些RNA具有催化作用（核酶），获诺贝尔化学奖。1993年，Robert和Sharp由于发现断裂基因，诺贝尔生理医学奖。Mullis因发明PCR仪与第一个设计基因突变的Smith共享诺贝尔化学奖。1997年，Prusiner由于发现早老性痴呆症的病因朊病毒，诺贝尔生理医学奖。1990年10月：被誉为生命科学“阿波罗登月计划”的人类基因组计划（Human Genome Project,HGP）启动。项目目标是了解人类自身，操纵生命。1998年5月，美国科学家建塞莱拉遗传公司，目标是投入3亿美元，到2001年绘制出完整的人体基因组图谱，与国际人类基因组计划展开竞争。2000年6月26日，科学家公布人类基因组工作草图。 2001年7月，国际人类基因组计划的科学家和美国塞莱拉公司分别宣布将绘制人类基因变异图谱。1999年7月，中国科学院遗传所人类基因组中心，在国际人类基因组HGSI注册，承担了其中1%，即3号染色体上3000万个碱基的测序任务，使我国成为继美、英、德、日、法之后第六个参与该计划的国家，也是唯一的发展中国家。2002年4月3日，中国科学家公布水稻基因组工作草图，水稻基因组有4亿3千万个碱基对（约为人的基因组的1/8），12对染色体，50，000个基因，我国科学工作者承担测序的是4号染色体，36 Mb(占8%)。继2001年，人类基因组计划，小鼠、大鼠、水稻、拟南芥等模式生物基因组计划的完成,生物学研究了进入后基因组时代。比较基因组学(comparative genomics)功能基因组学(functional genomics)蛋白质组学（proteomics）RNA组学(RNomics)代谢组学（metabonomics）三、生物化学与工农业生产关系 （一）生物化学与工业生产的关系 发酵工业是利用微生物的生命活动，生产人类所需产品的工艺过程。由于原料的投入到产品的形成都是人工控制的条件下，通过微生物的新陈代谢来实现的。在工业发酵过程中，人们之所以能够获得多种多样的产品，关键就是微生物代谢的多样性、工艺条件的不同性，因此生物化学知识对发酵工业来讲是非常重要，它是阐明工业发酵机理、选择合理工艺条件、指导微生物菌种的选育等都有重要意义。 （二）生物化学与农业的关系 生物化学对农业生产也有很大使用意义，如弄清楚植物的新陈代谢规律，我们就可以控制植物的发育，摸清蛋白质、糖、脂等的生物合成规律，我们就可以控制一定的条件，获得更多、更优质的农产品。在现代品质育种中，也有许多只有通过生化技术才能办到的工作，如农作物育种亲本的选择，各种重要成分的测定、许多遗传性状如抗旱型、耐寒性、高产性的鉴定等都可以用生物化学方法来实现。 （三）生物化学与医学的关系生物化学对于医学研究有极其重要意义，集中体现在四个方面：一是阐明疾病发生机理，二是提供临床生化检验和诊断方法，三是寻找治疗方法，四是为新药设计提供理论依据等。生物化学对营养学也很重要，如为人类提供合适营养是保证人体健康的重要保证，而各种营养成分的比例如何，功能如何，过多过少会有什么问题等等都可以从生物化学中找到答案。因此，有人说营养学是生物化学的对人类的一个重要贡献，我觉得这一点也不夸张。 四、生物化学学习中应该注意的几个问题1.善于记忆、勤于思考 学习心理学理论认为，学习可以分成为4个不同的层次，即记住、理解、活用和创新。 2.坚持用辨证统一的观点和唯物辩证的观点学习和分析生物化学问题。 3.要学会从生物进化和生物体整体观点看待生物化学问题。 4.学以致用的原则，理论学习与实践技能学习并重的原则。思考题1什么是生物化学？它的研究对象及主要研究内容是什么？ 2生物化学的发展大体上经历了哪三个重要阶段？各个阶段的研究重点是什么？ 3生物化学与工农业生产有何重要联系？参考书基础生物化学白宝璋等编，延边大学出版社出版生物化学王镜岩 等译，科学出版社出版Principles of Biochemistry(ebook)Molecular cell of biology(ebook) 生物化学专业网站1.生物软件网 http:/www.bio-soft.net/2.免疫学信息网http:/www.immuneweb.com3.DNA from the Beginning http:/www.dnaftb.org/dnaftb/4.BioChemLinks: Biology, Chemistry, and Biochemistry Educationhttp:/biochemlinks.com/bclinks/bclinks.cfm5.PDB files for teaching biochemistry http:/chemistry.gsu.edu/glactone/PDB/6.Biochemistry Teachers http:/www.usm.maine.edu/rhodes/GRHome Page.html7.Access Excellence http:/www.accessexcellence.org/8.Graphics Gallery http:/www.accessexcellence.org/AB/GG/9.生物化学步进教程 http:/ www.dlc.xjtu.edu.cn/第二专题 蛋白质化学教学基本要求：掌握蛋白质的化学组成、基本结构特点以及结构和功能的关系，熟悉蛋白质和氨基酸重要的理化性质，了解蛋白质的分类和分离纯化的手段。课时安排： 56学时教学内容：一、蛋白质是生命的表征，哪里有生命活动哪里就有蛋白质1.酶：作为酶的化学本质，温和、快速、专一，任何生命活动之必须，酶的另一化学本质是RNA，不过它比蛋白质差远了，种类、速度、数量。2.免疫系统：防御系统，抗原（进入“体内”的生物大分子和有机体），发炎。细胞免疫：T细胞本身，分化，脓细胞。体液免疫：B细胞，释放抗体，导弹，免疫球蛋白（Ig）。3.肌肉：肌肉的伸张和收缩靠的是肌动蛋白和肌球蛋白互动的结果，体育生化。4.运输和储存氧气：Hb和Mb。5.激素：含氮类激素，固醇类激素。6.基因表达调节：操纵子学说，阻遏蛋白。7.生长因子：EGF（表皮生长因子），NGF（神经生长因子），促使细胞分裂。8.信息接收：激素的受体，糖蛋白，G蛋白。9.结构成分：胶原蛋白（肌腱、筋），角蛋白（头发、指甲），膜蛋白等。生物体就是蛋白质堆积而成，人的长相也是由蛋白质决定的。10.精神、意识方面：记忆、痛苦、感情靠的是蛋白质的构象变化，蛋白质的构象分类是目前热门课题。11.蛋白质是遗传物质？只有不确切的少量证据。如库鲁病毒，怕蛋白酶而不怕核酸酶。二、构成蛋白质的元素构成蛋白质的主要元素有C、H、O、N、S 5种，其中N元素的含量很稳定，16，因此，测定样品中氮元素的含量就能算出蛋白质的量。三、蛋白质的结构层次1一级结构：蛋白质分子中氨基酸的线性排列顺序。2二级结构：蛋白质主链局部有规则的空间排布方式。3三级结构：肽链在空间的折叠和卷曲形成的形状，所有原子在空间的排布。4四级结构：多条肽链之间的作用。第一节 蛋白质的结构单位一、氨基酸的结构通式：P50-碳原子，-羧基，-氨基氨基酸的构型：自然选择L型， D型氨基酸没有营养价值，仅存在于缬氨霉素、短杆菌肽等极少数寡肽之中，没有在蛋白质中发现。二、氨基酸的表示法生物体中有20种基本氨基酸（合成蛋白质的原料），还有其它非基本氨基酸，20种基本氨基酸的表示方法有下列几种：1 中文名：X（X）氨酸，如甘氨酸、半胱氨酸。20种要会背。2 英文名：3字名，如Gly、Cys等，20种要会背。三、氨基酸的具体结构：20种全部记住，仅注意R。四、氨基酸的分类1.结构上（1）脂肪族氨基酸：酸性氨基酸（2羧基1氨基：Glu、Asp），碱性氨基酸（2氨基1羧基：Arg、Lys），中性氨基酸（氨基羧基各一：很多）（2）芳香族氨基酸：含苯环：Phe、Tyr（3）杂环氨基酸： His（也是碱性氨基酸）、Pro、Trp2. R基的极性（1）极性氨基酸：亲水氨基酸：溶解性较好，酸性氨基酸、碱性氨基酸、含巯基、羟基、酰胺基的氨基酸，Glu、Asp、Arg、Lys、His、Cys、Ser、Thr、Tyr、Gln、Asn（2）非极性氨基酸：疏水氨基酸：溶解性较差，具有烷烃链、甲硫基、吲哚基等的氨基酸，Gly、Ala、Leu、Ile、Val、Pro、Met、Trp3营养价值（1）必需氨基酸：人和哺乳动物不可缺少但又不能合成的氨基酸，只能从食物中补充，共有8种：Leu、Lys、Met、Phe、Ile、Trp、Thr、Val（2）半必需氨基酸：人和哺乳动物虽然能够合成，但数量远远达不到机体的需求，尤其是在胚胎发育以及婴幼儿期间，基本上也是由食物中补充，只有2种：Arg、His。有时也不分必需和半必需，统称必需氨基酸，这样就共有10种。记法：Tip MTV Hall（3）非必需氨基酸：人和哺乳动物能够合成，能满足机体需求的氨基酸，其余10种从营养价值上看，必需半必需非必需五、非基本氨基酸1氨基酸的衍生物：蛋白质化学修饰造成的，有P-Ser、P-Thr、P-Tyr、OH-Pro、OH-Lys，最为重要的是Cyss胱氨酸，是由2分子Cys通过二硫建连接起来的，P542非蛋白氨基酸：仅游离存在，瓜氨酸、鸟氨酸、-丙氨酸3D-氨基酸：缬氨霉素、短杆菌肽中含有。六、氨基酸的性质1物理性质（1）紫外吸收：有共轭双键的物质都具有紫外吸收，在20种基本氨基酸中，有4种是具有共轭双键的，Trp、Tyr、Phe、His，其中His只有2个共轭双键，紫外吸收比较弱，Trp、Tyr、Phe均有3个共轭双键，具有较强的紫外吸收，其中Trp的紫外吸收最厉害，是蛋白质紫外吸收特性的最大贡献者，此3种氨基酸的紫外吸收特点如下： 氨基酸最大吸收波长（nm）消光系数(A/Mol/L）Phe2572102Tyr2751.4103Trp2805.6103 （2）旋光性：仅Gly不具旋光性，其它19种都有，且自然选择为L-型。（3）溶解性：溶解于水，特别是稀酸稀碱溶液，不溶于乙醚、氯仿等有机溶剂。（4）熔点：均大于200，也就是说氨基酸都是固态，而同等分子量的其它有机物则是液态，这说明了氨基酸与氨基酸之间的结合力很强，是离子键，即氨基酸是以离子状态存在的，而不是以中性分子存在的。2.化学性质（1）解离和等电点：氨基酸是个两性电解质，既可进行酸解离也可进行碱解离，用解离方程式表示就是：见P57，这样，氨基酸在水溶液中就可能带电，+或-，以及呈电中性，到底是什么情况，完全由溶液的PH值来决定。等电点：如果调节溶液的PH值使得其中的氨基酸呈电中性，我们把这个PH值称为氨基酸的等电点：PI。PI是氨基酸的重要常数之一，它的意义在于，物质在PI处的溶解度最小，是分离纯化物质的重要手段。（2）等电点的计算：对于所有的R基团不解离的氨基酸而言（即解离只发生在-羧基和-氨基上），计算起来非常简单：PI（PK1+PK2）/2若是碰到R基团也解离的，氨基酸就有了多级解离，这个公式就不好用了，比如Lys、Glu、Cys等。在这种情况下可以按下面的步骤来计算：1）由PK值判断解离顺序，总是PK1 PK2 PK3PI时，氨基酸带-电；PH值10，血纤蛋白、丝蛋白。（3）功能上分：酶、抗体、运输蛋白、激素等。（4）理化性质上分：HDL、VHDL、LDL、VLDL。（5）构象上分：国际上有蛋白质构象库。2.性质（1）紫外吸收：280nm，贡献者是Trp、Tyr、Phe，最主要的是Trp，核酸的紫外吸收峰在260nm。（2）两性解离：有PI，不能计算，只能测定（等电聚焦）。等电点沉淀法：PI处蛋白质的溶解度最低。（3）胶体性质：大分子，多于51个氨基酸残基，最小平均分子量为5000D；在水中能两性解离故而带电，又亲水，所以是胶体，分散好。有电泳、布朗运动、丁达尔现象、不能通过半透膜等等典型的胶体性质。（4）沉淀反应：凡是能破坏水化膜以及能中和电荷的物质均可使蛋白质沉淀等电点沉淀：PH值，中和电荷盐析：高浓度的盐溶液使蛋白质沉淀，离子中和电荷，如(NH4)2SO4盐溶：低浓度的盐溶液使蛋白质溶解，蛋清的溶解。有机溶剂沉淀：降低溶液的介电常数。（5）蛋白质变性：蛋白质在某些外界因素的影响下，理化性质改变、生物活性丧失的现象。这些因素包括热、酸、碱、有机剂等。蛋白质变性理论：吴宪，1931年提出。蛋白质的功能直接由蛋白质的构象来决定，某些外界因素改变了蛋白质的独特构象，因而使生物活性丧失。但不改变蛋白质的一级结构（即共价结构）。蛋白质的变性与水解是不同的。当环境条件恢复时，蛋白质的生物活性有可能也恢复，这就是蛋白质的复性。这一理论在实践中有很重要的指导意义，能够解释酶为什么有最适的PH和最适的温度。（6）蛋白质的颜色反应：可以用来定量定性测定蛋白质双缩脲反应：红色，m540nm黄色反应：与HNO3的反应，生成硝基苯，呈黄色。皮肤遇到HNO3的情况，白黄橙黄。米伦氏反应：与HgNO3或HgNO2的反应，呈黄色，原理同上。与乙醛酸的反应：红色，Trp的吲哚基的特定反应。坂口反应：红色，Arg的胍基的反应。福林反应：蓝色，是Tyr的酚基与磷钼酸和磷钨酸的反应。印三酮反应：紫红色Pauly反应：樱红色，His的咪唑基。二、蛋白质的一级结构及其测定1.蛋白质的结构层次：1、2、超2、结构域、3、42.一级结构：即蛋白质的共价结构或平面结构，核心内容就是氨基酸的排列顺序，它的改变涉及到蛋白质共价键的破坏和重建。一级结构的全部内容包括：肽链的个数、氨基酸的顺序、二硫键的位置、非氨基酸成分。3.蛋白质一级结构的测定间接法：通过测定蛋白质之基因的核苷酸顺序，用遗传密码来推断氨基酸的顺序。这是因为核苷酸的测序比蛋白质的测序工作要更方便、更准确。直接法：用酶和特异性试剂直接作用于蛋白质而测定出氨基酸顺序。（1）第一步：前期准备分离纯化蛋白质：纯度要达到97以上才能分析准确。蛋白质分子量的测定：渗透压法、凝胶电泳法（聚丙烯酰胺、SDS）、凝胶过滤法、超离心法等。氨基酸组成的测定：氨基酸自动分析仪。肽链拆分：非共价键的如氢键、离子键、疏水键、范德华力4种，可用尿素或盐酸胍等有机溶液来拆分。共价键的仅二硫键1种，可用巯基乙醇、碘代乙酸、过甲酸来拆分。（2）第二步：肽链的端点测定N端测定：Sanger法，DNFBDNP-肽水解乙醚萃取层析鉴定 Edman法，PITCPTC-肽PTH-氨基酸层析鉴定C端测定：肼解法，P83，唯有C端氨基酸与众不同，酰肼化合物与游离氨基酸，再通过Sanger法来鉴定。Asn、Gln、Cys、Arg将被肼破坏，不能分析。羧肽酶法：配合动力学控制。羧肽酶A：Arg、Lys、Pro除外的氨基酸残基羧肽酶B：仅Arg、Lys羧肽酶C：所有的氨基酸残基（3）每条肽链氨基酸顺序的测定：氨基酸顺序自动分析仪只能准确测定50氨基酸以下的肽链，而一般的蛋白质都含有100以上的氨基酸残基，所以，事先要将蛋白质打断成多肽甚至寡肽，再上机分析，而且要2套以上，便于以后拼接。常用的工具酶和特异性试剂有：胰蛋白酶：仅作用于Arg、Lys的羧基与别的氨基酸的氨基之间形成的肽键。糜蛋白酶：仅作用于含苯环的氨基酸的羧基与别的氨基酸的氨基之间形成的肽键。 Trp、Tyr、PheCNBr：仅作用于Met的羧基与别的氨基酸的氨基之间形成的肽键。拼接：将2套多肽的氨基酸顺序对照拼接，举例：15698735125698452315 698735 125 69845 23 1569 873512569 84523（4）第四步：二硫键位置的确定：包括链内和链间二硫键的位置，用对角线电泳来测。在肽链未拆分的情况下用胃蛋白酶水解之，可以得到被二硫键连着的多肽产物。先进行第一向电泳，将产物分开。再用过甲酸、碘代乙酸、巯基乙醇处理，将二硫键打断。最后进行第二向电泳，条件与第一向电泳完全相同。选取偏离对角线的样品（多肽或寡肽），它们就是含二硫键的片段，上机测氨基酸顺序，根据已测出的蛋白质的氨基酸顺序，把这些片段进行定位，就能找到二硫键的位置。如下图：4.蛋白质一级结构测定的意义（1）分子进化：将不同生物的同源蛋白质的一级结构进行比较，以人的为最高级，从而确定其它物种的进化程度，也可以制成进化树，由于这是由数据决定的，因此比形态上确定的进化更加科学和精确。（2）证明了一个理论，即蛋白质的一级结构决定高级结构，最终决定蛋白质的功能。（3）疾病的分子生物学：镰刀型贫血症的内因是血红蛋白的6Val，正常的血红蛋白的6Glu三、蛋白质的二级结构1.二级结构概论（1）二级结构的定义：肽链主干在空间的走向。主干指的是肽平面与-C构成的链子，见P95。（2）二级结构的内容：空间走向以及维持这种走向的力量：氢键和R基团的影响（离子键、疏水键、空间障碍等）（3）二级结构的数学描述：角：肽平面绕N-C单键旋转的角度 角：肽平面绕C-C羧基单键旋转的角度，见P95。至于+-方向的规定，0度角的规定太复杂，不作要求。这样，一个肽平面的空间位置可以被2个二面角来确定，如果每个肽链的两个二面角（,）都相同，则构成了规则的空间走向，所以可以用（,）来描述肽链的二级结构。2.二级结构的常见类型Pauling的贡献，X光衍射法是研究蛋白质构象的最好技术，羊毛蛋白和蚕丝蛋白，单调一致，诺贝尔化学奖。（1）-右手螺旋-螺旋即像弹簧一样的螺旋，有右手与左手之分，自然选择蛋白质的-螺旋为右手螺旋。示范。-右手螺旋的数据：每一圈含有3.6个氨基酸残基（或肽平面），见P96的b，每一圈高5.4，即每一个氨基酸残基上升1.5，旋转了100度，2个二面角（,）（-570，-480）。维持-右手螺旋的力量是链内氢键，它产生于一个肽平面的C=O与相邻一圈的在空间上邻近的另一个肽平面的N-H之间，见P96b，它的方向平行于螺旋轴，因此，-右手螺旋的外观是个筒状的帘子，见P96c。每个氢键串起的长度为3.6个肽平面或3.6个氨基酸残基，被氢键串起来的这个环上含有13个原子，故-右手螺旋也被称为3.613螺旋。R基团对-右手螺旋的影响：破坏者Pro，该处折断，因为亚氨基不能形成氢键；不稳定者酸性、碱性、太大、太小：Glu、Asp、Arg、Lys、Gly、Ile。其它都是起稳定作用的。分布：毛发中的-角蛋白，例如头发中的-角蛋白。见沈同P155。（2）-折叠：肽链在空间的走向为锯齿折叠状，见P97。跟纤维素的相似。二面角（,）（-119，+113）。维持-折叠的力量：链间的氢键，它产生于一个肽平面的C=O与相邻肽链的在空间上邻近的另一个肽平面的N-H之间，见P98，两条肽链上的肽平面互相平行，形成片层结构。见P97。-折叠有平行式和反平行式两种见P98。平行式：两条链的走向相同；反平行式：两条链的走向相反。反平行式的-折叠比平行式的更稳定。一条肽链回折后就可形成两条走向相反肽段，就可以形成反平行式的-折叠，-折叠不限于两条肽链之间，多条肽链可以形成很宽的-折叠片层，片层与片层之间以范德华力相互作用，形成厚厚的垫子。-右手螺旋与-折叠相比更具弹性，不易拉断，-折叠易拉断，-右手螺旋经加热后可变成-折叠，长度增加，毛衣越洗越长也是这种变化。（3）左手螺旋：存在于胶原蛋白中，氨基酸残基组成为（-Gly-Pro-Y-），Y为 HyPro或HyLys靠链间氢键和范德华力来维持。见沈同P158。（4）U型回折：也叫-转角，肽链在某处回折1800所形成的结构。这个结构包括的长度为4个氨基酸残基，其中的第三个为Gly，稳定该结构的力量是第一和第四个氨基酸残基之间形成的氢键。在黑板上演示。（5）310螺旋：是-右手螺旋的过渡形式，又廋又长，每个氢键串起的长度为3个肽平面或3.6个氨基酸残基，被氢键串起来的这个环上含有10原子。（6）无规卷曲：无固定的走向，但也不是任意变动的，它的2个二面角（,）有个变化范围。从结构的稳定性上看-右手螺旋-折叠 U型回折无规卷曲，而从功能上看正好相反，酶与蛋白质的活性中心通常由无规卷曲充当，-右手螺旋和-折叠一般只起支持作用3.超二级结构：空间相邻的几个2级结构形成的更复杂的结构，其类型有（1）左手超螺旋：3根-右手螺旋拧到一起形成一个左手超螺旋，如头发中的角蛋白，见沈同P155。（2）右手超螺旋：3根左手螺旋拧到一起形成一个右手超螺旋，如胶原蛋白，见沈同P158。本教材P103有误。（3）：相邻的2根-右手螺旋拧到一起形成一个左手超螺旋，见P98。（4）：一个连接链连着2个折叠，平行式，这个连接链可以很长。见P98。（5）：3段折叠和2段螺旋相间形成，见P98。（6）：以2段U-型回折连接着的3段折叠，反平行式。见P98。4.结构域：长肽链（多于150个氨基酸），在二级结构的基础上通过多次折叠，在空间上形成一些半独立的球状结构，叫结构域，它是三级结构的一部分，结构域之间靠无规卷曲连接。也就是说将三级结构拆开后首先看到的结构。草图显示。四、蛋白质的三级结构和四级结构1.三级结构：即蛋白质的三维结构、构象，指其中所有原子的空间排布，是结构域再经过卷曲和折叠后形成的。如果蛋白质是单条肽链，则三级结构就是它的最高级结构，三级结构由二硫键和次级键（氢键、疏水键、离子键、范德华力）维持。P99是肌红蛋白的三级结构。2.四级结构：多条肽链通过非共价键（氢键、疏水键、离子键、范德华力）形成的聚合体的结构就是四级结构，注意，由二硫键连接的几条肽链不具有四级结构。每条肽链都有自己的三级结构，称为亚基或亚单位，一般情况下，具有四级结构的蛋白质含有的肽链不会太多，故称这类蛋白质为寡聚蛋白，如寡聚酶等。五、蛋白质的结构与功能1.蛋白质的结构与功能的关系（1）每一种蛋白质都具有特定的结构，也具有特定的功能。（2）蛋白质的结构决定了蛋白质的功能。（3）蛋白质的功能直接由其高级结构（构象）决定。例子，蛋白质的变性现象。（4）蛋白质的一级结构决定高级结构（构象），因此，最终决定了蛋白质的功能。例子，人工合成胰岛素，A、B链分别合成，等比例混合后就有活性。而生物合成胰岛素则是先合成一条长肽链，形成正确的二硫键，而后再剪去中间的C肽才形成胰岛素的。草图显示。2.蛋白质结构与功能实例（1）免疫球蛋白G：即抗体G，IgG（Immuno globe），由免疫细胞B分泌出的蛋白质，可以特异的结合抗原并消灭之，这就是免疫反应。IgG的一级结构：四条肽链，2重2轻（L2H2），对称排列，LHHL，有12条链内二硫键，4条链间二硫键，见草图。对其氨基酸的分析发现，IgG分为V区（可变区）和C区（恒定区）。二级结构：几乎全是折叠，由无规卷曲连接。结构域：有12个球体，每个均被二硫键锁住。三级结构：T型和Y型，属于球蛋白。没有四级结构。IgG的功能：V区负责结合抗原，像钳子一样夹住抗原，体现了IgG的特异性，2价。C区负责结合补体（一种酶，可以水解抗原），也是2价，结合部位在寡糖链处的铰链区。IgG的动态作用过程用人体演示。（2）肌红蛋白：Mb（Myoglobin），哺乳动物的肌肉中储存氧气的蛋白质，水生的哺乳动物体内尤为发达（如鲸鱼），因此，它们可以憋气很长时间，研究用Mb一般由鲸鱼提供。一级结构：单条肽链，153个氨基酸，其中的83个氨基酸为保守序列（即同源蛋白质均相同，是决定功能的最重要序列），含有一分子血红素辅基，见P104，其中保持Fe2+，血红素通过Fe2+以配位键吊在肽链的His的咪唑基上，示意。O2将结合在Fe2+上。二级结构：几乎全是-右手螺旋，中间由无规卷曲和结来连接。三级结构：扁平的菱形，见P99或沈同P172，属于球蛋白。功能：储存氧气。其三级结构在分子表面形成一个疏水的空穴，血红素即藏在其中，该空穴允许O2进入而拒绝水的进入，保证了Fe2+结合O2而避免了Fe2+Fe3+。Mb结合氧气的特征可以由氧合曲线来描述，见P104，为双曲线形。其中的氧饱和度（饱和百分数）为Mb O2/（Mb O2+ Mb），P O2为氧的分压。从图中可以看出，Mb倾向于结合氧气而不愿意放出氧气，所以它的功能是储存氧气，只有在P O2极低的时候（体内缺氧的时候）它才释放出氧气。另外，C O可以与O2竞争性的结合Mb。（3）血红蛋白：Hb（Hemoglobin），在人体中有三种，HbA，HbA 2，HbF（仅存于胎儿中），三者的结构和功能大同小异，此处以HbA为例。一级结构：4条链，22。141，146，每条肽链都结合着一分子的血红素，两条链之间还夹着一分子DPG（二磷酸甘油酸），每条肽链都有保守序列。二级结构：4条链均同Mb, 几乎全是-右手螺旋，中间由无规卷曲和结来连接。三级结构：4条链均同同Mb,扁平的菱形，见沈同P181，属于球蛋白。四级结构：4个亚基占据着4面体的4个角，链间以离子键结合，一条链与一条链形成二聚体，Hb可以看成是由2个二聚体组成的（）2，在二聚体内结合紧密，在二聚体之间结合疏松。功能：运输氧气，4价。其三级结构在每个肽链的分子表面形成一个疏水的空穴，血红素即藏在其中，该空穴允许O2进入而拒绝水的进入，保证了Fe2+结合O2而避免了Fe2+Fe3+。其氧合曲线见P104，为S形曲线，只有在PO2很高的情况下（在肺部）Hb才结合氧气，而PO2一降低（在外周血管中），它就释放O2，而此时的Mb却纹丝不动。就结合O2的能力而言，4价的Hb还不如1价的Mb。Hb的氧合曲线形状与Mb不同是因为它有着Mb所不具有的一些特性，如：协同效应：Hb分子中一条链结合O2后，可以导致其构象的变化，使其它几条链结合O2的结合能力突然增强，表现出其氧合曲线为S形曲线。对Hb协同效应的解释为：在没有结合氧气时，Hb的四条链之间结合紧密，这种构象称为T态，这种紧密是由离子键和DPG（位于2条链之间）造成的，屏蔽了分子表面疏水的空穴，使Hb分子结合O2的能力降低（游离的链和链结合氧气的能力与Mb相同）。当一条链结合了氧气之后，铁卟啉把His的咪唑基向下一扯，导致该肽链的三级结构发生变化（牵一发而动全局），肽链之间的离子键被破坏，Hb的四级结构也随之改变，2个二聚体（）之间发生错位，挤出DPG，四级结构进一步变化，每条链表面疏水的空穴暴露在外，这种构象称为R态，结合氧气的能力得以增强。别构效应：是某些寡聚蛋白质特有的现象。是指蛋白质与效应物结合改变蛋白质的构象，进而改变蛋白质的生物活性。Hb的活性中心：Hb每个亚基上血红素存在的那个疏水空穴是结合氧气的地方，称之为活性中心，也叫活性部位。别构中心：在Hb分子的其它地方还有结合效应物的部位，如结合H+、CO2、DPG甚至O2，这些部位结合了效应物之后，可以改变蛋白质的构象，进而影响到活性中心与氧气的结合，这些部位就叫别构中心。活性中心与别构中心可以重合也可以不重合，在Hb中是不重合的。因此，别构效应可以说成是别构中心结合了效应物之后影响了活性中心与氧气的结合。协同效应实际上就是一种别构效应。Mb只有活性中心没有别构中心，它的氧合曲线就是双曲线形的。Hb的另一个别构效应是波尔效应：H+和CO2对Hb与氧气结合的影响。具体的影响见P105的方程式，叙述为H+和CO2促进Hb释放O2，这也解释了Hb为什么在肺中吸氧排CO2,而在肌肉中吸CO2排氧。另外，DPG降低Hb与O2的结合能力。关于镰刀形细胞贫血症：红细胞减少，只有正常人的1/2，无力，剧烈运动会导致死亡。Hbs与Hb在结合O2的能力方面并没有区别，区别在于Hbs造成红细胞溶血，溶血后的Hb不能像红细胞中的Hb一样正常运输O2。Hbs导致溶血的原因在于其6Val，正常的血红蛋白的6Glu，红细胞表面的Hbs由于疏水键而聚集，使细胞膜破裂。镰刀形细胞贫血症在非洲某些地区居然是自然选择的结果，是与疟疾抗争的产物。疟疾杆菌只能利用正常人的Hb，不能利用Hbs，所以Hbs者是不感染疟疾的。在该地，Hbs纯合子和正常人都经不起自然选择，只有Hbs杂合子存活了下来。布置本专题作业：1.用下列实验数据推导某肽链的一级结构：（1）完全酸水解后产生的氨基酸组成为：Ala、Arg、2Ser、Lys、Phe、Met、Pro（2）用DNFB处理并水解得到DNP-Ala和-DNP-Lys（3）羧肽酶A和B都对此肽不作用（4）用CNBr处理获得2个片段，其中一个片段含有Pro、Trp、Ser（5）用糜蛋白酶作用产生3个片段，1个含有Pro、Ser；另1个含有Met、Trp；最后一个含有Phe、Lys、Ser、Ala、Arg（6）用胰蛋白酶处理产生3个片段，1个含有Ala、Arg；另1个含有Lys、Ser；最后一个含有Phe、Trp、Met、Ser、Pro2.根据书上P59给出的PK值，计算正常的二肽Glu-Lys以及Lys-Glu的PI值。第三专题核酸化学基本要求：掌握核酸的化学组成，基本结构特点以及重要的理化性质，熟悉核酸的生物学功能，了解核酸序列测定的方法。课时分配:4学时教学内容：前言：核酸是生命最重要的分子，最简单的生命仅含有核酸（病毒）。150亿年宇宙蛋，50亿年太阳，46亿年地球，无机有机生物大分子细胞。美国的Miller在做其PhD时，模拟40亿年前地球的原始大气条件，产生了氨基酸，见（B）P13，有了氨基酸当然就会产生蛋白质。但核苷酸何时产生？据估计也不少于40亿年前，谁先谁后？1868年首次在绷带上的脓细胞核中发现一种富含磷酸呈酸性又不溶于酸溶液的分子，命名为核素，其实是核蛋白，1898年从小牛的胸腺中提取了一种溶于碱性溶液中的纯净物，这才是真正的核酸，从此，对核酸的研究全面展开，揭开了生物化学领域惊天动地的一页。第一节 核酸的分子组成一、 基本分子组成对核酸的水解发现核酸酶 磷酸单酯酶 核苷酶（脱氧）核酸-（脱氧）核苷酸-磷酸+（脱氧）核苷-戊糖+碱基由上面可知，核酸的结构单位是（脱氧）核苷酸，基本组成成分是磷酸、戊糖、碱基核酸共有2类，脱氧核糖核酸DNA和核糖核酸RNA。二、碱基的结构基本碱基一共只有5种，从分子骨架上分将碱基分为嘌呤碱基和嘧啶碱基。1.嘌呤碱基：嘌呤（Pu）的结构及编号：P130下A（腺嘌呤）的结构：P130G（鸟嘌呤）的结构：见草图2.嘧啶（Py）碱基：嘧啶（Py）碱基的结构及编号：新系统，P130上C（胞嘧啶）：氨基态，P131U（尿嘧啶）：酮式，P131T（胸腺嘧啶）：见草图以上各具体碱基的结构最好见（B）P61，结合图来记忆。记忆口诀：先将嘌呤和嘧啶的结构式记住，然后再记住下面口诀胸前一滩尿：U +一碳基团（甲基） T尿里两泡泡：嘧啶中有两个OU上面一个是氨气包：U靠上面的一个O换成-NH2就是C鸟儿张嘴吸氨气：张嘴即O，嘌呤有O又有-NH2 A线儿将鸟嘴来系，注意换气：系嘴即去掉O，G去掉O再把-NH2换个位置A三、核苷由戊糖和碱基形成的糖苷，见P132上，反式更稳定，顺式更好认。仍用单字母表示，跟碱基的表示法相同，只是在脱氧时加d，如dA。糖苷键的键型均为-N型，不是- N型。解释之。各种核苷的结构均见P132，略。注意核苷中的戊糖的编号要加“”号，如2位。碱基中的编号不加“”号。有一种特殊的核苷叫假尿苷，糖苷键的键型均为-C型，见P134右。四、核苷酸核苷与磷酸形成的酯。磷酸出羧基，戊糖出羟基。1.戊糖有2、3、5位自由-OH，因此可以形成2、3、5-核苷酸，其中5-核苷酸为默认的核苷酸。见133上。2.磷酸的个数可以有1、2、3，这是指TP、DP、MP与核苷形成的酯，见P133下。表示为NMP、NDP、NTP，脱氧时加“d”，如ATP、dATP。3.可以形成环状的核苷酸：一个磷酸以二个羧基与戊糖上的两个-OH形成酯，见P134，称为磷酸二酯键，这种键可以处在3、5之间（默认的环核苷酸），也可以处在2、3之间，没有处在2、5之间的。表示为c，如cAMP环腺苷酸，dcAMP。所以遇到核苷酸时要注意是否脱氧，有几个磷酸，是否成环。核苷酸的性质：是两性电解质，有PI；紫外吸收峰为260nm，是碱基造成的。蛋白质为280nm。第二节 核酸的一级结构氨基酸核酸就是多聚核苷酸：是磷酸通过3、5磷酸二酯键将核苷连接起来的长链，见P138。其一端点的核苷酸的5-OH没有参与3、5磷酸二酯键的形成，也就是说有游离的5-OH，这一端点叫5端，反之另一端就是3端。这样核酸的写法就具有方向，5 3或 3 5，规定标准的书写方法是5 3，如确有必要写成3 5则需专门注明。如果核酸的两端也被磷酸二酯键连起来了，则无端点，但仍有方向。二、核酸一级结构的表示方法书写的方向5 3完整结构表示法：见P138线条式缩写法：见P138，碱基、磷酸、戊糖以及酯键的位置都很清楚。字母式缩写法：见P138，碱基、磷酸位置清楚，戊糖以及酯键的位置略掉。三、一级结构测定常用的工具酶一级结构测定常用的工具酶的种类和酶切部位特点参见教材140-141。第三节 核酸的空间结构一、 DNA的二级结构1 二级结构的依据（1）对DNA分子结晶的X衍射数据：由Franklin和Wilkins提供，来源不同的DNA的二级结构非常相似。前者早逝，后者与Watson、Creck分享了诺贝尔奖。（2）Chargaff规则：A与T、G与C在任何DNA分子中的摩尔数都相等。（3）DNA是遗传物质，能够自我复制。（4）大量的电位滴定（探测H键的方法）和其它物化数据2Watson-Creck的DNA二级结构模型（B-DNA，线状DNA，自然选择）:美国Watson、英国Creck在1953/5的Nature上合作了一篇文专题，第一次科学的提出了DNA二级结构模型，现总结如下：（1）DNA分子是由2条互相缠绕的多聚脱氧核苷酸链组成（简称2条DNA单链），反向平行（一条链为5 3，另一条链为 3 5），空间走向为右手螺旋，有一个假想的螺旋轴（见自制模型，手指）。P157（2）2条链靠链间的H键结合，H键的产生符合碱基配对原则：AT，GC，P157，由电镜照片为证。右手螺旋的