生物化学 绪论

一、生物化学的概念 用化学的理论和方法研究所有生物体的化学组成、结构、功能和生命过程中物质及能量变化规律的学科。 细胞核 器官（肝脏） 消化系统 窦状小管 肝细胞 细胞核 分子（DNA）

二、生物化学的目的和任务 生物化学的研究目的是从分子水平阐明各种生命现象的化学基础，其任务是为诊断、预防和治疗疾病，提高人类健康水平提供理论基础。

三、 生物化学的基本内容 1、生物体的物质组成、结构、功能及其相互关系 生物体是由哪些物质组成的？它们的结构和性质如何？

2、生物体的新陈代谢及其调节 这些物质在体内发生什么变化？其变化过程如何？变化过程中能量是怎样转变的？

3、生物遗传信息的贮存、传递、表达和调控 这些物质的结构、代谢和生物功能与复杂的生命现象（如生长、生殖、遗传、运动等）之间有什么关系？

生物化学作为一门古老而又年轻的学科，在近年来取得了重大的进展和突破，大体可分为三个阶段。 四、 生物化学发展史简介 生物化学作为一门古老而又年轻的学科，在近年来取得了重大的进展和突破，大体可分为三个阶段。 第一阶段：静态描述生物化学阶段（19世纪末～20世纪30年代 ） 第二阶段：动态代谢生物生化阶段（20世纪30年代～50年代） 第三阶段：分子生物学时期（20世纪50年代以后）

2004~化学奖 获奖原因：发现了蛋白质降解过程的机理 。 阿龙-西查诺瓦 阿弗拉姆-赫尔什科 伊尔温-罗斯 （以色列） （以色列） 阿龙-西查诺瓦 阿弗拉姆-赫尔什科 伊尔温-罗斯 （以色列） （以色列） （美国） 2004~化学奖 获奖原因：发现了蛋白质降解过程的机理 。

安德鲁•菲尔 克雷格•梅洛 （美国） （美国） 2006年度诺贝尔生理学或医学奖 他们发现了RNA干扰现象

五、生物化学的发展趋势 现代生物化学综合应用了物理学、数学、生物学及免疫学等多门学科的理论与方法，涵盖了细胞（亚细胞）生物学、分子生物学、分子遗传学等现代生命科学领域，是一门边缘交叉学科，被誉为未来世纪生命科学领域中的前沿领头学科。

马里奥-卡佩奇 马丁-埃文斯 奥利弗-史密斯 2007年,三位科学家“在涉及胚胎干细胞和哺乳动物DNA重组方面有着一系列突破性发现”，为“基因靶向”技术的发展奠定了基础。

成果:发现了端粒和端粒酶保护染色体的机理 。 2009年,美国3名科学家获诺贝尔生理学或医学奖。 成果:发现了端粒和端粒酶保护染色体的机理 。 人类端粒DNA结构 2010年?

六 生物化学与疾病的发生、诊断和治疗 1、生物化学与疾病发生 DNA的结构改变可导致细胞变异——癌变； 六 生物化学与疾病的发生、诊断和治疗 1、生物化学与疾病发生 DNA的结构改变可导致细胞变异——癌变； 血红蛋白结构异常会发生镰刀形红细胞贫血； 胰岛素分泌不足可发生糖尿病； 酪氨酸酶缺陷和苯丙氨酸羟化酶缺陷分别导致白化病和苯丙酮酸尿症； 糖酵解速度过快可造成乳酸酸中毒； 食物中缺乏叶酸或维生素B12会发生巨幼红细胞贫血。

2、生物化学与疾病诊断 体液中各种无机盐类、有机化合物和酶类等检测，已成为疾病诊断常规指标。 测定血浆蛋白种类和含量，可作为肝、肾疾病诊断依据。 分析DNA结构可了解是否有致病基因存在。 随着基因探针、PCR技术和重组蛋白试剂等应用于临床诊断，使疾病诊断达到了前所未有的高特异性、高灵敏度和简便快捷。

3、生物化学与疾病治疗 通过介入技术将链激酶或尿激酶注入冠状动脉血栓形成处，可将血栓溶解，血管再通； 使用基因敲除技术可将与癌发生有关的基因剔除，可防止癌发生、控制癌发展； 多晒太阳可促进佝偻病患者维生素D合成，从而预防和治疗佝偻病或软骨病； 通过限制苯丙酮酸尿症患者的苯丙氨酸摄入量，保证患者正常生长发育。

第六节 生物化学与医学实践 临床医学 生物化学 基础医学 药物应用 预防、康复 保健

第七节 生物化学的教学策略 与学习方法 医学基础课程是学习生物化学的重要基础 生物化学为医学后续课程提供了必要的理论知识和技术支撑

第二章 生物分子 组成人体的分子包括：大分子化合物（蛋白质、核酸、糖类、脂类）小分子化合物（水、无机盐等） 第二章 生物分子 组成人体的分子包括：大分子化合物（蛋白质、核酸、糖类、脂类）小分子化合物（水、无机盐等）

第一节蛋白质 蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。

蛋白质的生物学重要性 1. 蛋白质是生物体重要组成成分 分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。 含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45％，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80％。

2. 蛋白质具有重要的生物学功能 作为生物催化剂（酶） 代谢调节作用 免疫保护作用 物质的转运和存储 运动与支持作用 参与细胞间信息传递 3. 氧化供能

蛋白质的供给量 成年人每日每千克体重1.2g. 最低生理需要量成人每日30-50g,保持最佳功能状态，成人每日蛋白质需要量80g.

一、组成蛋白质的元素 主要有C、H、O、N和 S。 有些蛋白质含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼，个别蛋白质还含有碘 。

由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量： 一、蛋白质的化学元素组成 组成蛋白质的元素有碳、氢、氧、氮、硫。各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16％。 由于体内的含氮物质以蛋白质为主，因此，只要测定生物样品中的含氮量，就可以根据以下公式推算出蛋白质的大致含量： 三鹿奶粉事件、三聚氰胺 100克样品中蛋白质的含量 (g %) = 每克样品含氮克数× 6.25×100 1/16% 24

COOH │ H N — C R （二）、蛋白质的基本组成单位——氨基酸 1、氨基酸的结构特点 2 存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属 L-α氨基酸（甘氨酸除外）。 COOH │ H 2 N — C R

-氨基酸的立体异构体

2、氨基酸的分类 根据侧链结构和理化性质进行分类 非极性疏水性氨基酸（水溶性小） 极性中性氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸

1.非极性疏水性氨基酸

2.极性中性氨基酸

3.侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸

4.酸性氨基酸

5、碱性氨基酸

氨基酸的另一种分类方法： 必需氨基酸：人体不能合成，必需由食物来供给（8种），包括异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、色氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸（一两色素本来淡些）另外儿童还需组氨酸和精氨酸。 非必需氨基酸：人体可以合成的氨基酸，如酪氨酸、谷氨酸等

二、 蛋白质分子结构 一级结构 二级结构 三级结构 四级结构 高级结构（空间结构）

在蛋白质分子中肽键称为主键，其他化学键称为次级键。肽键是维持蛋白质一级结构的主要化学键，次级键主要维持蛋白质的空间构象。

（一）肽键与肽： 蛋白质是由若干氨基酸的氨基与羧基经脱水缩合而连接起来形成的长链化合物。 1、肽键：一个氨基酸分子的-羧基与另一个氨基酸分子的-氨基在适当的条件下经脱水缩合形成的化学键。 2、肽：氨基酸通过肽键连接形成的化合物成肽。有寡肽、多肽，多肽与蛋白质并没有明显的分界线，一般把含有50个以上的多肽成为。分为N端和C端，有主链和侧链。

+ -HOH 甘氨酰甘氨酸 肽键

多肽链具有方向性，头端为氨基端（N端），尾端为羧基端（C端）。 肽：氨基酸之间通过肽键连接形成的的化合物称为肽。 多肽链中的氨基酸单位称为氨基酸残基。 多肽链具有方向性，头端为氨基端（N端），尾端为羧基端（C端）。

肽键平面——由于肽键具有部分双键的性质，使参与肽键构成的六个原子被束缚在同一平面上，这一平面称为肽键平面（酰胺平面，肽单元）。

肽键平面示意图

（二）蛋白质的一级结构 定义: 蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸的排列顺序。 主要的化学键: 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。

牛胰岛素的一级结构

核糖核酸酶的一级结构

（三）蛋白质的空间结构 1、二级结构：蛋白质的二级结构是指蛋白质多肽链主链原子局部的空间结构，但不包括与其他肽段的相互关系及侧链构象的内容。 维系蛋白质二级结构的主要化学键是氢键。

二级结构的类型： 蛋白质的二级结构主要包括-螺旋，-折叠，-转角及无规卷曲等几种类型。

(1). -螺旋（-helix）：

-螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形成的有规律的螺旋构象，其结构特征为： -螺旋的结构特征 -螺旋是多肽链的主链原子沿一中心轴盘绕所形成的有规律的螺旋构象，其结构特征为： ⑴ 为一右手螺旋； ⑵ 螺旋每圈包含3.6个氨基酸残基，螺距为5.44埃；每个肽键的N-H与相邻第四个肽键的酰基C=O形成氢键。 ⑶ 螺旋以氢键维系。 （4）各氨基酸残基侧链R伸向螺旋外侧。

(2). -折叠（-pleated sheet）：

-折叠是由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象，其结构特征为： -折叠的结构特征 -折叠是由若干肽段或肽链排列起来所形成的扇面状片层构象，其结构特征为： ⑴ 由若干条肽段或肽链平行或反平行排列组成片状结构； ⑵ 主链骨架伸展呈锯齿状； ⑶ 借相邻主链之间的氢键维系。

-折叠的平行式与反平行式排列

(3). -转角（-turn）：

无规卷曲是指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。 4. 无规卷曲（random coil）： 无规卷曲是指多肽链主链部分形成的无规律的卷曲构象。 对于特定的蛋白质分子而言，其无规卷曲部分的构象则是特异的。

核糖核酸酶分子中的二级结构 β-转角 β-折叠 无规卷曲 α-螺旋

2、蛋白质的三级结构 蛋白质的三级结构是指蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排布，也就是一条多肽链的完整的三维结构。

维系三级结构的化学键主要是非共价键（次级键），如疏水键、氢键、盐键、范氏引力等，但也有共价键，如二硫键等。

胰岛素分子的三级结构

3、蛋白质的四级结构： 各个亚基之间以非共价键连接而成的特定的三维空间排布。 亚基就是指参与构成蛋白质四级结构的、每条具有三级结构的多肽链。 维系蛋白质四级结构的是氢键、盐键、范氏引力、疏水键等非共价键。

血红蛋白(hemoglobin)的四级结构

蛋白质四级结构与功能的关系——变构效应

蛋白质分子的结构层次

三、蛋白质的结构与功能的关系 （一）一级结构与功能的关系： 一级结构决定了蛋白质的空间结构和特异的生物学功能。一级结构相似的蛋白质，其基本构象及功能相似，一级结构的改变常导致其功能发生变化。 （二）空间结构与功能的关系： 构象是其功能活性的基础，构象发生变化，其功能活性也随之改变。

镰刀状红细胞贫血Hb -链一级结构的改变 N-val · his · leu · thr · pro · glu · glu · · · · ·C(146) HbS β 链 HbA β 链 N-val · his · leu · thr · pro · val · glu · · · · ·C(146) 6

在镰刀状红细胞贫血患者中，由于基因突变导致血红蛋白-链第六位氨基酸残基由谷氨酸改变为缬氨酸，血红蛋白的亲水性明显下降，从而发生聚集，使红细胞变为镰刀状。

血红蛋白的变构

四、蛋白质的理化性质 （一）蛋白质的两性电离与等电点：同氨基酸 根据其性质分用电泳方法分离蛋白质 如 等电点(isoelectric point, pI) 在某一pH的溶液中，蛋白质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值称为该蛋白质的等电点。 根据其性质分用电泳方法分离蛋白质 如 血清蛋白的分类：清蛋白、α1球蛋白、 α2 球蛋白 β球蛋白 γ球蛋白

+OH- +OH- +H+ +H+ pH>pI pH<pI pH=pI 阳离子 氨基酸的兼性离子 阴离子

（二）、蛋白质的胶体性质与沉淀： 蛋白质分子的颗粒直径已达1~100nm，处于胶体颗粒的范围。因此，蛋白质具有亲水溶胶的性质。 蛋白质分子表面的水化膜和表面电荷是稳定蛋白质亲水溶胶的两个重要因素。

蛋白质颗粒的表面电荷和水化膜 － + + － 带正电荷的蛋白质 带负电荷的蛋白质 在等电点的蛋白质 酸 碱 酸 碱 带正电荷的蛋白质 脱水作用 + 带正电荷的蛋白质 － 带负电荷的蛋白质 不稳定的蛋白质颗粒

（三）蛋白质的变性、沉淀和凝固： 1、在某些物理或化学因素的作用下，蛋白质严格的空间结构被破坏（不包括肽键的断裂），从而引起蛋白质若干理化性质和生物学性质的改变，称为蛋白质的变性

变性蛋白质的性质改变： ① 物理性质：旋光性改变，溶解度下降，沉降率升高，粘度升高，光吸收度增加等； ② 化学性质：官能团反应性增加，易被蛋白酶水解。 ③ 生物学性质：原有生物学活性丧失，抗原性改变。

引起蛋白质变性的因素有： ① 物理因素：高温、高压、紫外线、电离辐射、超声波等； ② 化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐等。

核糖核酸酶的变性与复性 天然构象 尿素， -巯基乙醇 变性状态 去除变性剂 并缓慢氧化

蛋白质变性的临床应用 消毒杀菌 检查 抢救:重金属中毒 疫苗的保存

蛋白质分子相互聚集而从溶液中析出的现象称为沉淀（precipitation）。 变性后的蛋白质由于疏水基团的暴露而易于沉淀，但沉淀的蛋白质不一定都是变性后的蛋白质。

（四）蛋白质的紫外线吸收性质：280nm，用分光光度计测定氨基酸和蛋白质的含量。 （五）呈色反应： 1、双缩脲反应：蛋白质肽键特有的反应。可与碱性铜液的cu2+形成紫红色络合物。 2、茚三铜反应：生成蓝紫色化合物，氨基酸和蛋白质都有此反应。

1.蛋白质平均含氮量为16%，每克氮相当于6.25克蛋白质；基本组成单位是氨基酸：20种、L–α–氨基酸； 小 结 1.蛋白质平均含氮量为16%，每克氮相当于6.25克蛋白质；基本组成单位是氨基酸：20种、L–α–氨基酸； 2.分子结构含一级结构和空间结构（二级、三级和四级结构）； 3.氨基酸间通过肽键相连成肽；多肽链中氨基残基的排列顺序为蛋白质一级结构；主键为肽键； 4.多肽链局部空间构象称蛋白质二级结构，主要有α－螺旋、β－折叠、β－转角及无规卷曲；主键是氢键；

5.多肽链全部原子的空间排布为三级结构；亚基间所形成的空间结构为四级结构；次级键是维系三级、四级结构作用力； 小 结 5.多肽链全部原子的空间排布为三级结构；亚基间所形成的空间结构为四级结构；次级键是维系三级、四级结构作用力； 6.一级结构是空间结构的基础；空间结构决定其生物学功能；蛋白质空间结构改变可引起蛋白质变性。 7.氨基酸和蛋白质都是两性电解质；当溶液的pH等于其pI时呈兼性离子；蛋白质胶体溶液稳定因素：同种电荷和水化膜。

复习题 1、名词解释：蛋白质的一级结构、蛋白质变性、蛋白质沉淀 2、蛋白质二级结构的形式及维持三级结构的主要化学键？ 3、蛋白质变性的临床应用？