生物化学(全套课件515P).ppt
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- 生物化学 全套 课件 515
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1、生物化学生物化学绪绪 论论 研究方向研究方向研究发展史研究发展史生物化学的分支生物化学的分支发展方向发展方向生物化学生物化学是一门运用化学原理和方法,是一门运用化学原理和方法,研究生命现象的科学。研究生命现象的科学。着眼于:p搞清生命机体的化学组成;p维持生命活动的各种化学变化及其联系;绪 论生物体的主要组成生物体的主要组成p主要成分: 糖类、脂类、蛋白质、核酸、水、 无机盐p对生物体内化学反应起调节作用的物质: 酶、维生素和激素研究方向研究方向p静态生化: 研究上述物质的组成、 结构、性质和功能。p动态生化: 研究上述物质在生物体内的物质代谢和能量代谢。分子生物学: 研究生物大分子结构、功能
2、、 信息传递及代谢调控。绪 论研究发展史研究发展史p生物化学发展前期(准备期)p描述生化发展期(1770-1903)p动态生化发展期(1903-1950)p分子生物学的创立与发展期 (1950年后)绪 论生物化学的分支生物化学的分支p按研究对象分: 动物 、植物 、微生物 ;p按学科分: 无机 、 有机 、 生理 、 物理化学 、临床 、农业等。绪 论p生命起源p遗传进化p生物发育p疾病的产生p大脑记忆推理p生物行为p环境生态p人类健康等。绪 论生物化学的发展方向第一章第一章蛋白质化学本章内容本章内容p蛋白质的生物学功能p蛋白质的组成p氨基酸的化学p蛋白质的结构p蛋白质分子结构与功能的关系p蛋
3、白质的性质p蛋白质的分离纯化p蛋白质的分类蛋白质化学 生命是蛋白体的生命是蛋白体的存在方式,这种存在方存在方式,这种存在方式本质上就在于这些蛋式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的白体的化学组成部分的不断自我更新。不断自我更新。 恩格斯恩格斯反杜林论反杜林论18781878蛋白质化学概念:概念:p蛋白质(protein,简写pro): 是由20种L- 氨基酸按一定的序列通过酰胺键(肽键)缩合而成的,具较稳定构象并具一定生物功能的生物大分子。蛋白质化学一、蛋白质的生物学功能一、蛋白质的生物学功能1、催化作用p几乎所有的酶都是蛋白质蛋白质化学膜蛋白2 2、生物体的结构成分、生物体的结构成分3 3
4、、运输和储存、运输和储存血红蛋白在血中输送氧肌红蛋白在肌肉中输送氧膜蛋白起运输作用4 4、运动作用:、运动作用: 动物的肌肉收缩、细菌的鞭毛运动动物的肌肉收缩、细菌的鞭毛运动5 5、免疫保护作用、免疫保护作用抗体6 6、激素作用:、激素作用: 胰岛素等胰岛素等7 7、接受和传递信息的受体:、接受和传递信息的受体: 受体蛋白,受体蛋白,8、控制细胞生长、分化: 生长因子、阻遏蛋白9、毒蛋白: 植物、微生物、昆虫所分泌10、许多蛋白在凝血作用、通透作用、 营养作用、记忆活动等方面起重要作用。二、蛋白质的组成二、蛋白质的组成(一)蛋白质的元素组成: C、H、O、N 及少量的 S 特点:N 在各种蛋白
5、质中的平均含量为16% 用定氮法可测定蛋白质含量: 蛋白质含量(g) = 蛋白质含氮量6.25蛋白质化学( (二)蛋白质的水解二)蛋白质的水解1、完全水解:用浓酸、碱将蛋白质 完全水解为氨基酸。 酸水解:无消旋作用,产物为L-氨 基酸。 碱水解:多数氨基酸被破坏,有消 旋现象。蛋白质化学2 2、部分水解、部分水解: 一般用酶或稀酸在较温和条件下,一般用酶或稀酸在较温和条件下,将蛋白质分子切断,产物为分子大小将蛋白质分子切断,产物为分子大小不等的肽段和氨基酸。不等的肽段和氨基酸。 蛋白酶: 胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶等。三、氨基酸的化学三、氨基酸的化学p氨基酸(amino acid, 简写aa
6、): 蛋白质的基本组成单位,是含氨基的羧酸。p天然蛋白质由20种氨基酸组成。氨基酸的化学氨基酸的化学(一)氨基酸的结构(一)氨基酸的结构1、通式:- -氨基酸中氨基酸中碳原碳原子为不对称碳原子为不对称碳原子(除甘氨酸)子(除甘氨酸) 氨基酸的化学氨基酸的化学由通式可得出:由通式可得出:1)组成蛋白质的aa都是-氨基酸 (除脯氨酸 亚 氨基酸外) ;2)不同aa仅R链不同;3)除甘氨酸外,其余aa的-碳原子 均为不对称碳原子。2 2、 - -氨基酸的构型:氨基酸的构型:p构型:由于基团或原子在空间排列的不 对称性而引起的光学活性立体结构 称立体构型。p立体构型: 氨基在左为L-型; 氨基在右为D
7、-型p天然pr中的aa均为L-型;p两型aa的生理功能不同。氨基酸的化学氨基酸的化学3 3、 - - 氨基酸具旋光性氨基酸具旋光性p左旋(-):能使偏振光向左;p右旋(+):能使偏振光向右。p旋光特性表示: 比旋光度D, L-氨基酸比旋光度见P3表1-2氨基酸的化学氨基酸的化学 构型与比旋光度无直接对应关系构型与比旋光度无直接对应关系p氨基酸的旋光性和旋光角度与R基团的性质及测定时溶液的pH有关;p当某氨基酸以等量L、D型混合时,旋光抵消,称外消旋;p化学合成所得氨基酸为D、L各半的混合物,称DL型,无旋光性,可用化学或生化方法将二型分开,此时才表现出旋光性。氨基酸的化学氨基酸的化学(二)氨基
8、酸的种类及结构(二)氨基酸的种类及结构1、按结构可分为:(1)脂肪族侧链:氨基酸的化学氨基酸的化学甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 丝氨酸脯氨酸苏氨酸2 2)芳香族侧链:)芳香族侧链: 苯丙氨酸 酪氨酸 色氨酸 3 3)含硫侧链:)含硫侧链:半胱氨酸甲硫氨酸4 4)含氮碱性侧链:)含氮碱性侧链: 组氨酸 赖氨酸 精氨酸 5 5)酸性及酰胺侧链:)酸性及酰胺侧链: 天冬氨酸 谷氨酸 天冬酰胺 谷氨酰胺2 2、按、按R R基团的极性分:基团的极性分: 极性氨基酸: 极性不带电荷:丝、苏、天冬酰胺、 谷氨酰胺、酪、半胱、 极性带正电荷:天冬、谷、 极性带负电荷:组、赖、精、非极性氨基酸:甘、
9、丙、缬、亮、异亮、 苯丙、甲硫、脯、色、氨基酸的化学氨基酸的化学3 3、按人体是否可合成来分:、按人体是否可合成来分:p必需氨基酸:机体不能自身合成,必须由食物供给的氨基酸。 赖、色、苏、缬、甲硫、亮、异亮、苯丙p半必需氨基酸:人体可合成,但幼儿期合成速度不能满足需要。 组*、精*、p非必需氨基酸:机体可自身合成的氨基酸。氨基酸的化学氨基酸的化学4 4、在有些蛋白质中存在的氨基酸及其、在有些蛋白质中存在的氨基酸及其衍生物:衍生物:p胱氨酸:2个半胱氨酸脱氢形成胱氨酸羟脯氨酸(胶原蛋白)鸟氨酸(甲状腺蛋白)5 5、非蛋白质氨基酸:、非蛋白质氨基酸:p L-瓜氨酸、 L-鸟氨酸:参加尿素循环;p
10、-丙氨酸:维生素前体;p-氨基丁酸:神经递质;p D-谷氨酸、 D-丙氨酸:细菌细胞壁的组分。氨基酸的化学氨基酸的化学(三)氨基酸的重要理化性质(三)氨基酸的重要理化性质1、一般物理性质:2、两性解离与等电点(两性性质):(1)氨基酸为两性电解质: 氨基酸的化学氨基酸的化学(2 2)aaaa解离方式取决于所处环境的解离方式取决于所处环境的pHpH:氨基酸的化学氨基酸的化学pH1pH 11pH6在电场中,阳离子向负极移动;阴离子向阳极移动;调整pH,使aa净电荷为零时,aa既不向阳极也不向阴极移动。(3 3)等电点)等电点(isoelectric point, isoelectric point
11、, 缩写为缩写为pIpI)规定aa净电荷为为零时的pH为该aa的等电点氨基酸的化学氨基酸的化学pH1pH 11pH6(4 4)pIpI的测定:的测定:p基于aa所带基团均可解离;p酸碱滴定法;p得到弱酸弱碱曲线;p根据aa上可解离基团的pK值计算等电点: pK:解离常数。 以甘氨酸为例:氨基酸的化学氨基酸的化学由此可知:由此可知:p在生理pH内,aa 的羧基和氨基全部解离;p具有这种性质的物质称两性电解质;p带有相反基团的分子叫两性离子;p滴定中Gly的阳离子(R+)、阴离子(R-)和两性离子(R)的比例随pH而变;p当溶液中只有两性离子时, pH = pI (5 5)等电点的计算)等电点的计
12、算由式可知解离常数:氨基酸的化学氨基酸的化学R-R+R K1=RH+ R+K2=R+R-H+ 由此可知: 已知在pI时, R+= R-,整理可得:K1 K2 =R+=RH+ R K2K1R-=H+ RH+ K1=R K2H+ H+ 2两边取负对数: -lg H+ 2 = - lg K1 - lg K2 -lg H+ = pH - lg K1 = pK1 - lg K2 = pK2 2 pH = pK1 + pK2令 pI为等电点时的pH,则 pI = ( pK1 +pK2)Gly:pI = (2 .4 + 9.6) = 5.97由此可知由此可知: : 等电点相当于该等电点相当于该aaaa两性离
13、子状态两侧两性离子状态两侧 基团基团pKpK值之和的一半。值之和的一半。 A、对侧链R基不解离的中性氨基酸: pI=1/2( pK1+ pK2)即:等电点pH值与离子浓度无关,只取决于兼性离子两侧基团的pK值。B B、对有三个可解离基团的氨基酸:、对有三个可解离基团的氨基酸: 如:酸性氨基酸、碱性氨基酸的pI计算: a、先写出其解离公式; b、后取兼性离子两侧基团的pK值的平 均值。如:天冬氨酸如:天冬氨酸如赖氨酸:如赖氨酸:总结总结 a、各种aa的pI不同; b、同一pH下,各种aa所带电荷不同; pHpI :aa+ pHpI:aa- 用离子交换、电泳将aa分开 c、处于pI时,aa溶解度最
14、小,易沉淀; 可分离aa。3 3、紫外吸收性质:、紫外吸收性质:p只有芳香族氨基酸有紫外吸收能力,因其含有苯环共轭双键的R侧链。p酪氨酸 max:270nmp苯丙氨酸max :259nmp色氨酸 max :279nm 所以,测样品280nm处的光吸收值,可知溶液中蛋白质浓度。此法快速简便。4 4、氨基酸的重要化学性质、氨基酸的重要化学性质(1)与茚三酮的反应: -氨基酸与水合茚三酮溶液共热,引起aa氧化脱氨、脱羧,水合茚三酮与反应产物(氨和还原型茚三酮)生成兰紫色化合物(Pro和Hyp呈黄色),色深与溶液中氨基浓度成正比。 氨基酸的化学氨基酸的化学应用:可定性或定量测定各种氨基酸。应用:可定性
15、或定量测定各种氨基酸。 a、根据颜色深浅,在570(440)nm处 测OD值,可知样品中氨基酸含量。 b、定量释放的CO2可用测压法测量,计 算出参加反应的aa量。 c、蛋白质和多肽亦可反应,但灵敏度差。氨基酸的化学氨基酸的化学其他化学反应其他化学反应p与二硝基氟苯(DNFB)的反应p与丹磺酰氯的反应p异硫氰酸苯酯的反应p与甲醛反应p与荧光胺的反应p与5,5-双硫基-双(2-硝基苯甲酸)的反应氨基酸的化学氨基酸的化学5 5、氨基酸的分离分析、氨基酸的分离分析氨基酸的化学氨基酸的化学(1)分配层析法: 一种溶质在两种互不相溶或几乎不相溶的溶剂中分配时,在一定温度下平衡后,溶质在 两相溶剂中的浓度
16、比值与其溶解度比值相等,此比值称分配系数. 如在酚-水系统分配时,每种aa有特定分配系数,依此可用逆流分配法分离.固定相: 借助一定支持物(如:纤维素、淀粉、硅胶等亲 水性不溶物质),以结合水为固定相。 流动相: 以与水不溶的有机溶剂(如:酚、正丁醇)为流 动相。方法: 流动相流过支持物,将分配系数不同的氨基酸分 开,以茚三酮显色,形成色谱,扫描定量,或洗 脱后比色定量。氨基酸的化学氨基酸的化学2 2)氨基酸分离纯化方法)氨基酸分离纯化方法分配柱层析氨基酸的化学氨基酸的化学纸层析纸层析p薄层层析(将纸换成纤维素、硅胶、氧化铝等)p离子交换柱层析(全自动氨基酸分析仪)p气相色谱(气相色谱仪)p高
17、效液相色谱四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构构型:指在立体异构体中取代原子或基团在空间的取向。构象:指这些取代基团在单键旋转时可能形成的不同的立体异构体。蛋白质的构象:指蛋白质特有的空间结构。蛋白质结构有不同的组织层次:(一)蛋白质的一级结构(一)蛋白质的一级结构 蛋白质的一级结构是以肽键连接aa的线性序列。1、肽和肽键的结构: p肽(peptide):一个氨基酸的-羧基和另一氨基酸的-氨基脱水缩合而成的化合物。四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构2 2、肽链的基本连接方式、肽链的基本连接方式肽键肽键p肽键(peptide bond):为1个氨基酸的-氨基和另一氨基酸
18、的-羧基之间脱水后形成的共价键,即酰胺键。p此为蛋白质中氨基酸连接的基本方式。1)肽键具高度稳定性;2)具双键性质,不能自由转动;3)肽单元呈平面化和刚性性质;4)C=O与NH反式排列。 四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构3 3、肽链间、肽链间/ /内的连接内的连接二硫键:二硫键:四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构概念:由肽链中相应部位上两个半胱氨 酸脱氢连接而成,此称胱氨酸残 基,是连接肽链内或肽链间的主 要桥键。 功能:稳定肽链空间结构;赋予一定生 物活力。四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构二硫键的连接,二硫键的连接,种类有多种种类有多种例:胰岛素例:胰岛素胰脏中胰岛-细胞分泌的一种蛋白质激素。
19、功能:降低血糖。结构: A链:21aa;B链:30aa; 链间有两对二硫键; 在A链内aa6和aa11间 以二硫键连成小环。如:牛胰岛素 四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构多肽(多肽(polypeptide)polypeptide):多个氨基酸以肽多个氨基酸以肽键键 连接方式形成连接方式形成. . p书写习惯:左N右C;一端是游离氨基;另一端为游离羧基。p肽链中的氨基酸已非完整分子,称氨基酸残基(animo acid residue);四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构4 4、天然存在的活性肽、天然存在的活性肽活性肽(active peptide):存在于生物体内,具各种特殊生物学功能的肽。 四、
20、蛋白质的结构四、蛋白质的结构p谷胱甘肽(GSH):p多肽激素:如催产素、加压素、肾上腺皮质激素、胰高血糖素、舒缓激肽等;p脑肽:脑啡肽、内啡肽:p抗生素:如短杆菌肽、放线菌素Dp毒素等5 5、蛋白质一级结构测定的一般方法、蛋白质一级结构测定的一般方法(1)间接法: 测定cDNA序列推出mRNA序列,分析蛋白质aa组成 .四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构mRNA逆转录酶cDNA(2)(2)直接法直接法: :1)确定氨基酸组成: 酸解、分离、显色、定量测定; 2)氨基酸末端分析: N末端分析: 异硫氰酸苯酯(PITC法) 2,4-二硝基氟苯法 (DNFB) 丹磺酰氯法(DNS法) C末端分析: 化
21、学法、羧肽酶法p化学法:溴化氰及无水溴化氰.p酶解法:胰蛋白酶、糜蛋白酶、 氨肽酶、羧肽酶。 四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构3 3)将多肽特异地裂解成较小的肽:)将多肽特异地裂解成较小的肽:4 4)用)用EdmanEdman方法分析各小肽的氨基酸序列方法分析各小肽的氨基酸序列p与异硫氰酸苯酯(PITC)的反应。5 5)将已知序列各肽段重叠,确定整)将已知序列各肽段重叠,确定整 个肽链的氨基酸顺序。个肽链的氨基酸顺序。 (二)蛋白质的空间结构(二)蛋白质的空间结构概念:Pro空间结构又称Pro的构象(高级结构),指Pro分子中所有原子和基团在三维空间的排列及肽链的走向。四、蛋白质的结构四、蛋白
22、质的结构血红蛋白四级结构纤维状蛋白分子纤维状蛋白分子:种类:角蛋白、胶原蛋白、血纤维蛋白、肌纤维蛋白。功能:在生物体内保护、支持、结缔功能。四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构胶原蛋白(2 2)球蛋白分子:)球蛋白分子:种类:血红蛋白、肌红蛋白、清蛋白、球 蛋白、酶蛋白、激素蛋白、抗体等。1 1、蛋白质分子中的非共价键:、蛋白质分子中的非共价键:四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构(1)氢键: 羧基上的氧与亚氨基上的氢原子所形成。 作用:链内维持二级结构;链间为三、 四级结构所需。(2)疏水键:aa非极性侧链形成。 作用:维持三级结构。(3 3)盐键:盐键:p带正负电荷的侧链通过静电引力形成。(4)范
23、德华力:p中性分子或原子间的作用力。四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构次级键的特点与作用次级键的特点与作用p键能弱;p数量多。所以,在维持蛋白质空间结构中起重要作用。2 2、蛋白质的二级结构、蛋白质的二级结构指蛋白质多肽链本身的折叠和盘绕形式;p- 螺旋结构p- 折叠结构p- 转角结构p自由回转四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构(1 1) - - 螺旋螺旋( (-helix) -helix) p因肽链中aa残基中的-NH与前三个aa的C=O间可形成氢键,使得肽链呈螺旋状盘曲。p氢键取向几乎与中心轴平行。四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构(2 2) - -折叠折叠( (-pleated sheet)
24、-pleated sheet) 结构特点: 肽链伸展,按层排列, 在肽链的不同区段或不同肽链间形成氢键,维持结构的稳定性。四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构- -折叠有两种类型折叠有两种类型平行:所有肽链的N端处于同一端,氢键不与肽链走向垂直。如: - 角蛋白。 四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构反平行:肽链的N端不处于同一端,氢键与肽链走向垂直。如:丝心蛋白。(3 3)- - 转角转角( (- turn)- turn)p链内形成氢键,多肽链出现180的回折。此回折角称- 转角结构。 p此结构广泛存在球状蛋白中。四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构(4 4)自由回转)自由回转(random coil)
25、(random coil)(亦称无规则卷曲、自由绕曲)p指无规律的松散肽链结构。通常酶蛋白的功能部位在此。2 2、超二级结构、超二级结构(supersecondary structures)(supersecondary structures)四、蛋白质的结构四、蛋白质的结构p指若干相邻二级结构单元组合彼此相互作用,形成有规则的在空间上能辨认的二级结构组合体。此为二级结构与三级结构间的一种过渡构象。如:,;等。3 3、结构域、结构域(domains)(domains):p多肽链在超二级结构基础上进一步绕曲折叠而成的相对独立的三维实体称结构域。p具有部分生物学功能。四、蛋白质的结构四、蛋白质的结
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