生物化学总结

生物化学(biochemistry)就是研究生命化学的科学,它在分子水平上探讨生命的本质,即研究生物体的分子结构与功能,物质代谢与调节,遗传信息的传递与调控,及其在生命活动中的作用。

人们通常将研究核酸、蛋白质等所有生物大分子的结构、功能及基因结构、表达与调控的内容,称为分子生物学。所以分子生物学就是生物化学的重要组成部分。

一、生物化学发展简史

1.初期阶段(18世纪—20世记初)

生物化学的研究始于18世纪,但作为一门独立的科学就是在20世纪初期。主要研究生物体的化学组成。

2.蓬勃发展阶段(从20世记初—20世记中期)

主要在营养学,内分泌学,酶学,物质代谢及其调控等方面取得了重大进展。

3.分子生物学发展阶段(从20世纪中期至今)

主要有物质代谢途径的研究继续发展,重点进入代谢调节与合成代谢的研究。

另外,显著特征就是分子生物学的崛起。DAN双螺旋结构模型的提出,遗传密码的破译,重组DNA技术的建立等。

20世纪末始动的人类基因组计划(human genome project)就是人类生命科学中的又一伟大创举。

以基因编码蛋白质的结构与功能为重点之一的功能基因组研究已迅速崛起。当前出现的的蛋白质组学(proteomics)领域。

阐明人类基因组功能就是一项多学科的任务,因而产生了一门前景广阔的新兴学科-----生物信息学(bioinformatics)。

我国科学家对生物化学的发展做出了重大的贡献。

二、生物化学研究的主要内容

1.生物分子的结构与功能

2.物质代谢及其调节

3.基因信息传递及其调控

三、生物化学与医学

生物化学就是一门重要的医学基础课,与医学有着紧密的联系。

生物大分子通常都有一定的分子结构规律,即由一定的基本结构单位,按一定的排列顺序与连接方式而形成的多聚体。蛋白质与核酸就是体内主要的生物大分子,各自有其结构特征,并分别行使不同的生理功能。

酶就是一类重要的蛋白质分子,就是生物体内的催化剂。

本篇将介绍蛋白质的结构、功能;核酸的结核与功能;酶等三章。重点掌握上述生物大分子物质的结构特性,重要功能及基本的理化性质与应用,这对理解生命的本质具有重要意义。

蛋白质就是生物体含量最丰富的生物大分子物质,约占人体固体成分的45%,且分布广泛,所有细胞、组织都含有蛋白质。生物体结构越复杂,蛋白质的种类与功能也越繁多。蛋白质也就是机体的功能分子(working molecules)。它参与机体的一切生理活动,机体的各种生理功能几乎都就是通过蛋白质来完成的,而且在其中起着关键作用,所以蛋白质就是生命的物质基础。

第一节蛋白质的分子组成

Conformation of Protein Molecules

一、蛋白质的元素组成

组成蛋白质的元素除含有碳、氢、氧外都含有氮。有些蛋白质还含有少量硫、磷、铁、锰、锌、铜、碘等。

大多数蛋白质含氮量比较接近,平均为16%,这就是蛋白质元素组成的一个特点。

蛋白质的元素组成中含有氮,就是碳水化物、脂肪在营养上不能替代蛋白质的原因。

二、氨基酸

氨基酸(amino acid)就是组成蛋白质的基本单位。组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种。其化学结构式有一个共同特点,即在连接羧基的α碳原子上还有一个氨基,故称α氨基酸(除甘氨酸外)。

(一)氨基酸的结构

组成人体蛋白质的20种氨基酸,

各种氨基酸在结构上有下列特点。

1.组成蛋白质的氨基酸,除甘氨酸外,均属L-α-氨基酸。

2.不同的L-α-氨基酸,其侧链(R)不同。

(二)氨基酸的分类

根据氨基酸侧链R基团的结构与性质,可将20种氨基酸分成四类。

1、非极性疏水性氨基酸

2.极性中性氨基

3.酸性氨基酸

4.碱性氨基酸

在蛋白质的修饰过程中,蛋白质分子中20种氨基酸残基的某些基团还可被甲基化、甲酰化、乙酰化、异戊二烯化与磷酸化等。

(三)氨基酸的理化性质

1、两性解离及等电点:所有氨基酸都含有碱性的α-氨基与酸性的α-羧基,因此氨基酸就是一种两性电解质,具有两性解离的特性。

2、紫外吸收性质根据氨基酸的吸收光谱,含有共轭双键的色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在280nm波长附近。

3、茚三酮反应:可作为氨基酸定量分析方法。

三、肽(peptides)

㈠肽(peptide)

在蛋白质分子中由一分子氨基酸的α-羧基与另一分子氨基酸的α-氨基脱水生成的键称为肽键(peptide bond)。肽键就是蛋白质分子中基本的化学键。如由二个氨基酸以肽键相连形成的肽称为二肽,相互之间以肽键相连。二肽还可通过肽键与另一分子氨基酸相连生成三肽。此反应可继续进行,依次生成四肽、五肽……。由10个以内的氨基酸由肽键相连生成的肽称为寡肽(oligopeptide),由更多的氨基酸借肽键相连生成的肽称为多肽(polypepti de)。多肽就是链状化合物,故称多肽链(polypeptide chain)。多肽链中的氨基酸分子因脱水缩合而基团不全,故称为氨基酸残基(residue)。多肽链中形成肽键的4个原子与两侧的α-碳原子成为多肽链的骨架或主链。构成多肽链骨架或主链的原子称为主链原子或骨架原子,而余下的R基团部分,称为侧链。多肽链的左端有自由氨基称为氨基末端(aminotermi nal)或N-端,右端有自由羧基称为羧基末端(carboxylterminal)或C-端。把含有51个氨基酸残基、分子量为5733的胰岛素称作蛋白质。这似乎就是习惯上的多肽与蛋白质的分界线。

㈡生物活性肽

⒈谷胱甘肽(glutathione, GSH) GSH就是由谷、半胱与甘氨酸组成的三肽。第一个肽键与一般不同,由谷氨酸γ-羧基与半胱氨酸的氨基组成,分子中半胱氨酸的巯基就是该化合物的主要功能基团。

⒉多肽类激素及神经肽

第二节蛋白质的分子结构

Molecular Structure of Protein

人体的蛋白质分子就是由20种氨基酸借肽键相连形成的生物大分子。每种蛋白质都有其一定的氨基酸组成及氨基酸排列顺序,以及肽链特定的空间排布。从而体现了蛋白质的特性,就是每种蛋白质具有独特生理功能的结构基础。蛋白质分子结构分成一级结构、二级结构、三级结构、四级结构4个层次,后三者统称为空间结构、高级结构或空间构象(conformation)。蛋白质的空间结构涵盖了蛋白质分子中的每一原子在三维空间的相对位置,它们就是蛋白质特有性质与功能的结构基础。由一条肽链形成的蛋白质只有一级结构、二级结构与三级结构,由二条或二条以上肽链形成的蛋白质才可能有四级结构。

一、蛋白质的一级结构

蛋白质中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构(primary structure)。肽键就是一级结构的主要化学键。有些蛋白质还包含二硫键,即由两个半胱氨酸巯基脱氢氧化而成。

目前已知一级结构的蛋白质数量已相当可观,并且还以更快的速度增长。国际互联网有若干重要的蛋白质数据库(updated protein databases),收集了大量最新的蛋白质一级结构及其她资料,为蛋白质结构与功能的深入研究提供了便利。

二、蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构(secandary structure)就是指蛋白质分子中某一段肽链的局部空间结构,也就就是该段肽链主链骨架原子的相对空间位置。不涉及氨基酸残基侧链的构象。蛋白质的二级结构主要包括α-螺旋、β-折叠、β-转角与无规卷曲。

(一)肽单元

构成肽键的4个原子与与其相邻的两个α碳原子(Cα)构成一个肽单元(peptide unit)。由于参与肽单元的6个原子——Cα1、C、O、N、H、Cα2位于同一平面,故又称为肽平面。

(二)α-螺旋

α-螺旋(α-helix):蛋白质分子中多个肽单元通过氨基酸α-碳原子的旋转,使多肽链的主链围绕中心轴呈有规律的螺旋上升,盘旋成稳定的α-螺旋构象。α螺旋靠氢键维持。若氢键破坏,则α-螺旋构象即遭破坏。

(三)β-折叠(β-pleated sheet)

每个肽单元以Cα为旋转点,依次折叠成锯齿状结构, 氨基酸残基侧链交替地位于锯齿状结构的上下方,氢键就是维持β-折叠结构的主要次级键。

(四)β-转角(β-turn)与无规卷曲(random coil)

β-转角伸展的肽链形成180°回折,即U形转角结构。无规卷曲系指没有确定规律性的那部分肽链构象。

(五)模体(motif)

在许多蛋白质分子中,可发现二个或三个具有二级结构的肽段,在空间上相互接近,形成一个特殊的空间构象,被称为模体。一个模序总有其特征性的氨基酸序列,并发挥特殊的功能。如在许多钙结合蛋白分子中通常有一个结合钙离子的模序。它由α-螺旋-环-α-螺旋三个肽段组成。锌指结构(zinc finger)也就是一个常见的模体例子。此模体由1个α-螺旋与2个反平行的β-折叠三个肽段组成。由于Zn2+可稳固模体中α-螺旋结构,致使此α-螺旋能镶嵌于DNA的大沟中,因此含锌指结构的蛋白质都能与DNA或RNA结合。可见模体的特征性空间构象就是其特殊功能的结构基础。