生物化学

第1章 绪论 生物化学（biochemistry）是一门研究生物体的化学组成、结构和功能，以及生命活动过程中发生的各种化学变化规律的基础生命学科。生物化学研究的早期主要采用物理学、化学和数学的原理和方法研究生命现象，随着研究的发展，又融入了生理学、细胞生物学、遗传学、免疫学和生物信息学等理论和技术，来探讨生物大分子的结构与功能、物质代谢与调节，以及遗传信息传递与调控。20世纪50年代，生物化学进入了以研究生物大分子的结构与功能，进而阐明生命现象本质为核心的分子生物学时期，揭示了生命本质的高度有序性和一致性，是人类在生命认识上的一次重大飞跃。近年来迅猛发展的生物化学学科硕果累累，促进了相关学科和交叉学科，特别是医学的发展，已成为生命科学领域的重要前沿学科。 一、生物化学的发展简史 1903年德国化学家纽伯格（Neuberg）提出了英文“ biochemistry”。生物化学在20世纪初才发展成一门独立的学科，并在20世纪蓬勃发展，成为生命科学领域重要的前沿学科之一。其发展历程可分为三个阶段。 （一）叙述生物化学阶段 18世纪中叶至19世纪末是生物化学发展的初期阶段，又称为静态生物化学阶段，主要研究生物体的化学组成，并对其进行分离、纯化、合成、结构测定及理化性质的研究。这期间取得的主要成就如下：较为系统地研究了糖类、脂质及氨基酸的性质；发现了生物氧化的本质；发现并分离了核酸；发现了维生素对人体的作用；从血液中分离了血红蛋白，证明“血液的红色是由血红蛋白的颜色引起的”；证实了蛋白质是由氨基酸组成的，提出了蛋白质分子的多肽学说，并化学合成了简单的多肽；体外合成了尿素和嘌呤；发现酵母发酵过程中存在“可溶性催化剂”，奠定了酶学的基础等。 （二）动态生物化学阶段 从20世纪初期开始，生物化学蓬勃发展，进入了动态生物化学阶段，重点研究生物分子的代谢变化。例如，在营养方面发现了必需氨基酸、必需脂肪酸和维生素；在内分泌方面，发现了垂体激素、胰岛素、胰高血糖素、雌二醇、孕酮等多种激素，并将其分离、合成；在酶学方面，认识到酶的化学本质是蛋白质，酶晶体制备获得成功；在物质代谢方面，糖代谢途径的酶促反应过程、脂肪酸β氧化、尿素合成途径及三羧酸循环等代谢途径已基本确定。在生物能研究中，提出了生物产能过程中的 ATP循环学说。 （三）机能生物化学阶段（分子生物学阶段） 20世纪下半叶，生物化学发展的显著特征是分子生物学的迅速崛起。1950年提出的蛋白质二级结构形式α螺旋。1953年沃森（Watson）和克里克（Crick）提出的 DNA双螺旋结构模型为揭示遗传信息传递规律奠定了基础，是生物化学发展进入分子生物学时期的重要标志。20世纪60年代提出了遗传信息传递的中心法则，破译了遗传密码。20世纪70年代重组 DNA技术的建立使人们主动改造生物成为可能。转基因技术、基因敲除技术、基因芯片技术相继出现，使人类对疾病进行基因诊断和基因治疗成为可能。1985年聚合酶链反应（PCR）技术的出现，使人们在体外高效扩增 DNA成为可能。20世纪末启动的人类基因组计划（Human Genome Project，HGP）是人类生命科学中的又一伟大创举，揭示了人类遗传学图谱的特点，将为人类的健康和疾病的研究带来根本性变革。继 HGP之后，功能基因组研究迅速崛起，当前的蛋白质组学已成为生物化学的又一研究热点。科学家们在1998年和2000年多次提到“功能 RNA组的研究”，由此产生了 RNA组学概念，继而又产生了代谢组学、糖组学等学科。组学的发展使人类对生命的认识又从单个分子的研究回归整体，有利于揭示生命的奥秘。 二、生物化学的研究内容 （一）生物体的物质组成、结构与功能 生物体的组成成分包括无机化合物、有机小分子和生物大分子。无机化合物主要包括水和无机盐；维生素、氨基酸、葡萄糖、脂肪酸和核苷等是具有重要生物活性的有机小分子。蛋白质、核酸和多糖等都是生物大分子，它们都是由其基本结构单位按一定的顺序和方式连接而成的多聚体，分子量一般大于104。生物大分子的重要特征之一是具有信息功能，如核酸是遗传信息的载体、作为生命活动执行者的蛋白质是遗传信息的表达产物，因此生物大分子也称为生物信息分子。 对生物大分子的研究，除了确定其一级结构外，重点是研究其空间结构与功能的关系。结构是功能的基础，而功能则是结构的体现。此外，生物大分子还可通过分子之间的相互识别和相互作用来实现其功能。例如，核酸、蛋白质自身之间、蛋白质与核酸之间的相互作用在基因表达的调控中发挥着重要的作用。由此可见，分子结构、分子识别和分子间的相互作用是目前生物化学研究的热点之一。 （二）物质代谢与调节 生物体的基本特征是新陈代谢，即机体不断地与外环境进行物质交换，摄入养料排出废物，以维持其内环境的相对稳定。体内的物质代谢主要包括糖代谢、脂代谢、蛋白质代谢及核苷酸代谢，也包括水和无机盐等无机小分子的代谢。物质代谢过程都是由其相应的一系列酶促反应构成的，各物质代谢途径既相互联系，又相互制约，按照一定的规律有条不紊地进行，这是正常生命过程的必要条件。若物质代谢发生紊乱或代谢调节失控，都可引起疾病，如糖尿病、痛风病等。认识物质代谢及其调节对于我们认识生命活动的基本规律、探讨疾病的发病机制，以及预防和诊治疾病都具有重要意义。此外，细胞信息传递参与多种物质代谢及其相关的生长、增殖、分化等生命过程的调节。 （三）遗传信息的传递和表达 基因即 DNA或 RNA中具有特定遗传效应的核苷酸序列，是储存遗传信息的基本单位。基因信息传递包括 DNA的复制、 RNA的转录、蛋白质的翻译等一系列过程，涉及遗传、变异、分化、生长等生命过程，也与遗传性疾病、代谢异常性疾病、心血管病、恶性肿瘤、免疫缺陷性疾病等多种疾病的发病机制密切相关。因此，在生命科学特别是医学研究中，基因信息的研究越来越重要。随着基因工程技术的发展，许多基因工程产品将应用于人类疾病的诊断和治疗，尤其是近年来， RNA干扰、DNA重组、转基因、基因敲除、基因克隆、人类基因组及功能基因组研究等的发展，将大大推动这一领域的研究进程。 三、生物化学与医学的关系 生物化学是生命科学的重要学科之一，它的理论和技术已渗透到生物学、基础医学乃至临床医学的各个学科，是现代医学发展的重要支柱，为医学实践和医学研究提供了重要理论基础和技术手段。尤其是分子生物学的发展，促使生命科学的发展进入分子水平，由此产生了分子遗传学、分子病理学、分子生理学、分子药理学、分子免疫学等新兴学科。生物化学已经成为生物学各学科和医学各学科相 第2章 蛋白质的结构与功能 蛋白质（protein）是一类由氨基酸组成的生物大分子，是生命活动*主要的载体，更是遗传信息功能的执行者。蛋白质约占人体固体成分的45%。蛋白质种类繁多，结构复杂，在生命活动中发挥着重要的作用，如维持组织更新生长和修复、催化功能、调节功能、免疫保护、物质运输、营养功能、肌肉收缩、物质代谢调控、血液凝固、基因表达调控功能等。因此，蛋白质是生命活动的物质基础，没有蛋白质就没有生命。 第1节 蛋白质的分子组成 一、蛋白质的元素组成 蛋白质的元素组成主要有碳（50%～55%）、氢（6%～7%）、氧（19%～24%）、氮（13%～19%）和硫（0%～4%）等。有些蛋白质分子中还含有少量磷或者铁、铜、锌、锰、钴、钼等，个别蛋白质还含有碘元素。其中氮的含量相对恒定，平均为16%，由于体内的含氮物质主要是蛋白质，所以只要测定生物样品中的含氮量，即可推算出其蛋白质的大约含量。计算公式为 100g样品中蛋白质的含量（g）=每克样品中的含氮克数×6.25×100 二、蛋白质的基本组成单位——氨基酸 蛋白质受酸、碱或蛋白酶水解的游离终产物是氨基酸（amino acid，AA），因此氨基酸是组成蛋白质的基本结构单位。自然界中氨基酸有300余种，但构成人体蛋白质的氨基酸只有20种。 （一）氨基酸的结构特点 氨基酸是带有氨基的有机酸，其中直接与羧基（— COOH）相连的碳原子为α-碳原子，构成人体蛋白质的氨基酸的氨基（— NH2）或亚氨基（— NH—）均连接在α-碳原子上，因此被称为α-氨基酸，其结构通式如下： 其中， R代表侧链，各种氨基酸的差别就在于侧链不同。除甘氨酸（R=H）外，氨基酸的α-碳原子连接的4个原子或基团各不相同，为手性碳原子，因此氨基酸存在两种构型： L-型和 D-型，但组成蛋白质的氨基酸通常为 L-型氨基酸（甘氨酸除外）。 （二）氨基酸的分类 按 R基团的结构和理化性质的不同，可将20种氨基酸分为5类：非极性脂肪族氨基酸、极性中性氨基酸、芳香族氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸（表2-1）。 表2-1 20种编码氨基酸分类 这20种氨基酸都有各自的遗传密码，故又称编码氨基酸。此外，体内还有一些没有相应遗传密码的非编码氨基酸，如羟赖氨酸、羟脯氨酸分别由赖氨酸和脯氨酸在蛋白质翻译后的修饰过程中羟化生成；而鸟氨酸由精氨酸在物质代谢过程中产生。 （三）氨基酸的理化性质 1.两性解离与等电点由于氨基酸都含有碱性的α-氨基和酸性的α-羧基，可在酸性溶液中与质子（H+）结合成带正电荷的阳离子（—NH3+），也可在碱性溶液中与 OH–结合，失去质子变成带负电荷的阴离子（—COO–），因此氨基酸是一种两性电解质，具有两性解离的特性。氨基酸的解离方向取决于其所处的溶液的酸碱度。在某一 pH的溶液中，氨基酸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称为该氨基酸的等电点（pI）。 酸性氨基酸的等电点＜4.0，碱性氨基酸的等电点＞7.5，中性氨基酸的等电点为5.0～6.5。 2.紫外吸收性质 根据氨基酸吸收光谱，含有共轭双键的色氨酸、酪氨酸的*大吸收峰在280nm波长附近。由于大多数蛋白质含有酪氨酸和色氨酸残基，所以测定蛋白质溶液的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便方法。 3.与茚三酮反应 氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色的化合物，称为茚三酮反应。此化合物*大吸收峰在570nm波长处。由于此吸收峰值大小与氨基酸释放出的氨量成正比，因此该反应可作为α-氨基酸定量分析的依据。 三、肽键和肽 （一）肽键 在蛋白质分子中，氨基酸之间通过肽键（peptide bond）相连。肽键是由一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而成的酰胺键（—CO—NH—）（图2-1）。