生物化学与分子生物学

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3.碱性氨基酸：共3种，有精氨酸、赖氨酸 和组氨酸。R基团有极性，且解离，在中性 溶液中显碱性，亲水性强。
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4.酸性氨基酸：共2种，有天冬氨酸和谷氨酸。 R基团有极性，且解离，在中性溶液中显酸性 ，亲水性强。
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稀有氨基酸(常见氨基酸的衍生物）
OH
HC
CH2
H2N CH2 CH CH2 CH2 CH COOH
1959年，Uchoa发现了细菌的多核苷酸磷酸化酶， 成功地合成了核糖核酸，研究并重建了将基因内的遗 传信息通过RNA中间体翻译成蛋白质的过程。而 Kornberg则实现了DNA分子在细菌细胞和试管内的复 制。他们共同分享了当年的诺贝尔生理医 学奖。
1962年，Watson和Crick因为在1953年提出了DNA 的反向平行双螺旋模型而与Wilkins共享诺贝尔生理医 学奖，后者通过对DNA分子的X射线衍射研究证实了 Watson和Crick 的DNA模型。
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学科
总论 化学 物理 数学 生物
杂志总数 >10 3
平均引用指 >30杂志数 数
17.8
0
2
11.8
0
5
22.0
2
1
18.2
0
38
19.1
7
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下面让我们来看一看从1910年到现在分子生物学史上 的一些情况。
1910年，德国科学家Kossel获得了诺贝尔生理医学 奖，他首先分离出腺嘌呤、 胸腺嘧啶、和组氨酸。
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第二章 蛋白质的结构与 功能 Structure and Function of Protein
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蛋白质在生命过程中具有重要作用
几乎一切生命现象都要通过蛋白质的结构与功 能而体现出来
•收缩蛋白
•机体的运动
•酶 •贮存蛋白 •调节蛋白
•结构蛋白
•催化作用
•贮存功能 •调节代谢活动 •结构和支持作用
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1984年，Kohler、Milstein和Jerne由于发展了单克隆抗 体技术，完善了极微量蛋白质的检测技术而分享了诺 贝尔生理医学奖。
1988年，McClintock由于在20世纪50年代提出并发 展了可移动的遗传因子而获得诺贝尔生理医学奖。
1989年，Altman和Cech由于发现某些RNA具有酶的 功能（称为核酶）而共享诺贝尔化学奖。Bishop和 Varmus由于发现正常的细胞同样带有原癌基因而分享 当年的诺贝尔生理医学奖。
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三、蛋白质的分类
•蛋白质
类别
•单纯蛋 白质
•核蛋白
•举 例 •血清蛋白，球蛋白 •病毒核蛋白，染色体蛋白
•非蛋白成分 （辅基） •无
•核酸
•糖蛋白 •免疫球蛋白、粘蛋白，蛋白多糖
•糖类
•结 合
•脂蛋白
•乳糜微粒、低密度脂蛋白、极度密度脂 蛋白、高密度脂蛋白
•各种脂类
蛋 白 质
•磷蛋白
•色素蛋 白
生物化学与分子生物学
2020年5月26日星期二
生物化学（Biochemistry）是研究生 命本质的科学。应用化学的理论技术 及物理学、免疫学等原理和方法来研 究生物体的 化学组成、化学变化及其
在生命活动中的作用的科学。
Biochemistry Seeks to Explain Life in Chemical Terms
❖ 动态生物化学时期（二十世纪前半叶） 研究生物体内物质的变化即物质代谢途径及
其动态平衡
❖分子生物学时期（二十世纪五十年代以后） 分子生物学的崛起及蓬勃发展，主要特点是研究
生物大分子的结构与功能。
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重要贡献:
对脂类、糖类和氨基酸的性质进行了较为系统 的研究
发现了核酸 化学合成了简单多肽 酵母发酵过程中“可溶性催化剂”的发现，奠定
多个解离基团的等电点计算： pI=1/2（pkR+ pk2）
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❖其他性质
❖ 紫外吸收
色氨酸、酪氨酸 含有苯环共轭双 键，在紫外光区 280nm具有最大 吸收峰
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*茚三酮反应
常用于氨基酸的定性、定量分析
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二、肽
肽和肽键
肽(peptide)：一分 子氨基酸的氨基和 另一分子氨基酸的 羧基脱水缩合生成 的化合物 肽键(peptide bond)：一分子氨基酸的氨基和 另一分子氨基酸的羧基脱水缩合生成的酰氨键
•酪蛋白、卵黄磷酸蛋白 •血红蛋白、黄素蛋白
•磷酸 •色素
•金属蛋 白
•铁蛋白、铜兰蛋白
•金属离子
•结合蛋白质=蛋白质+辅基
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根据形状分类：
球状蛋白质：分子接近球形，如血红蛋白、肌 红蛋白
纤维状蛋白质：分子类似纤维，如胶原蛋白、弹 性蛋白
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第二节 蛋白质的分子结构
•一级结构 •二级结构
•三级结构
1975年，Temin和Baltimire由于发现在RNA肿瘤病毒 中存在以RNA为模板，逆转录生成DNA的逆转录酶而 共享诺贝尔生理医学奖。 1980年，Sanger因设计出一 种测定DNA分子内核苷酸序列的方法而获得了诺贝尔 生理医学奖。DNA序列分析法至今仍被广泛应用，是 分子生物学最重要的研究手段之 一。
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二、蛋白质的二级结构(secondary structure)
定义：蛋白质分子中某一段肽链的局部空间 结构。
是肽链中各主链原子在各局部 空间的排列分布状况，不涉及 R侧链的空间排布。
了酶学基础
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重要成果
营养学：发现了人类必需氨基酸、必需脂肪酸 和多种维生素
内分泌：发现了多种激素，并将其分离、合成 酶学：酶结晶获得成功 物质代谢：对生物体内主要物质的代谢途径已
基本确定
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•近年来生物化学的研究进展
DNA双螺旋结构的提出
重组DNA技术
PCR、转基因(transgene)、基 因剔除（gene knock out）等
HC
CH2 COOH
OH
NH2
NH
4-羟基脯氨酸
5-羟赖氨酸
非蛋白质氨基酸
如：D-谷氨酸、D-苯丙氨酸等
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（三）氨基酸的理化性质
两性解离及等电点(isoelectric point)
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等电点计算公式：pI=1/2（pk1+ pk2）
Pk1和 pk2分别为-羧基和-氨基的解离常数的负对数
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• 分子生物学是研究核酸、蛋白质 等所有生物大分子的形态、结构特征 及其重要性、规律性和相互关系的科 学。 • 分子生物学(molecular biology)是 生物化学的重要组成部分。
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• 生物化学的发展简史
❖静态生物化学时期（二十世纪二十年代之前）
对生物体各种组成成分进行分离、纯化、结构测定、合 成及理化性质的研究
•四级结构
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•空间结构
•(conformatio n)
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一、蛋白质的一级结构(primary structure)
定义：蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。
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Human Insulin Amino Acid Sequence
MALWMRLLPLLALLALWGPDPAAAFVNQHL CGSHLVEALYLVCGERGFFYTPKTRREAED LQVGQVELGGGPGAGSLQPLALEGSLQKR GIVEQCCTSICSLYQLENYCN
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一、组成蛋白质的基本单位——氨基酸 （amino acid）
（一）氨基酸的结构通式：
•α
•α
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（二） 氨基酸的分类
1. 非极性氨基酸：7种，包括5种脂肪族氨 基酸、苯丙氨酸、一般脯氨酸也列入此类 。它们的R基团具有疏水性，不易溶于水 。一般说来其侧链越大，疏水作用也越强 。
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2. 极性氨基酸：8种，包括3种含羟基氨 基酸（酪氨酸、丝氨酸和苏氨酸）、色 氨酸和蛋氨酸、2种酰胺氨基酸、和半胱 氨酸。它们的R基团有极性，但不解离， 或仅极弱地解离，有亲水性。半胱氨酸 和酪氨酸的侧链极性最强。
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肽键平面
•图1-7、肽键平面
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❖ 二肽、三肽……寡肽(oligopeptide)（<10），多肽 (polypeptide)
❖ 氨基酸残基(residue)、氨基末端(amino terminal ) （N末端）、羧基末端(carboxyl terminal)（C末端 ）
❖ 蛋白质和多肽在分子量上很难划出明确界限
组成蛋白质的基本元素
碳：50～55% 氢：6%～7% 氧：19%～24% 氮：13%～19% 硫：0～4% 有的还含磷，少数含铁、铜、锌、锰、钴 、钼等
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蛋白质平均含氮量16%，比较接近 由样品中的氮元素含量推算蛋白质含量
：
每克样品中含氮克数×6.25×100=100克 样品中蛋白质含量(克%) 100克样品中蛋白质含量(克%) *16%=每克 样品中含氮克数*100
的测序工作 2000年6月，全部基因的百度文库序工作完成 2001年2月，人类基因组图谱完成
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我国生物化学的发展
公元前已有运用生物化学知识和技术的先例 吴宪创立了血滤液和血糖测定法 1965年首先合成了具有生物活性的胰岛素 1981年成功合成了酵母丙氨酰tRNA 近年来，在基因工程、蛋白质工程、人类基因
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生物化学与医学的关系：密切相关、相互促进
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生物化学
• •病理学 •药理学 •免疫学•遗传学•生理学
临床医学的发展也要经常运用生物化学的理论和方法诊断 、治疗和预防疾病，而且许多疾病的发生机理也需要从分
子水平上加以探讨。
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生物化学对现在及未来医学的影响
•对疾病机理的认识深入到分子水平 •改变现有的医生看病模式 诊断技术的更新 治疗方法的突破 给未来的器官移植带来福音 流行病防治将有大改观 基因保健品和基因化妆品将被广泛应用 药物基因组学将成为药物开发的主战场 延长人类寿命
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1965年，Jacob和Monod由于提出并证实了操纵子作
为调节细菌代谢的分子机制而获得了诺贝尔生理医学 奖。同时他们还预言了mRNA分子的的存在。
1969年Nirenberg由于在破译DNA遗传密码方面的贡 献，与Holly和Khorana等人分享了诺贝尔生理医学奖。 Holly的主要功绩在于阐明了酵母丙氨酸tRNA的核苷酸 序列，并证实所有tRNA具有结构上的相似性，而 Khorana第一个合成了核酸分子， 并且人工复制了酵母 基因。
组计划以及新基因的克隆和功能研究取得了重 要成果
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生物化学研究的主要内容
•生物分子的结构与功能
核酸、蛋白质分子的结构及其与功能间的关系
•物质代谢及其调节
代谢途径及其调节的分子机制
•基因信息传递及其调控
基因信息传递过程的机制及基因表达时空调控 的规律
•信号转导与基• 因工程
二十一世纪是现代生物科学的世纪 生物科学是当代自然科学中发展最迅速、 对人类的生存和自身发展影响最大的学科 领域之一。统计美国“科学引文索引（SCI ）”收录的4500余种学术刊物，发现有2350 种左右为生物科学相关杂志！统计全世界 引用指数（Impact factor）在10以上的超一 流学术刊物，也发现80%左右（97年48种 刊物中有38种）是生物科学相关刊物。
核酶(ribozyme)的发现
人类基因组计划(human genome project)
后基因组研究（蛋白质组学proteomics ）
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1985年5月，加州大学校长Robert提出测定人类 基因组全序列
1986年3月，诺贝尔奖获得者Dulbecco首次提出 人类基因组计划的概念
1990年10月，正式启动人类基因组计划 1999年7月，中国科学院遗传研究所承担了1%
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常见的生物活性肽
谷胱甘肽（glutathione,GSH）：机体内重
要的还原剂
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多肽类激素
催产素（9肽）、加压素（9肽） 、促肾上腺 皮质激素（39肽） 、促甲状腺释放激素（3肽 ）
神经肽(neuropeptide)：在神经传导过程中起
信号转导作用
脑啡肽（5肽） 、内啡肽（31肽） 、强啡肽 （17肽）等
1993年，Roberts和Sharp由于在断裂基因方面的工 作而荣获诺贝尔生理医学奖。 Mullis由于发明PCR仪而 与第一个设计基因定点突变的Smith共享诺贝尔化学奖 。
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1994年，Gilman和Rodbell由于发现了 G蛋白在细胞内信息传导中的作用而分享 诺贝尔生理医学奖。 1995年，Lewis、Nusslei-Volhard和 Wieschaus由于在20世纪40~70年代先后 独立鉴定了控制果蝇体节发育基因而分 享诺贝尔生理医学奖。
•转运蛋白
•转运功能
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蛋白质是生命现象的物质基础之一 蛋白质是机体内含量最丰富的高分子物质
了解蛋白质的结构和功能，是探求生命奥秘 过程中最基本的任务
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本章要点
蛋白质的组成：元素、基本单位 蛋白质的结构：结构层次 蛋白质结构与功能的关系 蛋白质的理化性质及分离纯化
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第一节、蛋白质的分子组成