生物化学--绪论、蛋白质

1、食 品 生 物 化 学 Food Biochemistry,食品生物化学讲授内容,第一章 绪论 第二章 蛋白质 第三章 核酸的化学 第四章 维生素 第五章 酶 第六章 生物氧化,第七章 糖类代谢 第八章 脂类代谢 第九章 含氮小分子代谢 第十章 核酸及蛋白质的生物合成 第十一章 物质代谢的关系与调节控制 第十二章 基因工程简介,生物化学的概念：生物化学是在分子水平上研究生物体的化学本质及生命活动中化学变化规律的科学 生物化学分类： 按照研究对象：动物、植物、微生物，总称为普通生物化学(general biochemistry) 按照应用领域：医学、食品、农业、工业等 按照研究领域：免疫、分化、进化等,第一章 绪论,生物化学的研究内容 静态生化：各种生命物质（糖、脂、蛋白质、核酸、酶、维生素、激素等）的组成、结构、性质等 动态生化：生命物质代谢与能量代谢 功能生化 ：生命物质的结构与功能的关系及对代谢的影响,生物化学与其它学科的关系 生物化学是一门交叉学科，从化学、营养学、生理学、微生物学、遗传学、细胞生物学等发展起来，并促进了这些学科的发展 生物化学也是一门独立的科学，主要研究生物分子

2、的结构、反应，如酶和生物催化过程、代谢途径及其控制、生命信息传递等过程的化学作用机理，揭示了生物分子作用的本质规律,生物化学的学科地位和重要性 生物化学揭示了生物分子作用的本质规律 生物化学是生命科学的基础与核心 生物化学是生物学革命的新工具 生物化学就不只是一门理论科学，而更是一门实验科学,生物化学的发展 在这些分子中, 对脂类的研究最早, 19世纪上半叶对其结构就有了较深入的理解。对糖的结构的认识多半要归功于Emil Fischer从1884年开始的研究工作。而发酵工业的发展,使酶学和代谢学有了发展, 化学与医学、生理学的结合则导致了维生素,激素, 必需氨基酸和必需脂肪酸的发现。对核酸的认识起步较晚, 在1870左右才注意到其存在, 19世纪末又是Emil Fischer对嘌啉进行了较深入的研究, 成为我们对核酸结构理解的开始。 生物化学在1920年以后开始进入高速发展期。,1897年 Buchner 发现酵母细胞质能使糖发酵 1902年 Fischer 肽键理论 1926年 Sumner结晶得到了脲酶,证明酶就是蛋白质 1935年 Schneider将同位素应用于代谢的研究 19

3、44年 Avery等人证明遗传信息在核酸上 1953年 Sanger的胰岛素氨基酸序列测定 Waston-Crick提出DNA双螺旋模型 1958年 Perutz等解明肌红蛋白的立体结构 1970年 发现了DNA限制性内切酶 1972年 DNA重组技术的建立 1978年 DNA双脱氧测序法的成功 1990年 人类基因组计划的实施,2001年完成,进入 后基因组时代,生物化学重大发展年代表,我国生物化学重大发展年代表,1965年 我国首次人工合成牛胰岛素 1981年 我国合成酵母丙氨酸tRNA 1982年 我国合成脑啡肽,Recommended Reading,沈同. 生物化学. 高等教育出版社. 李庆章. 生物化学. 中国农业出版社. 王镜岩. 生物化学. 高等教育出版社. 现代生物学精要速览-生物化学（英文-影印版）. 科学出版社.,第二章 蛋白质,第一节 蛋白质通论 第二节 氨基酸 第三节 肽 第四节 蛋白质结构与功能 第五节 蛋白质的性质,第一节 蛋白质通论,一 蛋白质概述 1 蛋白质(protein)：1883年命名，来源于希腊语 2 重要性：凡有生命必有蛋白质，蛋白质是生命的

4、体现者。蛋白质是结构功能最多、最活跃的分子，几乎在一切生命活动中起关键作用。,3 元素组成 蛋白质主要元素组成：C、H、O、N、S 及 P、Fe、Cu、Zn、Mn、I、Se 等微量元素 6.25为蛋白质系数,蛋白质平均含N量为16,这是凯氏 (Kjeldahl)定氮法测蛋白质含量的理论依据： 蛋白质含量蛋白质含N量6.25,二 蛋白质的分类 1 分类依据：蛋白质不能按化学结构分类（尽管结构与功能关系密切，但已知结构少） 2 三种分类方法（根据蛋白质分子形状、根据蛋白质组成、根据蛋白质的溶解性质）：按组成分类是常用的分类方法,（1）根据分子形状 球状蛋白(globular protein)：轴比小于10，易溶解，如血红蛋白、刀豆蛋白 纤维状蛋白(fibrous protein)：轴比大于10，不易溶解，如角蛋白、丝蛋白,（2）根据溶解度,（3）根据组成 单纯蛋白质(simple protein)：清蛋白、球蛋白、谷蛋白、精蛋白、组蛋白、硬蛋白等 结合蛋白(complex protein) 核蛋白（nucleoproteins，含核酸） 磷蛋白（phosphoproteins，含磷酸） 脂

5、蛋白（lipoproteins，含脂类构成膜） 糖蛋白（glycoproteins，含糖） 色蛋白（chromoproteins，含色素） 金属蛋白(metalloproteins) 黄素蛋白(flavoproteins),血红蛋白,三 蛋白质的生物学功能 （一）蛋白质功能的多样性 1 催化功能：酶 2 控制生长和分化：激素 3 转化和贮存功能：酪蛋白、卵蛋白 4 运动功能：肌动蛋白、肌球蛋白 5 结构支持作用：胶原蛋白 6 免疫保护作用：免疫球蛋白,7 代谢调节功能：钙调蛋白 8 接受和传递信息：受体 9 生物膜功能：膜蛋白 10 感染和毒性作用：蓖麻毒蛋白 11 运输功能：载脂蛋白、血红蛋白 （二）蛋白质功能的复杂性：如酶催化作用中表现的竞争性、可调节性等,第二节 氨基酸,蛋白质的基本单位-氨基酸（amino acid） 蛋白质分子量：10KDa以上，有的在几百KDa以上 蛋白质无论多大，经酸、碱、酶彻底水解后，均只得到一类成分各种-氨基酸 氨基酸是组成蛋白质的基本结构单位,一 氨基酸的结构特征 氨基酸：含有氨基的羧酸，羧酸中-碳原子上的H被NH2取代,-氨基和-羧基连在同一碳原子

6、上，统称-氨基酸（唯一的例外脯氨酸）,脯氨酸,氨基酸两性离子形式（解离形式，常在溶液和反应中存在）的结构式,除甘氨酸以外，其余氨基酸的碳原子都是不对称(手性)碳原子，因而氨基酸具有旋光性，并且每一种氨基酸都有D-型和L-型两种构型,甘氨酸,天然蛋白质中的所有氨基酸都是L-型氨基酸（例外：某些微生物和植物体中含有D-型氨基酸，如短杆菌肽中含有D-苯丙氨酸；细菌细胞壁中含有D-丙氨酸和D-谷氨酸），并且这些L-型氨基酸大多具有右旋性，少数左旋。,二 常见氨基酸20种构成蛋白质的基本氨基酸 中文名称、符号（3字母、单字母）、中文简称必须记住 20种基本氨基酸以外的稀有氨基酸：羟脯氨酸、羟赖氨酸、胱氨酸。它们没有遗传密码，是在蛋白质生物合成以后，经有关酶的催化修饰而形成的。,三 氨基酸的分类 （一）根据酸碱性质 酸性氨基酸 2种 Asp Glu -1氨基、2羧基 碱性氨基酸 3种 His Lys Arg -1羧基、多氨基 中性氨基酸 15种-1氨基、1羧基以及酰胺 （二）根据R-基的化学结构 芳香族氨基酸 3种 Phe Try Tyr -芳香环 杂环氨基酸 1种 His 咪唑基 杂环亚氨基酸

7、1种 Pro 氨基H被R基取代 脂肪族氨基酸 15种,（三）根据R-基的极性 非极性氨基酸R基含脂肪烃或芳香环 （8种）：丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、蛋氨酸（甲硫氨酸） 极性不带电的氨基酸R基含不解离极性基团与水形成氢键（ 7种）：丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、天冬酰氨、谷氨酰氨、半胱氨酸、甘氨酸 极性带正电荷的氨基酸即碱性氨基酸 （3种）： His Lys Arg 极性带负电荷的氨基酸即酸性氨基酸 （2种）：Asp Glu,非蛋白质氨基酸 约180种，多是L-型氨基酸衍生物。也有生物活性，不参与蛋白质的组成，以游离状态存在于生物体中，多为-氨基酸的衍生物，也有-、-、-氨基酸。如：-氨基丁酸-，鸟AA 必需氨基酸（essential amino acid） 指人（或其它脊椎动物）自己不能合成，必需从食物中获得的氨基酸，包括缬、亮、异亮、苯丙、色、苏、甲硫、赖,四 氨基酸的性质 氨基酸的物理性质 构型与旋光性：多L-型，除甘氨酸均有旋光性 溶解度：无色晶体，均溶于水、稀酸、稀碱中，但溶解度差异很大；不溶于有机溶剂，酒精可将其从溶液中析出 呈味性：酸、甜、苦、鲜

8、、咸。有些氨基酸为其盐的味，必需氨基酸多显苦味。谷氨酸、天门冬氨酸的钠盐为鲜味,（一）两性性质-氨基酸是弱两性电解质 氨基酸分子既含有酸性的羧基(-COOH)，又含有碱性的氨基（-NH2），因此，氨基酸是两性电解质(ampholyte) 其中的-COOH能放出质子(H+)，而变成-COO-；其中的-NH2能接受质子，而变成-NH3+。此时氨基酸为同一分子上带有正负两种电荷的偶极离子或称兼性离子，这是水中或结晶态的主要形式 。,等电点（isoelectric point，pI）：对某种氨基酸在某一特定的pH时，氨基酸以两性离子的形式存在，正负电荷相等，净电荷为零，在电场中不向任何一方移动。此时溶液的pH值，称为该氨基酸的等电点，用pI来表示。,pH = pI 净电荷=0 位置不动,pH pI 净电荷为正 移向负极,pH pI 净电荷为负 移向正极,(pK1),(pK2),不同的氨基酸，由于R基结构的不同，而有不同的等电点。在一定的实验条件下，等电点是氨基酸的特征常数。 当氨基酸处于等电点状态时，由于静电引力的作用，其溶解度最小，容易发生沉淀；利用这一特性可以从各种氨基酸的混合物溶液中分离

9、制取某种氨基酸 pI=1/2(pK1+pK2)。酸性AA的pI小（2-3），碱性AA的pI大（9-11）,（二）紫外吸收-芳香族AA具有特征性紫外（ Ultraviolet，UV）吸收 参与蛋白质组成的20种氨基酸在可见光区都没有光吸收；在紫外光区只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸有吸收光的能力。其最大吸收波长()分别为279、278、259nm。 酪氨酸和色氨酸的光吸收特性也是利用紫外分光光度计（在波长280nm处）测定蛋白质浓度的基础。,Try、Tyr、Phe的紫外吸收光谱,摩尔吸收系数,波长,凯氏定氮法 样品与硫酸一同加热消化, 分解有机质，释放出的NH3与硫酸结合成硫酸铵留在溶液中。在定氮消化瓶中，用氢氧化钠中和硫酸铵生成氢氧化铵，加热又分解NH3，用硼酸吸收, 用标定过的盐酸或硫酸滴定，从而计算出总氮量，换算为蛋白质量 UV法 在280nm波长下，直接测蛋白含量。根据Warburg公式 ，将吸光值转换为样品浓度,信息栏-蛋白质定量,拓展,Lowry法 蛋白质与Cu2+反应，产生蓝色的反应物。根据Lowry-kalckar公式计算 BCA法 蛋白在碱性溶液里与Cu2+反应产生Cu+，后者与BCA螯合，形成紫色化合物的吸收峰在562nm Bradford法 蛋白质与考马斯亮兰结合反应，产生的有色化合物吸收峰在595nm,（三）化学性质氨基酸的一些特殊反应用于定性与定量 1 由-氨基参与的反应 （1）与亚硝酸反应：产生氮气，其中一半来自氨基酸用来氨基酸定量和蛋白质水解程度测定 （2）与甲醛反应：甲醛将氨基保护，碱滴定羧基从而给氨基酸定量 （3）与,-二硝基氟苯（DNFB）反应（Sanger反应）：-NH2端反应，生成黄色产物鉴定氨基酸或蛋白结构测定,（4）酰化反应 （5）成盐反应：生成氨基酸盐酸盐 （6）形成西夫碱反应：引起食品非酶促褐变 （7）脱氨基反应 2 由-羧基参与的反应 （1）成盐反应 （2）成酯反应：曲酒酿造中，不同氨基酸所成的酯，具有不同香味 （3）酰化反应 （4） 脱羧基反应：生成有生物作用的胺 （5）叠氮反应,3 由-氨基和-羧基共同参与的反应 （1）茚三酮反应：（ninhydrin reac

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