《高级生物化学 Advanced biochemistry》课程教学资源：电子讲义（共六章）

第一章绪论第一节蛋白质的一级结构第二节蛋白质的二级结构第三节超二级结构与结构域第四节蛋白质分子的三级结构第五节蛋白质的四级结构第六节蛋白质结构与功能的关系第七节蛋白质的分离、纯化与鉴定第二章蛋白质生物化学第一节 DNA 的空间结构第二节核酸的某些理化性质及常用研究方法第三节 DNA 的复制第四节 DNA 的损伤与修复第五节 RNA 的生物合成第六节蛋白质的生物合成第三章核酸生物化学第一节酶与底物相结合的两种假说第二节酶促反应的本质和机制第三节酶促反应动力学第四节变构酶与变构调节第五节酶工程简介第六节核酶第四章酶的作用原理第一节生物膜的化学组成第二节生物膜的基本结构第三节物质的跨膜运输第四节信号的过膜转导第六章代谢调节第五章生物膜的结构与功能第二节酶活性调节第三节酶含量的调节第四节整体调节第六章代谢调节

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第一章绪论、发展中的生物化学生物化学是在生物学发展的基础上融合了化学、物理学、生理学等学科的理论和方法形成的科学,是研究动物、植物、人体、微生物等生命物体的化学组成和生命过程中的化学变化的一门学科,所以人们认为生物化学是生命的化学生命是发展的。生命起源、生物进化、人类起源等等均已说明生命是发展的, 因此人们对生命化学的认识也是在发展之中的,生物化学的发展可以追寻到18世纪下半叶(在约是乾隆年间),要从拉瓦锡研究燃烧和呼吸说起。法国著名的化学家拉瓦锡( Attoine-Laureut Lavoisier,1743-1794),他曾经钻硏燃烧现象。并进而研究了呼吸作用。在他29岁时开始燃烧的科学试验,发现磷燃烧后成为磷酸,硫燃烧后成为硫酸:磷酸和硫酸分别比磷和硫重,这表明燃烧并不是失去了“燃素”,而是跟氧结合的过程。他又利用天平和量热器,测量了豚鼠等动物在一定时间内的呼吸,定量测定了CO2和释放的热量,从而证实动物的呼吸作用就好象物体的燃烧一样,只不过动物体的燃烧是缓慢和不发光的燃烧。他的研究成果彻底地推翻了“燃素说”,为生命过程中的氧化奠定了基础瑞典化学家舍勒( Carl Wilhelm Scheele,1742-1786)从14岁开始就随一位药剂师作了8年学徒,在此期间,他废这寝忘食的学习化学,并利用业余时间进行化学实验。在1770年他28岁时从酒石里分离出酒石酸,以后他又分析了膀胱结石获得了尿酸,分析硏究了柠檬酸、苹果酸、没食子酸或称为五倍子酸,分析研究了甘油。舍勒在无机化学方面也有很多贡献,曾经拒绝了柏林大学和英国要他担任化学教授职务的邀请,一生乐于他的化学实验这是18世纪的成果,是由化学家通过科学实验,发现了生物体的呼吸作用发现了生物体的中间代谢产物。所以拉瓦锡和舍勒是两位生物化学的先驱,是生物化学的奠基人进入19世纪后,在物理学、化学、生物学方面有了极大的进展,如1804年道尔顿的原子论,1869年门捷列夫的元素周期律,1895年伦琴发现了X一射线,1835 年贝采利乌斯说明了催化作用,1859年达尔文发表了《物种起源》,1865年孟德尔的碗豆杂交试验和遗传定律,1848年亥姆霍兹( Helmholtz)找到了肌肉中热能来源,贝尔纳( Bernard)发现了肝脏生糖功能等等。如此多的发现和进展极大的促进了生物化学的发展,而且也是现代生物化学发展的前提。此外,生产的发展,工业的发达和社会的进步也极大地推动了生物化学的发展。德国化学家李比希(Lebg)是农业化学的奠基人,也是生理化学和碳水化合物化学的创始人之一,他于1826年在德国吉森( Giessen)大学建立了李比希实验室,并首创了在大学进行化学实验的教学。1842年撰写的《有机化学在生理学和病理学上的应用》专著,首次提出了“新陈代谢”这个学术名词。他研究了许多有机化合物,并对脂肪、血液、胆汁和肌肉提取物进行了研究。他有很多杰出的学生有位叫施洛斯比尔格尔( Julins Schlossberger),是第一位担任生理化学教授职务的

1 第一章绪论一、发展中的生物化学生物化学是在生物学发展的基础上融合了化学、物理学、生理学等学科的理论和方法形成的科学，是研究动物、植物、人体、微生物等生命物体的化学组成和生命过程中的化学变化的一门学科，所以人们认为生物化学是生命的化学。生命是发展的。生命起源、生物进化、人类起源等等均已说明生命是发展的，因此人们对生命化学的认识也是在发展之中的，生物化学的发展可以追寻到 18 世纪下半叶（在约是乾隆年间），要从拉瓦锡研究燃烧和呼吸说起。法国著名的化学家拉瓦锡（Attoine—Laureut Lavoisier，1743----1794），他曾经钻研燃烧现象。并进而研究了呼吸作用。在他 29 岁时开始燃烧的科学试验，发现磷燃烧后成为磷酸，硫燃烧后成为硫酸；磷酸和硫酸分别比磷和硫重，这表明燃烧并不是失去了“燃素”，而是跟氧结合的过程。他又利用天平和量热器，测量了豚鼠等动物在一定时间内的呼吸，定量测定了 CO2 和释放的热量，从而证实动物的呼吸作用就好象物体的燃烧一样，只不过动物体的燃烧是缓慢和不发光的燃烧。他的研究成果彻底地推翻了“燃素说”，为生命过程中的氧化奠定了基础。瑞典化学家舍勒（Carl Wilhelm Scheele，1742----1786）从 14 岁开始就随一位药剂师作了 8 年学徒，在此期间，他废这寝忘食的学习化学，并利用业余时间进行化学实验。在 1770 年他 28 岁时从酒石里分离出酒石酸，以后他又分析了膀胱结石获得了尿酸，分析研究了柠檬酸、苹果酸、没食子酸或称为五倍子酸，分析研究了甘油。舍勒在无机化学方面也有很多贡献，曾经拒绝了柏林大学和英国要他担任化学教授职务的邀请，一生乐于他的化学实验。这是 18 世纪的成果，是由化学家通过科学实验，发现了生物体的呼吸作用，发现了生物体的中间代谢产物。所以拉瓦锡和舍勒是两位生物化学的先驱，是生物化学的奠基人。进入 19 世纪后，在物理学、化学、生物学方面有了极大的进展，如 1804 年道尔顿的原子论，1869 年门捷列夫的元素周期律，1895 年伦琴发现了 X—射线，1835 年贝采利乌斯说明了催化作用，1859 年达尔文发表了《物种起源》，1865 年孟德尔的碗豆杂交试验和遗传定律，1848 年亥姆霍兹（Helmholtz）找到了肌肉中热能来源，贝尔纳（Bernard）发现了肝脏生糖功能等等。如此多的发现和进展极大的促进了生物化学的发展，而且也是现代生物化学发展的前提。此外，生产的发展，工业的发达和社会的进步也极大地推动了生物化学的发展。德国化学家李比希（Liebig）是农业化学的奠基人，也是生理化学和碳水化合物化学的创始人之一，他于 1826 年在德国吉森（Giessen）大学建立了李比希实验室，并首创了在大学进行化学实验的教学。1842 年撰写的《有机化学在生理学和病理学上的应用》专著，首次提出了“新陈代谢”这个学术名词。他研究了许多有机化合物，并对脂肪、血液、胆汁和肌肉提取物进行了研究。他有很多杰出的学生，有位叫施洛斯比尔格尔（Julins Schlossberger），是第一位担任生理化学教授职务的

人,他于1840-1859年间在德国蒂宾根( Tubingen)大学教授有机化学和生理化学。施洛斯比尔格尔逝世后,蒂宾根大学生理化学的盛名延续了一个世纪。历任的生理化学教授都是当时第一流的生理化学专家,具有医学和有机化学的基础,如霍佩一赛勒( Hopp e- Seyler)、 Gustav、 Han Thierfelder(研究脂肪氧化)和 franz- Knoop(研究脂肪氧化,尿中排出马尿酸)等霍佩一赛勒(1825-1859)是德国医生,因将生理化学(即生物化学)建立成一门独立的科学而著名。1877年他首次提出了“生物化学”这个名词,创办和编辑了第一种《生理化学杂志》,出版了《生理化学及病理化学分析手册》,首次获得了纯的卵磷脂,并曾获得晶体状的血红素。首创“蛋白质”一词,又研究过代谢、叶绿素及血液。他研究病理液体和脓细胞,从而导致他的一位学生 Friedrich Miescher (1844—-1895)从脓细胞核中分离出了脱氧核糖核蛋白,另一位学生 Albrecht Kossel(1853-1927)因对蛋白质、细胞及细胞核化学的研究而获得1910年诺贝尔生理学或医学奖。霍佩一赛勒建立了著名的斯特拉斯堡研究所,并在此担任过生理化学教授,在科学研究和培养学生方面都做出了巨大的贡献。总之,自 1840-1900年间,德国的生理化学跟其他领域的科学一样,处于开拓和领先地位并对美国的生理化学的发展起了非常重要的推动作用。例如,池廷登( Russel Henry Chittenden)是美国留德学生,回到美国纽黑文的耶鲁大学教授生理化学,是全美第一位任生理化学教授职务的留德归美学生。他在生理化学方面任教达30年,居美国生理化学的领导地位。他与他的德国老师寇南( Willy Kuhne)合作对胃液和肠液消化过程的产物进行了化学研究,发现了不少新东西。也进行了蛋白质的分解试验。再如,艾贝尔( John Jacob Abel,1857-1938)曾在德国留学7年,获斯特拉斯堡大学医学博土,返美后在密西根大学和约翰斯·霍普金斯大学任教,他分离了肾上腺素。1962年制成了胰岛素晶体。1932年领导内分泌研究室总的说来,美国生理化学初始阶段受德国的影响较深 20世纪后,生物化学有了很大的发展。德国、美国、英国、法国都有了生物化学的学术中心。就生物化学来说,20世纪前半叶,在蛋白质、酶、维生素和物质代谢及生物氧化方面都有了很大的发展。霍普金斯( Sir Frederick Gowland Hopkins,1861-1947)是英国剑桥大学生物化学教授,因发现维生素而与荷兰的艾克曼(C. Ei ekman,1858-1930)共获 1929年的诺贝尔生理学或医学奖。霍普金斯创建了剑桥大学普通生物化学学派和中心,从事教学和研究的人员都是生物化学方面的精英,为生物化学的发展做出了较大的贡献。 20世纪初直至二战前夕,德国在生物化学方面仍占领先地位,如埃米尔·费歇尔( Emil fischer,1852-1919),普鲁土化学家,研究糖和嘌吟类物质,获1902 年诺贝尔化学奖。汉斯·费歇尔( Hans fischer,1881-1945),德国生物化学家因对血红素和叶绿素的研究而获诺言贝尔化学奖。迈尔霍夫(0 tto meyerhof, 884--1951),德国生物化学家,因研究肌肉代谢的糖原一乳酸循环与英国的 A.V.Hill共获1922年的诺贝尔生理学或医学奖。威尔施泰特( Richard

2 人，他于 1840—1859 年间在德国蒂宾根（Tübingen）大学教授有机化学和生理化学。施洛斯比尔格尔逝世后，蒂宾根大学生理化学的盛名延续了一个世纪。历任的生理化学教授都是当时第一流的生理化学专家，具有医学和有机化学的基础，如霍佩—赛勒（Hopp è—Seyler ）、Gustav、Han Thierfelder （研究脂肪氧化）和 Franz—Knoop（研究脂肪氧化，尿中排出马尿酸）等。霍佩—赛勒（1825—1859）是德国医生，因将生理化学（即生物化学）建立成一门独立的科学而著名。1877 年他首次提出了“生物化学”这个名词，创办和编辑了第一种《生理化学杂志》，出版了《生理化学及病理化学分析手册》，首次获得了纯的卵磷脂，并曾获得晶体状的血红素。首创“蛋白质”一词，又研究过代谢、叶绿素及血液。他研究病理液体和脓细胞，从而导致他的一位学生 Friedrich Miescher （1844—1895）从脓细胞核中分离出了脱氧核糖核蛋白，另一位学生 Albrecht Kossel（1853—1927）因对蛋白质、细胞及细胞核化学的研究而获得 1910 年诺贝尔生理学或医学奖。霍佩—赛勒建立了著名的斯特拉斯堡研究所，并在此担任过生理化学教授，在科学研究和培养学生方面都做出了巨大的贡献。总之，自 1840—1900 年间，德国的生理化学跟其他领域的科学一样，处于开拓和领先地位。并对美国的生理化学的发展起了非常重要的推动作用。例如，池廷登（Russel Henry Chittendlen）是美国留德学生，回到美国纽黑文的耶鲁大学教授生理化学，是全美第一位任生理化学教授职务的留德归美学生。他在生理化学方面任教达 30 年，居美国生理化学的领导地位。他与他的德国老师寇南（Willy Kühne）合作对胃液和肠液消化过程的产物进行了化学研究，发现了不少新东西。也进行了蛋白质的分解试验。再如，艾贝尔（John Jacob Abel，1857—1938）曾在德国留学 7 年，获斯特拉斯堡大学医学博士，返美后在密西根大学和约翰斯·霍普金斯大学任教，他分离了肾上腺素。1962 年制成了胰岛素晶体。1932 年领导内分泌研究室。总的说来，美国生理化学初始阶段受德国的影响较深。 20 世纪后，生物化学有了很大的发展。德国、美国、英国、法国都有了生物化学的学术中心。就生物化学来说，20 世纪前半叶，在蛋白质、酶、维生素和物质代谢及生物氧化方面都有了很大的发展。霍普金斯（Sir Frederick Gowland Hopkins，1861—1947）是英国剑桥大学生物化学教授，因发现维生素而与荷兰的艾克曼（C.Eijkman，1858—1930）共获 1929 年的诺贝尔生理学或医学奖。霍普金斯创建了剑桥大学普通生物化学学派和中心，从事教学和研究的人员都是生物化学方面的精英，为生物化学的发展做出了较大的贡献。 20 世纪初直至二战前夕，德国在生物化学方面仍占领先地位，如埃米尔·费歇尔（Emil Fischer，1852—1919），普鲁士化学家，研究糖和嘌吟类物质，获 1902 年诺贝尔化学奖。汉斯·费歇尔（Hans Fischer，1881—1945），德国生物化学家，因对血红素和叶绿素的研究而获诺言贝尔化学奖。迈尔霍夫（Otto Meyerhof， 1884—1951），德国生物化学家，因研究肌肉代谢的糖原—乳酸循环与英国的 A.V.Hill 共获 1922 年的诺贝尔生理学或医学奖。威尔施泰特 (Richard

Willstatter,1872—1942),德国化学家,研究叶绿素及其植物色素结构而获得 1915年诺贝尔化学奖。温道斯( Adolf Windaus,18761959),德国有机化学家, 因研究维生素等有重要生物学作用的物质而获得1928年的诺贝尔化学奖。瓦尔堡 ( Otto Warburg,1883-1970),德国生物化学家,因对细胞呼吸的研究而获1931 年诺贝尔生理学或医学奖在留德学生的推动下,20世纪前半叶,美国的生物化学方面也的很大发展如耶鲁大学池廷登的后继者门德尔( Lafayette Benedict Mendel,1872-1935), 美国生物化学家,发现了维生素和蛋白质的营养价值,建立了现代营养学概念。 2030年代营养和维生素的研究在美国比较突出。再如哈佛医学院的福林(Otto Folin),于1909年任生物化学教授,1915时福林教授将哈佛大学生物化学系办成了有影响的学术中心,重点放在分析方法和临床应用研究上。福林建立了尿中肌酸和肌酸酐的测定方法,氨基酸测定方法,尿氮测定方法。福林和吴宪(我国生物化学家)于1919-1922年设计了血液分析的颜色测定方法。大约从20世纪中叶起,生物化学得到了突飞猛进地发展,并且生物化学的领域也向深度和广度发展,其原因是:①物理学家、化学家以及遗传学家等参加到生命化学的领域中来了。②研究人员迁居和交往频繁。③研究方法有了突破和改进 ④信息交流量增大。从研究方法的改进上来说,相继出现了色谱技术、电泳技术、超速离心技术、荧光分析技术、同位素示踪技术以及电子显微镜的应用等。可以说生物化学的分离、纯化和鉴定的方法向微量、快速、精确、简便和自动化的方向发展从不同学科专家的参与上来看,英国物理学家肯德鲁( John Cowdery Kendrew) 测定了肌红蛋白的结构。英国物理学家佩鲁茨( Max ferdinand perutz)用X射线衍射技术分析了血红蛋白的结构,二人共获1962年的诺贝尔化学家。美国化学家鲍林( Linus pauling)因确定了氢键在蛋白质结构中及大分子间相互作用的重要性,并认为某些蛋白质具有类似螺旋的结构,研究了镰刀型贫血病,提出了“分子病”的名称,获得了诺贝尔化学奖和和平奖。桑格( Frederick Sanger)英国生物化学家,经过10年的研究,于1955年确定了牛胰岛素的结构,获得了1958年的诺贝尔化学奖。1980年他又设计出了一种测定DNA核苷酸排列顺序的方法,而与吉尔伯特( Walter gilbert)、伯格( Pall berg)共获1980诺贝尔化学奖。麦克林托克( Barbara Mc clintock)美国遗传学家,从事玉蜀黍遗传研究40年,发现了可移动的遗传成分,因而获得了1983年的诺贝尔生理学或医学奖生物化学领域中,在20世纪获得诺贝尔奖的成果还有:克雷布斯( Sir hans Adolf Krebs,英籍德裔生物化学家,犹太人,1933年被迫迁居英国)1937年发现三羧酸循环。李普曼( Fritz Albert lipman,美籍德裔生物化学家)1947年成功的分离出了CoA,1953年确定了其分子结构。克雷布斯和李普曼二人共获1958 年诺贝尔生理学或医学奖。奥乔亚( Severo0choa,美籍西班牙生物化学家)发现细菌内的多核苷酸磷酸化酶,并合成了核糖核酸。科恩伯格( Arthur Korberg,美国医师、生物化学家)发现DNA在细胞内及试管内的复制方式。奥乔亚和科恩伯格

3 Willstatter，1872—1942)，德国化学家，研究叶绿素及其植物色素结构而获得 1915 年诺贝尔化学奖。温道斯（Adolf Windaus，1876—1959），德国有机化学家，因研究维生素等有重要生物学作用的物质而获得 1928 年的诺贝尔化学奖。瓦尔堡（Otto Warburg，1883—1970），德国生物化学家，因对细胞呼吸的研究而获 1931 年诺贝尔生理学或医学奖。在留德学生的推动下，20 世纪前半叶，美国的生物化学方面也的很大发展。如耶鲁大学池廷登的后继者门德尔（Lafayette Benedict Mendel，1872—1935），美国生物化学家，发现了维生素和蛋白质的营养价值，建立了现代营养学概念。 20—30 年代营养和维生素的研究在美国比较突出。再如哈佛医学院的福林（Otto Folin），于 1909 年任生物化学教授，1915 时福林教授将哈佛大学生物化学系办成了有影响的学术中心，重点放在分析方法和临床应用研究上。福林建立了尿中肌酸和肌酸酐的测定方法，氨基酸测定方法，尿氮测定方法。福林和吴宪（我国生物化学家）于 1919—1922 年设计了血液分析的颜色测定方法。大约从 20 世纪中叶起，生物化学得到了突飞猛进地发展，并且生物化学的领域也向深度和广度发展，其原因是：①物理学家、化学家以及遗传学家等参加到生命化学的领域中来了。②研究人员迁居和交往频繁。③研究方法有了突破和改进。 ④信息交流量增大。从研究方法的改进上来说，相继出现了色谱技术、电泳技术、超速离心技术、荧光分析技术、同位素示踪技术以及电子显微镜的应用等。可以说生物化学的分离、纯化和鉴定的方法向微量、快速、精确、简便和自动化的方向发展。从不同学科专家的参与上来看，英国物理学家肯德鲁（John Cowdery Kendrew）测定了肌红蛋白的结构。英国物理学家佩鲁茨（Max Ferdinand Perutz）用 X—射线衍射技术分析了血红蛋白的结构，二人共获 1962 年的诺贝尔化学家。美国化学家鲍林（Linus Pauling）因确定了氢键在蛋白质结构中及大分子间相互作用的重要性，并认为某些蛋白质具有类似螺旋的结构，研究了镰刀型贫血病，提出了“分子病”的名称，获得了诺贝尔化学奖和和平奖。桑格（Frederick Sanger）英国生物化学家，经过 10 年的研究，于 1955 年确定了牛胰岛素的结构，获得了 1958 年的诺贝尔化学奖。1980 年他又设计出了一种测定 DNA 核苷酸排列顺序的方法，而与吉尔伯特（Walter Gilbert）、伯格（Pall Berg）共获 1980 诺贝尔化学奖。麦克林托克（Barbara Mc Clintock）美国遗传学家，从事玉蜀黍遗传研究 40 年，发现了可移动的遗传成分，因而获得了 1983 年的诺贝尔生理学或医学奖。生物化学领域中，在 20 世纪获得诺贝尔奖的成果还有：克雷布斯（Sir Hans Adolf Krebs，英籍德裔生物化学家，犹太人，1933 年被迫迁居英国）1937 年发现三羧酸循环。李普曼（Fritz Albert Lipmann，美籍德裔生物化学家）1947 年成功的分离出了 CoA，1953 年确定了其分子结构。克雷布斯和李普曼二人共获 1958 年诺贝尔生理学或医学奖。奥乔亚（Severo Ochoa，美籍西班牙生物化学家）发现细菌内的多核苷酸磷酸化酶，并合成了核糖核酸。科恩伯格（Arthur Korberg，美国医师、生物化学家）发现 DNA 在细胞内及试管内的复制方式。奥乔亚和科恩伯格

二人共获1959年诺贝尔生理学或医学奖。威尔金斯( Maurice wilkins,新西兰出生的英国物理学家)完成了对DNA的X一射线衍射分析,沃森( James Dewey Watson) 和克里克( Francis Harry Compton Crick)提出了DNA的双螺旋结构,三人共获 1962年的诺贝尔生理学或医学奖。尼伦伯格( Marshall Warren Nirenberg,美国生物化学家)破译遗传密码,霍利( Robert William Holly)阐明酵母丙氨酸tRNA 的核苷酸的排列顺序,并证明所有tRNA的结构类似,科拉纳( Har gobind Khorana 美籍印度裔生物化学家)首次人工复制出酵母基因,三人共获1969年诺贝尔生理学或医学奖。莫诺( Jacques mood,法国生物化学家、遗传学家)和雅各布( francois Jacob,法国生物学家)发现了操纵子而获得1965年诺贝尔生理学或医学奖,等等。我国生物化学的主要先驱是吴宪,他曾留学美国哈佛大学,回国后于 1924-1942年担任私立北京协和医学院生物化学教授,兼生物化学系主任教授我国在生物化学研究中最突出的成就是1965年人工合成了牛胰岛素,1983年人工合成了酵母丙氨酸转移核糖核酸。此外我国在酶的作用机理、血红蛋白变异、生物膜结构与功能等方面都做出了国际水平的研宄成果生物化学在蛋白质、核酸、酶及代谢等方面已有理论方面的成就,理论成果必将导致应用,所以生物化学的发展推动了生物技术的进步,从80年代开始,生物工程和生物高技术得到了迅速发展。生物工程有遗传工程或基因工程,蛋白质合成的分子生物学,或称蛋白质工程、酶工程,还有组织培养、细胞培养,以及其他体外技术,以求生产出对人类有用的产物。有工业微生物学,利用合适原料经过发酵, 生产酶类或人类食品和动物饲料。生物工程的远景包括应用于人类健康、动物疾病治疗与预防、污水和废物处理、以及生物电子学等等。由于生物工程对人类社会目前效益的广阔的前景,世界各国,特别是欧洲、澳洲、日本等国家比较重视,发展较快。我国也已重视生物工程的理论研究和应用研究,特别重视生产方面的开发研生物化学虽然有近二百年的历史,但是还在发展之中。目前看得到的一些未知领域正受到日益的重视,例如:地球上的生命是怎样起源的?地球以外的天体上有没有生命?遗传物质是怎样进化的?一个受精卵中的遗传物质怎样发生成个体? 怎能样发生为各种器官和组织的?细胞器的进化途经还有争论,癌的问题、病毒问题、人体自身免疫问题、大脑的记忆、推理的分子生物学、生物行为有什么规律, 其分子的基础又是什么?还有环境生态等问题。总之,生物化学是在发展之中、生物化学方面的主要期刊

4 二人共获 1959 年诺贝尔生理学或医学奖。威尔金斯（Maurice Wilkins，新西兰出生的英国物理学家）完成了对 DNA 的 X—射线衍射分析，沃森（James Dewey Watson）和克里克（Francis Harry Compton Crick）提出了 DNA 的双螺旋结构，三人共获 1962 年的诺贝尔生理学或医学奖。尼伦伯格（Marshall Warren Nirenberg，美国生物化学家）破译遗传密码，霍利（Robert William Holly）阐明酵母丙氨酸 tRNA 的核苷酸的排列顺序，并证明所有 tRNA 的结构类似，科拉纳（Har Gobind Khorana，美籍印度裔生物化学家）首次人工复制出酵母基因，三人共获 1969 年诺贝尔生理学或医学奖。莫诺（Jàcques Momod，法国生物化学家、遗传学家）和雅各布（Francois Jacob，法国生物学家）发现了操纵子而获得 1965 年诺贝尔生理学或医学奖，等等。我国生物化学的主要先驱是吴宪，他曾留学美国哈佛大学，回国后于 1924—1942 年担任私立北京协和医学院生物化学教授，兼生物化学系主任教授。我国在生物化学研究中最突出的成就是 1965 年人工合成了牛胰岛素，1983 年人工合成了酵母丙氨酸转移核糖核酸。此外我国在酶的作用机理、血红蛋白变异、生物膜结构与功能等方面都做出了国际水平的研究成果。生物化学在蛋白质、核酸、酶及代谢等方面已有理论方面的成就，理论成果必将导致应用，所以生物化学的发展推动了生物技术的进步，从 80 年代开始，生物工程和生物高技术得到了迅速发展。生物工程有遗传工程或基因工程，蛋白质合成的分子生物学，或称蛋白质工程、酶工程，还有组织培养、细胞培养，以及其他体外技术，以求生产出对人类有用的产物。有工业微生物学，利用合适原料经过发酵，生产酶类或人类食品和动物饲料。生物工程的远景包括应用于人类健康、动物疾病治疗与预防、污水和废物处理、以及生物电子学等等。由于生物工程对人类社会目前效益的广阔的前景，世界各国，特别是欧洲、澳洲、日本等国家比较重视，发展较快。我国也已重视生物工程的理论研究和应用研究，特别重视生产方面的开发研究。生物化学虽然有近二百年的历史，但是还在发展之中。目前看得到的一些未知领域正受到日益的重视，例如：地球上的生命是怎样起源的？地球以外的天体上有没有生命？遗传物质是怎样进化的？一个受精卵中的遗传物质怎样发生成个体？怎能样发生为各种器官和组织的？细胞器的进化途经还有争论，癌的问题、病毒问题、人体自身免疫问题、大脑的记忆、推理的分子生物学、生物行为有什么规律，其分子的基础又是什么？还有环境生态等问题。总之，生物化学是在发展之中。二、生物化学方面的主要期刊

第二章蛋白质生物化学蛋白质生物化学研究的是蛋白质的结构、性质、和功能及结构与功能的关系生物体最重要的组成物质是蛋白质和核酸。核酸是遗传大分子,负责遗传信息的储存与传递。蛋白质是功能大分子,是生物体的结构、性质与功能的具体体现者。例如:遗传信息的复制、传递和表达要依靠各种蛋白质才能完成;细胞的骨架是由许多种蛋白质构成的三维网状结构,而细胞的各种生命活动都是在细胞骨架上进行的:生命的运动依赖于各种运动蛋白:氧的运输要靠血红蛋白来完成;动物体对疾病的抵抗力是由免疫球蛋白执行的;细胞能够认识“自己”与“非己”,是靠糖蛋白的特殊功能:机体的代谢活动要依赖各种酶和激素来完成,酶是蛋白质,激素中有相当一部分是肽类。可见蛋白质在生命活动中无所不在,无时无刻不在发挥着重要功能。近年来发现的羊的瘙痒病( Scrapie)的病因是一种最简单的具有感染性的蛋白因子( Prion)引起的,它是比类病毒还小的微生物,未检査出其含有核酸物质,而只是一种蛋白质颗粒。这是值得人们思考的问题。要研究蛋白质的功能,首先必须深入了解它们的结构,特别是空间结构(三维结构),因为结构决定功能,生命物质的功能和它的结构二者是统一的,有什么样的结构必有什么样的功能,反之亦然。例如,酶蛋白的催化功能只有在彻底弄清酶的活性中心与底物如何结合,并如何反应,才真正了解那种酶的作用机理。再如在彻底弄清楚血红蛋白的分子构象及与氧分子结合后的构象的变化之后,才能完整地阐述动物机体中氧和二氧化碳的运载过程。因此,我们本章中首先介绍蛋白质结构原理的最新进展,然后再介绍几类蛋白质的结构与功能的关系及其它的有关蛋白质的结构很早就受到科学家的关注,但在50年代以前一直未能得到满意的结果。直到1952年丹麦生物化学家林德斯洛姆一兰( Linderstrom-lang)第次提出蛋白质结构的三级结构的概念,才使蛋白质结构的研究走上了正确的道路。 Linderstrom-lang的三级结构概念是:二级结构是指多肽链中氨基酸的顺序,而丕涉及其空间排列状态;二级结构是指多肽链骨架(主链)的局部空间结涉及链构象,也不考虑与其它肽链片段之间的关系及整个肽链的空间排列状况:三级结构是指整个肽链的折迭情况,或者说是指肽链中全部原子在空间的排列状态。这概念一提出来,立即得到了科学家的认同。1958年,英国晶体学家在研究蛋白质晶体时发现,有些蛋白质是由几条相同或不同的肽链组成,每条肽链都有完整的三级结构,称之为亚基,几个亚基排列成空间几何状态,并匪共价键结合在二起。他将这种结构称为四级结构。现在蛋白质的三、四级结构的概念已由国际生化协会(IUB)的生化命名委员会采纳并作出正式定义。到目前为止已有2000 多种蛋白质的一级结构被搞清楚。据1990年4月的统计,有488种蛋白质的三级结构利用ⅹ—射线衍射技术在不同分辨率水平上得到了阐明。蛋白质三维结构的研究资料大大丰富了人们对蛋白质空间结构规律的认识,同时,蛋白质四级结构水平的概念也已不能满足人们的要求。因此,近年来蛋白质化学家又在四级结构水平

7 第二章蛋白质生物化学蛋白质生物化学研究的是蛋白质的结构、性质、和功能及结构与功能的关系。生物体最重要的组成物质是蛋白质和核酸。核酸是遗传大分子，负责遗传信息的储存与传递。蛋白质是功能大分子，是生物体的结构、性质与功能的具体体现者。例如：遗传信息的复制、传递和表达要依靠各种蛋白质才能完成；细胞的骨架是由许多种蛋白质构成的三维网状结构，而细胞的各种生命活动都是在细胞骨架上进行的；生命的运动依赖于各种运动蛋白；氧的运输要靠血红蛋白来完成；动物体对疾病的抵抗力是由免疫球蛋白执行的；细胞能够认识“自己”与“非己”，是靠糖蛋白的特殊功能；机体的代谢活动要依赖各种酶和激素来完成，酶是蛋白质，激素中有相当一部分是肽类。可见蛋白质在生命活动中无所不在，无时无刻不在发挥着重要功能。近年来发现的羊的瘙痒病（Scrapie）的病因是一种最简单的具有感染性的蛋白因子（Prion）引起的，它是比类病毒还小的微生物，未检查出其含有核酸物质，而只是一种蛋白质颗粒。这是值得人们思考的问题。要研究蛋白质的功能，首先必须深入了解它们的结构，特别是空间结构（三维结构），因为结构决定功能，生命物质的功能和它的结构二者是统一的，有什么样的结构必有什么样的功能，反之亦然。例如，酶蛋白的催化功能只有在彻底弄清酶的活性中心与底物如何结合，并如何反应，才真正了解那种酶的作用机理。再如，在彻底弄清楚血红蛋白的分子构象及与氧分子结合后的构象的变化之后，才能完整地阐述动物机体中氧和二氧化碳的运载过程。因此，我们本章中首先介绍蛋白质结构原理的最新进展，然后再介绍几类蛋白质的结构与功能的关系及其它的有关问题。蛋白质的结构很早就受到科学家的关注，但在 50 年代以前一直未能得到满意的结果。直到 1952 年丹麦生物化学家林德斯洛姆—兰（Linderstrom—lang）第一次提出蛋白质结构的三级结构的概念，才使蛋白质结构的研究走上了正确的道路。 Linderstrom—lang 的三级结构概念是：一级结构是指多肽链中氨基酸的顺序，而不涉及其空间排列状态；二级结构是指多肽链骨架（主链）的局部空间结构，不涉及侧链构象，也不考虑与其它肽链片段之间的关系及整个肽链的空间排列状况；三级结构是指整个肽链的折迭情况，或者说是指肽链中全部原子在空间的排列状态。这一概念一提出来，立即得到了科学家的认同。1958 年，英国晶体学家在研究蛋白质晶体时发现，有些蛋白质是由几条相同或不同的肽链组成，每条肽链都有完整的三级结构，称之为亚基，几个亚基排列成空间几何状态，并靠非共价键结合在一起。他将这种结构称为四级结构。现在蛋白质的一、二、三、四级结构的概念已由国际生化协会（IUB）的生化命名委员会采纳并作出正式定义。到目前为止已有 2000 多种蛋白质的一级结构被搞清楚。据 1990 年 4 月的统计，有 488 种蛋白质的三级结构利用 X—射线衍射技术在不同分辨率水平上得到了阐明。蛋白质三维结构的研究资料大大丰富了人们对蛋白质空间结构规律的认识，同时，蛋白质四级结构水平的概念也已不能满足人们的要求。因此，近年来蛋白质化学家又在四级结构水平的

基础上增加了两种新的结构水平,即超二级结构和结构域。超二级结构是1973年罗斯曼( Rossman)提出的,是指蛋白质结构中存在的各种二级结枃组合物,是枃成三级结构的构件。结构域的概念是由免疫化学家波特( Porter)提出的,是指蛋自质分子中那些明显分开的球状部分。例如,动物的免疫球蛋白(lgG)含有1 个结构域。现已证明许多蛋白质含有明显的结构域。这两种新的蛋白质结构概念目前已被生物化学家及分子生物学家所公认。所以,我们所提到的蛋白质结构应包括六级水平的结构。即: 级结构→二级结构→超二级结构亠结构域→三级结构亠四级结构蛋白质三维结构的深入研究,不仅从分子水平上深入揭示了生命的奥秘,而且可用于生产实践。例如,80年代兴起的蛋白质工程技术,就是利用现代生物技术改造蛋白质的分子结构,提高其生物活性,使其更加符合人类的需要。所以,将蛋白质生物化学的理论知识应用于生产实践,必将对人类做出更大的贡献。第一节蛋白质的一级结构蛋白质一级结构的内容蛋白质是不分枝的生物大分子,由20种氨基酸组成(从各种生物体中发现的氨基酸有180种,参与蛋白质组成的基本氨基酸有20种,称为蛋白氨基酸,其它的称为非蛋白氨基酸),氨基酸在多肽链中有一定的排列顺序,蛋自质的一级结构就是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。蛋白质一级结构也称为蛋白质的共价结构。当然,蛋白质一级结构中还应包括二硫键。蛋白质一级结构包括以下几个内容 1.蛋白质分子中多肽链的数目 2.每一条多肽链末端氨基酸的种类; 3.每一条多肽链中氨基酸的种类、数目和排列顺序; 4.链内二硫键的位置和数目: 5.链间二硫键的位置和数目。研究蛋白质一级结构就是要研究这些内容蛋白质一级结构的表示方法一般是从左到右表示多肽链从氨基端到羧基端。氨基酸的种类和排列顺序通常用三字母表示,即氨基酸英文名称的前三个字母。但为了更加方便,国际生化委员会推荐了一套单字母表示法。蛋白质一级结构的测定 1955年,英国生物化学家桑格( Sanger)首先完成了胰岛素一级结构的分析, 为蛋白质一级结构的研究开辟了道路。但这项工作花费了他整整十年的时间。随后, 唉德曼( Edman)液相自动顺序分析仪和固相顺序分析仪以及气相色谱一质谱 (GCMS)等方法相继出现,使蛋白质一级结构的分析速度大大加快。现在分析个分子量在10万左右的蛋白质只需要几天的时间就可完成。蛋白质一级结构分析

8 基础上增加了两种新的结构水平，即超二级结构和结构域。超二级结构是 1973 年罗斯曼（Rossman）提出的，是指蛋白质结构中存在的各种二级结构组合物，是构成三级结构的构件。结构域的概念是由免疫化学家波特（Porter）提出的，是指蛋白质分子中那些明显分开的球状部分。例如，动物的免疫球蛋白（IgG）含有 12 个结构域。现已证明许多蛋白质含有明显的结构域。这两种新的蛋白质结构概念目前已被生物化学家及分子生物学家所公认。所以，我们所提到的蛋白质结构应包括六级水平的结构。即：一级结构→二级结构→超二级结构→结构域→三级结构→四级结构蛋白质三维结构的深入研究，不仅从分子水平上深入揭示了生命的奥秘，而且可用于生产实践。例如，80 年代兴起的蛋白质工程技术，就是利用现代生物技术改造蛋白质的分子结构，提高其生物活性，使其更加符合人类的需要。所以，将蛋白质生物化学的理论知识应用于生产实践，必将对人类做出更大的贡献。第一节蛋白质的一级结构一、蛋白质一级结构的内容蛋白质是不分枝的生物大分子，由 20 种氨基酸组成（从各种生物体中发现的氨基酸有 180 种，参与蛋白质组成的基本氨基酸有 20 种，称为蛋白氨基酸，其它的称为非蛋白氨基酸），氨基酸在多肽链中有一定的排列顺序，蛋白质的一级结构就是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序。蛋白质一级结构也称为蛋白质的共价结构。当然，蛋白质一级结构中还应包括二硫键的定位。蛋白质一级结构包括以下几个内容： 1．蛋白质分子中多肽链的数目； 2．每一条多肽链末端氨基酸的种类； 3．每一条多肽链中氨基酸的种类、数目和排列顺序； 4．链内二硫键的位置和数目； 5．链间二硫键的位置和数目。研究蛋白质一级结构就是要研究这些内容。蛋白质一级结构的表示方法一般是从左到右表示多肽链从氨基端到羧基端。氨基酸的种类和排列顺序通常用三字母表示，即氨基酸英文名称的前三个字母。但为了更加方便，国际生化委员会推荐了一套单字母表示法。二、蛋白质一级结构的测定 1955 年，英国生物化学家桑格（Sanger）首先完成了胰岛素一级结构的分析，为蛋白质一级结构的研究开辟了道路。但这项工作花费了他整整十年的时间。随后，唉德曼（Edman）液相自动顺序分析仪和固相顺序分析仪以及气相色谱—质谱（GC—MS）等方法相继出现，使蛋白质一级结构的分析速度大大加快。现在分析一个分子量在 10 万左右的蛋白质只需要几天的时间就可完成。蛋白质一级结构分析

的综述和专著文献很多,在此我们只作简要的概述。蛋白质一级结构分析的基本步骤如下; 1.蛋白质样品的纯化 2.测定N一末端和C一末端氨基酸 3.至少以两种方式裂解肽链成肽段; 4.肽段的分离纯化 5.肽段的顺序分析 6.肽段重迭重组以确定肽链的全部氨基酸顺 7.二硫键的定位。 (一)、蛋白质的纯化(均一) 在测定蛋白质的一级结构之前,首先必须保证被测蛋白质样品的纯度,只有均一的蛋白质样品,才能保证顺序测定结果准确可靠:其次要了解它的分子量和亚基数。如果某些蛋白质分子是由两个以上的肽链组成的,第一步必须将多肽链分开。蛋白质多肽链之间有非共价键和共价键(二硫键)作用力。如果只有非共价键,可用脲或盐酸胍等变性剂将其分开。如果肽链之间有二硫键,则需要用拆开二硫键的方法进行处理。拆开二硫键的化学方法主要有以下两种 1.过甲酸氧化法用过甲酸(过氧化氢+甲酸)可使蛋白质分子中的二硫键断裂。反应一般在0℃ 下进行2小时左右,就能使二硫键中的两个硫全部转变为磺酸基。这样被氧化的半胱氨酸称为磺基丙氨酸。反应如下: . S-Ch2 COOOH、0℃ NHCHCO一 NHCHCO一如果蛋白质分子中同时存在半胱氨酸,那么也会被氧化成磺基丙氨酸。此外甲硫氨酸和色氨酸也可被氧化,从而增加了分析的复杂性。 2.巯基乙醇原法利用巯基乙醇亦可使蛋白质中二硫键断裂。高浓度的巯基乙醇在pH8-9、室温下作用数小时后,可二硫键定量的还原为_SH。在此反应系统中还需加入8M 脲或6M盐酸胍使蛋白质变性,多肽链松散成为无规则的构象,从而有利于巯基乙醇作用于二硫键。此反应是可逆的,因此要使反应完全,巯基乙醇的浓度必需保持在0.1-0.5M。反应如下 -NICHE COH脲或6M盐酸2CH-sHCH25-S-H2 -NHCHCO- CH-OH HOCH 被还原生成的一SH不稳定,极易被重新氧化生成—S—S—,故需要稳定。稳定一SH的方法通常是用碘乙酸(ICH2COO)使一SH羧甲基化(SHCH2COO) 9

9 的综述和专著文献很多，在此我们只作简要的概述。蛋白质一级结构分析的基本步骤如下； 1．蛋白质样品的纯化； 2．测定 N—末端和 C—末端氨基酸； 3．至少以两种方式裂解肽链成肽段； 4．肽段的分离纯化； 5．肽段的顺序分析； 6．肽段重迭重组以确定肽链的全部氨基酸顺序； 7．二硫键的定位。 (一)、蛋白质的纯化（均一）在测定蛋白质的一级结构之前，首先必须保证被测蛋白质样品的纯度，只有均一的蛋白质样品，才能保证顺序测定结果准确可靠；其次要了解它的分子量和亚基数。如果某些蛋白质分子是由两个以上的肽链组成的，第一步必须将多肽链分开。蛋白质多肽链之间有非共价键和共价键（二硫键）作用力。如果只有非共价键，可用脲或盐酸胍等变性剂将其分开。如果肽链之间有二硫键，则需要用拆开二硫键的方法进行处理。拆开二硫键的化学方法主要有以下两种： 1．过甲酸氧化法用过甲酸（过氧化氢+甲酸）可使蛋白质分子中的二硫键断裂。反应一般在 0℃ 下进行 2 小时左右，就能使二硫键中的两个硫全部转变为磺酸基。这样被氧化的半胱氨酸称为磺基丙氨酸。反应如下： CH2 S S CH2 HCOOOH、0℃、2h CH2—SO3H 2 —NHCHCO— —NHCHCO— —NHCHCO— 如果蛋白质分子中同时存在半胱氨酸，那么也会被氧化成磺基丙氨酸。此外，甲硫氨酸和色氨酸也可被氧化，从而增加了分析的复杂性。 2．巯基乙醇原法利用巯基乙醇亦可使蛋白质中二硫键断裂。高浓度的巯基乙醇在 pH8—9、室温下作用数小时后，可二硫键定量的还原为—SH。在此反应系统中还需加入 8M 脲或 6M 盐酸胍使蛋白质变性，多肽链松散成为无规则的构象，从而有利于巯基乙醇作用于二硫键。此反应是可逆的，因此要使反应完全，巯基乙醇的浓度必需保持在 0.1—0.5M。反应如下： CH2 S S CH2 CH2SH pH8-9、室温、数小时 CH2—SH CH2 S S CH2 +2 2 + —NHCHCO- -NHCHCO— CH2OH 8M 脲或 6M 盐酸胍 —NHCHCO— CH2OH HOCH2 被还原生成的—SH 不稳定，极易被重新氧化生成—S—S—，故需要稳定。稳定—SH 的方法通常是用碘乙酸（ICH2COO-）使—SH 羧甲基化（—SHCH2COO-）

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