生物化學的基礎知識

一、生物化學的的概念：

生物化學（biochemistry)是利用化學的原理與方法去探討生命的一門科學，它是介於化學、生物學及物理學之間的一門邊緣學科。

二、生物化學的發展：

1．敍述生物化學階段：是生物化學發展的萌芽階段，其主要的工作是分析和研究生物體的組成成分以及生物體的分泌物和排泄物。

2．動態生物化學階段：是生物化學蓬勃發展的時期。就在這一時期，人們基本上弄清了生物體內各種主要化學物質的代謝途徑。

3．分子生物學階段：這一階段的主要研究工作就是探討各種生物大分子的結構與其功能之間的關係。

三、生物化學研究的主要方面：

1．生物體的物質組成：高等生物體主要由蛋白質、核酸、糖類、脂類以及水、無機鹽等組成，此外還含有一些低分子物質。

2．物質代謝：物質代謝的基本過程主要包括三大步驟：消化、吸收→中間代謝→排泄。其中，中間代謝過程是在細胞內進行的，最為複雜的化學變化過程，它包括合成代謝，分解代謝，物質互變，代謝調控，能量代謝幾方面的內容。

3．細胞信號轉導：細胞內存在多條信號轉導途徑，而這些途徑之間通過一定的方式方式相互交織在一起，從而構成了非常複雜的信號轉導網絡，調控細胞的代謝、生理活動及生長分化。

4．生物分子的結構與功能：通過對生物大分子結構的理解，揭示結構與功能之間的關係。

5．遺傳與繁殖：對生物體遺傳與繁殖的分子機制的研究，也是現代生物化學與分子生物學研究的一個重要內容。

第二章蛋白質的結構與功能

一、氨基酸

1．結構特點：氨基酸(aminoacid)是蛋白質分子的基本組成單位。構成天然蛋白質分子的氨基酸約有20種，除脯氨酸為α-亞氨基酸、甘氨酸不含手性碳原子外，其餘氨基酸均為L-α-氨基酸。

2．分類：根據氨基酸的R基團的極性大小可將氨基酸分為四類：①非極性中性氨基酸(8種)；②極性中性氨基酸(7種)；③酸性氨基酸(Glu和Asp)；④鹼性氨基酸(Lys、Arg和His)。

二、肽鍵與肽鏈：

肽鍵(peptidebond)是指由一分子氨基酸的α-羧基與另一分子氨基酸的α-氨基經脱水而形成的共價鍵(-CO-NH-)。氨基酸分子在參與形成肽鍵之後，由於脱水而結構不完整，稱為氨基酸殘基。每條多肽鏈都有兩端：即自由氨基端(N端)與自由羧基端(C端)，肽鏈的方向是N端→C端。

三、肽鍵平面(肽單位)：

肽鍵具有部分雙鍵的性質，不能自由旋轉；組成肽鍵的四個原子及其相鄰的兩個α碳原子處在同一個平面上，為剛性平面結構，稱為肽鍵平面。

四、蛋白質的分子結構：

蛋白質的分子結構可人為分為一級、二級、三級和四級結構等層次。一級結構為線狀結構，二、三、四級結構為空間結構。

1．一級結構：指多肽鏈中氨基酸的排列順序，其維繫鍵是肽鍵。蛋白質的一級結構決定其空間結構。

2．二級結構：指多肽鏈主鏈骨架盤繞摺疊而形成的構象，借氫鍵維繫。主要有以下幾種類型：

⑴α-螺旋：其結構特徵為：①主鏈骨架圍繞中心軸盤繞形成右手螺旋；②螺旋每上升一圈是

3.6個氨基酸殘基，螺距為0.54nm；③相鄰螺旋圈之間形成許多氫鍵；④側鏈基團位於螺旋的外側。

影響α-螺旋形成的因素主要是：①存在側鏈基團較大的氨基酸殘基；②連續存在帶相同電荷的氨基酸殘基；③存在脯氨酸殘基。

⑵β-摺疊：其結構特徵為：①若干條肽鏈或肽段平行或反平行排列成片；②所有肽鍵的C=O和N—H形成鏈間氫鍵；③側鏈基團分別交替位於片層的上、下方。

⑶β-轉角：多肽鏈180°回折部分，通常由四個氨基酸殘基構成，借1、4殘基之間形成氫鍵維繫。

⑷無規捲曲：主鏈骨架無規律盤繞的部分。

3．三級結構：指多肽鏈所有原子的空間排布。其維繫鍵主要是非共價鍵（次級鍵）：氫鍵、疏水鍵、範德華力、離子鍵等，也可涉及二硫鍵。

4．四級結構：指亞基之間的立體排布、接觸部位的佈局等，其維繫鍵為非共價鍵。亞基是指參與構成蛋白質四級結構的而又具有獨立三級結構的多肽鏈。

五、蛋白質的理化性質：

1．兩性解離與等電點：蛋白質分子中仍然存在遊離的氨基和遊離的羧基，因此蛋白質與氨基酸一樣具有兩性解離的性質。蛋白質分子所帶正、負電荷相等時溶液的pH值稱為蛋白質的等電點。

2．蛋白質的膠體性質：蛋白質具有親水溶膠的性質。蛋白質分子表面的水化膜和表面電荷是穩定蛋白質親水溶膠的兩個重要因素。

3．蛋白質的紫外吸收：蛋白質分子中的色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸殘基對紫外光有吸收，以色氨酸吸收最強，最大吸收峯為280nm。

4．蛋白質的變性：蛋白質在某些理化因素的作用下，其特定的空間結構被破壞而導致其理化性質改變及生物活性喪失，這種現象稱為蛋白質的變性。引起蛋白質變性的因素有：高温、高壓、電離輻射、超聲波、紫外線及有機溶劑、重金屬鹽、強酸強鹼等。絕大多數蛋白質分子的變性是不可逆的。

六、蛋白質的分離與純化：

1．鹽析與有機溶劑沉澱：在蛋白質溶液中加入大量中性鹽，以破壞蛋白質的膠體性質，使蛋白質從溶液中沉澱析出，稱為鹽析。常用的中性鹽有：硫酸銨、氯化鈉、硫酸鈉等。鹽析時，溶液的pH在蛋白質的等電點處效果最好。凡能與水以任意比例混合的'有機溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮等，均可引起蛋白質沉澱。

2．電泳：蛋白質分子在高於或低於其pI的溶液中帶淨的負或正電荷，因此在電場中可以移動。電泳遷移率的大小主要取決於蛋白質分子所帶電荷量以及分子大小。

3．透析：利用透析袋膜的超濾性質，可將大分子物質與小分子物質分離開。

4．層析：利用混合物中各組分理化性質的差異，在相互接觸的兩相（固定相與流動相）之間的分佈不同而進行分離。主要有離子交換層析，凝膠層析，吸附層析及親和層析等，其中凝膠層析可用於測定蛋白質的分子量。

5．超速離心：利用物質密度的不同，經超速離心後，分佈於不同的液層而分離。超速離心也可用來測定蛋白質的分子量，蛋白質的分子量與其沉降係數S成正比。

七、氨基酸順序分析：

蛋白質多肽鏈的氨基酸順序分析，即蛋白質一級結構的測定，主要有以下幾個步驟：

1.分離純化蛋白質，得到一定量的蛋白質純品；

2.取一定量的樣品進行完全水解，再測定蛋白質的氨基酸組成；

3.分析蛋白質的N-端和C-端氨基酸；

4.採用特異性的酶（如胰凝乳蛋白酶）或化學試劑（如溴化氰）將蛋白質處理為若干條肽段；

5.分離純化單一肽段；

6.測定各條肽段的氨基酸順序。一般採用Edman降解法，用異硫氰酸苯酯進行反應，將氨基酸降解後，逐一進行測定；

7.至少用兩種不同的方法處理蛋白質，分別得到其肽段的氨基酸順序；

8.將兩套不同肽段的氨基酸順序進行比較，以獲得完整的蛋白質分子的氨基酸順序。