高职班生化教案

1、绪 论一、生物化学的概念生物化学是生命的化学。是以生物体（人、动物、植物、微生物等）为研究对象，运用化学的原理、方法研究物质的组成、结构与功能的关系以及物质在生命活动中的变化过程与变化规律，并从分子水平上阐明生命现象化学本质的科学。动物生物化学就是以动物为研究对象的生命的化学。二、动物生物化学研究的内容1.动物体的化学组成、分子结构及其功能组成动物体的化学元素主要有C、H、O、N、P、S以及Ca、Mg、Na、K、Cl、Fe等元素，这些元素以各种有机化合物和无机化合物的形式存在于体内，构成体内的蛋白质、核酸、糖、脂类、维生素、水和无机盐等物质，其中最重要的物质是蛋白质和核酸。因为每一种生物在生长

2、、发育过程中都需要有特定的蛋白质，各种蛋白质各自执行着一定的生理功能，体现着各种生命活动。核酸则是遗传信息的贮存、传递物质，通过表达，指导各种蛋白质的合成，并将生命特征代代相传，可以说蛋白质和核酸是生命活动的物质基础。无机元素在生物体内也有其独特的作用，许多无机元素是蛋白质和酶的重要组成部分，也参与体内的物质代谢、能量代谢以及信息的传递和代谢的调控。2.动物体代谢与信号转导新陈代谢是生命活动的基本特征。广义的新陈代谢是机体与外界进行物质和能量交换的过程，即物质的消化、吸收中间代谢废物排泄过程；狭义的新陈代谢是指中间代谢，即生物大分子在细胞中的分解和合成及其能量转移规律。这是生物化学研究的重要内

3、容之一。 机体的各种代谢活动能有条不紊地按生命活动的需要进行，这说明机体有一个控制系统可对其进行调节和控制。细胞内存在的各种信号转导系统可将外界刺激通过体内神经、激素等作用于细胞，通过酶的调节改变细胞内的物质代谢。因此新陈代谢的调节控制主要是依赖于酶、激素和神经的作用来实现的。3.基因的贮存、传递、表达及其调控生命现象的基本属性是能够进行自我复制、自我繁殖。生物体通过个体的繁衍，将其遗传信息传递给后代。核酸则起着携带（贮存）遗传信息和传递遗传信息的作用，而基因是遗传信息贮存和传递的载体，是DNA分子中可表达的功能片段，通过DNA的复制、转录和翻译将遗传信息传递给后代。基因的贮存、传递使生命得以

4、延续，基因的遗传、变异与表达赋予生命多姿多彩的特色。研究基因在染色体中的定位、核苷酸的排列顺序及其功能，DNA复制、RNA转录、蛋白质生物合成的过程中基因传递的机制及调节规律等是生物化学极为重要的课题。这将为解开生命之谜奠定了坚实的基础。4.生物化学技术生物化学是实验的科学，其一切成果建立在严谨的科学实验基础之上。这些技术包括生物大分子的提取、分离、纯化与检测技术，生物大分子组成成分的序列分析和体外合成技术、物质代谢与信号转导的跟踪检测技术，以及基因重组、转基因等技术。生物化学技术不是单纯的化学技术，其中融入了生物学、物理学、免疫学、微生物学、药理学等知识与技术作为其研究手段。正是这些技术的发

5、展和新技术、新仪器的不断涌现，加快了生物化学的发展。5.组织器官生物化学动物生物化学是研究动物体的生物化学，除了上述的内容外，还要在分子水平上阐明其体内重要组织器官的新陈代谢特点和与其功能的关系，比如肝脏与血液的生物化学特点等。作业：简述生物化学的概念及其研究的主要内容。第一章 核酸与蛋白质化学第一节核酸的化学组成核酸是生命的物质基础之一，从高等动物、植物到微生物以及简单的病毒都含有核酸。核酸作为遗传物质，控制着生物的生长、发育、繁殖、遗传、变异。核酸因最初是从细胞核中分离出的含磷量较高的酸性有机物而得名，实际上，在细胞质中也存在核酸。在细胞内，核酸大部分与蛋白质相结合，只有少数游离存在。一、

6、核酸的分类及在细胞内的分布核酸按其组成的不同可分为两大类：1、脱氧核糖核酸（DNA）：主要分布在细胞核中，与组蛋白结合，构成染色体。此外，在线粒体中也含有少量DNA。生物学功能：DNA是遗传信息的贮存和携带者，是遗传的物质基础。生物体的遗传信息就蕴藏在DNA的碱基排列顺序中。2、核糖核酸（RNA）：主要分布在细胞质中，少量存在于细胞核的核仁中。根据RNA的结构与功能的不同又可分为三类，即信使核糖核酸（mRNA）、转运核糖核酸（tRNA)、核蛋白体（核糖体）核糖核酸（rRNA）。生物学功能：传递遗传信息，参与遗传信息的表达，与蛋白质的生物合成密切相关。有些RNA还具有酶的催化作用。二、核酸的化学

7、组成（一）核酸的元素组成核酸是重要的生物大分子，组成核酸的元素有：C、H、O、N、P五种。其中P的含量比较恒定，DNA中为9.9%，RNA中为9.4%，因此，可以通过测定生物样品中核酸的含磷量来估核算出核酸生物样品中核酸的含量。核酸含量含磷量9.9%（9.4%）（二）核酸的基本化学组成成分研究证明，核酸是由核苷酸组成的具有复杂三维空间结构的大分子物质，有多核苷酸之称。核酸经酸、碱或酶水解后得到它的基本结构单位核苷酸，核苷酸进一步水解产生核苷和磷酸；核苷再进一步水解产生含氮碱（碱基）和戊糖。可见，核酸的基本化学组成成分是：磷酸、戊糖、含氮碱三种。1、含氮碱（碱基）核酸分子中的含氮碱是一类含氮的杂

8、环化合物，呈弱碱性，分为：嘌呤碱和嘧啶碱两类。（1）嘌呤碱嘌呤碱是嘌呤的衍生物。核酸中常见的嘌呤碱有腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）两种。DNA和RNA分子中都含有这两种嘌呤碱。其结构式见板书。（2）嘧啶碱嘧啶碱是嘧啶的衍生物。核酸中常见的嘧啶碱有胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）、胸腺嘧啶（T）三种。其中胞嘧啶为DNA和RNA所共有，尿嘧啶存在于RNA中，胸腺嘧啶存在于DNA中。其结构式见板书。嘌呤碱和嘧啶碱都属于芳香族杂环化合物，在紫外光260nm 波长处有最大吸收峰，利用这一性质可对核酸进行定性和定量测定。2、戊糖组成核酸的戊糖有核糖和脱氧核糖两种。DNA分子中的戊糖为D2脱氧核糖，RNA中的戊糖为D

9、核糖。其结构式见板书。为区别戊糖碳原子与碱基杂环各原子的编号，将戊糖碳原子编号加“”表示。3、磷酸DNA和RNA中都含有一定量的磷酸，每个核苷酸中都含有一分子的磷酸（磷酰基）。三、核酸的基本结构单位核苷酸核酸水解生成的核苷酸（又叫单核苷酸），是组成核酸（又叫多核苷酸）的基本单位。核苷酸是由含氮碱、戊糖和磷酸三者缩合而成的。其中含氮碱与戊糖通过成苷反应形成核苷，核苷与磷酸再酯化形成核苷酸。（一）核苷戊糖和碱基缩合形成的化合物称为核苷。戊糖“1”位碳上的半缩醛羟基与嘌呤碱“9”位氮或嘧啶碱“1”位氮上的氢脱水，以糖苷键（NC键）相连接形成的化合物叫核苷。脱氧核糖与碱基缩合形成的化合物称为脱氧核糖核

10、苷，核糖与碱基缩合形成的化合物称为核糖核苷。核苷可根据其分子中的碱基和戊糖来命名。组成RNA的核苷主要由核糖分别与腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶形成4种核糖核苷，分别叫：腺嘌呤核糖核苷（腺苷）、鸟嘌呤核糖核苷（鸟苷）、尿嘧啶核糖核苷（尿苷）、胞嘧啶核糖核苷（胞苷），分别用A、G、C、U符号来表示。组成DNA的核苷主要由脱氧核糖分别与腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶形成4种脱氧核糖核苷，分别叫：腺嘌呤脱氧核糖核苷（脱氧腺苷）、鸟嘌呤脱氧核糖核苷（脱氧鸟苷）、胞嘧啶脱氧核糖核苷（脱氧胞苷）、胸腺嘧啶脱氧核糖核苷（脱氧胸苷），分别用dA、dG、dC、dT符号表示。核苷的结构式见板书。（让学生上黑板上

11、写）（二）核苷酸核苷分子中戊糖环上的羟基被磷酸酯化，所形成的化合物叫核苷酸，根据戊糖的不同分为：核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸。核苷酸实际是核苷的磷酸酯。尽管核糖核苷的戊糖环上2、3、5位上都有自由羟基，都可与磷酸酯化形成核苷酸，脱氧核糖核苷戊糖环上3、5位上也有自由羟基，也可与磷酸形成磷酸酯，但磷酸酯化通常在戊糖的C5原子上进行，故称为5核苷酸。核糖核苷的磷酸酯称为核糖核苷酸，简称核苷酸，是组成RNA的基本单位；脱氧核糖核苷的磷酸酯称为脱氧核糖核苷酸，简称脱氧核苷酸，是组成DNA的基本单位。核苷酸可根据其分子中的核苷来命名。（板书：列表比较）组成RNA的基本结构单位是：腺苷一磷酸、鸟苷一磷酸、胞

12、苷一磷酸、尿苷一磷酸，简称：腺苷酸、鸟苷酸、胞苷酸、尿苷酸，分别用AMP、GMP、CMP、UMP符号表示；组成DNA的基本结构单位是：脱氧腺苷一磷酸、脱氧鸟苷一磷酸、脱氧胞苷一磷酸、脱氧胸苷一磷酸，简称：脱氧腺苷酸、脱氧鸟苷酸、脱氧胞苷酸、脱氧胸苷酸，分别用dAMP、dGMP、dCMP、dTMP符号表示。（让学生上黑板上写其结构式）四、细胞内某些重要的游离核苷酸（一）多磷酸核苷酸上述介绍的单核苷酸都只有一个磷酸基，统称为一磷酸核苷或核苷酸（NMP）。在体内，一磷酸核苷的磷酸基可进一步磷酸化，生成相应的二磷酸核苷（NDP）、三磷酸核苷（NTP）（见10页表）。例如：一磷酸腺苷（AMP）进一步磷酸

13、化形成二磷酸腺苷（ADP）、三磷酸腺苷（ATP），其结构式见板书。广泛存在于生物体细胞中的多磷酸核苷具有重要的生理作用。ATP是活细胞的能量转换器，在活细胞中，ATP既是大部分需能反应的直接能源，又是磷酰基的供体，对生物能量代谢具有非常重要的意义。UTP参与糖原的合成，CTP参与磷脂的合成，GTP参与TCA循环和蛋白质的合成等。二磷酸腺苷和三磷酸腺苷都是含高能键的化合物，广泛存在于细胞内，参与许多重要的代谢过程。某些核苷酸还是一些辅酶的组成成分，例如：辅酶NAD、NADP、FAD、辅酶A等的结构中，都含有腺苷酸。在核酸的生物合成中，各种三磷酸核苷（ATP、CTP、GTP、UTP）是合成RNA的

14、前体，三磷酸脱氧核苷（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）是合成DNA的前体。（二）环化核苷酸在动物、植物及微生物细胞中还普遍存在一类游离的核苷酸，叫环化核苷酸。重要的有两种：3,5环化腺苷酸（cAMP)和3,5环化鸟苷酸（cGMP），它们均由核苷酸与核糖的3,5二羟基形成双酯环化而成。cAMPT是由ATP在腺苷酸环化酶的催化下，脱下一分子焦磷酸，然后其核糖上的5磷酸与核糖上的3碳上的羟基脱水形成的；同样，cGMP是由GTP在鸟苷酸环化酶的催化下形成的。环化核苷酸的细胞内含量很少，虽然不是核酸分子中的组成成分，但有重要的生理功能。它们是生物体内的基本调节物质，是传递激素作用的媒介物，能放大

15、激素的作用，被称为激素（第一信使）或其它信息分子发挥作用的“第二信使”，不少激素是通过cAMP和cGMP起调节作用的。第二节核酸的分子结构核酸是由许多不同种类的核苷酸按一定排列顺序连接成的生物大分子物质，也称为多核苷酸。核酸的分子量很大，结构也很复杂，核酸的分子结构与蛋白质类似，可分为一级结构和空间结构。一、核酸中核苷酸的连接方式3,5磷酸二酯键核酸是由许多单核苷酸聚合而成的多核苷链。核酸分子中核苷酸的连接方式为一个核苷酸戊糖C3上的羟基与下一个核苷酸戊糖C5上的磷酸脱水缩合成酯键，称为3,5磷酸二酯键，后者C3上的羟基又借磷酸二酯键与下一个核苷酸的5磷酸基相连接，这样，许多单核苷通过3,5磷

16、酸二酯键反复相连形成的多核苷酸链，称为多核苷酸，即核酸。由多核苷酸链的基本结构可以看出，DNA是脱氧核糖核酸链，由磷酸脱氧核糖组成的链是所有DNA的共同结构；RNA是核糖核酸链，由磷酸核糖组成的链是所有RNA的共同结构。核酸分子具有方向性，多核苷酸链的一个末端为5磷酸基，称为5末端，另一端是3羟基，称为3OH末端或3末端。链内的核苷酸由于其戊糖C5上的磷酸基和戊糖C3上的羟基均已参与3,5磷酸二酯键的形成，故称为核苷酸残基。多核苷链的结构见P11图11。核酸的多核苷酸链常用简化式表示。通常书写核酸链的顺序总是从5末端到3末端，5末端在左侧，3末端在右侧。以A、G、C、T分别代表相应核苷，P代表

17、磷酸基，P右连C5，左连C3，即可简化写成5pApTpCpGOH3,有时两个核苷酸间的P也可省略或用一短横线代替，如5ATCG3，或5ATCG3。二、核酸的一级结构DNA和RNA两种核酸除分子组成不同外，它们的结构也不同，DNA和RNA除具有一级结构外，各自还具有一定的空间构象。（一）DNA的一级结构DNA是一类非常复杂的大分子化合物，它是由几百万个dAMP、dGMP、dCMP、dTMP四种脱氧核苷酸按一定顺序通过3,5磷酸二酯键连接成的。所谓DNA的一级结构就是指多核苷酸链中脱氧核糖核苷酸的组成和排列顺序。DNA的主链骨架是由脱氧核糖、磷酸不断重复构成的，所不同的只是碱基不同，因此，DNA分

18、子中核苷酸的排列顺序可以用碱基的排列顺序来代表，故DNA的一级结构也可以指DNA分子中碱基的排列顺序。研究DNA的一级结构，实际上就是测定DNA分子中碱基的排列顺序，简称“测序”。DNA是由两条脱氧核糖核苷酸链组成，两条链反向平行，即一条链为35，而另一条链为53走向。两条链上的碱基以氢键互相连接，腺嘌呤与胸腺嘧啶以两个氢键配对连接（A=T），鸟嘌呤与胞嘧啶以三个氢键配对连接（G=C）。每一对碱基对中的两个碱基彼此称为互补碱基。碱基的这种配对规律，使DNA分子中的两条链彼此称为互补链。由于互补规律（碱基配对规律）即AT、GC，因此，只要知道了DNA分子中一条链上核苷酸的排列顺序，就能确定另一条

19、链上核苷酸的排列顺序。同理可知DNA分子中碱基比例有下列共同规律：嘌呤与嘧啶的摩尔数相等；腺嘌呤与胸腺嘧啶的摩尔数相等；鸟嘌呤与胸嘧啶的摩尔数相等。(二)RNA的一级结构RNA的基本组成单位是AMP、GMP、CMP、UMP四种核苷酸。和DNA一样，这些核苷之间通过3,5磷酸二酯键相连形成多核苷边。RNA的一级结构是指多核苷酸链中核苷酸的组成及排列顺序。除少数病毒外，RNA分子均为单链结构。其核苷酸链中核苷酸总数由数十个至数千个不等。细胞内存在三类RNA，它们的分子大小、碱基组成、生物学功能、在亚细胞结构中的分布及存在的形式等都有所不同。1、mRNA（信使RNA）含量最少，仅占细胞内RNA总量的

20、2%，分子大小不均一，但它代谢活跃，更新迅速、半衰期最短，是三类RNA中最不稳定的RNA。mRNA是蛋白质生物合成的直接模板，其分子的长短决定着由它翻译出来的蛋白质分子的大小。2、tRNA（转运RNA）分子最小，由7090个左右的核苷组成，含量约占细胞内RNA总量的10%25%，tRNA分子中含有较多稀有碱基。tRNA功能主要是携带活化了的氨基酸，并将其转运到与核糖体结合的mRNA上用以合成蛋白质，简单地说就是在蛋白质生物合成中作为活化、运输氨基酸的工具。3、rRNA（核蛋白体或核糖体RNA）rRNA和蛋白质结合组成核蛋白体（也叫核糖体），其含量最多，占细胞内RNA总量的80%。rRNA和蛋白

21、质结合形成的核蛋白体是蛋白质生物合成的场所。三、核酸的空间结构核酸的空间结构是指多核苷酸链内部或链间通过折叠、卷曲、扭转等方式形成的空间形状。按核酸空间结构的复杂程度不同，又可分为二级结构和三级结构。（一）DNA的二级结构根据X射线衍射及化学分析结果表明，DNA的二级结构一般为双螺旋结构。1953年由美国的Watson和英国的Crick两位科学家共同提出，从本质上揭示了生物遗传性状得以世代相传的分子奥秘。这对核酸的生物学功能的研究起了很大的推动作用，为现代的分子生物学和分子遗传学奠定了牢固的基础。该结构的要点是：（1）DNA分子是由两条多核苷酸链组成，共同围绕一个假想的中心轴盘绕形成右手双螺旋

22、结构。（2）双螺旋的两条链相互平行，但走向相反，一条链自上而下走向为53，而另一条链自下而上走向也为53。（3）两条脱氧核苷酸链的骨架是由脱氧核糖和磷酸组成，排列在螺旋的外侧，碱基则处于螺旋的内侧，通过配对形成氢键连接两条多核苷酸链，使双螺旋稳定。（4）每个碱基对处于同一个平面，称碱基平面。此平面与螺旋的假想中心轴垂直。（5）典型的双螺旋结构直径为2nm，螺旋的高度（螺距）为3.4nm，螺旋每盘绕一圈，含有10对碱基，两个碱基结平面之间的距离为0.34nm，右手双螺旋是DNA二级结构的重要形式。双螺旋结构的稳定主要依靠碱基配对形成的氢键以及碱基堆积力（即上下碱基间的疏水作用力，疏水的碱基位于螺

23、旋的内部，彼此相互堆积，产生一种力，对双螺旋结构的稳定起着重要的作用）。（二）RNA的二级结构除少数病毒外，RNA分子均为单链结构。RNA单链分子某些区域通过自身回折盘曲成局部双螺旋结构，在双螺旋区域内通过碱基配对即AU、GC之间形成氢键，无法配对的碱基区域则形成突环，此即为RNA的二级结构。不同的RNA分子中双螺旋区所占的比例不同，其二级结构也各有不同的特点。1、mRNA的结构特点mRNA分子呈一直线。（1）mRNA的3末端有一段多聚腺苷酸的“尾”结构（PolyA)。长度为10200个腺苷酸不等。它不是从DNA转录来的，而是在mRNA合成后经加工修饰上去的。原核生物一般无此结构。其功能：可能

24、与mRNA在细胞内合成后移至胞质的过程有关。维持mRNA作为翻译模板和活性，增加mRNA的稳定性。（2）mRNA的5末端有一个7甲基鸟嘌呤核苷5三磷酸鸟苷(m7G-5PPPG)的“帽”结构。其功能：与蛋白质合成的起始有关，它可协助核糖体与mRNA相结合，使翻译作用在AUG起始密码处开始。（3）mRNA分子内有信息区和非信息区，即编码区和非编码区。信息区内每三个核苷酸组成一个密码，称遗传密码，代表一个氨基酸。因此，信息区是RNA分子的主要结构部分，在蛋白质生物合成中决定蛋白质的一级结构。2、tRNA的结构特点在三种RNA的二级结构中，对tRNA的二级结构研究比较清楚。tRNA的二级结构呈三叶草形

25、结构，主要特征是，含有四个螺旋区、三个环和一个附加叉。由五部分组成：见P15图16。（1）氨基酸臂：由7对核苷酸组成，其3末端都是C-C-A-OH的结构，可与氨基酸连接,此结构是tRNA结合活化氨基酸的部位。（2）反密码环：由7个核苷酸组成，其中间的3个核苷酸组成“反密码子”，在蛋白质生物合成时，“反密码子”按碱基反向配对的原则识别mRNA上的对应密码，在蛋白质生物合成中起重要的翻译作用。（3）二氢尿嘧啶环（DHU环）。环中含有5，6二氢尿嘧啶。（4）附加叉（可变臂）。含稀有碱基较多。（5）TC环。含有胸苷（T）、假尿苷（）、胞苷（C）3、rRNA的结构特点rRNA的分子量较大，结构相当复杂，

26、目前虽已测出不少rRNA分子的一级结构，但对其二级、三级结构及其功能的研究还需进一步的深入。原核生物的rRNA分三类：5SrRNA、16SrRNA和23SrRNA。真核生物的rRNA分四类：5SrRNA、5.8SrRNA、18SrRNA和28SrRNA。S为大分子物质在超速离心沉降中的一个物理学单位，可间接反应分子量的大小。原核生物和真核生物的核糖体均由大、小两种亚基组成。各亚基所含rRNA和蛋白质的种类和数目如p16表1-4。 过去认为，大亚基的蛋白质具有酶的活性，促使肽键形成，故称为转肽酶。20世纪90年代初，H.F.Noller等证明大肠杆菌的23SrRNA能够催化肽键的形成，才证明核糖

27、体是一种核酶，从而根本改变了传统的观点。核糖体催化肽键合成的是rRNA，蛋白质只是维持rRNA构象，起辅助的作用。作业：1、简述DNA双螺旋结构模型的基本要点。2、何谓核酸的碱基互补规律？3、比较DNA和RNA在化学组成、大分子结构、生物学功能上的特点。4、RNA有哪些主要类型？其结构和功能有何异同点？第三节 核酸的理化性质一、基本特性1、核酸的相对分子质量大，属于生物大分子物质在生物界中，大多数DNA分子呈线状分子，真核细胞染色质DNA都是线状的，而原核生物如大肠杆菌和一些病毒以及真核细胞的线粒体、叶绿体等DNA分子为环状。DNA是由几千至几亿个单体脱氧核糖核苷酸组成的，分子量在106101

28、1之间。DNA分子极不对称，其长度可达几个厘米，而直径只有2个nm，它们之比为1107，因此，DNA溶液的粘度极高。当DNA变性时，分子由线状变为线团状，粘度下降。粘度变化是DNA变性的指标之一。RNA分子量较小，由几十个核苷酸至几千个核苷酸组成，相对分子质量在数百至数百万之间。一般以单链存在，部分区域可形成双螺旋区，不配对的区域形成突环，其溶液有粘度也较DNA溶液的低。粘度：液体或半流休流动的难易程度，越难流动的物质粘度越大。如胶水、凡士林都是粘度较大的物质。2、核酸的两性电解质性质因为核酸既有酸性的磷酸基，又有碱性的碱基，故具有两性解离的性质。因磷酸基的酸性较强，核酸通常表现为酸性。在一定

29、的pH值溶液中，核酸分子在电场中可移动，所以常用电泳的方法对其分离纯化。3、核酸的紫外吸收性质嘌呤碱和嘧啶碱都能强烈地吸收紫外光，这是碱基分子中共轭双键体系存在的原故，因此，核酸有吸收紫外光的性质。不过，核酸的吸收光谱是几种碱基的混合光谱，其最大吸收峰在260nm处，故常利用这一特性对核酸进行定性的分析和定量测定。二、核酸的变性、复性和分子杂交1.变性在物理、化学因素的作用下，维持核酸三维空间结构的碱基堆积力和氢键被破坏，其空间结构改变，理化性质和生物学功能发生变化，这种现象称为核酸的变性。引起核酸变性的因素有多种，包括加热、酸、碱、有机溶剂（如乙醇、尿素、甲酰胺、丙酰胺）。在变性过程中，DN

30、A分子双链间的氢键断裂，双螺旋结构可完全解开成2条单链；RNA分子中的局部双螺旋也可解开发生变性。但变性不涉及到共价键的断裂，因此，变性后的核酸分子量不变，只是由于空间结构的变化而使许多理化性质和生物学活性发生了改变。如粘度下降，浮力密度增大，紫外吸收增强等。其中最重要的是在260nm 处的紫外线吸收值的变化。DNA变性后，由于氢键断裂，双螺旋解开，碱基外露，在紫外光260nm 波长处的吸收度明显增强，此现象称为增色效应或高色效应。实验室做DNA变性实验时可从紫外光吸收增强来断定，故常作为判断DNA变性的指标之一。同时，由于DNA变性，其分子由线形分子变为无规则线团状分子，其粘度也下降。由于温

31、度升高引起的DNA变性称为热变性。随着温度的升高，DNA变性，溶液在紫外光260nm 波长处吸收度增加，最后达到最大值。以温度对紫外吸收值作图，可得到一条曲线，称为熔解曲线（见P19图111）。从图中可以看出，DNA的热变性是暴发式的，只在很窄的范围内发生。通常将熔解曲线的中点，即50%DNA变性时的温度称为变性温度（Tm），也叫解链温度，一般在7085之间。不同的DNA分子其Tm值不同，Tm值的大小与DNA分子中GC含量有关，分子中G、C含量越高，DNA分子越稳定，其Tm值也越高，这是因为GC碱基对中三个氢键较AT碱基对两个氢键牢固的原因。(二)复性在适宜条件下，热变性后的DNA分开的两条链

32、重新缔合形成双螺旋结构，这一过程称为DNA的复性或退火。复性后的DNA可基本恢复其原来的理化性质和生物学活性，例如，在260nm波长处的吸收度及粘度可恢复至正常。变性DNA在复性过程中，两条单链通过碱基配对形成双链，对紫外光吸收减弱，称为减色效应。热变性DNA复性时，只有缓慢降温才能复性，若骤然冷却两条单链不能结合，仍保持分离状态，复性不能发生。复性的快慢和程度与许多因素有关：（1）DNA的浓度。DNA的浓度越高，则两条互补链在溶液中相遇的机会也越多，越易复性。但溶液太大时容易发生凝集现象，影响复性的进行。（2）溶液中介质离子强度。在稀溶液中，两条带负电荷的DNA链互补排斥，如果存在一定浓度的

33、阳离子，容易使两条链接近。（3）DNA的信息含量。DNA信息含量少的病毒DNA比信息含量多的真核细胞DNA容易复性，这是因为多核苷酸链越长，找到它的互补链并相互结合就越困难。（4）变性DNA的难度变性DNA的难度愈大，复性愈慢。3.分子杂交加热变性后的DNA分子，经退火处理后可复性。不同来源的两条DNA链或RNA链，只要两条链的多数碱基能够互补，通过变性和复性处理，异源DNA之间（也可DNA与RNA之间）便可形成部分氢键配对的新的杂合的双螺旋结构，这种通过碱基配对而使完全或不完全互补的两条单链相互结合，称为核酸的杂交。杂交不仅在DNADNA序列之间进行，而且也能在DNARNA序列之间进行，形成

34、DNARNA杂交分子。DNA分子杂交的基础是DNA的变性与复性。杂交技术在核酸的结构与功能、遗传性疾病的诊断、肿瘤的病因学、DNA分子内遗传信息含量的测定及DNA亲缘关系的测定、基因工程的研究等方面具有重要的作用。作业：1、何谓DNA变性、DNA复性、分子杂交、增色效应、减色效应、变性温度？2、核酸杂交的技术基础是什么？其结构特点如何？第四节蛋白质的分子组成蛋白质是生命活动的物质基础，没有蛋白质就没有生命。蛋白质种类繁多，结构复杂，在生物体内含量丰富，大约占到动物体干重的50%左右，是动物体内除水以外含量最多的物质。各种不同的蛋白质在动物体内发挥着重要的生理功能：组织蛋白质参与组织细胞的构成；

35、结构蛋白在体内起支持作用；酶作为特殊的蛋白质具有催化活性；运输蛋白执行各种运输功能；运动蛋白是机体各种机械运动的物质基础；防御蛋白质具有免疫保护作用；凝血酶原、纤维蛋白质等凝血因子可防止血管损伤时血液的流失；调控蛋白质具有调节控制机体代谢的作用。总之，蛋白质在动物体内无处不在，其功能繁多，且不能被其它物质所代替，是动物体生命活动最重要的物质之一。蛋白质种类繁多，化学结构复杂，目前还不能按照化学性质及反应基团进行分类，一般可根据其分子形状、分子组成等进行分类：1、按分子组成分类根据蛋白质的分子组成特点，可将蛋白质分为单纯蛋白质和结合蛋白质两大类。（1）单纯蛋白质蛋白质分子仅由氨基酸组成，即其水解

36、的最终产物只是氨基酸。可按其溶解度、受热凝固及盐析等性质分七类：清蛋白球蛋白谷蛋白醇溶蛋白精蛋白组蛋白硬蛋白（如胶原蛋白、角蛋白质等）。（2）结合蛋白质分子由蛋白质部分（氨基酸）和非蛋白质部分（辅基）两部分组成。在彻底水解后，除产生氨基酸外，还有其它化合物。结合蛋白质又可根据非蛋白质部分（即辅基）不同分为以下几种：核蛋白（核酸）色蛋白（色素）磷蛋白（磷酸）糖蛋白（糖类）脂蛋白（脂类）金属蛋白质（金属）。 2、按分子形状分类：（1）球状蛋白：长短轴之比小于10，外形近似球形，较易溶解。如免疫球蛋白等功能性蛋白。（2）纤维蛋白：长短轴之比大于10，形状似纤维，不溶于水。如结缔组织中的胶原蛋白、毛发

37、中的角蛋白等结构蛋白。一、蛋白质的元素组成根据对蛋白质的元素分析，发现所有蛋白质都含有C、H、O、N、S，有些蛋白质还含有P，少数特殊的蛋白质还含有微量的Fe、Cu、Mn、Zn、Co、Mo等金属元素，个别蛋白质含有I。所有蛋白质都含有N，这一点是不同于糖和脂类的，而且各种蛋白质的N含量很接近且恒定，平均为16%，加之生物体内的含N物质以蛋白质为主，这一重要特点已被广泛用作测定各种样品中蛋白质含量的计算基础，即只要测定出样品中的含N量，就可大致算出样品中蛋白质的含量。蛋白质含量含氮量16%含氮量6.25即1克蛋白氮相当于6.25克蛋白质。实验室常用凯氏定氮法测定样品中的含氮量。二、蛋白质的基本结

38、构单位氨基酸蛋白质是分子量很大的高分子化合物，各种蛋白质的分子量也相差很大，从一万多至几十万或几百万，甚至上千万。蛋白质经酸、碱或各种蛋白水解酶作用可发生彻底的水解生成最终产物氨基酸。由此可见，氨基酸是组成蛋白质的基本单位，蛋白质的许多重要性质也是由氨基酸决定的。（一）氨基酸的结构特点组成蛋白质的氨基酸有二十种，这些氨基酸在结构上的一个共同特点就是分子上的氨基都连接在与羧基相邻的碳原子上，因此都属于氨基酸，它可以看成是羧酸分子中碳原子上的氢原子被氨基取代而成的化合物。此外，除最简单的甘氨酸外，其它所有的氨基酸碳原子上所连的4个原子或基团互不相同，是不对称原子（即手性碳原子）故它们具有旋光异构现

39、象，4个不同的基团在空间排列位置的差异形成不同的构型。这些天然蛋白质中的氨基酸都属于L型，即氨基位于碳原子的左侧，故称之为L氨基酸。（二）氨基酸的分类1、营养学分类（1）必需氨基酸不能在体内合成，必须由食物提供的氨基酸。构成动物体的20种氨基酸中赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸（甲携来一本亮色书）是体内不能合成的，故称为必需氨基酸。正在生长的动物除上述8种外，还需要有精氨酸和组氨酸，雏鸡在上述10种的基础上还需要甘氨酸。（2）非必需氨基酸能够在体内合成的氨基酸。2、按氨基酸的结构分类二十种氨基酸在结构上的不同点在于侧链的R基团。根据侧链的R基团的结构和性质不

40、同，可分为脂肪族氨基酸，芳香族氨基酸和杂环氨基酸三大类：（1）脂肪族氨基酸：R基团为链烃基的脂肪族氨基酸； （2）芳香族氨基酸：R基团为芳香烃基的为芳香族氨基酸；（3）杂环氨基酸：R基团为杂环化合物的为杂环氨基酸。3、按氨基酸R基团性质分类非极性氨基酸、不带电荷极性氨基酸、带正电荷极性氨基酸、带负电荷极性氨基酸。极性和非极性这两个概念经常和疏水亲水联系在一起。根据相似相容原理，极性溶质溶于极性溶剂中，非极性溶质溶于非极性溶剂中。水经常作为溶剂，其是极性的。所以极性氨基酸可看作是溶于水的氨基酸，反之，则不易溶于水。 另一方面，你也可以从氨基酸结构来看，氨基酸的性质主要取决于侧链基团R，如果R只是

41、H或是C、H两元素组成的话，都是疏水的，如果含有极性侧链基团，如-OH、-SH、-COOH、-NH2等，那么这个氨基酸就是极性的。一般来说，和亲水疏水联系起来，例如大部分蛋白质表面多为极性氨基酸，内部为非极性氨基酸，正常情况下，这些蛋白质溶于水，但是当其变性以后，内部的非极性氨基酸暴露出来，这时候蛋白质就沉淀了。三、氨基酸的理化性质（一）氨基酸的两性解（电）离及等电点氨基酸分子既有酸性的羧基，又有碱性的氨基，因此它既可以释放质子，发生酸式电离，成为阴离子，又可以发生碱式电离，成为阳离子，所以氨基酸是两性电解质，而且在水溶液中，氨基酸还能以两性离子的形式存在，所谓两性离子（兼性离子）是指在同一氨

42、基酸分子上既带正电荷，又带负电荷，且所带正负电荷量相等的离子。氨基酸在溶液中以何种离子形式存在，取决于分子中酸性基团与碱性基团的数量、比例以及溶液的pH值，尤其是溶液的pH值。两性离子在加酸或加碱时所起的变化，可用如下反应式表示（板书）。从上面的反应式可以看出：在不同的pH条件下，氨基酸能以阳离子、阴离子、两性离子三种不同的形式出现。调节溶液的pH值，使氨基酸的酸性和碱性电离相等，氨基酸带有相同数目的正电荷和负电荷，此时溶液的pH值即为该氨基酸的等电点，即氨基酸以两性离子状态存在时溶液的PH值称为该氨基酸的等电点，以pI表示。在等电点时，氨基酸以两性离子的形式存在，所带正、负电荷量相等，呈电中

43、性，在电场中既不向正极也不向负极移动。如溶液的pH值大于某一种氨基酸的等电点时，（即溶液的pH值在该氨基酸等电点的碱侧），则该氨基酸主要以阴离子存在，在电场中可向正极移动；如溶液的pH值小于某一种氨基酸的等电点时（即溶液的pH值在该氨基酸等电点的酸侧），则该氨基酸主要以阳离子存在，在电场中可向负极移动。各种氨基酸的化学结构不同，其等电点也不同。一般来说，含一个氨基和一个羧基的氨基酸其等电点在pH6左右，这是由于羧基的解离度稍大于氨基的缘故。对于侧链也含有能解离的羧基的酸性氨基酸，其pI值较低，反之，对于侧链含有能解离的碱性基团的碱性氨基酸，其pI值较高。（二）氨基酸的紫外吸收作用一般氨基酸对可

44、见光都没有光吸收，而色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸这三种侧链含苯环的芳香族氨基酸对280nm附近波长处紫外光有明显的吸收能力，因此，我们可以利用紫外分光光度法，在280 nm 波长处定性或定量地测定以上氨基酸及含有这些氨基酸的蛋白质的含量。(三)茚三酮反应-氨基酸与茚三酮共热，可发生氧化脱氨反应，而生成醛、氨和CO2，茚三酮则被还原成还原型茚三酮。在弱酸性环境中，一分子还原型茚三酮及一分子茚三酮与二分子氨缩合成蓝紫色化合物。颜色的深浅能反应氨基酸的浓度，可用分光光度法测定。这是定性或定量检查氨基酸的常用方法。(反应式见P7)另外，凡含有-氨基酰基的蛋白质及多肽也都有这种反应。但脯氨酸与茚三酮反应并不

45、释放氨，而直接生成黄色化合物。作业：1、组成蛋白质的基本结构单位是什么？其结构特点如何？2、氨基酸的理化性质有哪些？第五节 肽与蛋白质的分子结构一、肽（一）肽键和多肽链1、肽键蛋白质分子是由许多氨基酸相互连接而构成的，每一个氨基酸之间是通过肽键相连接的。一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基之间脱水缩合形成的酰胺键（CONH）称为肽键。2、多肽链氨基酸通过肽键相连所形成的化合物称为肽，由两个氨基酸形成的肽称为二肽，由三个氨基酸形成的肽称为三肽，以此类推。通常将十肽以下称为寡肽，十肽以上称为多肽，也叫多肽链。肽链中的氨基酸在形成肽键时失去了氨基上的一个氢原子和羧基上的一个羟基，已不再是完整的氨

46、基酸分子，故称为氨基酸残基。多肽链的形成是由若干个-氨基酸两两之间脱水缩合而形成的，一般在书写多肽链时，把游离的-NH2端写在左边，称为氨基末端(简称N端)，把游离的-COOH端写在右边称为羧基末端(简称C端)。多肽的命名是根据组成它的氨基酸确定的，一般从肽链的N端开始，从左向右按顺序依次为某氨基酰某氨基酰某氨基酸，也可用氨基酸符号按顺序表示。例如：由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸所形成的三肽叫谷氨酰半胱氨酰甘氨酸，简称为谷胱甘肽。（二）重要的肽化合物许多小分子肽和部分多肽在医学上具有极其重要的生理功能，在细胞内发挥着一定的生物学作用，常把这类肽称为生物活性肽。1、谷胱甘肽（GSH）GSH是由谷氨酸

47、、半胱氨酸和甘氨酸组成的三肽。它的结构中有一个谷氮酸的羧基和半胱氨酸的-氨基缩合成的肽键；半胱氨酸上有一个活泼的巯基，易氧化成为二硫键，是该化合物的主要功能基团。（见P26结构式）GSH在体内有多种重要的功能：（1）参与细胞内氧化还原反应，作为氧化还原酶的辅酶，是一种重要的还原剂。它可以保护蛋白质、巯基酶中的巯基免遭氧化，以免失去该蛋白质或酶的生物活性。同时，GSH的氢在谷胱甘肽过氧化物酶的催化下，能使细胞内产生的H2O2还原成H2O，还原型GSH则变成氧化型GSSG，这就防止了过氧化物在体内的堆积。（2）解毒功能。GSH分子中的巯基（SH）可与一些卤化有机物、环氧化物等毒素组合，避免了这些毒

48、物和DNA、RNA、蛋白质结合，从而保证了DNA、RNA、蛋白质的正常功能。2、激素肽很多肽都具有调节机体代谢的的激素功能。（1）催产素 具有使子宫和乳腺平滑肌收缩的功能。（2）抗利尿激素（ADH） 能增加肾远曲小管及集合管对水的重吸收，具有抗利尿作用。同时也具可引起骨骼肌和内脏小动脉强烈收缩，外周阻力增高，血压升高的作用，故又有加压素（AVP）之称。（3）促甲状腺激素释放激素（TRH）促进垂体前叶分泌促甲状腺激素。（4）促黄体生成素释放激素（LRH） 控制垂体黄体生成和卵泡成熟激素的分泌。3、多肽类抗生素具有抑制和杀灭细菌的作用。二、蛋白质一级结构蛋白质是由许多氨基酸通过肽键连接而成的多肽链

49、。由于蛋白质的结构极其复杂，目前一般按其结构水平分为一级结构和空间结构。蛋白质的一级结构又称为初级结构，它是指构成蛋白质的各种氨基酸在多肽链中的排列顺序。多肽链中氨基酸的顺序是由基因的碱基排列顺序所决定的。蛋白质的一级结构中，肽键是其主要的化学键，有的尚含有二硫键，即由两个半胱氨酸巯基之间脱氢而生成的化学键(-S-S-)。因共价键的键能大，故蛋白质的一级结构稳定性较强。虽然组成蛋白质的氨基酸只有20种，但不同种类和数目的氨基酸以不同的排列顺序就可以构成数量很大的具有特定结构和功能的不同的蛋白质分子，因此，测定蛋白质一级结构是研究蛋白质分子结构的极其重要的内容。1953年英国的FSanger首先

50、测定了牛胰岛素的一级结构，这是蛋白质化学研究过程中的一项重大突破。胰岛素是一个由51个氨基酸组成的小分子蛋白质，其一级结构由两条肽链组成，A链含有21个氨基酸残基，B链含有30个氨基酸残基。A、B两条链之间是通过两个二硫键连接起来的。此外，在A链中A6和A11两个半胱氨酸残基之间也形成二硫键。（见P28 图1-14 牛胰岛素的一级结构）。一级结构的阐明具有重要的意义，它使人们从根本上认识了由于20种氨基酸排列不同而组成多种多样的蛋白质，并具有不同的生物学功能。一级结构的测定还应用在临床医学中，许多先天性疾病就是由于某一重要蛋白质一级结构发生改变而引起的。如：镰刀形红细胞性贫血就是由于血红蛋白亚

51、基的第6位缬氨酸被谷氨酸取代所致。三、蛋白质的空间结构(高级结构)蛋白质的空间结构(二、三、四级结构)是指蛋白质分子中原子和基团相互之间的立体关系，包括它们在三维空间的排布及链的走向。天然蛋白质具有一定的空间结构或构象，它决定着蛋白质的分子形状、理化特性和生物学活性。蛋白质构象分为主链构象和侧链构象，主链构象指多肽链上各原子的排布及相互关系；侧链构象是指各氨基酸侧链基团中原子的排布及彼此关系。主链构象决定侧链基团的排布，侧链构象影响主链构象的卷曲和折叠，二者相互依存，相互影响。蛋白质分子的多肽链不是一条任意盘绕的无规则线团，任何一种具有生物活性的天然蛋白质分子，都具有特征性而且稳定的空间结构，

52、它主要靠氢键、离子键、疏水作用力等次级键维持稳定。次级键的作用力较共价键弱，但蛋白质分子内次级键的数量较多。所以在维系蛋白质空间结构方面仍起着决定性的作用，蛋白质分子的二硫键对维持空间结构也有重要作用。（一）蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构是多肽链的主链按照一定方式旋转、折叠形成的主链构象，即多肽链主链各原子在空间的排列方式，不包括其侧链R基团的构象及此多肽链片段与其它多肽链片段之间的构象。形成蛋白质二级结构的基础是肽键平面，肽键中的C、O、N、H四个原子和与它们相邻的两个碳原子都处于这个平面上。肽键具有一定的双键性质，不能以C-N为轴心旋转，于是肽键及其相关的6个原子形成平面，而与肽键相连的

53、碳原子两侧单键都可以自由旋转，于是，在蛋白质分子中通过羰基(C=O)与亚氨基(N-H)形成的氢键的作用，肽平面就可以围绕碳原子旋转、折叠或卷曲，形成其二级结构的几种不同形式，即-螺旋、-折叠、-转角和无规则卷曲等。因此，维系蛋白质二级结构的稳定的化学键主要是氢键。1、-螺旋-螺旋是指蛋白质分子中多个肽平面通过氨基酸的-碳原子沿长轴方向旋转，按一定规律形成的稳定的螺旋状结构。主要特征为：（1）一般为右手螺旋，仅个别蛋白质分子中为左手螺旋。（2）每一个螺旋圈内含有3.6个氨基酸残基，每个残基高度为0.15nm，因此螺距为0.54nm。（3）螺旋圈之间由主链骨架的肽键上的C=O（羰基）与N=H（亚氨

54、基）形成大量氢键，是维持-螺旋结构稳定的主要次级键。肽链上每一个C=O中的氧和N-H中的氢都参与了氢键的形成。（4）肽链中氨基酸的R基团伸向螺旋的外侧，其空间形状、大小及电荷对-螺旋的形成和稳定有重要的影响。大多数天然蛋白质中存在有右手-螺旋，纤维状蛋白质含有较多的-螺旋结构。如：毛发中的-角蛋白，几乎全是-螺旋结构。-螺旋结构也广泛地存在于球蛋白中，但由于各种蛋白质的结构和功能差异很大，其中的-螺旋的百分含量也有较大的差异，如：肌红蛋白分子为77%，而溶菌酶、-胰凝蛋白酶和糜蛋白酶则分别为40%、9%和5%。、-折叠（片层结构）-折叠是指多条肽链或一条肽链的一部分与另一部分并排地排列，靠链间

55、或链内C=O基团与N-H基团之间的氢键折叠成锯齿状或片状结构。-折叠的特点如下：（1）肽链延伸，肽平面之间折叠成锯齿状。（2）若干条多肽链或一条多肽链迂回，形成的若干肽段互相靠拢,平行排列,通过氢键连接。（3）相邻排列两条-折叠结构走向相同时，称为顺向平行；反之称为逆向平行。（4）在-折叠构象中，相邻肽链之间借助氢键彼此连结，使构象稳定，氢键大致与多肽链的主链走向垂直，侧链R基团在折叠片的上下。在纤维蛋白中的丝心蛋白则全部是反向式的-折叠，球蛋白中也有一定量的-折叠。3、-转角 也称回折。它由第一个氨基酸残基的羰基与第四个氨基酸残基的亚氨基之间形成氢键，多肽链形成180回折。4、无规则卷曲 肽

56、链呈现无确定规律的卷曲。（二）蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构是指整条多肽链所有原子的排布方式，包括多肽链分子主链及侧链的构象。即蛋白质多肽链在二级结构的基础上，在空间进一步盘绕、卷曲和折叠，形成在三维空间排列的有序立体结构。只有具备了三级结构的多肽链才是具有生物活性的蛋白质。如肌红蛋白。三级结构主要由多肽链侧链基团之间所形成的次级键维持稳定，这些次级键主要有：1、疏水键：肽链上某些氨基酸非极性的疏水侧链之间的相互吸引力。2、离子键（盐键）：蛋白质带正电荷的基团和带负电荷的基团之间通过静电作用力。3、(氢原子和电负性高的原子形成的一种弱的键 )、范德华力(分子间的作用力)、二硫键等。其中疏水作用力数量较多，对维持蛋白质的三级结构起着特别重要的作用，且其中极性R侧链在外，非极性R侧链在内。见P31图1-18肌红蛋白的三级结构示意图。（三）蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构：由两条或两条以上独立存在并具有三级结构的多肽链借次级键（氢键、疏水健、盐键）缔合起来所形成的更复杂、更高级的空间结构。四级结构中每个具有独立三级结构的多肽链单位称为蛋白质的亚基，亚基一般只包括一条链，但有的由两条多肽链组成，他们彼此之间以二硫键相连。在四级结构中，各亚基可以是相同的，也可以是不同的。如过氧化氢酶是由4个相同的亚基构成的。由不同亚基构成的四级结构称非均一四级结