生物化学
Biochemistry
生物化学的定义与研究内容
生物化学是生命的化学, 它是研究
生物机体的化学组成和生命过程中的化
学变化规律的一门科学 。 生物体由哪些
物质组成? 它们的结构和性质如何? 它
们之间是如何转变的? 它们有什么功能?
它们是如何发挥作用的? 这些都是生物
化学研究的内容 。
生物体化学组成
水 糖类 脂类 蛋白质
核酸 无机盐 小分子有机物
新陈代谢
在生命过程中, 机体不断地从外
界环境中吸收各种物质, 这些物质在
体内发生了各种化学变化, 同时又向
环境排出各种物质, 这些过程就是新
陈代谢 。 生命就是通过新陈代谢, 从
而完成生长发育和繁殖的过程 。
生物化学的发展简史 Ⅰ
?早在奴隶社会时期, 人们就会酿酒
?公元前十二世纪,, 周礼, 中已有造酱的记载
?,诗经, 中有饴 ( 麦芽糖 ) 的记载
?在约公元 4世纪葛洪著的, 肋后百一方, 中,
记载了海藻酒疗瘿方
?北魏贾思勰著, 齐民要术, 中记载了我国古代
劳动人民在制曲中利用曲的滤液进行酿造, 表明
对酶的作用已有初步认识 。
生物化学的发展简史 Ⅱ
?公元七世纪, 孙思邈首先用猪肝治疗雀目, 实
际上是用含维生素 A丰富的猪肝治疗夜盲症
?北宋寇宗 ( shi) 的, 本草衍义, 卷二十中
记载有:, 生大豆, …… 又可 硙 ( Wei,磨 ) 为
腐 。, 表明在此之前, 我国劳动人民已能分离
和凝固植物蛋白制造豆腐
?公元 1637年, 明末宋应星的, 天工开物 ·甘嗜,
中记载了甘蔗的栽培技术以及制糖设备和工艺过
程, 具有相当高的科学价值, 其中关于用石灰澄
清法处理蔗汁的工艺, 至今仍为世界公认最经济
的方法 。
生物化学的发展简史 Ⅲ
但是,, 真正的自然科学只是从十五
世纪下半叶才开始,, 这是一句很令中国
人伤心的话, 那时正值清朝闭关自守, 咬
文嚼字的时代 。
生物化学的发展简史 Ⅳ
?十八世纪下半叶, 由于药物的化学分析, 第一
次从植物材料和动物材料中分离出了乳酸, 柠檬
酸, 酒石酸, 苹果酸, 尿酸和甘油等 。
?氧 气 被 发 现 后, 法国著名化学家拉瓦锡
( Attoine-Laurent Lavoisier) 通过一系列的
科学实验, 发现了有机体的呼吸和蜡烛的燃烧同
样都是碳氢化合物的氧化;在氧化过程中, 消耗
了氧, 产生了水和二氧化碳 。
?1877年, 德国医生霍佩-赛勒 ( Ernst Felix
Hoppe-Seyler) 首次提出, Biochemie”这个名
词, 汉译为生物化学 。 他还首次获得纯卵磷脂,
晶状体的血红素, 并首创, protein”一词 。
生物化学的发展简史 Ⅴ
?德国的有机化学家费歇 ( Emil Fischer) 于 1902年
前后发现了缬氨酸, 脯氨酸和羟脯氨酸, 并于 1907年
用化学方法连接了 18个氨基酸, 合成了多肽 。 费歇还
找到了糖化学的试剂 —— 苯肼, 从而对糖的结构和化
学分析作出了贡献 。 表示化合物立体构型的 Fischer
投影式就是他提出来的 。 此外, 他还合成了嘌呤化合
物, 咖啡碱, 可可碱和黄嘌呤等 。
?二十世纪二十年代, 成功地从活细胞中提出纯酶的
结晶, 证明它是蛋白质 。 到二十世纪五十年代, 已经
有上百个酶被提纯, 得到结晶 。 1969年, 美国的
Merrifield等人工合成了第一个酶 —— 牛胰核糖核
酸酶 。
生物化学的发展简史 Ⅵ
?通过对脚气病的研究, 发现了维生素 。
?人们通过阉鸡, 阉猪的实践, 另外还有对糖尿
病, 甲状腺肿等内分泌疾病的认识, 再经过许多
科学实验, 逐渐认 识到了各类激素 。
?弗莱明 ( Alexander Fleming ), 弗洛里
( Howard Walter Florey), 钱恩 ( Ernst Boris
Chain) 因发现了青霉素而获得了 1945年的诺贝
尔生理学或医学奖 。
生物化学的发展简史 Ⅶ
?1944年, 加拿大细菌学家艾弗里 ( Oswald
Avery), 美国生物学家麦克劳德 ( Macleod) 和
麦卡蒂 ( Mc Carty) 证明 DNA是细胞的基本遗传
物质 。
?DNA的 X-衍射研究是由威尔金斯 ( Maurice
Wilkins) 完成的, 而沃森 ( James Dewey Watson)
和克里克 ( Francis Harry Compton Crick) 根据
威尔金斯的衍射结果及其它化学证据, 于 1953年
建立了 DNA的双螺旋结构 。 他们三人因此共同获
得了 1962年的诺贝尔生理学或医学奖 。
生物化学的发展简史 Ⅷ
?1957年,J.C.肯德鲁完成了肌红蛋白的晶体分
析 。 1959年,M.F.佩鲁茨完成了血红蛋白的晶体
分析 。
?1962年, 美国生物化学家尼伦伯格 ( Marshall
Warren Nirenberg) 等证明聚尿苷酸 ( U) 编码
合成聚苯丙氨酸, 从而确定了苯丙氨酸的密码为
UUU,这是第一个被破译的遗传密码 。 至 1966年,
确定了组成蛋白质的 20种氨基酸的全部遗传密码 。
尼伦伯格因此与其他两位科学家共同获得了 1968
年的诺贝尔生理学或医学奖 。
生物化学的发展简史 Ⅸ
?1958 年,英 国 生 物化 学 家桑格 ( Frederick
Sanger) 因完成了第一个蛋白质 —— 牛胰岛素 51
个氨基酸的全序列测定而第一次获得诺贝尔化学
奖 。 1965年他完成了含有 120个核苷酸的大肠杆
菌 5S rRNA的全序列分析 。 1975年他与同事们
建立了 DNA核苷酸序列分析的快速, 只读技术,
即, 加, 减, 法 。 1978年, 又建立了测定 DNA
序列的, 链末端终止法,, 随后完成了人线粒体
DNA全长为 16569个碱基对的全序列分析 。 为此,
他于 1980年再次荣获诺贝尔化学奖 。
Frederick Sanger
生物化学的发展简史 Ⅹ
?1965年, 中国的科学家在世界上首先人工
合成了具有生物活性的蛋白质 —— 结晶牛胰
岛素 。
?1983年, 中国科学家成功地人工合成了酵
母丙氨酸 tRNA。
生物化学的研究技术和方法
离心 色谱分离 同位素示踪
质谱 光谱分析 电子显微镜
电泳 核磁共振 X-光衍射
计算机 荧光分析
分离 鉴定 观察 测定 计算 推理
第 3章 氨基酸
Amino acid
一、氨基酸 —— 蛋白质的构件分子
二、氨基酸的分类
三、氨基酸的酸碱化学
四、氨基酸的化学反应
五、氨基酸的光学活性和光谱性质
六、氨基酸混合物的分析分离
氨基酸的结构通式
α 碳原子为手性碳
Two amino acids
Removal of a water molecule
Formation of the CO- NH
Peptide bond
Amino end Carboxyl end 氨基酸 通过肽键连接
常见的蛋白质氨基酸 Ⅰ
常见的蛋白质氨基酸氨基酸 Ⅱ
常见的蛋白质 Ⅲ
常见的蛋白质氨基酸 Ⅳ
常见的蛋白质氨基酸 Ⅴ
氨基酸按其 R基的极性分类
( pH7时)
非极性 R基
氨基酸
不带电荷的极
性 R基氨基酸
带正电荷的 R
基氨基酸
带负电荷的 R
基氨基酸
丙氨酸 甘氨酸? 赖氨酸 天冬氨酸
缬氨酸 丝氨酸 精氨酸 谷氨酸
亮氨酸 苏氨酸 组氨酸
异亮氨酸 半胱氨酸
脯氨酸 酪氨酸
苯丙氨酸 天冬酰胺
色氨酸 谷氨酰胺
甲硫氨酸
不常见蛋白质氨基酸 Ⅰ
不常见蛋白质氨基酸 Ⅱ
不常见蛋白质氨基酸 Ⅲ
不常见蛋白质氨基酸 Ⅳ
非蛋白质氨基酸 Ⅰ
非蛋白质氨基酸 Ⅱ
非蛋白质氨基酸 Ⅲ
非蛋白质氨基酸甲状腺素
氨基酸兼性离子
甘氨酸兼性离子的解离







线
pK1 = 2.34
pI = 5.97
pK2 = 9.60
Handerson-Hasselbalch公式
][
][
lg
质子供体
质子受体
?? p K apH
当 [质子受体 ]=[质子供体 ]时
p K apH ?
谷氨酸和赖氨酸的滴定曲线
谷氨酸的解离反应式和 pI计算
赖氨酸的解离反应式和 pI计算
部分氨基酸的解离常数和等电点
氨基酸 -COOHpKa -NH3+pKa R基 pKa pI
天冬氨酸 2.09 9.82 3.86( βCOOH) 2.97
谷氨酸 2.19 9.67 4.25( γCOOH) 3.22
精氨酸 2.17 9.04 12.48(胍基) 10.76
赖氨酸 2.18 8.95 10.53( εNH3+) 9.74
组氨酸 1.82 9.17 6.00(咪唑基) 7.59
半胱氨酸 1.71 10.78 8.33( SH) 5.02
酪氨酸 2.20 9.11 10.07( OH) 5.66
甘氨酸的氨基与甲醛的反应
氨基酸的甲醛滴定曲线
四、氨基酸的化学反应
(一) α-氨基参加的反应
1.与亚硝酸反应
室温
(氨基酸定量)
2.与酰化试剂反应
苄氧甲酰氯
苄氧甲酰氨基酸
(保护氨基)
其它酰基化试剂
3.烃基化反应
与 DNFB 反应
(氨基酸鉴定)
3.烃基化反应
与 PITC 反应
(氨基酸鉴定)
4.形成西佛碱反应
(酶与底物过渡态中间物的结合方式之一)
(用于甲醛滴定)
(二) α-羧基参加的反应
1.成盐和成酯反应
(保护羧基)
2.成酰氯反应
(活化羧基)
3.叠氮反应
(活化羧基)
(三) α-氨基和 α-羧
基共同参加的反应
1.与茚三酮反应
(氨基酸定量测定)
紫色
亚氨基酸与茚三酮反应的产物
亮黄色
2.成肽反应
(环状二肽)
(四)半胱氨酸巯基参加的反应
1.与碘乙酸反应
(标记巯基)
2.与氮丙啶反应
(为胰蛋白酶水解肽链提供一个新位点)
3.与含汞化合物反应
(蛋白质结晶时制备重原子衍生物)
对氯汞苯甲酸
4.与二硫硝基苯甲酸反应
(巯基定量测定)
5.两个巯基氧化成二硫键
(蛋白质形成二、三级结构时)
6.蛋白质中二硫键的氧化和还原
(蛋白质结构研究)
7.蛋白质中二硫键的被 DTT还原
(蛋白质结构研究)
氨基酸的相对构型
苏氨酸的 4种光学异构体
芳香族氨基酸在 pH6时
的紫外吸收光谱
Lambert-Beer 定律
摩尔吸收系数 定义为,
光通过 1 Mol / L物质时 1cm光径该物质对该波长光的吸收值。
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蛋白质的水解
( 1)酸水解:用 6 mol/L HCl或 4 mol/L H2SO4回流 20h
左右可使蛋白质完全水解。酸水解不引起消旋作用,得
到的是 L-氨基酸。但色氨酸被完全破坏,丝氨酸和苏氨
酸有一小部分被分解,同时天冬酰胺和谷氨酰胺的酰胺
基被水解下来。
( 2) 碱水解:与 5 mol/L NaOH共沸 10~ 20h可使蛋白质
完全水解 。 碱水解导致多数氨基酸破坏, 并引起消旋作
用, 得到的是 D-和 L-氨基酸的混合物 。 碱水解引起精氨
酸脱氨, 生成鸟氨酸和尿素 。 但色氨酸是稳定的 。
( 3)酶水解:不同的蛋白酶有不同的切割特异性,需要
几种酶共同作用才能使蛋白质完全水解。酶水解常用于
产生肽段。
逆流分溶原理
分溶曲线
分溶曲线与转移次数 n
的依数关系





氨基酸的纸层析图谱和 Rf 值
双向层析 单向层析