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动物生物化学教案张厚锋
附件 2：教案模板（电子版）教2010案～201 1 学年第 1 学期课 程 名 称 动物生物化学 系 ( 院 、 部 ) 动物科学系 教研室 (实验室) 基础教研室 授 课 班 级 09.1 班、09.2 班、10.3 班 主 讲 教 师 张厚锋 职 称 副教授《动物生物化学》 主编：邹思湘使 用 教 材菏泽学院教务处制二○一 零 年 九 月教课 名 课 类 任 教 授 对 基 本 教 材 和 主 程 称 程 别 课 师 课 象 要 参 考 资 料案（首页）总计： 2 副教授 80 学时动物生物化学 专业基础课 张厚锋 学分 职称讲课： 60 学时 实验： 20 学时 上机： 学时 共 3 个班专业班级：09 级 1 班、09 级 1 班、10 级 3 班教材： 《动物生物化学》 主编：邹思湘．出版社：北京：中国农业出版社，出版或修订时间：第四版 2005《动物生物化学实验指导》 周顺伍 主编 2008 年 6 月 第二版《动物生物化学》夏未铭主编中国农业出版社 王镜岩主编．《生物化学》．第三版．北京：高等教育出版社，2002 陈雅蕙等主编．《生物化学实验原理与方法》．第二版．北京：北京大学出版社， 2005 教学目的：通过本课程的学习，使学生掌握动物体内生物大分子的结构与功能、 物质代谢及其调节、基因信息传递及其调控以及它们在生命活动中的作用。从分子教 和 水平阐明生命现象的化学本质，为后续专业课程打好基础。 要求：（1）描述动物体内的主要物质的组成、理化性质和生物学功能，物 学 要 质代谢途径及其调控的规律。 目 求 （2）解释动物体内物质组成、物质代谢及调控与生命现象的关系， 的 包括生物大分子结构与机能的关系。（3）学会初步运用动物生物化学知识论述或解释与动物营养、健康、 疾病等相关的实践问题。-1-教 及 学 难 重 点 点蛋白质的生物学功能，多肽链的基本组成单位―L-α -氨基酸，20 种氨基酸缩写 符号及结构式。准确描述肽键、多肽链、蛋白质一级结构、高级结构，结合实例论 述蛋白质结构与功能的关系，掌握蛋白质的变构效应及蛋白质的变性。蛋白质重要 的理化性质，结合蛋白质的性质列举蛋白质分离纯化及测定方法。蛋白质的二面角、 a-螺旋、?-折叠、结构域、超二级结构、结构域功能关系。 糖的生理功能，糖酵解和有氧氧化的过程概念、部位、关键酶和生理意义，糖酵 解和有氧氧化产物的计算（ATP、H2O、CO2、乳酸）。掌握三羧酸循环的涵义及其在 物质代谢中的枢纽作用。掌握糖原合成与分解、糖原代谢调节及其生理意义。掌握 糖异生的过程、部位、关键酶和意义。糖代谢各途径的共同中间产物及其联系。 饲料蛋白质的生理功能，氮平衡、必需氨基酸、蛋白质的互补作用、蛋白质的 生理价值，氨基酸库、一碳单位等基本概念。掌握联合脱氨基作用的概念、过程和 意义，动物体内尿素合成的部位和全过程。α -酮酸的三条代谢途径和非必需氨基酸 生物合成的途径。糖、脂、氨基酸、核甘酸代谢的相互联系.。 三种 RNA 在蛋白质合成中的协同作用及蛋白质合成过程， 遗传密码、 密码子特点、 摇摆学说及生物学意义。蛋白质信号肽转运。掌握生物界遗传信息传递的方向及相 互关系。 掌握原核生物乳糖操纵子调控机制和反义 RNA 的调节机制。-2-动物生物化学授课时间 授课方式 课程教案课次 课时 安排 1 2理论课□ 讨论课□ 实验课□ 习题课□ 其他□授课题目（教学章、节或主题） ： 第1章 绪 论教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次） ： 掌握生物化学的概念和生物化学研究的内容熟悉生物化学的发展历史与现状 了解与动物生产和动物健康的关系 。教学重点及难点：动物生物化学的概念、研究对象和目的，以及在国民经济发展中的地位和作用。教 学 基 本 内 容 及 方 法 手 段 第一节、生物化学概述 一、 生物化学的定义： 生物化学（biochemistry） ： 是从分子水平上阐明生命有机体 化学本质的一门学科。 二、生物化学的分类： ①基础生物化学：动物生物化学、植物生物化学、 微生物生物化学等。 ②应用生物化学：医学生化、农业生化、工业生化、环境生化 和营养生化等。 三、 生物化学是非常有趣的科学 ? ? ? ? ? ? ? ? 从低等生物 到高等生物生成乳酸的过程完全相同。 从低等生物 到高等生物生成蛋白质所用的密码基本相同。 从低等生物 到高等生物构成蛋白质的氨基酸 20 种 人和大猩猩的基因相差 2%，和小鼠相差 1% 各种动物和人的所有疾病均与生化有关。 有关生命三大奥秘的探索需有生物化学来完成。 生命的起源。 生命的老化。四、生物化学是非常重要的科学-3-? ? ? ?思维、学习、记忆。 认为生命来自超自然的力量，当然是神，上帝。 认为地球上的化学物质进化的结果。 外星球起源学说。有关生命的起源有三个主要学说第二节、生物化学研究内容 一、生物体的物质组成及其结构和功能 蛋白质、核酸和多糖 ―― 生物大分子 、生物信息分子物质的组成、结构与 化学性质等 ―― 静态生物化学 生物大分子是由小分子单体聚合而成的多聚体。 如氨基酸―蛋白质、 核苷酸―核酸、 葡萄糖―淀粉等。生物大分子执行着各种各样的生物学功能，如生物催化、物质运 输、代谢调节、贮存、传递与表达遗传信息等。 它们复杂的空间结构是其功能的 化学基础。 二、物质代谢及其代谢调节 动态生物化学――物质在体内的代谢变化规律、能量代谢及其代谢调节是生物 化学的中心内容 ? ? ? 三、 ? ? 合成代谢（anabolism） ： 将小分子的前体（precursor）经过特定的代谢途 径构建成较大的分子，并且消 耗能量。 分解代谢（ catabolism） ： 将较大的分子经过特定的代谢途径， 分解成 小的分子并且释放出能量。 物质代谢与能量代谢相伴随。在这个过程中，ATP（三磷酸腺苷） 是能 量转换和传递的中间体。 组织和器官机能的生物化学 物质代谢变化与生理机能的关系――机能生物化学。 生命有机体是一个统一协调的整体。任何组织器官的形态结构、代谢方式都是以其化学组成和分子结构为基础的。 在分子水平、 细胞和组织水平以及整体水平上全面、 系统地认识动物组织器官的 生理机能，认识它们之间的联系、认识它们与环境互作的机制，也是动物生物化学 的研究目的之一。 第三节、生物化学的发展历史和现状 一、 历史回顾 ? ? ? ? 初期：18 世纪中叶→20 世纪初。主要研究生物体的化学组成。 成长：20 世纪初→50 年代，主要研究生物体内物质的转变→新陈代谢。 发展：1955→至今分子生物学时代，生物活动的本质。 公元前 22 世纪的夏朝 （杜康――可能是夏代的第六世君王少康 ） 就知道造我国生物化学的发展：-4-酒。 ? ? 公元前 12 世纪已会发酵制酱。 公元前 4 世纪用海藻酒治疗瘿病（甲状腺肿大）1828 年，德国化学家维勒(F.Wohlen，)用人工合成的方法用无机物（氰 酸铵）合成了哺乳动物的代谢产物―尿素，说明了生命的产物和无机化合物一样， 都可以离开“生命力”在体外合成。这是对生命力学说的有力冲击。 1904 年克努普 (F.Knoop) 德国生物化学家提出了脂肪酸体内氧化的 “ β ― 氧化学 说”。 英国化学家桑格尔(F.Sanger)用 1945 年至 1955 年的十年时间，完成了牛胰岛素的 氨基酸组成结构的分析，这是第一个蛋白质组成结构的分析。 H.A.克雷布斯 H.Krebs（）德裔英国生物化学家，1930 年发现了哺乳动 物体内尿素合成的途径（鸟氨酸循环） 。1937 年又提出了三羧酸循环理论，并解释 了机体内所需能量的产生过程和糖、脂肪、 蛋白质的相互联系及相互转变机理。 于 1953 年获诺贝尔奖。 1953 年沃森（J.D.Watson 美国）和克里 克（F.H.C.Crick 英国）提出了 DNA 双螺旋三维结构模型。这一模型的建立，揭 开了生物遗传信息传递的秘密，从遗传物质结构变化的角度解释了遗传性 状突变 的原因，并标志着遗传学完成 了由“经典”向“分子”时代的过渡 1965 年 9 月 17 日，在中国首次人工合成胰岛素。这也是世界上第一个蛋白质的全 合成。 这是我国科技人员在奋力攀登世界科学高峰， 为祖国在基础研究方面争得的 一项世界冠军。这一成果促进了生命科学的发展，开辟了人工合成蛋白质的时代。 1997 年英国 I.Wilmut 维尔穆特等运用羊的体细胞（乳腺细胞）繁育出了第一只克 隆羊――多莉 二、 生物化学的前景和现状 “人类基因组计划” （human genome project，HGP）历经 10 个年头，在进入本世 纪后不久宣布完成， 人类基因组的解读为疾病的诊断、 防治和新药的研究开发提供 了有力的武器。科学家已绘制出 40 余种生物的基因组图谱，基因组的研究将进入 功能基因组（functional genomics）阶段，即确定基因结构与功能的应用阶段。 到 70 年代，重组 DNA 技术（Recombinant DNA technology）诞生，人类可以按 照自己的意愿改造遗传基因和操纵遗传过程。 这个技术的规模化和工业化， 就是基 因工程，也称遗传工程（Genetic engineering） 。 以基因工程技术为核心， 与现代发酵工程、 细胞工程、 胚胎工程、 酶工程、 蛋白质工程等集合而成的生物工程学（Biotechnology） ，已经和正在展现出其推动 生产力发展的巨大潜力。 第四节、与动物生产和健康的关系 生物化学是生物科学，如农学、医学、畜牧、兽医、水产等的基础学科之一。现 代生物化学的理论和实验方法已经作为通用的“语言”与有力的“工具”被广泛用于 生命科学的表述和研究之中。它与动物生理学、动物营养学、动物遗传学、动物繁 殖学、药理学、动物病理学、微生物学、免疫学、动物疾病诊断学等学科有着不可 分割的联系， 因此学习和掌握生物化学的知识对于从事动物生产和动物健康事业十-5-分重要。作业、讨论题、思考题： 什么是生物化学的核心课题 ？ 生命物质的结构层次有哪些？ 课后小结：填表说明：1. 每项页面大小可自行添减，一节或一次课写一份上述格式教案。 2. 课次为授课次序，填 1、2、3……等。 3. 方法及手段如：举例讲解、多媒体讲解、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、音 像讲解等。-6-动物生物化学授课时间 授课方式 课程教案课次 课时 安排 2 2理论课□ 讨论课□ 实验课□ 习题课□ 其他□授课题目（教学章、节或主题） ： 第三章、蛋白质 第一节、蛋白质的主要生理功能 第二节、蛋白质的分类 第三节、蛋白质的化学组成 教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次） ： 掌握蛋白质的化学组成、基本结构单位。教学重点及难点： 蛋白质的分子组成教 学 基 本 内 容 及 方 法 手 段 第一节、蛋白质的主要生理功能 蛋白质（protein）是生命活细胞内含量最丰富、功能最复杂的生物大分子，并参与 了几乎所有的生命活动和生命过程。 蛋白质是各组织的主要有机成分，一般组织含有 17-20%。 蛋白质是由氨基酸为单位 ，以酰胺键（肽键）连接起来的一类含氮的生物大 分子。 蛋白质是生命最基本的结构物质和功能物质。 蛋白质是生命活动的体现者。 蛋白质的生理功能 催化功能；结构功能；调节功能；防御功能；运动功能；运输功能；信息功能； 储藏功能 ? ? ? ? ? ? 第二节、蛋白质的分类 1.根据形状可分为： 球蛋白――球形、溶解性能良好。 纤维蛋白――纤维状或细棒状，多不溶于水，血液中的纤维蛋白例外。角蛋白、 胶原蛋白等。-7-2. 根据化学组成可分为单纯蛋白质 (分子中只含氨基酸残基 )及结合蛋白质 (分子 中除氨基酸外还有非氨基酸物质，后者称辅基) 。 第三节、蛋白质的化学组成 一、蛋白质的元素组成 蛋白质主要元素组成：C、H、O、N、S 及 P、Fe、Cu、Zn、Mo、I、Se 等微量 元素。蛋白质平均含 N 量为 16％,这是凯氏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、蛋白质的基本结构单位 ──氨基酸 组成蛋白质氨基酸的特点： 蛋白质经酸、碱、酶彻底水解，可以得到许多种氨基酸的混合物，氨基酸是构成 蛋白质的基本单位。 组成蛋白质的基本氨基酸（标准氨基酸）有 20 种。 大部分属于 L-α氨基酸， 其中脯氨酸属于 L-α亚氨基酸， 甘氨酸属于α-氨基酸。 1.氨基酸的基本结构??? （1）α-氨基酸 所有氨基酸的氨基 （-NH2)都在α 碳原子上 （用 Cα表示） 。 故称为α-氨基酸 。 脯氨酸为α-亚氨基酸 （2）旋光性 除甘氨酸外，所有天然α -氨基酸都有不对称碳原子（手性碳原子） ，因此所有 天然氨基酸都具有旋光性。-8-（1）不对称碳原子――碳原子连接的四个基团都不相同。 （2）光→滤光片→偏振光（单色光）→氨基酸的溶液→偏振光向左（逆时针）或向 右旋转（顺时针） 。 右旋体（＋） ? 左旋体（－） L 型、D 型氨基酸：是氨基酸立体异构体的表示方法。将羧基写在上方，邻 近羧基的α-氨基写在右边为 D-氨基酸，写在左边的为 L-氨基酸，天然蛋白 质中为 L-型氨基酸（左旋体） 。2.二十种常见蛋白质氨基酸的分类、结构及三字符号非极性R基团AA（８种）――不溶于水，具有 疏水性。 据R基团 极性分类 极性R基团AA 带电荷中性溶液 中电离不带电荷 （７种） ――侧链中含有-OH、 -SH、CONH2等极性集团，在中性水溶 液中不电离，具有亲水性。 带正电荷（３种） （碱性AA）组、赖、精。 带负电荷（２种） （酸性 AA ） 、天冬、 谷。-9-脂肪族ＡA――R为脂肪烃基据R基团化 学结构分类芳香族Ａ A(Phe 、 Tyr 、 Trp) ― ― R 为 芳 香 烃基 杂环ＡＡ(His、 Pro、 Trp) R为杂环烃基。据营养学 分类必需ＡＡ 非必需ＡＡ一氨基一羧基ＡＡ 二氨基一羧基ＡＡ(Lys、His、Arg) 一氨基二羧基ＡＡ(Glu、Asp)据氨基、羧 基数分类三、修饰氨基酸和非蛋白质氨基酸的概念 1.蛋白质氨基酸（标准氨基酸） ： 蛋白质中常见的 20 种氨基酸 2.修饰氨基酸――蛋白质合成后通过加工修饰生成的氨基酸，没有相 应的编码如 4羟脯氨酸、5-羟赖氨酸、胱氨酸等。 3.非蛋白质氨基酸（非生蛋白氨基酸）――蛋白质中不存在的氨基酸。如：瓜氨酸、 鸟氨酸。同型半胱氨酸在代谢途经中产生的。 四、氨基酸的主要理化性质 1.氨基酸的主要物理性质： 溶解性――在水中的溶解性差别较大，能溶于稀酸、稀碱，不溶于有机溶剂。 熔点――氨基酸熔点较高，一般在 200°C 以上。 味感――不同氨基酸有不同的味道，有的无味，有的甜味（甘氨酸） ，有的苦味，有 的鲜味（谷氨酸） 。 旋光性――除甘氨酸外，其余氨基酸都具有旋光 紫外吸收――参与蛋白质组成的 20 种氨基酸中色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr)和苯丙氨 酸(Phe)的 R 基团中含有苯环共轭双键系统，在紫外光区（220-300nm）显示特征的- 10 -吸收谱带，最大光吸收（?max）分别为 279、278、和 259nm。由于大多数蛋白质 都含有这些氨基酸残基，因此用紫外分光光度法可测定蛋白质含量 2.氨基酸的两性解离性质及等电点（pI）R CH NH3+ COOHR + OH++ H+CH NH3 COO++ OH+ + H+R CH NH2 COO当氨基酸溶液在某一定 pH 值时，氨基酸分子上所带正负电荷相等，成为两性离子， 在电场中既不向阳极也不向阴极移动，此时溶液的 pH 值即为该氨基酸的等电点。 ? 当溶液的 PH 值=PI 时，氨基酸以两性离子形式存在。 ? 当溶液的 PH 值&PI 时，氨基酸以正离子形式存在。 ? 当溶液的 PH 值&PI 时，氨基酸以负离子形式存在。 3.氨基酸的重要化学反应 与茚三酮的反应:用于氨基酸定量定性测定. ?与 2,4 一二硝基氟苯(DNFB)的反应（sanger 反应）:用于蛋白质 N-端测定. ?与苯异硫氰酯（ＰＩＴＣ）的反应（ Edman 反应） ，?用于蛋白质 N-端测定，蛋白 质顺序测定仪设计原理的依据。 作业、讨论题、思考题： 1. 简述蛋白质具有哪些重要功能？ 2. 什么是两性电解质？ 课后小结：填表说明：1. 每项页面大小可自行添减，一节或一次课写一份上述格式教案。 2. 课次为授课次序，填 1、2、3……等。 3. 方法及手段如：举例讲解、多媒体讲解、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、音 像讲解等。- 11 -课程教案授课时间 授课方式 理论课□ 讨论课□ 实验课□ 习题课□ 其他□课次 课时 安排3授课题目（教学章、节或主题） ： 第三章、蛋白质 第四节、蛋白质的化学结构 第五节、蛋白质的高级结构 教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次） ： 1.掌握蛋白质的结构层次。 2.掌握蛋白质的结构特点。 3 了解生物体内重要活性肽的结构与功能的关系。 教学重点及难点： 1.肽键、肽平面和肽链， 2.蛋白质的结构层次和相互关系。 （1）蛋白质的一级结构：多肽链的基本结构。 (2)蛋白质的空间结构 教 学 基 本 内 容 及 方 法 手 段 第四节 蛋白质的化学结构 一、蛋白质分子中氨基酸的连接方式 ? 在蛋白质分子中，氨基酸之间是以肽键(peptide bond)相连的 。 ? 肽键形成 ――肽键就是一个氨基酸的α -羧基与另一个氨基酸的α -氨基脱 水缩合形成的键。如下图：二.肽与多肽链- 12 -? 肽――氨基酸之间通过肽键联结起来的化合物称为肽。 ? 二肽――两个氨基酸形成的肽叫二肽， 三个氨基酸形成的肽叫三肽……， 十 个氨基酸形成的肽叫十肽。 ? 寡肽――一般将十肽以下称为寡肽。 ? 多肽链――十肽以上者称多肽或称多肽链。五十肽以上成为蛋白质。 ? N 末端、C 末端――在多肽链中，肽链的一端保留着一个α－氨基，另一端 保留一个α－羧基，带α－氨基的末端称氨基末端(N 端)；带α－羧基的末 端称羧基末端(C 端)。 氨基酸残基――组成多肽链的氨基酸在相互结合时， 失去了一分子水， 因此把多肽 中的氨基酸单位称为氨基酸残基。 三.肽链书写 ? 一般自 N 末端向 C 末端书写，书写多肽链时可用略号，N 端写于左侧，用 H 表示，C 端于右侧用 OH 表示。肽详细命名时为某某酰某某酰……某某 酸。苏氨酸甘氨酸酪氨酸丙氨酸亮氨酸? 如上图中的多肽链中文名称为： 苏氨酰甘氨酰酪氨酰丙氨酰亮氨酸； 中文名 称缩写为： 苏―甘―酪―丙―亮； 英文三字母表示为： Thy? Gly? Tyr? Ala? Leu； 英文单字母表示为：T? G? Y? A? L。 四.动物体内重要的活性肽 1.? 谷胱甘肽――谷胱甘肽是由谷氨酸、 半胱氨酸和甘氨酸三个氨基酸所组成的三 肽，全名是γ－谷氨酰半胱氨酰甘氨酸，简称谷胱甘肽 (glutachione,简写 GSH)。 其中 N 末端的谷氨酸是通过γ－羧基与半胱氨酸的氨基相连。 谷胱甘肽的主要功能 1.谷胱甘肽作为还原剂保护蛋白质或酶的巯基免遭氧化。 2.作为还原剂，清除体内 H2O2 3.保护蛋白质、核酸免遭毒物损害- 13 -H2O22GSHNADP NADPH+H+2H2O五、蛋白质的一级结构G-S-S-G多肽链中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位Z称为蛋白质的一级结构(primary struc 主键：肽键、二硫键。 一级结构是由 DNA 决定的。 一级结构蛋白质最基本的结构，它决定蛋白质高级结构和生物功能。 一级结构的走向规定为 N-端 ? C-端。 ? 蛋白质的一级结构要点 ? 1）一定来源的蛋白质分子中氨基酸种类、数目、排列顺序是一定的。 现有 1000 多种蛋白质的顺序已确定。如胰岛素，胰核糖核酸酶、胰蛋 白酶等。 ? 2）一级结构包括从 N-端到 C-端的氨基酸的排列顺序和二硫键在分子 中的位Z。 ? 3）一级结构是由基因上遗传密码的排列顺序所决定的。 ? 4）蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二级、三级等高级结构。 第五节、蛋白质的高级结构 ?二级结构―多肽链主链骨架原子的局部空间结构； ?超二级结构――是指二级结构的组合。 ?结构域――多肽链上致密的、相对独立的球状区域。 ?三级结构――多肽链上所有原子和基团的空间排布。 ? 四级结构――几条肽链构成。 一级氨酸串成链 ， 二级折叠有螺旋. 三级盘旋更复杂 ， 四级多链抱成团. 蛋白质的二级、三级和四级结构见下图：- 14 -二.蛋白质空间结构有关的化学键 1）氢键：肽键羰基上的氧与亚胺基上的氢之间。 （电负性较强的原子和 H 原子形 成的化学结合力） 。键能较低，易被破坏。 2） 二硫键： 分之中半胱氨酸的巯基之间脱氢而形成的化学键。 二硫键键能较强 , 蛋 白质中二硫键越多蛋白质越稳定对外界的抵抗力越强。 3)盐键：蛋白质在一定的情况下其氨基或羧基以正、负离子状态存在，即可形 成盐 4)疏水键：蛋白质分子中疏水性较强的侧链基团避水而互相凝集，对蛋白质稳 定起重要作用。 5)范德华力：分子之间的静电引力，表现在基团之间。 极性分子――极性分子 →取向力 极性分子――非极性分子→诱导力 非极性分子――非极性分子→色散力 6)酯键：羟基氨基酸与二羧基氨基酸形成酯键。 7)金属键：主要参与三、四级结构形成。键。结合力强，易被酸碱破坏。 三、肽平面和二面角 1.肽键中的 C-N 键长 0.132nm， 比相邻的 N-C 单键(0.146nm)短， 而较一般 C=N 双 键(0.128nm)长，可见，肽键中-C-N-键的性质介于单、双键之间，具有部分双键的 性质，因而不能旋转，固定在一个平面之内。 2.肽键平面（肽酰平面）――六个原子（-Cα―CO―NH―Cα-）处于一个平 面上，这就是肽键平面。Pauling 等人对一些简单的肽及氨基酸的酰胺等进行 了 X 线衍射分析，得出下图所示结构 。- 15 -3.二面角 两相邻酰胺平面之间，能以共同的 Cα为定点而旋转，绕 Cα-N 键旋 转的角度称φ角，绕 C-Cα键旋转的角度称ψ角。φ和ψ称作二面角，亦称 构象角 四、蛋白质的二级结构 蛋白质的二级结构（secondary structure）指肽链主链原子不同区段形成的局 部空间结构，不包括侧链 R 基团的构象。主要有以下类型： α－螺旋（α－helix） ? β－折叠（β-pleated sheet） ? β－转角（β-turn） ? 无规则卷曲（nonregular coil） 1.α－螺旋（α－helix） Pauling 等人对α－角蛋白(α－keratin)进行了 X 线衍射分析， 从衍射图中 看到有 0.5～0.55nm 的重复单位，故推测蛋白质分子中有重复性结构，后来把 这种重复性结构称为α－螺旋结构（1951 年提出） 。 特征： 1、以肽键平面为单位，以α碳原子为转折盘旋的右手螺旋。 2、 每隔 3.6 个 AA 残基螺旋上升一圈，螺距 0.54 3 、主链原子构成螺旋主体，侧链在其外部。 4、第一个氨基酸残基的&N-H 与第四个氨基酸残基的&C=0 形成氢键。氢键 的方向与中心轴大致平行，是维持α螺旋的主要力量。 多态性：多数为右手（较稳定） ，亦有少数左手螺旋存在（不稳定） 2.β－折叠（β-pleated sheet） ? Astbury 等人曾对β－角蛋白进行 X 线衍射分析，发现具有 0.7nm 的 重复单位。 ? 两段或两段以上多肽链并列排列时， 折叠成锯齿状的肽链， 通过氢键相 连而平行成片层状的结构称为β－折叠(β－pleated sheet 结构或称β －片层) ? β－折叠结构如下图：- 16 -? β－折叠结构特点是： （1）相邻肽链平面的夹角 110°，成锯齿状排列，氨基酸残基的 R 侧链在锯 齿的上方或下方。 （2）多条（2-5 条）肽段平行排列时，肽段之间可以是顺向平行（均为 N→ C)， 也可以是反平行的。 两条链从“N 端”到“C 端”是同方向的叫平行β－折叠 结构，反方向的叫反平行β－折叠结构。 (3)由氢键维持稳定，其方向与折叠的长轴垂直。 β－折叠结构存在于β－丝蛋白中例如：鸟类的羽毛、两栖类的鳞片；蚕 丝的丝心蛋白（韧性，柔软不能拉长） ，蜘蛛网。 3.β－转角（β-turn） （1）肽链出现 180°的回折，折角处的构象就是β－转角 (β－turn 或β－ bend)甘氨酸、脯氨酸存在时易形成β－转角。 （2）β－转角中，第一个氨基酸残基的 C＝O 与第四个残基的 H 形成氢键， 从而使结构稳定。 肽链在脯氨酸存在时发生β－转角。4.无规则卷曲 没有确定规律性的肽链构象。 肽链中肽键平面不规则排列，属于松散的无规卷曲(random coil)。 在整个肽段起到活节的作用。有利于整条肽链盘旋折叠。- 17 -五、蛋白质的超二级结构（模体） 蛋白质分子中两个或三个具有二级结构的肽段在空间相互靠近， 形成特殊的空 间构象，称为蛋白质的超二级结构――模体。 主要组合方式： αα；β×β； βββ 六、蛋白质的结构域 结构域(domain)多肽链上致密的、相对独立的球状区域。 （1） 在分子较大的蛋白质中,常可分割成 1 个和数个球状或纤维状区域,折叠的 较紧密,各行其功能。 （2）是蛋白质构象中二级结构与三级结构之间的一个层次。与蛋白质亚基结 构有明显区别。一般每个结构域约由 100-200 个氨基酸残基组成，各有独特的 空间构象，并承担不同的生物学功能。 七、蛋白质的三级结构 多肽键在二级结构的基础上， 通过侧链基团的相互作用进一步卷曲折叠， 借助 次级键维系使α－螺旋、 β－折叠片、 β－转角等二级结构相互配Z而形成特 定的构象。三级结构是多肽链中所有的原子的空间排布。实例：肌红蛋白、 核糖核酸酶 蛋白质三级结构的稳定主要靠次级键，包括氢键、疏水键、盐键以及范德华力 (Van der Wasls 力)等。 这些次级键可存在于一级结构序号相隔很远的氨基酸残 基的 R 基团之间，因此蛋白质的三级结构主要指氨基酸残基的侧链间的结合。 次级键都是非共价键，易受环境中 pH、温度、离子强度等的影响，有变 动的可能性。 二硫键不属于次级键， 但在某些肽链中能使远隔的二个肽段联系 在一起，这对于蛋白质三级结构的稳定上起着重要作用。 具备三级结构的蛋白质从其外形上看，有的细长 (长轴比短轴大 10 倍以 上)，属于纤维状蛋白质(fibrous protein)，如丝心蛋白；有的呈球形，属于球 状蛋白质(globular protein)，如血浆清蛋白、球蛋白、肌红蛋白，球状蛋白的 疏水基多聚集在分子的内部， 而亲水基则多分布在分子表面， 因而球状蛋白质 是亲水的。 八、蛋白质的四级结构 1.具有二条或二条以上独立三级结构的多肽链组成的蛋白质， 其多肽链间通过 次级键相互组合而形成的空间结构称为蛋白质的四级结构。 2.四级结构中每个具有独立三级结构的多肽链单位称为亚基(subunit)。 3.四级结构实际上是指亚基的立体排布、相互作用及接触部位的布局。亚基之 间不含共价键，亚基间次级键的结合比二、三级结构疏松，多以离子键连接。 因此在一定的条件下， 四级结构的蛋白质可分离成亚基， 而亚基本身构象仍可 不变。 4.一种蛋白质四级结构中，若亚基结构相同，称为同聚体。例如：烟草斑纹病 毒的外壳蛋白是由 2200 个相同的亚基形成的多聚体。 5.一种蛋白质四级结构中，亚基结构若不相同，称为异聚体。例如；正常血红 蛋白是两个α亚基与两个β亚基形成的四聚体。- 18 -作业、讨论题、思考题： 1. 简述蛋白质的结构层次及其相互关系。 2. 蛋白质的α -螺旋结构有何特点？ 课后小结：动物生物化学 课程教案授课时间 授课方式 理论课□ 讨论课□ 实验课□ 习题课□ 其他□课次 课时 安排4授课题目（教学章、节或主题） ： 第三章、蛋白质 第六节、蛋白质的结构与功能的关系 第七节、蛋白质的性质 教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次） ： 1. 掌握蛋白质的结构层次与生物学功能之间的关系； 2. 了解蛋白质的重要理化性质；教学重点及难点： 1.蛋白质的结构与功能的关系 2.蛋白质的理化性质， 3.蛋白质提取纯化的一般步骤。 教 学 基 本 内 容 及 方 法 手 段 第六节、蛋白质的结构和功能的关系 一.蛋白质的一级结构与功能的关系 1.蛋白质的一级结构决定空间结构 ? 核糖核酸酶肽链上的一维信息控制肽链自身折叠所形成的特定构象，并由此确 Cys 残 基两两相互接近的正确位Z。也就是一级结构决定高级结构 ⑴同源蛋白质――在不同的生物体内具有同一功能的蛋白质。 ⑵序列同源――同源蛋白质的氨基酸序列具有明显的相似性，这种相似性称为序列同 源。2.同源蛋白质的物种差异和生物进化 ? ?- 19 -? ?⑶不变残基――同源蛋白质的氨基酸序列，有些位Z的氨基酸残基对所有物种都是相 同的，这些氨基酸残基称为不变残基。不变残基具有高度保守性。 ⑷可变残基――有些位Z的氨基酸在不同物种间差异很大，称为可变残基。可变残基 中个别氨基酸的变化不影响蛋白质的功能。⑸通过比较同源蛋白质的氨基酸序列的差异，可以研究不同物种的亲源关系和进化。 亲源关系越远，氨基酸顺序差异越大。 ?细胞色素 C――存在线粒体膜内，在真核细胞生物氧化中传递电子。 人与黑猩猩 人与猴子 人与猪、牛、羊 胰岛素： *不同生物的氨基酸序列中有 24 个氨基酸残基位Z是不变的。 *A、B 链上的六个半胱氨酸是不变的，这对-S-S-键的形成非常关键。其他的可变。 * 图； 人和狗差异较大，人和猪接近，所以猪的胰岛素可治疗人的糖尿病。胰岛素结构如下 0 1 10 人与狗 人与酵母 人与兔 11 44 9同源蛋白质序列的氨基酸差异数目与物种差异成比例，亲缘关系越近，氨基酸序列差异越小。 3.一级结构的细微变化可直接影响其功能。 分子病――由于遗传基因突变，导致蛋白质分子结构的改变或缺失所引起的疾病。 胰岛素分子病：B 链 24 位 苯丙 AA→亮 AA 活性降低。膀胱癌：P21 蛋白（分子量 21000）- 20 -12 位 ? ? ? ? ?甘 AA→缬 AA重点讨论镰刀状红细胞性贫血症分子病 最早被认识的一种分子病。 由于遗传基因的突变导致血红蛋白分子中氨基酸残基被更换所造成。 血红蛋白是存在于血液红细胞中的一种蛋白质 成熟的红细胞含有大量的血红蛋白，每个红细胞含有 3 亿个血红蛋白分子。血红蛋白是由 574 个氨基酸残基组成，两条相同的α链和两条相同β链（ α 2 β 2） 。 镰刀形红细胞中， 血红蛋白β链的第 6 号氨基酸残基由正常的亲水性的谷氨酸 （GLU） 变成了疏水性的缬氨酸（VAL） 。 这种变异来源于基因上遗传信息的突变。导致血红蛋白的等电点改变，溶解度降低， 有扁圆形变成镰刀形运氧功能下降，细胞脆弱而溶血。 二. 蛋白质空间结构与功能的关系 血红蛋白（Hb）的构象与功能的关系 ?血红蛋白和肌红蛋白空间构象上的相似性，是它们都具有基本的氧合功能。 ?血红蛋白是一个四聚体，分子结构复杂，因此除了运氧的功能外，还有运输质子和二氧化碳 的功能。 ?最明显的区别是与氧的结合具有协同性。 ?Hb 在体内的主要功能为运输氧气， 而 Hb 的别位效应， 极有利于它在肺部与 O2 结合及在周 围组织释放 O2。 ? Hb 是通过其辅基血红素的 Fe2+与氧发生可逆结合的，每个血红蛋白可结合 4 个氧分子。 ?血红蛋白四聚体在开始时，其与氧亲和力很小，一旦其中一个亚基与氧结合，亚基的三级 结构发生变化，使亚基间结合变松，并引起其他亚基的改变，从而提高其余亚基与氧的亲和 力。同样的道理，当一个氧与血红蛋白分离后，能降低其余亚基与氧的结合力，有助于氧的 释放。 ?一个亚基的变构作用，促进另一亚基变构的现象，称为亚基间的协同效应(cooperativity)。 Hb 分子中第四亚基的氧合速度为第一亚基开始氧合时速度的数百倍。在不同氧分压下， Hb 氧饱和曲线呈“S”型。 ?变构效应(allostery)――某种物质特异地与蛋白质分子结合，触发蛋白质的构象变化，从而导 致其功能活性的变化，这种现象称为蛋白质的变构效应。蛋白质(或酶)的变构效应，在生物体 内普遍存在，这对物质代谢的调节和某些生理功能的变化都是十分重要的。 第七节、蛋白质的理化性质 一、蛋白质的两性电离和等电点 1.两性电离： ? 蛋白质是由氨基酸组成的，其分子两端具有的游离氨基和羧基。 ? 侧链中有一些解离基， 谷氨酸、 天门冬氨酸残基中的γ和β-羧基； 赖氨酸残基中的ε-氨基， 精氨酸残基的胍基和组氨酸的咪唑基。这些级团可解离或结合氢离子。所以，蛋白质属于两 性化合物。- 21 -PrNH3++ OH+ +H+Pr出+ NH3 COO+ OH+ + H+PrNH2 COO -COOHpH& pI净电荷为正pH = pIpH & pI净 电 荷 净电荷为负 =0 当蛋白质溶液在某一定 pH 值时，使某特定蛋白质分子上所带正负电荷相等，成为两性离子， 在电场中既不向阳极也不向阴极移动，此时溶液的 pH 值即为该蛋白质的等电点 （isoelectric point，pI） 。 2.等电点――蛋白质分子在某一 PH 值时，带的正负电荷相等，蛋白质分子以两性离子状态存 在，在电场中即不向阴极移动，也不向阳极移动，这时的 PH 值即为该蛋白质的等电点。例 如：蛋清蛋白的等电点为 4.6 ①蛋白质在等电点时： ?蛋白质的分子呈电中性，以两性离子状态存在。 ?蛋白质的溶解度最低，渗透压、粘度最低。 ②各种蛋白质分子由于所含的碱性氨基酸和酸性氨基酸的数目不同，等电点也各不相同。 凡碱性氨基酸含量较多的蛋白质，等电点就偏碱 性，如组蛋白、精蛋白等。 凡酸性氨基酸含量较多的蛋白质，等电点就偏酸性 ? 当溶液 PH 值＜PI 时，蛋白质呈阳离子。 ? 当溶液 PH 值＞PI 时，蛋白质呈阴离子。 ? 当溶液 PH 值=PI 时，蛋白质呈两性离子 人体体液中许多蛋白质的等电点在 pH5.0 左右，所以在体液中以负离子形式存在。 二、蛋白质的胶体性质 1.蛋白质的水化作用――球形蛋白质分子表面有极性基团，与水分子有强烈吸引力，所以，蛋 白质分子是高度水化分子。 ?蛋白质分子表面为多层水分子所包围，称水 化膜，从而阻止蛋白质颗粒的相互聚集。直接吸附在蛋白质表面的叫结合水，较远结合 较松弛的称自由水。 ?在等电点时，水化作用最弱，因整个分子呈电中性。 2.电荷作用――蛋白质溶液在 PH 值≠PI 时，蛋白质分子带有相同电荷，分子间排斥力加大， 增强了蛋白质的稳定性。电解质可增强蛋白质的水化作用。在蛋白质的水溶液中加入少量的 中性盐（氯化钠、硫酸钠、硫酸氨）可增加蛋白质分子表面的电荷，加大了溶解度。这种作 用叫盐溶。- 22 -三、蛋白质的沉淀作用 1.蛋白质溶液稳定的原因： ⑴蛋白质表面水化层。 ⑵蛋白质的带电荷作用。 ⑶某些基团的离子化→增强了蛋白质的带电性→增加蛋白质水化层的厚度。 2.沉淀作用――溶液中的蛋白质失去稳定作用而凝集沉淀析出的过程。 3.引起蛋白质沉淀的主要方法有下述几种 ； ① 盐析(Salting Out) ――在蛋白质溶液中加入大量的中性盐破坏表面的水化膜使其析出，这 种方法称为盐析(可逆性） 。 ? 常用的中性盐有硫酸铵、硫酸钠、氯化钠等。强电解质可以中和蛋白质表面的电荷，使蛋 白质产生沉淀。各种蛋白质盐析时所需的盐浓度及 pH 不同， 故可用于对混和蛋白质组分的分离。 例如用半饱 和的硫酸铵来沉淀出血清中的球蛋白，饱和硫酸铵可以使血清中的白蛋白、球蛋白都沉淀出 来。(NH4)2SO4饱 析 50% 饱 和 析 和 盐析沉淀的蛋白质，经透析除盐，仍保证蛋白质的活性。调节蛋白质溶液的 pH 至等电点后， 度 出再用盐析法沉淀效果更好。 ? 盐析法可将蛋白质初步分离，要得到纯品还必须采用其他方法。 ②有机溶剂沉淀蛋白质 ? 可与水混合的有机溶剂，如酒精、甲醇、丙酮等，对水的亲和力强，能破坏蛋白质颗粒的- 23 -血清球蛋白清蛋白水化膜（脱水剂） ，在等电点时使蛋白质沉淀。 ? 在常温下，有机溶剂沉淀蛋白质往往引起变性。例如酒精消毒灭菌就是如此。 ? 在分离蛋白质时应在低温条件下，当蛋白质沉淀后应迅速分离，可用于分离制备各种 血浆蛋白质。 ③重金属盐沉淀蛋白质（不可逆） ? 蛋白质可以与重金属离子如汞、铅、铜、银等结合成盐而沉淀。 ? 沉淀的条件以 pH 稍大于等电点为宜，因为此时蛋白质分子有较多的负离子易与重金属离 子结合成盐。 ? 重金属沉淀的蛋白质常是变性的，但若在低温条件下，并控制重金属离子浓度，也可用于 分离制备不变性的蛋白质。 临床上这一性质，抢救误服重金属盐中毒的病人，给病人口服大量蛋白质，然后用催 吐剂将结合的重金属盐呕吐出来解毒。 ④ 生物碱试剂以及某些酸类沉淀蛋白质 蛋白质可与生物碱试剂(如苦味酸、钨酸、鞣酸)以及某些酸(如三氯醋酸、过氯酸、硝酸) 结合成不溶性的盐沉淀， 沉淀的条件应当是 pH 小于等电点， 这样蛋白质带正电荷易于与酸根 负离子结合成盐。 四、蛋白质的变性 和复性 1.变性作用――天然蛋白质在某些物理或化学因素作用下，其特定的空间结构被破坏，理化性 质产生改变、丧失生物学活性，这种作用称之为蛋白质的变性作用。 2.蛋白质变性的特点： ①蛋白质只有空间构象的破坏，蛋白质变性本质是次级键，二硫键的破坏，并不涉及一级结 构的变化。 ②变性后，蛋白质的溶解度降低，凝结或沉淀。 ③活性基团暴露，易被蛋白酶分解，失去生理活性。 3.引起蛋白质变性的因素： ①物理因素――加热、加压、脱水、搅拌、振荡、紫外线照射、超声波的作用等。 ②化学因素――强酸、强碱、尿素、重金属盐、十二烷基磺酸钠(SDS)等。 在临床医学上，变性因素常被应用于消毒及灭菌。同时，防止蛋白质变性就能有效地保 存蛋白质制剂。 4.蛋白质的复性 蛋白质的复性――蛋白质发生变性，若变性程度较轻时，当去除变性因素，蛋白质仍能恢复 或部分恢复其原来的构象及功能，这种可逆性变性称为复性。例如，核糖核酸酶中四对二硫 键 。 不可逆性变性――蛋白质变性时破坏严重，不能恢复，称为不可逆性变性 。 蛋白质变性、沉淀、凝固的关系 ? 1.蛋白质变性不一定沉淀。 （酸致变性） ? 2.蛋白质沉淀不一定变性。 （盐析作用） ? 3.蛋白质变性沉淀以后不一定产生凝固。- 24 -? 4.凝固的蛋白质一定沉淀和变性。 五、蛋白质主要呈色反应 1.双缩脲反应 蛋白质在碱性溶液中也能与硫酸铜发生相同反应，产生红紫色络合物 2.蛋白质与酚试剂反应生成蓝色物质 第一步是在碱性条件下，蛋白质与铜作用生成蛋白质-铜络合物；第二步是此络合物将磷钼 酸-磷钨酸试剂（Folin 试剂）还原，产生深蓝色（磷钼蓝和磷钨蓝混合物） ，颜色深浅与蛋白 质含量成正比。 3.茚三酮反应 α－氨基酸与水化茚三酮作用时，产生蓝色反应，由于蛋白质是由许多α－氨基酸组成 的，所以也呈此颜色反应。 六、蛋白质的紫外吸收光谱 蛋白质在远紫外光区（200-230nm）有较大的吸收，在 280nm 有一特征吸收峰，可利用这一 特性对蛋白质进行定性定量鉴定。 七、电泳 蛋白质在高于或低于其 PI 的溶液中为带电的颗粒，在电场中能向正或负极移动。 1.通过蛋白质在电场中泳动而达到分离各种蛋白质的技术――电泳。 根据支撑物的不同，可分为薄膜（醋酸纤维薄膜）电泳和凝胶电泳。 2.迁移率――蛋白质泳动的速度称迁移率。 迁移率主要取决于分子大小和形状以及所带电荷多 少。电荷越多，迁移率越大；分子越大，迁移率越小。 3.利用电泳可分离多种蛋白质混合物。 八、蛋白质的分离及分子质量的测定 1.SDS-PAGE 电泳测定蛋白质相对分子质量 ⑴原理：SDS-PAGE 电泳法，即十二烷基硫酸钠―聚丙烯酰胺凝胶电泳法， 。 ?． 在蛋白质混合样品中各蛋白质组分的迁移率主要取决于分子大小和形状以及所带电荷多少。 在聚丙烯酰胺凝胶系统 （1） （SDS）十二烷基硫酸钠是一种阴离子表面活性剂，加入蛋白质溶液中使蛋白质的氢键和 疏水键打开，并结合到蛋白质分子上。 （2）蛋白质与 SDS 的结合比为 1.4gSDS/1g 蛋白质，使各种蛋白质―SDS 复合物都带上相同 密度的负电荷，其数量远远超过了蛋白质分子原有的电荷，从而掩盖了不同种类蛋白质间原 有的电荷差别。 （3）蛋白质分子的电泳迁移率主要取决于它的分子量大小，而其它因素对电泳迁移率的影响 几乎可以忽略不计。 2、层析法 ? 根据溶液待分离的蛋白质的颗粒大小、电荷多少及亲和力等方面的差异，使其在流动 相和固定相之间的分配系数不同，从而以不同的速度流出固定相而达到分离的目的。- 25 -凝胶过滤层析（分子筛）――葡聚糖凝胶（根据颗粒大小分离）离子交换层析――阴离子交换树脂（带正电荷）根据蛋白质带负电荷多 少分离。 凝胶过滤层析原理 ? 根据蛋白质的大小来分离蛋白质的方法 ? 葡聚糖凝胶是一定平均分子量的葡聚糖和交联剂 1-氯-2,3-环氧丙烷交联成的具有三维 结构不溶于水的高分子化合物。 ? 葡聚糖凝胶是多孔的网状结构，吸水可以膨胀，根据孔的大小分为多种型号（葡聚糖 凝胶 G15 G25 、G50、G100)。根据蛋白质大小来选择凝胶的型号。 ? 孔的大小与环氧丙烷的浓度成反比。 ? 根据蛋白质的大小来分离蛋白质的方法 ? 葡聚糖凝胶是一定平均分子量的葡聚糖和交联剂 1-氯-2,3-环氧丙烷交联成的具有三维 结构不溶于水的高分子化合物。 ? 葡聚糖凝胶是多孔的网状结构，吸水可以膨胀，根据孔的大小分为多种型号（葡聚糖 凝胶 G15 G25 、G50、G100)。根据蛋白质大小来选择凝胶的型号。 ? 孔的大小与环氧丙烷的浓度成反比。 3.沉降速度法（超速离心法） (1)沉降速度法――利用超速离心机测定蛋白质分子量的一种方法.既可分离纯化蛋白质，又可 测定蛋白质分子量。 （2）将蛋白质溶液放在高速离心机的离心管中，在 105r/min 的速度下离心，使蛋白质逐渐 沉降，直至其浮力=沉降力时沉降停止。 （利用光学系统观察）沉降速度即为沉降系数 ――与 蛋白质的密度和形状有关。 用 S 表示，1S=1×10-13 秒 （3）沉降系数与蛋白质密度和形状有关。 应用超速离心法测定蛋白质分子量时，用已知分子量的标准蛋白质作参照，沉降系 数 S 和分子量成正比关系。 作业、讨论题、思考题： 1. 试以血红蛋白为例说明蛋白质结够和功能的关系？ 2. 使蛋白质沉淀有哪些方法？各有何用途？ 课后小结：- 26 -动物生物化学 课程教案授课时间 授课方式 理论课□ 讨论课□ 实验课□ 习题课□ 其他□课次 课时 安排6授课题目（教学章、节或主题） ：教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次） ：教学重点及难点：教 学 基 本 内 容 及 方 法 手 段 （可增加页）作业、讨论题、思考题：课后小结：填表说明：1. 每项页面大小可自行添减，一节或一次课写一份上述格式教案。 2. 课次为授课次序，填 1、2、3……等。 3. 方法及手段如：举例讲解、多媒体讲解、模型讲解、实物讲解、挂图讲解、音 像讲解等。- 27 -
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