【正文】 《 簡明 生物化學(xué) 與分子生物學(xué) 》 學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題集 陳曉光 《 簡明 生物化學(xué) 與分子生物學(xué) 》 （周慧主編）是教育部制藥工程專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會組織編寫的高等學(xué)校制藥工程專業(yè)系列教材之一， 全 書由 20章組成，分為四個(gè)部分 ： 第一部分從第 一 章至第五章，主要 為 生物大分子的結(jié)構(gòu)與 性質(zhì)，包括 蛋白質(zhì)、 酶、 核酸、糖類 和 脂 質(zhì)的 結(jié)構(gòu)與 性質(zhì)； 第二部分從第六章至第 九 章 ， 主要為物質(zhì)代謝 ，介紹了 蛋白質(zhì)、核酸、糖類 和 脂 質(zhì)的 分解 與 合成代謝 ； 第三部分從第十章至第十五章 ， 主要內(nèi)容 是 分子生物學(xué) ，包括原核生物和真核生物染色體結(jié)構(gòu)與 DNA復(fù)制、基因的轉(zhuǎn)錄 與轉(zhuǎn)錄活性的調(diào)節(jié)、 蛋白質(zhì) 生物 合成 機(jī)制與調(diào)節(jié) ； 第四部分從第十六章至第二十章 ， 為分子生物學(xué) 實(shí)驗(yàn)方法，包括 核酸 的分離純化、基因重組技術(shù)、聚合酶鏈反應(yīng)、 核酸 測序和 核酸 的分子雜交。 為了幫助學(xué)生更好地理解和掌握教材，我們編寫了配套的學(xué)習(xí)指導(dǎo)用書。 本學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題集 在內(nèi)容上按教材編排章節(jié)順序編寫，每章內(nèi)容包括五個(gè)部分： 學(xué)習(xí)目標(biāo) 、 學(xué)習(xí)內(nèi)容綱要、 學(xué)習(xí)要點(diǎn)、 “ 習(xí)題練習(xí) ” 、 “ 參考答案 ” 組成。 “ 學(xué)習(xí)目標(biāo) ” 以 “ 掌握 ” 、 “ 熟悉 ” 、 “ 了解 ” 三個(gè)不同層次要求學(xué)習(xí) 每 章內(nèi)容，加強(qiáng)理解，可作為 教學(xué)大綱 要求。 “ 學(xué)習(xí)內(nèi)容綱要 ” 簡要 介紹每章 學(xué)習(xí)內(nèi)容 概要 。 “ 學(xué)習(xí) 要 點(diǎn) ” 概括介紹每章需要重點(diǎn)學(xué)習(xí)掌握的基本概念、主要內(nèi)容、相互聯(lián)系。包括一些生物大分子的分類，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重要的理化性質(zhì)，酶學(xué)研究的動(dòng)力學(xué)特征；重要的物質(zhì)代謝途徑，關(guān)鍵酶，代謝通路的生理意義；遺傳分子生物學(xué)中心法則， DNA、 RNA、蛋白質(zhì)生物合成的各自體系組成及其功能，主要的合成過程及特點(diǎn)，基因重組操作的基本原理及過程等。 “ 習(xí)題練習(xí) ” 分為 “ 選擇題 ” 、 “ 填空題 ” 、 “ 判斷題 ” 、 “ 名詞解釋 ” 及 “ 問答題 ” 等多種形式，主要根據(jù)教材內(nèi)容、大綱要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以幫助學(xué)生學(xué)習(xí)理解教 材內(nèi)容，并有助于記憶。全部習(xí)題均有相應(yīng) “ 參考答案 ” ，便于學(xué)習(xí)者復(fù)習(xí)或自學(xué)。本書適用于 制藥工程專業(yè) 本科生學(xué)習(xí)鞏固所學(xué)知識和考研復(fù)習(xí)，也可作為相關(guān)學(xué)科 學(xué)生、 教師的教學(xué)參考用書。 緒論 一、生物化學(xué)的的概念： 生物化學(xué) （ biochemistry)是運(yùn)用化學(xué) 的理論和技術(shù)，研究生物體的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)、物質(zhì)代謝與能量轉(zhuǎn)變，以及與生理功能之間關(guān)系的一門科學(xué)。 生物化學(xué)（ biochemistry)， 即生命的化學(xué) ， 是利用化學(xué)的原理與方法去探討生命的一門科學(xué)， 是一門研究生物體的化學(xué)組成、體內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)和過程的學(xué)科 。 當(dāng)代生物化學(xué)的研究揭示組成生物體的物質(zhì)，特別是生物大分子 (biomacromolecules)的結(jié)構(gòu)規(guī)律 ， 并且與細(xì)胞生物學(xué)、分子遺傳學(xué)等密切聯(lián)系，研究和闡明生長、分化、遺傳、變異、衰老和死亡等基本生命活動(dòng)的規(guī)律。 二、 分子生物學(xué) 的概念： Watson和 Crick于 1953提出了 DNA分子的雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，在此基礎(chǔ)上形成了遺傳信息傳遞的 “ 中心法則 ” ，由此奠定了現(xiàn)代分子生物學(xué) (molecular biology)的基礎(chǔ)。 分子生物學(xué)主要研究生物體所含基因的結(jié)構(gòu)、復(fù)制和表達(dá)，以及基因產(chǎn)物 — 蛋白質(zhì)或RNA的結(jié)構(gòu) ，互相作用以及生理功能。 總之，生物化學(xué)與分子生物學(xué)是在分子水平上研究生命奧秘的學(xué)科，代表當(dāng)前生命科學(xué)的主流和發(fā)展的趨勢。 三 、生物化學(xué)的發(fā)展： 1．?dāng)⑹錾锘瘜W(xué)階段：是生物化學(xué)發(fā)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(dòng)態(tài)生物化學(xué)階段：是生物化學(xué)蓬勃發(fā)展的時(shí)期。就在這一時(shí)期，人們基本上弄清了生物體內(nèi)各種主要化學(xué)物質(zhì)的代謝途徑。 3．分子生物學(xué)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(jié)構(gòu)與其功能之間的關(guān)系。 四 、生物化學(xué)研究的主要 內(nèi)容 ： 1．生物體的物質(zhì)組成 ：高等生物體主要由蛋白質(zhì)、核酸、糖類、脂類以及水、無機(jī)鹽等組成，此外還含有一些低分子物質(zhì)。 2．物質(zhì)代謝 ：物質(zhì)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(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的，最為復(fù)雜的化學(xué)變化過程，它包括合成代謝，分解代謝，物質(zhì)互變，代謝調(diào)控，能量代謝幾方面的內(nèi)容。 3．細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)：細(xì)胞內(nèi)存在多條信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，而這些途徑之間通過一定的方式相互交織在一起，從而構(gòu)成了非常復(fù)雜的 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，調(diào)控細(xì)胞的代謝、生理活動(dòng)及生長分化。 4．生物分子的結(jié)構(gòu)與功能 ：通過對生物大分子結(jié)構(gòu)的理解，揭示結(jié)構(gòu)與功能之間的關(guān)系。 5． 基因信息的傳遞 遺傳與繁殖：對生物體遺傳與繁殖的分子機(jī)制的研究，也是現(xiàn)代生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究的一個(gè)重要內(nèi)容。 五、 171。生物化學(xué)與分子生物學(xué) 187。與藥學(xué)學(xué)科的關(guān)系及其在制藥工業(yè)中的重要性 生物化學(xué)與分子生物學(xué)是 藥學(xué)學(xué)科 重要的 理論 基礎(chǔ) , 藥學(xué)生物化學(xué) 與分子生物學(xué) 是研究與 藥學(xué) 科學(xué)相關(guān)的 生物化學(xué) 與分子生物學(xué) 理論、原理與技術(shù)及其在藥物研究、藥品生產(chǎn)、藥物質(zhì)量控制與臨床應(yīng)用的 基 礎(chǔ) 學(xué)科。 它從分子水平 研究 生命現(xiàn)象本質(zhì) ,是 研究 疾病 , 研究藥物治病原理不可缺少的基礎(chǔ) 。 生物化學(xué)與分子生物學(xué) 理論 及其技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)代藥學(xué)科學(xué)的發(fā)展具有越來越來密切的聯(lián)系 ，是中藥學(xué)的有效成分分離純化研究、藥物化學(xué)的新藥設(shè)計(jì)研究、藥理學(xué)的 生化 機(jī)理研究、生物藥劑學(xué)的代謝 研究 的 重要 理論 基礎(chǔ) 。 生物化學(xué) 與分子生物學(xué)的進(jìn)展，為新藥的發(fā)現(xiàn)提供了理論、概念、技術(shù)和方法 ， 使 藥學(xué)科學(xué)步入 一個(gè) 新的發(fā)展階段，其特點(diǎn)是以化學(xué)模式為主體的 藥學(xué) 科學(xué)迅速轉(zhuǎn)向以生物學(xué)和化學(xué)相結(jié)合的新模式。因此 生物化學(xué) 與分子生物學(xué)在當(dāng)代 藥學(xué) 科學(xué)發(fā)展中起到了先 導(dǎo)作用。 生物化學(xué) 與分子生物學(xué)在當(dāng)代 制藥工業(yè) 發(fā)展中起到了 重要 作用 ， 以分子生物學(xué) DNA重組技術(shù)為基礎(chǔ) 發(fā)展起來的 生物制藥工業(yè)開創(chuàng)了制藥工業(yè) 一個(gè) 新門類 。 作為 制藥工程專業(yè) 學(xué)生 ,學(xué)習(xí)生物化學(xué)與分子生物學(xué)主要是學(xué)習(xí)與藥學(xué)相關(guān)較緊密領(lǐng)域的知識 ,包括生物化學(xué)與分子生物學(xué)的基礎(chǔ)理論及技術(shù) ,為今后學(xué)習(xí) 其它 各 有關(guān)藥學(xué) 專業(yè) 的課程奠定 基礎(chǔ) 。 第一部分 生物大分子 第 一 章 蛋白質(zhì) [學(xué)習(xí)目標(biāo) ] 掌握： 氨基酸和肽的基本結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能 。 熟悉： 蛋白質(zhì)分離純化的方法及原理 。 了解： 蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)的測定方法， 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) 與功能的關(guān)系； 生理活性肽 。 [學(xué)習(xí)內(nèi)容綱要 ] 氨基酸 的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 肽鍵 生理活性肽 蛋白質(zhì)分離和純化的 方法及原理 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能 √ [學(xué)習(xí)要點(diǎn) ] 第 一 節(jié) 、 氨基酸 的結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 1．氨基酸 的概念： 氨基酸 (amino acid)是蛋白質(zhì)分子的基本 結(jié)構(gòu)單位。 構(gòu)成蛋白質(zhì)分子的氨基酸 共有 20種 ， 這些氨基酸都是 L構(gòu)型的 α 氨基酸。 2．氨基酸分子的結(jié)構(gòu)通式： 氨基酸分類：按帶電荷情況可分為 三類 ： ① 側(cè)鏈不帶電荷氨基酸 ： 非極性中性氨基酸 (8 種 ) （ Ala、 Val、 Leu、 Ile、 Met、 Pro、Phe、 Trp）；極性中性氨基酸 (7種 )（ Gly、 Ser、 Thr、 Cys、 Tyr、 Asn、 Gln） ； ② 帶負(fù)電荷氨基酸 2種 （ 酸性氨基酸 Asp、 Glu） ； ③ 帶正電荷氨基酸 3種 （ 堿性氨基酸 His、 Arg、 Lys） 。 氨基酸 構(gòu)型（ 結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ） ：構(gòu)成蛋白質(zhì)分子的 20 種氨基酸 ， 除脯氨酸為 α 亞氨基酸、甘氨酸不含手性碳原子外，其余氨基酸均為 Lα 氨基酸。 氨基酸的等電點(diǎn) 氨基酸不帶電荷時(shí)，溶液的 pH值稱為該氨基酸的等電點(diǎn)，以 pI 表示。氨基酸不同，其等電點(diǎn)也不同。也就是說，等電點(diǎn)是氨基酸的一個(gè)特征值 。 氨基酸的茚三酮反應(yīng) 如果把氨基酸和茚三酮一起煮沸，除脯氨酸和羥脯氨酸顯黃色外，其它氨基酸都顯深淺不同的紫色。氨基酸與茚三酮的反應(yīng)，在生化中是特別重要的，因?yàn)樗苡脕矶繙y定氨基酸。 非蛋白質(zhì)氨基酸 除了蛋白質(zhì)中常見的 20種 氨基酸及 相應(yīng)的衍生氨基酸外，還有 200多種氨基酸以游離或結(jié)合的形式存在于生物界，但并不是蛋白質(zhì)的組成 成 分，這些氨基酸統(tǒng)稱為非蛋白質(zhì)氨基酸， 如β 丙氨酸，鳥氨酸等。 第 二 節(jié) 、 肽鍵： 肽鍵 : 一個(gè)氨基酸的 α 羧基與另一個(gè)氨基酸的 α 氨基以共價(jià) 鍵 偶聯(lián)形成肽，其間的化學(xué) 鍵稱 為肽鍵 (peptide bond)，也叫酰胺鍵 (CONH)。 氨基酸殘基 ： 氨基酸分子在參與形成肽鍵之后，由于脫水而結(jié)構(gòu)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。 肽鍵平面 (肽單位 )： 肽鍵具有部分雙鍵的性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)；組成肽鍵的四個(gè)原子及其相鄰的兩個(gè) α 碳原子處在同一個(gè)平面上，為剛性平面結(jié)構(gòu)，稱為肽鍵平面。 肽（ peptide）是氨基酸通過肽鍵相連的化合物 。 肽按其組成的氨基酸數(shù)目為 2個(gè)、 3個(gè)和 4個(gè)等不同而分別稱為二肽、 三肽和四肽等 ， 多肽和蛋白質(zhì)的區(qū)別是多肽中氨基酸殘基數(shù)較蛋白質(zhì)少，一般少于 50 個(gè)，而蛋白質(zhì)大多由 100 個(gè)以上氨基酸殘基組成，但它們之間在數(shù)量上也沒有嚴(yán)格的分界線 。 第四節(jié)、 蛋白質(zhì)的分離和純化 蛋白質(zhì)的分離、提純一般程序： 一般的蛋白質(zhì)需要在細(xì)胞破碎后用適當(dāng)溶劑（如水、稀鹽溶液、緩沖液等）將蛋白質(zhì)溶解出來，再用離心法除去不溶物得到含有目的物的粗抽提液。從總體上來講，分離純化蛋白質(zhì)在對材料進(jìn)行前處理后需要用沉淀法進(jìn)行初步分離，之后再以層析或電泳法得到所需的蛋白質(zhì)產(chǎn)物。（圖 16） （ 1）前處理： 細(xì)胞破碎、離心 ；（ 2）初分離： 沉淀 法 ；（ 3） 精制： 層析 、 電泳 。 圖 16 分離純化蛋白質(zhì)程序示意圖 在提純蛋白質(zhì)過程中需要在每一步檢測蛋白質(zhì)（酶）的存在及提純的情況，即建立蛋白質(zhì)定量檢測方法。 鹽析 ： 在蛋白質(zhì)溶液中加入大量中性鹽，以破壞蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)，使蛋白質(zhì)從溶液中沉淀析出，稱為鹽析。常用的中性鹽有：硫酸銨、氯化鈉、硫酸鈉等。 蛋白質(zhì)的等電點(diǎn) 概念： 蛋白質(zhì)分子所帶正、負(fù)電荷相等時(shí)溶液的 pH值稱為蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)。 pH 值在等電點(diǎn)以上，蛋白質(zhì)帶負(fù)電，在等電點(diǎn)以下，則帶正電。 溶 液的 pH 在蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)處蛋白質(zhì)的 溶解度 最 小 。 蛋白質(zhì)的有機(jī)溶劑沉淀 ： 凡能與水以任意比例混合的有機(jī)溶劑，如乙醇、甲醇、丙酮等，均可引起蛋白質(zhì)沉淀。 層析：利用混合物中各組分理化性質(zhì)的差異，在相互接觸的兩相（固定相與流動(dòng)相）之間的分布不同而進(jìn)行分離。主要有 ： （ 1） 離子交換層析 原理：根據(jù)被分離物 蛋白質(zhì)分子所帶電荷 不同 ， 使用不同離子交換劑，將 蛋白質(zhì)分子分離開 ； （ 2） 凝膠 過濾 層析 原理：凝膠過濾也叫分子篩層析。它主要是利用具有網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的凝膠的分子篩作用，根據(jù)被分離物 蛋白質(zhì)分子 的大小不同來進(jìn)行分離的。 其中凝膠層析可 用于測定蛋白質(zhì)的分子量。 （ 3） 親和層析 原理：利用 蛋白質(zhì)分子 與其它生物分子間所具有的專一性親和力而設(shè)計(jì)的層析技術(shù)。 電泳 原理 ：蛋白質(zhì)分子在高于或低于其 pI的溶液中帶凈的負(fù)或正電荷，因此在電場中可以移動(dòng)。電泳遷移率的大小主要取決于蛋白質(zhì)分子所帶電荷量以及分子大小。 SDSPAGE 電泳原理： SDSPAGE 是一種電泳方式，該法是采用去污劑即十二烷基磺酸鈉使蛋白質(zhì)變性后進(jìn)行的一種電泳（ SDS: 十二烷基磺酸鈉 Sodium dodecyl Sulfate。PAGE:聚丙烯酰銨凝膠電泳polyacrylamide gel electrophoresis）。（ 1）絕大多數(shù)蛋白質(zhì)都能與 SDS 分子結(jié)合，由于SDS帶有負(fù)電荷，大量的 SDS負(fù)電荷屏蔽了蛋白質(zhì)本身所具有的電荷，因此經(jīng) SDS處理后的蛋白質(zhì)都具有負(fù)電荷，向正極移動(dòng)。（ 2） SDSPAGE 完全是基于凝膠過濾效應(yīng)分離蛋白質(zhì)，不同分子量的蛋白質(zhì)形成不同的區(qū)帶。（ 3）此外，由于 SDS干擾了蛋白質(zhì)亞基間疏水相互作用，所以在 SDSPAGE 中多亞基蛋白質(zhì)分離成單亞基形式存在。在凝膠上蛋白質(zhì)的遷移率與分子量的對數(shù)呈線性關(guān)系，因此，可用該法測定蛋白質(zhì)的分子量，其準(zhǔn)確率為 5～ 10%。 5．超速離心：利用物質(zhì)密度的不同，經(jīng)超速離心后，分布于不同的液層而分離。超速離心也可用來測定蛋白質(zhì)的分子量，蛋白質(zhì)的分子量與其沉降系數(shù) S成正比。 6．透析：利用透析袋膜的超濾性質(zhì)，可將大分子物質(zhì)與小分子物質(zhì)分離開。 第五節(jié) 、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) 與功能 ： 一、蛋白質(zhì)的生物功能： 生物催化、機(jī)械支撐作用、運(yùn)輸與貯存、協(xié)調(diào)、免疫保護(hù)、生長與分化調(diào)控、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、物質(zhì)跨膜運(yùn)輸、電子傳遞等。 二、 蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu) ： 可為分為一