结构生物化学（Structural Biochemistry)

Nanjing University via Coursera

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Introduction

### Course Review: Structural Biochemistry on Coursera #### Overview **Course Name:** 结构生物化学 (Structural Biochemistry) **Instructor:** Professor Yang Rongwu, Nanjing University **Pre-requisites:** General Biology and Organic Chemistry Structural Biochemistry stands as one of the most fundamental disciplines in the rapidly evolving field of life sciences. This course focuses on using chemistry, physics, and biology to investigate the structure and function of various biomolecules. The insights gained from this course lay the groundwork for understanding complex biological processes at a molecular level. The course is particularly noteworthy for its well-structured content, which encompasses a wide range of topics essential for future studies in metabolic biochemistry and molecular biology. It is designed for learners who are keen to appreciate how the molecular architecture influences function, with a strong emphasis on proteins, nucleic acids, enzymes, carbohydrates, lipids, and hormones. #### Course Content The course is divided into several chapters, each focusing on crucial topics: 1. **Structure and Function of Proteins**: You'll explore amino acids' properties, peptide bonds, protein structure levels (primary, secondary, tertiary, and quaternary), and the principles of protein folding. 2. **Structure and Function of Nucleic Acids**: This section covers the structures of DNA and RNA, the nuances of base pairing, and the molecular underpinnings of genetic information. 3. **Properties of Proteins and Nucleic Acids**: Students will learn about the physicochemical properties of these biomolecules and methods for their analysis. 4. **Structure and Function of Enzymes**: The course delves into enzyme kinetics, mechanisms of action, and the influence of various factors on enzyme activity. 5. **Structure and Function of Carbohydrates and Lipids**: This chapter examines the classifications of sugars and fats, their structural forms, and implications for health and energy storage. 6. **Structure and Function of Hormones**: It highlights endocrine signaling and the biochemical properties of hormones. The structured progression through these topics facilitates deep understanding, making it easier for students to discern the interrelations among biomolecules. #### Teaching Style and Resources Professor Yang brings over twenty years of teaching experience to the course. His enthusiasm for biochemistry is palpable and helps engage students. Every video lesson is accompanied by downloadable PowerPoint presentations, enriching the learning experience by providing visual support. The course encourages students to review these resources ahead of the lessons to maximize comprehension. Additionally, the recommendation to read a core textbook, "Principles of Biochemistry," authored by Professor Yang himself, provides an authoritative supplement to the online materials. #### Recommendations For anyone interested in the life sciences, this course is highly recommended for the following reasons: 1. **Comprehensive curriculum**: The in-depth exploration of biomolecular structures and functionalities is invaluable for students aiming at a successful academic or research career in biochemistry or related fields. 2. **Engaging Instruction**: Professor Yang's dynamic teaching style and openness to student feedback foster an interactive learning environment, making complex concepts more approachable. 3. **Foundation for Advanced Studies**: This course lays a solid foundation for further studying metabolic biochemistry and molecular biology, as well as other life sciences courses like cell biology and genetics. 4. **Real-World Applications**: The practical insights gained from this syllabus can be applied to numerous fields, including health, medicine, and nutrition, making it relevant not only for students but for professionals seeking to understand biochemistry's role in real-world contexts. In conclusion, if you are prepared to gain a profound understanding of the molecular intricacies of life, then "Structural Biochemistry" on Coursera is an excellent choice. Whether you are a student, a health professional, or simply curious about the molecular basis of life, you will find this course both enriching and enlightening. Don’t miss out on the opportunity to deepen your understanding of the structures that support life's functions.

Syllabus

欢迎进入结构生物化学世界（Welcome to the World of Structural Biochemistry）

亲爱的修课者，你好！我是南京大学生命科学学院杨荣武教授。我在南京大学讲授生物化学已有二十多年的时间。我自己特别喜欢生物化学，我的生化课非常有特色，深受学生们的喜爱！首先要特别感谢你选修这一门由我讲授的结构生物化学慕课课程！希望这门课程能让你喜欢上生化，并为你学好生化的另外两个部分的内容打下坚实的基础！同时，还特别希望你能对本课程提出宝贵的意见，以便我在后面录制和制作“代谢生物化学”和“分子生物学”的时候进行改进。请给我的电子邮箱robertyang@nju.edu.cn或askmenow@whoever.com发邮件吧，或者加我微信，我的微信号为njuyangsir。我的目标是让你深深的爱上生物化学，掌握生物化学基本的原理，并让你学有所用。为了让你能更好地学好本课程，让它更好地能为你服务，我这里有几点建议，供参考。（1）让自己喜欢上生化。在学生化之前，你可能已从学长那里得到一些有关这门课的信息。你所得到的信息中，最多的可能是这门课有多难学。但你不能因此就不敢去学，或者失去学习的兴趣。我始终认为，要想学好一门课，你首先得让自己喜欢上这门课。当然，让你喜欢上生化是要有理由的：首先生化很有用。从生化课中，你可以得到很多与健康、疾病、医药、营养、保健、防病和治病等有关的知识。这些知识可以让你受用一辈子，而且你也可以将这些生化知识传播给你的家人和朋友。电视上每天都充斥着各种骗人的医药、保健品的广告，这些广告利用的就是大众缺乏生化知识这一点。从某种意义上，学好了生化可以让你成为半个医生。这里请允许我问你几个问题，看你知道不知道。爱斯基摩人为什么少得心血管疾病？正常的人需要补脑黄金（DHA）吗？左旋肉碱真的可以减肥吗？为什么路边的野蘑菇你不要乱采？为什么过夜的韭菜不能吃？骆驼为什么几个月可以不喝水？为什么狗急会跳墙、人急会生智？蜘蛛丝和钢筋相比，哪一个强度更强？你有多少个编码蛋白质的基因？生化中的“近朱者赤近墨者黑”是指什么？有天生不会得艾滋病的人吗？怎么自酿葡萄酒和自制酸菜？甲醇和氰化钾中毒如何解毒？阿司匹林是如何消炎的？你能看懂体检的时候所查的生化十八项的内容吗？这些问题的答案，在学完这门课程和后面即将推出的代谢生物化学和分子生物学以后，你自然就知道了。其次，学好生化是你学好生命科学其他课程的基础，比如细胞生物学、遗传学和分子生物学、植物生理学。（2）本课程每一个视频，都有相应配套的PPT课件，每一个课件都有下载链接，在每一个知识点补充阅读材料的最后。如有可能，请根据链接事先将PPT课件打印出来，上课前能预习一下，听课的时候可以在打印稿上直接做笔记。（3）选择一本好的教材，平时应该多花点时间去阅读教材。在这里请允许我向您推荐由我编写的第二版《生物化学原理》，它既是国家精品教材，又是国家“十一五”和“十二五”规划教材，非常有特色。（4）如何通过本课程，对此我的建议是，你首先要制定好你的学习计划。在学习的过程中要有信心、决心和恒心；其次，按照“I hear，I forget；I see, I remember；I do, I understand”，即“我听，我忘；我看，我记得了；我做，我理解了”这一句话去做。这句话中的听是听课，看是看书，做是做题目和做实验。最后祝学习生化顺利愉快并取得成功！

第一章 蛋白质的结构与功能（Chapter 1 Structure and Function of Proteins)

1. 掌握氨基酸的结构通式和氨基酸的分类，包括亲水氨基酸与疏水氨基酸，必需氨基酸和非必需氨基酸，蛋白质氨基酸和非蛋白质氨基酸的差别。2. 掌握22种蛋白质氨基酸的单字母和三字母英文缩写。3. 了解氨基酸的主要理化性质，特别是氨基酸的手性、几种重要的与氨基或羧基有关的化学反应（茚三酮反应、Sanger反应和Edman反应）和两性解离性质。4. 了解等电点（pI）的含义以及计算方法，能够估算一种由特定氨基酸组成的短肽的等电点及其在某一pH下的电泳性质。5. 熟练掌握肽键的结构和性质，掌握肽平面形成的原因和意义。6. 掌握肽键二面角（Φ，ψ）的含义及其对蛋白质结构的影响。7. 了解蛋白质的多样性，能够区分寡肽、多肽和蛋白质。8. 了解蛋白质一级结构、二级结构、三级结构和四级结构的基本含义，以及稳定各级结构的化学键，特别是疏水键。9. 掌握蛋白质一级结构的测定及其表示方法。10. 了解几种常见二级结构，包括α螺旋、β折叠、β转角和β突起等的主要特征及其相互间的主要差别。11. 了解不同种类的氨基酸形成特定二级结构的倾向性及其原因。12.了解模体和结构域的涵义，掌握几种常见模体的特性与功能。13. 能够区分构型和构象，了解NMR、X射线晶体衍射和冷冻电镜在测定蛋白质三维结构上的各自的优缺点。14. 掌握蛋白质折叠和稳定的主要原则。15. 了解蛋白质形成四级结构的优势。16. 了解Anfisen实验如何能够证明蛋白质的一级结构决定高级结构。17. 了解体内蛋白质折叠和体外蛋白质折叠的一般规则。18. 了解分子伴侣、蛋白质二硫化物异构酶和肽酰-脯氨酰顺反异构酶在体内蛋白质折叠过程中所起的作用，能够区分HSP70和GroEL在结构和功能上的差别。19. 了解蛋白质的主要功能及其研究方法。20. 了解蛋白质结构与功能关系的一般规则。21. 了解天然无折叠蛋白、兼职蛋白、α角蛋白、β角蛋白、胶原蛋白、肌红蛋白和血红蛋白的结构与功能的关系。22. 了解别构效应，正、负协同效应，波尔效应、T态、R态等重要概念。

第二章 核酸的结构与功能（Chapter 2 Structure and Function of Nucleic Acids)

1. 掌握5种常见碱基的化学结构以及嘌呤环和嘧啶环的编号规则。2. 掌握核糖核苷酸和脱氧核苷酸的化学结构。3. 了解碱基、核苷和核苷酸的理化性质，特别是碱基的互变异构。4. 掌握DNA和RNA在结构和功能上的异同，以及其中的原因和生物学意义。5. 了解几种常见的RNA的名称和功能。6. 了解核酸一级结构、二级结构和三级结构的定义。7. 掌握核酸一级结构的表示方法以及其测定的主要方法及其原理。8. 掌握DNA双螺旋结构的主要内容及其生物学意义，了解大沟的重要性。9. 掌握A型、B型和Z型双螺旋结构之间的异同，以及支持DNA双螺旋结构的主要实验证据。10. 能够正确画出A-T、A-U和G-C碱基对之间的氢键。11. 了解几种DNA非标准二级结构及其可能具有的生物功能。12. 区分Watson-Crick碱基对和Hoogsteen碱基对。13. 了解RNA各种可能的二级结构以及几种重要的三级结构，能够将G-U碱基对视为正常的碱基对。14. 掌握DNA的正超螺旋和负超螺旋形成的原因及其对生物学功能的影响。15. 了解“RNA世界"假说的基本内容及其支持该学说的主要证据。

第三章 蛋白质和核酸的性质（Chapter 3 Properties of Proteins and Nucleic Acids)

1.掌握蛋白质和核酸的主要理化性质，包括紫外吸收、沉淀、两性解离、变性、复性和水解，以及如何利用这些性质分离、纯化、定性和定量蛋白质和核酸。2 了解导致蛋白质和DNA变性的各种因素，掌握蛋白质变性和DNA变性的主要特征性变化。3. 能够解释DNA双螺旋热变性曲线为什么是S型，了解影响DNATm的各种因素。 4.了解几种生物分子分离纯化的主要方法的原理，包括电泳、层析、透析和超滤等。

第四章 酶的结构与功能（Chapter 4 Structure and Function of Enzymes)

1. 了解酶的化学本质既可以是蛋白质也可以RNA。2. 了解酶促反应与非酶促反应的异同。3. 可解释以下名词：底物，辅助因子，辅酶，辅基，脱辅酶，全酶，核酶，抗体酶，结合能，活化能，过渡态，过渡态类似物，反应中间物。4. 了解酶的基本性质及其对生化反应的重要性。5. 能够利用“锁和钥匙”模型、“诱导契合”模型和“三点附着”模型解释酶作用的专一性。6. 掌握什么是活性中心以及活性中心的性质。7. 了解影响酶促反应速率的各种因素。8.能够解释酶的饱和动力学曲线。9. 明确或解释下列名词：ES复合物、米氏酶、初速率、稳态、Vmax、Km和kcat。10. 能够推导和写出米氏方程，记住米氏方程成立的三个条件。11. 了解如何衡量一种酶的催化效率、完美程度以及它与底物的亲和力。12. 了解米氏方程的线形转换以及如何使用线形化作图确定米氏酶的Vmax、Km和kcat。13. 掌握酶的可逆性抑制剂和不可逆抑制剂的类型及其抑制机制。14. 能够使用双倒数作图方法区分竞争性抑制剂、非竞争性抑制剂和反竞争性抑制剂并能够确定各种抑制剂的解离常数（Ki）。15. 掌握酶催化的过渡态稳定学说和几种酶稳定过渡态的机制，包括临近和定向效应、广义的酸碱催化、静电催化、金属催化、共价催化和底物形变等。16. 知道支持酶催化的过渡态稳定学说的两个关键证据。17. 掌握核糖核酸酶A、溶菌酶、蛋白酶的催化机制。18. 掌握酶活性的“量变”调节机制或“质变”调节机制和这两种机制的优、缺点。19. 掌握酶活性的五种“质变”调节机制，包括别构调节、共价修饰、水解激活、调节蛋白的作用和单体/多聚体的互变。20. 能够应用齐变模型和序变模型解释别构酶的作用机制和酶的协同效应； 了解酶的正协同效应和负协同效应的优点以及齐变模型为什么不能解释酶的负协同效应。

第五章 糖类和脂类的结构与功能（Chapter 5 Structure and Function of Carbohydrates and Lipids)

1. 了解糖类或碳水化合物的分类和功能。2. 能够区分单糖的对映异构体、非对映异构体、差向异构体和异头体。3. 掌握几种重要单糖（核糖、脱氧核糖、葡萄糖、果糖、半乳糖和甘露糖）的化学结构，能够解释和转换这些单糖的开链式（Fischer投影式）和氧环式（Haworth式，包括呋喃式和吡喃式）。4. 了解单糖的一些重要的理化性质（特别是变旋和异构），能够区分还原性糖和非还原性糖。5. 能够辨认出几种常见寡糖（蔗糖、乳糖、麦芽糖）的化学结构、单糖单位之间的糖苷键类型和连接反式。6. 了解几种常见多糖（纤维素、淀粉、糖原和几丁质）的结构与功能。7. 掌握糖蛋白分子中寡糖链与蛋白质连接的两种方式，能够区分糖蛋白和蛋白聚糖。8. 了解脂类的性质、分类和命名。明白机体使用脂肪和碳水化合物作为能量储备的利弊。9. 记住两种必需脂肪酸的名称，能够正确判断一种脂是否属于两性分子。10. 能够预测出不同脂肪酸和脂肪相对熔点的高低。 11. 能够区分甘油磷脂、鞘磷脂和糖脂的头部基团和尾部基团。12. 了解几种常见的磷脂的结构和功能，掌握胆固醇对动物细胞膜的重要性。13. 了解脂双层结构是如何形成并稳定存在的。

第六章 激素的结构与功能（Chapter 6 Structure and Function of Hormones)

1. 掌握现代和经典的激素定义。2. 能够区分高等动物的内分泌激素、旁分泌激素和自分泌激素。3. 了解激素的一般性质、激素的化学本质和激素作用的一般特征。4. 了解放射免疫测定法（RIA）测定激素浓度的原理。5. 掌握脂溶性激素和水溶性激素之间的主要差别。6. 掌握脂溶性激素受体和水溶性激素受体的主要类型和结构特征。7. 掌握脂溶性激素通过胞内受体作用的详细分子机制。8. 掌握下列名词的定义：靶细胞、效应器、第二信使、慢反应、快反应、激动剂、拮抗剂、脱敏、GPCR、HRE和可逆的蛋白质磷酸化。9. 掌握几种重要的第二信使的名称及其功能。10. 掌握几种重要G蛋白（Gs、Gi、Gt、Gq、Golf）的结构与功能，能够区分异源三聚体G蛋白和小G蛋白。11. 掌握肾上腺素或胰高血糖素通过PKA，作用肝细胞和脂肪细胞的详细分子机制。12. 掌握促性腺激素释放因子通过PKC系统作用于脑垂体细胞的详细分子机制。13. 掌握嗅觉和视觉产生的分子机制。14. 了解心房利钠因子通过PKG系统作用的分子机制。15. 掌握细胞内NO产生的机制及其在机体内的主要生理功能。16. 掌握以EGF为代表的生长因子通过RTK系统作用的详细分子机制。17. 了解各种信号转导系统的终止机制。18. 了解以下多种化学物质作为药物或毒物的作用机制：咖啡因、茶碱、瘦肉精、霍乱毒素、百日咳毒素、佛波酯、Li+、硝化甘油、万艾可、阿司匹林。

结语、鸣谢与学期考试（Final Exam, Concluding Remarks and Acknowledgments）