绪论 生物化学简明教程

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,1,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第一章,绪论,再也没有什么比生命更加美丽,What makes our globe so lively and beautiful?,Nothing is more beautiful than life!,生机盎然,郁郁葱葱,Lif,e is beauti,ful!,Diverse is beautiful!,生命的多样性,生命是什么？,自我复制,(self-replication),自我装配,(self-assemble),自我调节,(self-regulation),生命的共同“语言”化学,著名的诺贝尔获奖者,-,阿瑟,科恩伯格（,Arthur Kornberg,）在哈佛大学医学院建校,100,周年时说：“所有的有机生命体都有一个共同的语言，这个语言就是化学。”,生物化学,Biochemistry,、,Biological chemistry,、,Chemistry of life,、,Physiological chemistry,用化学的方法研究生物体的物质组成及其在生命活动过程中所发生的化学变化；,在分子水平揭示生命体深层次的内在规律；,用化学的原理和方法，从分子水平来研究生物体的化学组成，及其在体内的代谢转变规律从而阐明生命现象本质的一门科学,。,1.1,生物化学的研究内容,生物体的化学组成，生物分子的结构、性质及功能；,生物分子的分解与合成，反应过程中的能量变化，及新陈代谢的调解与控制；,生物信息分子的合成及其调控，也就是遗传信息的贮存、传递和表达,从分子水平上探索和解释生长、发育、遗传、记忆与思维等复杂生命现象的本质,1.2,生物化学发展简史,可以追溯到人类早期对食物的选择和初步加工；,作为一门独立的自然科学，只有近,200,年的历史，即,18,世纪后才逐步形成的；,1877,年德国医生霍佩,-,赛勒（,Hope-Sayler,）首次提出,Biochemie,一词；,但是其发展非常迅速，目前已成为自然科学领域发展最快、最引人注目的学科之一。,中国：古代,4200,年前已开始酿酒、制醋、制酱；掌握生产豆腐的工艺（贾思勰的,齐民要术,， 是我国最早的一部完整的古农书）。,世界：生化是在物理、化学、生物学、医学有了一定发展才出现的,近代生化发展史：,（,1,）静态生化：,18,世纪下半叶开始，主要工作：,组成、结构、生理功能（萌芽时期）,（,2,）动态生化：,1930,年后研究代谢过程（奠基时期）,（,3,）机能生化：分子生物学、蛋白质、核酸、,DNA-,双螺旋模型,-,分子遗传学,（发展时期）,生化在几十年中飞速发展，在较短年代里集中着大量科学发现。其中很多都称的上是人类认识自然界的里程碑，有划时代的意义。有相当数量的科学家因此获得,“诺贝尔奖”,卡尔,威尔海姆,舍勒,Carl Wilhelm Scheele,（,1742,1786,）,瑞典化家学,1770-1786年，,分离得到甘油、柠檬酸、苹果酸、乳酸、尿酸、酒石酸等。,奠定现代生物化学基础的工作,静态生化,1780-1789 Lavoisier,研究“生物体内的燃烧”，指出此类“燃烧”耗氧并排出二氧化碳。后人称他为“生物化学之父”,安托万,-,洛朗,德,拉瓦锡,Antoine-Laurent de Lavoisier,(1743-1794),法国化学家,生物氧化及能量代谢研究的开端,静态生化,尤斯图斯,冯,李比希,Justus von Liebig,（,1803,1873,）,德国化学家,是农业化学的奠基人，也是生物化学和碳水化合物化学的创始人之一。首次提出新陈代谢这个学术名词。发现了马尿酸、氯仿。,静态生化,与,Liebig,1828,年在实验室合成了尿素。,从而推翻了有机化合物只有在生物体内部合成的错误认识。,弗里德里希,沃勒,Friedrich Whler,（,1800,1882,）,德国化学家,时期特征：生物体内糖类、脂类及氨基酸等均被详尽的研究,静态生化,1890-1902 Fischer,首次证明了蛋白质是多肽；发现酶的专一性，提出并验证了酶催化作用的“锁匙”学说；,合成了糖及嘌呤。,赫尔曼,埃米尔,费歇尔,Hermann Emil Fischer,（,1852-1919,）,德国化学家,1902,年获得诺贝尔奖,生物化学的创始人,动态生化,得到脲酶的结晶，证明了酶的化学本质是蛋白质。,詹姆斯,B,萨姆纳,James Batcheller Sumner,（,1887-1955,）,美国化学家,动态生化,1946,年诺贝尔化学奖,三羧酸循环或柠檬酸循环或克氏循环,（,Tricarboxylic acid cycle,or Citric Acid cycle or Krebs cycle,）,克雷布斯,Hans Adolf Krebs,（,1900-1981,）,英国化学家,动态生化,1953,年,的诺贝尔生理学或医学奖,代谢研究的里程碑,1961,年获诺贝尔化学奖,因与,Andrew Benson,和,James Bassham,发现卡尔文循环，或称,Calvin-Benson-Bassham,循环,而声名显著,梅尔文,埃利斯,卡尔文,Melvin Ellis Calvin,（,1911- 1997,）,美国化学家,动态生化,时期特征：对生物物质代谢、平衡等进行了广泛深入的研究，基本阐明了酶的化学本质以及与能量代谢有关的物质代谢途径。,指出镰刀形红细胞贫血是一种分子病，并于,1951,年提出蛋白质存在二级结构。,莱纳斯,鲍林,Linus Carl Pauling,（,1901-1994,）,美国化学家,机能生化,1954,年获诺贝尔化学奖,1962,年获诺贝尔和平奖,量子化学和结构生物学的先驱者之一,1953,年首次描绘了,DNA,双螺旋结构模型，使人们第一次获知基因结构的实质,机能生化,1962,年共获诺贝尔生理学或医学奖,詹姆斯,沃森,（,James D. Watson,）,弗朗西斯,克里克,（,Francis H. Crick,）,机能生化,1978,年共获诺贝尔奖,汉弥尔顿,史密斯,Hamilton O. Smith,美国微生物学家,丹尼尔,那森斯,Daniel Nathans,美国分子生物学家,沃纳,亚伯,Werner Arber,瑞士微生物学家,1969-1972,年，在核酸限制酶的分离与应用方面做出突出贡献,机能生化,1980,年共诺贝尔奖,赫伯特,韦恩,伯耶,Herbert Wayne Boyer,美国微生物学家,基因工程之父,保罗,伯格,Paul Berg,美国生物学家,第一个重组的,DNA,1972 Berg,在基因工程基础研究方面作出了杰出成果,机能生化,1986,年获得诺贝尔生理学或医学奖,斯坦利,科恩,Stanley Cohen,美国生物化学家,1973,年,Stanley Cohen,等（美）用核酸限制性内切酶,EcoR1,，首次基因重组成功,时期特征：科学家对生物的研究已从整体水平逐步深入到细胞、亚细胞、分子水平。伴随实验手段、技术的不断改进，使得对生物大分子结构及功能的研究也更加深入。,2001,年,Venter,（美）等报道完成了人类基因组草图测序,我国生物化学的开拓者,吴宪,教授,蛋白质研究领域内国际上最具有权威性的综述性丛书,Advances in Protein Chemistry,第,47,卷（,1995,年）发表了美国哈佛大学教授、蛋白质研究的老前辈,J. T. Eddsall,的文章“吴宪与第一个蛋白质变性理论（,1931,）,Hsien Wu and the first Theory of Protein Denaturation(1931)”,，对吴宪教授的学术成就给予了极高的评价。该卷还重新刊登了吴宪教授六十四年前关于蛋白质变性的论文。一篇在,1931,年发表的论文居然在,1995,年仍然值得在第一流的丛书上重新全文刊登，不能不说是国际科学界的一件极为罕见的大事。,个体水平,种群,群落,生态系统,生态圈,系统,器官,组织,亚细胞,分子水平,当今生物学的发展方向,微观方向经典生物学宏观方向,（形态、解剖、分类）,1.2.1,蛋白质的研究历程,蛋白质研究的初级阶段,蛋白质研究的发展阶段,（,1,）蛋白质结构的测定,（,2,）蛋白质功能的研究,（,3,）蛋白质组学的发展,1.2.1,核酸的研究历程,核酸的发现及结构的确定,核酸功能及规律的研究,转基因技术的发展及应用,基因组计划（人体、植物）,RNA,干扰及应用,微核糖核酸（,miRNA,）的发现及应用,核酸疫苗的发现、研究及利用,DNA,甲基化,核酸营养研究,1.3,知识框架和学习方法,生物的种类千差万别，生命现象错综复杂，但是在分子水平上，生命的物质组成及其变化规律有着惊人的一致性。,建立对生命现象基本原理整体框架的认识，可以掌握生物化学知识结构的脉络，化繁为简有助于对生物化学研究内容和知识的理解。,1.3.1,生命物质主要元素组成的规律,种类：常见的有,28,种，不同生物体的元素种类大体相同,常量元素：含量占生物体总重量万分之一以上,微量元素：含量占生物体总重量万分之一以下,生物生命活动所必需但需要量很少,主要元素,基本元素,最基本元素,常量元素：,C,、,H,、,O,、,N,、,P,、,S,、,K,、,Ca,、,Na,、,Mg,、,Cl,97.3%,微量元素：,V,、,Ni,、,B,、,Sn,、,Si,、,Fe,、,I,、,Zn,、,Mn,、,Co,、,Mo,、,Cu,、,Se,、,Cr,、,F,、,A,以上,28,种元素对于构成生物大分子的结构，对维持生物体的物质代谢、能量代谢及生命过程的各种生理功能起着至关重要的作用，称为生物体的必需元素（,essential element,）,碳的几种成键方式,N,、,O,、,S,、,P,元素构成了生物分子碳骨架上的氨基、羟基、羰基、羧基、巯基、磷酸基等功能基团,（,极性基团而具有亲水性,）,。,1.3.2,生物大分子组成的共同规律,种类：蛋白质、核酸、糖类、脂质,在结构上有着共同的规律性,复杂多变导致了生物多样性与各种神奇的生命现象产生,生物大分子均由相同类型的构件通过一定的共价键聚合成链状，其主链骨架呈现周期性重复,。,蛋白质的构件分子是,20,种基本氨基酸，氨基酸之间通过肽键相连。肽链具有方向性（,N,端,-C,端），蛋白质主链骨架呈“肽单位”重复。,核酸的构件分子是核苷酸，核苷酸通过,3,，,5-,磷酸二酯键相连，核酸链也具有方向性,(5-3),，核酸的主链骨架呈“磷酸,-,核糖（或脱氧核糖）”重复。,脂质的构件分子是甘油、脂肪酸和一些其他取代基，其非极性烃长链也是一种重复结构。,多糖的构件分子是单糖，单糖间通过糖苷键相连，淀粉、纤维素、糖原的糖链骨架均呈葡萄糖基的重复。,生物大分子主干链的重复性是生物大分子稳定性的基础。,蛋白质,20,种,AA,（氨基酸）,核酸,5,种含氮碱基（,A,、,T,、,C,、,U,、,G,）,糖类,G,6,（葡萄糖）、,F,（果糖）,脂质,FA,（脂肪酸）,+,甘油,生物大分子,有机小分子,维生素、辅酶、激素、有机酸、色素等等。,生物复杂多少样，但在分子水平有简单的统一性,1.3.3,物质代谢和能量代谢的规律性,新陈代谢是生命的特征，生物体内新陈代谢的途径错综复杂，更加复杂的是，几乎每一个反应都有一个特定的酶催化，都伴随着能量的变化。,每一个代谢途径都可以随着细胞的状态变化来调控，各个途径之间的交叉调控有条不紊。,生物体用最基本的化学反应，最简单的组合方式，构成了最复杂的反应系统。,（,1,）新陈代谢的化学反应类型,C-C,键的断裂和形成,分子重排反应,（包括分子异构化、双键的移位及顺反重排）,构件分子间脱水缩合反应,基团转移反应,（包括葡萄糖基、磷酰基、酰基、氨基）,氧化还原反应,（包括电子转移、氢原子转移、直接与氧原子结合）,基团转移和氧化还原反应最为常见,（,2,）三羧酸循环是新陈代谢的共同途径,参与新陈代谢的各种分子之间（少数除外）通常可以相互转换，其转换枢纽为,三羧酸循环,。三羧酸循环不仅是糖分解代谢的主要途径，也是其他生物大分子氧化分解的必经途径。,糖类、脂质、蛋白质、核酸首先,在酶的作用下由大分子降解为小分子,，即蛋白质依次降解为多肽氨基酸；核酸降解为核酸的碎片核苷酸；糖类依次降解为多糖碎片单糖；脂质降解为甘油、脂肪酸等。,有机物的,C,骨架的氧化分解，是物质分解代谢的中心。,脱氨后的氨基酸骨架、脂肪酸,氧化后形成的乙酰辅酶,A,，同样也是通过,三羧酸循环,彻底氧化分解成,CO,2,和,H,2,O,。,（,3,）生物体内的合成代谢也有共同的规律性,由基本的结构单元构建生物大分子时，结构单元需先经过,活化,，这是生物大分子合成代谢的共同规律。,合成淀粉、糖原时，葡萄糖要活化成,ADPG,或,UDPG,；,合成脂肪酸时，乙酰辅酶,A,要活化成丙二酰辅酶,A,；,合成,DNA,、,RNA,时，其结构单元,dNMP,和,NMP,要活化成,dNTP,和,NTP;,合成蛋白质时，氨基酸要活化为氨酰,- tRNA,。,生物大分子合成时均有一定的,方向性,。,糖原合成时，链由还原端向非还原端方向延伸；,脂肪酸合成时，链由甲基端向羧基端方向延伸；,核酸合成时，链由,5,端向,3,端方向延伸；,蛋白质合成时，肽链由,N,端向,C,端方向延伸。,（,4,）,ATP,是所有生物体内能量的共同载体,新陈代谢过程中，新的有机物不断地被合成，另外一些有机物不断地被分解。在复杂的代谢网络中，伴随着物质代谢的过程，以,ATP,为载体的能量代谢也在持续不断地进行。,新陈代谢规律,同化作用,吸收与合成生长、发育、生殖,异化作用,排泄与分解衰老、死亡,1.3.4,生物界遗传信息传递的统一性,遗传信息的表达，即从,DNA,转录生成,RNA,，再,翻译生成蛋白质,，是生物体内最为复杂的生物化学过程。不过，如此复杂的过程，在生物界却是非常巧妙地用简单的,碱基配对和,64,个遗传密码,实现的。,DNA,分子的碱基顺序携带着生物的遗传信息，,DNA,双螺旋结构中碱基配对是传递和表达遗传信息的基础，世界上绝大多数生物,遵循着遗传信息传递的中心法则,。,遗传密码作为媒介。遗传密码是翻译的关键，遗传物质的核苷酸序列通过遗传密码转换为蛋白质的氨基酸序列，才能使遗传信息得以表达，表现出与基因相对应的生物学性状。,整个生物界，由微生物到人类基本通用一套由,64,个遗传密码构成的密码字典。遗传密码在分子水平上把生物界的遗传特性统一起来。,1.3.5,课程特点与学习方法,内容多,复杂而繁琐,理论性强，概念多且前后交错,理解记忆,1.3.6,生物化学与其他学科的关系,生,物,植物学,微生物学,动物学,化,学,高分子化学,有机化学,分析化学,无机化学,物理化学,生物,化学,生物化学,生理学,遗传学,生态学,农学,植物生化 动物生化 微生物生化 病理生化,农业生化,生物化学分支,食品生化,无机生化 有机生化 生理生化 临床生化,细胞工程 基因工程 发酵工程 蛋白质工程 酶工程,近代生物化学的发展,人口与粮食,能源与资源,健康与疾病,分子生物学理论的突破,生物技术的有效应用,新旧技术的有机结合,更加主动,更为有效,改造生物,创造生物,新兴产业,推动工、农、医的发展,利用生物技术,二十一世纪,-,生命科学的世纪,