《动物生物化学》第四版

动物生物化学Animal Biochemistry 教材： 动物生物化学 （第 4版） ，中国农业出版社，邹思湘主编， 2005 动物生物化学 （第 3版） ，中国农业出版社，周顺伍主编， 1999第第 1章章 绪绪 论论本章主要内容：4 生物化学的概述4 生物化学研究的内容4 生物化学的发展历史与现状4 与动物生产和动物健康的关系 1.生物化学概述1.1 生物化学的定义： 生物化学 （ biochemistry） ：生物化学是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。1.2 生物化学的分类： 根据研究对象分为： 动物生物化学 、植物生物化学、微生物生物化学等。 根据研究目的分为：医学生化、农业生化、工业生化、环境生化和营养生化等。 2.生物化学研究内容2.1 关于生命有机体的化学组成、生物分子，特别是生物大分子（ biological macromolecule）的结构、相互关系及其功能。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。2.2 细胞中的物质代谢与能量代谢，或称中间代谢 （ intermediary metabolism） ， 也就是细胞中进行的化学过程 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。2.3 组织和器官机能的生物化学 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。 3.生物化学的发展历史和现状3.1 历史回顾1）中国：早在 4200年前已开始造酒、酿醋、做豆腐，对于生物化学的发展有重要的贡献。2）世界：生化是在物理、化学、生物学、医学有了一发展才出现的。3）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（ 2）动态生化： 1930年后研究代谢过程（ 3） 50年代后：分子生物学、蛋白质、核酸、DNA 双螺旋模型 分子遗传学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 诺贝尔奖詹姆斯 沃森（ James D. Watson）1953年 Watson（美）与 Crick（英） 提出 DNA分子的双螺旋结构模型， 1962年共获诺贝尔奖。 弗朗西斯 克里克（ Francis H. Crick）悼念克里克1969-1972, Arber(瑞士 ),Smith(美 )与 Nathans(美 )在 核酸限制酶的分离与应用 方面做出突出贡献 ,1978年共获诺贝尔奖。 1972 Berg（美）在 基因工程基础研究 方面作出了杰出成果，获 1980年诺贝尔奖。1973 Cohen等（美）用核酸限制性内切酶 EcoR1，首次 基因重组 成功。Hamilton O. Smith Daniel Nathans Werner Arber Paul Berg Herbert Boyer Stanley Cohen 2001 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。科学的发展也不是单枪匹马的，多学科的互相交叉与渗透、研究技术和实验手段的进步推动和加速了科学进步的步伐。化学、物理学、细胞学、遗传学、微生物学以及电子显微镜、超离心（ ultra-centrifugation）、色谱（ chromatography）、同位素示踪（ isotope tracing）、 X-射线衍射（ X-ray reflection）、质谱（ mass chromatography）以及核磁共振（ nuclear magnetic resonance）等技术都为现代生物化学的发展作出了重要贡献。 化学有机化学物理化学无机化学分析化学高分子化学生物化学与其它学科的关系生物学动物学 植物学微生物学化学生物学生物化学生理学遗传学栽培、育种 生态生物化学与普通化学的区别生物化学与分子生物学都以从 分子水平 上认识生命、诠释生命为目标。广义地说，两者没有截然的区别。只是前者注重 生命有机体的化学过程 ，后者更 强调生物分子的结构与功能 ，尤其是在遗传分子核酸方面。3.2 生物化学的前景和现状 目前，有关生物化学的研究主要集中在以下几个方面： F 生物大分子的结构、功能与相互作用 F 基因组学和蛋白质组学 F 基因表达的调节 F 细胞信号的传导 F 生物工程学 分子生物学的迅速发展从根本上改变了生命科学的面貌，也极大地丰富和扩展了生物化学的内涵。一方面，经典的生物化学原理不断得到验证，另一方面，人们对生命有机体中化学过程的认识不断更新和深化，现代生物化学的发展已经从各个方面融入了生命科学发展的主流当中。 v 生物大分子的结构、功能与相互作用大分子之间的相互作用；大分子结构模体（ motif）和结构域的独特作用；生物大分子三维构象和构象运动进行描述 ；蛋白质空间构象的正确折叠和 “分子伴侣 ”（ molecular chaperone）的作用；磷酸化、酰基化等化学修饰作用对于蛋白质和酶在快速、高效传递代谢信息和调节基因表达中的机制；核酸与蛋白质的相互作用与基因表达的调节；催化核酸等。信息爆炸导致了 结构生物学 （ structural biology）的诞生。 蛋白质和核酸大分子之间的相互作用v 基因组学和蛋白质组学 “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。 蛋白质组学 （ proteomics）作为后基因组时代生命科学新的研究领域正在崛起。它将一系列精细的技术，主要有 2D-凝胶电泳、计算机图象分析、质谱、氨基酸测序和生物信息学结合起来，高通量地、综合地定量和鉴定蛋白质。建立蛋白组的生物信息数据库，将为重大病症的发生提供新的预警和诊断标志，并为新药的开发提供新的思路 。大肠杆菌中的蛋白质组v 基因表达的调节 1960年， F.Jacob和 J.Monod发现细菌利用乳糖时，相关酶的基因表达时序受到严格的控制，于是提出了原核生物基因调节 操纵子 （operon）模型，开辟了对基因表达调节研究的新领域。真核基因表达的调控产要涉及核小体的重构、组蛋白的乙酰化、DNA的甲基化等化学修饰和 DNA超螺旋的拓扑异构化；基因的的调节也在转录后的加工、翻译和新生多肽链的化学修饰等各个层次上进行。 这一领域的研究将最终揭开生命的进化、胚胎的分化、个体的生长、发育、繁殖、衰老、疾病和死亡之谜。 v 细胞信号的传导 第二信使学说cAMP、 cGMP、 IP3、 DG、 Ca2+等 G蛋白偶联系统 G蛋白、 PKA、 PKG、 PKC和 TPK信号转导系统等小分子气体物质 NO、 CO v 生物工程学 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。 遗传工程的工厂4.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