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Chapter 1 introduction 生 物 化 学 Biochemistry 主讲：生命科学与工程学院 张廷华 email: Tel: 6088265 生科院 26 号信箱 Chapter 1 introduction 第一章 绪论 introduction 首先需要说明下面几个方面的问题： 1.上课 纪律 和教材 2.学习方法 方法 3.考试 成绩。 生物化学 、细胞学、遗传学和免疫学是 理解生命现象本质的基础性学科。 Chapter 1 introduction 第一节 生物化学的概念 1.生物化学的历史 1.1.现代生物化学之前 酿酒 ：公元前 22世纪（夏禹），至公元前约 14世纪 的殷代饮酒盛行。 酱油 ：公元前 12世纪周礼有记载，公元前 6世纪 的孔子说 “不得其酱不食 ” 。 甲状腺肿大 ：公元前 4世纪，庄子记载的 “瘿病 ”，即 地方性甲状腺肿病；公元 4世纪，葛洪用含碘丰富的 海藻治疗。 Chapter 1 introduction 脚气和夜盲症 ：脚气病缺 VB1， 夜盲症（雀目 ）缺维生素 A， 孙思邈（ 581682）用米糠熬 粥治脚气病，食猪肝治 “雀目 ”。 本草纲目 ：明代李时珍 (15221596)花 30年著 成，详细记载人体的代谢产物及分泌物，但未 能深入实验升华为理论，是历史的局限。 新陈代谢 ：德国化学家李比希（ J. Liebig, 18031973） 在其创立的生理化学中首次提出 新陈代谢概念。 Chapter 1 introduction 生物化学 ：德国科学家霍佩赛勒（ E. F. Hoppe- seyler, 18251895） 1877年提出，将 生理化学 建立 为独立的学科，称为 Biochemie， 即生物化学，他 研究病理体液和脓细胞，其学生 F. Meischer从脓 细胞中分离出核蛋白，开创了核酸的研究。 尿素人工合成 ：魏勒（ F. Wohlen, 18001882） 在 1828年人工合成哺乳动物的代谢物尿素，但微生 物学奠基人巴斯德 (L. Pasteur, 18221895)仍然在 1860年断言：发酵绝对离不开活细胞。 Chapter 1 introduction 1.2.现代生物化学 代谢的体外研究 （生物化学的新发展）： 1897年，布 克纳兄弟 (Hans Buchner和 Edward Buchner)将蔗糖放人 磨碎的酵母细胞的液汁中，蔗糖发酵了 ! 任氏液液 ： Sidney Ringer（ 1835 1910） 是英国内科 医生、生理学家。任氏液对实验生理学贡献极大，开 辟了使用动物细胞的匀浆、组织切片及动物离体器官 灌注和非离体器官灌注等方式来研究各种物质的新陈 代谢。 Ringer液 的组成。 Chapter 1 introduction 酶 ： 最早观察 ：意大利生理学者 Spallanzani将肉片 装在铁丝小袋中喂给猎隼后，再拉出小袋，发现胃 液中有能使肉片液化的物质（胃蛋白酶）。 提出 ： 1878年库恩 (F. W. Kiihne)提出，指活酵母中 可使糖类发酵成酒精的催化物质，也称酵素 femene 。 酶的化学本质 ：始于桑孟尔 (J. B. Sumner)， 1926年 首次用丙酮从刀豆中获得了结晶的脲酶。酶的本质 是蛋白质。 蛋白质结构与功能 ：始于英国生物化学家桑格尔 (F. Sanger) ， 19451955年完成牛胰岛素的氨基酸组成 结构的分析，是第一个蛋白质组成结构的分析。 Chapter 1 introduction 三羧酸循环 ：自 1905年 Harden和 Young开始用酵母 菌榨汁研究糖的酵解起，又花费几十年的时间，由 许多研究者在不同的国家辛勤工作，直到 1940年前 酵解的全过程才获得圆满的结果。其中恩伯顿 (G. Embden)、 迈耶霍夫 (O. Meyerhof)等为此作出了重 大贡献。因此糖酵解也称为 Embden-Meyerhof途径 。 Chapter 1 introduction 1.3.大生物化学或分子生物学 分子生物学的起点 ：到 20世纪 50年代核酸研究的 开展把生物化学又推人了一个新时代。 基因的提出 ：孟德尔 (G. J. Mendal， 18221884)在 1865年 2月 8日于 Bran宣读他的豌豆杂交实验，提出 遗传因子 (后称为基因 ) 是恒定的物质基础。 基因物质的分离 ：米斯切 (F. Miescher， 18441895 年 )从绷带上的浓细胞分离出细胞核，并第一次发 现含磷很多的化合物，他称为 “核素 ”即核蛋白。 1889年 Altmann继 Miescher之后建立了从植物、酵 母中制备不含蛋白的核酸的方法，开始了 DNA和 RNA的研究，但并不了解 DNA有何作用。 Chapter 1 introduction 基因的结构基础 ： 1928年格里菲思 (F Griffith) 经肺 炎球菌转化实验和在 1944年由艾弗里 (O. Avery)、 麦 克劳德 (C. Macleod)和麦卡蒂 (M. McCarty)证明 DNA 是遗传物质。 DNA的碱基组成 ： 1950年查加夫 (Erwin Chargaf)证明 DNA中腺嘌呤与胸腺嘧呤、鸟嘌呤与嘧呤之比接近 于 1.0。 1946年威尔金斯 (M. Wilkins)完成了 DNA的 X- 射线衍射研究。 DNA的三维结构 ： 1953年沃森和克里克 (J. D. Watson & F. H. C. Crick在提出了 DNA双螺旋结构 三维空间 结构模型，成为分子生物学的起点。 Chapter 1 introduction DNA与蛋白质的联系 ： 1961年 F. Jacob和 J. Monod指 出在基因与蛋白质之间存在 mRNA。 与此同时 S. Spiegelman发展了分子杂交技术，接着 J. Hurwith和 S. Weiss分别发现了 RNA聚合酶。 遗传密码 ：经 F. Crick、 S. Brenne最后由 H. G. Khorana 和 M. Nirenbeng合作在 1966年破译了遗传密码， 1969 年的最后修订，这是近代生物学上的一个杰出成就。 病毒的遗传信息 ： 1971年 F. Crick完善了他 1958年提 出的中心法则，清楚地表述了生物世界遗传信息的传 递方向及相互关系。 Chapter 1 introduction 1.4.结构生物化学 1.4.1.基因组学 结构基因组学 structural genomics ： 以全基因组测序为目标 ， 包括基因遗传图 、 物理图 、 转录图 。 功能基因组学 functional genomics ： 以基因功能鉴定为目 标 ， 又称后基因组（ postgenome）。 包括基因功能发现、 基因表达分析及突变检测。 基因的功能 ：生物学功能，细胞学功能，发育功能。 手段：经典的减法杂交，差示筛选， cDNA代表差异分析 及 mRNA差异显示等，新技术包括基因表达的系统分析（ serial analysis of gene expression, SAGE）， cDNA微阵列（ cDNA microarray）， DNA 芯片（ DNA chip） 等。 Chapter 1 introduction 与基因组学相关学科诞生 营养基因组学（ nutritional genomics） 环境基因组学（ environmental genomics） 药物基因组学（ phamarcogenomics） 病理基因组学（ pathogenomics） 生殖基因组学 (reproductive genomics) 群体基因组学 (population genomics) 生物信息学（ Bioinformatics） 正成为备受关注的新 型产业的支撑点。 Chapter 1 introduction 1.4.2.蛋白质组学 protemics 蛋白质组学以细胞内全部蛋白质的存在及其活 动方式为对象的研究领域。研究大致可分为两种类 型：一种是针对细胞或组织的全部蛋白质；另一种 是针对与一个特定的生物学机制或机制相关的全部 蛋白质。 1.4.3.RNA组学 RNomics 研究生物体内所有 RNA的时空表达谱及研究其 生物学涵义的学科。 RNA的相关研究被美国科学杂志评为 2002 年的十大进展。 Chapter 1 introduction 1.4.4.基因精细功能的研究 组学从宏观上了解生命单位之间的静态差异，但无 能力解决动态差异，对某一基因动态影响生命单位的差 异的研究也受重视。 2002年诺贝尔生理和医学奖诺获得者布勒纳（ Sydney Brenner）、 霍维茨（ H. Robert Horvitz） 和萨尔 斯顿 （ John Sulston）， 对线虫 Caenorhabditis elegans 个 体发育和细胞程序性死亡（ programmed cell death， PCD ） 进行了研究。基因 Ced-3和 Ced-4诱发 凋亡 。 病毒性传染病与细胞凋亡有关。 AIDS由 HIV侵染淋 巴细胞引起，直接杀死一部分细胞，诱导更多淋巴细胞 凋亡，使人免疫功能受重创，极易受病原体感染。 Chapter 1 introduction 1.2.生物化学的概念 （ A） 研究生物体的化学组成和生命过程中的化学变化 规律的一门学科。 1.3.生物化学内容 (1)大分子生物化学 ：研究生物大分子（核酸、蛋白质 、糖、脂等）的结构、功能和生物合成。 (2)基因工程 ：研究基因分离、结构测定、基因表达及 调控、基因重组、细胞分裂调控等。 (3)膜生物化学 ：研究蛋白质与脂质的关系，细胞识别 、信息传递、物质转运的机制。 (4)代谢生物化学 ：研究中间代谢及调控机理，对解决 诸如营养、减肥、衰老等甚为重要。 Chapter 1 introduction 第二节 生命的特征 2.1.生命的化学组成 2.1.1.水 1.水在生物体内的含量 植物 ：约 2090%。营养器官（叶、茎、根的薄壁 组织）约为 7090%（ 水母 含水 90%），繁殖器官 （高等植物种子、微生物孢子等）约为 1215%。 动物 ： 6070%。成人 5867%，含量随年龄的增长 减少， 2个月胎儿的含水量达 97%，但出生的新生 儿身体含水量只有 74%。肌肉和薄壁组织器官（ 肝、脑、肾等）约 7080%，皮肤约 6070%，骨骼 约 1215%，血液含水约 80%。 第一节 生物化学的概念 Chapter 1 introduction 2.水的生理功能 （ B） A.使各种反应容易进行，让反应物相互接触； B.作为载体运输各种代谢物 C.调节体温 D.作为润滑剂，有利于关节、韧带、肌肉膜运 动，食物吞咽 E.保持细胞形态 第一节 生物化学的概念 Chapter 1 introduction 3.动物体对水分的需要 A.水分的需要量 ： 人与外界的物质交换，以水的总 量最大，成人每天约需要交换 2.5kg的水与外界进行 交换，即每公斤体重约 40g， 婴儿对水的需要量更多 ，约为成人的 34倍，即每天每 120160g/kg体重。 B.水分的来源 成人水分平衡 来 源 ml % 排出 ml % 液体食物 1200 48 尿 1400 56 固态食物 1000 40 呼气 500 20 生物氧化 300 12 汗 500 20 粪便 100 4 合 计 2500 100 合计 2500 100 Chapter 1 introduction 4.水分的存在状态 （ A） 含量 ： 动物 6070%，植物 20%90，成人 6867% 结合水 bound water ： 以极性基团结合的水，不能自 由流动，与被结合物形成水化膜； 自由水 free water ： 以毛细管力（表面张力）维持在 生物体内的水，可以自由流动，存在于细胞之间和 组织间歇。 Chapter 1 introduction 2.1.2.有机物 生物大分子 ： 核酸、糖类、蛋白质、脂类等， 分子量一般在 5000D以上； 生物小分子 ： 维生素，核苷酸、氨基酸等，分 子量一般在 5000D以下。 2.1.3.无机盐 inorganic salts 1.概念 ： 生物体中除碳、氢、氧、氮之外的所 有元素，被称为无机盐，或者灰分 minerals ， 或者矿物质。 （ A） Chapter 1 introduction 2.动物对矿物质的需要 （ A） 常量元素 major elements ： 含量在 100ppm 以上的元素； 微量元素 trace elements ： 含量在 1100ppm 的元素；已知人有 14种 微量元素 ： 铁 Fe、 铜 Cu、 锌 Zn、 铬 Cr、 碘 I、 氟 F、 钴 Co、 锰 Mn、 钼 Mo、 硒 Se、 镍 Ni、 锡 Sn、 钒 V、 硅 Si。 超微量元素 ultramicro-element ： 含量在 1ppm以下的元素； Pb、 Hg、 Au、 Al等。 Chapter 1 introduction 3.矿物质的作用 A.构成生物的物质 B.保持体内环境 C.维持原生质的生理活性状态，如 Ringer液 。 D.参与体内生物化学反应 Chapter 1 introduction 2.2.生命的基本特征 （ A） 生命最基本的特征为生存和繁育后代 生存 ：蛋白质酶 繁殖 ： DNA的自我复制，在个体水平上表现为 直接繁殖、间接繁殖和坐享其成。 Chapter 1 introduction 2.3.新陈代谢 2.3.1.概念 （ A） 新陈代谢 ：一个开放的自组织系统，维持 其稳定特征所进行的运动过程。 A.开放系统：和外界有信息、物质和能量 的交换，不至于导致热寂。 B.自组织：自身可以进行反馈调节 C.稳定系统：该系统所特有的特征。 Chapter 1 introduction 2.3.2.同化和异化 （ A） 同化 ：将环境中吸收的物质，通过一系列生物化 学反应，转变为自身组成物质的过程。 异化 ：将自身中的旧物质转变为环境中的物质的 过程。（哲学或社会科学的异化指人类的发明成 为人类的束缚）。 项目 反应特点 能量及形式 同化 小分子