生物化学绪论ppt课件

生 物 化 学 李伟国 电话：Email: 二十一世纪二十一世纪 生命科学世纪生命科学世纪 一、生物化学的定义 二、生物化学的研究内容 三、生物化学的发展简史 四、 生物化学的成就 五、学习生物化学的必要性 六、生物化学课程与学习 一 、 什么是生物化学 (Biochemistry) ? 是研究生物体内化学分子与化学反应 (生命化学 )的科学 ，它运用化学原理和方法从分子水平探讨生命现象的本质 是介于生物与化学之间的边缘学科，是利用化学的理论和方法研究 生物的一门学科，其任务是阐述构成生物体的基本物质（生物大分子 糖类、脂类、蛋白质、核酸）的结构、性质及其在生命活动（如生长、 生殖、代谢、运动等）过程中的变化规律（物质代谢和能量代谢） 生物化学研究的方法： 主要采用化学的原理和方法，同时也与生物物理、生理 学、细胞学、 遗传学和免疫学相联系和交叉。 二 、 生物化学的主要研究内容 n 生物分子和结构与功能： 探讨生物体的物质组成 以及分子结构、性质和功能 n 物质代谢及其调节： 物质代谢的规律、能量转化 及其调节控制 n 基因信息传递规律及其调控： DNA复制、 RNA转录 、蛋白质翻译等 n 通常将生物大分子结构、功能及其代谢调控的研 究称为 分子生物学 n 从分子水平研究遗传学，并运用这些规律去改造 自然，称 基因工程 n 生物化学 (Biochemistry、 Biological Chemistry、 Chemistry of Life、 Physiological Chemistry) 研究生物体的化学组成和生命过程中的化学变化规律 n 分子生物学 (Molecular Biology) 研究生物大分子 (核酸 /蛋白 )结构功能及其之间的关系 , 对生物化学过程的调节控制结构与功能 (复制、转录、翻译 遗传信息 )之间的关系 生物化学与分子生物学生物化学与分子生物学 (Biochemistry & Molecular Biology) 生物分子： 无机小分子 （ H2O、 CO2、 Ca2+、 Mg2+等） 代谢中间物 （丙酮酸、柠檬酸、苹果酸等） 构件分子 （氨基酸、核苷酸、单糖等） 生物大分子 （核酸、蛋白质、 脂类、 多糖等） 超分子 （核糖体、酶复合体、微管等） 细胞器 （细胞核、线粒体、高尔基体等） 实验研究 /技术方法 n 生物化学是以实验技术为前提的 n 技术方法的新进展推动生物化学的 深入研究 生物化学的分类 n 根据对象 人、动物、植物、微生物 n 根据生物的进化程度 原核生物 (Prokaryote） 真核生物 (Eukaryote) n 根据应用目的 医学 (药学 )生化、营养生化等 三、生物化学的发展简史 起源于 18世纪晚期， 19世纪逐步发展，到 20 世纪初期发展成为一门独立学科， 20世纪 50年代 以后随着生物大分子结构与功能的研究及分子生 物学的兴起，生物化学进入了一个崭新的发展时 期。 三、生物化学的发展简史 生物化学的发展简史 n 起始阶段： 18世纪 20世纪初。 研究了脂类、糖 类及氨基酸；发现了核酸；酵母发酵中的 “ 可溶 性催化剂 ” -酶的概念 法国科学家 Lavoisier （ 1743-1794） 研究了动物的体温和 呼吸 德国 Neuberg (1877-1951) 于 1903年提出 “生物化学 ”这个 名词， 生物化学才成为一门独立的学科，在此之前，由有 机化学和生理学分别研究 20世纪的前 30年：生理学、化学 营养学 的真正的黄金时代 20年代： 1926年美国 Sumner从刀豆中得到 脲酶的结晶 30年代： 1933 1936年 Krebs提出了著名的 尿素循环和 三羧酸循环 40年代前后：能量代谢， 生物能学 20世纪中期生物化学成为一门独立和成熟的学科 快速发展阶段： 20世纪初 下叶。 必需氨基酸、 维生素的发现；酶的蛋白质本质揭示；多种激素 的发现；主要物质代谢途径的确定。 分子生物学的崛起阶段： 20世纪下叶 至今 分子生物学的出现 基因工程 与代谢调节 1950年 美国 Pauling等 蛋白质的二级结构 - 螺旋 1955年 英国 Sanger 胰岛素一级结构的测定 1953年 美国 Watson 和英国 Crick DNA双螺旋结构 DNA双螺旋结构的提出使生物化学发展到一个新的阶段 分子 生物学阶段 , 这以后，核酸的研究进展很快，在核酸一级结构测定和 核酸人工合成方面取得显著成果。 60年代 1961年法国 Jacob和 Monod 操纵子模型 70年代 进入生物工程的研究 基因工程、蛋白质工程、酶工程、细胞工程、发酵工程等。 第一个基因工程的产物为 somatostatin 90年代 1990年启动了人类基因组计划。 20世纪末和 21世纪初，随着人类基因组全序列测定的 基本完成，生命科学进入了后基因组时代，产生了功能 基因组学、蛋白质组学、结构基因组学等 分子生物学的重要事件 n 50年代： 蛋白质 -螺旋结构的发现 1953年 Watson 和 Crick提出了 DNA双 螺旋结构模型 分子生物学里程碑 分子遗传学中心法则的提出；遗传密 码的破译等 70年代： 建立了 DNA重组技术 基因工程 基因诊断和基因治疗的发展 80年代： 发现了核酶（ ribozyme） PCR技术的发明 90年代： 开始了人类基因组计划 (human genome project， HGP)，约 2.6109 碱基、 10万个基因 (实际 3-4 万个） 四、生物化学的成就 n 1953年， DNA双螺旋结构模式 n 1958年，分子遗传的中心法则 n 1970年，基因工程方法的建立 n 1981年，发现有催化功能的 RNA（ Ribozyme ） n 1985年，人类基因组作图和测序计划 n 1997年，第一只克隆羊诞生 n 1999年，干细胞的研究位列当年科技重大突破 n 2002年， RNAi荣登重大科技突破榜首 DNA双螺旋结构模型 DNA分子结构是由美国生物学家沃森（ James Dewey Watson,1926 ） 和 英国生物物理学家 克里克（ Francis Harry Compton Crick,1916 ） 所确 定的。克里克于 1949年入剑桥大学卡文迪什实验室医学研究组。 1951年 沃森来到该研究所，克里克接受了他的观点：了解 DNA三维结构即可明 了它在遗传中所起的作用。 1953年，他们建立了 DNA双螺旋结构模式 ,并 跟已知的物理 化学性质相符合。这一发现成为分子生物学的里程碑， 后来他们分享了 1962年的诺贝尔生理医学奖。 返回 分子遗传的中心法则 中心法则 (central dogma)是指遗传信息的流向所遵循的法则。 Crick 提出，在 DNA分子可以自我复制（ replication） 传给子代的基础上，遗 传信息可以从 DNA传递给 RNA（ 称为转录 transcription） 再从 RNA传递 给蛋白质（称为翻译 translation）， 这是遗产信息流所遵循的中心法则 。 Temin又证实 RNA也可以是遗传信息的携带者，即 DNA以 RNA为模 板反向转录合成，再推动 RNA的合成及蛋白质的合成。 返回 基因工程方法的建立 1970年， Temin和 Baltimore从鸡肉瘤病毒中发 现反转录酶。 Smith和 Wilcox 在 E.coli中发现芽豆类限制性内 切酶 ,由此为基因工程方法的建立打下了基础 。 返回 Ribozyme 1978年， Altman在提纯 RNAase时发现，此酶由蛋白质和 一个 RNA片段组成，单独的 RNA能完成对前体 tRNA的剪切， 而单独的蛋白质却无此能力。 1981年， Cech在研究四膜虫前 体 rRNA的加工过程中发现，在没有蛋白质存在的情况下，一 段 RNA序列（ IVS） 能进行自动剪切，生成 L-19IVS。 后者在 离体条件下能催化五聚胞嘧啶核苷酸的合成。由此提出了具 有催化功能的核酸（ Ribozyme） 的概念。 Ribozyme的 提出为解决人类的起源问题提供了一种新的 假说，为此， Cech与 Altman共同获得了 1989年化学诺贝尔奖 。 返回 “ 人类基因组作图和测序 ” 计划 1985年，美国科学家率先提出 “ 人类基因组测序和作图 ” 计划（简 称 HGP）。 国际合作始于 1990年 该计划的核心就是测定人类基因 组的全部 DNA序列，从整体上破译人 类遗传信息，以使人类能在分子水 平上全面地认识自我。 HGP的精神是：全球共有，国际 合作。即时公布，免费共享。 人类基因组计划顺利完成 2000年 6月 26日，参与人类基因组计划 的各国科学家，同时向全世界宣布人类基因 组 “ 工作框架图 ” 绘制完成。 2004年 10月 21日出版的 自然 杂志公 布了人类基因组最精确的序列（包含有 28.5 亿个碱基对），同时澄清人类基因组只有 2 到 2.5万个基因（而不是原来的 10万个基因 ） 这篇文章标志着人类基因组计划又迈出 了里程碑意义的一步。 人类基因组计划的应用前景 n 将揭示生命世界的一些重大奥秘 ，如生命起源，生物进化等 n 将应用于疾病的诊断和治疗，将 改变 21世纪的医学 n 将大大促进生命科学工业的发展 ，特别是基因制药工业的发展 1995 完成原核生物 Hemophilus luenzae的基因组测序 1996 完成啤酒酵母的基因组测序 1997 完成大肠杆菌的基因组测序 2000 人类基因组序列框架（中国完成 1%） 2000 拟南芥基因组序列（第一个高等植物） 2002 水稻 (日本粳米 )基因组 (中国完成 10%) 水稻 (籼稻 )基因组序列框架图 (中国独立完成 ) 2003 中国家蚕基因组框架图 (中国独立完成 ) 人类基因组计划实施以来的成就 2004 鸡基因组测序完成 (中、英、瑞典、荷兰、德、美 ) 2005 家猪基因组序列公布 (中国、丹麦 ) 犬基全因组测序 2007 葡萄全基因组测序完成 “炎黄一号 ”中国人基因组序列图谱 2008 玉米全基因组测序完成 2008 甲虫赤拟谷盗全基因组测序 2009 美国能源部联合基因组研究所群体测序项目继续支 持 44个 DNA测序计划，包括火炬松、浮萍、 棉花、木 质素退化真菌、产油微藻和几种纤维素退化细菌等 返回 克隆羊诞生 1997年 2月 23日，英国 罗斯林研究所宣布，他们 成功创造了世界上第一个 克隆羊 多莉。它的意义 在于，人类已能用高度分 化的乳腺细胞作为核供体 ，通过无性繁殖方法，复 制出与核供体完全一致的 新个体。 返回 1999年干细胞的研究工作位列年度科 学技术重大突破首位 干细胞（ stem cell） 是一类既有自我更新 能力，又有多分化潜能的细胞。干细胞的研究 一方面可以揭示许多有关细胞生长和发育的基 础理论难题；另一方面可望将其用于创伤修复 ，神经再生和抗衰老等临床医学研究。 返回 2002年 RNAi荣登重大科技突破榜首 RNA曾被认为是一种缺乏活力的生物分子， 但最近一系列发现表明，一种称作小 RNA的 RNA分子参与着多项细胞控制工作，能够关闭 基因或改变它们的表达水平。这一现象称为核 糖核酸介入（ RNAi）， 它是体内抵御外在感染 的一种重要保护机制。小 RNA的这种功能有可 能使 21世纪的医药研究产生革命性的变化。 2006年诺贝尔生理学或医学奖 我国生物化学发展 20世纪 20年代后期建立了制备血滤液的方法以及测定血糖的 方法（ Folin-Wu法） 20世纪 30年代， 1931年蛋白质变性理论 1965年全合成结晶牛胰岛素；是世界上公认的第一 个具有全部生物活性的蛋白质人工合成 1981年又首先人工合成了具有生物活性的酵母丙氨 酸转移核糖核酸 (tRNAAla) 80年代后的生物工程 吴宪教授的工作 五、为什么要学习生物化学？ n 化学与生命科学的交叉 化学生物学的内涵： 采用化学手段研究生物问题 采用生物手段研究化学问题 Bio-X研究中心 n 生物化学与生活息息相关 营养生化：保健品 医学生化：疾病诊断 n 培养复合型人才的需要 既懂化学又懂生物 切入点：样品制备 、 生物分析等 n 生物化学是学习生命科学的基础 生物化学 、 分子生物学 、 细胞生物学 、 微生物学 、 神经生物学 、 生理学、医 学、药学等 为什么要学习生物化学？ 我们能做什么？ n 生命科学研究中的化学问题 生物大分子结构与功能的关系 代谢途径及中间产物 n 生命科学研究的分析方法 新的方法往往会带来生命科学的飞跃式 发展 1929年 年 A. 哈登（英），冯哈登（英），冯 奥伊勒奥伊勒 歇尔平（瑞典）歇尔平（瑞典） 阐明糖发酵过程和酶的作用阐明糖发酵过程和酶的作用 1946年 年 J. B. 萨姆纳（美）、萨姆纳（美）、 J. H. 诺思罗普，诺思罗普， W. M. 斯坦斯坦 利（美）利（美） 分离提纯酶和病毒蛋白质分离提纯酶和病毒蛋白质 1958年 年 F. 桑格（英） 桑格（英） 胰岛素结构研究胰岛素结构研究 1981年 福井谦一（日）、年 福井谦一（日）、 R. 霍夫曼（英）霍夫曼（英） 确定核酸碱基排列顺序确定核酸碱基排列顺序 1984年 年 R.B. 梅里菲尔德（美） 梅里菲尔德（美） 开发了极简便的肽合成法开发了极简便的肽合成法 与生物化学相关的 诺贝尔化学奖诺贝尔化学奖 1989年 S. 奥尔特曼， T.R. 切赫 （美） RNA自身具有酶的催化功能 1993年 K.B. 穆利斯（美） 发明 “聚合酶链式反应 ”法 M. 史密斯（加拿大） 开创 “寡聚核苷酸基定点诱变 ”法 1997年 P.B.博耶（美）、 J.E.沃克尔（英）、 J.C.斯科（丹 麦 ） 发现人体细胞内负责储藏转移能量的离子传输酶 “ 据统计 ,90年代的化学以及医学 /生理学诺贝尔 奖获得者的工作 40%都可以归属于生物化学的范畴 ” 2002年 约翰 芬恩（美）、田中耕一（日） 发明了生物大分 子的质谱分析法 库尔特 维特里希（瑞士） 发明了对生物大分子进行确认和结构分析的方 法 2003年 彼得 阿格雷（美）、罗德里克 麦金农（美） 在细胞膜通道方面 做出的开创性贡献。 2004年 阿龙 -西查诺瓦、阿弗拉姆 -赫尔什科（以）和 伊尔 温 -罗斯（美） 泛素调节的蛋白质降解 2006年 罗杰 科恩伯格 (美 ) 阐明了真核细胞转录的具体机理 2008年诺贝尔化学奖 “ 在发现和研究绿色荧光蛋白方面做出贡献 ” 下村修 (日本 ) 马丁 沙尔菲 (美国 ) 哥伦比亚大学 钱永健 (美国