生物化学绪论课件

生物化学 Biochemistry,课程安排,总学时：56，总学分：3.5 理论课 ：1-10周， 40学时 实验课：16学时 课程类别：专业基础课 考核方式：平时，实验，期末考试 上课时间：周二1，2节（三阶南） 周四1，2节（503阶）,课程的目的与任务,二十一世纪是生物学的世纪，本课程开课的目的是为了适应科学技术发展导致的现代生物学理论和技术在各个研究领域渗透的需要。特别是环境科学专业的学生，用生物技术和方法去解决污染环境的修复等领域的问题，都离不开生物学的基础知识和基本技能，而生物化学又是各生物学科的基础课。所以生物化学作为环境科学专业的一门专业基础课是非常必要的。本课程的任务是通过课堂教学使学生掌握生物化学的基本概念和原理，生物催化剂酶及其它生物大分子的特性，为将来从事有关方面的研究与应用打下一定基础。,内容,第1章 绪论 第2章 细胞和生物膜 第3章 蛋白质 第4章 酶化学 第5章 核酸 第6章 生物氧化和生物能 第7章 代谢,绪论,1.1 生物化学的涵义及研究内容 1.2 生物化学在环境保护中的应用 1.3 生物体的化学组成 1.4 生物分子之间的相互作用 1.5 生物体内的水,1.1 生物化学的涵义及研究内容,生物化学的涵义：生物化学是生物学与化学交叉而产生的一个边缘学科，利用化学的理论和方法作为主要手段来研究生物的边缘学科，因此又被称为生命的化学。生物化学是一门以生物体为研究对象，研究生命化学本质的科学。 生物化学的研究内容： （1）研究构成生物机体各种物质（糖、脂、蛋白质、核酸、酶、维生素等）的组成、结构、性质及生物学功能静态生物化学 （2）研究生物体内各种物质的化学变化、与外界进行物质和能量交换的规律，即物质代谢与能量代谢称为动态生物化学。,1.2 生物化学在环境保护中的应用,（1）海洋生态保护及水处理： 利用生物修复技术（微生物催化降解有机污染物）消除海洋中的环境污染物，固定化微生物技术处理工业废水，固定化酶处理废水。 利用海洋植物消除重金属污染：海洋中重金属离子大多以极低的浓度存在于大量海水中，用传统的化学沉淀、氧化或还原反应、膜处理技术等方法去除，效果不理想而且成本高。一些藻类等水生植物能从环境中积累重金属离子。,1.2 生物化学在环境保护中的应用,（2）环境监测： a.生物传感器测定BOD：传统方法测BOD需5天，而且操作复杂。从活性污泥、河水、土壤中分离环境中的微生物细胞，如细菌、酵母、真菌，作为识别元件，制成生物传感器，可在15min现场检测水的BOD。 b. 微生物传感器测环境中的SO2,NOx等 c. 生物传感器测定土壤环境中的农药和抗生素残留等,1.3 生物体的化学组成,自然界所有生命体由三类物质组成：,水（2/3质量）,生物分子（1/3）：糖、脂、核酸、蛋白质等生物大分子，维生素、辅酶、激素、核苷酸、氨基酸,无机离子（1/100）： Ca, K, Na, Mg， Fe, Cu, Co, Mn, Zn等,生物体内的元素分成4类：,1. C, H, O, N四种元素，是组成生命体最基本的元素，占生物体总质量的99%以上。 2.S, P, Cl, Ca, K, Na, Mg。组成生命体基本的元素。S是蛋白质的重要组成元素之一，P是核酸和ATP的基本组成元素，在生命遗传和生物能量转变中具有重要意义。Ca, K, Na, Mg是是生物体内存在的主要无机离子。 3. Fe, Cu, Co, Mn, Zn。生物体内存在的少量元素，作为酶的辅助成分。 4. Al, As, B, Br, Cr, F, Ga, I, Mo, Se, Si, V.存在于某些生物组织内，生物体内存在的微量元素，功能未完全搞清。,生物分子中常见的基团,生物大分子（的基本特征） 糖、脂、核酸、蛋白质,1.生物大分子都是由结构比较简单的小分子（结构单元）以某种方式连接而成。 2. 生物大分子都具有非常复杂的结构。 3. 构成生物大分子的结构单元大多数是手性分子。 4.生物分子之间的相互作用和识别特性。生物大分子与普通小分子不同，生物大分子之间存在特殊的、专一性的相互作用，结果是导致分子之间的相互识别。生物分子的这种特性是许多重要生理现象的分子基础，如抗原与抗体的结合，酶与底物的专一性作用等。,生物大分子的结构单元,（1）构成蛋白质的结构单元分子20种氨基酸 （2）构成核酸的结构单元分子核苷酸 （3）构成脂（脂肪酸与醇作用生成的酯及其衍生物）的结构单元分子甘油、脂肪酸、胆碱 （4）构成糖（多羟基醛或多羟基酮）的结构单元分子单糖,20种氨基酸,丙氨酰甘氨酰亮氨酸 AlaGlyLeu (or AlaGlyLeu),二肽:2个氨基酸 三肽:3个氨基酸 寡肽:少数几个氨基酸,数目未限定 多肽:大量氨基酸 蛋白质:50个氨基酸,一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基之间失水形成的化合物称为肽。,核苷酸,RNA,多聚核苷酸,5-ATGCA-3,磷酸二酯键,葡萄糖,单糖：简单的多羟基醛或多羟基酮，构成寡糖和多糖的基本单位。比如，核糖，脱氧核糖，葡萄糖，果糖等。,寡糖：由2-10个单糖分子缩合而成，寡糖水解可得到几分子单糖。如，二糖（蔗糖、麦芽糖、乳糖），三糖、四糖等。,多糖：经水解后产生多个单糖的碳水化合物，例如淀粉、纤维素等。,糖,多糖淀粉,生物大分子的结构,生物大分子的一级结构： 构成生物分子的结构单元分子按不同的排列组合，形成数量庞大、结构复杂的线形分子或环状分子。只涉及结构单元的排列顺序的结构类型称为一级结构。 生物大分子的立体结构： 生物大分子在线形或环状结构基础上，通过分子内或分子间的基团相互作用，进一步形成立体结构。例如，盘绕成螺旋形，折叠成片层状。分为二级、三级、四级结构。生物大分子的这种复杂的立体结构，是生物分子具有复杂生理功能的重要原因。,蛋白质的立体结构,核酸的双螺旋立体结构,生物分子的手性,由于构成生物大分子的结构单元分子大多数是手性分子，因此，生物大分子中存在许多手性中心。生物分子的手性特性对于生物分子之间的相互识别、酶分子的选择性催化性质等具有重要意义。,生物分子的手性,手性分子：一个碳的四个价键分别与不同的原子或基团相连，这个碳原子为手性碳原子，分子为手性分子。 手性分子在三维空间上两种不同的排列方式，它们互为镜影，这两种不同的构型分别称为D-型和L-型。平面偏振光通过含有某些手性化合物液体或溶液时，能引起旋光现象。使偏振光向顺时针方向为右旋，以“”符号或D表示；使偏振光向反时针方向为左旋，以“”符号或L表示。,生物分子的手性的命名,R/S命名： 根据与不对称中心碳直接相连的原子的原子序数,将连接在不对称中心碳上的基团按优先顺序排列,将优先顺序最小的基团放在纸面之后,其余三个基团按优先顺序从大到小连成一个弧线,如果这个弧线沿着顺时针方向,定义为R型,反之为S型.,前手性分子,前手性分子：一个碳原子与四个原子或基团a1,a2,b,d相连，其中a1,a2相同，是非手性分子。当其中一个a被另一个原子或基团 e取代，变成手性分子。这类分子叫做前手性分子。如，乙醇是前手性分子。,1.4 生物分子的相互作用,1.4.1 生物分子之间的作用力： 生物分子之间的相互作用主要通过 非共价作用力实现。 氢键 正负离子之间的静电引力 离域键间的电子重叠作用力 疏水键 范德华力,生物分子之间的作用力,氢键：生物大分子中主要由O或N与H形成的氢键,生物分子之间的作用力,正负离子之间的静电引力：生物分子中可离解成带电荷的基团有：氨基、羧基、胍基、咪唑基、磷酸基，带电荷基团间存在相互吸引或排斥作用,生物分子之间的作用力,离域键间的电子重叠作用力： 生物大分子中含有很多芳香基团。这些基团中的离域电子在相互接近到一定距离时，会产生一种特殊的电子重叠作用力。这种作用力具有方向性，只有两组离域电子以平行方式相互接近，才能发生作用。,生物分子之间的作用力,疏水键 分子中的非极性基团在水溶液中的缔合趋势。在水溶液条件下，生物大分子中的疏水部分能够相互缔合形成疏水区。,生物分子之间的作用力,范德华力：一种非特异性原子间作用力。这种作用力与原子之间的距离有关。 由于生物大分子的相对分子质量一般都很大，因此范德华力是一种不可忽视的作用力。生物分子越大，缔合位点越多，分子之间的相互作用越强，识别能力越强，选择性越专一。,1.4.2 分子识别和超分子,分子识别：生命现象中的一个重要特征，本质上是生物分子之间的一种特殊的、专一性的相互作用结果。,受体-底物相互作用和识别必须满足以下条件： （1）受体空间的大小和形状要与底物分子相吻合 （2）受体内腔表面的基团与底物表面的基团之间存在互补关系，即各种分子间作用力维系和稳定受体-底物之间的缔合状态。,生物超分子,是生物分子相互作用和识别的一种特殊的中间过程，是许多生命现象的必需阶段。例如，酶与底物、抗体与抗原、受体与激素之间形成的复合物，都是生物超分子。,原子受体或底物分子超分子示意图,1.5 生物体内的水,生物体内含量最丰富的物质，占生物体总质量的70%，水的特殊物理和化学性质对于生物体具有重要意义。 水在生物体内的功能： 1. 作为营养传输、酶催化的各种反应和生物能量转换的介质 2. 影响生物分子的结构、性质和功能,1.5.1 水分子的特性,形成氢键 水化作用 疏水缔合作用 亲核作用,水分子的特性,1. 形成氢键： 生物分子中含有大量能够与水分子形成氢键的基团，因此水分子与生物分子之间形成氢键，对于生物分子的性质和功能有重要的影响作用。 例如，水分子能够与蛋白质分子内氢键竞争，形成新的蛋白质-水氢键，降低了分子内氢键对蛋白质立体结构的稳定作用。,水分子的特性,2. 水化作用： 水分子是良好的极性溶剂，许多极性分子能溶解在水中，其原因是水分子与极性分子之间的相互作用。如，NaCl在水溶液中，水化作用不仅使Na+和Cl-之间静电引力减弱，而且使Na+和Cl-稳定存在。,水分子的特性,3. 疏水缔合作用： 非极性分子或基团在水溶液中不能溶解。在水分子作用下，非极性分子或基团在水溶液中有缔合在一起的趋势，这种作用叫做疏水缔合作用。例如，将正己烷以微小颗粒分散在水中，但是这些微小的正己烷颗粒很快就缔合在一起。 分子中既含有亲水基团又含有疏水基团的分子是两亲性分子。在水分子作用下，两亲性分子形成亲水区和疏水区两个区域。磷脂分子在水溶液中能形成双层脂膜，是疏水缔合的典型例子。疏水缔合作用可稳定生物大分子的构象及其立体结构。,两亲性分子,水分子的特性,4. 亲核作用： 水分子中的氧原子含有未配对电子，具有亲核性。许多重要的生物化学反应（如水解反应）是由水分子的亲核进攻引起的。 在生理条件下（pH=7），水的亲核性能比较弱，因此许多由水的亲核进攻引起的反应需要在催化剂或酶的作用下进行。,1.5.2 水分子对生物大分子的结构和性质的影响,水分子对生物分子的 影响主要通过非共价作用力，如氢键、极性分子解离产生的正负离子作用、疏水缔合、范得华力实现。,1.5.3 缓冲溶液及生物体的缓冲体系,缓冲溶液作用：当少量的酸或碱加入到缓冲溶液中时，溶液的pH变化很小。 缓冲溶液体系由弱酸及其共轭碱组成，如乙酸-乙酸钠，磷酸二氢钠-磷酸氢钠，碳酸-碳酸氢钠缓冲体系等。,缓冲溶液的滴定曲线,在滴定中点两边是一个相对比较平坦的区域（pH=4.761)，在此区域内H+或OH-的加入引起溶液PH值的变化很小。这一区域就是CH3COOH/CH3COO-缓冲溶液的缓冲区。在缓冲区的中点，H+供体（CH3COOH）和H+受体（CH3COO-）的浓度相等，此时溶液具有最强的缓冲能力。 缓冲区中点的pH=4.76，也是CH3COOH的pKa值。,缓冲溶液的缓冲区在pH=pKa 1,生物体的缓冲体系及其意义,生物体内发生的生物化学过程几乎都与pH变化有