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生物化学Biochemistry,绪论本章提纲：一、生物化学研究对象及内容二、生物化学发展简史及现状三、近代生物化学的发展趋势四、生物化学知识的应用五生物化学与分子生物学同有关学科的关系六课程特点及学习与安排七学习方法,一、生物化学研究对象及内容,生物化学:生物化学是在分子水平上阐明生命现象的科学。它是一门主要运用化学的原理、技术和方法，也结合其它学科的原理与技术研究生命现象的科学，也就是研究生命活动化学变化的学科，即生命的化学，是生命科学领域重要的基础学科，它是介于化学、生物学及物理学之间的一门边缘学科。近年来，它的飞速发展推动了整个生命科学和医学向分子水平纵深发展。生物化学研究领域中的生物大分子-核酸和蛋白质是生命活动的最基本物质，研究这两类生物信息大分子的结构、功能及其在遗传信息传递中的作用已成为当前新兴学科-分子生物学的主要任务之一。是否应将分子生物学作为一门独立的基础课程设置，值得探讨。,研究对象：有生命的生物体(动物、植物、微生物)。主要任务：阐述构成生物体基本物质(糖、脂肪、蛋白质、核酸等)的结构、组成、性质；生物分子的结构、功能与生命现象的关系；生物分子在生物机体中的相互作用及其变化规律。,是生命的化学用化学研究生命阐明生命本质,生物学,动物学,植物学,微生物学,化学,生物学,生物化学,分子生物学,生物化学的地位,1、研究生物体内物质的组成、结构和性质高等生物体主要由蛋白质、核酸、糖类、脂类以及水、无机盐等组成，此外还含有一些低分子物质，如维生素、激素、氨基酸、多肽、核苷酸及一些分解产物。,生物体,细胞,有机成分,无机成分,脂肪,碳水化合物,核酸,水,无机盐,蛋白质,动物细胞,植物细胞,丙酮酸氧化三羧酸循环,磷酸戊糖途径糖酵解糖异生,细胞是生命体的基本单位,溶酶体,线粒体,核糖体,中心体,高尔基体,细胞质,核仁,核膜,细胞核,核糖体,细胞膜,生命体的元素组成,组成生命体的物质是极其复杂的。但在地球上存在的92种天然元素中，只有28种元素在生物体内被发现第一类元素：包括C、H、O和N四种元素，是组成生命体最基本的元素。这四种元素约占了生物体总质量的99%以上。第二类元素：包括S、P、Cl、Ca、K、Na和Mg。这类元素也是组成生命体的基本元素。第三类元素：包括Fe、Cu、Co、Mn和Zn。是生物体内存在的主要少量元素。第四类元素：包括Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Se、Si等。,生物体的化学组成,自然界所有的生命物体都由三类物质组成水、无机离子和生物分子,除了水和无机盐，活细胞主要由各种有机物构成：1）生物大分子：蛋白质(protein)、核酸(nucleicacid)、多糖(carbohydrate)、脂肪(lipids)及其复合物2）小分子有机物：维生素(vitamin)、激素(hormones)、氨基酸(amino)、核苷酸(nucleotide)、脂肪酸(fattyacid),2、研究生物体中新陈代谢过程,合成代谢（同化作用）：生物小分子合成为生物大分子，需要能量；分解代谢（异化作用）：生物大分子分解为生物小分子，放出能量。物质代谢与能量代谢相伴相随,新陈代谢的概念,新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换的过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓同化作用（assimilation）；另一方面，将原有的组成成份经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，即所谓异化作用（dissimilation），通过上述过程不断地进行自我更新。特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行,新陈代谢的概念及内涵,小分子大分子合成代谢（同化作用）需要能量释放能量分解代谢（异化作用）大分子小分子,物质代谢,能量代谢,新陈代谢,信息交换,生物界能量传递及转化总过程,太阳,电子传递,合成,分解,电子传递,光合作用,呼吸作用,生命现象,自养细胞,异养细胞,ATP,ADP,(CH2O)+O2,(CO2)+H2O,ATP,ADP,（光能）,（电能）,（化学能）,（化学能）,（电能）,（化学能）,3、研究遗传信息的表达4、研究物质代谢的调控,生物机体的新陈代谢是一个完整的整体，机体代谢的协调配合，关键在于它存在有精密的调节机制。代谢的调节使生物机体能适应其内、外复杂的变化环境，从而得以生存。这种精密的调节机制是生物在长期演化中获得的。,生物界代谢的调节，可分为4个水平：酶水平调节、细胞水平调节、激素水平调节、神经水平调节。,代谢调节的不同水平：,1)酶水平调节2）细胞水平调节3）激素水平调节4）神经水平调节,单细胞生物,植物,动物,（一）酶水平调节,1.酶活性的调节,（1）别构调节作用,一般为寡聚酶，由催化亚基和调节亚基组成，别构效应物与调节亚基结合，引起酶分子的构象发生变化，从而改变酶的活性。,酶促反应的前馈和反馈调节（反馈调节包括正反馈和负反馈）。,(2)酶原的激活等,（3）共价修饰调节作用,不同类型的可逆共价修饰作用：磷酸化/脱磷酸化；乙酰化/脱乙酰化；腺苷酸化/脱腺苷酸化；尿苷酸化/脱尿苷酸化；ADP-核糖基化；甲基化/脱甲基化；S-S/SH相互转变。,共价修饰调节对调节信号有放大作用。如磷酸化酶激活的级联反应。,（1）原核生物基因表达调节,19601961年，J.Monod和F.Jacob提出乳糖操纵子模型（lacoperonmodel）。,酶合成的诱导作用,降解物的阻遏作用,酶合成的阻遏作用,（2）真核生物基因表达的调控,为多级调控方式：转录前水平调控、转录水平上的调控、转录后水平的调控、翻译水平调控、翻译后水平调控。,基因表达的调节酶生物合成在转录水平和翻译水平受到调节。,a,y,z,o,p,i,结构基因,控制位点,调节基因,乳糖操纵子,CAP与cAMP形成复合物，结合在lacoperon的启动基因上，促进转录的进行。,cAMP-CAP是正调控因子，阻遏蛋白是负调控因子。,A,B,C,D,E,o,p,L,a,E.coli色氨酸操纵子模型,Trp合成途径还存在色氨酸操纵子中衰减子所引起的衰减调节。,（二）酶在细胞内的集中存在与隔离分布（细胞水平调节）,代谢酶类区域化具有的生理意义即是实现代谢调控的一个原始方式。,酶活性调节细胞水平调节酶含量调节(基因表达的调控)以酶区域化分布为基础的调节,（三）激素对代谢的调节,动物激素4类：氨基酸及其衍生物、肽及蛋白质、固醇类、脂肪酸衍生物。,植物激素5类：生长素、赤霉素类、激动素类、脱落酸、乙烯。,蛋白质肽类激素与类固醇激素的作用机制。,（四）神经系统对代谢的调节,此外，涉及到细胞信号转导、生物分子的结构与功能、遗传与繁殖,目前已知，细胞内存在多条信号转导途径，而这些途径之间通过一定的方式相互交织在一起，从而构成了非常复杂的信号转导网络，以保证细胞能够对内、外环境的变化及时作出反应，使细胞内所有的化学变化均以合乎生物体自身需要的方式进行。根据现代生物化学及分子生物学研究还原论的观点，要想了解细胞及亚细胞的结构和功能，必先了解构成细胞及亚细胞的生物分子的结构和功能。因此，研究生物分子的结构和功能之间的关系，代表了现代生物化学与分子生物学发展的方向。对生物体遗传与繁殖的分子机制的研究，也是现代生物化学与分子生物学研究的一个重要内容。十九世纪中叶到二十世纪初，主要完成了各种生物体化学组成的分析研究，发现了生物体主要由糖、脂、蛋白质和核酸四大类有机物质组成。,二、生物化学发展简史及现状,有机化学的发展简单的说,有机化学就是H,C,N,O的化学。其发展是必然的,因为人对生命物质的兴趣要比对非生命物质更浓。化学分析的手段发展后,势必要用来研究有机的物质。通过有机化学研究知道的物质结构,成为生物化学研究的起点。有机化学的发展,是从尿素的合成开始的。1828年Wohler(德)从无机盐合成了尿素1831年Liebig(德)有机物元素分析定量法的发明1840年有机基团(group)的概念的形成1848年Pasteur(法)酒石酸的光学异构体的发1858年Kekule(德)C原子的四价理论1865年Kekule(德)Benzen环结构的发现1869年元素周期表的确立1874年vantHoff(荷)C4的正四面体结构1884年Fischer(德)糖的化学结构研究的开始,生物化学重大发展年代表,1897年Buchner发现酵母细胞质能使糖发酵1902年Fischer肽键理论1926年Sumner结晶得到了脲酶,证明酶就是蛋白质1935年Schneider将同位素应用于代谢的研究1944年Avery等人证明遗传信息在核酸上1953年Sanger的胰岛素氨基酸序列测定Waston-Click提出DNA双螺旋模型1958年Perutz等解明肌红蛋白的立体结构1970年发现了DNA限制性内切酶1972年DNA重组技术的建立1978年DNA双脱氧测序法的成功1990年人类基因组计划的实施,2003年完成,进入后基因组时代,生物化学作为一门独立的自然科学，只有近200年的历史。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。（一）我国古代劳动人民的贡献制饴、酿酒、制醋、制酱技术；掌握生产豆腐的工艺（贾思勰的齐民要术；齐民要术是我国最早的一部完整的古农书。对脚气病（多发性神经炎）和甲状腺肿的认识与治疗。本草纲目（李时珍）（二）近代生物化学的发展大体可分为四个阶段,第一阶段：静态生化阶段(萌芽时期：18世纪下半叶19世纪初),a)Scheele:瑞典化学家，分离得到甘油、柠檬酸、苹果酸、乳酸、尿酸、酒石酸等。b)Lavosier:法国化学家，1.首次证明动物的呼吸需要氧气；2.同时证明燃烧过程是物质与氧的结合过程。c)Liebig: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。,d)Wohler:与Liebig在同一个实验室,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。从此生物体内糖类、脂类及氨基酸等均被详尽的研究。e)ErnstFelixHoppe-Seyler:德国医生，1877年提出“Biochemie”即英文的“Biochemistry”.（Miescher是他的学生）f)E.fischer测定很多糖和氨基酸的结构，提出蛋白质由肽键连接。,第二阶段：奠基时期，即开始进入动态生物化学阶段(19世纪20世纪初)科学家对生物物质代谢、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。Summer:美国科学家，1926年得到脲酶的结晶，证明了酶的化学本质是蛋白质。Embden:德国生物化学家，在糖代谢、脂代谢及肝脏合成氨基酸方面做出了巨大贡献，与他人一起证明了糖酵解途径。Krebs:英国人，发现了尿素循环和三羧酸循环。Calvin:美国人，发现了光合碳代谢途径。光合磷酸化过程。Abel:1902年分离得到肾上腺素并制成结晶。Went:1926年从燕麦胚芽鞘中分离出生长素。Hopkins:英国剑桥生物化学中心，1912年前后发现维生素,第三阶段：动态生化阶段，即研究生物体内代谢途径(1930-1950年),新技术：同位素标记、层析、电泳、超离心等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。,主要成就：糖酵解和三羧酸循环途径(EMP-TCA)脂肪酸分解途径(-氧化)；氨基酸、嘌呤、嘧啶及脂肪酸等生物合成途径等。,第四阶段20世纪50年代初至今，主要特点是研究生物大分子的结构和功能。,新技术：电镜、X一衍射蛋白质方面：1953年英国化学家Sanger利用10年时间完成首次测定牛胰岛素的化学结构（一级结构）；60年代英国物理学家Perutz用X-射线衍射技术，解析了血红蛋白的三维空间结构；Kendrew测定了肌红蛋白的结构。美国化学家Pauling确认氢键在蛋白质结构中和大分子相互作用中的重要性；还研究了镰刀型红细胞贫血病，提出分子病的名称。,血红蛋白的结构模型,鲸肌红蛋白,溶菌酶的分子结构,核酸方面：1953年Watson和Crick提出了DNA双螺旋结构；1958年Crick提出了中心法则；19611965年，Nirenbery破译全部遗传密码。,其它:Monod提出酶与蛋白质的变构效应；Mitchell创立了化学渗透学说；Jacob提出了操纵子模型等。,(三)、我国生物化学的主要成就,吴宪等人在蛋白质变性理论(1924-1942)、免疫化学、血糖测定(1919-1922，比色法)上有突出成就。汤佩松、殷宏章等在呼吸代谢、酶作用机理等方面作出突出的贡献。1965年上海生化所、上海有机所、北京大学联合攻关，首次合成了具有生物活性结晶牛胰岛素。1972年用x-射线衍射研究了猪胰岛素的三维结构、分辨率1.8A。,1981年首次合成工具有天然活性的酵母丙氨酸tRNA分子（1972年美国科学家人工合成DNA）。植物收缩蛋白的研究（阎隆飞等）1990年11月，白春礼(扫描隧道显微镜),变性噬菌体脱氧核糖核酸的一种新结构三链辫状结构、从而突破了DNA只有双螺旋的学说。生物膜结构与功能研究（杨福愉、黄芬等）,三、近代生物化学的发展趋势,1、蛋白质领域：1）确定蛋白质的三维结构与功能2）肽链的折叠3）生物活性肽的研究4）蛋白质与核酸的相互作用5）肽工程与蛋白质工程6）蛋白质组学研究,2、酶学领域,1）酶的结构和功能研究依旧受到关注2）固相化酶和生物传感器,3、核酸领域,1）RNA的研究又趋活跃，新的发现层出不穷2）研究的主要材料已从80年代前的原核生物转向真核生物。3）核酸与核酸、核酸与其他生物大分子的相互作用越来越引起人们的重视。4）核酸测序的突破使得越来越多物种的基因组得以测序,4、糖复合物与生物膜5、激素、生长因子及癌基因的研究也得到发展。,四、生物化学知识的应用,人口与粮食健康与疾病环境与生态能源与资源,二十一世纪生命科学的世纪,生物技术,生物化学,第一部分学科现状与发展,什么是生物技术？1982年国际合作及发展组织对生物技术这一名词的含义进行了重新定义：生物技术是应用自然科学及工程学的原理，依靠微生物、动物、植物体作为反用器将物料进行加工以提供产品来为社会服务的技术。,生物技术是在生物化学、微生物学、遗传学、细胞生物学和分子生物学理论基础上发展起来的高新技术，是以基因工程技术和蛋白质工程技术为核心，还包括细胞工程技术、酶工程技术、发酵工程技术等。这些技术的产业化将是21世纪生物科学发展的主流。生物技术逐步成为与生物化学、微生物学、化学工程等多学科密切相关的综合性边缘学科。,生物技术产业化的三个浪潮,医药生物技术:1982年重组人胰岛素上市农业生物技术:1996年转基因大豆、玉米、油菜相继上市工业生物技术:世纪之交聚交酯、生物钢、聚乳酸相继上市,工业生物技术-迈向发达国家之战略,现代生物技术的进展,近年来，现代生物技术领域的研究和开发取得了显著的成绩，它广泛地滲透到各行各业和人们生活的方方面面。现代生物技术领域又可分为下列九个方面：医药生物技术；海洋生物技术；家畜生物技术；农业生物技术；工业生物技术；环境生物技术；材料生物技术；生物技术疫苗；生物技术诊断。,工业生物技术,含意：在工业规模的生产过程中使用或部分使用生物技术来实现产品的制造，这种技术是应用微生物和生物催化剂来提供产品和服务核心目标：大规模利用生物体系（如细胞或酶）作为催化剂实现物质转化,工业生物技术是生物技术的重要组成部分,工业生物技术发展空间,提升传统产业生物能源环境生物技术生物材料,底物,生物反应器,检测控制仪表,培养基,（灭菌）,经加工原料,酶,细胞,生物催化剂（游离或固定化）,机械能,除菌,空气,产品提取纯化,副产品产品废物,热能,原材料,营养物,典型工业生物技术过程,核心技术？,生物催化（Biocatalysis),利用酶或有机体（细胞或细胞器等）作为催化剂实现化学转化的过程。,生物转化（Biotransformation),生物催化,化学工业,发酵工业,轻工业,采矿,医药,食品,能源,材料,生物安全,环境,生物催化是工业生物技术的核心技术,当前生物催化的研究热点,新酶或已有酶的新功能的开发根据已有底物开发新的酶反应利用突变或定向进化技术改善生物催化剂性能利用重组DNA技术大规模生产生物催化剂利用有机溶剂或共溶剂开发新的反应体系体内或体外合成的多酶体系克服底物和产物抑制精细化工品或医药合成技术的放大辅因子再生生物催化剂的修饰生物催化剂的固定化,农业方面：优质、高产品种培育、优良品种鉴定、生物肥料、生物农药等。医药业：疾病诊治、生化制药、基因治疗等。生物工程：基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等。,五生物化学与分子生物学同有关学科的关系,分子生物学是研究生物大分子结构和功能的学科。生物化学与分子生物学是同一个二级学科,在大学本科阶段可以作为两门课开设,也可以作为一门课开设.,生物化学与分子生物学是生物学的最深层次；生物化学与分子生物学是化学的最高层次；生物化学与分子生物学为农学、医学和食品科学提供理论依据和研究手段；物理学、信息科学和数学为生物化学与分子生物学提供研究手段。,六课程特点及学习与安排,内容多复杂而繁琐按生物分子的功能分类（不同于化学的结构和官能团分类）理论性强、概念多，且前后交错部分内容尚未取得一致看法，具体表现在不同的教材、专著叙述不同,随时消化,温故知新(课前预习课后复习)及时总结归纳,比较分类理解的基础上必要的记忆精选习题，精心做题，独立完成作业,七学习方法,积极培养学习的兴趣；记忆与理解相互促进；注重阅读和练习；注重学习科学思维的方法和实验技能；注重与数理化特别是化学知识的联系；注重与生物学功能的联系。,参考书目：生物化学主编:沈同,王镜岩.北京：高等教育出版社出版普通生物化学郑集等编著.高等教育出版社，2002.10生物化学原理张楚富主编.北京：高等教育出版社生物化学简明教程罗盛纪主编.北京：高等教育出版社，第三版，2002.蛋白质与核酸王琳芳,杨克恭.北京:北京医科大学，中国协和医院大学联合出版社,1998.现代生物化学理论与研究技术孙志贤北京:军事医学科学出版社,1995.生物化学学习指南习题与解答王延枝武汉大学出版社.佐贝生物化学复旦大学译.PrinciplesofBiochemistryH.R.Horton,L.A.Moran,etal.3rd,北京：科学出版社，2003.,第一章糖类（4学时）单糖的分类和理化性质，多糖的定义、种类和理化性质，单糖、二糖、寡糖、多糖的结构和性质。第二章脂类（4学时）脂肪酸的特征、一些脂类（中性脂肪）的理化性质及其生物学功能，脂类的概念、脂的分类及其结构。第三章蛋白质化学（10学时）氨基酸的结构、分类和理化性质，氨基酸的