动物生物化学绪论.ppt

动物生物化学 动物生物化学课程 共50学时理论38学时实验12学时 第一章绪论生物化学概述生物化学研究内容生物化学的发展历史和现状与动物生产和健康的关系 一 生物化学概述 1 概念 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 有 生命的化学 之称 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 二 生物化学研究内容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 biologicalmacromolecule 的结构 相互关系及其功能2 细胞中的物质代谢与能量代谢 或称中间代谢 intermediarymetabolism 也就是细胞中进行的化学过程3 组织和器官机能的生物化学 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 biologicalmacromolecule 的结构 相互关系及其功能生物体的化学组成生物分子生命体的元素组成 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 生物分子 生物分子 是生物体和生命现象的结构基础和功能基础 是生物化学研究的基本对象 生物分子的主要类型包括 多糖 脂质 核酸和蛋白质等生物大分子维生素 辅酶 激素 核苷酸和氨基酸等 生命体的元素组成 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 生命体的元素组成 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 细胞中的物质代谢与能量代谢 或称中间代谢 intermediarymetabolism 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 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 三 生物化学的发展历史和现状 1 动物生物化学的发展 初期阶段 18世纪 20世纪初 生物化学的研究始于18世纪 但作为一门独立的科学是在20世纪初期 主要研究生物体的化学组成 对生物体各组成成分进行分离 纯化 结构测定 合成 理化性质研究 蓬勃发展阶段 20世纪初 20世纪中期 主要在营养学 内分泌学 酶学 物质代谢及其调控等方面取得了重大进展 研究生物体内物质的变化 即代谢途径 分子生物学发展阶段 从20世纪中期至今 主要有物质代谢途径的研究继续发展 重点进入代谢调节与合成代谢的研究 人们通常将研究核酸 蛋白质等所有生物大分子的结构 功能及基因结构 表达与调控的内容 称为分子生物学 所以分子生物学是生物化学的重要组成部分 1780 1789 拉瓦锡Lavoisier 法 研究 生物体内的燃烧 指出此类 燃烧 耗氧并排出二氧化碳 后人称他是生物化学之父 1830 1842Liebig 德 将食物分为糖 脂 蛋白质类 提出 代谢 一词 证明动物体温形成是食物在体内 燃烧 的缘故 最先写出两本生物化学相关专著 生物化学的创始人埃米尔 费舍尔 EmilFischer 1890 1902Fischer 德 首次证明了蛋白质是多肽 发现酶的专一性 提出并验证了酶催化作用的 锁 匙 学说 合成了糖及嘌呤 1902年获诺贝尔奖 汉斯 克雷勃斯 HansA Krebs 1937年Krebs 英 发现三羧酸循环 1953年获诺贝尔奖 李纳斯 鲍林 LinusPauling 1949Pauling 美 指出镰刀形红细胞性贫血是一种分子病 并于1951年提出蛋白质存在二级结构 1954年获诺贝尔奖 詹姆斯 沃森 JamesD 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 FrancisH Crick 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 1972Berg 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 1973Cohen等 美 用核酸限制性内切酶EcoR1 首次基因重组成功 HamiltonO Smith DanielNathans WernerArber PaulBerg HerbertBoyer StanleyCohen 2001Venter 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 AdvancesinProteinChemistry 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 HsienWuandthefirstTheoryofProteinDenaturation 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 1940我国生物化学家刘思职发现抗体 抗原反应存在定量关系 刘思职 2 生物化学的前景和现状生物大分子的结构 功能与相互作用基因组学和蛋白质组学基因表达的调节细胞信号的传导生物工程学 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 molecularchaperone 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 structuralbiology 的诞生 基因组学和蛋白质组学 人类基因组计划 humangenomeproject 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 functionalgenomics 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 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 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 生物工程学 到70年代 重组DNA技术 RecombinantDNAtechnology 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 Geneticengineering 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 四 与动物生产和健康的关系 阐明动物新陈代谢活动的规律 生理学