生物化学 第一章绪论

生物化学 刘晨光 liucg Tel 82032102 科学馆102室 第一章绪论 一 生物化学 Biochemistry 的含义 生物化学 生命的化学 Chemistryoflife 生物化学是用化学理论和方法来研究生命现象 构成生物体的基本物质结构 性质 生物化学任务 在生命活动中不断变化规律 生物体是有哪些物质组成的 糖脂蛋白质核酸维生素等它们的结构和性质如何 这些物质在生物体内发生什么变化 怎样变化的 变化过程中能量是怎样转换的 这些物质结构 代谢和生物功能及复杂的生命现象 如生长 生殖 遗传 运动等 之间有什么关系 肌动蛋白变构引起肌肉收缩 受Ca2 ATP调节 二 生物化学的分类植物生物化学 根据不同的研究对象动物生物化学 人体生物化学普通生物化学微生物生物化学 如果以不同进化阶段的生物为研究对象 比较生物化学进化生物化学 根据细胞色素C氨基酸序列的相似性绘制的遗传和进化树 从不同的研究目的上分临床生物化学病理生物化学农业生物化学生物物理化学工业生物化学 糖生物化学酶学 蛋白质化学核酸化学 三 生物化学的发展史 静态生物化学时期 1920年以前 生物化学诞生阶段 研究内容以分析生物体内物质的化学组成 性质和含量为主 动态生物化学时期 1950年以前 物质代谢途径及动态平衡 能量转化 光合作用 生物氧化 糖的分解和合成代谢 蛋白质合成 核酸的遗传功能 酶 维生素 激素 抗生素等的代谢 机能生物化学时期 1950年以后 生命的本质和奥秘 运动 神经 内分泌 生长 发育 繁殖等的分子机理 静态生物化学时期 1920年以前 1 历史背景 从十八世纪下半叶开始 化学 物理学 生物学取得了一系列的重要的成果 化学方面法国化学家拉瓦锡推翻 燃素说 并认为动物呼吸是像蜡烛一样的燃烧 只是动 物体内燃烧是缓慢不发光的燃烧 生 拉瓦锡 物有氧化理论的雏形瑞典化学家舍勒 发现了柠檬酸 苹果酸是生物氧化的中间代谢产物 为三羧酸循环的发现提供了线索 物理学方面原子论 x 射线的发现 生物学方面 物种起源 发表 孟德尔遗传定律发现舍勒 2 生物化学的诞生 在19世纪末20世纪初 生物化学才成为一门独立的科学德国化学家李比希 JustusvonLiebig1803 1873 1842年 有机化学在生理与病理学上的应用 将食物分成了糖 脂 蛋白质 首次提出了新陈代谢名词德国医生霍佩赛勒 ErnstFelixHoppe Seyler1825 1895 1877年创办了第一本生理化学杂志 PhysiologicalChemistry orBiologicalchemistry 生理化学 生物化学 1903年德国Neuberg 纽伯格 提出了 Biochemistry 霍佩赛勒 首次验证了蛋白质是多肽 发现了酶的专一性 提出并验证 了酶催化作用的 锁 钥 学说 合成了糖和嘌呤 1902年获诺贝尔奖 德国有机化学家EmilFischer 生化之父 动态生物化学时期 1950年以前 从生物化学发展历史来看 20世纪前半叶 在蛋白质 酶 维生素 激素 物质代谢及生物氧化方面有了长足进步 成就主要集中于英 德 美等国 1926年Sumner第一次成功结晶了脲酶 随后Northrup制得了胃蛋白酶和胰蛋白酶结晶 开辟了酶学研究的新领域 1946年诺贝尔化学奖 J B Sumner J H Northrop W M Stanley 霍普金斯 HopkinsF G 创立了普通生物化学学派 1929年他和荷兰的艾克曼 EijkmanC 因发现维生素而获得诺贝尔生理和医学奖 后来又发现了色氨酸和谷胱甘肽 霍普金斯 艾克曼 英籍德裔克雷布斯 KrebsH A 发现三羧酸循环 与李普曼 LipmannF A 共获1953年诺贝尔生理或医学奖 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 机能生物化学时期 1950年以后 上世纪50年代至今 飞速发展阶段 这个时期生物化学发展的几个特征 首先是物理学家 化学家以及遗传学家参加到生物化学的领域中来 研究人员流动性增大 其次是研究方法有突破性改进 仪器公司和试剂公司兴起 通讯交流方面 各类科学期刊增多 以及计算机的存储 网络的普遍使用 使信息的传递变得更为方便快捷 主要成就 生物化学研究方法的改进a 分配色谱方法的建立 马丁 MartinA J 与辛格 SyngeL M 发明了可用于核苷酸 氨基酸 糖 生物碱等多种混合物分离的色谱方法 获1952年化学奖 这种方法已在化学 医学和生物学中得到了广泛的应用并取得了重要进展 b 电泳法 在糖 蛋白质 核酸等物质的分析分离方面 取得广泛应用 c 离心法 在蛋白质 核酸的分离 分子量测定中有不 可替代作用 d 另外还有荧光分析法 同位素示踪和电镜等 近年来新兴的生化仪器层出不穷 如 基因扩增仪 基因合成仪 基因序列分析仪 超过滤系统 高效层析系统 多肽序列分析 2 D电泳 生物芯片 生物传感器 质谱等 蛋白质研究 SangerF 开展蛋白质序列测序 测定胰岛素结构序列 获 1958年诺贝尔化学奖 美国化学家鲍林 Pauling 指出镰刀型 细胞贫血是一种分子病 确认氢键在蛋白质的结构以及大分子间 的相互作用中的重要性 鲍林认为某些蛋白质具有类似于螺旋 的结构 1954年获诺贝尔奖 两位英国物理学家将x 射线应用于蛋白质分子的高级结构 研究 肯德鲁 KendrewJ C 测定肌红蛋白的结构 佩鲁茨 PerutzM F 测定血红蛋白的结构 二人于1962年分别分享诺贝尔化学奖 目前x 射线衍射分析已成为蛋白质与核酸高级结构研究常 规方法 HolleyR W KhoranaH G NirenbergM W 阐明蛋 白质生物合成中遗传密码及其功能 1968年诺贝尔生理或医学奖 目前 对蛋白质的生物合成过程已基本清楚 可逆的蛋白质磷酸化过程 是自身调节机制 FischerEH和KrebsEG1992年荣获诺贝尔生理或医学奖 蛋白质信号序列决定其在细胞内的位置和转运 BlobelG1999年荣获诺贝尔生理或医学奖 细胞内蛋白质的降解 细胞内无用和有害蛋白质的降解机制 泛素调节的降解 CiechanoverA HershkoA RoseI2004年荣获诺贝尔生理或医学奖 蛋白质工程 利用基因工程等现代生物技术手段对蛋白质分子进行改造 以研究蛋白质结构 功能和蛋白质的应用开发 已经成为蛋白质研究的常用手段 蛋白质组 澳大利亚Macquarze大学的Wilkins和Williams在1994年提出 指一个细胞或组织表达的所有蛋白质 即一个基因组所编码转录产生的一整套蛋白质 Proteomics 蛋白质组学 以蛋白质组为研究对象 在动态水平上通过对基因表达产物蛋白质的研究 阐明环境 疾病 药物对细胞代谢的影响 并分析主要机理 解释基因表达调节的主要方式 核酸方面 1946年 英国科学家威尔金斯 WilkinsM 完成DNA的X 射线衍射 研究 1953年 沃森 WastonJ D 和克里克 CrickF H C 建立了DNA双螺旋结 桑格 伯格 构模型 三人荣获1962年诺贝尔生理或医学奖 Ochoa和Korngerg发现RNA和DNA生物合成机制获1959年诺贝尔生理 桑格 SangerF 设计出一种测定DNA内核苷酸序列的方法 伯格 BergP 对核酸化学进行大量研究 在重组DNA方面做出杰出工作 1980年 桑格 伯格和吉尔伯特 GilbertW 荣获诺贝尔化学奖 1990 2003人类基因组测序 2003年4月14日美国联邦国家人类基因组研究项目负责人弗朗西斯 柯林斯博士在华盛顿隆重宣布 人类基因组序列图绘制成功 人类基因组计划的所有目标全部实现 后基因组时代 有关RNA的研究 目前核糖核酸的剪切 加工和修饰及 小RNA功能成为研究的热点 RNA的催化 自催化性能 1980s 美 国科学家CechT R 和AltmanS 以四膜虫为材料分别发现RNA具有生物催化功能 1989年荣获诺贝尔化学奖 RNA的干扰 1998年FireA和MelloC 发现细胞内的双链RNA可以降解mRNA 从而使得在细胞内制造蛋白质的DNA指令失去作用 2006年荣获诺贝尔生理或医学奖 对核酸结构 功能有了较为详细的了解 并建立了相应的实验操作手段 进行有目的 针对性的实验研究 代谢方面 GilmanA G RodbellM BlochKLynenF 研究代谢细节 对代谢调控机理及其代谢紊乱引起的后果进行大量研究BlochK LynenF 发现胆固醇和脂肪酸代谢机制 荣获1964年诺贝尔奖BrownM S GodsteinJ L 发现胆固醇代谢调节作用 获1985年诺 GilmanA G RodbellM 发现G蛋白及其在细胞信号转导中的作用获1994年诺贝尔奖 R F furchgott 美国 等 发现NO是心血管系统的信号分子1998生理医学奖 目前 对代谢调控机制的研究是生物化学研究的热点和难点 贝尔奖BrownM S GodsteinJ L R F furchgott L J Ignarro F Murad 生物能研究的发现 50年代以来阐明了 PaulD Boyer JohnE Walker ATP是能量产生和利用的关键化合物 能量流通货币 提出了氧化磷酸化和呼吸链的理论 建立了生物能学 PaulD Boyer和JohnE Walker阐明ATP酶促合成机制 获1997年诺贝尔化学奖 生物化学在基础理论方面的发展 分 子生物学的诞生 学术界普遍认为1953年DNA双螺旋结构的发现是分子生物学的开端 从此人们开始在分子水平上 分析纷繁复杂的生命现象 分子生物学在近十年的发展非常迅速 只有计算机科学的发展速度能与之相比 生物化学在应用方面的发展 生物工程 生物技术 1977Boyer将人工合成的生长激素释放因子 14肽 基因在大肠杆菌中得到表达 标志基因工程技术成熟 目前基因工程技术已呈现出蓬勃发展之势 已经开始影响人们生活方方面面 如基因工程药物 基因工程疫苗 工程改良作物品种 转基因动物 基因治疗 基因诊断等 80年代在基因工程技术得到长足发展的同时 又产生了蛋白质工程技术 人们已经能够按照设想去改造蛋白质分子 从而得到人们所期望的蛋白质 产生了如分子设计 计算机模拟设计的新型的技术 基因工程 遗传工程 蛋白质工程 酶工 程 细胞工程 生化工程 生 微生物学生物化学与先行课 后 动物学 生物学 植物学 行课的关系 生物化学起承上启下的作用 基因工程 应用方面 生物学 基础理论方面 分子 蛋白质工程 生物化学 酶工程 化学 物学 生化研究的新领域 糖类生物化学蛋白质化学 信号传导机制 蛋白质组结构与功能 从以上的例子我们不难看出 生物化学是在飞速发展中的 四 中国对生物化学的贡献 吴宪 曾与美国哈佛医学院Folin一起首次用比色定量方法测定血糖 吴宪与刘思职 万昕 陈同度 汪猷 张昌颖 杨恩孚 周启源等完成了蛋白质变性理论 血液的生物化学方法检查研究 免疫化学研究 素食营养研究 内分泌研究 吴宪 刘思职 王应睐 邹承鲁 钮经文 邢其毅 曹天钦 王德宝 汪猷 1965年结晶牛胰岛素的人工合成的完成 这是世界上公认的具有全生物活性的人工合成蛋白质 1987年又人工合成了具有生物活性的酵母丙胺酸转移RNA 从而使我国在核酸人工合成方面处于国际领先地位 氨基酸臂 三联反密码子与密码子配对 五 生物化学的应用工业领域的应用 食品工业 发酵工业及其抗生素制造业酶制剂工业饲料工业 生物制品工业皮革工业等 工业酶制剂的应用现状 应用于食品发酵 淀粉加工 纺织 制革 洗涤剂及医药等方面 预计可用在有机合成 环境保护 目前工业上应用的酶只有50 60种 其中 60 是蛋白酶 30 是多糖水解酶 工业酶制剂国内外产业化现状 酶制剂工业是技术密集的高科技产业 是生物工程的 实体 2001年世界酶制剂销售超过16亿美元 我国产值4亿 多元 世界有影响的酶制剂厂 丹麦的Novo公司 荷兰的Gist Brocades 美国的Genencor公司 芬兰的Alko有限公司和Cultor公司 德国的BayerAG公司 比利时的Sovay公司 日本的田野制药和长濑产业等 前三家其产品占整个市场的74 丹麦的Novo公司占世界酶制剂市场40 我国酶制剂厂有上百家 只占市场份额的2 左右 世界酶制剂生产量以每年8 左右的速度递增 第一位 第二位 在农业领域的应用 如研究植物的新陈代谢的各种过程 便能够控制植物的发育 明确糖类 脂类 蛋白质 维生素 生物碱 芳香油以其他的化合物在植物体内的合成规律 可获得大量优质的各种作物 植物新品种的培育 许多作物的遗传性状如 抗寒性 耐水性 抗病性的可以利用生化技术鉴定 对合理贮藏食物原料 谷物 果实 蔬菜有很大意义提高肉类蛋白质的产量 牛乳分泌量 牛乳脂肪含量等方面有实际意义 临床生化的诊断今天已经成为一种不可缺少的诊断的方法 肝功能各项化验检查参考值 如确定血糖浓度和糖耐量曲线才能确定糖尿病的诊断是否正确 血清中酸性磷酸酶的活力的测定可以诊断前列腺癌 碱性磷酸酶的活力可以诊断骨癌 血清和尿中淀粉酶的活力测定可以诊断急性胰腺炎 生物化学对一般预防医学也很重要 增进人体的 健康是预防疾病的一种积极的因素 如何给病人以适当营养从而增进人体健康是生化 的另一个重要问题 适当营养不仅可以预防