生物化学绪论

5/24/20202:31AM,1,生物化学,材料科学与工程研究所,孙丰强,华南师范大学化学与环境学院,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,第一章绪论,一、生物化学的概念二、生物化学发展简史及在科学中的地位三、生物化学与其他学科的关系四、生物体的化学组成五、生物分子的组成,资料：人造生命,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,时间：2010.5.20,科学家们首先选取一种名为丝状支原体的细菌，对其基因组进行解码并复制，产生人造的合成基因组。然后，将人造基因组移植入另一种称为山羊支原体的细菌，通过分裂和增生，细菌内部的细胞逐渐为人造基因所控制，最终成为一种全新的生命。在培养皿中，合成细菌的分裂等行为就像天然细菌一样。科学家们在“人造儿”DNA上写入4个“水印序列”，使其有别于同类的天然细菌，以及在这种生物的后代中识别它的“祖先”。“当带着水印的细胞活了过来，我们欣喜若狂，它是一个活生生的生物了，成为了我们地球上各种生命的一部分。”,营养,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,科学家发现螺旋藻是人类迄今为止所发现的最优秀的纯天然蛋白质食品源，并且是蛋白质含量高达6070%，相当于小麦的6倍，猪肉的4倍，鱼肉的3倍，鸡蛋的5倍，干酪的2.7倍，且消化吸收率高达95%以上。其特有的藻蓝蛋白，能够提高淋巴细胞活性，增强人体免疫力，因此对胃肠疾病及肝病患者康复具有特殊意义。其中维生素及矿物质含量极为丰富，包括维生素B1、维生素B2、维生素B6、维生素B12、维生素E、维生素K等，并含锌、铁、钾、钙、镁、磷、硒、碘等微量元素,经国内外大量科研试验证明，螺旋藻在降低胆固醇和血脂，抗癌，减肥，养胃护胃，治疗贫血及微量元素缺乏，护肝，增进免疫，调整代谢机能等方面都有积极作用，被联合国粮农组织和联合国世界食品协会推荐为“二十一世纪最理想的食品,螺旋藻,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,生活,有屎以来最香的大便,猫屎咖啡，产于印尼，世界最贵咖啡的一种。印尼种植大量的咖啡作物，有种野生的叫做麝香猫的动物，杂食动物，尖尖的嘴巴，深灰色的皮毛。最喜欢的食物就是新鲜的咖啡豆，咖啡豆通过在其体内的发酵和消化，最终成为猫的粪便排除来。粪便就是一粒粒的咖啡豆，也成为世界上最昂贵的粪便。由于数量非常的稀少，所以价格非常的昂贵。经过加工和烘焙，猫屎咖啡成为奢侈的咖啡饮品，流传到世界各地的奢侈王国。当地的咖啡农，为了追逐高额利润，将野生的麝香猫捉回家中饲养，以便可以产出更多的猫屎咖啡。但是，养殖麝香猫产出的猫屎咖啡，成色味道也会相应的逊色很多,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,一、生物化学的概念,化工厂形形色色，生物体完全可以看作是一种特殊的化工厂,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,管理部门,中枢神经系统,车间1,器官1,车间2,器官2,人,细胞,机器,原材料,产品,废料,维持工厂生存,排出,外界元素,细胞,生物分子,废物,促进生物体生长,排出,生物体,化工厂,生产过程,代谢,生物化学概念,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,对生物化学的理解？,生物化学概念,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,生物化学,生命,研究对象,化学体现,？,生物化学概念,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,生命,生物化学概念,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,所有的有生命体都有一个共同的语言，这个语言就是化学。诺贝尔奖获得者亚瑟.肯伯格ArthurkornbergStanfordUniversitySchoolofMedicine,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,核酸复制信息,蛋白质催化功能,大爆炸,基本粒子,原子,基本小分子,单位小分子,大分子,CentralDogma,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,生命现象,新陈代谢反应和适应繁殖和遗传,靠化学物质及相互间的反应来完成,生物化学概念,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,生物化学,是研究生物体内化学分子与化学反应的科学。,化学分子？,化学反应？,其本质是从分子水平探讨生命的奥秘。,生物化学概念,生物体的化学组成,结构、性质及功能,分子的分解、合成；,反应过程中能量变化;,新陈代谢的调节与控制;,遗传信息的贮存、传递和表达;,动态生物化学,静态态生物化学,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,二、生物化学发展简史,第一阶段（19世纪末-20世纪30年代）：静态的描述对生物体各种组成成分进行分离、纯化、结构测定、合成及理化性质的研究（确定了糖、氨基酸的构型、确立了酶是蛋白质的概念、研究发现了一系列维生素、发现了激素.）第二阶段（20世纪30-50年代）：动态生化阶段研究生物体内物质的变化，即代谢途径（确定了糖酵解、三羧酸循环以及脂肪分解等重要的分解代谢途径。对呼吸、光合作用以及腺苷三磷酸(ATF)在能量转换中的关键位置有了较深入的认识）第三阶段（20世纪50年代）：功能生物化学阶段，主要特点是研究生物大分子的结构与功能。生物化学在这一阶段的发展，以及物理学、技术科学、微生物学、遗传学、细胞学等其他学科的渗透，产生了分子生物学，并成为生物化学的主体,生物化学发展史,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,我国对生物化学的贡献,1、古代公元前21世纪谷物酒（糖醇）公元前12世纪发酵制造酱、醋公元7世纪车前子脚气病、公元10世纪紫河车强壮蟾酥治创伤羚羊角治中风,生物化学发展史,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,2、近现代吴宪曾数度被提名为诺贝尔化学奖金候选人血滤液的制备和血糖测定法蛋白质变性学说,生物化学发展史,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,2、近现代刘思职1957年当选为中国科学院院士（学部委员）抗原抗体反应机制的研究,生物化学发展史,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,2、近现代人工全合成结晶牛胰岛素1965年9月17日“你们可以从教科书中知道怎么造原子弹，但是你们绝不可能从教科书中学会人工合成胰岛素。”瑞典皇家科学院诺贝尔奖评审委员会化学组主席教授蒂塞刘斯,生物化学发展史,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,2、近现代人工全合成酵母丙氨酸1981年,生物化学发展史,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,2、近现代人类基因组计划Thehumangenomeproject1990年正式启动杨焕明,被科学美国人被评为年度科研领袖人物，2002年12月10日在纽约接受颁奖,人类基因组计划中国项目执行人,中国1993年开始实施人类基因组计划,生物化学发展史,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,中国人获诺贝尔奖的第一个领域应该在医学和生理学学科,诺贝尔生理学及医学奖评委弗雷德霍尔德教授,5到10年内获得并不令人奇怪,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,生物化学在现代科学中的地位,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,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,三、生物化学与其它学科,生物学,动物学,植物学,微生物学,化学,生物学,生物化学,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,生物化学与化学,相互渗透相互促进,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,酶（选择性、高效性）催化分子的化学组成、结构、集团间相互作用、酶分子与生物分子之间相互作用新的化学研究领域（模型酶、分子识别和超分子研究）药物合成化学反应与生物分子作用,5/24/20202:31AM,28,四、生物体的化学组成,70%,18%,元素,生物分子,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,主要元素（6种）：C，P，S（97.3%）组成生命体的最基本元素常量元素（5种）：，组成生命体的基本元素（0.01%)微量元素（5种）：V,Ni,B,Sn,Si(0.01%)必需微量元素（10种）：Cr,Mn,Fe,Co,Cu,Zn,Mo,Se,I,F.,1、生物体的元素组成,微量、少量元素的现实意义,26种！,生物体是简单的,任何一个人从元素组成角度看，是没有什么区别的！,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,缺钙,易抽筋、骨质疏松、骨质增生、高血压、动脉硬化,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,缺铁,影响思考能力,秃顶,贫血,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,缺硒,肌肉白化,硒缺乏的表现主要是脱发、脱甲，部分患者出现皮肤症状,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,铬元素(Cr),在血糖调节方面具有重要作用，有助于生长发育，对血液中的胆固醇浓度也具有调控作用。,缺乏症：,容易引起糖尿病；,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,生物体最重要的组成部分，生物体和生命现象的结构和功能基础，生物化学研究的基本对象,生物大分子糖G6（葡萄糖）F（果糖）脂FA（脂肪酸）甘油核酸5种含氮碱基（A、G、T、C、U）蛋白质20种氨基酸有机小分子维生素、辅酶、激素、有机酸、色素等。生物复杂多样，但在分子水平具有简单统一性。,五、生物分子的组成,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,生物大分子的基本特征,1）由为数不多的、结构比较简单的小分子组成（简单性）,蛋白质：由20种基本氨基酸组成,COOHH2NCHR,核酸：由核苷酸组成,脂类：由甘油、脂肪酸、胆碱,糖类：由单糖组成,从小分子数量角度,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,2）生物大分子具有非常复杂的结构（复杂性）,生物大分子的一级结构：只涉及结构单元的排列顺序,5肽,SerValTyrAspGln,TyrValSerAspGln,异构体,异构体数量？,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,生物大分子的立体结构,螺旋形、片层状、球状.,在线形或环状结构的基础上通过分子内或分子之间的集团相互作用,蛋白质二级螺旋结构,蛋白质折叠结构,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,3）生物分子的手性,构成生物大分子的结构单元大多数都是手性分子,分子的镜像结构与其本身不重合，则该分子为手性分子！,手性为生命物质与无生命物质间最显著的区别之一。2.生命是不断地产生特定手性分子的过程。,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,Fischer投影式,透视式,锲形式,Fischer投影式,将纸面上竖直向上的基团和伸向纸面后方的基团写在Fischer投影式的竖线上，上下关系不变；其余两个基团写在横线上，左右关系不变。,透视式投影式？,手性碳原子上任意基团固定不动，其他三个基团按顺时针或逆时针依次改变位置，其构型保持不变。,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,费歇尔投影式书写的原则：,1.将碳链放于垂直线上。主链中第一号碳原子在上方。,2.手性碳原子放于纸面上，将放在横线上的两个基团指向前方；放在竖线上的另两个基团后方。,3.将实际观察到的原子和基团的空间位置关系画出。以正交“十”字表示手性碳和其四个价键；交点为手性碳。,次序规则,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,乳酸分子,D-乳酸,L-乳酸,#手性分子表示方法,D、L构型（投影式中手性碳原子上取代基在左为L，在右为D）相对构型，不能指明其旋光性，无法根据D，L标记作出分子构型,对一个手性C原子的分子表示比较方便，对含有多个手性C原子的化合物不合适！,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,R、S构型,根据标准Fischer投影，按次序规则由大到小顺序，顺时针方向为S构型，逆时针为R构型！,次序规则,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,顺序最小的原子(或基团)在横线上,顺时针排列为S构型，逆时针排列为R构型。,顺序最小的原子(或基团)在竖线上,顺时针排列为R构型，逆时针排列为S构型。,一般Fischer投影,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,把手性碳原子上四个基团中最小的基团放于离观测者最远的位置，来观察其他三个基团的顺序，若按顺序规则，三者的排列从最优基团到次优基团，到最小基团，若为顺时针，则其构型用R表示；反之，用S表示。,（S）-乳酸（R）-乳酸,远离最小看最小，由大到小圆圈绕,简单直观方法（判定R、S）,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,生物大分子手性特征的意义,河豚毒素(Tetrodotoxin)其毒性与C9的立体构型有关：C9为S构型(天然得到的化合物)是极毒的,C9为R构型则毒性很小。,5/24/20202:31AM,化学与环境学院材料研究所,4）生物大分子之间的相互作用和识别特性,特点：专一性,分