基础生物化学第一章绪论

Biochemistry生物化学主讲教师：姚正培yao_zp@163.com新疆农业大学农学院生物技术系第一章绪论2第二章蛋白质化学8第三章酶6第四章核酸的结构与功能6第五章脂类与生物膜2第六章生物氧化与氧化磷酸化4第七章糖类分解代谢6第八章糖的生物合成2第九章脂类代谢4第十章蛋白质酶促降解和氨基酸代谢2第十一章氨基酸的生物合成2第十二章核酸降解和核苷酸代谢2第十三章核酸的生物合成6第十四章蛋白质的生物合成4课程考核理论课考试成绩占总成绩70%实验课考核占20%平时成绩占10%

1绪论

生物化学（Biochemistry）是研究生命有机体的化学组成、维持生命活动的各种化学变化及其相互联系的科学。

它的研究对象具有普遍性和代表性。——动物、植物、微生物及人类1.1生物化学的研究范围1绪论1.1生物化学的研究范围

生物化学（Biochemistry）是研究生命有机体的化学组成、维持生命活动的各种化学变化及其相互联系的科学。—生物体的化学组成—生物体的物质代谢、能量转换和代谢调节—生物体的信息代谢生物化学是研究生命活动化学本质的学科。

即运用化学的原理和方法探究生命现象的本质。1绪论1.1.1生物体的化学组成元素：C、H、O、N、P、S化合物：有机化合物：蛋白质、核酸、多糖、脂类可溶性糖、有机酸、维生素、激素无机化合物：水、无机盐1.1生物化学的研究范围生物大分子组成、结构、性质、功能1绪论1.1.2生物体的物质代谢、能量转换和代谢调节生命活动的过程是由成千上万个生物化学反应组成，但这些反应并非杂乱无章，而是以网络状的途径形式存在。例如在生物体内合成乳酸反应。1.1生物化学的研究范围1绪论1.1.3生物体的信息代谢

1.1生物化学的研究范围蛋白质翻译转录逆转录复制复制DNARNA1绪论研究生物体内各种化合物的结构、化学性质和功能（主要有糖类、脂类、蛋白质、核酸、酶、维生素、激素、可溶性糖、有机酸等）研究构成生物体的基本物质在生命活动中进行的化学变化，即新陈代谢及代谢过程中能量的转换和调节静态生物化学动态生物化学1.1生物化学的研究范围1绪论代谢与能量蛋白质化学酶核酸化学糖类化学脂类化学静态生物化学动态生物化学糖类代谢脂类代谢蛋白质代谢核酸代谢代谢调节1.1生物化学的研究范围1绪论1.2生物化学的发展简史第一阶段 18世纪70年代以后，随着近代化学和生理学的发展，生物化学学科开始形成1770-1774年，英国J.Priestly发现了氧气，并指出动物消耗氧而植物产生氧1770-1786年，瑞典人C.W.Scheele分离了甘油、柠檬酸、苹果酸、乳酸、尿酸等1779-1796年，荷兰人J.Ingenbousz证明在光照条件下绿色植物吸收CO2

并放出O21828年，Wohler合成了有机物尿素1绪论第一阶段 18世纪70年代以后，随着近代化学和生理学的发展，生物化学学科开始形成1897年，Buchner证实不含细胞的酵母提取液也能使糖发酵1903年，Neuberg首次使用“biochemistry”，生物化学作为一门新兴学科正式宣告诞生。这个阶段，生物化学的主要工作是分离和鉴定了各种氨基酸、羧酸、糖类，发现了核酸，开始进行酶学研究。1.2生物化学的发展简史1绪论第二阶段 从20世纪初到20世纪40年代，随着分析鉴定技术的进步，尤其是放射性同位素技术的应用，生物化学进入动态生物化学的时期。1926年，美国化学家J.B.Sumner首次得到脲酶结晶1912-1933，生物氧化得到了卓有成效的研究30年代，陆续得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶，从而进一步证明酶是蛋白质1.2生物化学的发展简史1绪论30年代，英生化学家A.Krebs提出尿素循环和三羧酸循环40年代，能量代谢的提出为生物能学的发展奠定了基础此外，糖酵解途径、光合碳代谢途径得到证明，发现了维生素和激素、血红素核叶绿素等这个阶段，基本上阐明了酶的化学本质以及能量代谢有关的物质代谢途径。1.2生物化学的发展简史1绪论第三阶段 1950年以来，借助于各种理化技术，对蛋白质、酶、核酸等生物大分子进行化学组成、序列、空间结构及其生物学功能的研究，并发展到人工合成，创立了基因工程。1950年，Pauling提出蛋白质二级结构的a-螺旋1953年，Watson&Crick提出了DNA的双螺旋模型1958年，Crick提出“中心法则”1953及1975年，Sanger分别研究出蛋白质序列和核酸序列的测定方法1961年，Jacob&Monod

提出了操纵子学说1965年，Holly排出酵母tRNAAla

的一级结构1966年，Nirenberg&Khorana

破译了遗传密码1.2生物化学的发展简史1绪论1970年，Temin和Baltimore几乎同时发现逆向转录酶，证实了Temin1964年提出的“前病毒假说”，阐明在劳氏肉瘤病毒（RSV）感染以后，首先产生含RNA病毒基因组全部遗传信息的DNA前病毒，而子代病毒的RNA则是以前病毒的DNA为模板进行合成。1972年～1973年，Berg等成功地进行了DNA体外重组；Cohen创建了分子克隆技术，在体外构建成具有生物学功能的细菌质粒，开创了基因工程新纪元。在此同时，Boyer等在E.coli中成功表达了人工合成的生长激素释放抑制因子基因1.2生物化学的发展简史1绪论1975年，Southern发明了凝胶电泳分离DNA片段的印迹法；1979年，Solomon和Bodmer最先提出至少200个限制性片段长度多态性（RFLP）可作为连接人的整个基因组图谱之基础;1985年，Saiki等发明了聚合酶链式反应（PCR）；Smith等报导了DNA测序中应用荧光标记取代同位素标记的方法。1.2生物化学的发展简史1绪论1985年5月，美国SantaCruz加州大学校长R.Sinsheimer提出人类基因组研究计划，1986年8月美国科学院生命科学委员会确定由BruceAlberts负责的15人小组起草确定这个提议的报告，联邦政府1987年正式开始起动这一计划;1994年，日本科学家在《NatureGenetics》上发表了水稻基因组遗传图，Wilson等用3年时间完成了线虫（C.elegans）3号染色体连续的2.2Mb的测定，预示着百万碱基规模的DNA序列测定时代的到来;1.2生物化学的发展简史1绪论1997年，Wilmut等在英国罗斯林研究所首次不经过受精，用成年母羊体细胞的遗传物质，成功地获得克隆羊——多莉（Dolly）。2003年2月14日因患严重肺病而接受“安乐死”。1.2生物化学的发展简史2001年2月克林顿宣布人类基因组草图绘制完成

英国媒体2007年10月6日报道，美国基因学家克雷格·文特尔研究小组已经合成人造染色体，地球上即将首次诞生“人造生命”。

创造新物种解决能源危机

被误用来制造生化武器

1.2生物化学的发展简史EcclesMarioR.Capecchi

Oliver

Smithies显微镜下的未分化的人类胚胎干细胞

2007年诺贝尔生理学或医学奖:美国犹他大学Eccles人类遗传学研究所科学家MarioR.Capecchi(马里奥-R-卡佩奇)

、美国北卡罗来纳州大学教会山分校医学院教授OliverSmithies(奥利弗-史密斯)

与英国科学家卡迪夫大学卡迪夫生命科学学院MartinJ.Evans(马丁-J-伊文思)

因干细胞研究获得此奖项。2008年度诺贝尔生理学或医学奖授予德国科学家哈拉尔德·楚尔·豪森（Harald

zur

Hausen）和两位法国科学家弗朗索瓦丝·巴尔－西诺西（FrançoiseBarré-Sinoussi）、吕克·蒙塔尼（LucMontagnier）。德国科学家哈拉尔德·楚尔·豪森（Harald

zur

Hausen）因发现人乳突淋瘤病毒引发子宫颈癌获此殊荣，两名法国科学家弗朗索瓦丝·巴尔－西诺西（FrançoiseBarré-Sinoussi）和吕克·蒙塔尼（LucMontagnier）因发现人类免疫缺陷病毒获此殊荣。2008年10月8日11时45分左右(北京时间10月8日17时45分左右)宣布，将2008年度诺贝尔化学奖授予美国华裔化学家钱永健，以及美国科学家下村修和马丁查尔菲。三位科学家因在发现和研究绿色荧光蛋白方面做出贡献而获奖。他们的研究为细胞生物学和神经生物学发展带来一场革命。2009年10月5日，瑞典卡罗林斯卡医学院宣布，将2009年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家伊丽莎白·布莱克本、卡萝尔·格雷德和杰克·绍斯塔克，以表彰他们“发现端粒和端粒酶是如何保护染色体的”。他们的研究成果揭示，端粒变短，细胞就老化；如果端粒酶活性很高，端粒的长度就能得到保持，细胞的老化就被延缓。端粒和端粒酶研究有助于攻克医学领域3方面难题，即“癌症、特定遗传病和衰老”。伊丽莎白·布莱克本卡萝尔·格雷德杰克·绍斯塔克1绪论

从以上所述的生物化学的发展中，可以看出20世纪50年代以来是以核酸的研究为核心，带动着分子生物学向纵深发展，如50年代的双螺旋结构，60年代的操纵子学说，70年代的DNA重组，80年代的PCR技术，90年代的DNA测序都具有里程碑的意义，将生命科学带向一个由宏观到微观再到宏观，由分析到综合的时代；现代生物化学正在进一步发展，其基本理论和实验方法均已渗透到科学各个领域，无论在哪个方面都在不断取得重大进展.1.2生物化学的发展简史1绪论1.3生物化学与其他学科的关系生物化学是一门交叉学科生物化学是各门生物科学的基础生理学、微生物学、遗传学、细胞学、医学、分子生物学、基因-蛋白质组学、生物信息学。生物化学是我国高等农业院校生物学类和大多数非生物学类专业学生的学科基础课，是后继一系列重要课程的基础课，具有举足轻重的重要地位。1绪论1.4.1促进对人或动物致病机理的认识，提高对疾病的正确诊断

从医学方面讲，人或动物的病理状态常常是由于细胞中化学成份的变化，从而引起功能的紊乱。血液中脂类物质含量增高是心血管疾病的特征之一（如冠心病、血管栓塞引起脑溢血、脑血栓等症状）；血红蛋白一级结构的改变可以溶血，如人被毒蛇咬伤后致人于丧命，是由于蛇毒液中含有磷酸二酯酶，使血细胞溶血所致等，许多疾病的临床诊断愈来愈多地依赖于生化指标的测定。

1.4生物化学的应用1绪论1.4.2生物化学理论和方法促进生物药物研究与开发

生化药物是一类采用生化方法化学合成从生物体分离、纯化所得并用于预防、治疗和诊断疾病的生化基本物质。这些药物的特点是来自生物体，基本生化成份即氨基酸、肽、蛋白质、酶与辅酶、多糖（粘多糖类）脂质、核酸及其降解产物。这些物质成分均具有生物活性或生理功能，毒副作用极小，药效高而被服用者接受。生化药物在制药行业和医药上占有重要地位。

1.4生物化学的应用1绪论1.4.3农业生产的基础研究依赖于生物化学的理论和方法

高产农作物新品种的培育和开发依赖于生物化学的基本原理和技术方法。农业生产中的两个重要问题即光合作用和氮素固定，这是制约农业生产提高的重要因素：①大田作物一般只能利用太阳全年辐射能的0.1%～1%。怎样提高对辐射能利用率和CO2的固定率，涉及光合作用中的生物化学方面的研究；②大气中的氮气占78%，自然界中只有几种微生物能够固定氮气，如果几种主要作物都能利用氮气，那么农业生产的产量就可大幅度地提高。1.4生物化学的应用1绪论1.4.4生化理论和方法有利于推动着我国农副产品的加工产业

我国是农业大国，农业总产值占国民经济总产值40%。农产品产量每年以4%幅度增加，而农产品加工附加值很小。德国农产品产值与附加值之比为1︰2.3、美国为1︰1.8、日本1︰2.2,而我国仅1︰0.5，与发达国家相比相差较大，大量农产品只作为廉价原料提供给国外，然后再买回别人的产品。家畜屠宰血、骨头、肉类和蔬菜加工的脚料都可加工成药品或食品添加剂。若农副产品深加工带来的附加值能达到国外发达国家的一半，不仅可以使农业利税增加2个百分点，而且将帮助大量农民从事高技术含量的劳动。1.4生物化学的应用1绪论1.4.5研究新陈代谢规律及其调控是开发微生物发酵工业的基础

氨基酸、酶（含遗传工程酶）、抗生素、植物生长激素、维生素C等也可通过微生物发酵手段进行生产。发酵产物的提炼和分离及下游加工技术也必须依赖于生物化学理论和技术。此外，研究微生物新陈代谢过程及其调节控制对于选育高产优质的菌株﹑筛选最佳发酵理化因子及提高发酵效率具有指导意义。1.4生物化学的应用1绪论1.4.6生物化学理论和方法对改善人类生存环境具有特殊的意义

高新技术产品不断涌现但也给人类居住的环境产生巨大的污染，严重危害人类的生存，如三废的处理、水质的净化等。如筛选良好的微生物菌株进行转化，或微生物发酵产物进行对“三废”处理。这些都与生化理论和方法密切相关。此外，海洋资源的开发利用都离不开生物化学及由它发展起来的生物化学工程技术。

1.4生物化学的应用1绪论1.5.1通过对DNA序列的了解，深入研究影响个体发育和整个生物体特定序列表达规律——即功能基因组学。

该项研究就是在选择一定的典型生物材料，搞清全部染色体的全部序列、基因组的碱基长度、可能的编码蛋白质基因、编码的rRNA、snRNA和tRNA基因。在此基础上进一步研究全部的基因中在不同生长发育期内，同时有多少基因协同表达，搞清适应于某一时期的全套基因表达谱。

1.5生物化学的展望1绪论

目前用于检测分化细胞基因表达谱的方法，有基因表达连续分析法（serialanalysisofgeneexpression,SAGE）、微阵列法（microarray）、有序差异显示（ordereddifferentialdisplay,ODD）和DNA芯片（DNAchips）技术等。当前，已把酵母基因组作为研究真核生物基因组功能的模式，拟建立酵母基因组6000多个基因的单突变体文库（singlemutantlibrary），并可用于其它高等真核生物基因组之“基因功能作图”。1绪论1.5.2以特定基因组在特定条件下所表达的全部蛋白质为研究对象，研究细胞内蛋白质及其动态变化规律

通过本项对蛋白质动态性、时空性、可调节性，以及能够在细胞和生命有机体整体水平上阐明生命现象和活动规律的研究，回答由于仅从DNA序列尚不能回答的某些基因的表达时间，表达量，蛋白质翻译后加工和修饰及亚细胞分布状况等问题。1.5生物化学的展望1绪论

为了尽可能分辨细胞或组织内所有蛋白质，目前一般采用高分辨率的双向凝胶电泳。一种正常细胞的双向电泳图谱通过扫描仪扫描并数字化，运用二维分析软件可对数字化的图谱进行各种图像分析，包括分离蛋白在图谱上的定位，分离蛋白的计数、图谱间蛋白质差异表达的检测等。Nature,March13,20031绪论

从提出蛋白质组的概念