生物化学课程授课讲义全套

引言：生物化学的疆域与意义生物化学，作为生命科学的核心学科，致力于揭示生命现象的分子基础。它横跨生物学与化学，探索构成生物体的基本物质（如糖类、脂类、蛋白质、核酸等）的化学组成、结构特征及其在生命活动中的变化规律与相互作用。从微观的分子结构到宏观的生理功能，生物化学为我们理解生命的本质——生长、发育、繁殖、遗传、进化以及疾病的发生与发展——提供了坚实的理论框架和研究工具。无论是基础医学的研究突破，还是生物技术的产业革新，乃至临床医学的诊断与治疗，都离不开生物化学的深刻洞见。本讲义旨在引领学习者系统掌握生物化学的核心概念、基本原理与研究方法，为后续的专业学习和科学探索奠定基础。第一章：糖类的化学第一节：糖类的概念与分类糖类，亦称碳水化合物，是自然界中分布最广、含量最丰富的一类有机化合物。从化学组成上看，糖类通常由碳、氢、氧三种元素组成，其分子式常以Cn(H2O)m的通式表示，这也是“碳水化合物”名称的由来。然而，随着对糖类结构的深入认识，发现有些糖的组成并不完全符合此通式，如脱氧核糖（C5H10O4），而有些非糖物质却符合，如乙酸（C2H4O2）。因此，从功能和结构特征出发，糖类被定义为多羟基醛或多羟基酮及其缩聚物和衍生物。糖类根据其聚合度（即组成单元的多少）可分为单糖、寡糖和多糖。单糖是不能再被水解为更小分子的糖类，是构成其他糖类的基本单位。根据分子中碳原子的数目，单糖可分为丙糖、丁糖、戊糖和己糖等。其中，戊糖（如核糖、脱氧核糖）和己糖（如葡萄糖、果糖、半乳糖）在生物体内最为重要。根据其羰基的位置，单糖又可分为醛糖和酮糖，例如葡萄糖是己醛糖，而果糖是己酮糖。寡糖是由2至10个单糖分子通过糖苷键连接而成的糖类。常见的寡糖包括二糖，如蔗糖（由一分子葡萄糖和一分子果糖组成）、麦芽糖（由两分子葡萄糖组成）和乳糖（由一分子葡萄糖和一分子半乳糖组成）。这些二糖在生物体中常作为能量的储存形式或运输形式。多糖则是由多个（通常为数百至数千个）单糖分子通过糖苷键连接而成的高分子化合物。根据其功能，多糖可分为储存多糖和结构多糖。储存多糖如植物中的淀粉和动物体内的糖原，它们是机体重要的能量储备物质。结构多糖如植物细胞壁的主要成分纤维素，以及真菌细胞壁和昆虫外骨骼中的几丁质，它们赋予生物体结构上的支持与保护。第二节：单糖的结构与性质单糖的结构是理解其性质和功能的基础。以葡萄糖为例，其开链结构为己醛糖，含有四个手性碳原子，因此存在多种旋光异构体。在水溶液中，单糖的醛基或酮基会与分子内的羟基发生反应，形成环状半缩醛或半缩酮结构。对于葡萄糖，通常形成六元环（吡喃环）结构，称为吡喃葡萄糖；而果糖则常形成五元环（呋喃环）结构，称为呋喃果糖。环状结构的形成使得单糖分子中出现了一个新的手性中心（异头碳），从而产生了α和β两种异头体。单糖具有多种重要的化学性质。由于其分子中含有醛基或酮基等羰基以及多个羟基，单糖是极性分子，易溶于水，难溶于有机溶剂。氧化反应：醛糖的醛基具有还原性，能被弱氧化剂如斐林试剂、班氏试剂氧化成羧基，生成相应的糖酸，这类糖称为还原糖。酮糖在碱性条件下可发生异构化反应转变成醛糖，因此也具有还原性。还原反应：单糖的羰基可被还原为羟基，生成多元醇，例如葡萄糖还原可生成山梨醇。酯化反应：单糖分子中的羟基，尤其是半缩醛羟基，容易与酸（如磷酸）发生酯化反应，生成磷酸酯。糖的磷酸酯是生物体内糖代谢过程中的重要中间产物，如葡萄糖-6-磷酸。糖苷化反应：单糖的半缩醛羟基能与另一分子醇或酚的羟基脱水缩合，形成糖苷。所形成的化学键称为糖苷键，这是寡糖和多糖结构中连接单糖单位的基本化学键。第三节：重要的双糖与多糖双糖是由两分子单糖通过糖苷键连接而成。常见的双糖有：蔗糖：由一分子α-D-葡萄糖的半缩醛羟基与一分子β-D-果糖的半缩酮羟基脱水缩合而成，分子中不再具有游离的醛基或酮基，因此蔗糖是非还原糖。它是植物体内光合产物运输的主要形式，也是人类饮食中最常见的食糖。麦芽糖：由两分子D-葡萄糖通过α-1,4-糖苷键连接而成，分子中保留一个游离的半缩醛羟基，因此是还原糖。麦芽糖主要存在于发芽的谷粒中，尤其是麦芽中。乳糖：由一分子β-D-半乳糖的半缩醛羟基与一分子D-葡萄糖的C4羟基通过β-1,4-糖苷键连接而成，具有还原性。乳糖存在于哺乳动物的乳汁中，是婴儿主要的糖类来源。多糖是生物体内糖类的主要储存形式和结构成分。淀粉：是植物细胞中储存的碳水化合物，分为直链淀粉和支链淀粉。直链淀粉由葡萄糖分子通过α-1,4-糖苷键连接而成，呈线性结构，卷曲成螺旋状。支链淀粉除了α-1,4-糖苷键连接的主链外，还通过α-1,6-糖苷键形成分支。淀粉在人体内可被淀粉酶水解，最终产物为葡萄糖，为机体提供能量。糖原：是动物体内储存的多糖，主要存在于肝脏和肌肉中，其结构与支链淀粉相似，但分支更多、更短。糖原是动物体内重要的“能量库”，当机体需要能量时，糖原可迅速分解为葡萄糖供能。纤维素：是植物细胞壁的主要组成成分，由大量β-D-葡萄糖分子通过β-1,4-糖苷键连接而成的线性大分子。由于人体内缺乏能水解β-1,4-糖苷键的纤维素酶，因此纤维素不能被人体消化吸收，但它作为膳食纤维，对维持肠道健康具有重要作用。第四节：糖类的生理功能糖类在生物体中具有极其重要的生理功能：1.能量供应：糖类是生物体最主要、最直接的能量来源。在体内通过氧化分解，释放大量能量，满足生命活动的需要。葡萄糖是细胞的主要能源物质。2.能量储存：如淀粉和糖原，作为机体在食物充足时储存能量的形式，以备不时之需。3.结构组成：如纤维素是植物细胞壁的骨架，几丁质是昆虫外骨骼和真菌细胞壁的主要成分，它们赋予细胞和生物体一定的形态和机械强度。4.信息传递与识别：细胞表面的糖蛋白和糖脂中的寡糖链，在细胞间的识别、通讯、免疫反应、信号转导等过程中发挥着关键作用。这些寡糖链如同“分子标签”，参与了诸如受精、胚胎发育、病原体感染等重要生命活动。5.其他功能：某些糖类还具有特殊的生理活性，如肝素具有抗凝血作用，糖胺聚糖是构成细胞外基质的重要成分，参与维持组织的水盐平衡和弹性。第二章：脂类的化学第一节：脂类的概念与分类脂类是一类不溶于水或微溶于水，而易溶于乙醚、氯仿、苯等非极性有机溶剂的有机化合物。脂类的化学组成和结构差异较大，但它们都具有上述共同的物理性质。脂类在生物体内具有多种重要功能，如能量储存、构成生物膜、参与信号转导等。根据化学结构和组成，脂类可大致分为以下几类：单纯脂类：由脂肪酸与醇类结合而成的酯。包括甘油三酯（脂肪）和蜡。甘油三酯是由一分子甘油与三分子脂肪酸通过酯键连接而成，是体内储存能量的主要形式。蜡是由高级脂肪酸与高级一元醇形成的酯，在生物体中主要起保护作用，如皮肤表面的蜡质、植物叶片的蜡层。复合脂类：除了脂肪酸和醇外，还含有其他非脂成分（如磷酸、含氮碱基、糖等）的脂类。主要包括磷脂和糖脂。磷脂是生物膜的主要成分，根据其醇基不同，可分为甘油磷脂（如磷脂酰胆碱、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰丝氨酸、磷脂酰肌醇等）和鞘磷脂。糖脂则是含糖基的脂类，如脑苷脂、神经节苷脂，主要存在于细胞膜表面，参与细胞识别等功能。衍生脂类：由单纯脂类或复合脂类水解衍生而来，并具有脂类一般性质的物质。包括脂肪酸、甘油、类固醇（如胆固醇、性激素、肾上腺皮质激素）、萜类（如维生素A、D、E、K）以及脂溶性维生素等。类固醇虽不含脂肪酸，但因其理化性质与脂类相似，且在体内由乙酰辅酶A合成，故也归于脂类。第二节：脂肪酸脂肪酸是构成甘油三酯、磷脂和糖脂等脂类的基本成分，是一端含有羧基的长链脂肪族烃类化合物。天然脂肪酸通常含有偶数个碳原子，链长一般在4至24个碳原子之间。脂肪酸根据其碳链是否含有双键，可分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。饱和脂肪酸：碳链中不含双键，碳原子均被氢原子饱和。它们的熔点较高，常温下多为固态。如软脂酸（十六烷酸）、硬脂酸（十八烷酸）。不饱和脂肪酸：碳链中含有一个或多个双键。含有一个双键的称为单不饱和脂肪酸，如油酸（十八碳一烯酸）；含有两个或多个双键的称为多不饱和脂肪酸，如亚油酸（十八碳二烯酸）、亚麻酸（十八碳三烯酸）和花生四烯酸（二十碳四烯酸）。不饱和脂肪酸的熔点较低，常温下多为液态。由于人体自身不能合成亚油酸和亚麻酸，必须从食物中摄取，故称为必需脂肪酸。它们是合成前列腺素、血栓素和白三烯等生物活性物质的前体。脂肪酸的命名通常有系统命名法和俗名。系统命名法根据其碳链长度和双键位置进行命名。双键位置可用Δ编号系统（从羧基端开始计数）或ω（或n）编号系统（从甲基端开始计数）表示。例如，亚油酸的系统命名为9,12-十八碳二烯酸（Δ9,12），也可表示为ω-6（或n-6）脂肪酸，因其第一个双键位于从甲基端数第6位碳原子上。第三节：甘油三酯与蜡甘油三酯，又称脂肪或三酰甘油，是由一分子甘油与三分子脂肪酸通过酯键结合而成的化合物。三个脂肪酸可以相同（简单甘油三酯），也可以不同（混合甘油三酯）。天然存在的甘油三酯多为混合甘油三酯。甘油三酯的主要生理功能是储存能量。与糖类和蛋白质相比，甘油三酯氧化分解时释放的能量更多，且储存时所占体积较小，因此是高效的能量储存形式。此外，皮下脂肪还具有保温、缓冲机械冲击和保护内脏器官的作用。甘油三酯的水解是其分解代谢的第一步，在脂肪酶的催化下，水解为甘油和脂肪酸，这个过程称为脂肪动员。水解产生的脂肪酸可进一步通过β-氧化分解供能。蜡是由高级脂肪酸（通常为16碳或18碳）与高级一元醇（通常为16碳至30碳）形成的酯。蜡在生物体中主要起保护作用。例如，植物叶片和果实表面的蜡质层可以减少水分蒸发，防止病原体侵入；昆虫体表的蜡质层可以防止水分丢失和机械损伤；动物的皮脂腺分泌的蜡质可以保护毛发和皮肤。第四节：磷脂与生物膜磷脂是一类含有磷酸基团的脂类，是生物膜的主要结构成分。最常见的磷脂是甘油磷脂，由甘油、脂肪酸、磷酸及一个含氮碱基（或其他极性基团）组成。甘油的1位和2位羟基与脂肪酸形成酯键，3位羟基与磷酸形成酯键，磷酸再与一个极性头部基团（如胆碱、乙醇胺、丝氨酸、肌醇等）相连。例如，磷脂酰胆碱（卵磷脂）的极性头部是胆碱，磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）的极性头部是乙醇胺。除甘油磷脂外，还有一类重要的磷脂是鞘磷脂。鞘磷脂不含甘油，其骨架是鞘氨醇（一种长链氨基醇）。鞘氨醇的氨基与脂肪酸通过酰胺键相连，形成神经酰胺，神经酰胺的羟基再与磷酸胆碱（或磷酸乙醇胺）结合，即形成鞘磷脂。鞘磷脂主要存在于动物细胞膜，尤其是神经细胞膜中。磷脂分子具有典型的双亲性结构：分子的一端是磷酸和含氮碱基组成的极性头部，具有亲水性；另一端是两条非极性的脂肪酸链尾部，具有疏水性。这种双亲性使得磷脂分子在水溶液中能够自发排列形成脂双层结构，这是生物膜（细胞膜、细胞器膜）的基本结构骨架。脂双层构成了一个封闭的屏障，使细胞或细胞器能够维持相对稳定的内环境，同时也控制着物质的进出。生物膜的流动性对于其功能至关重要，这主要取决于膜脂的组成，特别是不饱和脂肪酸的含量和胆固醇的含量。第五节：类固醇及其它脂类类固醇，又称甾醇，是一类具有环戊烷多氢菲母核结构的化合物。其基本结构是由三个六元环（A、B、C环）和一个五元环（D环）稠合而成。不同的类固醇在母核的基础上通过取代基的种类、位置和环的饱和程度不同而形成。胆固醇是动物体内最重要的类固醇，广泛分布于全身各组织，尤以脑和神经组织中含量丰富。胆固醇是细胞膜的重要组成成分，它可以调节膜的流动性和稳定性。同时，胆固醇也是体内合成其他类固醇物质的前体，如胆汁酸（促进脂类消化吸收）、维生素D3（调节钙磷代谢）、性激素（如睾酮、雌二醇）和肾上腺皮质激素（如皮质醇、醛固酮）。人体内的胆固醇一部分来自动物性食物（外源性），另一部分由自身合成（内源性）。萜类是由异戊二烯单位为基本结构单元构成的化合物，广泛分布于植物、动物和微生物中。根据所含异戊二烯单位的数目，萜类可分为单萜、倍半萜、二萜、三萜、四萜等。许多萜类具有重要的生理活性，如植物中的挥发油多为单萜或倍半萜，具有芳香气味；维生素A、E、K属于萜类衍生物；β-胡萝卜素是四萜，可在体内转化为维生素A。脂溶性维生素包括维生素A、D、E、K，它们不溶于水，而溶于脂类及有机溶剂。它们在体内多与脂类共存，一同被吸收。脂溶性维生素各有其独特的生理功能，如维生素A与视觉有关，维生素D促进钙磷吸收，维生素E是抗氧化剂，维生素K参与凝血过程。第三章：蛋白质的化学第一节：蛋白质的生物学意义与元素组成蛋白质是生物体中含量最丰富、功能最复杂的生物大分子，是生命活动的主要承担者。其生物学意义体现在多个方面：构成细胞和生物体的基本结构（如肌肉、骨骼、皮肤、毛发等），称为结构蛋白；催化生物体内的各种化学反应（酶）；参与物质运输（如血红蛋白运输氧气，载体蛋白运输离子和小分子）；参与免疫防御（如抗体）；调节机体的生长、发育和代谢（如激素、生长因子）；以及作为遗传信息的调控因子等。可以说，没有蛋白质就没有生命。蛋白质的元素组成主要包括碳、氢、氧、氮四种元素，大多数蛋白质还含有硫，有些蛋白质还含有磷、铁、铜、锌、锰、钴、钼等金属元素，个别蛋白质含有碘。各种蛋白质的含氮量很接近，平均约为16%。这是蛋白质元素组成的一个重要特点，也是凯氏定氮法测定蛋白质含量的理论基础。由于蛋白质的含氮量恒定，只要测定出生物样品中的含氮量，就可以按下式推算出蛋白质的大致含量：蛋白质含量（克%）=每克样品含氮克数×6.25×100%。6.25是16%的倒数，即1/0.16。第二节：氨基酸——蛋白质的基本组成单位氨基酸是蛋白质的基本组成单位。天然蛋白质水解后得到的氨基酸，除甘氨酸外，都是L-α-氨基酸。即氨基连接在与羧基相邻的α-碳原子上，