生命与生物化学.ppt

1、生物化学,Biochemistry,研究生生物化学 绪论,1、课程的目的,用化学的理论和方法作为主要手段研究生命运动的（物质和能量变化）本质，阐述构成生物体的基本物质（如糖类、脂类、蛋白质、核酸等）的结构、性质及其在生命活动的过程中的变化规律。 根据研究专业方向和课题，为同学们提供生化、生物工程技术和生命科学相关的基础知识。,研究生生物化学 绪论,2、教学主要内容,生命的物质组成：糖、脂、蛋白质、核酸 生命催化剂：酶 生命的三大营养、保护和调节物质： 生命物质和能量代谢 生命的遗传与变异 蛋白质的合成 生命的调节与控制基础,研究生生物化学 绪论,3、教学计划,研究生生物化学 绪论,4、参考书目

2、,使用教材： 生物化学王镜岩 , 高等教育出版社，2002 参考书目： 生物化学导论Trudy Mckee高等教育出版社 BiochemistryB.D.Hames,N.M.Hooper.et al. BIOSCIENTIFIC PUB. LIMT,研究生生物化学 绪论,第一章生命与生物化学,生物化学生命与生物化学,Content,生命的本质 生命的起源和发展 生物化学研究的重要体系：细胞 生物化学研究的内容 生物工程技术的发展与应用,生物化学生命与生物化学,1、为世间，生为何物？,生物化学生命与生物化学,（1）对生命的描述,19世纪下半叶，恩格斯对生命下了一个定义：“生命是蛋白体的存在方式，

3、这个存在方式的基本因素在于和它周围的外部自然界的不断地新陈代谢，而且这种新陈代谢一停止，生命就随之停止，结果便是蛋白质的分解。”恩格斯的生命定义在一定程度上揭示了生命的物质基础，即具有新陈代谢功能的蛋白体。100年来，这个定义一直指导人们认识生命的思想武器。,（2）从不同角度对生命的定义,生理学: 例如把生命定义为具有进食、代谢、排泄、呼吸、运动、生长、生殖和反应性等功能的系统。但某些细菌却不呼吸。 新陈代谢: 生命系统具有界面，与外界经常交换物质但不改变其自身性质。 生物化学: 生命系统包含储藏遗传信息的核酸和调节代谢酶蛋白。但是已知某种病毒样生物却无核酸。 遗传学: 通过基因复制、突变和自

4、然选择而进化的系统。 热力学: 生命是个开放系统，它通过能量流动和物质循环而不断增加内部秩序。,生物化学生命与生物化学,（3）生命的重要基本特征,生命具有两个重要的基本特征 质能转化（ Transformation between Substance and Energy ）：生物代谢。 信息流（Information Flux）：生物遗传与表达。,生物化学生命与生物化学,2、生从何来？,生物化学生命与生物化学,生命起源的三种学说A,自然发生说： 1952年，美国斯芝加哥大学研究生 斯坦莱.米勒 的重要实验，氢 + 甲烷 + 氨 模拟试验（闪电模拟高温海洋，导线连接上下烧瓶如天地之间的物质循环

5、），7天后瓶壁附着红褐色膜，其中部分为碳氢化合物，而下部“原始海洋”中含有四种AA，蚁酸，醋酸和尿素等。推理：地球上原始大气和海洋存在 10 亿年，生命源于“有机汤”。 见图示幻灯片 12,生物化学生命与生物化学,原 初 地 表 图 景,雷电可能为化学进化提供能量,用电击提供能量，从简单小分子可得到复杂的稍大分子。,米勒的实验装置,米勒模拟实验得到的有机物 （共计20多种） 有机物 产量 /mol 甲醛 2330 脲（尿素） 20 乳酸 310 琥珀酸 40 甘氨酸 6 谷氨酸,生物化学生命与生物化学,生命起源的三种学说B,外来说： 美国，对火星陨石进行磁场分析表明，上嵌有长链状排列的磁化体，

6、可能是由曾经具有长链的有机体形成，即细菌。火星的生命形式易到达地球。 近20年来，在陨石中发现60多种有机化合物，如生命密切相关：卟啉，嘌呤，嘧啶，AA。 在月球上停留三年的无人飞船的摄像机电路系统内成功培养出类似于人类气管内的细菌,生物化学生命与生物化学,生命起源的三种学说以C,灾变爆发学说1： 中科院南京古生物研究所，金玉， science撰文，地球自6千万年前出现生命以来，曾发生多次重大生物灭绝事件： 6500万年前，恐龙灭绝；2.5亿年前，超级大灭绝，海洋生物种类降低一半，占领海洋近3亿年的主要生物从此消失、衰败，让位于新生物门类，陆上两栖类和披爬行类2/3灭绝，昆虫自3.9亿年出现后

7、大灭绝，生态系统重新更新。 结论：大灭绝为新种类提供机遇，使整个生态系统得以重新组织。,生物化学生命与生物化学,生命起源的三种学说以C,灾变爆发学说2： 瑞士，许晴博士，大灭绝，探索6500年前恐龙灭绝原因，挑战达尔文进化论。 地球历史上几次生物的大爆发都发生于灾变之后；,生物化学生命与生物化学,3、生物化学研究的重要体系细胞？,生物化学生命与生物化学,（1）生命的进化历程,50亿年前，地球形成 15亿年前，从原核细胞中分化出真核细胞 12亿年前，真菌（yeast 体细胞克隆技术与器官移植: Clone; 人类基因组计划：HGP， 都将对人类健康和医学带来巨大的影响和促进作用。,生物化学生命与

8、生物化学,附1：医疗保健的最新进展,Clone : 1998.4, Willmus, Dolly sheep & her Banlly sheep Stem Cell: 人类早期干细胞可分裂成270种细胞类型的能力。Science, 2004.02.11, Korea & USA, 人类胚胎干细胞（16 womans 提供 262 个卵细胞, 卵丘体细胞核，化学刺激分裂得到30个克隆细胞经7天发育成胚囊早期胚胎细胞含有几十个） HGP & Gene theraty ：2001，HGP草图。 疫苗：200年历史，其中20世纪最后10年被称为“疫苗10年”。功效：预防传染病，预防耐药菌的发生，直接

9、治疗（如：卡介疫苗灌洗可治疗膀胱癌），灭活、减毒、基因工程及DNA疫苗。,生物化学生命与生物化学,附2：一些典型的重大流行疾病,AIDS：1984年，确认了HIV导致AIDS；美何大一，鸡尾酒疗法；发展方向，基因疫苗。 O-157：大肠杆菌，日本，1996年6月9000人，7人死亡。剧烈腹痛高烧和血痢，严重者并发溶血性尿毒症症候群（HUS）和脑炎，危及生命。 肝炎：上海，1998年1月19日，毛蚶受甲肝病毒严重污染，两月内共29230例，急性发热、呕吐、厌食、乏力和黄疸等症状。共8种病毒。 肉毒杆菌、破伤风梭菌、金黄色葡萄球菌等 SARS：sever acute respiration syd

10、rome, 52 counryies。 禽流感：百年历史，1997香港爆发，是由禽流感病毒引发的人禽共患的急性传染病。主要发生在鸡、鸭、鸽等禽类，引起从呼吸系统到严重全身败血症等多种症状。按病原体分为：高致病、低致病和不致病三种。传播快，危害大，世界动物卫生组织列为A级。最大危害：传入人后与人的肝炎病毒发生整合或变种，如H5N1变异快，2004亚洲大爆发，致数人死亡。,生物化学生命与生物化学,附3：生物武器,炭疽芽孢杆菌（bacillus anthracis）： 500BC，埃及、美索不达米亚人记载，牛羊马及加工羊毛的人获得。中世纪造成英欧洲人巨大损失。14世纪中叶，非洲黑死病。1613年，6

11、0000人死亡。 1876年，柯赫，死亡动物血液和组织中观察到Ba。1877年，巴斯德分离到Ba纯种，证实。1980s，非洲，土，泰等国爆发。 生物武器：Ba超常稳定性和吞食后烈毒性。 致病因子：Ba芽孢，营养体不致病。多聚D-谷氨酸荚膜可阻止细胞吞噬作用；三元毒素：PA抗原保护、BF致水肿、LF致死。 症状：急急性，大脑缺氧，肺水肿，快死亡；亚急性，发烧，痉挛，呼吸困难，口鼻出血，24h死亡；慢急性，猪舌头水肿和咽组织痉挛，最后窒息死亡。一般治疗药物：抗Gram阳性药物青霉素等。变种难治。,生物化学生命与生物化学,C、能源和新材料及原料,能源危机：环境友好、可再生的新型替代能源。 新型原料：

12、生物质原料替代传统化石类。 新型特种材料：高强、耐高温。 仿生材料：蜘蛛丝（丝心蛋白）头发 目标和优势：没有污染，可再生。,生物化学生命与生物化学,附1：新型清洁燃料乙醇,应用领域包括食品饮料、化工原料和燃料乙醇，共计300余种产品，替代传统的化石类原料。,乙醇的用途,生物化学生命与生物化学,附2：乙醇的用途和产量,1998年，全世界的乙醇总产量达31.2109 L（合8.3109 gal，约合2400万吨）。 产量分布： 美 洲 20.3109 L 亚 洲 5.0109 L 欧 洲 4.7109 L 非 洲 0.5109 L 大洋洲 0.2109 L,生物化学生命与生物化学,附3：燃料乙醇,

13、世界上已探明的石油贮量至多可供使用40-50年，一次性能源(石油、煤炭、天燃气等）将日趋枯竭，经济社会发展和环保的要求，燃料乙醇成为清洁、便捷的新型可替代型能源首选。 1880S，Henry Ford 首次提出以乙醇作为汽车燃料的设想，主要原料采用玉米，被称为“农业乙醇（farm ethanol）”。 1998年，燃料乙醇（Fuel ethanol）占总产量的2/3 ，折合1600万吨： 巴西：绿色能源之国，年产1050万吨全用于燃料，占本国汽车燃料的50%以上。 美国：年产500万吨，其中300万吨被用作汽车燃料。 中国：吉60万吨、甘桂鲁50万吨燃料乙醇项目开建，另豫黑等地。 法、挪、瑞、

14、德、加等国先后制订类似发展计划。 专家预计，到2010年，交通业对燃料乙醇的需求量将大幅度上涨。,生物化学生命与生物化学,73,植物纤维原料生物转化生产乙醇的工艺流程示意图,生物化学生命与生物化学,D、环境和生态保护,环境和生态现状：由于工业、人口的快速增长和自然资源的快速消耗，全球环境和生态状况目前正在急剧恶化水资源短缺、土壤荒漠化、有毒化学品污染、臭氧层破坏、酸雨肆虐、物种灭绝、森林减少、生物入侵等。 人类的生存和发展面临着严峻挑战，迫使人类进行一场“环境革命”来拯救人类自身。这场环境革命的意义与18世纪的工业革命一样重大，并且需更加深入和彻底。在这场环境革命中，环境生物技术负着重大使命，

15、并且作为一种有效、安全可靠的手段和方法，起核心作用。,生物化学生命与生物化学,附1：典型的环境生物技术,从农药污染的水体或土壤中筛选驯化的菌种已用于处理农药生产废水； 废水生物处理技术； 基因工程菌在清除石油污染、降解化学农药、降解塑料、降解除草剂、降解木质素、防治杀虫剂污染和防治重金属污染等领域已获得成功。从石油污染的水体或土壤中筛选驯化的菌种已用于清除石油污染等 ； 生物场地修复,生物化学生命与生物化学,污水处理厂,生物化学生命与生物化学,水污染之“水华”,生物化学生命与生物化学,生物化学生命与生物化学,附2：生物入侵,危害农业：小龙虾（克氏原螯虾），原产墨西哥，向北美扩散给美国五大湖泊的

16、渔业生产和堤坝造成了极大威胁。20年代经日本进入我国南京地区对当地鱼、甲壳、水生植物极具威胁威胁到堤坝设施 ；福寿螺、白玉蜗牛侵入到农田和自然系统，成为农作物、蔬菜和生态系统的有害生物。水稻象甲、美洲斑潜蝇、马铃薯甲虫、非洲大蜗牛等农业入侵害虫近年来每年严重发生的面积达到140万至160万公顷。每年由外来种造成的农林经济损失达574亿元人民币，仅对美洲斑潜蝇一项的防治费用，就需4.5亿元，每年打捞水葫芦的费用需要5-10亿元以上。 危害林业：松材线虫、湿地松粉蚧、松突圆蚧、美国白蛾、松干蚧等森林入侵害虫严重发生与危害的面积在我国每年已达150万公顷左右。 危害人类健康：三裂叶豚草，它的花粉是引

17、起人类花粉过敏的主要病原物，可导致“枯草热“症，,生物化学生命与生物化学,“生物入侵是世界难题”，保守统计，美、印、南非外来生物入侵造成的损失每年分别高达1500亿美元、1300亿美元和800亿美元，还不包括那些无法计算的隐性损失，比如外来生物导致本地生物物种的灭绝、生物多样性减少以及由于改变环境景观带来的美学价值的丧失。,生物化学生命与生物化学,E、生物采矿、采油和炼油,生物化学生命与生物化学,附1：2003 Nobel Prize,Nobel Prize: 2003, 化学奖 化学奖：细胞膜 通道研究中的开创性工作 美国，彼德. 阿格雷（1988，成功分离膜蛋白，使人们意识到细胞膜水通道）

18、、罗德里克. 麦金农（1998，对钾通道立体结构测定，扫清细胞膜离子通道研究中的理论障碍）。 生理学和医学奖：磁共振成像技术引入医学诊断和研究领域。 美国保罗.劳特布尔、英国彼特. 曼斯菲尔德，是医学诊断上的重大突破，使无痛诊断技术得到广泛应用，并在检测肿瘤，神经系统炎症、改进癌症和帕金森综合征的治疗等方面有关重要作用。目前此技术被用于研究生物大分子结构、转运与其功能间的关系。,生物化学生命与生物化学,附：水和离子进出膜的分子通道模型,生物化学生命与生物化学,附2：animal clone,克隆大事记： 1995年7月，苏格兰用早期胚胎细胞克隆了2头绵羊，是Dolly前奏； 1997年2月，苏格兰用一只6岁的母羊的乳腺细胞克隆了Dolly，为人类历史上首次成功用成年体细胞克隆产生的哺乳动物； 1997年2月，苏格兰将人类基因组植入绵羊体细胞，并用该细胞克隆了“波莉”； 1999年4月，美马塞诸塞州塔夫茨大学克隆了3头山羊，使它们的乳液