第一章-基础生物化学绪论

1、基础生物化学Biochemistry,长春科技学院生物食品系,课程内容及学时安排,1.生物化学导论 2.蛋白质的结构与功能 3.核酸的结构与功能 4.酶 5.生物氧化 6.糖代谢 7.脂类物质代谢 8.蛋白质的降解与氨基酸代谢 9.核酸的降解与核苷酸代谢,10.DNA的生物合成 11.RNA的生物合成 12.蛋白质的生物合成 13.基因表达的调节 14.基因重组与基因工程 15.代谢调节,使用教材,生物化学 李庆章 吴永尧主编 中国农业出版社 高等农林院校十五规划教材 动物生物化学 周顺伍等主编 中国农业出版社,参考书目,生物化学（第五版）周爱儒 主编 人民卫生出版社 哈珀生物化学（第25版）

2、 科学出版社 生物化学（影印第二版） RH.Garrett等编 高等教育出版社 生物化学导论（第二版） 科学出版社 现代生物化学 于自然等主编 化学工业出版社 生物化学（第三版）王静岩主编 高等教育出版社 教学参考资料： 生物化学应试指南 周爱儒 主编 北京医科大学出版社 生物化学习题集 吉林大学出版社 生物化学习题解析 科学出版社,生物化学导论Chapter 1 Introduction to biochemistry,著名的诺贝尔奖获得者亚瑟肯伯格（Arthur Kornberg）在哈佛大学医学院建校100周年时说：“所有的有生命体都有一个共同的语言，这个语言就是化学。”,DNA是生命体的

3、“共同语言”,简言之，生物化学是研究生命的化学。,一、生物化学的涵义,1、生物化学的概念： 传统定义：生物化学是运用化学、物理学和生物学的现代理论和技术，研究生物体的物质组成与结构、物质代谢与能量转变，以这些变化与生理技能之间关系的一门科学。即在分子水平上研究生命现象的化学本质的科学。 现代定义：是在分子水平上研究生物体的化学本质及生命活动过程中化学变化规律的科学。,化学,有机化学,物理化学,动物学,分析化学,高分子化学,无机化学,植物学,微生物学,生物化学,2、生物化学的研究任务 （1）研究生物体内物质的化学组成、结构、性质与功能。 高等生物体主要由蛋白质、核酸、糖类、脂类以及水、无机盐等组

4、成，此外还含有一些低分子物质，如维生素、激素、氨基酸、多肽、核苷酸及一些分解产物。 研究生物分子的结构和功能之间的关系，代表了现代生物化学与分子生物学发展的方向。,活的有机体的 化学统一性,图 活的有机体的部分特征 (左上)脊椎动物肌肉组织的染色电镜照片，可见明显的微观复杂性和组织性；(右上)草原隼捕食小鸟以获取营养；(下)生物以近乎完美的精确度进行复制。,用统一的化学术语解释生命的多种形式,图 多样的生物享有共同的化学特征：相同的基本结构单位细胞，相同类型的大分子DNA、RNA、蛋白质，利用相同的途径合成细胞组分、共享相同的遗传密码、衍生相同的祖先。,细胞是生物体的基本结构单元,细胞的基本构

5、成,生物体的化学组成,自然界所有的生命物体都由三类物质组成水、无机离子和生物分子,生命体的元素组成,在地球上存在的92种天然元素中，只有28种元素在生物体内被发现 第一类元素：包括C、H、O和N四种元素，是组成生命体最基本的元素。这四种元素约占了生物体总质量的99%以上。 第二类元素：包括S、P、Cl、Ca、K、Na和Mg。这类元素也是组成生命体的基本元素。 第三类元素：包括Fe、Cu、Co、Mn和Zn。是生物体内存在的主要少量元素。 第四类元素：包括Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Se、Si等。,生物分子,除了各种无机物和水之外，大多数生物的化 学组成是以下30种有机小分子前

6、体物质。 （有人将它们称为生物化学的字母表） （1）20种基本氨基酸； （2）5种芳香族碱基：2种嘌呤和3种嘧啶； （3）2种单糖：葡萄糖和核糖； （4）脂肪酸,甘油和胆碱。 以上前体组成了糖类、蛋白质、核酸和脂类 四大类生物体的基本物质（简称四大物质）。,（2）研究生物体内物质代谢（新陈代谢）、能量转变及其调控机理,生物体与其外环境之间的物质交换过程就称为物质代谢或新陈代谢。 物质代谢的基本过程主要包括三大步骤：消化、吸收中间代谢排泄。其中，中间代谢过程是在细胞内进行的，最为复杂的化学变化过程，它包括合成代谢，分解代谢，物质互变，代谢调控，能量代谢几方面的内容。,（3）研究物质结构、代谢和生

7、物功能与复杂的生命现象之间的关系,（4）研究生物体遗传的物质基础，基因信息传递、表达及其调控规律 基因信息传递涉及到遗传、变异、生长、分化等诸多生命过程，也与遗传病、恶性肿瘤、心血管病等多种疾病的发病机制有关。 DNA重组、转基因、基因剔除、新基因克隆、人类基因组计划及功能基因组计划等的发展，将大大推动这一领域的研究进程。,研究发现黑猩猩和人类基因组存在关键性差异,3、生物化学的分类,生物体：动物、植物、微生物等 按研究对象分：动物 、植物 、微生物 。 按研究目的分：医学、工业、农业、食品等。,二、生物化学发展简史,1、生物化学产生前时期 最早可追溯到离现在4000多年前。 公元前22世纪

8、夏禹时代 酿酒 公元前12世纪 商周时代 制酱、制醋 公元前6世纪 瘿病（地方性甲状腺肿） 公元四世纪 葛洪 海藻治疗瘿病 唐代孙思邈 米糠熬粥治疗脚气病 猪肝治疗雀目 明代李时珍 本草纲目,2、描述的或有机生物化学发展时期 （17701903，静态生物化学） 大约从十八世纪中叶到二十世纪初，主要完成了各种生物体化学组成的分析研究，发现了生物体主要由糖、脂、蛋白质和核酸四大类有机物质组成 。 主要成就 1828年 魏勒在实验室将氰酸钠合成为尿素 1842年 李比希首次提出新陈代谢的概念 1849年 巴斯德开始发酵的研究 1877年 霍佩.赛勒首次提出“Biochemie” 1897年 布克纳兄

9、弟 蔗糖酵母发酵实验,3、动态的或生理生物化学发展时期 （19031950，动态生物化学）,大约从二十世纪初到二十世纪五十年代。此阶段对各种化学物质的代谢途径有了一定的了解。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。 其中主要的有： 1905年 哈登和杨发现酶和辅酶；1926年 sumner首次从刀豆中获得脲酶结晶；1955年 Sanger完成牛胰岛素氨基酸组成分析；1932年，英国科学家Krebs 发现尿素合成的鸟氨酸循环；1937年，Krebs提出了各种化学物质的中心环节三羧酸循环的基本代谢途径；

10、 1940年，德国科学家Embden和Meyerhof提出了糖酵解代谢途径，等等。,4、分子的或综合生物化学发展时期 （1950至今，机能生物化学）,孟德尔 豌豆杂交实验提出生物遗传的不是其形状本身，而是它的遗传因子。 1868年 Miescher 发现核蛋白 1928年 格里非思 肺炎球菌转化实验 1944年 Avery等人首次证明DNA是遗传物质 1950年 Chargaff证明A=T G=C 1953年，Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构模型为标志，生物化学的发展进入分子生物学阶段。 1966年 遗传密码破译,1958 1971年 遗传中心法则（Crick) 1960年 Ja

11、cob和Monod创立操纵子学说 1982年 Cech发现核酶 1982年Palmiter 转基因技术 1990年 人类基因组计划 1997年Wilmut 克隆技术 这一阶段的主要研究工作就是探讨各种生物大分子的结构与其功能之间的关系。如生命的本质和奥秘：运动、神经、内分泌、生长、发育、繁殖等的分子机理等。,染色体的形态结构,1953年，沃森克里克（WatsonCrick）确定DNA双螺旋结构，获1962年诺贝尔生理、医学奖。 1955年，英国生物化学家桑格尔（Sanger）确定牛胰岛素结构，获1958年诺贝尔化学奖。 1980年，桑格尔和吉尔伯特（Gilbet）设计出测定DNA序列得方法，获

12、1980年诺贝尔化学奖。 1984年，化学奖，Bruce Merrifield（美国），建立和发展蛋白质化学合成方法。 1993年1、Rechard J.Roberts(美)等，发现断裂记因 化学奖 2Karg B. Mallis(美)发明PCR方法。 3Michaet Smith(加拿大)建立DNA合成用与定点诱变研究 1994年 Alfred G. Giillman（美）等，发现G蛋白及基因在细胞内信号转导的作用。,安托万洛朗拉瓦锡（A.L.Lavoisier，1743.8.26-1794.5.8）研究生物体内的燃烧，指出此类“燃烧”耗氧，并排出二氧化碳。后人称他为生物化学之父。,1803

13、-1873年，德国，尤斯图斯冯 李比希男爵（Justus von Liebig）将食物分为糖、脂、蛋白质类，提出“代谢”一词，证明动物体温形成是食物在体内燃烧的缘故。最先写出生物化学两本专著。,1852-1919，埃米尔费舍尔（德）首次证明了蛋白质是多肽，发现酶的专一性，提出并验证了酶催化作用的“钥匙”学说；合成了糖及嘌呤；1902年获得诺贝尔奖。,1937，Hans Adolf Krebs英籍德国生物化学家克雷布斯；发现三羧酸循环（tricarboxylic acid cycle），1953年获诺贝尔奖,埃米尔费舍尔,1949，Linus Pauling,镰刀形红细胞性贫血是一种分子病，并于

14、1951年提出蛋白质存在二级结构，1954年获诺贝尔奖。,李纳斯鲍林（Linus Pauling）,弗朗西斯克里克Francis H. Crick,1953年，沃森、克里克提出DNA分子的双螺旋结构模型，1962年共获诺贝尔奖,詹姆斯沃森（James D. Watson）,1969-1972年，Arber(瑞士),Smith(美)与Nathans(美)在核酸限制酶的分离与应用方面做出突出贡献，1978年共获诺贝尔奖,1972年，Berg在基因工程基础研究方面做出了杰出成果，获得1980年诺贝尔奖。,1973 Cohen等（美）用核酸限制性内切酶EcoR1，首次基因重组成功。,2006年，Ven

15、ter等报道完成了人类基因组草图测序,詹姆斯沃森,1997年 1 stanley B.prusiner(普西纳 美)发现一中新型的致病因子感染性蛋白颗粒“prion”（疯牛病） 生理医学奖 2 paul D.Boyer（ 波伊尔 美）等，说明ATP酶促合成机制 化学奖 3 Jens c. skon(延斯 丹麦)发现输送离子的Na+K+_ATP酶。1996年Petr c. Doherty（多尔蒂 美）等，发现T细胞对病毒感染细胞的识别和MHC(主要组织相容性复合体)限制。 生理医学奖 1998年 ROLert F.furchgott（佛契哥特 美国）等，发现NO是心血管系统的信号分子 生理医学奖

16、,我国生物化学的发展概况 起步晚，基础弱，潜力大，需努力 1、吴宪 血滤液制备、蛋白质变性。食物营养与免疫化学 2、1965年 首次人工合成结晶牛胰岛素 3、1981年 合成酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成 4、天花粉蛋白一级结构测定 5、生物膜与水通道的研究 6、人类基因组、水稻基因组等的研究,我国生物化学的开拓者吴宪教授,蛋白质研究领域内国际上最具有权威性的综述性丛书Advances in Protein Chemistry第47卷（1995年）发表了美国哈佛大学教授、蛋白质研究的老前辈J. T. Eddsall的文章“吴宪与第一个蛋白质变性理论（1931）Hsien Wu and th

17、e first Theory of Protein Denaturation(1931)”，对吴宪教授的学术成就给予了极高的评价。该卷还重新刊登了吴宪教授六十四年前关于蛋白质变性的论文。一篇在1931年发表的论文居然在1995年仍然值得在第一流的丛书上重新全文刊登，不能不说是国际科学界的一件极为罕见的大事。,1940 我国生物化学家刘思职发现抗体、抗原反应存在定量关系。,刘思职,21世纪我国本土将诞生诺贝尔奖获得者预测变现实，有待努力，让我们为此共勉 新华社北京2002年4月11日电 中科院院长路甬祥在“中国近现代科技回顾与展望国际学术研讨会”上作大会报告时说：“通过创造性的工作，21世纪的中

18、国科学家和工程师将比20世纪为世界科学做出大得多的贡献，在中国本土上产生诺贝尔奖将不再是问题，中国将涌现出一批无愧于21世纪的世界级科学大师和工程技术大师。”（记者李斌） 新华社香港2002年月日电 诺贝尔奖得主杨振宁教授今天在这里表示对中国未来的科技发展很有信心，他认为在未来中国很可能会出现获得诺贝尔奖的科技人才。（记者丛亚平）,三、生物化学的应用与展望,1、 生物化学是二十一世纪生命科学的带头学科。 学科热点： 基因组学 蛋白质组学 克隆（组织、器官、个体）,生物化学学科的新进展与热点问题 1、基因组计划研究的继续与深入 2、蛋白质组研究（后基因组研究） 3、RNA组计划正在兴起 4、基因

19、表达调控 5、细胞信号传递 6、与医学密切相关的一些热点问题 7、端粒、端粒酶与细胞正常衰老、凋亡研究 8、与药物生产密切相关的基因工程研究 9、体内第三类生物大分子糖蛋白与蛋白聚糖 10、分子生物学中心法则的理论研究及相关技术研究,2、 生物化学与农业 原始农业：采集与狩猎，游牧式 传统农业：原始的种植业，畜牧业 现代农业：化肥，农药；绿色革命（杂种优势），生物防治，分子育种，转基因植物，动物营养 分子农业（工厂化农业）：离开土地，细胞水平甚至是分子水平的生化加工业，。 植物：光合作用 固定化细胞培养，叶绿体光合器。 动物：细胞培养。,3、 生物化学与环保 环境污染：Pb、Hg 环境监控：生物传感（酶，细胞）和指示生物 生物净化：金属硫蛋白等金属结合蛋白,4、 生物化学与轻工业 发酵工业：抗生素、氨基酸。 食品工业饲料工业：酶，添加剂，香味剂，甜味剂 制革与造纸工业：酶法处理 生物电子学：DNA储存器。 酶工程技术,5、 生物化学与医药 生化药物 基因工程药物 蛋白质工程药