生物化学A（上）-1序论

1、PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY 生物化学原理 1 2 生命百态 生命百态 含羞草羽状的叶片， 轻触和摇动可使叶片 很快合拢和下垂。 3 捕蝇草可以在0.5秒的 时间内捕获昆虫， 并 分泌消化酶消化昆虫以 获得营养。 生命的本质是什么？ 生命的起源是什么？ 4 生命的本质是什么？ 5 v域：真核生物 6 v界：动物界 v属：人属 v门：脊索动物门 v纲：哺乳纲 v目：灵长目 v科：人科 v种：智人Homo sapiens 生命特征 7 v(a) microscopic complexity 复杂且高度有序 v(b) energy consumption, food chai

2、n 物质能量交换 v(c) reproduction 繁殖 现代生命体系的特征 v高度复杂和有序； v每个组成部分有明确 分工； v能从环境中摄入能量； v自我复制、繁殖； v有进化史。 8 现代生物学的 5 个基础理论 9 Cells are the basic unit of life Genes are the basic unit of heredity New species and inherited traits are the product of evolution An organism will regulate its internal environment to m

3、aintain a stable and constant condition Living organisms consume and transform energy 细胞 基因 进化 内稳态 能量 生物科技史上的里程碑 v细胞结构的发现: Schwann / Schleiden vDNA是基因载体的发现: Morgan, Watson/Crick 10 细胞是生命体的基本单位 溶酶体 线粒体 核糖体 中心体 高尔基体 细胞质 核 仁 核 膜 细胞核 内质网 细胞膜 11 细胞核核 仁核 膜 内质网溶酶体 线粒体微丝 高尔基体 微管 中心体细胞质细胞膜 蓝色：细胞核 绿色：细胞骨架 12

4、器官由亿为计数单位的细胞组成 v刚出生时人脑细胞数: 2-10 1011 v成人人体细胞总数: 2-5 1012 v人体一生细胞总数: 约 1015 若按每个细胞直径约40m计算，可绕地球 1000 圈 13 物质 信息能量 生命活动离不开能量供应 14 生物从它们的环境转化能量和物质 v生命细胞和生物体必须作功来 保持存活和繁殖自身 v细胞成分不断合成需要化学能 v逆浓度梯度积累和保持盐份及 各种有机化合物涉及渗透能 v肌肉收缩或细菌鞭毛的运动需 要机械能 15 v生物体是一个开放体系，与环境交换物质和能量 v生物体通过两种策略由环境获得能量：由环境获取化学燃料 并通过氧化得到能量、由太阳光

5、能吸收能量。 生物化学研究能 量的吸收、转运 和消耗过程， 因此需要建立了 解生物能学的基 本原理 生命有机体与它们所处的环境不平衡， 死亡和腐烂才回复平衡 16 17 热力学第一定律适用于生物体系 v生物体利用燃料或太阳光的能量构建和维持它们的 复杂性，特别是结构。 v不论发生化学或物理的任何改变，总的能量是守恒 的，但能量的形式可能会变。 v生命有机体的细胞是在恒定温度下的一种化学引擎。 v所有生物所需要的能量直接或间接地都来自于太阳 能。在氧化还原反应中，电子的流动成为生命细胞 能量转换的基础 。 18 ThermodynamicsThermodynamics 第一定律（又称能量守恒和转

6、换定律）：热力系内物质的 能量可以传递，其形式可以转换，在转换和传递过程中各 种形式能源的总量保持不变。 第二定律：不可能把热从低温物体传到高温物体而不产生 其他影响；不可能从单一热源取热使之完全转换为有用的 功而不产生其他影响；不可逆热力过程中熵的微增量总是 大于零。 19 The free-energy change must be negative for a reaction to be spontaneous. A negative free-energy change occurs with an increase in the overall entropy of the uni

7、verse. Thus, we need to consider only one term, the free energy of the system, to decide whether a reaction can occur spontaneously; any effects of the changes within the system on the rest of the universe are automatically taken into account. G = Hsystem - T Ssystem 0 20 21 22 生命的定义 v(a) microscopi

8、c complexity 复杂且高度有序 v(b) energy consumption, food chain 物质能量交换 v(c) reproduction 繁殖-信息的传递 23 生命的定义 v自我复制（自我复制（self-replication） v自我装配（自我装配（self-assemble） v自我调节（自我调节（self-regulation） 24 生命的起源是什么？ 25 26 50亿年前 地球形成 约35-40亿年前 约24亿年前 约15亿年前 约7亿年前 生命出现 氧气成为大气的 主要组分之一 最早的真核细胞出现 多细胞生物出现 “Cambrian explosion

9、” 寒武纪大爆发 几乎所有动物的“门” 都在这一时期出现 LIFE on EarthLIFE on Earth 含生命化石的最古老的岩石 Pre-Cambrain stromatolites in the Glacier National Park, USA 前寒武纪的叠层石 位于美国的冰河国家公园 35亿年前形成的岩石:叠层岩 27 最老的微生物化石 28 古细菌建立了氧气层 29 生命元素的诞生 30 150-200亿年前，宇宙发生了一次热的富含能 量的亚原子颗粒的大爆炸，几秒钟内，产生了 最简单的元素（H和He）。 在宇宙膨大和冷却后，在重力的作用下，物 质浓缩形成了星球。一些星球变得巨

10、大无比， 然后爆炸，释放能量使较简单的原子核融合 为更为复杂的元素。因此经过数十亿年形成 了今天的地球及地球上的化学元素。 约在40亿年前，生命出现了能从有机化合物或 太阳获取能量的简单的微生物，利用这些能量， 它们将地表简单的元素和化合物构造成大量的 更为复杂的生物分子。 生物化学回答的 是: 成千上万种不 同的生物分子是 如何相互作用来 展示生命体显著 的生命特征的 1953年Miller-Urey的实验 31 生物元素含量接近宇宙中的元素比例 32 组成生命的元素的丰度 33 生命分子是碳的化合物 v生命有机体的化学是围绕着碳被组织起来的。 vC与H可以形成单键连接，与O和N可以形成单键

11、或 双键连接。生物学中C与C可以形成稳定的单键，一 个碳原子可以与一个、二个、三个或四个其他碳原 子形成稳定单键，两个碳原子可以共享两或三对电 子，形成双键或三键。 v生物分子中共价连接的碳原子可以形成线状的、分 支的或环状的结构。 34 35 功能基团决定了分子的化学特性 v绝大多数生物分子可以看成是碳氢化合物的衍生物， 碳氢化合物的骨架非常稳定，氢原子可以被各类功 能基团取代生成不同的有机化合物家族，典型的有 醇、胺、醛和酮、羧酸等。 v多数生物分子是多功能的，含有两个或更多个不同 的功能基团，每一种基团都有其自身的特点和反应。 化学词语中说某化合物的“个性、性质”，如肾上 腺素或乙酰辅酶

12、A，就是由其功能基团的性质和它 们在三维空间中的位置决定的。 36 一些常见的生物分子的功能基团 37 生命的物质基础 基础的有机分子 有特定三维结构的生物大分子 生物大分子复合物 细 胞 生命体 基本元素 38 生物化学以统一的化学语言 解释不同的生命形式 u有机体的差别极大，但生物化学的研究表明，所有有 机体在细胞和化学水平上是十分相似的。 u生物化学用分子的语言描述所有生命体的结构、机制和 化学过程，提出各种生命变异形式下生命的组织原理 生命的分子逻辑。 u生物化学的焦点是关注对生命自身的了解，并在医学、 农业、营养和工业方面提供了重要的理论和实际应用的 依据。 39 生物化学于现代生命

13、科学，就象ABC于英语。 40 生物学的研究领域 v原子和分子：生物化学、分子生物学、结构 生物学等 v细胞：细胞生物学、微生物学、病毒学等 v多细胞：生理学、发育生物学、组织学等 v宏观：生态学、演化生物学、系统生物学等 41 生物学的学科结构 v生物数学(包括生物统计学等) v生物物理学 v生物化学 v细胞生物学 v生理学 v发育生物学 v遗传学 v放射生物学 v分子生物学 v神经生物学 v生物进化论 v生态学 v植物学 v昆虫学 v动物学 v微生物学 v病毒学 v人类学 v生物工程(亦称生物技术) v心理学 v生物学其他学科 42 学科间相互交叉 生物化学 经典生物学 微生物学 植物学

14、遗传学 动物学 细胞学 生理学 发育生物学 生态学 生物统计 生物信息 免疫学 进化生物学 43 发育生物学 什么是生物化学？ 生物化学的研究对象是生命体内的各类物质的结构、功能和 作用过程与机理。 Biochemistry 和 Biological Chemistry 44 生物化学有三个源头 有机化学医学生理学发酵工业 氨基酸、蛋白质、 糖脂质、核酸 维生素、激素、 辅酶 酶学、物质代谢 细胞是生命体的基本单位 溶酶体 线粒体 核糖体 中心体 高尔基体 细胞质 核 仁 核 膜 细胞核 内质网 细胞膜 45 生物化学史上的里程碑 I 46 1828年弗里德里希维勒从无机化合物氰化铵合成有机化

15、合物尿素 1833年安塞姆佩恩发现第一个酶淀粉酶 1869年弗雷德里希米歇尔发现遗传物质核素 1896年爱德华毕希纳发现无细胞发酵 1902年赫尔曼埃米尔费歇尔 肽键理论 1912年霍普金斯发现食物辅助因子维生素 1926年奥图瓦伯格发现呼吸作用关键酶细胞色素氧化酶 1929年 Gustav Embden、奥 托迈尔霍夫和Jakub Parnas 阐明糖酵解作用机理 1932年汉斯阿道夫克雷布斯 阐明柠檬酸循环 生物化学史上的里程碑 II 47 1944年 Avery等人证明遗传信息在核酸上 1953年 Sanger的胰岛素氨基酸序列测定 Waston-Click提出DNA 双螺旋模型 195

16、8年 Perutz等解明肌红蛋白的立体结构 1970年 发现了DNA限制性内切酶 1972年 DNA重组技术的建立 1978年 DNA双脱氧测序法的成功 1990年 人类基因组计划的实施 2000年 人类基因组计划初步完成，进入后基因组时代 2006年 安德鲁法厄和克雷格梅洛因发现RNA干扰现象对基因表达的 沉默作用而获得诺贝尔奖 生物化学中的关键技术 48 电泳（1923）生物大分子的分离、分析 超离心（1925）蛋白质、细胞亚器官的分离；分子量确定 同位素标记（1934） 物质代谢途径、生物大分子结构测定 层析（1944 ）生物大分子的分离纯化 X-光衍射、NMR生物大分子结构测定 细胞由

17、生物大分子构成 49 生命体中两种关键大分子 50 DNA 脱氧核糖核酸 51 PROREIN Amino Acids 52 生命体中其它大分子 53 近年来世界生物科技大事 v征服癌症计划 v人类基因组计划 v克隆Dolly羊（1997年） v后基因组研究/蛋白组研究 v干细胞工程/iPSCs多能干细胞 v“脑计划” v 54 The Human Genome Project 人类基因组计划人类基因组计划 55 A example of human genome sequence data CTTCTCGTTC AGGCAGTACG CCTCTTTTCT TTTCCAGACC TGAGGGA

18、GGC GGAAATGGTG CTTCTCGTTC AGGCAGTACG CCTCTTTTCT TTTCCAGACC TGAGGGAGGC GGAAATGGTG TGAGGTTCCC GGGGAAAAGC CAAATAGGCG ATCGCGGGAG TGCTTTATTT GAAGATCAGG TGAGGTTCCC GGGGAAAAGC CAAATAGGCG ATCGCGGGAG TGCTTTATTT GAAGATCAGG CTATCACTGC GGTCAATAGA TTTCACAATG TGATGGCTGG ACAGCCTGAG GAACTCTCGA CTATCACTGC GGTCAATAGA

19、 TTTCACAATG TGATGGCTGG ACAGCCTGAG GAACTCTCGA ACCCGAATGG AAACAACCAG ATATTTATGA ATCAGCGCGG CTCACATGGC GTTGTGCTGG ACCCGAATGG AAACAACCAG ATATTTATGA ATCAGCGCGG CTCACATGGC GTTGTGCTGG CAAATGCAGG TTCATCCTCT GTCTCTATCA ATACGGCAAC AAAATTGCCT GATGGCAGGT CAAATGCAGG TTCATCCTCT GTCTCTATCA ATACGGCAAC AAAATTGCCT GA

20、TGGCAGGT ATGACAATAA AGCTGGAGCG GGTTCATTTC AAGTGAACGA TGGTAAACTG ACAGGCACGA ATGACAATAA AGCTGGAGCG GGTTCATTTC AAGTGAACGA TGGTAAACTG ACAGGCACGA TCAATGCCAG GTCTGTAGCT GTGCTTTATC CTGATGATAT TGCAAAAGCG CCTCATGTTT TCAATGCCAG GTCTGTAGCT GTGCTTTATC CTGATGATAT TGCAAAAGCG CCTCATGTTT TCCTTGAGAA TTACAAAACA GGTGT

21、AACAC ATTCTTTCAA TGATCAACTG ACGATTACCT TCCTTGAGAA TTACAAAACA GGTGTAACAC ATTCTTTCAA TGATCAACTG ACGATTACCT TGCGTGCAGA TGCGAATACA ACAAAAGCCG TTTATCAAAT CAATAATGGA CCAGACGACA TGCGTGCAGA TGCGAATACA ACAAAAGCCG TTTATCAAAT CAATAATGGA CCAGACGACA GGCGTTTAAG GATGGAGATC AATTCACAAT CGGAAAAGGA GATCCAATTT GGCAAAAC

22、AT GGCGTTTAAG GATGGAGATC AATTCACAAT CGGAAAAGGA GATCCAATTT GGCAAAACAT ACACCATCAT GTTAAAAGGA ACGAACAGTG ATGGTGTAAC GAGGACCGAG AAATACAGTT ACACCATCAT GTTAAAAGGA ACGAACAGTG ATGGTGTAAC GAGGACCGAG AAATACAGTT TTGTTAAAAG AGATCCAGCG TCGGCCAAAA CCATCGGCTA TCAAAATCCG AATCATTGGA TTGTTAAAAG AGATCCAGCG TCGGCCAAAA

23、CCATCGGCTA TCAAAATCCG AATCATTGGA GCCAGGTAAA TGCTTATATC TATAAACATG ATGGGAGCCG AGTAATTGAA TGCTCGGGCG GCCAGGTAAA TGCTTATATC TATAAACATG ATGGGAGCCG AGTAATTGAA TGCTCGGGCG 56 57 地球上所有生物使用的建筑原料（氨基酸, 核苷酸, 葡萄糖,脂肪等）是完全一样的, 就象所有的大楼 都由砖头、砂和水泥为主建起来一样。 为什么地球上的生物千姿万态呢？ 那是因为DNA上的信息不一样。 生物的本质是信息。 物种是基因信息的具体表现 58 基因是“

24、永垂不朽”的，生命则是这群基 因信息的具体表现。 在某种意义上，生命是基因一代一代往下 传的生存机器，人也不过是基因往下传的 工作站而已。 F. Cricks central dogmaF. Cricks central dogma DNA 1958年转录 RNA 翻译 Protein DNA 1970年反转录 Protein RNA ReplicationReplication Replication 59 The size of genomeThe size of genome 哺乳动物 鸟 两栖 植物 真菌 昆虫 软骨鱼 硬骨鱼 细菌 病毒 软体动物 爬行 60 1988年由Watson

25、倡导，1990年正式启动，预计花 15年，预算30亿美元完成；由美国、中国、法国 、德国、日本、英国科学家合作 2000年6月26日 Bill Clinton & Tony Blair宣布 “a rough draft”完成人类基因组计划完成 2000年6月26日 工作流程 2003年4月13日， 99%的序列已被测序 2006年5月 ，最后一条染色体序列测序完成 2007年9月4日，第一套完整的个人基因组序列发 表（Craig Venter） 2008年4月，Watson的个人基因组测序完成 The number of genes 62 人 25000 啤酒酵母 6144 大肠杆菌 4288

26、 猴 25000 果蝇 13338 线虫 18226 人类基因组研究的意外发现 v人类的基因比预期的少得多； v人类只有约1,500个基因家族，每个家族的基因 数远多于其他生物； v有223个基因源自微生物，可能在进化过程中逐 个插入的； v染色体上基因有群聚现象； v只有1.5的DNA编码蛋白质。 v 63 人类基因组研究能明白什么？ 64 搞清楚人类基因组序列后，可以通过各种分析 手段将所编码的基因进行定位，但对这些基因 是如何发挥功能, 不能提供什么信息。 要理解生命，还需要分子生物学、蛋白组学、 生物信息学、比较基因组学等各项学科的长期 艰苦的工作。 人类基因组研究推动医药发展 65

27、测序和生物芯片等技术的发展使得诊断变得异常 快速和方便,指导用药的个性化 新治疗技术、新药物技术将进入鼎盛时期 基因信息让我们知道自己容易得什么病，该如何 预防 干细胞工程、基因调控内分泌等技术让人延长寿 命，甚至“返老还童” 诊断 治疗 预防 /保健 寿命 生命科学的发展 v根据蛋白分子结构计算机设计药物 v利用羊奶、牛奶或鸡蛋生产多肽药物 v基因治疗疾病/改良人的基因 v人工子宫与克隆人 v人的寿命延长到150200岁 v用药物改善记忆力/控制大脑 v半导体与脑神经的通讯 v攻克癌症 v人体脏器的量产化 v 66 研究热点：生、老、病、死 v后基因组研究 v生物多样性 v发育的机制 v衰老分子机理 v脑科学 v细胞免疫网络