动物生物化学绪论

1、 |共50学时 |理论38学时 |实验12学时 第一章第一章 绪论绪论 |生物化学概述生物化学概述 |生物化学研究内容生物化学研究内容 |生物化学的发展历史和现状生物化学的发展历史和现状 |与动物生产和健康的关系与动物生产和健康的关系 一、生物化学概述一、生物化学概述 1、概念：、概念： 生物化学：生物化学：是用化学的原理和方法，是用化学的原理和方法， 从分子水平来研究生物体的化学组从分子水平来研究生物体的化学组 成，及其在体内的代谢转变规律从成，及其在体内的代谢转变规律从 而阐明生命现象本质的一门科学而阐明生命现象本质的一门科学， 有有“生命的化学生命的化学”之称之称。 2 2、生物化学的分

2、类、生物化学的分类 |根据研究对象分为：根据研究对象分为：动物生物动物生物 化学化学、植物生物化学、微生物生、植物生物化学、微生物生 物化学等。物化学等。 |根据研究目的分为：医学生化、根据研究目的分为：医学生化、 农业生化、工业生化、环境生化农业生化、工业生化、环境生化 和营养生化等。和营养生化等。 二、生物化学研究内容二、生物化学研究内容 |1、关于生命有机体的化学组成、关于生命有机体的化学组成、 生物分子，特别是生物大分子生物分子，特别是生物大分子 （biological macromolecule）的）的 结构、相互关系及其功能结构、相互关系及其功能 |2、细胞中的物质代谢与能量代谢，

3、、细胞中的物质代谢与能量代谢， 或称中间代谢（或称中间代谢（intermediary metabolism），）， 也就是细胞中进也就是细胞中进 行的化学过程行的化学过程 |3、组织和器官机能的生物化学、组织和器官机能的生物化学 1、关于生命有机体的化学组成、关于生命有机体的化学组成、 生物分子，特别是生物大分子生物分子，特别是生物大分子 (biological macromolecule)的结的结 构、相互关系及其功能构、相互关系及其功能 |生物体的化学组成生物体的化学组成 |生物分子生物分子 |生命体的元素组成生命体的元素组成 自然界自然界 所有的所有的 生命物生命物 体都由体都由 三类物

4、三类物 质组成质组成 水、无水、无 机离子机离子 和生物和生物 分子分子 |生物分子生物分子：是生物体和生命现象：是生物体和生命现象 的结构基础和功能基础，是生物的结构基础和功能基础，是生物 化学研究的基本对象。化学研究的基本对象。 |生物分子的主要类型包括：多糖、生物分子的主要类型包括：多糖、 脂质、核酸和蛋白质等生物大分脂质、核酸和蛋白质等生物大分 子子 维生素、辅酶、激素、核苷维生素、辅酶、激素、核苷 酸和氨基酸等。酸和氨基酸等。 在地球上存在的在地球上存在的9292种天然元素中，种天然元素中， 只有只有2828种元素在生物体内被发现种元素在生物体内被发现 第一类元素：包括第一类元素：包

5、括C、H、O和和N四四 种元素，种元素，是组成生命体最基本的元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素。这四种元素约占了生物体总质 量的量的99%99%以上。以上。 第二类元素：包括第二类元素：包括S、P、Cl、Ca、 K、Na和和Mg。这类元素也是组成这类元素也是组成 生命体的基本元素。生命体的基本元素。 第三类元素：包括第三类元素：包括Fe、Cu、Co、 Mn和和Zn。是生物体内存在的是生物体内存在的 主要少量元素。主要少量元素。 第四类元素：包括第四类元素：包括Al、As、B、 Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Se、 Si等等。 |生物大分子是由小分子单体聚合生物大分子是

6、由小分子单体聚合 而成的多聚体。而成的多聚体。 |如氨基酸如氨基酸蛋白质、核苷酸蛋白质、核苷酸核核 酸、葡萄糖酸、葡萄糖淀粉等。淀粉等。 |生物大分子执行着各种各样的生生物大分子执行着各种各样的生 物学功能，如生物催化、物质运物学功能，如生物催化、物质运 输、代谢调节、贮存、传递与表输、代谢调节、贮存、传递与表 达遗传信息等。达遗传信息等。 |它们复杂的空间结构是其功能的它们复杂的空间结构是其功能的 化学基础。化学基础。 2、 细胞中的物质代谢与能量代谢，细胞中的物质代谢与能量代谢， 或称中间代谢或称中间代谢(intermediary metabolism)， 也就是细胞中进也就是细胞中进 行

7、的化学过程行的化学过程 |合成代谢（合成代谢（anabolism）：）： 将小将小 分子的前体（分子的前体（precursor）经过特）经过特 定的代谢途径构建成较大的分子，定的代谢途径构建成较大的分子， 并且消耗能量。并且消耗能量。 |分解代谢（分解代谢（catabolism）：）： 将将 较大的分子经过特定的代谢途较大的分子经过特定的代谢途 径，分解成小的分子并且释放径，分解成小的分子并且释放 出能量。出能量。 3 3、组织和器官机能的生物化学组织和器官机能的生物化学 生命有机体是一个统一协调的整体。生命有机体是一个统一协调的整体。 任何组织器官的形态结构、代谢方任何组织器官的形态结构、代

8、谢方 式都是以其化学组成和分子结构为基础式都是以其化学组成和分子结构为基础 的。的。 在分子水平、细胞和组织水平以及在分子水平、细胞和组织水平以及 整体水平上全面、系统地认识动物组织整体水平上全面、系统地认识动物组织 器官的生理机能，认识它们之间的联系、器官的生理机能，认识它们之间的联系、 认识它们与环境互作的机制，也是动物认识它们与环境互作的机制，也是动物 生物化学的研究目的之一。生物化学的研究目的之一。 1、动物生物化学的发展：、动物生物化学的发展： 初期阶段（初期阶段（18世纪世纪-20世纪初）：世纪初）： |生物化学的研究始于生物化学的研究始于18世纪，但世纪，但 作为一门独立的科学是

9、在作为一门独立的科学是在20世纪世纪 初期。初期。 |主要研究生物体的化学组成，对主要研究生物体的化学组成，对 生物体各组成成分进行分离、纯生物体各组成成分进行分离、纯 化、结构测定、合成、理化性质化、结构测定、合成、理化性质 研究。研究。 蓬勃发展阶段（蓬勃发展阶段（20世纪初世纪初-20世世 纪中期）：纪中期）： |主要在营养学、内分泌学、酶主要在营养学、内分泌学、酶 学、物质代谢及其调控等方面学、物质代谢及其调控等方面 取得了重大进展。取得了重大进展。 |研究生物体内物质的变化，即研究生物体内物质的变化，即 代谢途径。代谢途径。 分子生物学发展阶段（从分子生物学发展阶段（从20世纪世纪

10、中期至今）：中期至今）： |主要有物质代谢途径的研究继续主要有物质代谢途径的研究继续 发展，重点进入代谢调节与合成发展，重点进入代谢调节与合成 代谢的研究。代谢的研究。 |人们通常将研究核酸、蛋白质等人们通常将研究核酸、蛋白质等 所有生物大分子的结构、功能及所有生物大分子的结构、功能及 基因结构、表达与调控的内容，基因结构、表达与调控的内容， 称为称为分子生物学分子生物学，所以分子生物，所以分子生物 学是生物化学的重要组成部分。学是生物化学的重要组成部分。 1780-1789，拉瓦锡，拉瓦锡 Lavoisier（法）研究（法）研究 “生物体内的燃烧生物体内的燃烧”， 指出此类指出此类“燃烧燃烧

11、”耗氧耗氧 并排出二氧化碳。后人并排出二氧化碳。后人 称他是生物化学之父。称他是生物化学之父。 1830-1842 Liebig（德）（德） 将食物分为糖、脂、蛋将食物分为糖、脂、蛋 白质类，提出白质类，提出“代谢代谢” 一词，证明动物体温形一词，证明动物体温形 成是食物在体内成是食物在体内“燃烧燃烧” 的缘故。最先写出两本的缘故。最先写出两本 生物化学生物化学相关专著。相关专著。 生物化学的创始人埃米尔生物化学的创始人埃米尔费舍尔（费舍尔（Emil Fischer） 18901902 Fischer （德）首次证明了蛋（德）首次证明了蛋 白质是多肽；发现酶白质是多肽；发现酶 的专一性，提出并

12、验的专一性，提出并验 证了酶催化作用的证了酶催化作用的 “锁锁-匙匙”学说；合成学说；合成 了糖及嘌呤。了糖及嘌呤。1902年年 获诺贝尔奖。获诺贝尔奖。 汉斯汉斯克雷勃斯（克雷勃斯（Hans A. Krebs） 1937年年 Krebs（英）（英） 发现三羧酸循环，发现三羧酸循环， 1953年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。 李纳斯李纳斯鲍林（鲍林（Linus Pauling） 1949 Pauling（美）指出（美）指出 镰刀形红细胞性贫血是一镰刀形红细胞性贫血是一 种分子病，并于种分子病，并于1951年提年提 出蛋白质存在二级结构。出蛋白质存在二级结构。 1954年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖 詹姆

13、斯詹姆斯沃森（沃森（James D. Watson） 1953年年 Watson（美）与（美）与 Crick（英）提出（英）提出DNA分子的双螺分子的双螺 旋结构模型，旋结构模型，1962年共获诺贝尔奖。年共获诺贝尔奖。 弗朗西斯弗朗西斯克里克（克里克（Francis H. Crick） 1969-1972, Arber(瑞士瑞士),Smith(美美)与与Nathans(美美)在核酸限制在核酸限制 酶的分离与应用方面做出突出贡献酶的分离与应用方面做出突出贡献,1978年共获诺贝尔奖。年共获诺贝尔奖。 1972 Berg（美）在基因工（美）在基因工 程基础研究方面作出了杰出程基础研究方面作出了杰

14、出 成果，获成果，获1980年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。 1973 Cohen等（美）用核等（美）用核 酸限制性内切酶酸限制性内切酶EcoR1，首，首 次基因重组成功。次基因重组成功。 Hamilton O. Smith Daniel Nathans Werner Arber Paul Berg Herbert Boyer Stanley Cohen 2001 Venter（美）等报道完成了人类基因组（美）等报道完成了人类基因组 草图测序。草图测序。 我国生物化学的开拓者吴宪吴宪教授 蛋白质研究领域内国际上最具有权威性的综蛋白质研究领域内国际上最具有权威性的综 述性丛书述性丛书Advances i

15、n Protein Chemistry第第47卷（卷（1995年）发表了美国年）发表了美国 哈佛大学教授、蛋白质研究的老前辈哈佛大学教授、蛋白质研究的老前辈J. T. Eddsall的文章的文章“吴宪与第一个蛋白质变性吴宪与第一个蛋白质变性 理论（理论（1931）Hsien Wu and the first Theory of Protein Denaturation(1931)”， 对吴宪教授的学术成就给予了极高的评价。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。一篇在蛋白质变性的论文。一篇在1931

16、年发表的年发表的 论文居然在论文居然在1995年仍然值得在第一流的丛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。的一件极为罕见的大事。 1940 我国生物化我国生物化 学家刘思职发现学家刘思职发现 抗体、抗原反应抗体、抗原反应 存在定量关系。存在定量关系。 刘思职刘思职 2、生物化学的前景和现状、生物化学的前景和现状 |生物大分子的结构、功能与相生物大分子的结构、功能与相 互作用互作用 |基因组学和蛋白质组学基因组学和蛋白质组学 |基因表达的调节基因表达的调节 | 细胞信号的传导细胞信号的传导 | 生物工程学生物工

17、程学 v 生物大分子的结构、功能与相互作用生物大分子的结构、功能与相互作用 大分子之间的相互作用；大分子结构模体（大分子之间的相互作用；大分子结构模体（motif）和结构域的）和结构域的 独特作用；生物大分子三维构象和构象运动进行描述独特作用；生物大分子三维构象和构象运动进行描述 ；蛋白质空间；蛋白质空间 构象的正确折叠和构象的正确折叠和“分子伴侣分子伴侣”（molecular chaperone）的作用；磷）的作用；磷 酸化、酰基化等化学修饰作用对于蛋白质和酶在快速、高效传递代谢酸化、酰基化等化学修饰作用对于蛋白质和酶在快速、高效传递代谢 信息和调节基因表达中的机制；核酸与蛋白质的相互作用与

18、基因表达信息和调节基因表达中的机制；核酸与蛋白质的相互作用与基因表达 的调节；催化核酸等。的调节；催化核酸等。 信息爆炸导致了信息爆炸导致了结构生物学结构生物学（structural biology）的诞生。）的诞生。 v 基因组学和蛋白质组学基因组学和蛋白质组学 “人类基因组计划人类基因组计划”（human genome project，HGP）历经）历经10个年个年 头，在进入本世纪后不久宣布完成，人类基因组的解读为疾病的诊断、头，在进入本世纪后不久宣布完成，人类基因组的解读为疾病的诊断、 防治和新药的研究开发提供了有力的武器。科学家已绘制出防治和新药的研究开发提供了有力的武器。科学家已绘

19、制出40余种生余种生 物的基因组图谱，基因组的研究将进入功能基因组（物的基因组图谱，基因组的研究将进入功能基因组（functional genomics）阶段，即确定基因结构与功能的应用阶段。）阶段，即确定基因结构与功能的应用阶段。 蛋白质组学蛋白质组学（proteomics）作为后基因组时）作为后基因组时 代生命科学新的研究领域正在崛起。它将一系列代生命科学新的研究领域正在崛起。它将一系列 精细的技术，主要有精细的技术，主要有2D-凝胶电泳、计算机图象分凝胶电泳、计算机图象分 析、质谱、氨基酸测序和生物信息学结合起来，析、质谱、氨基酸测序和生物信息学结合起来， 高通量地、综合地定量和鉴定蛋白

20、质。建立蛋白高通量地、综合地定量和鉴定蛋白质。建立蛋白 组的生物信息数据库，将为重大病症的发生提供组的生物信息数据库，将为重大病症的发生提供 新的预警和诊断标志，并为新药的开发提供新的新的预警和诊断标志，并为新药的开发提供新的 思路思路。 v 基因表达的调节基因表达的调节 1960年，年，F.Jacob和和J.Monod发现细菌利用乳糖时，相关酶的基因发现细菌利用乳糖时，相关酶的基因 表达时序受到严格的控制，于是提出了原核生物基因调节表达时序受到严格的控制，于是提出了原核生物基因调节操纵子操纵子 （operon）模型，开辟了对基因表达调节研究的新领域。）模型，开辟了对基因表达调节研究的新领域。

21、 真核基因表达的调控产要涉及核小体的重构、组蛋白的乙酰化、真核基因表达的调控产要涉及核小体的重构、组蛋白的乙酰化、 DNA的甲基化等化学修饰和的甲基化等化学修饰和DNA超螺旋的拓扑异构化；基因的的调超螺旋的拓扑异构化；基因的的调 节也在转录后的加工、翻译和新生多肽链的化学修饰等各个层次上进节也在转录后的加工、翻译和新生多肽链的化学修饰等各个层次上进 行。行。 这一领域的研究将最终揭开生命的进化、胚胎的分化、个体的生这一领域的研究将最终揭开生命的进化、胚胎的分化、个体的生 长、发育、繁殖、衰老、疾病和死亡之谜。长、发育、繁殖、衰老、疾病和死亡之谜。 v 细胞信号的传导细胞信号的传导 第二信使学说第二信使学说 cAMP、cGMP、IP3、DG、Ca2+等等 G蛋白偶联系统蛋白偶联系统 G蛋白、蛋白、PKA、PKG、PKC和和TPK信号转导系统等信号转导系统等 小分子气体物质小分子气体物质 NO、CO v 生物工程学生物工程学 到到70年代，重组年代，重组DNA技术（技术（Recombinant DNA technology）诞生，）诞生， 人类可以按照自己的意愿改造遗传基因和操纵遗传过程。