Introduction2009

1、生物化学与分子生物学生物化学与分子生物学Biochemistry & Molecular Biology 杨杨 广广 笑笑 华中科技大学生命科学与技术学院华中科技大学生命科学与技术学院 中英基因工程与基因组学联合实验室中英基因工程与基因组学联合实验室 Tel:87792271(O) 63035855(PHS)Tel:87792271(O) 63035855(PHS) Email:Email:教学目标教学目标: :介绍生物化学与分子生物学的基本原理、介绍生物化学与分子生物学的基本原理、研究方法和最新研究进展，通过学习使学生理解生物研究方法和最新研究进展，通过学习使学生理解生物分子特别是生

2、物大分子的结构、性质与功能以及生物分子特别是生物大分子的结构、性质与功能以及生物分子在体内的代谢、基因表达及其调控的规律，了解分子在体内的代谢、基因表达及其调控的规律，了解生物化学和分子生物学技术的基本原理与应用。生物化学和分子生物学技术的基本原理与应用。教学方式：教学方式：讲授结合课堂讨论，多媒体授课。讲授结合课堂讨论，多媒体授课。成绩计算：成绩计算：出勤、平时成绩、考试成绩出勤、平时成绩、考试成绩。 学时学时/ /学分：学分：88/5.588/5.5 参考教材：参考教材： 1. 王镜岩，朱圣庚，徐长法主编王镜岩，朱圣庚，徐长法主编.生物化学生物化学，高等教育出，高等教育出 版社，第三版，版

3、社，第三版，2002. 2. 朱玉贤，李毅朱玉贤，李毅. 现代分子生物学现代分子生物学 (2nd edition), 高等教育出高等教育出 版版 社社, 2002 3. P.C.特纳等著，刘进元等译特纳等著，刘进元等译. 分子生物学分子生物学现代生物学精要速览现代生物学精要速览 中文版，科学出版社，中文版，科学出版社，2001 4. David L. Nelson, Michael M. Cox . Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition, 2005 5. Benjamin Lewin, Gene IX, 2006生物化学和分子

4、生物学相关的杂志生物化学和分子生物学相关的杂志l生命的化学生命的化学l生物化学与生物物理进展生物化学与生物物理进展l中国生物化学与分子生物学报中国生物化学与分子生物学报lBiochemistry & Molecular BiologylBiochemistrylEMBO J.lBiochem. Biophys. Res. Commun. lBiochem. Cell Biol. lBIOCHEM J lBIOCHIMIE lJ.Biochem. lJ.Biochem. Mol. Biol.lJ.BIOL. CHEM. lScience lNature lCelllPNASlCurren

5、t Opinion in CelllCurrent Opinion in Cell BiologylCurrent Opinion in Genetics lCurrent Opinion inlCurrent Opinion in ImmunologylCurrent Opinion in BiologylCurrent Biology 教学内容教学内容1.1.绪论绪论2.2.糖与脂糖与脂3.3.氨基酸氨基酸4.4.肽肽5.5.蛋白质通论蛋白质通论6.6.蛋白质构象蛋白质构象7.7.蛋白质性质与分离纯化蛋白质性质与分离纯化8.DNA8.DNA的结构与性质的结构与性质9.RNA9.RNA的结构

6、与性质的结构与性质10.10.酶是生物催化剂酶是生物催化剂11.11.酶的结构特征酶的结构特征12.12.酶的催化特征酶的催化特征13.13.酶的催化特征酶的催化特征14.14.酶的动力学酶的动力学15.15.代谢总论代谢总论16.16.生物能学生物能学17.17.糖酵解和糖异生糖酵解和糖异生18.18.磷酸戊糖途径和糖元合成磷酸戊糖途径和糖元合成19.19.柠檬酸循环柠檬酸循环20.20.脂肪酸脂肪酸b b- -氧化与生物合成氧化与生物合成21.21.电子传递和氧化磷酸化电子传递和氧化磷酸化22.22.代谢途径的联系与调节代谢途径的联系与调节23.23.胆固醇的生物合成胆固醇的生物合成24.

7、24.氨基酸的生物合成氨基酸的生物合成25.25.核苷酸的生物合成核苷酸的生物合成26.DNA26.DNA的复制的复制27.DNA27.DNA修复修复28.RNA28.RNA的转录的转录29.RNA29.RNA的加工的加工30.30.蛋白质的翻译蛋白质的翻译31.31.蛋白质翻译后的加工蛋白质翻译后的加工32.32.细胞信号细胞信号33.33.操纵子模型操纵子模型34.34.启动子和终止子的调控启动子和终止子的调控35.35.l l- -噬菌体基因表达调控和噬菌体基因表达调控和 大肠杆菌大肠杆菌s s- -因子的调控因子的调控36.36.真核基因组真核基因组37.37.真核基因表达调控机制真核

8、基因表达调控机制38.38.蛋白质分离纯化与鉴定蛋白质分离纯化与鉴定39.39.核酸分离纯化与鉴定核酸分离纯化与鉴定40.40.可移动的遗传因子可移动的遗传因子41.DNA41.DNA重组重组42.DNA42.DNA重组技术重组技术第一章第一章 绪绪 论论 1.1.概念概念生物化学生物化学（BiochemistryBiochemistry、Biological chemistryBiological chemistry）：）： 是研究生物体（微生物是研究生物体（微生物、植物植物、动物及人体）的化动物及人体）的化学组成和生命过程中的化学变化规律的科学。学组成和生命过程中的化学变化规律的科学。分子

9、生物学分子生物学（Molecular BiologyMolecular Biology）：生物化学有机地）：生物化学有机地融合了微生物学、遗传学和细胞生物学的有关知融合了微生物学、遗传学和细胞生物学的有关知识识形成了现代的分子生物学。它主要是在从分子形成了现代的分子生物学。它主要是在从分子水平上理解生命活动，主要研究遗传信息的传递水平上理解生命活动，主要研究遗传信息的传递（复制）、保持（损伤和修复）、基因的表达（转（复制）、保持（损伤和修复）、基因的表达（转录和翻译）与调控。录和翻译）与调控。 分子生物学是生物化学发展的一个新阶段分子生物学是生物化学发展的一个新阶段l发现和阐明构成生命物体的分

10、子基础发现和阐明构成生命物体的分子基础生物分子的生物分子的化学组成化学组成、结构和性质；、结构和性质；l新陈代谢；新陈代谢；l生物分子的结构功能与生命现象的关系；生物分子的结构功能与生命现象的关系；l生物分子在生物机体中的相互作用及其变化规律；生物分子在生物机体中的相互作用及其变化规律；l基因表达调控；基因表达调控；lDNADNA重组技术。重组技术。2. 2. 研究内容研究内容3.3.生命体的元素组成生命体的元素组成组成生命体的物质是极其复杂的。但在地球上组成生命体的物质是极其复杂的。但在地球上存在的存在的9292种天然元素中，只有约种天然元素中，只有约3030种元素在生种元素在生物体内被发现

11、物体内被发现第一类元素：包括第一类元素：包括C C、H H、O O和和N N四种元素，是组四种元素，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物体总质量的99%99%以上。以上。第二类元素：包括第二类元素：包括S S、P P、ClCl、CaCa、K K、NaNa和和MgMg。这类元素也是组成生命体的基本元素。这类元素也是组成生命体的基本元素。第三类元素：包括第三类元素：包括FeFe、CuCu、CoCo、MnMn和和ZnZn。是。是生物体内存在的主要痕量元素。生物体内存在的主要痕量元素。第四类元素：包括第四类元素：包括AlAl、AsAs、B

12、B、BrBr、CrCr、F F、GaGa、I I、MoMo、SeSe、SiSi等等。由此可见：组成生命体的元素组成与生物圈的元由此可见：组成生命体的元素组成与生物圈的元素组成即相似又有显著差异。素组成即相似又有显著差异。C C、H H、O O和和N N四种元素是根据适合性（四种元素是根据适合性（fitness)fitness)被被选中的。其共同特征选中的。其共同特征: :轻，容易形成轻，容易形成1 1，2 2，3 3和和4 4个个共价键，其之间可以形成单键或双键，具有广泛共价键，其之间可以形成单键或双键，具有广泛的化学结合方式。的化学结合方式。ClCl、CaCa、K K、NaNa和和MgMg常

13、以单原子离子形式存在于细常以单原子离子形式存在于细胞溶胶中，主要维持细胞渗透压、离子梯度以及胞溶胶中，主要维持细胞渗透压、离子梯度以及中和生物大分子的电荷等非专一性作用，因此可中和生物大分子的电荷等非专一性作用，因此可以认为这些元素是根据可得性（以认为这些元素是根据可得性（availability)availability)而而被选中的。被选中的。4.4.生物体的化学组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组成：水、无机离子和生物分子5. 生物分子（生物分子（biomolecule）1 1）生物分子都是碳的化合物）生物分

14、子都是碳的化合物 糖类（碳水化合物）糖类（碳水化合物） 脂类脂类 蛋白质蛋白质 核酸核酸(DNA (DNA 、 RNA)RNA) 代谢物：氨基酸、糖、有机酸、核苷酸代谢物：氨基酸、糖、有机酸、核苷酸. 其他有机小分子：其他有机小分子： 维生素、辅酶、激素、色素等。维生素、辅酶、激素、色素等。 这是因为碳在成键方面的多能性是生物起源和这是因为碳在成键方面的多能性是生物起源和进化过程中选择碳化合物作为细胞分子机器的主要进化过程中选择碳化合物作为细胞分子机器的主要原因。原因。 2 2）生物大分子及其构件）生物大分子及其构件 许多生物分子许多生物分子( (如：多糖、蛋白质和核酸）如：多糖、蛋白质和核酸

15、）都是相对分子量高的多聚体都是相对分子量高的多聚体(polymer),(polymer),由小的、由小的、相对简单的有机物称为构件分子（相对简单的有机物称为构件分子（block-block-building molecule)building molecule)组成，这些多聚体称生物大组成，这些多聚体称生物大分子（分子（biomacromoleculebiomacromolecule) )，相对分子量为几十，相对分子量为几十万万- -几百万几百万DaDa； 构件分子也称单体（构件分子也称单体（monomer)monomer)，如氨基酸、，如氨基酸、单糖、核苷酸等单糖、核苷酸等, ,相对分子量为

16、相对分子量为500 Da500 Da。l全部生物分子归根结底都是由环境中获得的小全部生物分子归根结底都是由环境中获得的小分子前体如分子前体如O O2 2、H H2 2O O、NHNH3 3和和N N2 2组成的。组成的。l经过一系列代谢反应形成中间代谢物如：丙酮经过一系列代谢反应形成中间代谢物如：丙酮酸、苹果酸、柠檬酸和酸、苹果酸、柠檬酸和3-3-磷酸甘油等并转变为磷酸甘油等并转变为各种构件分子如：氨基酸、单糖、核苷酸、脂各种构件分子如：氨基酸、单糖、核苷酸、脂肪酸、甘油和胆碱等。肪酸、甘油和胆碱等。l这些构件分子经过共价缩合形成核酸、蛋白质、这些构件分子经过共价缩合形成核酸、蛋白质、多糖等生

17、物大分子，后者借助非共价键缔合成多糖等生物大分子，后者借助非共价键缔合成超分子复合物或集装体（超分子复合物或集装体（supermoleculesupermolecule complex or assembly);complex or assembly);l进而组装成更大的细胞器（进而组装成更大的细胞器（organelle)organelle)、细胞、细胞等生物结构。等生物结构。 6. 生化与分子生物学的发展史生化与分子生物学的发展史Three key events has shaped biochemistry:Synthesis of urea (1828, Fredrich Wohler,

18、 compounds found exclusively in living organisms could be synthesized from common inorganic substances).Roles of enzymes (1897, Eduard Buchners cell-free fermentation; Emil Fischers work on enzymes).Roles of nucleic acids (1944, Avery-Macleod-McCartys experiment on the transformation principles of b

19、acterial cells). 分子生物学发展的重要阶段分子生物学发展的重要阶段第一阶段第一阶段 遗传的物质基础遗传的物质基础 孟德尔遗传理论，摩尔根基因学说；孟德尔遗传理论，摩尔根基因学说；第二阶段第二阶段 基因化学性质基因化学性质 KosselKossel首先分离出腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸，首先分离出腺嘌呤、胸腺嘧啶和组氨酸， OchoaOchoa发现细菌的多核苷酸磷酸化酶，并合成了核糖发现细菌的多核苷酸磷酸化酶，并合成了核糖核酸；核酸；第三阶段第三阶段 DNADNA的结构的结构 Watson Watson 和和Crick DNA Crick DNA 模型；模型；第四阶段第四阶段 基因的

20、作用方式基因的作用方式 Jacob Jacob 和和Monod Monod 乳糖操纵子模型；乳糖操纵子模型；NirenbergNirenberg等破译遗传密码；等破译遗传密码；第五阶段第五阶段 现代分子生物学现代分子生物学 Temin Temin 和和 BaitimoreBaitimore 逆转录的发现；逆转录的发现；Sanger DNA Sanger DNA 测序法；测序法；BergBerg的第一个基因工程菌的第一个基因工程菌的完成；各种工具酶的发现；的完成；各种工具酶的发现；MullisMullis的的PCRPCR技术技术等等 2020世纪九十以来，开始了全球性基因组计划。世纪九十以来，开

21、始了全球性基因组计划。 (August) NIH (National Institutes of Health) begins large-scale sequencing trials on four model organisms: Mycoplasma capricolum (支原体支原体), Escherichia coli (大肠杆菌大肠杆菌）Caenorhabditis elegans (线虫线虫), Saccharomyces cerevisiae (啤酒酵母啤酒酵母) and. (July) Venter and Claire Fraser of TIGR and Hamilt

22、on Smith of Johns Hopkins publish the first sequence of a free-living organism, Haemophilus influenzae, (流感嗜血杆菌流感嗜血杆菌) 1.8 Mb (Science).（1995） published the sequence of Haemophilus influenzael(March) Celera and academic collaborators sequence the 180-Mb genome of the fruit fly Drosophila melanogaste

23、r (果蝇果蝇) (left), the largest genome yet sequenced and a validation of Venters controversial whole genome shotgun method (Science).（2000） published the sequence of Drosophila melanogaster (December) An international consortium completes the sequencing of the first plant, Arabidopsis thaliana (拟南芥拟南芥)

24、 125 Mb（2000） published the sequence of Arabidopsis thaliana （1991） rice genome sequencing begins(October) The Japanese rice genome sequencing effort begins.(2002 ) A Draft Sequence of Rice Genome was published by scientist from China and Syngenta, USA (2001) Draft Sequence ofHuman Genome PublishedT

25、he HGP consortium publishes its working draft in Nature (15 February), and Celera publishes its draft in Science (16 February).847 organism genomes have been sequencedBacteria (700)Archaea (53)Eukarya (94)Bacteria (1905)Archaea (97)Eukarya (951)1953 more are in progress(/)

26、遗传图遗传图物理图物理图序列图序列图结构基因组学结构基因组学1/2 of all genes “identified” have no known function 人类基因组以及多种模式生物、重要生物人类基因组以及多种模式生物、重要生物基因组全序列的完成，标志着生命科学研基因组全序列的完成，标志着生命科学研究进入所谓的究进入所谓的“后基因组时代后基因组时代 (postgenome(postgenome era)”, era)”, 即产生了功能基因即产生了功能基因组学（组学（Functional GenomicsFunctional Genomics）转录组学转录组学蛋白质组学蛋白质组学代谢组

27、学代谢组学表型组学表型组学相互作用组相互作用组 功能基因组学功能基因组学Genomics and Proteomics a new field with a new vocabularyOmics: means area of researchDNARNAProteinsMetabolitesProtein-DNA, Protein-RNAProtein-proteinGenomeTranscriptomeMetabolomeProteomeInteractome功能基因组学采用一些新的技术，如转录组学功能基因组学采用一些新的技术，如转录组学应用微阵列应用微阵列(Microarray)(Mic

28、roarray)、DNADNA芯片芯片(DNA chip(DNA chip）及及SAGE(Serial analysis of gene expression)SAGE(Serial analysis of gene expression)等技术，可对成千上万的基因表达进行分析比较，等技术，可对成千上万的基因表达进行分析比较，并从基因整体水平上对基因的活动规律进行阐述，并从基因整体水平上对基因的活动规律进行阐述，力求从细胞水乎上解决基因组问题；蛋白质组学力求从细胞水乎上解决基因组问题；蛋白质组学技术旨在快速、高效、大规模鉴定基因产物和功技术旨在快速、高效、大规模鉴定基因产物和功能能, ,建立对

29、生命现象的整体认识。建立对生命现象的整体认识。 后基因组时代将对生命科学、医学和农业产后基因组时代将对生命科学、医学和农业产生深刻的影响；由此发展的新技术在科学研究和生深刻的影响；由此发展的新技术在科学研究和实践中的应用前景无限光明。实践中的应用前景无限光明。l 有关细胞分化、生长、发育机理及其调控有关细胞分化、生长、发育机理及其调控l 人类重要疾病相关基因及其功能、药物开发人类重要疾病相关基因及其功能、药物开发l 脑功能：神经活动、学习、记忆过程脑功能：神经活动、学习、记忆过程.美国美国“科学引文索引（科学引文索引（SCISCI） ” ” 引用指数引用指数（Impact factorImpa

30、ct factor）在）在1010以上的超一流学术刊物，以上的超一流学术刊物，80%80%左右是生物科学相关刊物左右是生物科学相关刊物学 科杂志总数平均引用指数30杂志数总 论317.80化 学211.80物 理522.02数 学118.20生物3819.17引用指数在引用指数在1010以上的自然科学刊物分科比较以上的自然科学刊物分科比较二十一世纪是现代生物科学的世纪二十一世纪是现代生物科学的世纪二十一世纪人类面临的问题与挑战二十一世纪人类面临的问题与挑战7. 生化与分子生物学研究领域的诺贝尔奖生化与分子生物学研究领域的诺贝尔奖Two categories: Physiology or Med

31、icine; Chemistry.n1902 Emil Fischer (sugar and purine syntheses).n1907 Eduard Buchner (cell-free fermentation).n1910 Albrecht Kossel (cell chemistry made through work on proteins, including the nucleic substances).n1915 Richard Willsttter (plant pigments).n1922 Archibald V. Hill (production of heat

32、in the muscle), Otto Meyerhof (fixed relationship between the consumption of oxygen and the metabolism of lactic acid in the muscle)n1923 Frederick G. Banting, John Macleod (insulin).n1927 Heinrich Wieland (bile acids). 1928 Adolf Windaus (sterols). 1929 Arthur Harden, Hans von Euler-Chelpin (fermen

33、tation of sugar and fermentative enzymes). 1929 Christiaan Eijkman (antineuritic vitamin-VB1 ), Sir Frederick Hopkins (growth-stimulating vitamins). 1930 Hans Fischer (haemin(血晶素血晶素) ) and chlorophyll). 1931 Otto Warburg (nature and mode of action of the respiratory enzyme). 1937 Albert Szent-Gyrgyi

34、 (biological combustion, vitamin C and the catalysis of fumaric acid反丁烯二酸反丁烯二酸( (富马酸富马酸) ) ). 1937 Norman Haworth (carbohydrates and vitamin C), Paul Karrer (carotenoids, flavins and vitamins A and B2). 1938 Richard Kuhn (carotenoids and vitamins). 1939 Adolf Butenandt (sex hormones), Leopold Ruzick

35、a (terpenes). 1943 Henrik Dam, Edward A. Doisy(vitamin K). 1945 Sir Alexander Fleming, Ernst B. Chain, Sir Howard Florey (penicillin). 1946 James B. Sumner, John H. Northrop, Wendell M. Stanley (enzyme and protein cystallization). 1947 Carl Cori, Gerty Cori (catalytic conversion of glycogen), Bernar

36、do Houssay (hormone of the anterior pituitary lobe(垂体前叶垂体前叶) in the metabolism of sugar). 1947 Sir Robert Robinson (alkaloids). 1948 Arne Tiselius (electrophoresis, serum proteins). 1950 Edward C. Kendall, Tadeus Reichstein, Philip S. Hench (hormones of the adrenal cortex). 1952 Selman A. Waksman (s

37、treptomycin). 1952 Archer J.P. Martin, Richard L.M. Synge (partition chromatography). 1953 Hans Krebs (citric acid cycle) , Fritz Lipmann (co- enzyme A). 1953 Hermann Staudinger (macromolecular chemistry). 1954 Linus Pauling (structure of complex substances). 1955 Hugo Theorell (nature and mode of a

38、ction of oxidation enzymes). 1955 Vincent du Vigneaud (biochemically important sulphur compounds). 1957 Lord Todd (nucleotides and nucleotide co-enzymes). 1958 George Beadle, Edward Tatum (genes act by regulating definite chemical events), Joshua Lederberg (genetic recombination and the organization

39、 of the genetic material of bacteria). 1958 Frederick Sanger (structure of proteins). 1959 Severo Ochoa, Arthur Kornberg (biological synthesis of ribonucleic acid and deoxyribonucleic acid). 1961 Melvin Calvin (carbon dioxide assimilation in plants). 1962 Francis Crick, James Watson, Maurice Wilkins

40、 (molecular structure of nucleic acids). 1962 Max F. Perutz, John C. Kendrew (structures of globular proteins). 1964 Konrad Bloch, Feodor Lynen (cholesterol and fatty acid metabolism). 1964 Dorothy Crowfoot Hodgkin (structures of important biochemical substances). 1965 Franois Jacob, Andr Lwoff, Jac

41、ques Monod (genetic control of enzyme and virus synthesis). 1968 Robert W. Holley, H. Gobind Khorana, Marshall W. Nirenberg (interpretation of the genetic code and its function in protein synthesis). 1969 Max Delbrck, Alfred D. Hershey, Salvador E. Luria (replication mechanism and the genetic struct

42、ure of viruses). 1970 Luis Leloir (sugar nucleotides). 1971 Earl W. Sutherland, Jr (mechanisms of the action of hormones). 1972 Gerald M. Edelman, Rodney R. Porter (chemical structure of antibodies). 1972 Christian Anfinsen (amino acid sequence and the biologically active conformation), Stanford Moo

43、re, William H. Stein (catalytic activity of the active centre of the ribonuclease). 1975 David Baltimore, Renato Dulbecco, Howard M. Temin (interaction between tumour viruses and the genetic material of the cell). 1975 John Cornforth (stereochemistry of enzyme-catalyzed reactions). 1977 Roger Guille

44、min, Andrew V. Schally, Rosalyn Yalow (peptide hormones) 1978 Werner Arber, Daniel Nathans, Hamilton O. Smith (restriction enzymes). 1978 Peter Mitchell (chemiosmotic theory of biological energy transfer). 1980 Paul Berg (recombinant-DNA), Walter Gilbert, Frederick Sanger (nucleic acid sequencing).

45、1982 Sune K. Bergstrm, Bengt I. Samuelsson, John R. Vane (prostaglandins). 1982 Aaron Klug (structural elucidation of biologically important nucleic acid-protein complexes). 1983 Barbara McClintock (mobile genetic elements). 1984 Bruce Merrifield (chemical synthesis of polypeptides and polynucleotid

46、es). 1985 Michael S. Brown, Joseph L. Goldstein (regulation of cholesterol metabolism). 1986 Stanley Cohen, Rita Levi-Montalcini (growth factors). 1987 Susumu Tonegawa (generation of antibody diversity) 1988 Sir James W. Black, Gertrude B. Elion, George H. Hitchings (principles for drug treatment).

47、1988 Johann Deisenhofer, Robert Huber, Hartmut Michel (photosynthetic reaction centre). 1989 J. Michael Bishop, Harold E. Varmus (oncogenes). 1989 Sidney Altman, Thomas R. Cech (catalytic properties of RNA). 1991 Erwin Neher, Bert Sakmann (single ion channels). 1992 Edmond H. Fischer, Edwin G. Krebs

48、 (reversible protein phosphorylation). 1993 Richard J. Roberts, Phillip A. Sharp (split genes,裂解基因裂解基因). 1993 Kary B. Mullis (polymerase chain reaction), Michael Smith (site-directed mutagenesis). 1994 Alfred G. Gilman, Martin Rodbell (G-proteins). 1995 Edward B. Lewis, Christiane Nsslein-Volhard, Eric F. Wieschaus (genetic control of early embryonic development). 1997 Stanley B. Prusiner (Prions,朊病毒朊病毒). 1997 Paul D. Boyer (synthes