生物化学第一章 绪论

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生物化学研究生物体的化学，是研究生物体分子组成及变化规律的基础科学，是对生命现象最为基础、最为深入的分子水平的机制探讨。

分子生物学通常对生物大分子的结构、功能及其代谢调控等的研究，称为分子生物学。

从广义的角度可将分子生物学视为生物化学的重要组成部分。(Introduction)

第一章绪论生物体的化学组成，生物分子的结构、性质及功能；生物分子的分解和合成，反应过程中能量的变化，及新陈代谢的调节与控制；（新陈代谢过程中物质的化学变化、能量变化及调控机制）生物信息分子的合成及其调控，也就是遗传信息的贮存、传递和表达。一、生物化学研究内容

(一)人体的物质组成

(占体重)水：55％～67％蛋白质：15％～18％脂类：10％～15％糖类：1％～2％无机盐：3％～4％

(二)生物分子的结构与功能

结构是功能的基础，而功能是结构的体现。生物大分子的功能可通过分子之间的相互识别和作用来实现，如蛋白质、核酸自身之间、蛋白质与核酸之间的相互作用在基因表达调节中起着决定性作用。目前这一领域的研究是生物化学的热点之一。蛋白质、脂类、糖类及核酸属于生物体内的大分子有机化合物，简称生物分子。

(三)物质代谢及其调节生物体的基本特征是新陈代谢，从一种生物分子转化为另一种生物分子所经历的化学反应过程称为代谢，这其中又伴随着能量的变化（放能和需能）。生物体内各种不同的代谢途径构成复杂的代谢网络，各种生物分子通过代谢网络进行相互转化。生物分子在生物体内并不是静态的，而是在时时刻刻的发生变化，包括：(四)遗传信息传递及调控

1.基因信息传递涉及到遗传、变异、生长、分化等生命过程，与遗传性疾病、恶性肿瘤、代谢异常性疾病、免疫缺陷性疾病、心血管病等的发病机制有关。2.随着基因工程技术的发展，许多基因工程产品将应用于疾病的诊断和治疗。进一步研究基因信息传递过程的机制及基因表达调控的规律(DNA重组、转基因、基因剔除、基因克隆、人类基因组计划及功能基因组计划)将大大推动这一领域的研究进程。DNA复制RNA复制转录逆转录蛋白质翻译遗传的分子基础在内容上属于分子生物学，讲述的是基因的传递与蛋白质的表达过程（中心法则），包括：

生物化学是既古老又年轻的一门学科。在我国可追溯到公元前21世纪，而欧洲约为200年前。直到1903年才由德国科学家C.A.

Neuberg提出“Biochemistry”

而成为一门独立的学科。二、生物化学发展简史(一)古代生物化学的发展1.公元前21世纪我国人民已能用曲(麯

)造酒，称曲为酒母，即酶。

2.公元前12世纪前，我们的祖先已能利用豆、谷、麦等为原料，制成酱、饴和醋，饴是淀粉酶催化淀粉水解的产物，这足已表明是酶学的萌芽时期。

3.汉代淮南王刘安制作豆腐，说明当时在提取豆类蛋白质方面已经应用了近代生物化学及胶体化学的方法。4.公元7世纪孙思邈用猪肝治疗雀目的记载，实际上是用富含维生素A的猪肝治疗夜盲症。

5.北宋沈括记载的“秋石阴炼法”，实际上就是采用皂角汁沉淀等方法从尿中提取性激素制剂。6.明末宋应星记载的用石灰澄清法将甘蔗制糖的工艺，被近代公认为最经济的方法。(二)近代生物化学的发展

1.18世纪下半叶，德国药师K.Scheele首次从动植物材料中，分离出乳酸、柠檬酸、酒石酸、苹果酸、尿酸和甘油等。

2.法国化学家A.L.Lavoisier的实验证明，有机体的呼吸和蜡烛的燃烧同样都是碳氢化合物的氧化。在氧化过程中，氧被消耗而水和二氧化碳被生成，同时放出热能。这一发现被视为生物氧化研究的开端。

3.1868年瑞士青年医生F.Miescher发现了核素，后来定名为核酸，为后续的研究作出了重要贡献。(三)现代生物化学的发展1.20世纪初期

德国化学家E.Fischer在发现缬氨酸、脯氨酸和羟脯氨酸之后，又用化学方法合成了18个氨基酸的多肽。我国生物化学家吴宪等在血液分析方面，创立了血滤液的制备及血糖的测定等方法，并在蛋白质的研究中，提出了蛋白质变性的学说。在营养学方面，发现了必需氨基酸、必需脂肪酸及多种维生素；在内分泌学方面，发现了多种激素；在酶学方面，酶结晶获得成功。在物质代谢方面，确定了主要代谢途径，包括糖代谢及三羧酸循环、脂肪酸β氧化、尿素合成等。

2.20世纪50年代初期发现了蛋白质α螺旋的二级结构形式，完成了胰岛素的氨基酸全序列分析等。

1953年J．D．Watson和F．H．Crick提出的DNA双螺旋结构模型，为揭示遗传信息传递规律奠定了基础。

1965年我国生物化学工作者采用人工合成方法，首次合成具有生物活性的蛋白质——结晶牛胰岛素，同时还采用X线衍射方法成功地测定猪胰岛素分子的空间结构，分辨率达0.18nm。

Nirenberg等人经过5年多的努力于1966年终于破译了mRNA分子中的遗传密码，书写了最为激动人心的篇章。

3.20世纪70年代重组DNA技术的建立，不仅促进了对基因表达调控机制的研究，而且使人们主动改造生物体成为可能。由此，相继获得了多种基因工程产品，大大推动了医药工业和农业的发展。转基因动植物和基因剔除的成功是重组DNA技术发展的结果。基因诊断与基因治疗也是重组DNA技术在医学领域中应用的重要方面。

1981年我国生物化学工作者首次成功的合成了酵母丙氨酰tRNA。核酶(ribozyme)的发现补充了对生物催化剂本质的认识。聚合酶链反应(PCR)技术的发明，使体外高效扩增DNA成为可能。

4.20世纪90年代开始实施的人类基因组计划(humangenomeproject，HGP)是生命科学领域有史以来最庞大的全球性研究计划，旨在确定人类基因组的全部序列。进入21世纪后，随着人类基因组草图的公布，将进一步深入研究各种基因的功能与调节。近年来蛋白质组学、RNA组学等的研究迅速兴起，这些研究结果必将进一步加深人们对生命本质的认识，也将极大地推动医学的发展。三、生物化学与医学生物化学既是重要的医学基础学科，又与医学的发展密切相关相互促进。各种疾病发病机制的阐明，诊断手段、治疗方案、预防措施等的实施，都无一不依据生物化学的理论和技术。(一)发病机制的阐明1.糖类代谢紊乱导致的糖尿病。2.脂类代谢紊乱导致的动脉粥样硬化。3.氨代谢异常与肝性脑病。4.胆色素代谢异常与黄疸。5.维生素缺乏与夜盲症和佝偻病。6.基因突变导致肿瘤和分子病。7.遗传性酶缺乏导致白化病、痛风等。8.蛋白质空间构象改变导致疯牛病。(二)疾病的诊断、治疗和预防1.体液中无机盐类、有机化合物和酶类等的检测诊断。2.PCR技术和基因诊断检测技术的临床应用、法医学鉴定和流行病学调查。3.遗传病基因疗法、传染病基因疗法、肿瘤基因疗法和其他疾病基因疗法的完善和应用。4.基因工程药物(如胰岛素)的研究开发应用。

生物化学的发展必将对临床、预防、护理、影像、检验和药学等领域产生重大影响。只有扎实地掌握生物化学的基本理论和基本技能，才能有望成为合格的医务工作者。

四、生物化学的知识框架和学习方法（一）生命物质主要元素组成的规律（二）生物大分子组成的共同规律（三）物质代谢和能量代谢的规律性（四）生物界遗传信息传递的统一性（一）生命物质主要元素组成的规律在生物体内，碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、（P）、硫（S）6种是生物大分子（蛋白质、核酸、糖类和脂类）的主要组成元素，与在机体内同样占有较大比例的钙（Ca）、钾（K）、钠（Na）、氯（Cl）、镁（Mg）统称常量元素。钒（V）、镍（Ni）、硼（B）、锡（Sn）、硅（Si）为微量元素，另外铁（Fe）、碘（I）、锌（Zn）、锰（Mn）、钴（Co）、钼（Mo）、铜（Cu）、硒（Se）、铬（Cr）、氟（F）10种是人体不可缺少的必需微量元素。以上26种元素对于构成生物大分子的结构，对维持生物体的物质代谢、能量代谢及生命过程中的各种生理功能起着至关重要的作用，称为生物体的必需元素。氮、氧、硫、磷元素构成了生物分子碳骨架上的氨基（–NH2）、羟基（–OH）、羰基（–CO–）、羧基（–COOH）、巯基（–SH）、磷酸基（–PO4）等。（二）生物大分子组成的共同规律生物多样性与各种神奇的生命现象均是由蛋白质、核酸、糖类和脂质的复杂多变形成的。然而，这些复杂多变的生物大分子在结构上有着共同的规律性。蛋白质——氨基酸，氨基酸通过肽链相连，肽链连接方向N端→C端，蛋白质主链骨架呈“肽单位”重复。核酸——核苷酸，核苷酸通过3’,5’-磷酸二酯键相连，核酸链方向5’→3’,核酸主链骨架呈“磷酸-核糖（或脱氧核糖）”重复。糖类——单糖，单糖间通过糖苷键相连，淀粉、纤维素、糖原的糖链骨架呈“葡萄糖基”重复。脂质——甘油、脂肪酸和取代基，非极性烃长链也是一种重复结构。生物大分子主干链的重复性是生物大分子稳定性的基础。（三）物质代谢和能量代谢的规律性新陈代谢是生命的特征。（1）新陈代谢的化学反应类型：C-C键的断裂和形成、分子重排、构件分子间脱水缩合反应、基团转移反应和氧化还原反应。（2）三羧酸循环是新陈代谢的共同途径：参与新陈代谢的各种分子间（少数除外）通常可以相互转换，其转换枢纽为三羧酸循环，它不仅是糖分解代谢的主要途径，也是其他生物大分子氧化分解的必经途径。

（3）生物体内的合成代谢也有共同的规律性：由基本结构单元构建生物大分子时，结构单元需先经过活化，这是生物大分子合成代谢的共同规律：以葡萄糖为原料合成糖原时，葡萄糖要活化成ADPG或UDPG；以乙酰辅酶A合成脂肪酸时，乙酰辅酶A要活化成丙二酰辅酶A；合成DNA、RNA时，结构单元dNMP和NMP要活化成dNTP和NTP；以氨基酸为原料合成蛋白质时，氨基酸要活化为氨酰-tRNA。生物大分子合成时均有一定的方向性：糖原合成时，链由还原端向非还原端方向延伸；脂肪酸合成时，链由甲基端向羧基端方向延伸；核酸合成时，链由5’端向3’端方向延伸；蛋白质合成时，肽链由N