基础生物化学绪论

基础生物化学绪论第1页/共66页第2页/共66页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.代谢调节第3页/共66页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第4页/共66页参考书目生物化学（第五版）周爱儒主编人民卫生出版社哈珀生物化学（第25版）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

第5页/共66页第6页/共66页生物化学导论

Chapter1

Introductiontobiochemistry第7页/共66页著名的诺贝尔奖获得者亚瑟·肯伯格（ArthurKornberg）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“共同语言”

简言之，生物化学是研究生命的化学。第8页/共66页一、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。第9页/共66页化学有机化学物理化学动物学分析化学高分子化学生物学无机化学

植物学微生物学生物化学第10页/共66页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。第11页/共66页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。第12页/共66页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。第13页/共66页细胞是生物体的基本结构单元

第14页/共66页细

胞

的

基

本

构

成第15页/共66页第16页/共66页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第17页/共66页第18页/共66页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。第19页/共66页生物分子两大类

是生物体和生命现象的结构和功能的基础，是生物化学研究的基本对象。大分子:多糖结合状态的脂质核酸蛋白质小分子:维生素、辅酶、激素、核苷酸、氨基酸、糖、脂肪酸和甘油等。次生代谢物:如萜类、生物碱、毒素、抗生素等.第20页/共66页

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）。第21页/共66页（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。第22页/共66页第23页/共66页（3）研究物质结构、代谢和生物功能与复杂的生命现象之间的关系第24页/共66页第25页/共66页（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。第26页/共66页第27页/共66页第28页/共66页研究发现黑猩猩和人类基因组存在关键性差异

第29页/共66页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。第30页/共66页第31页/共66页二、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》第32页/共66页2、描述的或有机生物化学发展时期（1770～1903，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年布克纳兄弟蔗糖酵母发酵实验第33页/共66页3、动态的或生理生物化学发展时期（1903～1950，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；1940年，德国科学家Embden和Meyerhof提出了糖酵解代谢途径，等等。第34页/共66页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=TG=C1953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年遗传密码破译第35页/共66页19581971年遗传中心法则（Crick)1960年Jacob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。第36页/共66页染色体的形态结构第37页/共66页1953年，沃森—克里克（Watson—Crick）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1980年诺贝尔化学奖。1984年，化学奖，BruceMerrifield（美国），建立和发展蛋白质化学合成方法。1993年

1、RechardJ.Roberts(美)等，发现断裂记因化学奖

2．KargB.Mallis(美)发明PCR方法。

3．MichaetSmith(加拿大)建立DNA合成用与定点诱变研究1994年AlfredG.Giillman（美）等，发现G蛋白及基因在细胞内信号转导的作用。第38页/共66页

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。

1803-1873年，德国，尤斯图斯·冯·李比希男爵（JustusvonLiebig）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。第39页/共66页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，HansAdolfKrebs英籍德国生物化学家克雷布斯；发现三羧酸循环（tricarboxylicacidcycle），1953年获诺贝尔奖埃米尔·费舍尔第40页/共66页1949，LinusPauling,镰刀形红细胞性贫血是一种分子病，并于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（LinusPauling）第41页/共66页弗朗西斯·克里克FrancisH.Crick1953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（JamesD.Watson）第42页/共66页第43页/共66页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。1973Cohen等（美）用核酸限制性内切酶EcoR1，首次基因重组成功。第44页/共66页2006年，Venter等报道完成了人类基因组草图测序詹姆斯·沃森第45页/共66页1997年1stanleyB.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2paulD.Boyer（波伊尔美）等，说明ATP酶促合成机制化学奖3Jensc.skon(延斯丹麦)发现输送离子的Na+\K+___ATP酶。1996年Petrc.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ROLertF.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第46页/共66页第47页/共66页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第48页/共66页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《AdvancesinProteinChemistry》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）HsienWuandthefirstTheoryofProteinDenaturation(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。第49页/共66页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。刘思职第50页/共66页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４月１６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）第51页/共66页三、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）第52页/共66页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第53页/共66页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。第54页/共66页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。酶工程技术第55页/共66页5、

生物化学与医药生化药物基因工程药物蛋白质工程药物抗体工程药物：定向，低剂量海洋生物技术药物第56页/共66页第57页/共66页第58页/共66页第59页/共66页第60页/共66页四、生物化学与其它学科的关系第61页/共66页五、生物化学的学习方略生物化学课程的特点：1、知识密集，信息量大2、分子水平，内容复杂3、涉及面广，记忆性强4、联系密切，灵活多变学习方法：1、教学结合，教学相长2、及时复习，精炼概念3、进入状态，把握规律4、加强联系，突出整体第62页/共66页课程学时安排第一章绪论1第二章蛋白质的结构与功能5第三章核酸的结构与功能4第四章酶6第五章生物氧化