生物化学基础

生物化学基础第1页/共76页一、化学是生命体的共同“语言”蛋白质(protein)，可执行多种功能。脂肪(triglyceride)含量因人而异。膜脂(membranelipids)和糖类(carbohydrates)是组织、细胞的重要结构成分。

葡萄糖和糖原是机体重要的产能物质。（一）人体是由化学物质组成的——多种有机物和无机物组成的。

第2页/共76页成年人体内的主要化学组成物质含量（％）水60.0可溶性无机盐0.7不溶性无机盐5.5蛋白质16.0三脂酰甘油（脂肪）13.0膜脂2.5糖类1.5核酸0.2第3页/共76页细胞外液和细胞内液离子组成明显不同浓度（mM/L）离子细胞外液细胞液Na+137.010K+4.7141Ca2+2.410-4Mg2+1.431Cl-113.04HPO42+/H2PO42.011HCO3-28.010有机酸、磷酸酯1.8100第4页/共76页（二）生物体内的化学反应途径基本相同所有生物体都含有蛋白质、脂类、糖类、核酸（DNA和RNA）和其它有机化合物（如维生素）等。这些化合物就是所谓的“生物分子”。生物多样性：不同种类生物体的生物分子种类和含量不完全相同，这就是物种多样性的道理。第5页/共76页生物一致性：尽管组成不同生物体的有机化合物不同，但这些有机化合物又都是由碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）和其它一些化学元素组成的，它们在各种生物体内进行的化学反应途径基本上是一样的，即生命活动（新陈代谢、繁殖遗传）规律基本相同，体现了生命现象的一致性。第6页/共76页自然界生物的多样性和一致性通过基因组DNA实现了统一，生命活动的最根本物质——DNA是生命体的“共同语言”也得到了最充分的体现。第7页/共76页二、水是进行生物化学反应的基质水是生命的介质。水分子是极性分子。水合作用：在盐的水溶液中，水分子的氢原子、氧原子分别与盐分子的阴离子(anion)、阳离子(cation)形成离子-双极键(ion-dipoleinteraction)，从而使离子总是处于水化膜的包围之中，这就是水合作用。（一）水的分子极性是形成分子超聚物的基础第8页/共76页生物体内很多分子都有一定的功能基团，在一定条件下解离而带有电荷，因而它们均可与水分子发生水合作用。水合作用强弱（即水化程度）对生物分子的各种理化性质、反应速度、功能影响很大。而水环境，如pH、离子强度等又可对分子功能基团的解离产生影响。第9页/共76页（二）pK值是生物分子功能团的特征性常数水的解离：水分子可以可逆地解离为水合质子（H3O+）和羟离子（OH–），水溶液中产生的质子浓度和羟离子浓度是一个常数，即（[H+]×[OH–]=10–14M2）。H2O+H2O←→H3O++OH–水合质子（H3O+）通常用质子浓度或氢离子浓度（[H+]）来表示。一个水溶液的质子浓度[H+]（mol/L）的负对数就是这个溶液的pH值：pH=-lg[H+]

第10页/共76页释出质子者为“酸”，结合质子者为“碱”。有机羧酸的水解：

R-COOH←→R-COO-+H+有机胺的水解：

R-NH2

++H+←→R-NH3+第11页/共76页pK是该功能团解离常数KD的负对数。pK值决定着带电基团的性质，它是生物分子的特征性常数。生物分子的功能基团均有一定的解离能力（用KD表示），即有一定的酸碱性，其酸碱性也可用pH值来表示。例如：HA←→A-+H+生物分子A功能团的酸碱性可表示为：pH=pK-lgHA/A-第12页/共76页（三）人体的体液是一个中性环境人体的各部分体液大多维持近中性（pH在7.4左右），其稳定性依赖体内（invivo）缓冲体系。体内主要的缓冲体系：H2CO3

←→

H++HCO3-HHb

←→H++Hb-HHbO2

←→H++HbO2-H2PO4-

←→H++HPO42-HPr

←→H++Pr-第13页/共76页体外（invitro）实验中常用的缓冲试剂：碳酸氢盐和磷酸盐缓冲体系；N-三(羟甲基)氨基甲烷(N-tris(hydroxymethyl)aminomethane,TRIS或THAM）哌嗪-N,N-双(2-乙烷磺酸)（piperazine-N,N’-bis[2-ethanesulfonicacid],PIPES）N-2-羟乙基哌嗪-N-2-乙烷磺酸（N-2-hydroxyethyl-piperazine-N-2-ethanesulfonicacid,HEPES）

第14页/共76页三、活细胞内的生物分子很复杂细胞内化学分子种类多，而且多数分子的质量很大，结构复杂。生物分子内的各种原子由共价键（covalentbond）连接在一起；但非共价键是维持生物大分子三维结构的主要化学键，也是生物分子-分子相互作用所必需的。（一）生物分子有共价键和非共价键连接第15页/共76页（二）生物分子的化学反应与能量转移偶联构件分子与分子之间形成特殊的化学键联系，并伴有水的释放。这类反应称为缩合反应（condensationreaction）。反之，共价键可以裂解，并伴有加水反应，这类反应称为水解反应（hydrolysis）。化学键形成的过程需要供能；化学键裂解的过程是产能过程；与无机化学反应不同，生物化学合成消耗的是代谢能，通常为ATP，少数反应由GTP、UTP或CTP供能。有些分子的化学键，如酯键、醚键、酰键和酰胺键含有较多能量。酐和硫酯键所含能量较大，因此它们是典型的富能键（energy-richbond）。

第16页/共76页（三）生物分子普遍存在同分异构体与无机物相同，生物分子也有同分异构体（isomer）或同分异型物（isomericform）。二者不同的是，生物分子的同分异构体是在特异的酶催化下生成的。第17页/共76页2．几何异构体分子内具有钢性结构

分子内化学基团相对“钢性”结构组成部分排列不同的异构体称为几何异构体(geometricisomer)，又称非对映（立体）异构物(diastereomer)。1．位置异构体的关键功能团的位置不同

这类分子的功能基团在分子内的位置不同，所以称为位置异构体（positionalisomer）。第18页/共76页3．光学异构体具有“手性”

由结构组分按不同轮转方向围绕不对称碳原子所形成的异构物，类似于左、右手之间的差异，从而产生光学异构现象，这类化合物称为光学异构体（opticalisomer）。这样产生的光学异构现象又称“手性”（chirality）。第19页/共76页（四）聚糖、蛋白质和核酸的结构蕴藏信息聚糖类、蛋白质和核酸等生物大分子(macromolecule)具有信息功能，所以常将它们称为生物信息分子(informationalbiomolecule)。在生物信息大分子中，生命信息的传递有赖于蛋白质和核酸。所以，蛋白质和核酸是生命活动的最重要物质基础。第20页/共76页生物信息大分子的特点：

首先，生物信息大分子质量一般在104~106之间或以上。其次，生物信息大分子都是由特殊的亚单位（subunit）按一定的顺序、首尾连接形成的多聚物（polymer）。第三，在这些多聚物中，亚单位与亚单位之间的排列是有一定顺序的。亚单位在多聚物中的排列顺序称为序列（sequence）。序列决定着生物大分子的空间（立体）结构形式和功能，决定着生物大分子的信息内容。第21页/共76页第二节细胞（学）基础CellularFoundation

第22页/共76页一、活细胞可分为真核细胞和原核细胞两类生物体的细胞基本上可分为两类，即有核细胞和无核细胞：有核细胞称为真核细胞（eukaryoticcell）无核细胞称为原核细胞（prokaryoticcell）真核细胞与原核细胞的区别不仅在于有核或无核，而且其它亚细胞器也有差别。第23页/共76页二、原核细胞没有膜限定的核和复杂的亚细胞器原核生物（prokaryotes），包括粘菌、裂殖菌、放线菌、支原体、立克次体、兰-绿藻、螺旋体和草履虫等；它们的细胞结构简单，没有动物细胞、植物细胞那样典型的细胞核，也没有完善的细胞器，而且遗传信息量也小。第24页/共76页细胞壁：细胞壁含有大量复合糖，壁的外部有一层外膜，外膜与壁之间是周间隙(periplasmicspace)；壁的内侧面有一层质膜(plasmamembrane)，质膜向细胞液突出形成的突起，即间体(mesosome)。胞液所含成分和结构要比真核细胞简单得多。细胞内没有膜的区隔分布，也没有细胞核。遗传信息就储存在单纯由DNA分子组成的染色质中。第25页/共76页三、真核动物细胞有细胞核和其它亚细胞器（一）细胞核是最大的细胞器第26页/共76页（二）线粒体和溶酶体含有特殊的酶大多数细胞所共有的基本的细胞器：线粒体（mitochondria）溶酶体（lysosome）粗面内质网（roughendoplasmicreticulum）滑面内质网（smoothendoplasmicreticulum）高尔基复合体（Golgicomplex）第27页/共76页线粒体(mitochondria)呼吸链外膜内膜膜间腔嵴ATP合酶基质第28页/共76页溶酶体：一种膜包裹的细胞器，大小与线粒体相似，内含水解酶类，如果膜破坏酶被释出，则会降解细胞物质。粗面内质网：核糖核蛋白体结合内质网形成的颗粒状内质网，是蛋白质合成的部位；滑面内质网：是甘油三酯（脂肪）、磷脂、胆固醇和糖原合成有关的酶集中的场所。高尔基复合体：是蛋白质或其它细胞分泌物质浓缩和积累的场所。第29页/共76页人和高等动物的细胞与植物细胞有明显区别:很多植物细胞有与动物细胞相似的亚细胞器，此外还含有叶绿体和一些较大的空泡；植物细胞有钢性的纤维素细胞壁，动物细胞仅有细胞膜，而没有细胞壁。第30页/共76页四、真核细胞增殖是一个周期性的过程无论是单细胞、还是多细胞的真核生物，细胞增殖均有赖于一个周期性的活动过程——细胞周期（cellcycle）。细胞周期由细胞生长和细胞分裂组成。（一）真核体细胞周期由4个时相组成第31页/共76页细胞周期间期（interphase）有丝分裂（mitosis）胞质分裂（cytokinesis）DNA合成前期（G1期）DNA合成期（S期）DNA合成后期（G2期）指核分裂的过程，包括前期、中期、后期和末期。在高等真核生物，经常习惯将核分裂和胞质分裂统一用有丝分裂表示。体细胞增殖过程中：

第32页/共76页每一个细胞周期则由G1期、S期、G2期和M期组成。有些细胞可脱离细胞周期、进入非分裂状态或生长停滞，即G0期。第33页/共76页（二）多种调节蛋白参与细胞周期的调节参与细胞周期调控的核心分子可分为三类：周期蛋白依赖性蛋白激酶(cyclin-dependentkinases，Cdks)周期蛋白(cyclins)Cdk抑制蛋白(Cdkinhibitorproteins,CKIs)第34页/共76页1．Cdks是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶不同真核生物Cdk种类不同；各种Cdk在细胞周期内特定的时间被激活，催化特异底物发生磷酸化，驱使细胞完成细胞周期。因此Cdks在细胞周期的调节中起关键作用。第35页/共76页2．细胞周期蛋白激活Cdks

周期蛋白是一类伴随细胞周期不同阶段表达、累积和降解的蛋白质；与Cdks结合后激活Cdks。在高等真核细胞中，周期蛋白主要包括8个成员（A~H）。第36页/共76页根据其累积的峰值及主导作用不同，通常分为:G1期周期蛋白:包括周期蛋白C、D、E，在G1期和G1/S转换点发挥作用，启动细胞周期和DNA的合成。M期周期蛋白包括周期蛋白A、B，作用于G1/S、G2/M转换点，促进细胞进入S期和M期。第37页/共76页3．CKIs是Cdk的负调节因子大多数Cdk抑制蛋白（CKIs）直接结合Cdk，或与Cdk－周期蛋白复合体作用，抑制Cdks活性而调节细胞周期。CKI可分为两大家族：第一家族(CIP/KIP家族)：具有广泛抑制Cdk作用，包括P21(CIP1/WAF1/CAP20/SDI1)、P27(KIP1)和P57；它们主要与周期蛋白D、E、A结合，抑制由这些周期蛋白所激活的Cdk；第二家族(INK4家族)：具有特异性抑制作用，包括P15、P16、P18和P19。第38页/共76页第三节遗传（学）基础GeneticFoundation第39页/共76页一、DNA和蛋白质是联系生物化学与遗传学的桥梁由于不同生命体细胞内存在着不同的蛋白质，所以生命体能在形态和代谢功能方面表现出不同的遗传性状。（一）蛋白质表现遗传性状第40页/共76页（二）DNA是生命传递的载体体细胞：同一物种生物个体的所有体细胞都含有同样数目的染色体，而且是成对(2n)的，即双倍体。双倍体染色体有一半来自父亲，另一半来自母亲。DNA组蛋白染色质(chromatin)染色体(chromosome)生殖细胞：所含染色体数目是单倍染色体数目(n)；形成受精卵或合子后，染色体又变成了双倍体。第41页/共76页二、基因即DNA决定遗传形状遗传学第一定律（分离定律）：成对的遗传因子在生殖细胞形成时必然要分离。遗传学第二定律（自由组合定律）：在生殖细胞形成时，原来不成对的遗传因子可以自由组合、进入一个生殖细胞中。（一）基因决定遗传形状第42页/共76页遗传学第三定律（连锁和交换定律）：基因在每条染色体内呈直线排列。染色体可以自由组合，但排在同一条染色体上的基因是不能自由组合的。同源染色体有时会出现断裂、结合，发生基因“交换”。第43页/共76页（二）DNA就是基因DNA是生命遗传的基因物质：DNA指导着特定的蛋白质分子的产生，从而控制生物体的化学过程。遗传中心法则：第44页/共76页（三）基因（遗传）变化可改变基因活性DNA复制偶尔会出现差错；在内、外环境因素的作用下，DNA也会发生损伤。如果发生的差错或损伤不能得以矫正或修复，破坏了基因组的稳定性，就会引起基因变异或突变（mutation）。基因（DNA）序列变异或突变属于一种遗传变化（geneticchange），可引起基因表达活性改变。第45页/共76页基因突变在生物进化中的意义：如果突变发生在某个关键基因，这个变异个体适应环境的能力可能更强，而且极有可能将变异的性状遗传给后代。反之，个体变异可能不适应生存环境而死亡，甚至绝种。第46页/共76页基因突变与疾病：基因突变如果涉及细胞生长调控功能，也会引起肿瘤或相关疾病。基因突变在科学研究中的意义：对揭示目标分子结构与功能的关系具有指导意义。第47页/共76页（四）表观遗传变化也可影响基因活性表观遗传变化（epigeneticchange）只有基因表达模式改变，而无基因（DNA）序列变化。最常见的表观遗传变化有DNA甲基化、组蛋白乙酰化等化学修饰。这些变化可改变相关的基因活性，影响生物化学代谢。第48页/共76页第四节进化的基础EvolutionaryFoundation

第49页/共76页一、生命进化的前期存在着化学进化生命起源学说：“自生论”——生命自发地从非生命物质产生。现代的“自生论”认为，生命的发生是过去时，并经历了极其长久而缓慢的过程。（一）生命的发生经历了长久而缓慢的过程第50页/共76页（二）化学进化首先产生分子1953年，米勒实验得到了氨基酸；1959年，德国科学家威尔汉姆·格劳斯(WilhelmGroth)和冯·维森豪夫(H.vonWeyssenhoff)采用紫外线作为能源也得到了氨基酸；

1961年，西班牙裔美国生化学家简·欧罗得到了几个氨基酸和短肽的混合物以及腺嘌呤、核糖和脱氧核糖；1963年，庞那姆帕鲁玛等的实验得到了腺苷以及腺苷三磷酸。第51页/共76页从地球原始大气和原始海洋中最先出现的简单化合物开始，先是简单糖，后来是氨基酸、核苷酸，再经历足够长的时间出现蛋白质和核酸，最终形成了能自我复制的核酸分子。第52页/共76页（三）RNA或其前体可能是最早的基因和催化分子生命体的共同祖先分子共同的祖先分子究竟是DNA、RNA、还是蛋白质？具有自我剪切功能的RNA分子的发现，使这个问题答案的倾向是先有RNA。第53页/共76页第54页/共76页二、生命分子积聚为细胞（一）最初的分子聚集体是近似细胞结构的微球（二）类叶绿体聚集体的形成先于类线粒体聚集体第55页/共76页三、分子解剖学揭示进化关系18世纪，CarolusLinnaeus根据生物体之间的解剖学相似性和差异性分析物种之间的关系。19世纪，CharlesDarwin提出“不同物种来自共同的祖先”假说来解释现代生物的种系发生。20世纪生物化学研究揭示了不同物种细胞的分子解剖学——各种核酸、蛋白质的单亚基序列和三维结构，获得了更多的资料以分析进化关系，发展进化理论。（一）分子起源比经典的物种起源更精确第56页/共76页上个世纪80年代后，包括一些细菌、微生物、植物、动物和人的基因组序列陆续被揭示，不同物种间更多的对比资料将会对物种进化过程提供更多的启示。根据基因序列演绎的分子起源与显微镜结构为基础的经典物种起源是一致的，在某些方面甚至更精确。在大体解剖上不同物种似乎有很大差异，极难分辨或归属，但是从分子水平比较各种生物基本结构单位却容易得多；不论是简单的，或复杂的生命形式，分子结构和分子机制具有明显的相似性，易于演绎之间的进化关系。第57页/共76页（二）比较基因组学揭示进化和鉴定基因功能如果两个基因序列有较大的相似性，它们的序列是同源的（homologous），所编码的蛋白质互为同源体（homolog）。同一物种中出现的两个同源基因彼此是平行的或同行的（paralogous），它们的编码蛋白质互为同源同（行）体（paralog）。在不同物种出现的同源基因或蛋白质彼此互为同源异（行）体（ortholog）。第58页/共76页异（行）体通常是指在两个物种发现的具有相同功能的基因或蛋白质，或者在一个物种新发现的序列与另一物种编码相同功能蛋白质的基因序列极其接近。第59页/共76页基因组“注释”的内容及意义:根据基因组序列就可以演绎出基因产物的功能；描述通过与其它基因组比较、演绎基因产物的功能，已经明确的蛋白质的功能等；从而演绎出生物体的代谢能力，演绎进化过程；还可以获得新的结构、代谢过程、调节机制，以及生物进化过程基因组变化的相关信息。基因组学（genomics）生物信息学（bioinformatics）

第60页/共76页第五节生物信息学基础

BioinformaticsFoundation

第61页/共76页一、生物信息学通过生物数据分析可衍生新知识生物信息学(Bioinformatics)是20世纪80年代末兴起的，以生物学、计算机科学、信息科学等为基础的一门边缘学科。生物信息学与计算生物学（computationalbiology）易混淆。

第62页/共76页生物信息学是研究、开发或将其用于开拓生物医学、行为卫生科学数据的计算工具和方法，其中包括对这些数据的获取、储存、组织、存档、分析或图示等；计算生物学是指对数据分析的理论方法、数学模型以及计算模拟技术的研究与开发，并将其应用于生物学、行为学及社会系统的研究。第63页/共76页生物信息学的产生首先建立在计算机科学基础上，而其发展则有赖于对适合计算的实验数据（如核酸、蛋白质序列以及蛋白质的三维结构）的掌握。这些资料需要累计、分析和比较，所以必须建立计算机资料库和管理系统，改进自动化程序，发展生物信息学。人类基因组计划(humangenomeproject,HGP)第64页/共76页生物信息学在人类基因组计划中的应用：在HGP中，生物信息学的主要任务就是融合生物学、数学和信息科学的理论和方法，以计算机为主要工具，对逐日增长的DNA序列和蛋白质结构资料中各种类型信息进行收集、整理、储存、发布、提取、分析和研究。例如，定位基因组中的基因；在数据库中排列序列，确定匹配程度，预测基因产物的结构和功能；在全细胞水平描述各种基因-基因产物之间，以及生物体之间的（相互作用）联系，推测序列的进化发生关系。第65页/共76页三大生物信息中心:美国的国家生物技术信息中心（NCBI）/index.html

欧洲生物信息研究所（EBI）日本DNA数据库（DDBJ）第66页/共76页生物信息学不仅包括生物、医学数据资料的储存、获取、建立分析方法，还可通过对生物数据的计算分析获取、衍生新知识。第67页/共76页二、生物信息学着重分析序列结构及功能基因组学实验数据生物信息学分析通常着重在三方面的数据——基因组序列、大分子结构及功能基因组学实验（如基因表达谱和酵母双杂交筛选）数据。生物信息学所用方法、技术相当广泛，包括多序列排列分析、蛋白质三维结构比较分析、序列系统发生树的建立、蛋白质结构预测及分类、RNA结构预测、蛋白质功能预测、基因表达数据的聚类等。算法研究也是生物信息学的一个重要组成部分。第68页/共76页三、数据库的种类与来源有多种数据库（database）是一种将各种数据集中、组织，并能通过计算机对其内容进行查询、管理及修改的系统，是生物信息学研究和应用中至关重要的一部分。根据数据组织方法不同，可将数据库管理系统大致分为3类：平面文件数据库(flatfiledatabase)管理系统关联数据库(relationaldatabase)管理系统物体导向数据库(object-orienteddatabase)管理系统第69页/共76页

生物数据库类别（举例）

数据库类别名称或举例主要基因序列储存库GenBank/DDBJ/EMBL基因组及比较基因组数据库FlyBase,、COG等基因鉴定及基因结构数据库AllGenes,、EBP等遗传及基因酶谱数据库GDB、GenAtlas等基因表达数据库GXD、BodyMap等RNA序列及结构数据库