第一章-绪论(1周1-3节)(4)课件

祝同学们:在新学期里

学习进步！

身体健康！

心情愉快！生物化学Biochemistry

课程说明1.

主讲教师

黄志纾教授2.

学生助教欧田苗副教授

刘慧云

博士生

李民副教授黎鹏辉

博士生3.

教材及参考书教材：生物化学（第二版），古练权等编，高教出版社，2011.参考书：1.生物化学，王镜岩等主编，第3版，高教出版社，2002.2.生物化学原理，张楚富主编，第1版，高教出版社，2003.3.

D.

Voet等

“Fundamentals

of

Biochemistry”,

4th

Ed.,

2012.4.

H.

R.

Horton等

“Principles

of

Biochemistry”,

5th

Ed.,

2011.5.

D.

Nelson等

“Lehninger

Principles

of

Biochemistry”,

4th

Ed.,2005

(有电子版).6.

R.

H.

Garrett等“Biochemistry”,

3rd

Ed.,

2005

(有电子版).课程说明4.

相关教学资源学校数字化学习平台blackboard：个人登陆药学院网站：课程教学方案、教学要求精品课程网站：武汉大学南京大学北京大学复旦大学课程说明5.

专题论文活动目的：调动自主学习的积极性，提高学习的兴趣；拓宽获取知识和掌握知识的途径和手段；加强运用知识分析解决问题的能力；加强创新意识和团队精神（3-5人）。内容：选题、文献查阅、论文写作、多媒体展示等。课程说明2013年度生物化学专题论文活动有关事宜历届优秀生物化学专题论文列表详情可上blackboard查看6.

全程导师组探究题展示活动目的：调动学习积极性，提高学习兴趣，活跃学术思维

；内容：文献查阅与归纳、PPT展示。成绩评定：以全程导师组为单位进行，随机抽取组内学生进行3分钟展示，主讲教师综合评价后当场给分（3、2、1分），并计入总成绩。课程说明

生物化学探究题活动安排详情可上blackboard查看7.

考试及成绩平时成绩：1)

三次课堂小测验（开卷），占27%2)

生物化学专题论文，占10%3)

全程导师组探究题展示，占3%考试成绩：期末考试（闭卷，全部内容），占60%课程说明总成绩

＝

60％考试成绩

＋

40％平时成绩＋

专题活动加分（0-2分）平时总结、积累是获得好成绩的关键！025201510

5403530D＜6060≤D＜7070≤D＜8080≤D＜90

90≤D＜100期末试卷总评成绩前两年生物化学成绩情况分析03020105040D＜6060≤D＜7070≤D＜8080≤D＜9090≤D＜10020102010级2011级重点掌握

1.

生物分子的结构

2.

生物分子的性质

3.

生物分子的作用机理

关于生物化学学习做到三个“要”

1.

课前要预习（专业术语，英文专业词汇）

2.

课堂要听讲（难点、重点，主线，问题）

3.

课后要复习（总结，习题，拓展知识）

Q群生物化学大家学186495489聊天时间：？第一章

绪

论（Introduction）主要内容一．生物化学的概念二．生物化学的发展三．生物化学与其他学科的关系四．生物体的元素组成五．生物分子（重点）六．生物分子的相互作用（重点）七．生物体系中的水（重点）一、生物化学的概念

定义：是研究生命的分子和化学反应的科学，是运用化学的原理和语言在分子水平

上解释生命现象的一门学科。

It

is

the

study

of

the

molecules

and

chemical

reactions

of

life.

It

is

the

discipline

that

uses

the

principles

and

language

of

chemistry

to

explain

biology

at

the

molecular

level.生物化学是在分子水平上研究生命现象

主要内容：1.

分子结构2.

分子相互作用3.

分子合成与分解4.

分子组装与协调5.

能量保存与利用6.

遗传信息的贮存、

传递与表达

学科特点：

---

是主要介于生物学和化学之间的边缘学科。

---

多学科交叉。

Physics,

Chemistry,

Cell

Biology,

Evolution,Physiology,

Genetics,

and

so

on.

---

有机化学和物理化学是基础。

---

物理和数学也扮演重要角色。二、生物化学的发展

开始于19世纪末，100余年的历史。两大重要事件：

1)

Discovery

of

the

roles

of

enzyme

as

catalysts.

2)

Discovery

of

the

roles

of

nucleic

acids

as

information-carry

molecules生物化学已成为目前最活跃、最重要、发展最迅速的学科之一。1）DNA是生命的遗传物质（1944,

Avery等）2）DNA双螺旋结构（1953,

Watson

and

Crick）3）遗传基因密码的破释（1961,

Nirenberg）4）DNA重组技术—遗传工程（20世纪70年代）5）DNA和蛋白质合成的关系6）蛋白质的三维结构（1960,

Kendrew）7）酶作用机理8）生物能量的储存和转换机制9）神经传导物质原因1

重要生命现象的化学本质逐渐被揭示1）组成所有的生命体都是由糖、脂、蛋白质和核酸等生物分子以及水和无机离子组成。2）遗传的化学基础几乎所有生命体的遗传物质都是DNA（极少数是RNA），并且具有基本相同的遗传信息传递模式：DNA

RNA

蛋白质

生物性状3）能量的转换所有生命体具有相似的能量储存和转换机制，ATP是所有生物的能量转换中间体。原因2

揭示了生命现象的共同基础和原则1）镰刀形细胞贫血病

(sickle

cell

anemia)2）肝功能检查（谷－丙转氨酶）3）多肽和蛋白质类药物生产

胰岛素，生长激素，干扰素等。4）农业品种改良、增产和生产5）新药研发生极其深刻地影响原因3

对医药和农业科学等的研究和发展产SickleCellAnemia(镰刀形细胞贫血病)

A

hereditary

disease（遗传性疾病）GAG

GTG

of

DNA

for

-subunit

ofhemoglobin,

as

a

result

Glu

ValSickle

red

blood

cells

is

hard,

sticky,

they

clogthe

flow

and

break

apart.

This

can

cause

pain,damage

and

a

low

blood

count,

or

anemia.

.the

first

drug

approved

in

USA

for

the

treatment

ofHIV

infections.

It

acts

as

an

inhibitor

of

viral

reversetranscriptase

in

making

DNA

from

the

viral

RNA胸腺嘧啶3’-叠氮-2’,3’-二脱氧胸腺嘧啶生物化学在药物研究方面的应用实例3'-Azido-2',

3'-Dideoxythymidine

(AZT)1)

为什么一个受精卵会发育成各种不同的细胞？2)

在形成复杂的组织过程中，细胞是如何相互识别的？3)

细胞的发育是如何控制的？4)

记忆的机制是怎样的？5)

癌症，艾滋病等重大疾病的成因和控制如何？6)

精神分裂症的分子基础如何？7)

干细胞与疾病治疗的关系？最尖端的问题提出挑战原因4

使人类有可能向生物和医学领域中相互渗透相互促进共同发展化学现代生物学三、生物化学与其他学科的关系

生物化学模拟酶的研究分子识别和超分子化学新领域(1)

生命科学中的化学问题是化学的重要研究内容之一

例如：酶的催化作用的研究包括酶的组成和结构，基

团相互作用，酶与底物相互作用等的研究。又如：生物膜结构与功能的研究新领域人工膜的研究与应用(2)

化学对生命体系很多复杂过程的研究推动了新型学科的形成和发展化学生物学（Chemical

Biology）化学基因组学（Chemical

Genomics）组合化学（Combinational

Chemistry）化学生物学（Chemical

Biology）——

是用化学小分子作为为探针（化学工具）直接研究生命过程的一门学科。主要研究内容：1.

化学物质与生物大分子的相互作用及分子识别2.

化学物质对细胞功能的调控3.

化学物质的医药学应用Chemical

BiologyChemical

biology

combines

the

scientificideas

and

approaches

of

chemistry,

biologyand

allied

disciplines

to

understand

andmanipulate

biological

systems

with

molecularprecision.Chemists:

applying

the

principles

and

tools

ofchemistry

to

biological

questionsBiologists:

understanding

and

controllingbiological

processes

at

the

molecular

level.Chemical

BiologyLei

Wang*,

et

al,ACS

Chem.

Biol.

2012,

7,

1337−1344.(3)

生命现象化学本质的揭示极大的推动了相关生命科学的发展。广义的分子生物学（Molecular

Biology）细胞生物学（Cell

Biology）遗传学（Genetics）发育生物学（Growth

Biology）免疫学（Immunology）在分子水平上研究(4)

其他新兴学科的发展加速了生物化学的发展，也赋予了生物化学新的内容。结构生物学（Structural

Biology）生物信息学（Bioinformatics）蛋白质组学（Proteomics）------四、生物体的元素组成

30

different

elements

are

commonly

foundin

living

cells.C,

H,

O,

N,

P,

and

S

account

for

more

than97%

of

the

weight

of

most

organisms,

andall

these

elements

can

form

stablecovalent

bonds（共价键）

and

organicmatter（有机物质）.四、生物体的元素组成

细胞中的化学元素分为四类：

最基本的元素

多种形式共价键C-C

C=C

C≡CC-O

C=OC-N

C=N

C≡NC-HN-H

O-H(1)

C,

H,

N,

OElementCommentCarbon

(C)Most

abundant

in

allorganismsHydrogen

(H)Nitrogen

(N)Oxygen

(O)(2)

P

---

ATP,

DNA,

RNA

S

---

Proteins

Mg2+,

Ca2+,

K+,

Na+,

Cl-

CommentMuch

less

abundant

but

inall

organisms

ElementCalcium

(Ca)Chlorine

(Cl)Magnesium

(Mg)Phosphorus

(P)Potassium

(K)Sodium

(Na)Sulfur

(S)

基本元素

(3)

过渡金属元素

金属酶的组成成分

---

辅基（cofactor）

CommentMetals

present

in

smallamounts

in

all

organismsand

essential

to

life

ElementCobalt

(Co)Copper

(Cu)Iron

(Fe)Manganese

(Mn)Zinc

(Zn)

少量必需元素

(4)微量元素功能尚未完全弄清ElementCommentFound

in

or

requiredby

some

organismsin

trace

amountsAluminum

(Al)Arsenic

(As)Boron

(B)Chromium

(Cr)Fluorine

(F)Gallium

(Ga)Iodine

(I)Molybdenum

(Mo)Nickel

(Ni)Selenium

(Se)Silicon

(Si)Tungsten

(W)Vanadium

(V)五、生物分子（重点）生物分子是生物体和生命现象的结构基础和功能基础，是生物化学研究的基本对象。

“Living

things

are

composed

of

lifelessmolecules”

(Albert

Lehninger)“Chemistry

is

the

logic

of

biologicalphenomena”

(Garrett

and

Grisham)生物分子的主要特点1.

Most

of

the

solid

material

of

cells

consistsof

carbon-containing

compounds---

organic

compounds---

larger

and

more

complex---

OrganicChemistry

---

reactions

in

lab---

Biochemistry

---

reactions

in

living

cellsOrganic

compounds

in

biochemistry23

生物分子的主要特点2.

The

type

and

location

of

the

functional

groups

decide

the

chemical

properties

of

biomolecules

Functional

groups

in

biochemistry3.

Most

of

biomolecules

are

asymmetric

---

importance

of

stereochemistry

(立体化学)

---

configuration

(构型)

and

conformation

(构象)

---

chirality

(手性)

and

chiral

molecules

(手性分子)

---

relationship

between

stereo-structureand

biological

function---

natural

proteins

(蛋白质)

---

L-amino

acids---

natural

sugars

(糖)

---

D-monosaccharides生物分子的主要特点a1

=

a2,e>d>b>a

Prochiral

molecule（前手性分子）Pro-S

Pro-RProchiral

carbon

and

prochiral

hydrogen（前手性碳和前手性氢）思考题：如果将乙醇分子中CH2上的H替换为NH2，哪个是HR？哪个又是Hs？Prochiral

face（

前手性面）思考题：是否从re-面进行加成，均获得R-构型产物？Prochiral

molecules

in

a

chiralenvironment

of

bio-macromolecules（处在生物大分子手性环境中的前手性分子）•三点结合理论•多位点识别生物大分子能够识别前手性分子4.

All

of

important

biomolecules

are

macromolecules

(polymers，大分子)---

DNA:

20

billionProtein:

50000

（50

KD）---

占大多数生命有机体干重的>

50%---

种类繁多E.

coli:

>

3000

种蛋白质human:

>

500

万种蛋白质---

最重要的生物分子：carbohydrates,lipids,

proteins,

and

nucleic

acids生物分子的主要特点5.

Biopolymers

consist

of

those

simpler

structural

units

(monomers，结构单元)

---

Carbohydrates

---

monosaccharide---

Lipids

---

glycerol,

fatty

acids,

base---

Proteins

---

20

standard

amino

acids---

Nucleic

acids

---

ribose

(or

deoxyribose),base,

phosphateChemicalEvolutionandNaturalSelection生物分子的主要特点Linkages

in

biomolecules

生物分子的主要特点6.

The

structures

of

biopolymers

are

quite

complex初级结构

(primary

structure)

---

结构单元的排列顺序

---

主要由共价键维系空间结构

(tridimensional

structure)

---

二级、三级和四级结构

---

主要由非共价作用力维系。

任何一种生物分子的结构都是特殊的，并

具有可区别、的特有的性质。7.

The

interactions

(相互作用)

and

recognition

(识

别)

of

biomolecules

are

the

molecular

fundament

of

physiological

phenomena（生理现象）

---

如抗体与抗原、酶与底物等的特殊相互作用是生物分子具有各种各样生物功能的基础。生物分子的主要特点本节课主要内容六、生物分子的相互作用（重点）七、生物体系中的水1.

水的重要功能2.

水的结构3.

水的特性4.

缓冲溶液培训：文献查阅（刘慧云）化学结构画图软件应用（黎鹏辉）六、生物分子的相互作用（重点）1、生物分子之间的作用力

---

非共价作用力

(noncovalent

forces)---

weak

interactions

between

ions,molecules,

and

parts

of

molecules.---

10

~

100

times

weaker

thancovalent

bonds.（1）氢键（hydrogen

bond）1、生物分子之间的作用力---

H供体和H受体---

维系空间结构

Hydrogen

bond

lengths

are

fixed

at

about0.30

nmHydrogen

bonds

are

highly

directional

-

thedonor

H

bond

tends

to

point

directly

at

theacceptor

electron

pair

(电子对).The

energy

of

hydrogen

bonds

is

greaterthan

most

other

noncovalent

interactions

partially

covalent

in

character

（部分共价键性质

）（1）氢键（hydrogen

bond）Which

one

is

stronger

hydrogen

bond?（1）氢键（hydrogen

bond）（2）电荷－电荷相互作用（charge-charge

interactions

）---

电荷间静电作用---

吸引或排斥作用---

维系空间结构1、生物分子之间的作用力Electrostaticinteractionsbetweenmacroions

Macroion

(大分子离子）---

Polyampholytes（聚两性电解

质）like

proteins

or

polyelectrolytes（聚电解质）

like

DNA.counterions

(抗衡离子)---

each

macroion

collects

about

it

aThe

influence

of

ionic

strength

on

macroion

interactionscounterion

atmosphere

of

oppositely

charged

small

ions,such

as

Mg2+

and

Cl-.

Debye-Huckel

theoryHunter

C.

A.

et

al，The

nature

of

-

stacking

interactions，J.

Am.

Chem.

Soc.

1990,112,

5525-5534

1、生物分子之间的作用力（3）

-

堆积作用（

-

stacking

interaction）

---

两组离域p电子多以平行方式接近

---

电子云

产生的作用力

---

具有方向性

---

维系空间结构3.5

Aface

toface

Hside

toface（3）

-

堆积作用（

-

stacking

interaction）---

DNA双螺旋结构---

DNA嵌入剂（4）疏水键（hydrophobic

bond）---

非极性基团在水溶液中的缔合趋势---

维系空间结构---

疏水区1、生物分子之间的作用力（5）范德华力（Van

der

waals

force）---

非特异性原子间作用力---

与范德华半径有关---

接触面越大，作用越强---

维系空间结构1、生物分子之间的作用力常见的非共价相互作用的大小Non-covalent

interactionshydrogen

bondcharge-charge

interactions

stacking

interactionhydrophobic

bondVan

der

waals

forceInteraction

energy

(kJ/mol)

2~20

40~200

0～50

3~10

0.4~4六、生物分子的相互作用（重点）2、分子识别与超分子（1）分子识别（molecular

recognization）---

生命现象中的一个重要特性---

本质：生物分子间的特殊相互作用---

可逆性：互补分子间的特殊识别动态的相互作用特有的生物功能---

受体：相互识别的两个分子中较大的分子---

底物：相互识别的两个分子中较小的分子---

受体

-

底物相互作用和识别的必要条件：

①

大小和形状吻合②

基团相互作用匹配受体

－

底物相互作用受体

－

底物相互作用和识别机制前体H2OCO2NH4+NO3-N2中间代谢物

简单的有机化合物等生物超分子

酶复合物

核糖体

染色体等（2）生物超分子（bio-supermolecules）

是生物分子识别过程中形成的的复合物

是具有亚细胞功能的特殊装配体。

氨基酸

核苷酸

单糖

等结构单元分子非共价共价共价

共价生物大分子

蛋白质

核酸

多糖七、生物体系中的水1.

水的重要功能---生化反应体系的介质---影响生物分子的结构、性质和功能2.

水的结构---非线形分子---极性分子七、生物体系中的水3.

水分子的特性（1）形成氢键---

水分子与水分子---

水分子与溶质分子---

水分子与生物分子氢键具有方向性和饱和性水分子与生物分子形成氢键（有利）Water

is

bound

in

a

protonchannel

of

the

membrane

proteincytochrome

f,

which

is

part

of

the

energy-trapping

machinery

of

photosynthesis

inchloroplasts.

Five

water

molecules

arehydrogen-bonded

to

each

other

and

tofunctional

groups

of

the

protein,

whichinclude

the

side

chains

of

eight

amino

acidresidues.

The

protein

has

a

bound

heme,its

iron

ion

facilitating

electron

flow

duringphotosynthesis.

Electron

flow

is

coupled

tothe

movement

of

protons

across

themembrane,

which

probably

involves“electron

hopping”

through

this

chain

ofbound

water

molecules.Proton

jumping水分子与生物分子形成氢键（有弊）3.

水分子的特性（2）水化作用（hydration）---好的极性溶剂

How

does

entropy（熵）change

of

the

system

ascrystalline

substances

dissolve?Drug

Efficacy

Depends

on

Water

Solubility

In

order

for

an

administereddrug

to

be

effective,

it

mustdissolve

in

aqueous

bodyfluids

and

be

transported

toits

target

organs

or

cells.3.

水分子的特性（3）疏水作用（hydrophobic

interaction）

非极性分子或基团在水溶液中的缔合趋势。一些概念---

两亲性分子（Amphipathic

molecules）---

含有疏水性和亲水性两种基团的分子---

疏水区和亲水区---

表面活性剂

---

微团（micelles）---

磷脂

---

脂双层（lipid

bilayer）micelles扩散成核成团Lipid

bilayerRelease

of

ordered

water

favors

formationof

an

enzyme-substrate

complex3.

水分子的特性（4）渗透作用（Osmosis

）Effect

of

extracellular

osmolarityon

water

movement

across

aplasma

membrane（4）渗透作用（Osmosis

）

高渗

等渗低渗3.

水分子的特性（5）亲核作用---

水解反应（热力学有利的反应）---

弱亲核性能

（生理条件）---

需酶或其他催化剂催化剂存在下的酯水解反应1.

There

is

so

much

water

in

cells,why

aren’t

all

biopolymers

rapidlydegraded

to

their

monomers?QuestionsThe

preferred

direction

of

a

reaction

andthe

rate

of

the

reaction

are

different.

inactive

enzyme（酶）,

or

enclosed

in

special

membrane-bounded

compartments

(膜分隔间).2.

The

equilibrium

lies

towardbreakdown,

how

does

biosynthesisoccur

in

an

aqueous

environment?QuestionsusingATPtoovercomethermodynamicbarrier----

偶联反应theenzymeexcludewaterfromtheactivesite

（活性部位）wheresyntheticreactionsoccur.七、生物体系中的水4.

缓冲溶液

(buffer)---由弱酸（H+供体）和它

的共轭碱（

H+受体）组成的溶液体系。---

滴定曲线---

缓冲区（pKa

±

1）---

pKa处,

最强缓冲能力---

生物体液主要缓冲体系

（H2PO4-,

H2CO3,

protein）七、生物体系中的水缓冲溶液的浓度与pH的关系---

Henderson-Haselbalch方程pH

=

pKa

+

lg

{[A-]/[HA]}---主要维持细胞内pH的恒定。2.碳酸盐缓冲系统（HCO3-/H2CO3）---维持细胞外液（如血液）的pH稳定。

生物体内的两种重要的缓冲系统1.

磷酸盐缓冲系统（HPO42-/H2PO4-）

血液主要的缓冲系统•

an

effective

physiologicalbuffer

near

pH

7.4.•

the

H2CO3

of

bloodplasma

is

in

equilibriumwith

a

large

reservecapacity

of

CO2(g)

in

the

airspace

of

the

lung