緒論2011生物化學(xué)

1、涵義及內(nèi)容 發(fā)展史 地位及作用 學(xué)習(xí)方法 化學(xué)（共性和個性）化學(xué)（共性和個性） 共性：共性： 物質(zhì)的本性即包括組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；物質(zhì)的本性即包括組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)； 物質(zhì)的變化即物質(zhì)變化的條件和方法。物質(zhì)的變化即物質(zhì)變化的條件和方法。 個性：方法、角度或?qū)ο髠€性：方法、角度或?qū)ο?n無機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué) n有機(jī)化學(xué)有機(jī)化學(xué) n分析化學(xué)分析化學(xué) n物理化學(xué)物理化學(xué) 研究研究 差異差異 生物化學(xué)？生物化學(xué)？ 1 涵義及內(nèi)容 1.1 涵義涵義 生物化學(xué)生物化學(xué)生命的 化學(xué)，是研究生物體生物體 的化學(xué)組成，生物物 質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能，生 命過程中物質(zhì)與能量 變化的規(guī)律，以及一 切生命現(xiàn)象的科學(xué)。 從學(xué)科范圍上來

2、講，生物化學(xué)是由生 物學(xué)和化學(xué)交叉發(fā)展形成的邊緣科學(xué)，是 以化學(xué)方法為主要手段來研究生物（生命以化學(xué)方法為主要手段來研究生物（生命 活動）的一門科學(xué)?；顒樱┑囊婚T科學(xué)。 生命的化生命的化 學(xué)，化學(xué)學(xué)，化學(xué) 的生命的生命 生物學(xué)生物學(xué) 化學(xué)化學(xué) 工程學(xué)工程學(xué) 生物化學(xué)生物化學(xué)生物工程生物工程 化化 學(xué)學(xué) 工工 程程 生物生物 技術(shù)技術(shù) 1.2 研究內(nèi)容研究內(nèi)容 1.2.1 生物體的化學(xué)組成生物體的化學(xué)組成 四類基本生物分子： 多糖多糖 單糖組成 脂類 甘油、脂肪酸、磷酸、含氮堿等組成 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 氨基酸（20種）組成 核酸核酸 核苷酸組成，核苷酸由堿基、戊糖、磷酸組成 三大活性物質(zhì)：酶、維生素

3、、激素 研究它們的結(jié)構(gòu)、特性、作用方式和機(jī)理。 生物分子離體的狀態(tài)下的靜態(tài)特征，稱為靜態(tài)部分靜態(tài)部分 （Static part ） 生物分子在生物體內(nèi)并不是靜態(tài)的，而是不斷發(fā)生變化： 生物大分子 小分子 小分子 小分子 體外物質(zhì) 體內(nèi)物質(zhì) 從一種生物分子轉(zhuǎn)化為另一種生物分子所經(jīng)歷的化學(xué)反應(yīng)過 程稱為代謝途徑，其中伴隨著能量的變化（放能和需能）。 生物體內(nèi)各種不同的代謝途徑構(gòu)成復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)，各種生 物分子通過這張代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。 生物體內(nèi)物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化的動態(tài)過程，被稱為動態(tài)部分動態(tài)部分 （Dynamic part） 1.2.2 新陳代謝 降解 合成 轉(zhuǎn)化 運輸 分泌 u遺傳的分子基礎(chǔ)在內(nèi)容

4、上屬于分子生物學(xué)，講述的是核酸和蛋 白質(zhì)的合成代謝，包括： DNA RNA 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 中心法則是生物體傳遞并表達(dá)遺傳信息的基礎(chǔ)。 復(fù)復(fù) 制制 復(fù)復(fù) 制制 轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄 逆轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄 翻譯翻譯 1.2.3 遺傳的分子基礎(chǔ)和代謝的調(diào)節(jié)控制 生物體內(nèi)的代謝網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，而生物體的各 種反應(yīng)卻能有條不紊的進(jìn)行，這是受到精密的調(diào)節(jié) 機(jī)制調(diào)控的，其中細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)主要包括： (a)以膜結(jié)構(gòu)和膜功能為基礎(chǔ)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)效應(yīng); (b)以代謝途徑和酶分子結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的酶活調(diào)節(jié); (c)以酶的合成系統(tǒng)為基礎(chǔ)的酶量調(diào)節(jié)。 2 發(fā)展簡史 2.1 2.1 史前期史前期 公元前22世紀(jì)用谷物釀酒 公元前12世紀(jì)學(xué)會制醬、制 飴

5、 公元前7世紀(jì)用車前子、杏仁 治療腳氣病，用豬肝治療夜 盲癥等 依靠經(jīng)驗自發(fā)的利用生物化 學(xué)規(guī)律，而對本質(zhì)沒有認(rèn)識 2.2 2.2 啟蒙期（啟蒙期（18 18世紀(jì)）世紀(jì)） 1780-1789 拉瓦錫 （Antoine Lavoisier） （法）研究燃燒和呼吸， 被認(rèn)為是現(xiàn)代生物化學(xué) 研究的開端，他推翻了 燃素說, 后人稱他是生物 化學(xué)之父。 （1742-1786）瑞典化 學(xué)家舍勒(Carl W. Scheele) 分離并研究了酒石酸、檸 檬酸、蘋果酸、尿酸、乳 酸、甘油等有機(jī)物 2.3 2.3 形成期（形成期（19 19世紀(jì)）世紀(jì)） （1830-1842）德國化學(xué)家李 比希(Justus L

6、iebig)是生理化學(xué) 和碳水化合物化學(xué)的創(chuàng)始人之 一，研究了大量的有機(jī)分子和 生物組織提取物，將食物分為 糖、脂、蛋白質(zhì)類，并首次提 出了“新陳代謝”這個學(xué)術(shù)名 詞 1877年，德國醫(yī)生霍佩-賽 勒(Felix Hoppe-Seyler)首次提出 “Biochemie”這個名詞，并創(chuàng)辦 了生理化學(xué)雜志，將生理化學(xué) （生物化學(xué)）建成一門獨立的 學(xué)科，首次從生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、 化學(xué)中分離出來。他還首創(chuàng)了 “蛋白質(zhì)”一詞，并得到了血 紅蛋白結(jié)晶。 霍佩-賽勒的學(xué)生米歇爾 (Friedrich Miescher)研究了病理液體 和膿細(xì)胞，并從膿細(xì)胞的細(xì)胞核中 分離得到了脫氧核糖核蛋白。 1897年布赫納

7、 (Bchner)兄弟利用無細(xì) 胞酵母汁液發(fā)酵蔗糖產(chǎn) 生酒精的研究，是生化 發(fā)展早期的一個重要里 程碑，不僅結(jié)束了酒精 發(fā)酵機(jī)理持續(xù)了半個世 紀(jì)的大論戰(zhàn)，而且將酶 學(xué)和代謝等現(xiàn)代生化研 究引入了一個快速發(fā)展 的新時期。 Ludwig Buchner Georg Buchner n19031903年生物化學(xué)學(xué)科正式成立年生物化學(xué)學(xué)科正式成立 （18901902）埃米爾費 舍爾（Emil Fischer）（德）首次 證明了蛋白質(zhì)是多肽；發(fā)現(xiàn)酶的 專一性，提出并驗證了酶催化作 用的“鎖-匙”學(xué)說；合成了糖 及嘌呤。1902年獲諾貝爾獎。 2.4 2.4 發(fā)展期（發(fā)展期（2020世紀(jì)上半葉）世紀(jì)上半葉

8、） 進(jìn)入20世紀(jì)后，生物化學(xué)研究得到了迅 速的發(fā)展，德、美、英、法都建立了生 化學(xué)術(shù)中心。 20世紀(jì)上半葉在蛋白質(zhì)、 酶、維生素、激素和物質(zhì)代謝及生物氧 化方面都有很大的進(jìn)展。 霍普金斯(Frederick G. Hopkins)，劍橋大學(xué)生物 化學(xué)教授，先后發(fā)現(xiàn)了維 生素、色氨酸和谷胱甘肽， 創(chuàng)建了劍橋普通生物化學(xué) 學(xué)派和中心。 Hopkins Building, Department of Biochemistry, Cambridge 1926年，美國的色姆納 (James B. Sumner)得到了脲 酶結(jié)晶，證明了酶的本質(zhì) 是蛋白質(zhì)。 1937年，英國生物化 學(xué)家克雷布斯(Hans

9、A. Krebs)發(fā)現(xiàn)并闡明了 三羧酸循環(huán)。 此外，脂肪酸氧化降 解途徑、糖酵解途徑 等基本生物化學(xué)途徑 也都在20世紀(jì)30年代 前后陸續(xù)闡明。 1949 鮑林(Linus C. Pauling)（美）指出鐮刀形 紅細(xì)胞性貧血是一種分子 病，并于1951年提出蛋白 質(zhì)存在二級結(jié)構(gòu)。 1954年 獲諾貝爾獎。 1950年代，巴斯德 (Louis Pasteur)證明了酒精 發(fā)酵是由微生物引起的，排 除了發(fā)酵自生論。 2.5 2.5 繁榮期（繁榮期（2020世紀(jì)下半葉至今）世紀(jì)下半葉至今） 整個生物化學(xué)的領(lǐng)域向廣度和深度整個生物化學(xué)的領(lǐng)域向廣度和深度 發(fā)展，分子生物學(xué)的出現(xiàn)和生物工發(fā)展，分子生物學(xué)

10、的出現(xiàn)和生物工 程的興起是這個時期最引人注目的程的興起是這個時期最引人注目的 成就。成就。 1944年，加拿大細(xì)菌學(xué)家艾弗 里(Oswald T. Avery)完成了肺炎球菌 轉(zhuǎn)化試驗，證明了DNA是遺傳物質(zhì)。 50年前后，英國物理 學(xué)家威爾金斯(Maurice Wilkins)完成了DNA的X-射 線衍射研究，由此在1962 年與沃森和克里克共同獲 得諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎。 在此基礎(chǔ)上，1953 年，沃森(James D. Watson)和克里克 (Francis H. Crick)建立 起DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模 型，開辟了分子生物學(xué) 的新紀(jì)元。 英國生物化學(xué)家桑 格(Frederick Sang

11、er) 發(fā) 明了測定蛋白質(zhì)分子中 氨基酸序列的方法，并 于1955年確定了牛胰島 素的一級結(jié)構(gòu)，這是第 一個被闡明結(jié)構(gòu)的蛋白 質(zhì)，開創(chuàng)了蛋白質(zhì)序列 分析的先河，由此獲得 1958年諾貝爾化學(xué)獎。 1960年，雅各布 (Franois Jacob)和莫諾 (Jacques Monod)提出了 在原核生物中普遍存在 的基因調(diào)控的操縱子結(jié) 構(gòu)模型，獲1965年諾貝 爾生理與醫(yī)學(xué)獎。 Franois Jacob Jacques Monod 1965年，美國生物化學(xué)家尼倫伯 格(Marshall W. Nirenberg)破譯出 三聯(lián)體遺傳密碼，獲得1968年 諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎。 霍利(Robert

12、W. Holley)闡明了酵 母丙氨酸t(yī)RNA的核苷酸排列順 序,后來又證明了所有的tRNA都 有著相似的結(jié)構(gòu)，獲1969年諾 貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎。 1969-1972, Arber(瑞士),Smith(美)與 Nathans(美)在核酸限制性內(nèi)切酶的分離與應(yīng)用方 面做出突出貢獻(xiàn)，為研究核酸分子的結(jié)構(gòu)和功能 找到了自由切割和重組的工具，也為70年代初重 組DNA技術(shù)（基因工程）的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，因 而在1978年共獲諾貝爾獎。 Hamilton O. Smith Daniel Nathans Werner Arber 1972 Berg（美）在基因工程基礎(chǔ)研究方面作出了 杰出成果，獲1980年諾

13、貝爾獎。 1973 Cohen等（美）用核酸限制性內(nèi)切酶EcoR1， 首次基因重組成功。 Paul Berg Stanley Cohen 1977年，桑格(Frederick Sanger)設(shè)計出一種測定 DNA分子中核苷酸序列的方法，測定了由5375個 核苷酸組成的174 DNA的一級結(jié)構(gòu)，由此獲得 1980年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎。 80年代以來，各國政府對生物技術(shù)倍加重視，分 子生物學(xué)成了最受青睞的學(xué)術(shù)領(lǐng)域之一?；蚬?程、細(xì)胞工程、酶工程和發(fā)酵工程在內(nèi)的生物工 程得到前所未有的發(fā)展，并在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、輕工 等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。 1984年，科勒(Kohler)、米爾斯坦(Milstein)

14、、 Jerne等由于發(fā)展了單克隆抗體技術(shù)，完善了極 微量蛋白質(zhì)的檢測技術(shù)而獲得了1984年諾貝爾 生理與醫(yī)學(xué)獎。 Georges J.F. Khler Csar Milstein Niels K. Jerne 1993年，美國科學(xué)家穆 里斯(Kary Mullis) 因發(fā)明 PCR(聚合酶鏈反應(yīng))儀而獲得 諾貝爾化學(xué)獎。PCR法通過 DNA變性、退火、延伸變性、退火、延伸三個 步驟的反復(fù)循環(huán)，可實現(xiàn)微 量的目的基因在短時間內(nèi)擴(kuò) 增100萬倍以上，這已成為分 子生物學(xué)研究人員不可缺少 的工具。 PCR流程演示 2001 Craig Venter（美）等報道完成了人類 基因組測序草圖。 人類基因組

15、計劃 （human genome project）： 美國Renato Dulbecco在1985年提出,美國政 府1990年10 月正式啟動,耗資30 億美元， 旨在畫出一張人體地圖,找到46 條染色體 上30 億個堿基對約10 萬個基因的準(zhǔn)確位 置，破譯人類全部遺傳信息，使人類第一 次在分子水平上全面認(rèn)識自己。是生命科 學(xué)領(lǐng)域有史以來最寵大的全球性研究計劃， “生命登月計劃”。 我國生物化學(xué)的開拓者吳憲吳憲教授 吳憲于本世紀(jì)20年代從美國 回國后擔(dān)任了私立北京協(xié)和醫(yī)學(xué) 院生物化學(xué)教授. 在他的領(lǐng)導(dǎo)下完成：蛋白質(zhì) 變性理論、血液的生化檢測研究、 免疫化學(xué)研究、素食營養(yǎng)研究、 內(nèi)分泌研究等等，

16、在生化方面做 出了重要貢獻(xiàn)。 生物化學(xué)發(fā)展方向： 分子層次結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)、結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系 細(xì)胞、器官、個體層次組學(xué)研究（基因組學(xué)、 蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、糖組學(xué)） 20世紀(jì)下半葉以來，生物化學(xué)和分子生物學(xué)的 發(fā)展一日千里，進(jìn)入21世紀(jì)后，該學(xué)科必定會 得到更大更迅猛的發(fā)展。 3 生物化學(xué)的地位及作用 v多學(xué)科共同孕育的邊緣學(xué)科，許多專業(yè)必不多學(xué)科共同孕育的邊緣學(xué)科，許多專業(yè)必不 可少的專業(yè)基礎(chǔ)課程可少的專業(yè)基礎(chǔ)課程 v生化往往是闡明機(jī)理，選擇合理工藝途徑，生化往往是闡明機(jī)理，選擇合理工藝途徑， 提高產(chǎn)品質(zhì)量，探索新工藝，研制新產(chǎn)品的提高產(chǎn)品質(zhì)量，探索新工藝，研制新產(chǎn)品的 理論基礎(chǔ)。理論基礎(chǔ)。

17、發(fā)酵工程的本質(zhì)是利用微生物的代謝活動將原料轉(zhuǎn)化為各發(fā)酵工程的本質(zhì)是利用微生物的代謝活動將原料轉(zhuǎn)化為各 種人們所需的產(chǎn)物。種人們所需的產(chǎn)物。 傳統(tǒng)發(fā)酵傳統(tǒng)發(fā)酵利用經(jīng)驗從原料生產(chǎn)產(chǎn)品，而人們對原料如何產(chǎn)利用經(jīng)驗從原料生產(chǎn)產(chǎn)品，而人們對原料如何產(chǎn) 生產(chǎn)物的過程（代謝途徑）并不了解。生產(chǎn)物的過程（代謝途徑）并不了解。 現(xiàn)代新型發(fā)酵現(xiàn)代新型發(fā)酵是建立在對微生物的代謝網(wǎng)絡(luò)和代謝調(diào)控機(jī)是建立在對微生物的代謝網(wǎng)絡(luò)和代謝調(diào)控機(jī) 理深刻認(rèn)識的基礎(chǔ)上的。理深刻認(rèn)識的基礎(chǔ)上的。 微生物細(xì)胞微生物細(xì)胞 代謝網(wǎng)絡(luò)代謝網(wǎng)絡(luò)葡萄糖葡萄糖 酒精酒精 甘油甘油 其他產(chǎn)品其他產(chǎn)品 氨基酸發(fā)酵是典型的新型發(fā)酵。以谷氨酸發(fā)酵為氨基酸發(fā)

18、酵是典型的新型發(fā)酵。以谷氨酸發(fā)酵為 例：例： - -酮戊二酸酮戊二酸 谷氨酸谷氨酸 在正常情況下，在正常情況下，谷氨酸不會過量合成。谷氨酸不會過量合成。通通 過代謝控制手段可使細(xì)胞可以源源不斷的生產(chǎn)過代謝控制手段可使細(xì)胞可以源源不斷的生產(chǎn) 谷氨酸。谷氨酸。 E1E2 E3 為選育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)菌株，須對微生物改造，無論使 用傳統(tǒng)的理化方法誘變育種，還是基因工程的手 段進(jìn)行育種，其操作的對象都是DNA分子，因此 須對這類生物大分子的性質(zhì)有所認(rèn)識。 發(fā)酵產(chǎn)品多樣、性質(zhì)各異，有小分子，如氨基酸、 有機(jī)酸、核苷酸、維生素、寡肽、低聚糖等；有大 分子，如蛋白質(zhì)、酶、核酸、多糖等，將它們從復(fù) 雜的發(fā)酵液中分離決

19、不容易。靜態(tài)生化部分研究生 物分子的性質(zhì)可為分離提供依據(jù)。 啤酒生產(chǎn)是極為復(fù)雜的生物化學(xué)過程 啤酒生產(chǎn)中從制麥、糖化到發(fā)酵等主要工藝 過程，從最初的原料分子到最終產(chǎn)品中的各種組分， 經(jīng)歷了種類極多的酶促反應(yīng)（少數(shù)反應(yīng)非酶促）。 生化學(xué)習(xí)可為選擇合理工藝條件，提高產(chǎn)品質(zhì) 量，探索新工藝，研制新產(chǎn)品以及進(jìn)行啤酒質(zhì)量分 析提供理論基礎(chǔ)。 菌種是啤酒生產(chǎn)的基礎(chǔ) 生化和分子生物學(xué)手段在啤酒生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用 PCR手段在大麥種系鑒定中的應(yīng)用。通過PCR 法擴(kuò)增大麥16s rDNA并進(jìn)行比較，是快速有效鑒 定大麥品種的方法。 研究作為啤酒生產(chǎn)原料的植物的新陳代謝過 程，使我們有可能控制植物發(fā)育，通過基因工

20、程技 術(shù)的應(yīng)用還可改良作物品種。 4 學(xué)習(xí)方法 建立以生物功能為軸線的思維體系 （注意聯(lián)系與區(qū)別） 學(xué)習(xí)要有技巧（前掛后聯(lián)，溫故知新） 實驗要充分利用 理解記憶理解記憶 主要參考書參考書 魏述眾主編 生物化學(xué) 一本具備工科特色的優(yōu)秀教材。 其它參考書 王鏡巖主編，生物化學(xué)第三版，上下冊， 高等教育出版社，2002；生物化學(xué)教程， 高等教育出版社，2008 David L. Nelson and Michael M. Cox, Lehninger Principles of Biochemistry (4th Edition), 2004; (5th Edition), 2008 與生化學(xué)習(xí)有關(guān)

21、網(wǎng)址 1） /wiki/%E9%A6%96%E9% A1%B5 2） http:/ 實驗認(rèn)識實驗認(rèn)識 學(xué)會聯(lián)系學(xué)會聯(lián)系 課外拓展課外拓展 科研活動科研活動 基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識 How do we make use of knowledge about biochemistry for the benefits of human being (biotechnology, quality of life, societal welfare)? 考核考核 1）平時（提問）平時（提問+測試）測試）.40% 2）期末考試）期末考試. 60% n19031903

22、年生物化學(xué)學(xué)科正式成立年生物化學(xué)學(xué)科正式成立 （18901902）埃米爾費 舍爾（Emil Fischer）（德）首次 證明了蛋白質(zhì)是多肽；發(fā)現(xiàn)酶的 專一性，提出并驗證了酶催化作 用的“鎖-匙”學(xué)說；合成了糖 及嘌呤。1902年獲諾貝爾獎。 1937年，英國生物化 學(xué)家克雷布斯(Hans A. Krebs)發(fā)現(xiàn)并闡明了 三羧酸循環(huán)。 此外，脂肪酸氧化降 解途徑、糖酵解途徑 等基本生物化學(xué)途徑 也都在20世紀(jì)30年代 前后陸續(xù)闡明。 在此基礎(chǔ)上，1953 年，沃森(James D. Watson)和克里克 (Francis H. Crick)建立 起DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模 型，開辟了分子生物學(xué) 的新紀(jì)元。 1969-1972, Arber(瑞士),Smith(美)與 Nathans(美)在核酸限制性內(nèi)