第一章 生物化學課件 緒論

1、生 物 化 學生命科學學院生命科學學院 生物化學的概念及研究內(nèi)容 生物化學的發(fā)展歷史 生物化學與相關學科的關系 生物分子概述第一章 緒 論一、生物化學的概念及研究內(nèi)容 我們所處在的地球生長著無數(shù)的生我們所處在的地球生長著無數(shù)的生物，包括病毒、類病毒、菌、藻等微生物物，包括病毒、類病毒、菌、藻等微生物及各種動物、植物。及各種動物、植物。 生命有機體的特征？ 化學成分復雜但條理性很強: 生物用少數(shù)幾種生物元素(C、H、O、N、S、P)構成很多種生物小分子，如氨基酸、核苷酸、單糖等;再由生物小分子構成復雜的生物大分子（合稱生物分子） atoms molecules biopolymers organ

2、elles cells tissues organs organ systems individuals populations the biosphere 能從環(huán)境中吸收、轉(zhuǎn)化和利用能量（新陳代謝） 能自我繁殖生命有機體的特征生物化學是闡明生物分子是如何相互作用而形成復雜而高效的生命現(xiàn)象的科學。生物化學是一門運用化學的原理和方法研究生命現(xiàn)象的本質(zhì)，揭示生命奧秘的科學。簡單地說生物化學就是生命的化學。生物化學生物化學的概念的概念 研究構成生物體的分子基礎研究構成生物體的分子基礎生物分子生物分子的的化學組成、結構、性質(zhì)和功能?；瘜W組成、結構、性質(zhì)和功能。 研究研究生物分子生物分子在生命活動中的變

3、化規(guī)律在生命活動中的變化規(guī)律（物質(zhì)代謝、能量代謝）（物質(zhì)代謝、能量代謝）生物化學的生物化學的研究內(nèi)容研究內(nèi)容二、生物化學的發(fā)展歷史 最早的自然科學就是數(shù)、理、化、天、地、生。生就最早的自然科學就是數(shù)、理、化、天、地、生。生就是生物學，研究的是一些力所能及的形態(tài)觀察、分類是生物學，研究的是一些力所能及的形態(tài)觀察、分類等。等。 隨著各學科的發(fā)展，學科間在理論知識和技術上相互隨著各學科的發(fā)展，學科間在理論知識和技術上相互滲透，尤其是化學、物理學的滲透，到滲透，尤其是化學、物理學的滲透，到1818世紀一些從世紀一些從事化學研究的科學家如拉瓦錫、舍勒等人和一些藥劑事化學研究的科學家如拉瓦錫、舍勒等人和一

4、些藥劑師轉(zhuǎn)向生物領域，生物學逐漸分離成生理化學（生物師轉(zhuǎn)向生物領域，生物學逐漸分離成生理化學（生物化學的萌芽）、遺傳學、細胞學。化學的萌芽）、遺傳學、細胞學。 18771877年，德國醫(yī)生霍佩年，德國醫(yī)生霍佩- -賽勒賽勒Ernst Felix Hoppe-Seyler首次提出首次提出“”一詞，并使之成為一一詞，并使之成為一門獨立的學科。門獨立的學科。 生物化學的發(fā)展概括起來經(jīng)歷了生物化學的發(fā)展概括起來經(jīng)歷了3 3個階段：個階段： YearProteins were thought to carry genetic informationMiescher discovered DNAMiesc

5、her discovered DNAInterweaving of the historical traditions of biochemistry, cell biology, and genetics.靜靜態(tài)態(tài)動動態(tài)態(tài)機機能能 靜態(tài)生物化學階段：萌芽時期(18世紀下半葉-20世紀初）這一時期生物化學主要依附于有機化學，研究不深入，只是對生物體的物質(zhì)組成、性質(zhì)、含量有所了解（比如從生物體中分離到甘油、檸檬酸、蘋果酸、乳酸、尿酸、酒石酸等）。 動態(tài)生物化學階段：奠基時期(20世紀初-1950年)由于分析鑒定技術的進步，尤其是放射性同位素示蹤技術的應用，生物化學進入深入發(fā)展時期?？茖W家對生物物

6、質(zhì)代謝進行了廣泛深入的研究，基本闡明: （1）酶的化學本質(zhì) （2）與能量代謝有關的物質(zhì)代謝途徑 機能生物化學階段：大發(fā)展時期（1950- ） 科學家對生物的研究已從整體水平逐步深入到細胞、亞細胞、分子水平。伴隨實驗手段、技術（電鏡、超離心、色譜、電泳等）的不斷改進，使得對生物大分子結構及功能的研究也更加深入。50年代以后生物化學迅猛發(fā)展，每年的諾貝爾生理學/醫(yī)學獎和化學獎的大部分獎項都是與生物化學領域相關的。美國、法國、德國、英國在近代生物化學發(fā)展史貢獻突出。在21世紀，生物化學將在分子、細胞等水平上利用多學科手段交叉滲透，對核酸、蛋白質(zhì)和基因組、 核糖體、生物膜等大分子體系，以及免疫、遺傳、

7、發(fā) 育、衰老、死亡等重大生命現(xiàn)象進行綜合深入的研究，為社會的發(fā)展帶來深刻的影響。三、生物化學與相關學科的關系;生物化學與許多學科有著密切聯(lián)系和交叉1、利用化學、物理學的原理和技術研究生物分子的結構、性質(zhì)。2、許多生物化學理論（代謝途徑和調(diào)控機制）是用微生物作為材料證實的。3、生理學, 是在生物體的組織和整體水平研究生命進程，涉及生物體內(nèi)有機物的代謝，這也是生物化學的核心之一。4、細胞生物學, 研究生物細胞結構、功能，包括細胞內(nèi)生物分子的作用。5、遺傳學，研究核酸、蛋白質(zhì)的生物合成及調(diào)控，這也是生物化學必須討論的重要課題。有機化學生物物理學微生物學生理學細胞生物學遺傳學生物化學生物化學的應用 生

8、物化學的原理和技術在生產(chǎn)實踐中也得到廣泛的應用。如與農(nóng)學、某些輕工業(yè)(如制藥、釀造、皮革、食品等)、醫(yī)學都有密切關系，很多問題都需要從生化的角度、利用生化的方法才能了解。v應用生物農(nóng)藥對病蟲害和雜草進行防治。減少化學污染，保持生態(tài)平衡。 如利用微生物做殺蟲劑，應用最廣的是用蘇云金桿菌殺毛蟲。當這種細菌在葉的表面形成芽孢后，產(chǎn)生一種蛋白結晶，食用葉片后，幼蟲腸中的蛋白酶把這些結晶轉(zhuǎn)變成有毒的肽類，使毛蟲死亡。此法可將多種有害昆蟲消滅在幼蟲階段，效果好，且只專一作用于昆蟲幼蟲，毒性小。但成本比化學殺蟲劑高。生 物 防 治四、生物分子概述 碳架是生物分子結構的基礎 生物分子有復雜的異構現(xiàn)象 生物分子

9、中的作用力 自然界所有的生物體都由三類物質(zhì)組成： 水、無機離子、生物分子 生物分子泛指生物體特有的各類分子，它們都是有機物。生物分子是生物體和生命現(xiàn)象的物質(zhì)基礎。 典型的細胞含有一萬到十萬種生物分子。典型的細胞含有一萬到十萬種生物分子。 其中近半數(shù)是小分子，分子量一般在其中近半數(shù)是小分子，分子量一般在500500以下以下, ,如如維生維生素、輔酶、激素、核苷酸和氨基酸等素、輔酶、激素、核苷酸和氨基酸等。 其余都是某些生物小分子的聚合物，分子量很大，一其余都是某些生物小分子的聚合物，分子量很大，一般在一萬以上，有的高達般在一萬以上，有的高達10101212，因而稱為，因而稱為生物大分子生物大分子

10、，如如 多糖、脂、核酸和蛋白質(zhì)多糖、脂、核酸和蛋白質(zhì)。1、碳架是生物分子結構的基礎 碳元素一般占細胞干重的50以上。 碳原子既難得到電子，又難失去電子，最適于形成共價鍵。 碳原子成鍵能力很強，且是四面體構型，因此它自相結合可以形成結構各異的生物分子骨架（碳架）。 碳原子又可通過共價鍵與其它元素結合，形成化學性質(zhì)活潑的官能團。 生物分子碳架的大小組成不一，幾何形狀結構多樣（線形、分支形、環(huán)形、飽和、不飽和）。 變化多端的碳架與種類有限的官能團，共同組成形形色色的生物分子的低層次結構-生物小分子。 2、生物分子有復雜的異構現(xiàn)象 異構體(isomer)：是原子組成相同而結構或構型不同的分子。 異構現(xiàn)

11、象可分為:結構異構、立體異構結 構 異 構結構異構：由于原子之間連接方式不同所引起的異構現(xiàn)象。結構異構包括:由碳架不同產(chǎn)生的碳架異構，如丙基和異丙基;丙基異丙基由官能團位置不同產(chǎn)生的位置異構，如-丙氨酸和-丙氨酸;由官能團不同而產(chǎn)生的官能團異構。如丙醛糖和丙酮糖。立 體 異 構立體異構： 同一結構異構體，由于原子或基團在三維空間的排布方式不同所引起的異構現(xiàn)象。立體異構可分為構型異構和構象異構。通常將分子中原子或基團在空間位置上一定的排布方式稱為構型。構型異構是結構相同而構型不同的異構現(xiàn)象。構型異構又包括順反異構和光學異構。構型相同的分子，可由于單鍵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生很多不同立體異構體，這種現(xiàn)象稱為構象異

12、構。順 反 異 構Much input of energy Much input of energy Is needed for their Is needed for their interconversion (viainterconversion (viabreakage/formationbreakage/formationof covalent bonds.of covalent bonds.( (順丁烯二酸，馬來酸）順丁烯二酸，馬來酸）（反丁烯二酸，富馬酸）（反丁烯二酸，富馬酸）各自具有不同的化學性各自具有不同的化學性質(zhì)和生物學作用質(zhì)和生物學作用由由C=CC=C引起的引起的手性碳原

13、子引起。手性碳原子引起。1 1個手性碳原子上個手性碳原子上相連的各原子或基團相連的各原子或基團的空間排布有兩種，的空間排布有兩種，互為鏡像，稱為互為鏡像，稱為對映對映體體。光 學 異 構對映異構體化學性質(zhì)幾乎完全相同，但使偏振光的平面旋轉(zhuǎn)相反地方向，但角度相同。具有具有n個手性碳原子的分子，有個手性碳原子的分子，有2n個立體異構體個立體異構體 構 象 異 構 由于CC單鍵的旋轉(zhuǎn)，使分子中其余原子或基團的空間取向發(fā)生改變，從而產(chǎn)生種種可能的有差別的立體形象，這種現(xiàn)象稱為構象異構。 構象異構賦予生物大分子的構象柔順性。與構型相比，構象是對分子中各原子空間排布情況的更深入的探討，以闡明同一構型分子在

14、非鍵合原子間相互作用的影響下，所發(fā)生的立體結構的變化。生物大分子在眾多可能構象中通常表現(xiàn)有限數(shù)量的穩(wěn)定構象.一個生物分子的功能通常依賴于它特異的三維結構，即構象和構型。e.g., e.g., 不同的立體異構體可以引起人不同的味覺和嗅覺反應不同的立體異構體可以引起人不同的味覺和嗅覺反應NoImageThe human taste receptors distinguish these The human taste receptors distinguish these two stereoisomers as sweet and bitter!two stereoisomers as swee

15、t and bitter!生物分子之間的互作通常是立體異構的天門冬氨酰苯丙氨酸甲酯3、生物分子中的作用力 生物體系存在兩類不同水平的作用力： 一類是生物元素借以結合成為生物分子的強作用力-共價鍵。 另一類是決定生物分子高層次結構和生物分子之間借以相互識別、結合及作用的弱作用力-非共價相互作用（次級鍵）。非共價作用力 包括氫鍵、靜電作用力、范德華力和疏水作用力。 這些力屬于弱作用力，其強度比共價鍵低一兩個數(shù)量級。這些力單獨作用時很弱，極不穩(wěn)定，但在生物高層次結構中，許多弱作用力協(xié)同作用，往往起到?jīng)Q定生物大分子構象的作用。 氫 鍵 氫鍵的形成：供氫體的X原子及氫受體Y原子必須半徑較小，電負性較大；

16、Y原子還必須含有孤對電子（一般X,Y為N,O,F,Cl)。帶正電荷的H原子核與Y原子的孤對電子互相靜電吸引，產(chǎn)生氫鍵。 氫鍵是一種弱作用力，鍵能只相當于共價鍵的1/30-1/20(12-30kj/mol)，容易被破壞。氫鍵的鍵長比共價鍵長，比范德華距離短。 氫鍵對生物體系有重大意義，特別是在穩(wěn)定生物大分子的二級結構中起主導作用。供氫體供氫體氫受體氫受體X-HYX-HY范 德 華 力 范德華力是普遍存在于原子和分子間的弱作用力，是范德華引力與范德華斥力的統(tǒng)一。 引力和斥力分別和原子間距離的6次方和12次方成反比。二者達到平衡時，兩原子或原子團間保持一定的距離，即范德華距離。 范德華力的本質(zhì)是偶極

17、子之間的靜電相互作用力，包括定向力、誘導力和色散力。極性基團或分子是永久偶極，它們之間的作用力稱為定向力。非極性基團或分子在永久偶極子的誘導下可以形成誘導偶極子，這兩種偶極子之間的作用力稱為誘導力。非極性基團或分子，由于電子相對于原子核的波動，而形成的瞬間偶極子之間的作用力稱為色散力。 范德華力比氫鍵弱得多，但如果兩個分子表面幾何形態(tài)互補，由于許多原子協(xié)同作用，范德華力就能成為分子間有效引力。范德華力對生物多層次結構的形成和分子的相互識別與結合有重要意義。靜電作用力包括正負荷電基團間的引力，常稱為鹽鍵包括正負荷電基團間的引力，常稱為鹽鍵(salt (salt bond)bond)和同性荷電基團

18、間的斥力。和同性荷電基團間的斥力。力的大小與荷電量成正比，與荷電基團間的距離平力的大小與荷電量成正比，與荷電基團間的距離平方成反比，還與介質(zhì)的極性有關。介質(zhì)的極性對荷方成反比，還與介質(zhì)的極性有關。介質(zhì)的極性對荷電基團相互作用有屏蔽效應，介質(zhì)的極性越小，荷電基團相互作用有屏蔽效應，介質(zhì)的極性越小，荷電基團相互作用越強。電基團相互作用越強。 例如，例如，-COO-COO-與與 -NH3+-NH3+間在極性介質(zhì)水中的相間在極性介質(zhì)水中的相互作用力，僅為在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部非極性環(huán)境中的互作用力，僅為在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部非極性環(huán)境中的1/201/20，在真空中的，在真空中的1/801/80。疏水相互作用 疏水

19、相互作用比范德華力強得多。 生物分子有許多結構部分具有疏水性質(zhì)，如蛋白質(zhì)的疏水氨基酸側(cè)鏈、核酸的堿基、脂肪酸的烴鏈等。它們之間的疏水相互作用在穩(wěn)定蛋白質(zhì)、核酸的高層次結構和形成生物膜中發(fā)揮著主導作用。 生物化學的概念及研究內(nèi)容 生物化學的發(fā)展歷史 生物化學與相關學科的關系 生物分子概述緒論完教學安排（72學時）1.理論部分(48學時)第一章第一章 緒緒 論（論（1 1學時）學時）第二章第二章 蛋白質(zhì)（蛋白質(zhì)（6 6學時）學時）第三章第三章 核酸（核酸（4 4學時）學時）第四章第四章 酶（酶（6 6學時）學時）第五章第五章 大分子復合物大分子復合物-生物膜（生物膜（2 2學時）學時）第六章第六章 糖類與糖類代謝（糖類與糖類代謝（6 6學時）學時）第七章第七章 生物氧化與氧化磷酸化（生物氧化與氧化磷酸化（4 4學時）學時）第八章第八章 脂類與脂類代謝（脂類與脂類代謝（4 4學時學時）第九章第九章 含氮化合物