基礎(chǔ)生物化學(xué)緒論

1、Biochemistry生 物 化 學(xué)主講教師：姚正培新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院生物技術(shù)系第一章 緒論 2第二章 蛋白質(zhì)化學(xué) 8第三章 酶 6第四章 核酸的結(jié)構(gòu)與功能 6第五章 脂類與生物膜 2第六章 生物氧化與氧化磷酸化 4第七章 糖類分解代謝 6第八章 糖的生物合成 2第九章 脂類代謝 4第十章 蛋白質(zhì)酶促降解和氨基酸代謝 2第十一章 氨基酸的生物合成 2第十二章 核酸降解和核苷酸代謝 2第十三章 核酸的生物合成 6第十四章 蛋白質(zhì)的生物合成 4課程考核理論課考試成績占總成績70%實(shí)驗(yàn)課考核占20%平時(shí)成績占10% 1 緒 論 生物化學(xué)Biochemistry是研究生命有機(jī)體的化學(xué)組成、維持生命活

2、動(dòng)的各種化學(xué)變化及其相互聯(lián)系的科學(xué)。 它的研究對象具有普遍性和代表性。 動(dòng)物、植物、微生物及人類1.1 生物化學(xué)的研究范圍1 緒 論1.1 生物化學(xué)的研究范圍 生物化學(xué)Biochemistry是研究生命有機(jī)體的化學(xué)組成、維持生命活動(dòng)的各種化學(xué)變化及其相互聯(lián)系的科學(xué)。生物體的化學(xué)組成生物體的物質(zhì)代謝、能量轉(zhuǎn)換和代謝調(diào)節(jié)生物體的信息代謝生物化學(xué)是研究生命活動(dòng)化學(xué)本質(zhì)的學(xué)科。 即運(yùn)用化學(xué)的原理和方法探究生命現(xiàn)象的本質(zhì)。1 緒 論1.1.1 生物體的化學(xué)組成元素：C、H、O、N、P、S化合物：有機(jī)化合物：蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂類 可溶性糖、有機(jī)酸、維生素、激素?zé)o機(jī)化合物：水、無機(jī)鹽1.1 生物化學(xué)的研

3、究范圍生物大分子組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、功能1 緒 論1.1.2 生物體的物質(zhì)代謝、能量轉(zhuǎn)換和代謝調(diào)節(jié) 生命活動(dòng)的過程是由成千上萬個(gè)生物化學(xué)反響組成，但這些反響并非雜亂無章，而是以網(wǎng)絡(luò)狀的途徑形式存在。 例如在生物體內(nèi)合成乳酸反響。1.1 生物化學(xué)的研究范圍1 緒 論1.1.3 生物體的信息代謝 1.1 生物化學(xué)的研究范圍蛋白質(zhì)翻譯轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)制DNARNA1 緒 論研究生物體內(nèi)各種化合物的結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)和功能主要有糖類、脂類、蛋白質(zhì)、核酸、酶、維生素、激素、可溶性糖、有機(jī)酸等研究構(gòu)成生物體的根本物質(zhì)在生命活動(dòng)中進(jìn)行的化學(xué)變化，即新陳代謝及代謝過程中能量的轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)靜態(tài)生物化學(xué)動(dòng)態(tài)生物化學(xué)1.1

4、 生物化學(xué)的研究范圍1 緒 論代謝與能量蛋白質(zhì)化學(xué)酶核酸化學(xué)糖類化學(xué)脂類化學(xué)靜態(tài)生物化學(xué)動(dòng)態(tài)生物化學(xué)糖類代謝脂類代謝蛋白質(zhì)代謝核酸代謝代謝調(diào)節(jié)1.1 生物化學(xué)的研究范圍1 緒 論1.2 生物化學(xué)的開展簡史第一階段18世紀(jì)70年代以后，隨著近代化學(xué)和生理學(xué)的開展， 生物化學(xué)學(xué)科開始形成1770-1774年，英國J.Priestly發(fā)現(xiàn)了氧氣，并指出動(dòng)物消耗氧而植物產(chǎn)生氧1770-1786年，瑞典人別離了甘油、檸檬酸、蘋果酸、乳酸、尿酸等1779-1796年，荷蘭人J.Ingenbousz證明在光照條件下綠色植物吸收CO2 并放出O2 1828年， Wohler合成了有機(jī)物尿素1 緒 論第一階段1

5、8世紀(jì)70年代以后，隨著近代化學(xué)和生理學(xué)的開展， 生物化學(xué)學(xué)科開始形成1897年， Buchner證實(shí)不含細(xì)胞的酵母提取液也能使糖發(fā)酵1903年，Neuberg首次使用“biochemistry，生物化學(xué)作為一門新興學(xué)科正式宣告誕生。這個(gè)階段，生物化學(xué)的主要工作是別離和鑒定了各種氨基酸、羧酸、糖類，發(fā)現(xiàn)了核酸，開始進(jìn)行酶學(xué)研究。1.2 生物化學(xué)的開展簡史1 緒 論第二階段從20世紀(jì)初到20世紀(jì)40年代，隨著分析鑒定技術(shù)的進(jìn)步，尤其是放射性同位素技術(shù)的應(yīng)用，生物化學(xué)進(jìn)入動(dòng)態(tài)生物化學(xué)的時(shí)期。1926年，美國化學(xué)家J. B. Sumner首次得到脲酶結(jié)晶1912-1933，生物氧化得到了卓有成效的研

6、究30年代，陸續(xù)得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶，從而進(jìn)一步證明酶是蛋白質(zhì)1.2 生物化學(xué)的開展簡史1 緒 論30年代，英生化學(xué)家A.Krebs提出尿素循環(huán)和三羧酸循環(huán)40年代，能量代謝的提出為生物能學(xué)的開展奠定了根底此外，糖酵解途徑、光合碳代謝途徑得到證明，發(fā)現(xiàn)了維生素和激素、血紅素核葉綠素等這個(gè)階段，根本上說明了酶的化學(xué)本質(zhì)以及能量代謝有關(guān)的物質(zhì)代謝途徑。1.2 生物化學(xué)的開展簡史1 緒 論第三階段1950年以來，借助于各種理化技術(shù)，對蛋白質(zhì)、酶、核酸等生物大分子進(jìn)行化學(xué)組成、序列、空間結(jié)構(gòu)及其生物學(xué)功能的研究，并開展到人工合成，創(chuàng)立了基因工程。 1950年，Pauling提出蛋白質(zhì)

7、二級結(jié)構(gòu)的a-螺旋1953年，Watson & Crick提出了DNA的雙螺旋模型1958年，Crick提出“中心法那么1953及1975年，Sanger分別研究出蛋白質(zhì)序列和核酸序列的測定方法1961年，Jacob & Monod 提出了操縱子學(xué)說1965年， Holly 排出酵母tRNAAla 的一級結(jié)構(gòu)1966年，Nirenberg & Khorana 破譯了遺傳密碼1.2 生物化學(xué)的開展簡史1 緒 論1970年，Temin和Baltimore幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)逆向轉(zhuǎn)錄酶，證實(shí)了Temin 1964年提出的“前病毒假說，說明在勞氏肉瘤病毒RSV感染以后，首先產(chǎn)生含RNA病毒基因組全部遺傳信息的

8、DNA前病毒，而子代病毒的RNA那么是以前病毒的DNA為模板進(jìn)行合成。 1972年1973年， Berg等成功地進(jìn)行了DNA體外重組； Cohen創(chuàng)立了分子克隆技術(shù)，在體外構(gòu)建成具有生物學(xué)功能的細(xì)菌質(zhì)粒，開創(chuàng)了基因工程新紀(jì)元。在此同時(shí)，Boyer等在E.coli中成功表達(dá)了人工合成的生長激素釋放抑制因子基因1.2 生物化學(xué)的開展簡史1 緒 論1975年，Southern創(chuàng)造了凝膠電泳別離DNA片段的印跡法；1979年，Solomon和Bodmer最先提出至少200個(gè)限制性片段長度多態(tài)性RFLP可作為連接人的整個(gè)基因組圖譜之根底; 1985年，Saiki等創(chuàng)造了聚合酶鏈?zhǔn)椒错慞CR；Smith等

9、報(bào)導(dǎo)了DNA測序中應(yīng)用熒光標(biāo)記取代同位素標(biāo)記的方法。1.2 生物化學(xué)的開展簡史1 緒 論1985年5月，美國Santa Cruz加州大學(xué)校長R. Sinsheimer提出人類基因組研究方案，1986年8月美國科學(xué)院生命科學(xué)委員會(huì)確定由Bruce Alberts負(fù)責(zé)的15人小組起草確定這個(gè)提議的報(bào)告，聯(lián)邦政府1987年正式開始起動(dòng)這一方案;1994年，日本科學(xué)家在?Nature Genetics?上發(fā)表了水稻基因組遺傳圖，Wilson等用3年時(shí)間完成了線蟲C.elegans3號染色體連續(xù)的2.2 Mb的測定，預(yù)示著百萬堿基規(guī)模的DNA序列測定時(shí)代的到來;1.2 生物化學(xué)的開展簡史1 緒 論199

10、7年，Wilmut等在英國羅斯林研究所首次不經(jīng)過受精，用成年母羊體細(xì)胞的遺傳物質(zhì)，成功地獲得克隆羊多莉Dolly。2003年2月14日因患嚴(yán)重肺病而接受“安樂死。1.2 生物化學(xué)的開展簡史2001年2月克林頓宣布人類基因組草圖繪制完成 英國媒體2007年10月6日報(bào)道，美國基因?qū)W家克雷格文特爾研究小組已經(jīng)合成人造染色體，地球上即將首次誕生“人造生命。 創(chuàng)造新物種解決能源危機(jī) 被誤用來制造生化武器 1.2 生物化學(xué)的開展簡史Eccles Mario R. Capecchi Oliver Smithies 顯微鏡下的未分化的人類胚胎干細(xì)胞 2007年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng):美國猶他大學(xué)Eccles

11、人類遺傳學(xué)研究所科學(xué)家Mario R. Capecchi (馬里奧-R-卡佩奇 ) 、美國北卡羅來納州大學(xué)教會(huì)山分校醫(yī)學(xué)院教授Oliver Smithies(奧利弗-史密斯 ) 與英國科學(xué)家卡迪夫大學(xué)卡迪夫生命科學(xué)學(xué)院Martin J. Evans(馬丁-J-伊文思 ) 因干細(xì)胞研究獲得此獎(jiǎng)項(xiàng)。 2021年度諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予德國科學(xué)家哈拉爾德楚爾豪森Harald zur Hausen和兩位法國科學(xué)家弗朗索瓦絲巴爾西諾西Franoise Barr-Sinoussi、呂克蒙塔尼Luc Montagnier。德國科學(xué)家哈拉爾德楚爾豪森Harald zur Hausen因發(fā)現(xiàn)人乳突淋瘤病毒引發(fā)

12、子宮頸癌獲此殊榮，兩名法國科學(xué)家弗朗索瓦絲巴爾西諾西Franoise Barr-Sinoussi和呂克蒙塔尼Luc Montagnier因發(fā)現(xiàn)人類免疫缺陷病毒獲此殊榮。2021年10月8日11時(shí)45分左右(北京時(shí)間10月8日17時(shí)45分左右)宣布，將2021年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)授予美國華裔化學(xué)家錢永健，以及美國科學(xué)家下村修和馬丁查爾菲。三位科學(xué)家因在發(fā)現(xiàn)和研究綠色熒光蛋白方面做出奉獻(xiàn)而獲獎(jiǎng)。他們的研究為細(xì)胞生物學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)開展帶來一場革命。2021年10月5日，瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院宣布，將2021年諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)授予美國科學(xué)家伊麗莎白布萊克本、卡蘿爾格雷德和杰克紹斯塔克，以表彰他們“發(fā)現(xiàn)端

13、粒和端粒酶是如何保護(hù)染色體的。他們的研究成果揭示，端粒變短，細(xì)胞就老化；如果端粒酶活性很高，端粒的長度就能得到保持，細(xì)胞的老化就被延緩。端粒和端粒酶研究有助于攻克醫(yī)學(xué)領(lǐng)域3方面難題，即“癌癥、特定遺傳病和衰老。 伊麗莎白布萊克本卡蘿爾格雷德杰克紹斯塔克1 緒 論 從以上所述的生物化學(xué)的開展中，可以看出20世紀(jì)50年代以來是以核酸的研究為核心，帶動(dòng)著分子生物學(xué)向縱深開展，如50年代的雙螺旋結(jié)構(gòu)，60年代的操縱子學(xué)說，70年代的DNA重組，80年代的PCR技術(shù)，90年代的DNA測序都具有里程碑的意義，將生命科學(xué)帶向一個(gè)由宏觀到微觀再到宏觀，由分析到綜合的時(shí)代；現(xiàn)代生物化學(xué)正在進(jìn)一步開展，其根本理論

14、和實(shí)驗(yàn)方法均已滲透到科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域，無論在哪個(gè)方面都在不斷取得重大進(jìn)展. 1.2 生物化學(xué)的開展簡史1 緒 論1.3 生物化學(xué)與其他學(xué)科的關(guān)系 生物化學(xué)是一門交叉學(xué)科 生物化學(xué)是各門生物科學(xué)的根底生理學(xué)、微生物學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞學(xué)、醫(yī)學(xué)、分子生物學(xué)、基因-蛋白質(zhì)組學(xué)、生物信息學(xué)。 生物化學(xué)是我國高等農(nóng)業(yè)院校生物學(xué)類和大多數(shù)非生物學(xué)類專業(yè)學(xué)生的學(xué)科根底課，是后繼一系列重要課程的根底課，具有舉足輕重的重要地位。 1 緒 論1.4.1促進(jìn)對人或動(dòng)物致病機(jī)理的認(rèn)識，提高對疾病的正確診斷 從醫(yī)學(xué)方面講，人或動(dòng)物的病理狀態(tài)常常是由于細(xì)胞中化學(xué)成份的變化，從而引起功能的紊亂。血液中脂類物質(zhì)含量增高是心血管疾病的

15、特征之一如冠心病、血管栓塞引起腦溢血、腦血栓等病癥；血紅蛋白一級結(jié)構(gòu)的改變可以溶血，如人被毒蛇咬傷后致人于喪命，是由于蛇毒液中含有磷酸二酯酶，使血細(xì)胞溶血所致等，許多疾病的臨床診斷愈來愈多地依賴于生化指標(biāo)的測定。 1.4 生物化學(xué)的應(yīng)用1 緒 論1.4.2 生物化學(xué)理論和方法促進(jìn)生物藥物研究與開發(fā) 生化藥物是一類采用生化方法化學(xué)合成從生物體別離、純化所得并用于預(yù)防、治療和診斷疾病的生化根本物質(zhì)。這些藥物的特點(diǎn)是來自生物體，根本生化成份即氨基酸、肽、蛋白質(zhì)、酶與輔酶、多糖粘多糖類脂質(zhì)、核酸及其降解產(chǎn)物。這些物質(zhì)成分均具有生物活性或生理功能，毒副作用極小，藥效高而被服用者接受。生化藥物在制藥行業(yè)和

16、醫(yī)藥上占有重要地位。 1.4 生物化學(xué)的應(yīng)用1 緒 論1.4.3 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的根底研究依賴于生物化學(xué)的理論和方法 高產(chǎn)農(nóng)作物新品種的培育和開發(fā)依賴于生物化學(xué)的根本原理和技術(shù)方法。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的兩個(gè)重要問題即光合作用和氮素固定，這是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提高的重要因素：大田作物一般只能利用太陽全年輻射能的0.1%1%。怎樣提高對輻射能利用率和CO2的固定率，涉及光合作用中的生物化學(xué)方面的研究；大氣中的氮?dú)庹?8%，自然界中只有幾種微生物能夠固定氮?dú)?，如果幾種主要作物都能利用氮?dú)?，那么農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量就可大幅度地提高。1.4 生物化學(xué)的應(yīng)用1 緒 論1.4.4 生化理論和方法有利于推動(dòng)著我國農(nóng)副產(chǎn)品的加工產(chǎn)業(yè) 我

17、國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值40%。農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量每年以4%幅度增加，而農(nóng)產(chǎn)品加工附加值很小。德國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)值與附加值之比為12.3、美國為11.8、日本12.2, 而我國僅10.5，與興旺國家相比相差較大，大量農(nóng)產(chǎn)品只作為廉價(jià)原料提供給國外，然后再買回別人的產(chǎn)品。 家畜屠宰血、骨頭、肉類和蔬菜加工的腳料都可加工成藥品或食品添加劑。假設(shè)農(nóng)副產(chǎn)品深加工帶來的附加值能到達(dá)國外興旺國家的一半，不僅可以使農(nóng)業(yè)利稅增加2個(gè)百分點(diǎn)，而且將幫助大量農(nóng)民從事高技術(shù)含量的勞動(dòng)。 1.4 生物化學(xué)的應(yīng)用1 緒 論1.4.5 研究新陳代謝規(guī)律及其調(diào)控是開發(fā)微生物發(fā)酵工業(yè)的根底 氨基酸、酶含遺傳工程酶、抗生素、

18、植物生長激素、維生素C等也可通過微生物發(fā)酵手段進(jìn)行生產(chǎn)。發(fā)酵產(chǎn)物的提煉和別離及下游加工技術(shù)也必須依賴于生物化學(xué)理論和技術(shù)。此外，研究微生物新陳代謝過程及其調(diào)節(jié)控制對于選育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的菌株篩選最正確發(fā)酵理化因子及提高發(fā)酵效率具有指導(dǎo)意義。 1.4 生物化學(xué)的應(yīng)用1 緒 論1.4.6 生物化學(xué)理論和方法對改善人類生存環(huán)境具有特殊的意義 高新技術(shù)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)但也給人類居住的環(huán)境產(chǎn)生巨大的污染，嚴(yán)重危害人類的生存，如三廢的處理、水質(zhì)的凈化等。如篩選良好的微生物菌株進(jìn)行轉(zhuǎn)化，或微生物發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行對“三廢處理。這些都與生化理論和方法密切相關(guān)。此外，海洋資源的開發(fā)利用都離不開生物化學(xué)及由它開展起來的生物化學(xué)工

19、程技術(shù)。 1.4 生物化學(xué)的應(yīng)用1 緒 論1.5.1 通過對DNA序列的了解，深入研究影響個(gè)體發(fā)育和整個(gè)生物體特定序列表達(dá)規(guī)律即功能基因組學(xué)。 該項(xiàng)研究就是在選擇一定的典型生物材料，搞清全部染色體的全部序列、基因組的堿基長度、可能的編碼蛋白質(zhì)基因、編碼的rRNA、snRNA和tRNA基因。在此根底上進(jìn)一步研究全部的基因中在不同生長發(fā)育期內(nèi)，同時(shí)有多少基因協(xié)同表達(dá)，搞清適應(yīng)于某一時(shí)期的全套基因表達(dá)譜。 1.5 生物化學(xué)的展望1 緒 論 目前用于檢測分化細(xì)胞基因表達(dá)譜的方法，有基因表達(dá)連續(xù)分析法serial analysis of gene expression, SAGE、微陣列法microar

20、ray、有序差異顯示ordered differential display, ODD和DNA芯片DNA chips技術(shù)等。當(dāng)前，已把酵母基因組作為研究真核生物基因組功能的模式，擬建立酵母基因組6000多個(gè)基因的單突變體文庫single mutant library，并可用于其它高等真核生物基因組之“基因功能作圖。 1 緒 論1.5.2 以特定基因組在特定條件下所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)為研究對象，研究細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律 通過本項(xiàng)對蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)性、時(shí)空性、可調(diào)節(jié)性，以及能夠在細(xì)胞和生命有機(jī)體整體水平上說明生命現(xiàn)象和活動(dòng)規(guī)律的研究，答復(fù)由于僅從DNA序列尚不能答復(fù)的某些基因的表達(dá)時(shí)間，表達(dá)量，蛋白質(zhì)翻譯后加工和修飾及亞細(xì)胞分布狀況等問題。 1.5 生物化學(xué)的展望1 緒 論 為了盡可能分辨細(xì)胞或組織內(nèi)所有蛋白質(zhì)，目前一般采用高分辨率的雙向凝膠電泳。一種正常細(xì)胞的雙向電泳圖譜通過掃描儀掃描并數(shù)字化，運(yùn)用二維分析軟件可對數(shù)字化的圖譜進(jìn)行各種圖像分析，包括別離蛋白在圖譜上的定位，別離蛋白的計(jì)數(shù)、圖譜間蛋白質(zhì)差異表達(dá)的檢測等。 Nature, March 13, 20031 緒 論 從提出蛋白質(zhì)組的概念到現(xiàn)在短短幾年中，已于1997年構(gòu)建成第一個(gè)完整的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫酵母蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫yeast prot