生物化學(xué)1.緒論課件

生物化學(xué)崔哲生物化學(xué)(Biochemistry)參考書:《生物化學(xué)》（第三版）（上、下冊(cè)），王鏡巖、朱圣庚、徐長(zhǎng)法，高等教育出版社《普通生物化學(xué)》（第四版），鄭集、陳鈞輝，高等教育出版社生物化學(xué)(第二版)，[澳]P.W.庫(kù)徹G.B.羅爾斯頓等著，姜招峰等譯，科學(xué)出版社麥格勞－希爾教育出版集團(tuán)Biochemistry,高等教育出版社(影印版),2002年,R.H.Garrett&C.M.Grisham2022/10/173生物化學(xué)緒論第一章蛋白質(zhì)化學(xué)第二章核酸的化學(xué)第三章酶、維生素和輔酶第四章生物氧化第五章糖代謝第六章脂類的代謝第七章蛋白質(zhì)與氨基酸分解代謝第八章核酸與核苷酸代謝第九章物質(zhì)代謝的調(diào)節(jié)控制第十章DNA的復(fù)制與修復(fù)第十一章轉(zhuǎn)錄與基因表達(dá)調(diào)控第十二章蛋白質(zhì)的生物合成緒論生物化學(xué)的涵義及內(nèi)容生物化學(xué)與藥學(xué)科學(xué)生物化學(xué)學(xué)科的發(fā)展史生物化學(xué)的學(xué)習(xí)策略1.生物化學(xué)的涵義及內(nèi)容1.1生物化學(xué)的涵義

生物化學(xué)是關(guān)于生命的化學(xué)，是研究生物體的化學(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)象的物質(zhì)基礎(chǔ)的科學(xué)。

從學(xué)科范圍上來講，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（生命活動(dòng)）的一門科學(xué)?；瘜W(xué)生物學(xué)生物化學(xué)生物化學(xué)的定義中包含了幾層意思：1）生物體的化學(xué)組成：生物體的四大類基本物質(zhì)（糖、蛋白質(zhì)、核酸、脂類），三大活性物質(zhì)，以及各種有機(jī)小分子等等。2）結(jié)構(gòu)與功能：生物分子的結(jié)構(gòu)、功能，結(jié)構(gòu)與功能的內(nèi)在關(guān)系。生物化學(xué)的研究?jī)?nèi)容研究生物體內(nèi)各種化合物的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能（主要有糖類、脂類、蛋白質(zhì)、核酸、酶、維生素和激素）研究構(gòu)成生物體的基本物質(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)1.2生物化學(xué)的內(nèi)容1）生物體的化學(xué)組成

四類基本生物大分子：

糖由單糖組成

脂類由甘油、脂肪酸、磷酸、含氮堿等組成

蛋白質(zhì)由氨基酸（20種）組成

核酸由核苷酸組成，而核苷酸又由堿基、戊糖、

磷酸組成

研究生物大分子及其構(gòu)成它們的前體小分子物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、功能，以及結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、功能之間的內(nèi)在聯(lián)系。

三大活性物質(zhì)：酶、維生素、激素。

它們的結(jié)構(gòu)、特性、作用方式和機(jī)理。

由于這部分內(nèi)容研究的是生物分子的靜態(tài)特征，被稱為靜態(tài)生化。

2）新陳代謝的研究事實(shí)上，生物分子在生物體內(nèi)并不是靜態(tài)的，而是在時(shí)時(shí)刻刻的發(fā)生變化，包括：

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，這其中又伴隨著能量的變化（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。降解合成轉(zhuǎn)化運(yùn)輸分泌3）遺傳的分子基礎(chǔ)和代謝的調(diào)節(jié)控制

遺傳的分子基礎(chǔ)在內(nèi)容上屬于分子生物學(xué)，講述的是核酸和蛋白質(zhì)的合成代謝，包括：

DNARNA蛋白質(zhì)該法則是生物體傳遞并表達(dá)遺傳信息的基礎(chǔ)。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，其中包括細(xì)胞或酶水平的調(diào)節(jié)以及激素和神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。2）和3）這部分內(nèi)容反映生物體內(nèi)物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)過程，被稱為動(dòng)態(tài)生化。復(fù)制復(fù)制轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄翻譯生物化學(xué)與藥學(xué)科學(xué)1.1促進(jìn)對(duì)人或動(dòng)物致病機(jī)理的認(rèn)識(shí)，提高對(duì)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特征之一（如冠心病、血管栓塞引起腦溢血、腦血栓等癥狀）；血紅蛋白一級(jí)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(cè)定。1.2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)合成從生物體分離、純化所得并用于預(yù)防、治療和診斷疾病的生化基本物質(zhì)。這些藥物的特點(diǎn)是來自生物體，基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)和醫(yī)藥上占有重要地位。如氨基酸、核苷酸（所謂基因營(yíng)養(yǎng)物）、SOD、紫杉醇等已經(jīng)應(yīng)用于臨床治療。1.3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)的基礎(chǔ)

氨基酸、酶（含遺傳工程酶）、抗生素、植物生長(zhǎng)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)物的提煉和分離及下游加工技術(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(duì)于選育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的菌株﹑篩選最佳發(fā)酵理化因子及提高發(fā)酵效率具有指導(dǎo)意義。轉(zhuǎn)人生長(zhǎng)素基因的小鼠（右）1.4分子生物學(xué)與生物技術(shù)的迅速發(fā)展為重組生物藥物發(fā)展奠定基礎(chǔ)國(guó)際生物化學(xué)的發(fā)展概況3.生物化學(xué)的發(fā)展史3.219世紀(jì)（發(fā)展期）

1828年，德國(guó)化學(xué)家魏勒從無機(jī)物氰酸銨合成尿素，是人工合成有機(jī)物的創(chuàng)始人。德國(guó)化學(xué)家李比希(Liebig)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，并于1842年首次提出了“新陳代謝”這個(gè)學(xué)術(shù)名詞。1877年，德國(guó)醫(yī)生霍佩-賽勒(Hoppe-Seyler)首次提出“Biochemie”這個(gè)名詞，譯為英文是“Biochemistry”,漢譯為生物化學(xué)，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(dú)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(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。19世紀(jì)50年代，巴斯德(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。1897年布赫納(Büchner)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(gè)重要里程碑，他不僅結(jié)束了酒精發(fā)酵機(jī)理持續(xù)了半個(gè)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(gè)快速發(fā)展的新時(shí)期。3.3

20世紀(jì)上半葉

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。

層析、電泳和超速離心機(jī)的應(yīng)用使分離提純快速而精確；結(jié)構(gòu)化學(xué)和X-射線晶體學(xué)在生物大分子的結(jié)構(gòu)研究中發(fā)揮了巨大的作用；熒光分析和同位素示蹤顯示了代謝過程和酶促反應(yīng)機(jī)制；電鏡也極大地促進(jìn)了生物化學(xué)的發(fā)展?；羝战鹚?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。1926年，美國(guó)的薩姆納(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(guó)生物化學(xué)家克雷布斯(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。3.420世紀(jì)下半葉

整個(gè)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)和生物工程的興起是這個(gè)時(shí)期最引人注目的成就。1944年，加拿大細(xì)菌學(xué)家艾弗里(Avery)完成了肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)，證明了DNA是遺傳物質(zhì)。50年前后，英國(guó)物理學(xué)家威爾金斯(Wilkins)完成了DNA的X射線衍射研究。在此基礎(chǔ)上，1953年，沃森(Watson)和克里克(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。弗蘭克林英國(guó)生物化學(xué)家桑格(Sanger)經(jīng)過10年研究，發(fā)明了測(cè)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(jí)結(jié)構(gòu)，這是第一個(gè)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。1960年，雅各布(Jacob)和莫諾(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。1965年，美國(guó)生物化學(xué)家尼倫伯格(Nirenberg)破譯出三聯(lián)體遺傳密碼。霍利(Holly)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)。60年代末，DNA限制性內(nèi)切酶和DNA連接酶被陸續(xù)發(fā)現(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，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)。1977年，桑格設(shè)計(jì)出一種測(cè)定DNA分子中核苷酸序列的方法，并測(cè)定了由5375個(gè)核苷酸組成的ΦΧ174DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)。這種DNA序列分析法至今仍被廣泛的使用。進(jìn)入80年代以來，各國(guó)政府對(duì)生物技術(shù)倍加重視，分子生物學(xué)研究成了最受青睞的學(xué)術(shù)領(lǐng)域之一。包括基因工程、細(xì)胞工程、酶工程和發(fā)酵工程在內(nèi)的生物工程得到了前所未有的發(fā)展，并已經(jīng)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)和米爾斯坦(Milstein)等人由于發(fā)展了單克隆抗體技術(shù)，完善了極微量蛋白質(zhì)的檢測(cè)技術(shù)而獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。1993年，美國(guó)科學(xué)家穆里斯(Mullis)由于發(fā)明了PCR

（聚合酶鏈反應(yīng)）儀而獲得諾貝爾獎(jiǎng)。PCR法通過

DNA變性、退火、延伸三個(gè)步驟的反復(fù)循環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)微量的目的基因在短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)增100萬倍以上。目前PCR已經(jīng)成為分子生物學(xué)研究人員不可缺少的工具。1997.2蘇格蘭Wilmut綿羊“多利”的克隆為發(fā)育生物學(xué)研究開拓了更廣闊的空間美、英、日、德、法、中六國(guó)參與的國(guó)際人類基因組計(jì)劃(2003年完成)人類基因組計(jì)劃1984年開始討論1990啟動(dòng)2000序列框架圖完成1995完成原核生物Hemophilusluenzae的基因組測(cè)序1996完成啤酒酵母的基因組測(cè)序1997完成大腸桿菌的基因組測(cè)序2000人類基因組序列框架（中國(guó)完成1%）2000擬南芥基因組序列（第一個(gè)高等植物）2002水稻基因組序列框架圖（中國(guó)獨(dú)立完成）2003中國(guó)家蠶基因組序列框架圖人類基因組計(jì)劃實(shí)施以來的成就人類基因組計(jì)劃中國(guó)協(xié)調(diào)人楊煥明

從以上所述的生物化學(xué)的發(fā)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)向縱深發(fā)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(cè)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)一步發(fā)展，其基本理論和實(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.3.5我國(guó)生物化學(xué)的發(fā)展情況我國(guó)生物化學(xué)家吳憲于本世紀(jì)20年代從美國(guó)回國(guó)后擔(dān)任了私立北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)教授,是我國(guó)生物化學(xué)研究的開端。在他的領(lǐng)導(dǎo)下完成了蛋白質(zhì)變性理論、血液的生化檢測(cè)研究、免疫化學(xué)研究、素食營(yíng)養(yǎng)研究、內(nèi)分泌研究等等，在生化方面做出了重要貢獻(xiàn)。