生化課件-第一章緒論1周

生物化學Biochemistry1.主講教師課程說明紓教授2.學生助教博士生博士生，2011.生物化學，生物化學原理，等主編，第3版，高教主編，第1版，高教，2002.，2003.Ed.,

2012.3.

及參考書明：生物化學（第二版），古練權等編，高教參考書：3.

D.Voet等“Fundamentals

of

Biochemistry”,4thH.

R.

Horton等“Principles

of

Biochemistry”,

5th

Ed.,

2011.D.Nelson等“Lehninger

Principles

of

Biochemistry”,4th

Ed.,2005

(有

).R.

H.

Garrett等“Biochemistry”,

3rd

Ed.,

2005

(有

).課程說4.

相關教學資源學校數字化學

臺blackboard：個人登陸精品課程藥學院

：課程教學方案、教學要求：大學大學復旦大學課程說明課程說5.

專題

活動明目的：調動自主學習的積極性，提高學習的

；拓寬獲取知識和掌握知識的途徑和

；加強運用知識分析解決問題的能力；加強創(chuàng)新意識和團隊精神（3-5人）。內容：選題、文獻查閱、 寫作、多 展示等。2013年度生物化學專題

活動有關事宜歷屆優(yōu)秀生物化學專題

列表詳情可上blackboard查看6.

全程導師組探究題展示活動，活躍學術思維；目的：調動學習積極性，提高學習內容：文獻查閱與歸納、PPT展示。成績評定：以全程導師組為單位進行，隨機抽取組內學生進行3分鐘展示，主講教師綜合評價后當場給分（3、2、1分），并計入總成績。課程說明生物化學探究題活動安排詳情可上blackboard查看課程說考試及成績明平時成績：1)三次課堂小測驗（開卷），占27%生物化學專題 ，占10%全程導師組探究題展示，占3%考試成績：期末考試（閉卷，全部內容），占60%總成績＝

60％考試成績＋

40％平時成績＋專題活動加分（0-2分）平時總結、積累是獲得好成績的關鍵！4035302520151050D＜6060≤D＜7070≤D＜8080≤D＜9090≤D＜100期末試卷總評成績前兩年生物化學成績情況分析20100305040D＜6060≤D＜7070≤D＜8080≤D＜9090≤D＜1002010級2011級做到三個“要”課前要預習（專業(yè)術語，英文專業(yè)詞匯）課堂要聽講（難點、重點，主線，問題）課后要復

結，習題，拓展知識）關于生物化學學習生物分子的結構生物分子的性質生物分子的作用機理重點掌握Q群

生物化學大家學186495489聊天時間：？第一章

緒

論（Introduction）主要內容一．生物化學的概念二．生物化學的發(fā)展三．生物化學與其他學科的關系四．生物體的元素組成五．生物分子（重點）六．生物分子的相互作用（重點）七．生物體系中的水（重點）一、生物化學的概念定義：是

命的分子和化學反應的科學，是運用化學的原理和語言在分子水平

上解釋生命現(xiàn)象的一門學科。It

is

the

study

of

the

molecules

andchemical

reactions

of

life.

It

is

thediscipline

that

uses

the

principles

andlanguage

of

chemistry

to

explain

biologyat

the

molecular

level.生物化學是在分子水平上命現(xiàn)象主要內容：分子結構分子相互作用分子

與分解分子組裝與協(xié)調能量保存與利用

遺傳信息的

、傳遞與表達學科特點：---是主要介于生物學和化學之間的邊緣學科。---多學科交叉。Physics,

Chemistry,

Cell

Biology,

Evolution,Physiology,

Genetics,

and

so

on.---有機化學和物理化學是基礎。---物理和數學也扮演重要角色。二、生物化學的發(fā)展開始于19世紀末，100余年的歷史。兩大重要事件：Discovery

of

the

roles

of

enzyme

ascatalysts.Discovery

of

the

roles

of

nucleic

acids

asinformation-carry

molecules生物化學已成為目前最活躍、最重要、發(fā)展最迅速的學科之一。1）DNA是生命的遺傳物質（1944,

Avery等）

2）DNA雙螺旋結構（1953,

Watson

and

Crick）3）遺傳 的破釋（1961,

Nirenberg）DNA重組技術—遺傳工程（20世紀70年代）DNA和蛋白質

的關系蛋白質的三維結構（1960,Kendrew）酶作用機理生物能量的

和轉換機制神經傳導物質重要生命現(xiàn)象的化學本質逐漸被揭示原因1組成所有的生命體都是由糖、脂、蛋白質和核酸等生物分子以及水和無機離子組成。遺傳的化學基礎幾乎所有生命體的遺傳物質都是DNA（極少數是RNA），并且具有基本相同的遺傳信息傳遞模式：DNA

→RNA

→蛋白質→生物性狀能量的轉換所有生命體具有相似的能量是所有生物的能量轉換和轉換機制，ATP。揭示了生命現(xiàn)象的共同基礎和原則原因21）鐮刀形細胞貧血病

(sickle

cell

anemia)2）肝功能檢查（谷－丙轉氨酶）多肽和蛋白質類藥物生產胰島素，生長激素，干擾素等。農業(yè)品種改良、增產和生產新藥研發(fā)對

和農業(yè)科學等的研究和發(fā)展產生極其深刻地影響原因3Sickle

Cell

Anemia(鐮刀形細胞貧血病)A

hereditary

disease（遺傳性疾病）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.3'-Azido-2',

3'-Dideoxythymidine(AZT)the drug

approved

in

USA

for

the

treatment

ofHIV

infections.

It

acts

as

an

inhibitor

of

viral

reverse

transcriptase

in

making

DNA

from

the

viral

RNA胸腺嘧啶3’-疊氮-2’,3’-二脫氧胸腺嘧啶生物化學在藥物研究方面的應用實例1)

為什么一個

卵會發(fā)育成各種不同的細胞？

在形成復雜的組織過程中，細胞是如何相互識別的？細胞的發(fā)育是如何控制的？的機制是怎樣的？，6)精神等重大疾病的成因和控制如何？癥的分子基礎如何？7)干細胞與疾病治療的關系？使人類有可能向生物和醫(yī)學領域中最尖端的問題提出原因4三、生物化學與其他學科的關系相互滲透相互促進共同發(fā)展化學現(xiàn)物學生物化學模擬酶的研究分子識別和超分子化學例如：酶的催化作用的研究包括酶的組成和結構，基團相互作用，酶與底物相互作用等的研究。新領域(1)生命科學中的化學問題是化學的重要研究內容之一又如：生物膜結構與功能的研究新領域人工膜的研究與應用(2)化學對生命體系很多復雜過程的研究推動了新型學科的形成和發(fā)展化學生物學（Chemical

Biology）組合化學（Combinational

Chemistry）化學

組學（Chemical

Genomics）化學生物學（ChemicalBiology）——是用化命學小分子作為為探針（化學工具）直接過程的一門學科。主要研究內容：化學物質與生物大分子的相互作用及分子識別化學物質對細胞功能的調控化學物質的

學應用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)生命現(xiàn)象化學本質的揭示極大的推動了相關生

命科學的發(fā)展。廣義的分子生物學（Molecular

Biology）細胞生物學（Cell

Biology）遺傳學（Genetics）發(fā)育生物學（Growth

Biology）免疫學（Immunology）在分子水平上研究(4)其他新興學科的發(fā)展加速了生物化學的發(fā)展，也賦予了生物化學新的內容。結構生物學（Structural

Biology）生物信息學（Bioinformatics）蛋白質組學（Proteomics）--

--

--四、生物體的元素組成30

differen ements

are

commonly

foundin

living

cells.C,

H,

O,

N,

P,

and

S

account

for

more

than97%

of

the

weight

of

most anisms,

andform

stableand

anicall

these

elements

cancovalent

bonds

（共價鍵）matter（有機物質）.細胞中的化學元素分為四類：四、生物體的元素組成最基本的元素多種形式共價鍵C-C

C=C

C≡CC-O

C=OC-N

C=N

C≡NC-HN-H

O-H(1)

C,

H,

N,

OElementCommentCarbon

(C)Hydrogen

(H)Nitrogen

(N)Oxygen

(O)Most

abundant

in

allanisms(2)基本元素P

---

ATP,

DNA,

RNAS

---ProteinsMg2+,

Ca2+,

K+,

Na+,

Cl-ElementCommentCalcium

(Ca)Chlorine

(Cl)Magnesium

(Mg)Phosphorus

(P)Potassium

(K)Much

less

abundant

but

inall

anismsSodium

(Na)Sulfur

(S)(3)少量必需元素過渡金屬元素金屬酶的組成成分---輔基（cofactor）ElementCommentCobalt

(Co)Copper

(Cu)Iron

(Fe)Metals

present

in

smallamounts

in

all

anismsManganese

(Mn)and

essential

to

lifeZinc

(Zn)(4)??功微能量尚元未素完

全

弄

清ElementCommentAluminum

(Al)Arsenic

(As)Boron

(B)Chromium

(Cr)Fluorine

(F)Gallium

(Ga)Iodine

(I)Molybdenum

(Mo)Found

in

or

requiredby

some

anismsin

trace

amountsNickel

(Ni)Selenium

(Se)Silicon

(Si)Tungsten

(W)Vanadium

(V)五、生物分子（重點）生物分子是生物體和生命現(xiàn)象的結構基礎和功能基礎，是生物化學研究的基本對象?！癓iving

things

are

composed

of

lifelessmolecules”

(Albert

Lehninger)“Chemistry

is

the

logic

of

biologicalphenomena”

(Garrett

and

Grisham)生物分子的主要特點1.

Most

of

the

solid

material

of

cells

consistsof

carbon-containing

compounds---

anic

compounds---

larger

and

more

complex---

anic

Chemistry

---

reactions

in

lab---

Biochemistry

---

reactions

in

living

cellsanic

compounds

in

biochemistry2. The

type

and

location

of

the

functionalgroupsdecide

the

chemical

properties

of

biomoleculesFunctional

groups

in

biochemistry2

3生物分子的主要特點3. Most

of

biomolecules

are

asymmetric---importance

of

stereochemistry(

化學)---configuration(構型)and

conformation(構象)---chirality(手性)and

chiral

molecules(手性分子)---

relationship

betweenstereo-structureand

biological

function---natural

proteins(蛋白質)---L-amino

acids---

naturalsugars

(糖)

---

D-monosaccharides生物分子的主要特點Prochiral

molecule（前手性分子）a1

=

a2, e

>

d

>

b

>

aPro-RPro-SProchiral

carbon

and

prochiral

hydrogen（前手性碳和前手性氫）思考題：如果將乙醇分子中CH2上的H替換為NH2，哪個是HR？哪個又是Hs？Prochiral

face（前手性面）思考題：是否從re-面進行加成，均獲得R-構型產物？Prochiral

molecules

in

a

chiralenvironment

of

bio-macromolecules（處在生物大分子手性環(huán)境中的前手性分子）三點結合理論多位點識別生物大分子能夠識別前手性分子4. All

of

important

biomolecules

aremacromolecules(polymers，大分子)---

DNA:

20billionProtein:

50000

（50

KD）---占大多數生命有機體干重的>50%---種類繁多E.coli:>3000

種蛋白質

human:>500

萬種蛋白質---最重要的生物分子：carbohydrates,lipids,proteins,and

nucleic

acids生物分子的主要特點5.

Biopolymers

consist

of

those

simplerstructural

units(monomers，結構單元)---

Carbohydrates

---

monosaccharide---

Lipids

---

glycerol,

fatty

acids,

base---

Proteins

---

20

standard

amino

acids---Nucleicacids

---

ribose

(or

deoxyribose),base,

phosphateChemical

Evolution

and

Natural

Selection生物分子的主要特點Linkages

in

biomoleculesThe

structures

of

biopolymers

are

quite

complex初級結構(primary

structure)---

結構單元的排列順序---

主要由共價鍵維系空間結構(tridimensional

structure)---

二級、三級和四級結構---

主要由非共價作用力維系。生物分子的主要特點任何一種生物分子的結構都是特殊的，并具有可區(qū)別、的特有的性質。7.The

interactions(相互作用)and

recognition(識別)of

biomolecules

are

the

molecularfundamentof

physiological

phenomena（生理現(xiàn)象）---如抗體與抗原、酶與底物等的特殊相互作用是生物分子具有各種各樣生物功能的基礎。生物分子的主要特點本節(jié)課主要內容六、生物分子的相互作用（重點）七、生物體系中的水水的重要功能水的結構水的特性緩沖溶液培訓：文獻查閱（化學結構畫圖）應用（）六、生物分子的相互作用（重點）1、生物分子之間的作用力---非共價作用力(noncovalent

forces)---

weak

interactions

between

ions,molecules,

and

parts

of

molecules.---

10

~

100

times

weaker

thancovalent

bonds.（1）氫鍵（hydrogen

bond）---H供體和H受體---維系空間結構1、生物分子之間的作用力1

氫鍵（hydrogen

bond）Hydrogen

bond

lengths

are

fixed

at

about0.30

nmHydrogen

bonds

are

highly

directional

-thedonor

H

bond

tends

to

point

directly

at

theacceptor

electron

pair(電子對).The

energy

of

hydrogen

bonds

is

greaterthan

most

other

noncovalent

interactionspartially

covalent

in

character（部分共價鍵性質）Which

one

is

stronger

hydrogen

bond?（1）氫鍵（hydrogen

bond）（2）電荷－電荷相互作用（charge-charge

interactions

）---電荷間靜電作用---吸引或排斥作用---維系空間結構1、生物分子之間的作用力Electrostatic

interactions

between

macroionsMacroion(大分子離子）---Polyampholytes（聚兩性電解質）like

proteins

or

polyelectrolytes（聚電解質）

like

DNA.counterions

(抗衡離子)---

ea acroion

collects

about

it

acounterion

atmosphere

of

opposi y

charged

small

ions,such

as

Mg2+

and

Cl-.The

influence

of

ionic

strength

on

macroion

interactionsDebye-Huckel

theory（3）-堆積作用（-

stacking

interaction）---兩組離域p電子多以平行方式接近---電子云產生的作用力---具有方向性---維系空間結構Hunter

C.

A.

et

al，The

nature

of

-

stacking

interactions，J.

Am.

Chem.

Soc.

1990,112,

5525-55341、生物分子之間的作用力3.5

AHface

to

faceside

to

face（3）-堆積作用（-

stacking

interaction）---DNA雙螺旋結構---DNA嵌入劑（4）疏水鍵（hydrophobic

bond）---非極性基團在水溶液中的締合趨勢---維系空間結構---疏水區(qū)1、生物分子之間的作用力（5）

力（Van

der

waals

force）---非特異性原子間作用力---

與

半徑有關---接觸面越大，作用越強---維系空間結構1、生物分子之間的作用力常見的非共價相互作用的大小Non-covalent

interactionsInteraction

energy(kJ/mol)hydrogen

bond2~20charge-charge

interactions40~200

stacking

interaction0～50hydrophobic

bond3~10Van

der

waals

force0.4~4六、生物分子的相互作用（重點）2、分子識別與超分子（1）分子識別（molecular

recognization）---生命現(xiàn)象中的一個重要特性---本質：生物分子間的特殊相互作用---可逆性：互補分子間的特殊識別動態(tài)的相互作用特有的生物功能---受體：相互識別的兩個分子中較大的分子---底物：相互識別的兩個分子中較小的分子---受體-底物相互作用和識別的必要條件：①大小和形狀吻合②基團相互作用匹配受體－底物相互作用受體

－ 底物相互作用和識別機制（2）生物超分子（bio-supermolecules）是生物分子識別過程中形成的的復合物是具有亞細胞功能的特殊裝配體。前體H2OCO2NH

+4NO3-N2簡單的

有機化合物生物大分子蛋白質核酸多糖等生物超分子酶復合物核糖體等中間代謝物

結構單元分子氨基酸核苷酸單糖等非共價共價共價共價七、生物體系中的水水的重要功能---生化反應體系的介質---影響生物分子的結構、性質和功能水的結構---非線形分子---極性分子七、生物體系中的水3.

水分子的特性（1）形成氫鍵---水分子與水分子---水分子與溶質分子---水分子與生物分子氫鍵具有方向性和飽和性水分子與生物分子形成氫鍵（有利）Water

is

bound

in

a

protonchannel

of

the

membrane

proteincytochrome

f,

which

is

part

of

the

energy-trap

machinery

of

photosynthesis

inchloroplasts.

Five

water

molecules

arehydrogen-bonded

to

each

other

andtofunctional

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

hop ”

through

this

chain

ofbound

water

molecules.Proton

jum水分子與生物分子形成氫鍵（有弊）3.

水分子的特性（2）水化作用（hydration）---好的極性溶劑

How

doesentropy（熵）change

of

thesystem

ascrystalline

substances

dissolve?Drug

Efficacy

Depends

on

Water

SolubilityIn

order

for

an

administereddrug

to

be

effective,

it

mustdissolve

in

aqueousbodyfluids

and

be

transported

toits ans

orcells.3.

水分子的特性（3）疏水作用（hydrophobic

interaction

）非極性分子或基團在水溶液中的締合趨勢。一些概念---兩親性分子（Amphipathic

molecules）---含有疏水性和親水性兩種基團的分子---疏水區(qū)和親水區(qū)---表面活性劑---微團（micelles）---磷脂---脂雙層（lipid

bilayer）micelles擴散成核成團Lipid

bilayerRelease

of

ordered

water

favors

formationof

an

enzyme-substrate

complex3.

水分子的特性（4）滲透作用（Osmosis

）（4）滲透作用（Osmosis

）Effect

of

extracellular

osmolarityon

water

movement

across

aplasma

membrane等滲高滲低滲3.

水分子的特性（5）親核作用---水解反應（熱力學有利的反應）---弱親核性能（生理條件）---需酶或其他催化劑催化劑存在下的酯水解反應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

enclosedin

special

membrane-bounded

compartments(膜分隔間).2.

The

equilibrium

lies

towardbreakdown,

how

does

biosynthesisoccur

in

an

aqueous

environment?Questionsusing

ATP

to e

thermodynamicbarrier----偶聯(lián)反應the

enzyme

exclude

water

from

the

active

site

（活性部位）where

synthetic

reactions

occur.七、生物體系中的水4.緩沖溶液(buffer)---由弱酸（H+供體）和它的共軛堿（H+受體）組成的溶液體系。---滴定曲線---

緩沖區(qū)（pKa

±

1）---pKa處,最強緩沖能力---生物體液主要緩沖體系（H2PO

-,

H

CO

,

protein）4

2

3七、生物體系中的水緩沖溶液的濃度與pH的關系---Henderson-Haselbalch方程pH

=pKa

+

lg{[A-]/[HA]}-）1.

磷酸鹽緩沖系統(tǒng)（HPO

2-/H

PO4

2

4---主要維持細胞內pH的恒定。2.碳酸鹽緩沖系統(tǒng)（HCO3

-/H2CO3）---維持細胞外液（如血液）的pH穩(wěn)定。生物體內的兩種重要的緩沖系統(tǒng)pH<7.1

acidosis（酸毒癥）：Treatment：NaHCO3pH>7.6

alkalosis（堿毒癥）：Treatment：KCl/NaCl

（代謝性）CO2

（呼吸性）血液主要的緩沖系統(tǒng)an

effective

physiologicalbuffer

near

pH

7.4.the

H2CO3

of

blood

plasmais