生物化學(xué)第一章 緒論

生物化學(xué)薛長/p>

生物化學(xué)研究生物體的化學(xué)，是研究生物體分子組成及變化規(guī)律的基礎(chǔ)科學(xué)，是對生命現(xiàn)象最為基礎(chǔ)、最為深入的分子水平的機(jī)制探討。

分子生物學(xué)通常對生物大分子的結(jié)構(gòu)、功能及其代謝調(diào)控等的研究，稱為分子生物學(xué)。

從廣義的角度可將分子生物學(xué)視為生物化學(xué)的重要組成部分。(Introduction)

第一章緒論生物體的化學(xué)組成，生物分子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及功能；生物分子的分解和合成，反應(yīng)過程中能量的變化，及新陳代謝的調(diào)節(jié)與控制；（新陳代謝過程中物質(zhì)的化學(xué)變化、能量變化及調(diào)控機(jī)制）生物信息分子的合成及其調(diào)控，也就是遺傳信息的貯存、傳遞和表達(dá)。一、生物化學(xué)研究內(nèi)容

(一)人體的物質(zhì)組成

(占體重)水：55％～67％蛋白質(zhì)：15％～18％脂類：10％～15％糖類：1％～2％無機(jī)鹽：3％～4％

(二)生物分子的結(jié)構(gòu)與功能

結(jié)構(gòu)是功能的基礎(chǔ)，而功能是結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)。生物大分子的功能可通過分子之間的相互識別和作用來實(shí)現(xiàn)，如蛋白質(zhì)、核酸自身之間、蛋白質(zhì)與核酸之間的相互作用在基因表達(dá)調(diào)節(jié)中起著決定性作用。目前這一領(lǐng)域的研究是生物化學(xué)的熱點(diǎn)之一。蛋白質(zhì)、脂類、糖類及核酸屬于生物體內(nèi)的大分子有機(jī)化合物，簡稱生物分子。

(三)物質(zhì)代謝及其調(diào)節(jié)生物體的基本特征是新陳代謝，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，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)，各種生物分子通過代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。生物分子在生物體內(nèi)并不是靜態(tài)的，而是在時時刻刻的發(fā)生變化，包括：(四)遺傳信息傳遞及調(diào)控

1.基因信息傳遞涉及到遺傳、變異、生長、分化等生命過程，與遺傳性疾病、惡性腫瘤、代謝異常性疾病、免疫缺陷性疾病、心血管病等的發(fā)病機(jī)制有關(guān)。2.隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，許多基因工程產(chǎn)品將應(yīng)用于疾病的診斷和治療。進(jìn)一步研究基因信息傳遞過程的機(jī)制及基因表達(dá)調(diào)控的規(guī)律(DNA重組、轉(zhuǎn)基因、基因剔除、基因克隆、人類基因組計(jì)劃及功能基因組計(jì)劃)將大大推動這一領(lǐng)域的研究進(jìn)程。DNA復(fù)制RNA復(fù)制轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄蛋白質(zhì)翻譯遺傳的分子基礎(chǔ)在內(nèi)容上屬于分子生物學(xué)，講述的是基因的傳遞與蛋白質(zhì)的表達(dá)過程（中心法則），包括：

生物化學(xué)是既古老又年輕的一門學(xué)科。在我國可追溯到公元前21世紀(jì)，而歐洲約為200年前。直到1903年才由德國科學(xué)家C.A.

Neuberg提出“Biochemistry”

而成為一門獨(dú)立的學(xué)科。二、生物化學(xué)發(fā)展簡史(一)古代生物化學(xué)的發(fā)展1.公元前21世紀(jì)我國人民已能用曲(麯

)造酒，稱曲為酒母，即酶。

2.公元前12世紀(jì)前，我們的祖先已能利用豆、谷、麥等為原料，制成醬、飴和醋，飴是淀粉酶催化淀粉水解的產(chǎn)物，這足已表明是酶學(xué)的萌芽時期。

3.漢代淮南王劉安制作豆腐，說明當(dāng)時在提取豆類蛋白質(zhì)方面已經(jīng)應(yīng)用了近代生物化學(xué)及膠體化學(xué)的方法。4.公元7世紀(jì)孫思邈用豬肝治療雀目的記載，實(shí)際上是用富含維生素A的豬肝治療夜盲癥。

5.北宋沈括記載的“秋石陰煉法”，實(shí)際上就是采用皂角汁沉淀等方法從尿中提取性激素制劑。6.明末宋應(yīng)星記載的用石灰澄清法將甘蔗制糖的工藝，被近代公認(rèn)為最經(jīng)濟(jì)的方法。(二)近代生物化學(xué)的發(fā)展

1.18世紀(jì)下半葉，德國藥師K.Scheele首次從動植物材料中，分離出乳酸、檸檬酸、酒石酸、蘋果酸、尿酸和甘油等。

2.法國化學(xué)家A.L.Lavoisier的實(shí)驗(yàn)證明，有機(jī)體的呼吸和蠟燭的燃燒同樣都是碳?xì)浠衔锏难趸?。在氧化過程中，氧被消耗而水和二氧化碳被生成，同時放出熱能。這一發(fā)現(xiàn)被視為生物氧化研究的開端。

3.1868年瑞士青年醫(yī)生F.Miescher發(fā)現(xiàn)了核素，后來定名為核酸，為后續(xù)的研究作出了重要貢獻(xiàn)。(三)現(xiàn)代生物化學(xué)的發(fā)展1.20世紀(jì)初期

德國化學(xué)家E.Fischer在發(fā)現(xiàn)纈氨酸、脯氨酸和羥脯氨酸之后，又用化學(xué)方法合成了18個氨基酸的多肽。我國生物化學(xué)家吳憲等在血液分析方面，創(chuàng)立了血濾液的制備及血糖的測定等方法，并在蛋白質(zhì)的研究中，提出了蛋白質(zhì)變性的學(xué)說。在營養(yǎng)學(xué)方面，發(fā)現(xiàn)了必需氨基酸、必需脂肪酸及多種維生素；在內(nèi)分泌學(xué)方面，發(fā)現(xiàn)了多種激素；在酶學(xué)方面，酶結(jié)晶獲得成功。在物質(zhì)代謝方面，確定了主要代謝途徑，包括糖代謝及三羧酸循環(huán)、脂肪酸β氧化、尿素合成等。

2.20世紀(jì)50年代初期發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)α螺旋的二級結(jié)構(gòu)形式，完成了胰島素的氨基酸全序列分析等。

1953年J．D．Watson和F．H．Crick提出的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，為揭示遺傳信息傳遞規(guī)律奠定了基礎(chǔ)。

1965年我國生物化學(xué)工作者采用人工合成方法，首次合成具有生物活性的蛋白質(zhì)——結(jié)晶牛胰島素，同時還采用X線衍射方法成功地測定豬胰島素分子的空間結(jié)構(gòu)，分辨率達(dá)0.18nm。

Nirenberg等人經(jīng)過5年多的努力于1966年終于破譯了mRNA分子中的遺傳密碼，書寫了最為激動人心的篇章。

3.20世紀(jì)70年代重組DNA技術(shù)的建立，不僅促進(jìn)了對基因表達(dá)調(diào)控機(jī)制的研究，而且使人們主動改造生物體成為可能。由此，相繼獲得了多種基因工程產(chǎn)品，大大推動了醫(yī)藥工業(yè)和農(nóng)業(yè)的發(fā)展。轉(zhuǎn)基因動植物和基因剔除的成功是重組DNA技術(shù)發(fā)展的結(jié)果?；蛟\斷與基因治療也是重組DNA技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中應(yīng)用的重要方面。

1981年我國生物化學(xué)工作者首次成功的合成了酵母丙氨酰tRNA。核酶(ribozyme)的發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充了對生物催化劑本質(zhì)的認(rèn)識。聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)技術(shù)的發(fā)明，使體外高效擴(kuò)增DNA成為可能。

4.20世紀(jì)90年代開始實(shí)施的人類基因組計(jì)劃(humangenomeproject，HGP)是生命科學(xué)領(lǐng)域有史以來最龐大的全球性研究計(jì)劃，旨在確定人類基因組的全部序列。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著人類基因組草圖的公布，將進(jìn)一步深入研究各種基因的功能與調(diào)節(jié)。近年來蛋白質(zhì)組學(xué)、RNA組學(xué)等的研究迅速興起，這些研究結(jié)果必將進(jìn)一步加深人們對生命本質(zhì)的認(rèn)識，也將極大地推動醫(yī)學(xué)的發(fā)展。三、生物化學(xué)與醫(yī)學(xué)生物化學(xué)既是重要的醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)學(xué)科，又與醫(yī)學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)相互促進(jìn)。各種疾病發(fā)病機(jī)制的闡明，診斷手段、治療方案、預(yù)防措施等的實(shí)施，都無一不依據(jù)生物化學(xué)的理論和技術(shù)。(一)發(fā)病機(jī)制的闡明1.糖類代謝紊亂導(dǎo)致的糖尿病。2.脂類代謝紊亂導(dǎo)致的動脈粥樣硬化。3.氨代謝異常與肝性腦病。4.膽色素代謝異常與黃疸。5.維生素缺乏與夜盲癥和佝僂病。6.基因突變導(dǎo)致腫瘤和分子病。7.遺傳性酶缺乏導(dǎo)致白化病、痛風(fēng)等。8.蛋白質(zhì)空間構(gòu)象改變導(dǎo)致瘋牛病。(二)疾病的診斷、治療和預(yù)防1.體液中無機(jī)鹽類、有機(jī)化合物和酶類等的檢測診斷。2.PCR技術(shù)和基因診斷檢測技術(shù)的臨床應(yīng)用、法醫(yī)學(xué)鑒定和流行病學(xué)調(diào)查。3.遺傳病基因療法、傳染病基因療法、腫瘤基因療法和其他疾病基因療法的完善和應(yīng)用。4.基因工程藥物(如胰島素)的研究開發(fā)應(yīng)用。

生物化學(xué)的發(fā)展必將對臨床、預(yù)防、護(hù)理、影像、檢驗(yàn)和藥學(xué)等領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。只有扎實(shí)地掌握生物化學(xué)的基本理論和基本技能，才能有望成為合格的醫(yī)務(wù)工作者。

四、生物化學(xué)的知識框架和學(xué)習(xí)方法（一）生命物質(zhì)主要元素組成的規(guī)律（二）生物大分子組成的共同規(guī)律（三）物質(zhì)代謝和能量代謝的規(guī)律性（四）生物界遺傳信息傳遞的統(tǒng)一性（一）生命物質(zhì)主要元素組成的規(guī)律在生物體內(nèi)，碳（C）、氫（H）、氧（O）、氮（N）、（P）、硫（S）6種是生物大分子（蛋白質(zhì)、核酸、糖類和脂類）的主要組成元素，與在機(jī)體內(nèi)同樣占有較大比例的鈣（Ca）、鉀（K）、鈉（Na）、氯（Cl）、鎂（Mg）統(tǒng)稱常量元素。釩（V）、鎳（Ni）、硼（B）、錫（Sn）、硅（Si）為微量元素，另外鐵（Fe）、碘（I）、鋅（Zn）、錳（Mn）、鈷（Co）、鉬（Mo）、銅（Cu）、硒（Se）、鉻（Cr）、氟（F）10種是人體不可缺少的必需微量元素。以上26種元素對于構(gòu)成生物大分子的結(jié)構(gòu)，對維持生物體的物質(zhì)代謝、能量代謝及生命過程中的各種生理功能起著至關(guān)重要的作用，稱為生物體的必需元素。氮、氧、硫、磷元素構(gòu)成了生物分子碳骨架上的氨基（–NH2）、羥基（–OH）、羰基（–CO–）、羧基（–COOH）、巰基（–SH）、磷酸基（–PO4）等。（二）生物大分子組成的共同規(guī)律生物多樣性與各種神奇的生命現(xiàn)象均是由蛋白質(zhì)、核酸、糖類和脂質(zhì)的復(fù)雜多變形成的。然而，這些復(fù)雜多變的生物大分子在結(jié)構(gòu)上有著共同的規(guī)律性。蛋白質(zhì)——氨基酸，氨基酸通過肽鏈相連，肽鏈連接方向N端→C端，蛋白質(zhì)主鏈骨架呈“肽單位”重復(fù)。核酸——核苷酸，核苷酸通過3’,5’-磷酸二酯鍵相連，核酸鏈方向5’→3’,核酸主鏈骨架呈“磷酸-核糖（或脫氧核糖）”重復(fù)。糖類——單糖，單糖間通過糖苷鍵相連，淀粉、纖維素、糖原的糖鏈骨架呈“葡萄糖基”重復(fù)。脂質(zhì)——甘油、脂肪酸和取代基，非極性烴長鏈也是一種重復(fù)結(jié)構(gòu)。生物大分子主干鏈的重復(fù)性是生物大分子穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。（三）物質(zhì)代謝和能量代謝的規(guī)律性新陳代謝是生命的特征。（1）新陳代謝的化學(xué)反應(yīng)類型：C-C鍵的斷裂和形成、分子重排、構(gòu)件分子間脫水縮合反應(yīng)、基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)和氧化還原反應(yīng)。（2）三羧酸循環(huán)是新陳代謝的共同途徑：參與新陳代謝的各種分子間（少數(shù)除外）通?？梢韵嗷マD(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換樞紐為三羧酸循環(huán)，它不僅是糖分解代謝的主要途徑，也是其他生物大分子氧化分解的必經(jīng)途徑。

（3）生物體內(nèi)的合成代謝也有共同的規(guī)律性：由基本結(jié)構(gòu)單元構(gòu)建生物大分子時，結(jié)構(gòu)單元需先經(jīng)過活化，這是生物大分子合成代謝的共同規(guī)律：以葡萄糖為原料合成糖原時，葡萄糖要活化成ADPG或UDPG；以乙酰輔酶A合成脂肪酸時，乙酰輔酶A要活化成丙二酰輔酶A；合成DNA、RNA時，結(jié)構(gòu)單元dNMP和NMP要活化成dNTP和NTP；以氨基酸為原料合成蛋白質(zhì)時，氨基酸要活化為氨酰-tRNA。生物大分子合成時均有一定的方向性：糖原合成時，鏈由還原端向非還原端方向延伸；脂肪酸合成時，鏈由甲基端向羧基端方向延伸；核酸合成時，鏈由5’端向3’端方向延伸；蛋白質(zhì)合成時，肽鏈由N