緒論(2011)-生物化學(xué)

生物化學(xué)

Biochemistry主講:田亞平緒論涵義及內(nèi)容發(fā)展史地位及作用學(xué)習(xí)方法化學(xué)（共性和個(gè)性）共性：

物質(zhì)的本性即包括組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；物質(zhì)的變化即物質(zhì)變化的條件和方法。個(gè)性：方法、角度或?qū)ο?/p>

無(wú)機(jī)化學(xué)有機(jī)化學(xué)分析化學(xué)物理化學(xué)研究差異生物化學(xué)？1涵義及內(nèi)容1.1涵義生物化學(xué)——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(guò)程中物質(zhì)與能量變化的規(guī)律，以及一切生命現(xiàn)象的科學(xué)。

從學(xué)科范圍上來(lái)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(lái)研究生物（生命活動(dòng)）的一門科學(xué)。生命的化學(xué)，化學(xué)的生命生物學(xué)化學(xué)工程學(xué)生物化學(xué)生物工程化學(xué)工程生物技術(shù)1.2研究?jī)?nèi)容1.2.1生物體的化學(xué)組成四類基本生物分子：

多糖單糖組成

脂類甘油、脂肪酸、磷酸、含氮堿等組成

蛋白質(zhì)氨基酸（20種）組成

核酸核苷酸組成，核苷酸由堿基、戊糖、磷酸組成

三大活性物質(zhì)：酶、維生素、激素

研究它們的結(jié)構(gòu)、特性、作用方式和機(jī)理。生物分子離體的狀態(tài)下的靜態(tài)特征，稱為靜態(tài)部分

（Staticpart）

生物分子在生物體內(nèi)并不是靜態(tài)的，而是不斷發(fā)生變化：

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(guò)程稱為代謝途徑，其中伴隨著能量的變化（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(guò)這張代謝網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。生物體內(nèi)物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)過(guò)程，被稱為動(dòng)態(tài)部分

（Dynamicpart）1.2.2新陳代謝降解合成轉(zhuǎn)化運(yùn)輸分泌遺傳的分子基礎(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)中心法則是生物體傳遞并表達(dá)遺傳信息的基礎(chǔ)。復(fù)制復(fù)制轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄翻譯1.2.3遺傳的分子基礎(chǔ)和代謝的調(diào)節(jié)控制

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，其中細(xì)胞水平的調(diào)節(jié)主要包括：

(a)以膜結(jié)構(gòu)和膜功能為基礎(chǔ)的細(xì)胞結(jié)構(gòu)效應(yīng);(b)以代謝途徑和酶分子結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的酶活調(diào)節(jié);(c)以酶的合成系統(tǒng)為基礎(chǔ)的酶量調(diào)節(jié)。2發(fā)展簡(jiǎn)史2.1史前期公元前22世紀(jì)用谷物釀酒公元前12世紀(jì)學(xué)會(huì)制醬、制飴公元前7世紀(jì)用車前子、杏仁治療腳氣病，用豬肝治療夜盲癥等

依靠經(jīng)驗(yàn)自發(fā)的利用生物化學(xué)規(guī)律，而對(duì)本質(zhì)沒(méi)有認(rèn)識(shí)2.2啟蒙期（18世紀(jì)）

1780-1789拉瓦錫（AntoineLavoisier）（法）研究燃燒和呼吸，被認(rèn)為是現(xiàn)代生物化學(xué)研究的開(kāi)端，他推翻了燃素說(shuō),后人稱他是生物化學(xué)之父。

（1742-1786）瑞典化學(xué)家舍勒(CarlW.

Scheele)分離并研究了酒石酸、檸檬酸、蘋果酸、尿酸、乳酸、甘油等有機(jī)物2.3形成期（19世紀(jì)）（1830-1842）德國(guó)化學(xué)家李比希(JustusLiebig)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，將食物分為糖、脂、蛋白質(zhì)類，并首次提出了“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(Felix

Hoppe-Seyler)首次提出“Biochemie”這個(gè)名詞，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(lái)。他還首創(chuàng)了“蛋白質(zhì)”一詞，并得到了血紅蛋白結(jié)晶?；襞?賽勒的學(xué)生米歇爾(Friedrich

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。

1897年布赫納(Büchner)兄弟利用無(wú)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，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。LudwigBuchnerGeorgBuchner1903年生物化學(xué)學(xué)科正式成立

（1890－1902）埃米爾·費(fèi)舍爾（Emil

Fischer）（德）首次證明了蛋白質(zhì)是多肽；發(fā)現(xiàn)酶的專一性，提出并驗(yàn)證了酶催化作用的“鎖-匙”學(xué)說(shuō)；合成了糖及嘌呤。1902年獲諾貝爾獎(jiǎng)。2.4發(fā)展期（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?；羝战鹚?Frederick

G.

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。HopkinsBuilding,DepartmentofBiochemistry,Cambridge

1926年，美國(guó)的色姆納(JamesB.

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(Hans

A.

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。

1949鮑林(LinusC.

Pauling)（美）指出鐮刀形紅細(xì)胞性貧血是一種分子病，并于1951年提出蛋白質(zhì)存在二級(jí)結(jié)構(gòu)。1954年獲諾貝爾獎(jiǎng)。

1950年代，巴斯德(LouisPasteur)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。2.5繁榮期（20世紀(jì)下半葉至今）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(Oswald

T.

Avery)完成了肺炎球菌轉(zhuǎn)化試驗(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(MauriceWilkins)完成了DNA的X-射線衍射研究，由此在1962年與沃森和克里克共同獲得諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

在此基礎(chǔ)上，1953年，沃森(JamesD.Watson)和克里克(FrancisH.Crick)建立起DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，開(kāi)辟了分子生物學(xué)的新紀(jì)元。

英國(guó)生物化學(xué)家桑格(FrederickSanger)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(kāi)創(chuàng)了蛋白質(zhì)序列分析的先河，由此獲得1958年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

1960年，雅各布(Fran?oisJacob)和莫諾(JacquesMonod)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，獲1965年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。Fran?oisJacobJacquesMonod

1965年，美國(guó)生物化學(xué)家尼倫伯格(MarshallW.

Nirenberg)破譯出三聯(lián)體遺傳密碼，獲得1968年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

霍利(RobertW.Holley)闡明了酵母丙氨酸t(yī)RNA的核苷酸排列順序,后來(lái)又證明了所有的tRNA都有著相似的結(jié)構(gòu)，獲1969年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

1969-1972,Arber(瑞士),Smith(美)與Nathans(美)在核酸限制性內(nèi)切酶的分離與應(yīng)用方面做出突出貢獻(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，也為70年代初重組DNA技術(shù)（基因工程）的出現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)，因而在1978年共獲諾貝爾獎(jiǎng)。HamiltonO.SmithDanielNathans

WernerArber

1972Berg（美）在基因工程基礎(chǔ)研究方面作出了杰出成果，獲1980年諾貝爾獎(jiǎng)。

1973Cohen等（美）用核酸限制性內(nèi)切酶EcoR1，首次基因重組成功。PaulBergStanleyCohen

1977年，桑格(FrederickSanger)設(shè)計(jì)出一種測(cè)定DNA分子中核苷酸序列的方法，測(cè)定了由5375個(gè)核苷酸組成的ΦΧ174DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)，由此獲得1980年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。80年代以來(lái)，各國(guó)政府對(duì)生物技術(shù)倍加重視，分子生物學(xué)成了最受青睞的學(xué)術(shù)領(lǐng)域之一?；蚬こ獭⒓?xì)胞工程、酶工程和發(fā)酵工程在內(nèi)的生物工程得到前所未有的發(fā)展，并在農(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)、米爾斯坦(Milstein)、Jerne等由于發(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1984年諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。GeorgesJ.F.K?hler

CésarMilstein

NielsK.Jerne

1993年，美國(guó)科學(xué)家穆里斯(Kary

Mullis)因發(fā)明PCR(聚合酶鏈反應(yīng))儀而獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。PCR法通過(guò)DNA變性、退火、延伸三個(gè)步驟的反復(fù)循環(huán)，可實(shí)現(xiàn)微量的目的基因在短時(shí)間內(nèi)擴(kuò)增100萬(wàn)倍以上，這已成為分子生物學(xué)研究人員不可缺少的工具。PCR流程演示

2001CraigVenter（美）等報(bào)道完成了人類基因組測(cè)序草圖。人類基因組計(jì)劃

（humangenomeproject）：美國(guó)RenatoDulbecco在1985年提出,美國(guó)政府1990年10月正式啟動(dòng),耗資30億美元，旨在畫出一張人體地圖,找到46條染色體上30億個(gè)堿基對(duì)約10萬(wàn)個(gè)基因的準(zhǔn)確位置，破譯人類全部遺傳信息，使人類第一次在分子水平上全面認(rèn)識(shí)自己。是生命科學(xué)領(lǐng)域有史以來(lái)最寵大的全球性研究計(jì)劃，“生命登月計(jì)劃”。我國(guó)生物化學(xué)的開(kāi)拓者——吳憲教授

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.

在他的領(lǐng)導(dǎo)下完成：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)。生物化學(xué)發(fā)展方向：分子層次→結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)、結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系細(xì)胞、器官、個(gè)體層次→組學(xué)研究（基因組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、代謝組學(xué)、糖組學(xué)……）20世紀(jì)下半葉以來(lái)，生物化學(xué)和分子生物學(xué)的發(fā)展一日千里，進(jìn)入21世紀(jì)后，該學(xué)科必定會(huì)得到更大更迅猛的發(fā)展。3生物化學(xué)的地位及作用多學(xué)科共同孕育的邊緣學(xué)科，許多專業(yè)必不可少的專業(yè)基礎(chǔ)課程生化往往是闡明機(jī)理，選擇合理工藝途徑，提高產(chǎn)品質(zhì)量，探索新工藝，研制新產(chǎn)品的理論基礎(chǔ)。3.1微生物的代謝活動(dòng)是工業(yè)發(fā)酵的基礎(chǔ)發(fā)酵工程的本質(zhì)是利用微生物的代謝活動(dòng)將原料轉(zhuǎn)化為各種人們所需的產(chǎn)物。傳統(tǒng)發(fā)酵利用經(jīng)驗(yàn)從原料生產(chǎn)產(chǎn)品，而人們對(duì)原料如何產(chǎn)生產(chǎn)物的過(guò)程（代謝途徑）并不了解?，F(xiàn)代新型發(fā)酵是建立在對(duì)微生物的代謝網(wǎng)絡(luò)和代謝調(diào)控機(jī)理深刻認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上的。微生物細(xì)胞代謝網(wǎng)絡(luò)葡萄糖酒精甘油其他產(chǎn)品

氨基酸發(fā)酵是典型的新型發(fā)酵。以谷氨酸發(fā)酵為例：

-酮戊二酸谷氨酸在正常情況下，谷氨酸不會(huì)過(guò)量合成。通過(guò)代謝控制手段可使細(xì)胞可以源源不斷的生產(chǎn)谷氨酸。E1E2…………E3……3.2菌種是發(fā)酵工業(yè)的基礎(chǔ)為選育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)菌株，須對(duì)微生物改造，無(wú)論使用傳統(tǒng)的理化方法誘變育種，還是基因工程的手段進(jìn)行育種，其操作的對(duì)象都是DNA分子，因此須對(duì)這類生物大分子的性質(zhì)有所認(rèn)識(shí)。

3.3生化為產(chǎn)物的分離純化提供理論依據(jù)發(fā)酵產(chǎn)品多樣、性質(zhì)各異，有小分子，如氨基酸、有機(jī)酸、核苷酸、維生素、寡肽、低聚糖等；有大分子，如蛋白質(zhì)、酶、核酸、多糖等，將它們從復(fù)雜的發(fā)酵液中分離決不容易。靜態(tài)生化部分研究生物分子的性質(zhì)可為分離提供依據(jù)。3.4生化與釀酒的關(guān)系（以啤酒為例）啤酒生產(chǎn)是極為復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程

啤酒生產(chǎn)中從制麥、糖化到發(fā)酵等主要工藝過(guò)程，從最初的原料分子到最終產(chǎn)品中的各種組分，經(jīng)歷了種類極多的酶促反應(yīng)（少數(shù)反應(yīng)非酶促）。生化學(xué)習(xí)可為選擇合理工藝條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量，探索新工藝，研制新產(chǎn)品以及進(jìn)行啤酒質(zhì)量分析提供理論基礎(chǔ)。菌種是啤酒生產(chǎn)的基礎(chǔ)生化和分子生物學(xué)手段在啤酒生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用

PCR手段在大麥種系鑒定中的應(yīng)用。通過(guò)PCR法擴(kuò)增大麥16srDNA并進(jìn)行比較，是快速有