生物化学1.绪论.ppt

生物化学(Biochemistry),参考书:生物化学（第三版）（上、下册），王镜岩、朱圣庚、徐长法，高等教育出版社普通生物化学（第四版），郑集、陈钧辉，高等教育出版社生物化学(第二版)，澳P.W.库彻 G.B.罗尔斯顿 等著，姜招峰 等译，科学出版社 麦格劳希尔教育出版集团Biochemistry,高等教育出版社(影印版),2002年,R.H.Garrett&C.M.Grisham,2023/3/29,2,生物化学,绪 论第 一 章 蛋白质化学第 二 章 核酸的化学第 三 章 酶、维生素和辅酶第 四 章 生物氧化第 五 章 糖代谢第 六 章 脂类的代谢第 七 章 蛋白质与氨基酸分解代谢第 八 章 核酸与核苷酸代谢第 九 章 物质代谢的调节控制第 十 章 DNA的复制与修复第十一章 转录与基因表达调控第十二章 蛋白质的生物合成,绪 论,生物化学的涵义及内容生物化学与药学科学生物化学学科的发展史生物化学的学习策略,1.生物化学的涵义及内容,1.1 生物化学的涵义 生物化学是关于生命的化学，是研究生物体的化学组成，生物物质的结构与功能，生命过程中物质与能量变化的规律，以及一切生命现象的物质基础的科学。,现代定义：运用现代科学技术和方法从分子水平探讨生命现象的化学本质、生命活动过程中化学变化规律的科学。研究方法 主要采用化学、物理学和生物学的理论和方法；与数学、物理学、生理学、细胞生物学、遗传学等学科相联系和交叉。,从学科范围上来讲，生物化学是由生物学和化学交叉发展形成的边缘科学，是以化学方法为主要手段来研究生物（生命活动）的一门科学。,化学,生物学,生物化学,生物化学的定义中包含了几层意思：1）生物体的化学组成：生物体的四大类基本物质（糖、蛋白质、核酸、脂类），三大活性物质，以及各种有机小分子等等。2）结构与功能：生物分子的结构、功能，结构与功能的内在关系。,3）物质和能量的转化：生物体内大分子、小分子之间的相互转化，以及伴随的能量变化。,4）一切生命现象的新陈代谢，包括：生长、分化、运动、思维等；以及自我复制如：繁殖、遗传等。,生物化学的研究内容,研究生物体内各种化合物的组成、结构、性质和功能（主要有糖类、脂类、蛋白质、核酸、酶、维生素和激素）,研究构成生物体的基本物质在生命活动中进行的化学变化，即新陈代谢及代谢过程中能量的转换和调节,1.2 生物化学的内容,1）生物体的化学组成,四类基本生物大分子：糖 由单糖组成 脂类 由甘油、脂肪酸、磷酸、含氮碱等组成 蛋白质 由氨基酸（20种）组成 核酸 由核苷酸组成，而核苷酸又由碱基、戊糖、磷酸组成 研究生物大分子及其构成它们的前体小分子物质的结构、性质、功能，以及结构与性质、功能之间的内在联系。三大活性物质：酶、维生素、激素。它们的结构、特性、作用方式和机理。由于这部分内容研究的是生物分子的静态特征，被称为静态生化。,2）新陈代谢的研究 事实上，生物分子在生物体内并不是静态的，而是在时时刻刻的发生变化，包括：生物大分子 小分子 小分子 小分子 体外物质 体内物质从一种生物分子转化为另一种生物分子所经历的化学反应过程称为代谢途径，这其中又伴随着能量的变化（放能和需能）。生物体内各种不同的代谢途径构成复杂的代谢网络，各种生物分子通过这张代谢网络进行相互转化。,降解,合成,转化,运输,分泌,3）遗传的分子基础和代谢的调节控制 遗传的分子基础在内容上属于分子生物学，讲述的是核酸和蛋白质的合成代谢，包括：DNA RNA 蛋白质该法则是生物体传递并表达遗传信息的基础。生物体内的代谢网络非常复杂，而生物体的各种反应却能有条不紊的进行，这是受到精密的调节机制调控的，其中包括细胞或酶水平的调节以及激素和神经系统的调节。2）和 3）这部分内容反映生物体内物质能量转化的动态过程，被称为动态生化。,复制,复制,转录,逆转录,翻译,2.生物化学与药学科学,生物化学是一门重要的医药学基础课程，也是现在发展最快的学科之一，它从分子水平阐明生命现象本质，是学习、认识疾病，认识药物治病原理不可缺少的基础。同时，生物化学基础研究及其技术的发展与现代药学科学的发展具有越来越来密切的联系，呈现了巨大的应用潜力。生化往往是阐明机理，选择合理工艺途径，提高产品质量，探索新工艺，研制新产品的理论基础。,生物化学与药学科学,1.1 促进对人或动物致病机理的认识，提高对疾病的正确诊断,从医学方面讲，人或动物的病理状态常常是由于细胞中化学成份的变化，从而引起功能的紊乱。血液中脂类物质含量增高是心血管疾病的特征之一（如冠心病、血管栓塞引起脑溢血、脑血栓等症状）；血红蛋白一级结构的改变可以溶血，如人被毒蛇咬伤后致人于丧命，是由于蛇毒液中含有磷酸二酯酶，使血细胞溶血所致等，许多疾病的临床诊断愈来愈多地依赖于生化指标的测定。,1.2 生物化学理论和方法促进生物药物研究与开发,生化药物是一类采用生化方法化学合成从生物体分离、纯化所得并用于预防、治疗和诊断疾病的生化基本物质。这些药物的特点是来自生物体，基本生化成份即氨基酸、肽、蛋白质、酶与辅酶、多糖（粘多糖类）脂质、核酸及其降解产物。这些物质成分均具有生物活性或生理功能，毒副作用极小，药效高而被服用者接受。生化药物在制药行业和医药上占有重要地位。如氨基酸、核苷酸（所谓基因营养物）、SOD、紫杉醇等已经应用于临床治疗。,1.3 研究新陈代谢规律及其调控是开发微生物发酵工业的基础,氨基酸、酶（含遗传工程酶）、抗生素、植物生长激素、维生素C等也可通过微生物发酵手段进行生产。发酵产物的提炼和分离及下游加工技术也必须依赖于生物化学理论和技术。此外，研究微生物新陈代谢过程及其调节控制对于选育高产优质的菌株筛选最佳发酵理化因子及提高发酵效率具有指导意义。,转人生长素基因的小鼠（右）,1.4 分子生物学与生物技术的迅速发展为重组生物药物发展奠定基础,国际生物化学的发展概况,3.生物化学的发展史,拉瓦锡（Lavoisier 17431794）法国化学家，他在17801789年之间研究了“生物体的燃烧”，指出此类燃烧并放出二氧化碳。后人称之为生物化学之父,瑞典化学家舍勒（C.W.Scheele，1742-1786），舍勒和他的同事对生物体的有机物质进行了详细的研究，确定了生物体内的许多化学物质，如氨基酸和柠檬酸、苹果酸等有机酸。,3.1 18世纪（启蒙期）,3.2 19世纪（发展期）,1828年，德国化学家魏勒从无机物氰酸铵合成尿素，是人工合成有机物的创始人。德国化学家李比希(Liebig)是生理化学和碳水化合物化学的创始人之一，研究了大量的有机分子和生物组织提取物，并于1842年首次提出了“新陈代谢”这个学术名词。,1877年，德国医生霍佩-赛勒(Hoppe-Seyler)首次提出“Biochemie”这个名词，译为英文是“Biochemistry”,汉译为生物化学，并创办了生理化学杂志，将生理化学（生物化学）建成一门独立的学科，首次从生物学、医学、化学中分离出来。他还首创了“蛋白质”一词，并得到了血红蛋白结晶。霍佩-赛勒的学生米歇尔(Miescher)研究了病理液体和脓细胞，并从脓细胞的细胞核中分离得到了脱氧核糖核蛋白。,生物化学的创始人埃米尔费舍尔（Emil Fischer）,18901902 Fischer（德）首次证明了蛋白质是多肽；发现酶的专一性，提出并验证了酶催化作用的“锁-匙”学说；合成了糖及嘌呤。1902年获诺贝尔奖。,19世纪50年代，巴斯德(Pasteur)证明了酒精发酵是由微生物引起的，排除了发酵自生论。1897年布赫纳(Bchner)利用无细胞酵母汁液发酵蔗糖产生酒精的研究，是生化发展早期的一个重要里程碑，他不仅结束了酒精发酵机理持续了半个世纪的大论战，而且将酶学和代谢等现代生化研究引入了一个快速发展的新时期。,3.3 20世纪上半叶,进入20世纪后，生物化学研究得到了迅速的发展，德、美、英、法都建立了生化学术中心。20世纪上半叶在蛋白质、酶、维生素、激素和物质代谢及生物氧化方面都有很大的进展。层析、电泳和超速离心机的应用使分离提纯快速而精确；结构化学和X-射线晶体学在生物大分子的结构研究中发挥了巨大的作用；荧光分析和同位素示踪显示了代谢过程和酶促反应机制；电镜也极大地促进了生物化学的发展。,霍普金斯(Hopkins)，剑桥大学生物化学教授，先后发现了维生素、色氨酸和谷胱甘肽，创建了剑桥普通生物化学学派和中心。1926年，美国的萨姆纳(Sumner)得到了脲酶结晶，证明了酶的本质是蛋白质。,1937年，英国生物化学家克雷布斯(Krebs)发现并阐明了三羧酸循环。此外，脂肪酸氧化降解途径、糖酵解途径等基本生物化学途径也都在20世纪30年代前后陆续阐明。,3.4 20世纪下半叶,整个生物化学的领域向广度和深度发展，分子生物学的出现和生物工程的兴起是这个时期最引人注目的成就。1944年，加拿大细菌学家艾弗里(Avery)完成了肺炎球菌转化实验，证明了DNA是遗传物质。50年前后，英国物理学家威尔金斯(Wilkins)完成了DNA的X射线衍射研究。在此基础上，1953年，沃森(Watson)和克里克(Crick)建立起DNA双螺旋结构模型，开辟了分子生物学的新纪元。,弗兰克林,英国生物化学家桑格(Sanger)经过10年研究，发明了测定蛋白质分子中氨基酸序列的方法，并于1955年确定了牛胰岛素的一级结构，这是第一个被阐明结构的蛋白质，开创了蛋白质序列分析的先河。1960年，雅各布(Jacob)和莫诺(Monod)提出了在原核生物中普遍存在的基因调控的操纵子结构模型。,1965年，美国生物化学家尼伦伯格(Nirenberg)破译出三联体遗传密码。霍利(Holly)阐明了酵母丙氨酸tRNA的核苷酸排列顺序，后来又证明了所有的tRNA都有着相似的结构。,60年代末，DNA限制性内切酶和DNA连接酶被陆续发现，为研究核酸分子的结构和功能找到了自由切割和重组的工具，为70年代初重组DNA技术（基因工程）的出现奠定了基础。1977年，桑格设计出一种测定DNA分子中核苷酸序列的方法，并测定了由5375个核苷酸组成的174 DNA的一级结构。这种DNA序列分析法至今仍被广泛的使用。,进入80年代以来，各国政府对生物技术倍加重视，分子生物学研究成了最受青睐的学术领域之一。包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程在内的生物工程得到了前所未有的发展，并已经在农业、医药、轻工等行业得到广泛的应用。1984年，科勒(Kohler)和米尔斯坦(Milstein)等人由于发展了单克隆抗体技术，完善了极微量蛋白质的检测技术而获得了诺贝尔奖。,1993年，美国科学家穆里斯(Mullis)由于发明了PCR（聚合酶链反应）仪而获得诺贝尔奖。PCR法通过 DNA变性、退火、延伸三个步骤的反复循环，可以实 现微量的目的基因在短时间内扩增100万倍以上。目 前PCR已经成为分子生物学研究人员不可缺少的工具。,1997.2 苏格兰 Wilmut 绵羊“多利”的克隆为发育生物学研究开拓了更广阔的空间,美、英、日、德、法、中六国参与的国际人类基因组计划(2003年完成),人类基因组计划,1984年开始讨论1990 启动2000 序列框架图完成,1995 完成原核生物Hemophilus luenzae的基因组测序1996 完成啤酒酵母的基因组测序1997 完成大肠杆菌的基因组测序 2000 人类基因组序列框架（中国完成1%）2000 拟南芥基因组序列（第一个高等植物）2002 水稻基因组序列框架图（中国独立完成）2003 中国家蚕基因组序列框架图,人类基因组计划实施以来的成就,人类基因组计划中国协调人杨焕明,从以上所述的生物化学的发展中，可以看出20世纪50年代以来是以核酸的研究为核心，带动着分子生物学向纵深发展，如50年代的双螺旋结构，60年代的操纵子学说，70年代的DNA重组，80年代的PCR技术，90年代的DNA测序都具有里程碑的意义，将生命科学带向一个由宏观到微观再到宏观，由分析到综合的时代；现代生物化学正在进一步发展，其基本理论和实验方法均已渗透到科学各个领域，无论在哪个方面都在不断取得重大进展.,3.5 我国生物化学的发展情况,我国生物化学家吴宪于本世纪20年代从美国回国后担任了私立北京协和医学院生物化学教授,是我国生物化学研究的开端。在他的领导下完成了蛋白质变性理论、血液的生化检测研究、免疫化学研究、素食营养研究、内分泌研究等等，在生化方面做出了重要贡献。,1965年，中科院上海生化所和北京大学合作，在世界上率先通过化学方法完成了具有完全生物活性的结晶牛胰岛素的人工合成1972年用衍射研究了猪胰岛素的三维结构、分辨率1.8A。1981年，上海生物化学研究所、上海细胞生物研究所、上海有机化学所、生物物理所、北京大学生物系和上海试剂二厂等单位协作，采用有机合成和酶促合成相结合的方法，完成了酵母丙氨酸转运核糖核酸的人工全合成。,此外，我国在酶的作用机理、血红蛋白变异、生物膜结构功能等方面都做出了国际水平的研究成果。2000年，我国作为人类基因组计划的参与国同美、英、法、日等国家共同发布了人类基因组的草图。在21世纪这个生物化学和分子生物学大发展的新时期，我国必须加大发展步伐，才能与国际学术研究前沿接轨。,4.生物化学的学习策略,生物化学课程的特点：知识密集，信息量大 分子水平，内容复杂 涉及面广，记忆性强 联系密切，灵活多变,生物化学的学习策略,生物化学学习的方法：通常认为生物化学难学，其实不然。只要师生共同努力，教与学齐驱并驾（同步思维、同步运动），辅以必要的习题演练，自绘代谢网络图，就一定会从无知到有知，从知之较少到知之较多，以至达到融会贯通、炉火纯青的境地。,教学结合，教学相长专心听讲，及时复习精炼概念，把握规律加强联系，突出整体进入状态，择重记忆,