生物化學(xué)課件第一章緒論

生物化學(xué)主講教師：廖祥儒辦公室：生工樓A505電話：，85918117E-mail:第一章緒論生物化學(xué)的涵義及內(nèi)容生物化學(xué)學(xué)科的發(fā)展史生物化學(xué)在生物科學(xué)中地位及作用生物化學(xué)的學(xué)習(xí)方法一、生物化學(xué)的涵義及內(nèi)容1.化學(xué)的概念（共性和個性）化學(xué)學(xué)科的共性都是研究：物質(zhì)的本質(zhì)，包括：物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；物質(zhì)的轉(zhuǎn)化即物質(zhì)轉(zhuǎn)化的條件和方法。根據(jù)研究的方法和角度不同，可劃分成各種不同的化學(xué)：如：無機(jī)化學(xué)、有機(jī)化學(xué)、物理化學(xué)我們由此可以引出生物化學(xué)的概念。2.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)。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。3）物質(zhì)和能量的轉(zhuǎn)化：生物體內(nèi)大分子、小分子之間的相互轉(zhuǎn)化，以及伴隨的能量變化。4）一切生命現(xiàn)象的新陳代謝，包括：生長、分化、運(yùn)動、思維等；和自我復(fù)制如：繁殖、遺傳等。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）的一門科學(xué)。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)3.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，而是在時時刻刻的發(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。這部分內(nèi)容反映生物體內(nèi)物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化的動態(tài)過程，被稱為動態(tài)生化。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)。復(fù)制復(fù)制轉(zhuǎn)錄逆轉(zhuǎn)錄翻譯二、生物化學(xué)的發(fā)展簡史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人們依靠經(jīng)驗(yàn)自發(fā)的利用生物化學(xué)規(guī)律，而對本質(zhì)沒有認(rèn)識。2.18世紀(jì)（啟蒙期）法國化學(xué)家拉瓦錫(Lavoisier)研究燃燒和呼吸，被認(rèn)為是現(xiàn)代生物化學(xué)研究的開端。拉瓦錫通過研究推翻了燃素說，并指出呼吸是不發(fā)光的燃燒，其本質(zhì)是氧化作用。瑞典化學(xué)家舍勒(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。

3.19世紀(jì)（發(fā)展期）自然科學(xué)取得了重大發(fā)展，物理學(xué)、化學(xué)的發(fā)展極大地推動生物化學(xué)的發(fā)展。當(dāng)時的研究中心在德國。德國化學(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，并首次提出了“新陳代謝”這個學(xué)術(shù)名詞。1877年，德國醫(yī)生霍佩-賽勒(Hoppe-Seyler)首次提出“Biochemie”這個名詞，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。1903年生物化學(xué)學(xué)科正式成立霍佩-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)兄弟利用無細(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快速發(fā)展的新時期。4.20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?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，美國的色姆納(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。5.20世紀(jì)下半葉整個生物化學(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時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)化試驗(yàn)，證明了DNA是遺傳物質(zhì)。50年前后，英國物理學(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。英國生物化學(xué)家桑格(Sanger)經(jīng)過10年研究，發(fā)明了測定蛋白質(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結(jié)構(gòu)，這是第一個被闡明結(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，美國生物化學(xué)家尼倫伯格(Nirenberg)破譯出三聯(lián)體遺傳密碼?；衾?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)計出一種測定DNA分子中核苷酸序列的方法，并測定了由5375個核苷酸組成的ΦΧ174DNA的一級結(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，各國政府對生物技術(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)的檢測技術(shù)而獲得了諾貝爾獎。1993年，美國科學(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。PCR法通過DNA變性、退火、延伸三個步驟的反復(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。2000年，在許多國家分子生物學(xué)家的共同努力下，擬就了人類基因組草圖，宣告人類基因組計劃(HGP)的初步完成?？傊?，20世紀(jì)下半葉以來，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)科必定會得到更大的發(fā)展，為人類創(chuàng)造財富和幸福。6.我國生物化學(xué)的發(fā)展情況我國生物化學(xué)家吳憲于本世紀(jì)20年代從美國回國后擔(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、血液的生化檢測研究、免疫化學(xué)研究、素食營養(yǎng)研究、內(nèi)分泌研究等等，在生化方面做出了重要貢獻(xiàn)。1965年，中科院上海生化所和北京大學(xué)合作，在世界上率先通過化學(xué)方法完成了具有完全生物活性的結(jié)晶牛胰島素的人工合成；1983年，他們采用有機(jī)合成和酶促合成相結(jié)合的方法，完成了酵母丙氨酸轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸的人工全合成。此外，我國在酶的作用機(jī)理、血紅蛋白變異、生物膜結(jié)構(gòu)功能等方面都做出了國際水平的研究成果。2000年，我國作為人類基因組計劃的參與國同美、英、法、日等國家共同發(fā)布了人類基因組的草圖。在21世紀(jì)這個生物化學(xué)和分子生物學(xué)大發(fā)展的新時期，我國必須加大發(fā)展步伐，才能與國際學(xué)術(shù)研究前沿接軌。三、本課程在生物科學(xué)中的地位及作用

生物化學(xué)是生物工程的重要理論基礎(chǔ)，也是生物工程專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課。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)。1.微生物的代謝活動是工業(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將生產(chǎn)原料轉(zhuǎn)化為各種人們所需的產(chǎn)物。在發(fā)酵工業(yè)中，傳統(tǒng)發(fā)酵往往是利用經(jīng)驗(yàn)從原料生產(chǎn)產(chǎn)品，而人們對原料如何產(chǎn)生產(chǎn)物的過程（代謝途徑）并不了解。而現(xiàn)代新型發(fā)酵是建立在對微生物的代謝網(wǎng)絡(luò)和代謝調(diào)控機(jī)理深刻認(rèn)識的基礎(chǔ)上的，沒有這些認(rèn)識，甚至根本生產(chǎn)不出產(chǎn)品。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，谷氨酸不會過量合成。通過育種手段篩選出E2活力弱而E1、

E3活力強(qiáng)的菌株，可以加強(qiáng)谷氨酸的合成。同時，選育出生物素缺陷型菌株，這種菌株由于細(xì)胞膜合成受抑制，谷氨酸一經(jīng)合成就滲透到細(xì)胞外，解除了終產(chǎn)物谷氨酸對其自身的合成酶系的阻遏作用，使細(xì)胞可以源源不斷的生產(chǎn)谷氨酸。E1E2…

……

…E32.菌種是發(fā)酵工業(yè)的基礎(chǔ)為了選育出優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)菌株，必須對微生物進(jìn)行改造，而這些都是建立在分子生物學(xué)（遺傳的分子基礎(chǔ)）的基礎(chǔ)之上的。無論使用傳統(tǒng)的理化方法進(jìn)行誘變育種，還是通過基因工程的手段進(jìn)行育種，其操作的對象都是DNA分子，因此必須對這類生物大分子的性質(zhì)有所認(rèn)識。生化對農(nóng)業(yè)也有很大的實(shí)用意義研究植物的新陳代謝的各種過程，使我們有可能控制植物發(fā)育，應(yīng)用遺傳工程技術(shù)改良作物品種，實(shí)質(zhì)也是利用生化技術(shù)。生化乃預(yù)防醫(yī)學(xué)及治療醫(yī)學(xué)的重要基礎(chǔ)疾病的診斷愈來愈多地依賴于生化指標(biāo)，此外從生化角度闡明藥理作用，有助于設(shè)計有效的藥物。4.生物化學(xué)在其它方面的應(yīng)用生物化學(xué)的發(fā)展并非孤立生物化學(xué)的發(fā)展和分析分離技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，在生化研究