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1、生物化学Biochemistry,绪 论 本 章 提 纲： 一、生物化学研究对象及内容 二、生物化学发展简史及现状 三、近代生物化学的发展趋势 四、生物化学知识的应用 五生物化学与分子生物学同有关学 科的关系 六课程特点及学习与安排 七学习方法,一、生物化学研究对象及内容,生物化学: 生物化学是在分子水平上阐明生命现象的科学。它是一门主要运用化学的原理、技术和方法，也结合其它学科的原理与技术研究生命现象的科学，也就是研究生命活动化学变化的学科，即生命的化学，是生命科学领域重要的基础学科，它是介于化学、生物学及物理学之间的一门边缘学科。 近年来，它的飞速发展推动了整个生命科学和医学向分子水平纵深
2、发展。生物化学研究领域中的生物大分子-核酸和蛋白质是生命活动的最基本物质，研究这两类生物信息大分子的结构、功能及其在遗传信息传递中的作用已成为当前新兴学科-分子生物学的主要任务之一。是否应将分子生物学作为一门独立的基础课程设置，值得探讨。,研究对象：有生命的生物体(动物、植物、微生物)。 主要任务： 阐述构成生物体基本物质(糖、脂肪、蛋白质、核酸等)的结构、组成、性质； 生物分子的结构、功能与生命现象的关系； 生物分子在生物机体中的相互作用及其变化规律。,是生命的化学 用化学研究生命 阐明生命本质,生物学,动物学,植物学,微生物学,化学,生物学,生物化学,分子生物学,生物化学的地位,1、研究生
3、物体内物质的组成、结构和性质 高等生物体主要由蛋白质、核酸、糖类、脂类以及水、无机盐等组成，此外还含有一些低分子物质，如维生素、激素、氨基酸、多肽、核苷酸及一些分解产物。,生物体,细胞,有机成分,无机成分,脂肪,碳水化合物,核酸,水,无机盐,蛋白质,动物细胞,植物细胞,丙酮酸氧化三羧酸循环,磷酸戊糖途径糖酵解 糖异生,细胞是生命体的基本单位,溶酶体,线粒体,核糖体,中心体,高尔基体,细胞质,核 仁,核 膜,细胞核,核糖体,细胞膜,生命体的元素组成,组成生命体的物质是极其复杂的。但在地球上存在的92种天然元素中，只有28种元素在生物体内被发现 第一类元素：包括C、H、O和N四种元素，是组成生命体
4、最基本的元素。这四种元素约占了生物体总质量的99%以上。 第二类元素：包括S、P、Cl、Ca、K、Na和Mg。这类元素也是组成生命体的基本元素。 第三类元素：包括Fe、Cu、Co、Mn和Zn。是生物体内存在的主要少量元素。 第四类元素：包括Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Se、Si等。,生物体的化学组成,自然界所有的生命物体都由三类物质组成水、无机离子和生物分子,除了水和无机盐，活细胞主要由各种有机物构成： 1）生物大分子： 蛋白质(protein)、 核酸 (nucleic acid)、 多糖(carbohydrate)、 脂肪(lipids) 及其复合物 2）小分子有机物：
5、 维生素(vitamin)、 激素(hormones)、 氨基酸(amino)、 核苷酸(nucleotide)、 脂肪酸(fatty acid),2、研究生物体中新陈代谢过程,合成代谢（同化作用）：生物小分子合成为生物大分子，需要能量； 分解代谢（异化作用）：生物大分子分解为生物小分子，放出能量。 物质代谢与能量代谢相伴相随,新陈代谢的概念,新陈代谢（metabolism）是生命最基本的特征之一，泛指生物与周围环境进行物质交换、能量交换和信息交换的过程。生物一方面不断地从周围环境中摄取能量和物质，通过一系列生物反应转变成自身组织成分，即所谓同化作用（assimilation）；另一方面，将原
6、有的组成成份经过一系列的生化反应，分解为简单成分重新利用或排出体外，即所谓异化作用（dissimilation ），通过上述过程不断地进行自我更新。 特点：特异、有序、高度适应和灵敏调节、代谢途径逐步进行,新陈代谢的概念及内涵,小分子 大分子 合成代谢（同化作用） 需要能量 释放能量 分解代谢（异化作用） 大分子 小分子,物质代谢,能量代谢,新陈代谢,信息交换,生物界能量传递及转化总过程,太 阳,电子传递,合成,分解,电子传递,光合作用,呼吸作用,生命现象,自养细胞,异养细胞,ATP,ADP,(CH2O) +O2,(CO2) +H2O,ATP,ADP,（光 能）,（电 能）,（化 学 能）,（
7、化 学 能）,（电 能）,（化 学 能）,生物合成 机 械 功 主动运输 生物发光 生物发电 生物发热,3、研究遗传信息的表达 4、研究物质代谢的调控,生物机体的新陈代谢是一个完整的整体，机体代谢的协调配合，关键在于它存在有精密的调节机制。代谢的调节使生物机体能适应其内、外复杂的变化环境，从而得以生存。这种精密的调节机制是生物在长期演化中获得的。,生物界代谢的调节，可分为4个水平： 酶水平调节、细胞水平调节、激素水平调节、神经水平调节。,代谢调节的不同水平：,1) 酶水平调节 2） 细胞水平调节 3） 激素水平调节 4） 神经水平调节,单细胞生物,植物,动物,（一）酶水平调节,1. 酶活性的调
8、节,（1）别构调节作用,一般为寡聚酶，由催化亚基和调节亚基组成，别构效应物与调节亚基结合，引起酶分子的构象发生变化，从而改变酶的活性。,酶促反应的前馈和反馈调节（反馈调节包括正反馈和负反馈）。,(2) 酶原的激活等,（3）共价修饰调节作用,不同类型的可逆共价修饰作用： 磷酸化/脱磷酸化； 乙酰化/脱乙酰化； 腺苷酸化/脱腺苷酸化； 尿苷酸化/脱尿苷酸化； ADP-核糖基化； 甲基化/脱甲基化； S-S/SH相互转变。,共价修饰调节对调节信号有放大作用。如磷酸化酶激活的级联反应。,（1）原核生物基因表达调节,19601961年，J. Monod 和 F. Jacob 提出乳糖操纵子模型（lac
9、operon model）。,酶合成的诱导作用,降解物的阻遏作用,酶合成的阻遏作用,（2）真核生物基因表达的调控,为多级调控方式：转录前水平调控、转录水平上的调控、转录后水平的调控、翻译水平调控、翻译后水平调控。,基因表达的调节 酶生物合成在转录水平和翻译水平受到调节。,a,y,z,o,p,i,结构基因,控制位点,调节基因,乳糖操纵子,o,CAP与cAMP形成复合物，结合在lac operon的启动基因上，促进转录的进行。,cAMP-CAP是正调控因子，阻遏蛋白是负调控因子。,A,B,C,D,E,o,p,L,a,E. coli 色氨酸操纵子模型,Trp合成途径还存在色氨酸操纵子中衰减子所引起的
10、衰减调节。,（二）酶在细胞内的集中存在与隔离分布（细胞水平调节）,代谢酶类区域化具有的生理意义即是实现代谢调控的一个原始方式。,酶活性调节 细胞水平调节 酶含量调节(基因表达的调控) 以酶区域化分布为基础的调节,（三）激素对代谢的调节,动物激素4类：氨基酸及其衍生物、肽及蛋白质、固醇类、脂肪酸衍生物。,植物激素5类：生长素、赤霉素类、激动素类、脱落酸、乙烯。,蛋白质肽类激素与类固醇激素的作用机制。,（四）神经系统对代谢的调节,此外，涉及到细胞信号转导、生物分子的结构与功能、遗传与繁殖,目前已知，细胞内存在多条信号转导途径，而这些途径之间通过一定的方式相互交织在一起，从而构成了非常复杂的信号转导
11、网络，以保证细胞能够对内、外环境的变化及时作出反应，使细胞内所有的化学变化均以合乎生物体自身需要的方式进行。 根据现代生物化学及分子生物学研究还原论的观点 ，要想了解细胞及亚细胞的结构和功能，必先了解构成细胞及亚细胞的生物分子的结构和功能。因此，研究生物分子的结构和功能之间的关系，代表了现代生物化学与分子生物学发展的方向。 对生物体遗传与繁殖的分子机制的研究，也是现代生物化学与分子生物学研究的一个重要内容。 十九世纪中叶到二十世纪初，主要完成了各种生物体化学组成的分析研究，发现了生物体主要由糖、脂、蛋白质和核酸四大类有机物质组成 。,二、生物化学发展简史及现状,有机化学的发展 简单的说, 有机
12、化学就是H, C, N, O的化学。 其发展是必然的, 因为人对生命物质的兴趣要比对非生命物质更浓。化学分析的手段发展后, 势必要用来研究有机的物质。通过有机化学研究知道的物质结构, 成为生物化学研究的起点。 有机化学的发展, 是从尿素的合成开始的。 1828年 Wohler (德) 从无机盐合成了尿素 1831年 Liebig (德) 有机物元素分析定量法的发明 1840年 有机基团 (group) 的概念的形成 1848年 Pasteur (法) 酒石酸的光学异构体的发 1858年 Kekule (德) C原子的四价理论 1865年 Kekule (德) Benzen环结构的发现 1869
13、年 元素周期表的确立 1874年 vant Hoff (荷) C4的正四面体结构 1884年 Fischer (德) 糖的化学结构研究的开始,生物化学重大发展年代表,1897年 Buchner 发现酵母细胞质能使糖发酵 1902年 Fischer 肽键理论 1926年 Sumner结晶得到了脲酶,证明酶就是蛋白质 1935年 Schneider将同位素应用于代谢的研究 1944年 Avery等人证明遗传信息在核酸上 1953年 Sanger的胰岛素氨基酸序列测定 Waston-Click提出DNA 双螺旋模型 1958年 Perutz等解明肌红蛋白的立体结构 1970年 发现了DNA限制性内切
14、酶 1972年 DNA重组技术的建立 1978年 DNA双脱氧测序法的成功 1990年 人类基因组计划的实施,2003年完成,进入 后基因组时代,生物化学作为一门独立的自然科学，只有近200年的历史。但是其发展非常迅速，目前已成为自然科学领域发展最快、最引人注目的学科之一。 （一）我国古代劳动人民的贡献 制饴、酿酒、制醋、制酱技术； 掌握生产豆腐的工艺（贾思勰的齐民要术； 齐民要术是我国最早的一部完整的古农书。 对脚气病（多发性神经炎）和甲状腺肿的认识与治疗。 本草纲目（李时珍） （二）近代生物化学的发展大体可分为四个阶段,第一阶段：静态生化阶段(萌芽时期：18世纪下半叶19世纪初),a) S
15、cheele:瑞典化学家，分离得到甘油、柠檬酸、苹果酸、乳酸、尿酸、酒石酸等。 b) Lavosier:法国化学家，1.首次证明动物的呼吸需要氧气；2. 同时证明燃烧过程是物质与氧的结合过程。 c) Liebig:德国化学家，是农业化学的奠基人，也是生物化学和碳水化合物化学的创始人之一。首次提出新陈代谢这个学术名词。发现了马尿酸、氯仿。,d) Wohler: 与Liebig在同一个实验室,1828年在实验室合成了尿素。从而推翻了有机化合物只有在生物体内部合成的错误认识。 从此生物体内糖类、脂类及氨基酸等均被详尽的研究。 e) Ernst Felix Hoppe-Seyler:德国医生 ，1877年提出“Biochemie”即英文的 “Biochemistry”.（Miescher是他的学生） f) E.fischer测定很多糖和氨基酸的结构， 提出蛋白质由肽键连接。,第二阶段：奠基时期，即开始进入动态生物化学阶段(19世纪20世纪初) 科学家对生物物质代谢、平衡等进行了广泛深入的研究，基本阐明了酶的化学本质以及与能量代谢有关的物质代谢途径。 Summer: 美国科学家，1926年得到脲酶的结晶，证明了酶的化学本质是蛋白质。 Embden: 德国生物化学家，在糖代谢、脂代谢及肝脏合成氨基酸方面做出了巨大贡献，与他人一起证明了糖酵解途径。 Krebs: 英国人，发现了尿素循环和三羧
