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1、长江大学生命科学学院,Biochemistry,绪 论,生物化学（Biochemistry）是研究生物体中有机分子化学组成、结构和功能、代谢变化和调节及其分析方法的科学。生物化学是研究细胞中生物分子运动的化学本质，是研究活细胞内各种物质的化学组成及其分解与合成的普遍规律。因此, 生物化学研究的对象不局限于哪种生物、哪类细胞、哪个器官或组织，而是以整个生物界所有生物细胞内所发生的各种化学事件，研究其生物化学特性，阐明这些事件的发生与消亡。它的研究对象具有普遍性和代表性。,一. 生物化学的涵义-基本概念,绪 论,随着现代科学和技术的迅速发展，生物学家正在不断揭开生命的分子奥秘。生物科学在过去的20
2、多年中出现了令人惊愕的进展。主要特点是：1. 许多其他学科的科学家如数学家、物理学家、信息学家、化学家等纷纷地汇聚到这个领域。2.最明显的一个特点就生物技术的进步与基础领域生物化学发展紧密联系在一起。,一. 生物化学的涵义-基本概念,绪 论,要理解生物化学的真正涵义首先要了解生物化学研究的内容以及相关知识体系是什么。与无机化学比较，生物化学主要研究生物体内的化学组成及其变化规律，它是生命的化学。这一基本特性一直相伴着的生物化学学科的诞生、成长和发展。经过一个多世纪的不断地研究和探索，生物化学家已经建立起来一些基本原理，一方面已经帮助人们去理解生命的奥秘，这些原理包括：,一. 生物化学的涵义-基
3、本概念,绪 论,1.所有不同类型的生物体几乎都利用一些相同的生物分子如碳水化合物、脂肪、蛋白质、核酸，而且这些生物体几乎都具备合成和分解这些分子的代谢途径（pathway）； 2.生物体的宏观表型如生长、发育、繁殖等都受细胞内DNA遗传特性的控制;,一. 生物化学的涵义-基本概念,绪 论,3. 生命活动的过程是由成千上万个生物化学反应组成，但这些反应并非杂乱无章，而是以网络状的途径形式存在。例如在生物体内合成乙醇反应。如果从一个反应来看，精确和调控这些反应（或途径）是保持正常生命活动的基础；,一. 生物化学的涵义-基本概念,绪 论,4. 生物大分子如蛋白质、核酸的化学结构与特定功能是密切相关的
4、，人们可以通过分子结构去了解或推断分子的功能，这对理解生物分子的作用机理有很大的帮助.,一. 生物化学的涵义-基本概念,A. thaliana monosaccharide transporter (单糖转运蛋白),部分核苷酸序列与对应氨基酸序列,绪 论,一. 生物化学的涵义-基本概念,生物化学是运用化学原理和方法，研究生命有机体的化学组成和化学变化的科学，即研究生命活动化学本质的科学。 研究动物、植物、微生物及人类等的化学组成和生命过程中的化学变化。 即 运用化学的原理和方法，来探究生命现象的本质,Sumary,绪 论,二. 生物化学的内容,研究生物体内各种化合物的结构、化学性质和功能（主要
5、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,绪 论,二. 生物化学的内容,代谢与能量,糖类化学 脂类化学 蛋白质化学 核酸化学 酶学,静态生物化学,动态生物化学,糖类代谢 脂类代谢 蛋白质代谢 核酸代谢,代谢调节,广义: 研究蛋白质及核酸等生物大分子结构和功能，也就是从分子水平阐明生命现象和生物学规律。狭义: 偏重于核酸(或基因)的分子生物学，主要研究基因或DNA的复制、转录、表达和调节控制等过程，也涉及这些过程中有关的蛋白质和酶的结构与功能的研究。,三. 分子生物学的概念,当今生物学的发展方向,当
6、今生物学的发展可谓突飞猛进，日新月异。现代生物学有两个主要 发展方向：,微观方向经典生物学宏观方向,（形态、解剖、分类）,绪 论,四. 生物化学的发展简史,第一阶段 18世纪70年代以后，随着近代化学和生理学的发展， 生物化学学科开始形成,1770-1774年，英国J.Priestly发现了氧气，并指出动物消耗氧而植物产生氧 1770-1786年，瑞典人C.W.Scheele分离了甘油、柠檬酸、苹果酸、乳酸、尿酸等 1779-1796年，荷兰人J.Ingenbousz证明在光照条件下绿色植物吸收CO2 并放出O2 1828年， Wohler合成了有机物尿素,绪 论,四. 生物化学的发展简史,第
7、一阶段 18世纪70年代以后，随着近代化学和生理学的发展， 生物化学开始形成,1877年，Hoppe-Seyler首先使用“Biochemistry”，生物化学作为一门新兴学科诞生 1897年， Buchner证实不含细胞的酵母提取液也能使糖发酵,这个阶段，生物化学的主要工作是分离和鉴定了各种氨基酸、羧酸、糖类，发现了核酸，开始进行酶学研究。,绪 论,四. 生物化学的发展简史,第二阶段 从20世纪初到20世纪40年代，随着分析鉴定技术的进步，尤其是放射性同位素技术的应用，生物化学进入动态生物化学的时期。,1926年，美国化学家J. B. Sumner首次得到脲酶结晶,1912-1933，生物氧
8、化得到了卓有成效的研究 30年代，陆续得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶，从而进一步证明酶是蛋白质,绪 论,四. 生物化学的发展简史,第二阶段 从20世纪初到20世纪40年代，随着分析鉴定技术的进步，尤其是放射性同位素技术的应用，生物化学进入动态生物化学的时期。,30年代，英生化学家A.Krebs提出尿素循环和三羧酸循环 40年代，能量代谢的提出为生物能学的发展奠定了基础 此外，糖酵解途径、光合碳代谢途径得到证明，发现了维生素和激素、血红素核叶绿素等,这个阶段，基本上阐明了酶的化学本质以及能量代谢有关的物质代谢途径。,绪 论,四. 生物化学的发展简史,第三阶段 1950年以来，借助于各种理
9、化技术，对蛋白质、酶、核酸等生物大分子进行化学组成、序列、空间结构及其生物学功能的研究，并发展到人工合成，创立了基因工程。,1950年，Pauling提出蛋白质二级结构的a-螺旋 1953年，Watson & Crick提出了DNA的双螺旋模型,1958年，Crick提出“中心法则” 1953及1975年，Sanger分别研究出蛋白质序列和核酸序列的测定方法 1961年，Jacob & Monod 提出了操纵子学说,绪 论,四. 生物化学的发展简史,绪 论,四. 生物化学的发展简史,第三阶段 1950年以来，借助于各种理化技术，对蛋白质、酶、核酸等生物大分子进行化学组成、序列、空间结构及其生物
10、学功能的研究，并发展到人工合成，创立了基因工程。,1965年， Holly 排出酵母tRNAAla 的一级结构 1966年，Nirenberg & Khorana 破译了遗传密码,绪 论,四. 生物化学的发展简史,1970年，Temin和Baltimore几乎同时发现逆向转录酶，证实了Temin 1964年提出的“前病毒假说”，阐明在劳氏肉瘤病毒（RSV）感染以后，首先产生含RNA病毒基因组全部遗传信息的DNA前病毒，而子代病毒的RNA则是以前病毒的DNA为模板进行合成。 1972年1973年， Berg等成功地进行了DNA体外重组； Cohen创建了分子克隆技术，在体外构建成具有生物学功能的
11、细菌质粒，开创了基因工程新纪元。在此同时，Boyer等在E.coli中成功表达了人工合成的生长激素释放抑制因子基因,绪 论,四. 生物化学的发展简史,1975年，Southern发明了凝胶电泳分离DNA片段的印迹法； 1979年，Solomon和Bodmer最先提出至少200个限制性片段长度多态性（RELP）可作为连接人的整个基因组图谱之基础; 1985年，Saiki等发明了聚合酶链式反应（PCR）；Smith等报导了DNA测序中应用荧光标记取代同位素标记的方法。,绪 论,四. 生物化学的发展简史,1985年5月，美国Santa Cruz加州大学校长R. Sinsheimer提出人类基因组研究
12、计划，1986年8月美国科学院生命科学委员会确定由Bruce Alberts负责的15人小组起草确定这个提议的报告，联邦政府1987年正式开始起动这一计划; 1994年，日本科学家在Nature Genetics上发表了水稻基因组遗传图，Wilson等用3年时间完成了线虫（C.elegans）3号染色体连续的2.2 Mb的测定，预示着百万碱基规模的DNA序列测定时代的到来;,绪 论,四. 生物化学的发展简史,1997年，Wilmut等首次不经过受精，用成年母羊体细胞的遗传物质，成功地获得克隆羊多莉（Dolly）,绪 论,四. 生物化学的发展简史,1998年，Renard等用体细胞操作获得克隆牛
13、Marguerife，再次证明从体细胞可克隆出遗传上完全相同的哺乳动物；Gene Bank公布最新人的“基因图谱98”，代表了30181条基因定位的信息；Venter对人类基因组计划提出新的战略全基因组随机测序，毛细血管电泳测序仪启动;,绪 论,四. 生物化学的发展简史,1999年，Gnter Blobel发现了细胞中蛋白质有其内在的运输和定位信号，并具体显示了这种信号发送过程中的分子状态，为此荣获该年度诺贝尔奖; 2001年，Hartwell发现和研究细胞周期分裂基因；Nurse和Hunt 分别发现调节细胞周期的关键分子周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinases,
14、CDKs）及调节CDKs功能的因子周期蛋白;,绪 论,四. 生物化学的发展简史,2003年，Peter Agre 和Roderck Mackinnon发现真细胞膜水通道蛋白并描述特征；阐述了钾离子通道结构及功能机制。两者均解决了前四次诺贝尔奖获得者所遗留尚未清楚的问题。,绪 论,四. 生物化学的发展简史,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
15、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.,绪 论,五. 生物化学课程的性质,21世纪是生物科学与技术高速发展的时代。它的发展使人类活动和生活方式发生了深刻变化，同时给农业、轻工业、医药行业等带来了重大的革新，而这些变化都离不开生物化学学科的发展。现代生物化学主要是在分子水平上研究生物体内各种物质分子的化学本质及其在生命活动过程中的化学变化规律。人类要了解各种生物的生长、生殖、生理、遗传、衰老、抗性、疾病、生命起源和演化等现象，都需要用生物化学的原理和方法进行探讨。,绪 论,四. 生物化学课程的性质,因此，生物化学是各门生物
16、科学的基础，特别是生理学、微生物学、遗传学、细胞学等各科的基础，在分子生物学、基因-蛋白质组学、生物信息学等新兴学科中占有特别重要的位置。 生物化学课程是我国高等农业院校生物学类和大多数非生物学类专业学生的学科基础课，是后继一系列重要课程的基础课，具有举足轻重的重要地位。,绪 论,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。,五. 生物化学地位作用,绪 论,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。,
