绪论(2011)-生物化学课件

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1、生物化学 Biochemistry,主讲: 田亚平,绪 论,涵义及内容 发展史 地位及作用 学习方法,化学（共性和个性） 共性： 物质的本性即包括组成、结构和性质； 物质的变化即物质变化的条件和方法。 个性：方法、角度或对象,无机化学,有机化学,分析化学,物理化学,研究,差异,生物化学？,1 涵义及内容,1.1 涵义 生物化学生命的化学，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科学。,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。,生命的化学，化学的生命,生物学,

2、化学,工程学,生物化学,生物工程,化学工程,生物技术,1.2 研究内容,1.2.1 生物体的化学组成 四类基本生物分子： 多糖 单糖组成 脂类 甘油、脂肪酸、磷酸、含氮碱等组成 蛋白质 氨基酸（20种）组成 核酸 核苷酸组成，核苷酸由碱基、戊糖、磷酸组成 三大活性物质：酶、维生素、激素 研究它们的结构、特性、作用方式和机理。 生物分子离体的状态下的静态特征，称为静态部分 （Static part ）,生物分子在生物体内并不是静态的，而是不断发生变化： 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，其中伴随着能量的变化

3、（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。 生物体内物质能量转化的动态过程，被称为动态部分 （Dynamic part）,1.2.2 新陈代谢,降解,合成,转化,运输,分泌,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 中心法则是生物体传递并表达遗传信息的基础。,1.2.3 遗传的分子基础和代谢的调节控制,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，其中细胞水平的调节主要包括： (a)以膜结构和膜功能为基础的细胞结构效应; (

4、b)以代谢途径和酶分子结构为基础的酶活调节; (c)以酶的合成系统为基础的酶量调节。,2 发展简史,2.1 史前期 公元前22世纪用谷物酿酒 公元前12世纪学会制酱、制饴 公元前7世纪用车前子、杏仁治疗脚气病，用猪肝治疗夜盲症等 依靠经验自发的利用生物化学规律，而对本质没有认识,2.2 启蒙期（18世纪）,1780-1789 拉瓦锡（Antoine Lavoisier）（法）研究燃烧和呼吸，被认为是现代生物化学研究的开端，他推翻了燃素说, 后人称他是生物化学之父。,（1742-1786）瑞典化学家舍勒(Carl W. Scheele)分离并研究了酒石酸、柠檬酸、苹果酸、尿酸、乳酸、甘油等有机物

5、,2.3 形成期（19世纪）,（1830-1842）德国化学家李比希(Justus 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，将食物分为糖、脂、蛋白质类，并首次提出了“新陈代谢”这个学术名词,1877年，德国医生霍佩-赛勒(Felix Hoppe-Seyler)首次提出“Biochemie”这个名词，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(Friedrich Miescher)研究了病理液体和脓细胞，并从脓细胞的

6、细胞核中分离得到了脱氧核糖核蛋白。,1897年布赫纳(Bchner)兄弟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，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。,Ludwig Buchner,Georg Buchner,1903年生物化学学科正式成立,（18901902）埃米尔费舍尔（Emil 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。,2.4 发展期（20世纪上半叶）,进入20世纪后，生物化学研究得到了迅速

7、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。,霍普金斯(Frederick G. 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。,Hopkins Building, Department of Biochemistry, Cambridge,1926年，美国的色姆纳(James B. 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(Hans A. Krebs)发现并阐明了三羧酸循环。 此外，脂肪酸氧化降解途

8、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。,1949 鲍林(Linus C. Pauling)（美）指出镰刀形红细胞性贫血是一种分子病，并于1951年提出蛋白质存在二级结构。 1954年获诺贝尔奖。,1950年代，巴斯德(Louis Pasteur)证明了酒精发酵是由微生物引起的，排除了发酵自生论。,2.5 繁荣期（20世纪下半叶至今）,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(Oswald T. Avery)完成了肺炎球菌转化试验，证明了DNA是遗传物质。,50年前后，英国物理

9、学家威尔金斯(Maurice Wilkins)完成了DNA的X-射线衍射研究，由此在1962年与沃森和克里克共同获得诺贝尔生理与医学奖。,在此基础上，1953年，沃森(James D. Watson)和克里克(Francis H. Crick)建立起DNA双螺旋结构模型，开辟了分子生物学的新纪元。,英国生物化学家桑格(Frederick Sanger) 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，由此获得1958年诺贝尔化学奖。,1960年，雅各布(Franois Jacob)和莫诺(Jacques

10、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，获1965年诺贝尔生理与医学奖。,Franois Jacob,Jacques Monod,1965年，美国生物化学家尼伦伯格(Marshall W. Nirenberg)破译出三联体遗传密码，获得1968年诺贝尔生理与医学奖。 霍利(Robert W. Holley)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，获1969年诺贝尔生理与医学奖。,1969-1972, Arber(瑞士),Smith(美)与Nathans(美)在核酸限制性内切酶的分离与应用方面做出突出贡献，为研究核酸分子的结

11、构和功能找到了自由切割和重组的工具，也为70年代初重组DNA技术（基因工程）的出现奠定了基础，因而在1978年共获诺贝尔奖。,Hamilton O. Smith,Daniel Nathans,Werner Arber,1972 Berg（美）在基因工程基础研究方面作出了杰出成果，获1980年诺贝尔奖。 1973 Cohen等（美）用核酸限制性内切酶EcoR1，首次基因重组成功。,Paul Berg,Stanley Cohen,1977年，桑格(Frederick Sanger)设计出一种测定DNA分子中核苷酸序列的方法，测定了由5375个核苷酸组成的174 DNA的一级结构，由此获得1980年

12、诺贝尔生理与医学奖。 80年代以来，各国政府对生物技术倍加重视，分子生物学成了最受青睐的学术领域之一。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前所未有的发展，并在农业、医药、轻工等行业得到广泛的应用。,1984年，科勒(Kohler)、米尔斯坦(Milstein)、Jerne等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1984年诺贝尔生理与医学奖。,Georges J.F. Khler,Csar Milstein,Niels K. Jerne,1993年，美国科学家穆里斯(Kary Mullis) 因发明PCR(聚合酶链反应)仪而获得诺贝尔化学奖。PCR法通过

13、DNA变性、退火、延伸三个步骤的反复循环，可实现微量的目的基因在短时间内扩增100万倍以上，这已成为分子生物学研究人员不可缺少的工具。,PCR流程演示,2001 Craig Venter（美）等报道完成了人类基因组测序草图。,人类基因组计划 （human genome project）：,美国Renato Dulbecco在1985年提出,美国政府1990年10 月正式启动,耗资30 亿美元，旨在画出一张人体地图,找到46 条染色体上30 亿个碱基对约10 万个基因的准确位置，破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面认识自己。是生命科学领域有史以来最宠大的全球性研究计划， “生命登月

14、计划”。,我国生物化学的开拓者吴宪教授,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. 在他的领导下完成：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。,生物化学发展方向： 分子层次结构分子生物学、结构与功能关系 细胞、器官、个体层次组学研究（基因组学、蛋白质组学、代谢组学、糖组学） 20世纪下半叶以来，生物化学和分子生物学的发展一日千里，进入21世纪后，该学科必定会得到更大更迅猛的发展。,3 生物化学的地位及作用,多学科共同孕育的边缘学科，许多专业必不可少的专业基础课程 生化往往是阐明机理，选择合理工艺途径，

15、提高产品质量，探索新工艺，研制新产品的理论基础。,3.1 微生物的代谢活动是工业发酵的基础,发酵工程的本质是利用微生物的代谢活动将原料转化为各种人们所需的产物。 传统发酵利用经验从原料生产产品，而人们对原料如何产生产物的过程（代谢途径）并不了解。 现代新型发酵是建立在对微生物的代谢网络和代谢调控机理深刻认识的基础上的。,氨基酸发酵是典型的新型发酵。以谷氨酸发酵为例： -酮戊二酸 谷氨酸 在正常情况下，谷氨酸不会过量合成。通过代谢控制手段可使细胞可以源源不断的生产谷氨酸。, , , ,3.2 菌种是发酵工业的基础,为选育优质高产菌株，须对微生物改造，无论使用传统的理化方法诱变育种，还是基因工程的

16、手段进行育种，其操作的对象都是DNA分子，因此须对这类生物大分子的性质有所认识。,3.3 生化为产物的分离纯化提供理论依据,发酵产品多样、性质各异，有小分子，如氨基酸、有机酸、核苷酸、维生素、寡肽、低聚糖等；有大分子，如蛋白质、酶、核酸、多糖等，将它们从复杂的发酵液中分离决不容易。静态生化部分研究生物分子的性质可为分离提供依据。,3.4 生化与酿酒的关系（以啤酒为例）,啤酒生产是极为复杂的生物化学过程 啤酒生产中从制麦、糖化到发酵等主要工艺过程，从最初的原料分子到最终产品中的各种组分，经历了种类极多的酶促反应（少数反应非酶促）。 生化学习可为选择合理工艺条件，提高产品质量，探索新工艺，研制新产品以及进行啤酒质量分析提供理论基础。,菌种是啤酒生产的基础 生化和分子生物学手段在啤酒生产中得到广泛应用 PCR手段在大麦种系鉴定中的应用。通过PCR法扩增大麦16s rDNA并进行比较，是快速有效鉴定大麦品种的方