生物化学Biochemistry

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细胞膜细胞质线粒体高尔基体细胞核内质网溶酶体细胞壁叶绿体有色体白色体液体晶体分泌物吞噬中心体胞饮细胞膜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(nucleicacid)、多糖(carbohydrate)、脂肪(lipids)及其复合物2）小分子有机物：维生素(vitamin)、激素(hormones)、氨基酸(amino)、核苷酸(nucleotide)、脂肪酸(fattyacid)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ATPADP(CH2O)+O2(CO2)+H2OATPADP（光能）（电能）（化学能）（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：①磷酸化/脱磷酸化；②乙酰化/脱乙酰化；③腺苷酸化/脱腺苷酸化；④尿苷酸化/脱尿苷酸化；⑤ADP-核糖基化；⑥甲基化/脱甲基化；⑦S-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1960~1961年，J.Monod和F.Jacob提出乳糖操纵子模型（lacoperonmodel）。①酶合成的诱导作用②降解物的阻遏作用③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。2.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。ayzopi结构基因控制位点调节基因乳糖操纵子ayzopioCAP与cAMP形成复合物，结合在lacoperon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。ABCDEopLatrpRtrpPtrpOtrpEtrpDtrpCtrpBtrpAE.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年元素周期表的确立1874年van‘tHoff(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)Scheele: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)ErnstFelixHoppe-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酸循环。•Calvin:美国人，发现了光合碳代谢途径。光合磷酸化过程。•Abel:1902年分离得到肾上腺素并制成结晶。•Went:1926年从燕麦胚芽鞘中分离出生长素。•Hopkins:英国剑桥生物化学中心，1912年前后发现维生素第三阶段：动态生化阶段，即研究生物体内代谢途径(1930-1950年)新技术：同位素标记、层析、电泳、超离心等科学家对生物的研究已从整体水平逐步深入到细胞、亚细胞、分子水平。伴随实验手段、技术的不断改进，使得对生物大分子结构及功能的研究也更加深入。主要成就：糖酵解和三羧酸循环途径(EMP-TCA)脂肪酸分解途径(β-氧化)；氨基酸、嘌呤、嘧啶及脂肪酸等生物合成途径等。第四阶段20世纪50年代初至今，主要特点是研究生物大分子的结构和功能。新技术：电镜、X一衍射蛋白质方面：1953年英国化学家Sanger利用10年时间完成首次测定牛胰岛素的化学结构（一级结构）；60年代英国物理