生物化学和分子生物学：绪论.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,目 录,Biochemistry And Molecular Biology,生物化学和分子生物学,Introduction to Biochemistry,绪 论,是研究生物体内,化学分子与化学反应,的科学，它在分子水平探讨生命现象的本质，即研究生物体的,分子结构与功能,、,物质代谢,与调节及遗传信息的分子基础与,调控,规律,.,生物化学（,biochemistry,）,生物化学（,Biochemistry,）即“生命的化学”,生物化学早期主要是用化学的，也用生物学的、物理学的以及数学的原理研究各种形式的生命现象；,至,20,世纪下半叶，生物化学进入其发展的分子生物学时期（见发展史），研究手段又有遗传学、生物工程学、生物信息学等介入。,因此，生物化学是一门交叉学科，也是生命科学领域重要的领头学科。,生物化学发展历史,The History of Biochemistry,第一节,一、,19,世纪末以前是叙述生物化学阶段,:,主要研究生物体的化学组成,近代生物化学的研究始于,18,世纪。,18,世纪的主要发现是生物体的气体交换作用和对一些有机化合物（如核酸、甘油、柠檬酸、苹果酸、乳酸和尿酸等）的揭示。,19,世纪的主要贡献是对人体化学组成的认识和某些代谢过程的发现。结晶了血红蛋白；提纯了麦芽糖酶；发现了细胞色素；从无机物合成出尿素，从肝中分离出糖原并证明它可转化为血糖等。,19,世纪末，酶独立催化作用的发现打开了通向现代生物化学的大门。,活力论（,Vitalism,）,活力论认为生命的本质是一种未知的或起源于神的灵魂或活力,(Vitality),。,一个死亡的细胞，同样具有核酸、蛋白质，但它是死的，看来细胞死与活的区别在于它们有没有活力。,1828,年，在哥廷根大学任教的化学家弗里德利克,魏勒,(Friedrick Whler),在实验室里将氰氢铵,(ammonium cyanate),加热产生了尿素,(urea),。,（一）尿素合成使,“,活力论,”,遭遇第一次打击,加热,NCONH,4,H,2,NCONH,2,(,氰氢铵,)(,尿素,),魏,勒和其实验流程图,尤斯图斯,冯,李比希,(Justus Von Liebig),在,19,世纪,20,年间提出了著名的“燃烧”学说,动物通过呼吸获取空气中的,O,2,，氧化分解摄取的食物，产生水和,CO,2,，并且释放热量，保持体温，维持活力。,李比希将食物分为糖、脂和蛋白质三大类主要成分，并提出物质在生物体内可进行合成和分解两种化学过程。,物质代谢,(metabolism),的概念就这样产生了。,（二）,“,燃烧,”,学说使,“,活力论,”,再次遭遇重创,1840,年，李比希出版了,有机化学在农业和生理学中的应用,(,Organic Chemistry in Its Application to Agriculture and Physiology,),，这本著作可以看作是最早的一部生物化学著作。,既然生命活动是以化学反应为基础的，化学反应又是在何处进行的？,1665,年，马尔塞罗,马琵季（,Marcello Malpighi,）发现红血球（细胞）。同年，罗伯特,胡克（,Robert Hooke,）发现植物树皮细胞。,1838,年（有说,1839,年），马采斯,史雷登（,Matthais Schleiden,）和泽奥多尔,史旺（,Theodor Schwann,）证明，细胞是植物的结构单位。,（三）细胞是生命体的基本结构单位,史旺的学生鲁道夫,魏尔啸（,Rudolf Virchow,）提出了细胞学说,“,细胞由细胞产生”，“细胞是所有生命体的基本结构单位”,，细胞就是进行化学反应的场所。细胞学说使有机化学与生物学（主要是生理学）结合，为生物化学的产生、发展奠定了基础。,化学家恩斯特,霍普,-,席勒（,Ernst Hoppe-Seyler,）首次从血液中分离出血红蛋白，证明“血液的红色是由血红蛋白的颜色引起的”，并在,1864,年将血红蛋白制成了结晶（,crystal,）。,1877,年，霍普,-,席勒创立了德文,生理化学杂志,（,Zeitschrift fr Physiologische Chemie,）。,这时，,生物化学从生理学分出作为一门新的独立学科诞生,。,（四）血红蛋白赋予血液红色,路易斯,巴斯德（,Louis Pasteur,）首先证明，只有活的酵母细胞才能进行发酵。,1833,年，在巴黎一个糖厂工作的安塞尔莫,佩因（,Anselme Payen,）和简,-,弗朗修斯,泼骚兹（,Jean-Franois Persoz,）从麦芽中分离出一种可使淀粉转变为糖的可溶性物质，即淀粉酶（,diastase,，后来化学家又称之为,amylase,）。,稍后几年，细胞的发现人史旺又从胃液中分离出类似于如今胃蛋白酶的物质，并证明这种酶是由胃细胞产生的。,（五）酶是化学反应的主宰,1861,年，莫里兹,特劳伯（,Moritz Traube,）等提出，是一种“可溶性催化剂”催化糖的“发酵”。,1878,年，威尔海姆,库奈（,Wilhelm Khne,）首先引入“酶”（,enzyme,）的概念，用以描述能催化生物化学反应的“可溶性催化剂”。,1897,年，爱德尔德,布希奈（,Eduard Buchner,）（诺贝尔奖，,1907,）和汉斯,布希奈（,Hans Buchner,）两兄弟实验证明，无细胞的酵母提取液仍可催化生醇发酵反应，使巴斯德关于“只有活的酵母细胞才能进行发酵”的认识前进了一步。,20,世纪初，生物化学之父埃米尔,费舍尔（,Emil Fischer,）（诺贝尔奖，,1902,）首次证明蛋白质是由不同数量、种类的氨基酸组成的，并采用化学方法合成了几种由,18,个氨基酸残基组成的多肽，以这些合成多肽为底物，分析酶的催化活性，发现酶对底物有一定的选择性（特异性），验证了他早在,1894,年提出的酶催化作用的“锁,-,匙”学说。费舍尔测定底物化学结构的方法对,20,世纪生物化学研究一直产生极大影响。,在,20,世纪的头二、三十年，“酶的非蛋白质性质”一直束缚着人们的科学思维，是詹姆斯,萨姆奈（,James B Sumner,）（诺贝尔奖，,1946,）解除了这一科学禁锢。,1926,年，萨姆奈第一个成功地制备了尿素酶（,urease,）结晶，并首次证明酶是蛋白质。,（六）酶的化学本质是蛋白质,约翰,诺尔瑟普（,John H.Northrop,）（诺贝尔奖，,1946,）在,1930,年制备了胃蛋白酶、胰蛋白酶结晶。纯酶的获得为体外酶学研究提供了重要手段，结合,X,（射）线晶体衍射（,X-ray crystallography,）分析及多肽成分分析，终于使科学家彻底揭开了,“酶的化学本质是蛋白质”,的事实。,20,世纪生物化学取得了飞速发展，确立了现代生物化学的基本框架。,从,1903,年,“,生物化学,”,这一名词问世,以来的,50,年，生化营养学、生物体的分子组成,(,发现人类必需氨基酸、必需脂肪酸及多种维生素,发现多种激素,),、物质代谢与能量代谢、代谢调节等均取得了显著成果。例如，维生素、辅酶和激素的结构与功能，酶促反应动力学，糖代谢的各条反应途径，脂肪酸,-,氧化，氨基酸的分解代谢与鸟氨酸循环，三羧酸循环等均是这一时期的突出贡献。,二、,20,世纪上半叶是动态生物化学阶段,由于同位素示踪技术的应用，在很多早期工作基础上，终于在,20,世纪,30,年代末，科学家们详细描述了无氧时葡萄糖的分解途径,(,糖,),酵解,(glycolysis),的酶促反应顺序。古斯塔夫,恩伯登,(Gustav Embden),和奥托,麦耶霍夫,(Otto Meyerhof)(,诺贝尔奖，,1922),对葡萄糖酵解的分子演绎过程贡献最大，因此酵解途径又称恩伯登,-,麦耶霍夫途径,(Embden-Meyerhof pathway),。,（一）糖酵解又称恩伯登,-,麦耶霍夫途径,细胞是如何通过分解反应获得能量的？,1932,年，汉斯,克雷勃斯,(Hans A.Krebs),和库尔特,汉瑟雷特,(Kurt Henseleit),发现了尿素循环,(urea cycle),反应途径。,1937,年，克雷勃斯又揭示了三羧酸循环,(tricarboxylic acid cycle),机制,(,诺贝尔奖，,1953),。,（二）三羧酸循环是物质氧化分解的最终途径,Hans Krebs(1900-1981),分别于,1932,年和,1937,年发现了鸟氨酸循环和三羧酸循环。,1929,年,，,Cyrus H.Fiske,、,Yellapragada Subbarow,和,Karl Lohman,分别发现了腺苷三磷酸,(ATP),。,1941,年，师从麦耶霍夫的,Fritz Lipmann(,诺贝尔奖，,1953),提出生物能过程中的,ATP,循环学说。,1948,年，,Eugene Kennedy,和,Albert Lehninger,证明，催化三羧酸循环反应的酶都分布在线粒体,(mitochondrion),，线粒体内膜分布有电子传递体，可进行氧化磷酸化,(oxidative phosphorylation),反应。,（三）物质代谢与能量代谢偶联,20,世纪,50,年代，由一些生物化学家综合物质代谢、氧化磷酸化偶联机制，阐明了细胞内营养有机物是如何转化为,ATP,的，奠定了现代生物能学原理。生物化学家在代谢途径、生物能学及酶反应等方面所取得的进步使生物化学成为成熟学科。,1950,年后，物质代谢途径研究进入合成,(synthesis),途径的演绎。,50,年代末，由于很多代谢途径被揭示，确立了由合成代谢,(anabolism),和分解代谢网络组成的“中间代谢”,(intermediary metabolism),概念。,（四）合成代谢和分解代谢组成,“,中间代谢,”,网络,1951,年，,Linus Pauling,（诺贝尔奖，,1954,）和,Robert B.Corey,采用,X,射线衍射（,X-ray diffraction,）技术研究蛋白质结晶，发现了蛋白质分子的二级结构形式,-,螺旋（,-helix,）。,1953,年,，,Frederick Sanger,采用化学方法完成了胰岛素（,insulin,）序列分析（诺贝尔奖，,1958,）。,三、,20,世纪,50,年代生物化学发展进入分子生物学时期,（一）,螺旋是蛋白质分子二级结构形式之一,1951,年，,Stanford Moore,和,William Stein,发明了蛋白质层析,(chromatography),分离技术,(,诺贝尔奖，,1972),。,X,射线衍射技术和多肽链氨基酸序列分析技术,是,50,年代后分子生物学研究的两大技术支柱。,1868,年，瑞士青年学者、霍普,-,席勒的学生弗里德利克,米歇尔（,Friedrick Miescher,）从伤口敷料的脓血球中发现“核素”（“核酸”的早期命名）。,在,20,世纪,2030,年代，还发现有,两种类型核酸,核糖核酸（,RNA,）和脱氧核糖核酸（,DNA,）,存在。,1941,年，,George Beadle,和,Edward Tatum,提出了“一个基因一个酶”的假说（诺贝尔奖，,1958,）。,（二）,DNA,是遗传的物质基础,1944,年，,Oswald T.Avery,及,Colin M.Macleod,、,Maclyn McCarty,通过细菌转化实验证明,DNA,是遗传的物质基础,，揭示了基因的本质。,艾弗里的发现揭示了遗传学与生物化学的特殊关系，生物化学遗传学,(Biochemical Genetics)(,即分子遗传学,),在那时就提出来了。,在威尔金斯和弗兰克林工作的基础上，沃森和克里克在,1953,年提出了,DNA,双螺旋结构模型,(double helix model)(,诺贝尔奖，,1962),。他们的原创著作在世界著名杂志,自然,(Nature),上发表，具有划时代的意义：,DNA,双螺旋结构是揭示遗传信息传递规律的“敲门砖”和联系生物化学与遗传学的“桥梁”,。,从此，生物化学发展进入了以生物大分子结构与功能研究为主体的分子生物学时期。,（三）,DNA,双螺旋是揭示遗传信息传递的“敲门砖”,1953,年，,Watson,和,Crick,根据,Chargaff,规律和,DNA Na,盐纤维的,X,光衍射分析提出了,DNA,的双螺旋结构模型。,罗莎琳德,富兰克林（,Rosalind Franklin,）,和她拍的改变历史的,51,号,DNA,结晶,X,射线衍射照片,Watson-Crick,双螺旋结构模型,(B-DNA),Francis Crick and James Watson point out features of their model for the structure of DNA.(A.Barrington Brown/Science Source/Photo Researchers,Inc.),生命现象的“同一性”使科学家可以利用细菌和病毒研究演绎高等生命过程。,1955,年，,Arthur Kornberg(,诺贝尔奖，,1959),在,E.coli,发现了,DNA,聚合酶，揭开了,DNA,复制的秘密。,1959,年又有人发现,RNA,聚合酶。在克里克提出,RNA,中介假说基础上，,Marshall Nirenberg,、,Heinrich Matthaei,、,Philip Leder,和,H.Gobind Khorana,等历经近,10,年研究，在,1966,年揭示了遗传密码。,1968,年提出了,遗传信息传递的中心法则,。,（四）遗传信息按中心法则传递,1961,年，,Francis Jacob,和,Jacques Monod(,诺贝尔奖，,1965),揭示了原核基因表达的开启和关闭是如何控制的。,1963,年，,Jacob,、,Monod,和,Jean-Pierre Changeaux,首先用酶活性的“别构调节”,(allosteric regulation),理论解释基因和机体代谢功能是如何被调节的，从此引入了生物调节的概念。,（五）基因信息传递是被特殊机制调节的,遗传信息的传递或表达是受一定机制调控的。,1973,年，,Paul Berg,、,Herbert Boyer,和,Stanley Cohen,首次在体外将重组的,DNA,分子形成无性繁殖系,DNA“,克隆”,（,clone,）（诺贝尔奖，,1980,）。,1985,年，,Kary Mullis,发明了一种体外扩增,DNA,的专门技术,聚合酶链式反应（,PCR,）,（诺贝尔奖，,1993,）。,（六）,DNA“,克隆”使基因操作无所不能,从此，以,重组,DNA(Recombinant DNA),操作为核心的,重组,DNA,工艺学,(Recombinant DNA Technology),迅速发展，科学家们分离及操作基因的能力几乎达到无所不能的地步。也正是有了重组,DNA,工艺学才能使人类基因组计划得以实施，并对基因组学（,genomics,）诞生、工农业产业革命产生巨大影响。,现代基因编辑技术：,ZFN,，,TALEN,，,Crispr-CAS9,，,NgAgo,一种生物所有遗传信息，也就是,DNA,的总和，称为,基因组,(genome),。,人类基因组计划,(Human Genome Project,HGP),就是将人,23,对染色体全部,DNA,的核苷酸序列测出来。,（七）人类基因组计划拉开了组学的序幕,1990,年,耗资,30,亿美元的,15,年制图和测序计划正式启动。,1992,年,很多发达国家的科学家、政府甚至公司参加,HGP,。,1999,年底,由英国桑格,(Sanger),中心的丹汉姆,(Dunham),领导的国际基因组公布了,22,号染色体全序列。,2000,年,3,月,德国、日本等国研究者公布了,21,号染色体全序列,;6,月,NCHGR,和塞莱拉,(Celera),公司联合宣布人类基因组序列草图,HGP,提前完成。,从此，生物学领域新的亚学科,基因组学诞生。,The sequence of the human genome,C.Venter et al.,Science 16 Feb.291:1304 1351,2001,世界大型基因组研究中心,美国：,1),National Human Genome Research Institution in NIH,2),Genome Center at White Head/MIT,3),Washington University Genome Center,4),Joint Genome Institution at DOE,5),Genome Center at Baylor Medical Collage,英国：,Sanger,Center,日本：,RIKEN,中国：,华大基因研究中心（北京、杭州、深圳）,国家人类基因组中心（,北京、上海,）,组学时代,组学时代,其他组学,糖组学,（,glycomics,）,脂组学,（,lipidomics,）,药物组学,从,20,世纪中叶到,21,世纪之初的,60,多年时间里，生命科学经历了两次革命性的转折,第一次是以,20,世纪中叶在还原论基础上诞生的分子生物学为代表。,当时的生物学家认为，生命是一种遵循物理和化学规律的复合体，可以通过分析的方法分解为各种组成成分，如基因或蛋白质，只要将基因及其产物逐个地进行研究，就可以揭示出生物个体的活动规律。即针对某个生物学问题，通过物理和化学的研究手段研究个别的基因或蛋白质的结构和功能。研究者认为只要揭示出特定的（一个或数个）基因或蛋白质的行为，就可以理解相应的生命活动。,其次是在方法论方面，研究者所拥有的研究手段通常只能研究一个或数个基因或蛋白质。,DNA,个体水平：,细胞水平：,分子水平：,蛋白质,现代生物学家眼中的生命,还原论,20,世纪生命科学的主流,基因,蛋白质,功能,还原论,Reductionism,：,认为生命现象可以用构成生命体的生命物质的,物理、化学运动规律,来说明,真实世界的生命,(1),人类基因组,3000 000 000 base pairs,人类蛋白质,Millions,蛋白质复合物,信号转导网络,真实世界的生命,(2),在,20,世纪末叶，由于人类基因组计划的实施，引发了生命科学的第二次革命，其标志正是以基因组学为代表的,“,组学,”,（,-omics,）等生命大科学的出现。这类生命大科学最明显的特征是研究规模的巨大,对于基因组学、蛋白质组学等各种,“,组学,”,而言，所关心的不再是生物体内的一两个基因或蛋白质等个别组分，而是所有的基因或蛋白质。从方法论的角度来看，这些,“,组学,”,最基本的研究策略就是，开发和应用大规模、高通量的技术手段，以便能够在一次实验中,(,或者很短的时间内,),研究成千上万的基因或蛋白质。,在整体和细胞水平上表现出来的生命现象，在背后都涉及基因控制的分子机制这条主线。现在的任务是如何根据不同的情况把这条主线具体化，这是摆在分子生物学面前的一个非常艰巨的任务。现在已经采用了一些新的研究方法，比如用基因芯片和生物芯片检测整体或细胞生命活动过程中的基因或生物分子的结构及功能变化的动态谱；在细胞或整体水平上将靶基因定向和定位地删除掉,(knock out),或引进,(knock in),，以研究靶基因表达与在细胞或整体上所表现的功能之间的关系等。通过不同层次研究问题的整合，不同研究技术方法的整合以及不同研究结果的整合，可望比较客观地说明一定生命现象的发生机制。同时将不同学科（经典的和新兴的，宏观的和微观的）有机地联系在一起。,20,世纪,2030,年代，我国生物化学家吴宪等在血液分析方面，创立了血滤液的制备及血糖测定方法。,1931,年，吴宪还提出了国际公认的蛋白质变性学说。,3050,年代，我国生物化学家刘思职等在免疫化学研究领域首先采用定量分析方法研究抗原抗体反应机制。,四、我国科学家对生物化学发展也有贡献,在,5060,年代，我国生物化学家就开始了蛋白质化学研究，系统地提出了蛋白质折叠与酶活性调节的理论。,1965,年，中国科学院生物化学研究所、有机化学研究所和北京大学的科学家首先采用人工方法合成了具有生物活性的牛胰岛素,.,在,1981,年，又合成了酵母丙氨酸,tRNA,。,20,世纪末,21,世纪初，我国的科学家继续活跃在生物化学、,HGP,和蛋白质组学研究领域。,第二节,生物化学与分子生物学的研究主要内容,生物分子的结构与功能；,物质代谢及其调节；,基因信息传递与调控。,一 生物体有大分子和小分子共同构成,元素具有同一性,C H O N P,S Ca Mg K,其他微量元素,生物大分子具有信息编码能力,小分子是物质代谢的主体,水是理想的溶剂,具有独特化学键,二,生物化学的生物学特点,温和条件,逐级反应构成代谢网络,细胞结构隔离成不同反应区域,网络调控复杂多变，具高度适应性,一 是生物学和医学各学科之间的共同语言,分子免疫学、分子微生物学、分子病理学、分子药理学,二 推动医学发展,药物研发、临床诊断、治疗、出生缺陷诊断等,第三节,生物化学与分子生物学和医学,