第一章食品生物化学 绪论.pdf

生物化学生物化学 董玉玮董玉玮 教四教四A206 课程简介：课程简介：*专业基础课（专业基础课（48学时，学时，4学时学时12周）周）*期末考试闭卷笔答期末考试闭卷笔答*成绩计算期末成绩计算期末70平时平时30 要求：要求：*按时出勤按时出勤*课上认真听讲课上认真听讲,笔记简明扼要笔记简明扼要*课下及时复习课下及时复习,总结总结 什什么是生物化学么是生物化学（Biochemistry）？）？简单说简单说，生物化学是生命的化学生物化学是生命的化学。生物化学生物化学是用化学的理论和方法作为主要手段是用化学的理论和方法作为主要手段，研究生物体的基本物质的结构研究生物体的基本物质的结构（如如Carbohydrates,Lipids,Proteins and Nucleic acid)、性质及其生性质及其生命活动的变化规律命活动的变化规律（生命活动如：生长生命活动如：生长、生殖生殖、代代谢谢、运动等运动等）。包包括括：静静态部分：态部分：生物体的化学组成生物体的化学组成、结构结构、功能及之间的关系功能及之间的关系（糖糖、蛋白质蛋白质、脂肪脂肪、核酸核酸、维生素等维生素等）动动态部分：态部分：上述物质在体内的代谢过程上述物质在体内的代谢过程（变化或反应变化或反应）（糖代谢糖代谢、脂代谢脂代谢、氨基酸代谢氨基酸代谢、核酸代谢核酸代谢、蛋白质的生物合成蛋白质的生物合成、代谢的相互关系和调控代谢的相互关系和调控）绪 论 1 生命起源 2 细胞的生物化学：第一章 Introduction 2.1 进化 2.2 能量 2.3 生物信息传递 2.4 细胞结构 3 生物分子：3.1 化学组成和化学键 3.2 水、分子间的作用、pH(a)microscopic complexity(b)energy comsumption,food chain(c)reproduction 地球上所有的故事是这样开始地球上所有的故事是这样开始 135 亿年前 大 爆 炸 牛顿杂志(1994)第 132 期,p.20 10-44 sec 10-34 sec 10 万年 135 亿年 大爆炸 大浑沌 宇宙放晴 现在的宇宙 肥皂泡模型 牛顿杂志(1994)第 129 期,p.116 小行星碰撞 岩浆海 地壳形成 第一场大雨 天空放晴 46 亿年前 38 亿年前 牛顿杂志(1994)第 132 期,p.37 地球上的水分是由殒石带来的 地球早期演进的重要关键 地球只有薄薄一层地壳是的 基本小分子 单位小分子 H C O H H H H N H H 6 H 7 8 H 由基本小分子到单位小分子+n n+氢 H 1 氦 He 2+n+n+n n+碳 C 6 n +n+第二层轨道 2s 2p x,y,z(4e-)第一层轨道 1s(2e-)sp3 混 成 轨 道 sp2+p Wikipedia 氨基酸 核酸碱基 U C G A Gly Asp Ala 可以在试管中模拟地球初始状态 S Miller 单位小分子 碱基可能由数个 HCN 组成 C-OH C-OH C-OH Base CH2 OH HOCH2 O HC CH2 OH OH 核糖组成核酸骨架 5 HOCH2 O HC4 3 HC Base 1CH 2 CH 甘油可能形成最早的核酸骨架 甘油 同时具有遗传讯息及构形的 RNA 分子 Which came first,DNA or Protein?Answer:Neither!It is RNA!pre-RNA Central Dogma 的演化进程 pre-RNA-based systems RNA-based systems RNA pre-RNA 被 RNA 取代 RNA 经演化得指导 蛋白质合成之能 RNA and protein-based systems RNA Proteins DNA Proteins RNA DNA 取代 RNA 后蛋白质演化 复制 DNA 能并可转 RNA Present-day cells DNA 最后形成目前的细胞模式 DNA 取代 RNA 成为遗传物质 RNA 专司蛋白质的合成 原核细胞 真核细胞 proteins cap 5 mature mRNA 3 tail 3 DNA 5 process mRNA mRNA ribosome proteins 单身宿舍 三房两厅 DNA mRNA Protein RNase RNA 完成转译后马上被除去 细 胞 内 基 因 表 现 的 故 事 原始细胞膜 蛋白质催化 当环境资源减少 复制越来越困难 催化性蛋白质及细胞膜的出现 酶祖先?蛋白质 单层脂肪膜 单层脂肪球 双层脂肪球 (liposome)细 胞 膜 的 形 成 并 困 难 核酸 复制 信息 催化 功能 Gly Asp Ala 大霹雳 基本子 原子 基本小分子 单位小分子 巨分子 Central Dogma 蛋白质 U C G A 组合 真核生物的进化真核生物的进化 线粒体和叶绿体可能起源于内共生细菌线粒体和叶绿体可能起源于内共生细菌 拟核拟核 鞭毛鞭毛 菌毛菌毛 革兰氏阳性、革兰氏阳性、阴性菌阴性菌 膜蛋白、信号受体、内质网（粗、光）、高尔基体、膜蛋白、信号受体、内质网（粗、光）、高尔基体、溶酶体？溶酶体？线粒体线粒体 液泡、叶绿体液泡、叶绿体、微体：过氧化物酶体、乙醛酸循环体、溶酶体、微体：过氧化物酶体、乙醛酸循环体、溶酶体 1 生命起源 2 细胞的生物化学：2.1 进化 2.2 能量 2.3 生物信息传递 2.4 细胞结构 3 生物分子：3.1 化学组成和化学键 3.2 水、分子间的作用、pH 绪 论 第一章 Introduction 细胞内巨分子的特性(1)巨分子由单位小分子聚合成 (2)单位小分子的序有其意义 (3)每一层次组合有新的机能 (4)越后来的组合其复杂性越高 膜膜 代谢中能量的产生与消耗代谢中能量的产生与消耗 动态的稳态动态的稳态 机械和化学过程中能量的偶联机械和化学过程中能量的偶联 酶促进系列化学反应的发生酶促进系列化学反应的发生 speed up(catalyze)reactions(10speed up(catalyze)reactions(1010 10 to 10to 1014 14 fold)fold)RNA酶酶 ATP是能量代谢是能量代谢通用的载体，连通用的载体，连接合成与分解代接合成与分解代谢，类似经济中谢，类似经济中的货币。在放能的货币。在放能反应中“挣得反应中“挣得/产产生”，又在吸能生”，又在吸能反应中“花费反应中“花费/消消耗”。耗”。代谢被调节以达到平衡和经济代谢被调节以达到平衡和经济反馈抑制反馈抑制 生物信息的传递生物信息的传递 突变与进化突变与进化 DNA RNA 蛋白质蛋白质 超分子复合物：超分子复合物：非共价相互作非共价相互作用用稳定三维结构稳定三维结构（氢键、离子（氢键、离子键、疏水作用、范德华力）键、疏水作用、范德华力）共价共价 共价共价 共价共价 细胞与分子 1 生命源起 2 细胞的生物化学：General Introduction 2.1 进化 2.2 能量 2.3 生物信息传递 2.4 细胞结构 3 生物分子：3.1 化学组成和化学键 3.2 水、分子间的作用、pH 5678 CNO Everyday Science Explained(1996)p.130 周 期 表 2 1 3 4 H 3.1 为什么选择为什么选择C化合物作为细胞分子的构建？化合物作为细胞分子的构建？透视式透视式 球棍模型球棍模型 空间填充模型空间填充模型 顺反异构顺反异构 手性、非手性、（非）对映异构体、立体异构体手性、非手性、（非）对映异构体、立体异构体2 2n n 外消旋混合物外消旋混合物 RS命名、命名、DL命名命名 乙烷构象：重叠式、交错式、乙烷构象：重叠式、交错式、立体专一性立体专一性 The human taste receptors distinguish these two stereoisomers as sweet and bitter!Biochemistry is precise!五种常见化学反应类型五种常见化学反应类型 1、氧化还原、氧化还原 2、C=C键的断裂与形成键的断裂与形成 3、内部重排、内部重排 4、基团转移、基团转移 5、单体间脱水缩合、单体间脱水缩合 1 1、所有氧化、所有氧化-还原反应均涉及电子转移还原反应均涉及电子转移 Nucleophile Leaving group ATP 2、C=C键通过亲核取代反应断裂和形成键通过亲核取代反应断裂和形成 攻击攻击亲核亲核 离去离去亲电亲电 3 3、单个分子内电子转移产生内部重排、单个分子内电子转移产生内部重排 电子从电子从C2转移到转移到C 1 亲核取代亲核取代(离去基团离去基团:ADP)(亲核体亲核体)4 4、基团转移反应激活了代谢中间体、基团转移反应激活了代谢中间体 可与可与H2O再次再次 亲核取代亲核取代 5、缩合形成生物聚合物、缩合形成生物聚合物 3.2 冰中氢键冰中氢键 极性溶剂极性溶剂 生物系统中常见的氢键生物系统中常见的氢键 醇醇 酮酮 多肽多肽 DNA互补碱基互补碱基 水：氢键不断断裂与形成水：氢键不断断裂与形成 水溶性水溶性载体蛋载体蛋白：肌白：肌红蛋白、红蛋白、血红蛋血红蛋白；白；CO2形成形成H2CO3 两性化合物在水中倾向于将亲水部分暴露在两性化合物在水中倾向于将亲水部分暴露在外，而尽量将疏水部分埋于内部，形成微团，外，而尽量将疏水部分埋于内部，形成微团，使尽可能少的水分子有序排列。使尽可能少的水分子有序排列。疏水相互作用：疏水相互作用：促使非极性区相互聚集的力量促使非极性区相互聚集的力量 有序水分子的释放有利于酶有序水分子的释放有利于酶底物复合物的底物复合物的形成，释放的能量是酶催化力的主要来源。形成，释放的能量是酶催化力的主要来源。范德华力是原子间的弱引力范德华力是原子间的弱引力 弱相互作用对大分子的结构功能至关重要弱相互作用对大分子的结构功能至关重要 非共价作用远弱于共价作用（非共价作用远弱于共价作用（102），但具有：），但具有：累积效应、不断形成与破坏的特点，很难实累积效应、不断形成与破坏的特点，很难实现同步断裂，因此稳定！现同步断裂，因此稳定！氢键氢键 离子相互作用离子相互作用 疏水相互作用疏水相互作用 范德华力范德华力 细胞内的生物分子及离子浓度通常高于周边溶细胞内的生物分子及离子浓度通常高于周边溶液，如果没有阻止，在渗透压驱动下，水分子将进液，如果没有阻止，在渗透压驱动下，水分子将进入胞内，最终导致细胞溶胀（爆裂）。入胞内，最终导致细胞溶胀（爆裂）。阻止机制：阻止机制：1、细胞壁细胞壁有足够的硬度和强度抵御渗透压作用；有足够的硬度和强度抵御渗透压作用；2、特定的、特定的细胞器细胞器（收缩泡）将水泵出胞外；（收缩泡）将水泵出胞外；3、血浆血浆与体液维持了与胞浆相似的渗透压，血浆中与体液维持了与胞浆相似的渗透压，血浆中高浓度蛋白和其它蛋白质产生较高渗透压及体液，高浓度蛋白和其它蛋白质产生较高渗透压及体液，同时能同时能泵泵出各种离子（出各种离子（Na+）到体液维持渗透压平衡；）到体液维持渗透压平衡；4、以、以多糖多糖而非单糖形式贮存防止渗透压增加太大。而非单糖形式贮存防止渗透压增加太大。渗透压的变化渗透压的变化 含羞草含羞草羽状的叶羽状的叶片，轻触和摇动片，轻触和摇动可使叶片很快合可使叶片很快合拢和下垂。拢和下垂。捕蝇草捕蝇草可以在可以在0.5秒的时间内秒的时间内捕获昆虫，捕获昆虫，并并分泌消化酶消分泌消化酶消化昆虫以获得化昆虫以获得营养。营养。C R CH3 C 2.5-O 3.5 H 2.1 因为原子间阴电性的不同，造成 lp 地球早期的大气成分 H2 C-C CH4 NH3 H2O 重新看水分子结构 有机化合物 -+COOH C 阴电性 NH2 N 3.0 官能团 由各种原子所组合成的官能基，官能机的极性大小不同，反应性 也有所差异。lp 永 久 的 O 偶 极 性 +水分子的极性 水的介电常数 水分子间的氢键 水与 pH 的关系 阴电性对分子化学性质的重大影响 HOH 2.1 氢与氧的悬殊阴电性造成氢的解离 55M 3.5 O H 电子都被氧原子抢去 H 2.1 H+OH-10-7M 10-7M 氢离子-H 1.008 1+1s-氢原子 -+质子 +-氢离子 hydride 氢原子 hydrogen 质子 proton hydride-A +H A Cl +H+AH CH3COOH -CH3COO HCl-+强酸 pH=pKa+log -AH Ka H-H 公式 弱酸或弱碱才可作为缓冲分子 pH：弱酸与弱碱的电离：弱酸与弱碱的电离 酸碱反应异常迅速酸碱反应异常迅速 水合氢离子水合氢离子H3O+质子跳跃质子跳跃 溶质对溶质对pH值的影响：值的影响：1、强酸、强酸/碱完全解离碱完全解离 2、弱酸、弱酸/碱部分解离解离常数（碱部分解离解离常数（Ka/pKa）Ka=log AH(3)移项(4)定义-log 为 p(1)Ka 的定义 (2)两边取 log 分解右边 log A-H+AH logKa=logH+logKa=logH+A-AH A-log AH-logH+=-logKa+A-AH log pH=pKa+A-如 何 推 导 公 式 Henderson-Hasselbalch 公式 0.1mol/LNaOH滴定滴定0.1mol/L醋酸（醋酸（HAc）弱酸及其阴离子弱酸及其阴离子（共轭酸碱对）能（共轭酸碱对）能够构成缓冲体系。够构成缓冲体系。生物体通过缓冲系生物体通过缓冲系统维持统维持pH恒定。恒定。几几乎所有生物反应都乎所有生物反应都与与pH相关，相关，H+参参与，不参与（氨基与，不参与（氨基酸、核酸）都如此。酸、核酸）都如此。弱酸与弱碱能够在细胞和组织中发挥缓冲作用以维弱酸与弱碱能够在细胞和组织中发挥缓冲作用以维持持pH恒定。恒定。胞浆中的磷酸盐缓冲体系胞浆中的磷酸盐缓冲体系 血浆中的碳酸氢盐缓冲体系血浆中的碳酸氢盐缓冲体系 液体环境适宜生命的存在液体环境适宜生命的存在 1780-1789 Lavoisier（法）研究“生物体内（法）研究“生物体内的燃烧”，指出此类的燃烧”，指出此类“燃烧”耗氧并排出二“燃烧”耗氧并排出二氧化碳。后人称他是生氧化碳。后人称他是生物化学之父。物化学之父。1830-1842 Liebig（德）将食（德）将食物分为糖、脂、蛋白质类，提物分为糖、脂、蛋白质类，提出“代谢”一词，证明动物体出“代谢”一词，证明动物体温形成是食物在体内“燃烧”温形成是食物在体内“燃烧”的缘故。最先写出两本的缘故。最先写出两本生物化生物化学学相关专著。相关专著。生物化学的创始人埃米尔生物化学的创始人埃米尔费舍尔（费舍尔（Emil Fischer）18901902 Fischer（德）首次证（德）首次证明了蛋白质是多肽；发现酶的专一明了蛋白质是多肽；发现酶的专一性，提出并验证了酶催化作用的性，提出并验证了酶催化作用的“锁“锁-匙”学说；合成了糖及嘌呤。匙”学说；合成了糖及嘌呤。1902年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。汉斯汉斯克雷勃斯（克雷勃斯（Hans A.Krebs）1937年年 Krebs（英）（英）发现三羧酸循环，发现三羧酸循环，1953年获诺贝尔奖。年获诺贝尔奖。李纳斯李纳斯鲍林（鲍林（Linus Pauling）1949 Pauling（美）指出（美）指出镰刀形红细胞性贫血是一镰刀形红细胞性贫血是一种分子病，并于种分子病，并于1951年提年提出蛋白质存在二级结构。出蛋白质存在二级结构。1954年获诺贝尔奖年获诺贝尔奖 詹姆斯詹姆斯沃森（沃森（James D.Watson）1953年年 Watson（美）与（美）与 Crick（英）提出（英）提出DNA分子的双分子的双螺旋结构模型，螺旋结构模型，1962年共获诺贝尔奖。年共获诺贝尔奖。弗朗西斯弗朗西斯克里克（克里克（Francis H.Crick）1969-1972,Arber(瑞士瑞士),Smith(美美)与与Nathans(美美)在核酸限制在核酸限制酶的分离与应用方面做出突出贡献酶的分离与应用方面做出突出贡献,1978年共获诺贝尔奖。年共获诺贝尔奖。1972 Berg（美）在基因工（美）在基因工程基础研究方面作出了杰出程基础研究方面作出了杰出成果，获成果，获1980年诺贝尔奖。年诺贝尔奖。1973 Cohen等（美）用核等（美）用核酸限制性内切酶酸限制性内切酶EcoR1，首，首次基因重组成功。次基因重组成功。Hamilton O.Smith Daniel Nathans Werner Arber Paul Berg Herbert Boyer Stanley Cohen 2001 Venter（美）等报道完成了人类基因组草图测序。（美）等报道完成了人类基因组草图测序。我国生物化学的开拓者吴宪吴宪教授 蛋白质研究领域内国际上最具有权威性的综蛋白质研究领域内国际上最具有权威性的综述性丛书述性丛书Advances in Protein Chemistry第第47卷（卷（1995年）发表了美国年）发表了美国哈佛大学教授、蛋白质研究的老前辈哈佛大学教授、蛋白质研究的老前辈J.T.Eddsall的文章“吴宪与第一个蛋白质变性的文章“吴宪与第一个蛋白质变性理论（理论（1931）Hsien Wu and the first Theory of Protein Denaturation(1931)”，对吴宪教授的学术成就给予了极高的评价。对吴宪教授的学术成就给予了极高的评价。该卷还重新刊登了吴宪教授六十四年前关于该卷还重新刊登了吴宪教授六十四年前关于蛋白质变性的论文。一篇在蛋白质变性的论文。一篇在1931年发表的年发表的论文居然在论文居然在1995年仍然值得在第一流的丛年仍然值得在第一流的丛书上重新全文刊登，不能不说是国际科学界书上重新全文刊登，不能不说是国际科学界的一件极为罕见的大事。的一件极为罕见的大事。1940 我国生物化学家刘我国生物化学家刘思职发现抗体、抗原反应思职发现抗体、抗原反应存在定量关系。存在定量关系。刘思职刘思职 邹承鲁（邹承鲁（19232006）剑桥大学博士，先后工作于中国科剑桥大学博士，先后工作于中国科学院上海生物化学研究所及北京生学院上海生物化学研究所及北京生物物理研究所，中国科学院院士。物物理研究所，中国科学院院士。其自传已在有影响的国际性丛书其自传已在有影响的国际性丛书综合生物化学综合生物化学中生物化学史部中生物化学史部分第三册分第三册(总第总第37卷卷)上发表上发表。曾。曾任第三世界科学院院士，美国生物任第三世界科学院院士，美国生物化学与分子生物学会荣誉会员，化学与分子生物学会荣誉会员，中国科学中国科学和和科学通报科学通报副主副主编，编，Analytical Biochemistry(美美国国)及及Biochimica et Biophysica Acta(荷兰荷兰)编委、编委、FASEB Journal(美国美国)及及Biochemistry(美美国国)顾问编委等。顾问编委等。王德宝（王德宝（1918），1940年毕业于中央大学农化系，年毕业于中央大学农化系，1947年去年去美国留学，美国留学，1949年获华盛顿大学硕士学位，年获华盛顿大学硕士学位，1951年获西方保留年获西方保留地大学博士学位。地大学博士学位。1951-1954年在约翰年在约翰-霍普金斯大学作博士后霍普金斯大学作博士后研究。回国后历任中国科学院上海生理生化所、研究。回国后历任中国科学院上海生理生化所、生化所副研究生化所副研究员、研究员，员、研究员，1980年被选为中国科学院学部委员年被选为中国科学院学部委员(院士院士)，首批，首批批准为博士生导师批准为博士生导师。郑集（郑集（19002010），四川南溪人。四川南溪人。1924年考入国立东南大年考入国立东南大学（原南京高等师范学校，学（原南京高等师范学校，1928年更名中央大学，年更名中央大学，1949年更年更名南京大学）生物系，名南京大学）生物系，1928年毕业于国立中央大学生物系。年毕业于国立中央大学生物系。1930年赴美国留学，入俄亥俄州立大学专攻生物化学，并于年赴美国留学，入俄亥俄州立大学专攻生物化学，并于耶鲁大学、印第安纳大学学习，耶鲁大学、印第安纳大学学习，1936年获博士学位。回国后年获博士学位。回国后任历任中国科学社研究所研究员，中央大学医学院教授、生任历任中国科学社研究所研究员，中央大学医学院教授、生化科教授兼主任，华东军医学院、第四军医大学教授，南京化科教授兼主任，华东军医学院、第四军医大学教授，南京大学医学院教授、生物系教授兼生物化学教研室主任。大学医学院教授、生物系教授兼生物化学教研室主任。1945年在中央大学医学院创办生化研究所，培养生化研究生，这年在中央大学医学院创办生化研究所，培养生化研究生，这是中国教育史上第一个培养生物化学研究生的正式机构。进是中国教育史上第一个培养生物化学研究生的正式机构。进入古稀之年后，开辟衰老生化机制研究，为中国衰老生化奠入古稀之年后，开辟衰老生化机制研究，为中国衰老生化奠定了基础。先后参与创办中国营养学会、生物化学会。曾任定了基础。先后参与创办中国营养学会、生物化学会。曾任中央大学教授会主席、中国营养学会首任理事长。中央大学教授会主席、中国营养学会首任理事长。2004年，年，南京大学收到来自“英国剑桥国际人物传记中心”的祝贺信，南京大学收到来自“英国剑桥国际人物传记中心”的祝贺信，授予他“授予他“21世纪最有成就奖”。世纪最有成就奖”。参考书参考书 Berg JM,Tymoczko JL,Stryer L,Clarke ND：Biochemistry(6th ed).Nelson DL,Cox MM：Lehninger Principles of Biochemistry，Worth Publishers，New York，6th ed Murray RK,Granner DK,Mayes PA,Rodwell VW:Harpers Biochemistry.(25th ed).北京北京:科学出版科学出版社社.2000，(27th ed).王镜岩主编，王镜岩主编，生物化学生物化学。高等教育出版社出版。高等教育出版社出版 童坦君童坦君:生物化学生物化学。北京。北京:北京大学医学出版社北京大学医学出版社.2003。周爱儒周爱儒:生物化学生物化学“(第第5、6版版)。北京。北京:人民卫生出版社人民卫生出版社.生命的化学生命的化学（中国生物化学与分子生物学学会主办，（中国生物化学与分子生物学学会主办，上海）上海）国外医学国外医学 分子生物学分册分子生物学分册（武汉）（武汉）Annual Review of Biochemistry（生物化学年鉴生物化学年鉴,美）美）Trends in Biochemical Sciences(简称简称TIBS，美，美)郑集，普通生物化学。郑集，普通生物化学。参考书参考书