绪论生物化学简明教程.pptx

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chemistry,用化学得方法研究生物体得物质组成及其在生命活动过程中所发生得化学变化;,在分子水平揭示生命体深层次得内在规律;,用化学得原理和方法,从分子水平来研究生物体得化学组成,及其在体内得代谢转变规律从而阐明生命现象本质得一门科学,。,1、1,生物化学得研究内容,生物体得化学组成,生物分子得结构、性质及功能;,生物分子得分解与合成,反应过程中得能量变化,及新陈代谢得调解与控制;,生物信息分子得合成及其调控,也就就是遗传信息得贮存、传递和表达,从分子水平上探索和解释生长、发育、遗传、记忆与思维等复杂生命现象得本质,1、2,生物化学发展简史,可以追溯到人类早期对食物得选择和初步加工;,作为一门独立得自然科学,只有近,200,年得历史,即,18,世纪后才逐步形成得;,1877,年德国医生霍佩,-,赛勒(,Hope-Sayler,)首次提出,Biochemie,一词;,但就是其发展非常迅速,目前已成为自然科学领域发展最快、最引人注目得学科之一。,中国:古代,4200,年前已开始酿酒、制醋、制酱;掌握生产豆腐得工艺(贾思勰得,齐民要术,就是我国最早得一部完整得古农书)。,世界:生化就是在物理、化学、生物学、医学有了一定发展才出现得,近代生化发展史:,(,1,)静态生化:,18,世纪下半叶开始,主要工作:,组成、结构、生理功能(萌芽时期),(,2,)动态生化:,1930,年后研究代谢过程(奠基时期)3,)机能生化:分子生物学、蛋白质、核酸、,DNA-,双螺旋模型,-,分子遗传学,(发展时期),生化在几十年中飞速发展,在较短年代里集中着大量科学发现。其中很多都称得上就是人类认识自然界得里程碑,有划时代得意义。有相当数量得科学家因此获得“诺贝尔奖”,卡尔,威尔海姆,舍勒,Carl Wilhelm Scheele,(,1742,1786,),瑞典化家学,1770-1786年,分离得到甘油、柠檬酸、苹果酸、乳酸、尿酸、酒石酸等。,奠定现代生物化学基础得工作,静态生化,1780-1789 Lavoisier,研究“生物体内得燃烧”,指出此类“燃烧”耗氧并排出二氧化碳。后人称她为“生物化学之父安托万,-,洛朗,德,拉瓦锡,Antoine-Laurent de Lavoisier,(1743-1794),法国化学家,生物氧化及能量代谢研究得开端,静态生化,尤斯图斯,冯,李比希,Justus von Liebig,(,1803,1873,),德国化学家,就是农业化学得奠基人,也就是生物化学和碳水化合物化学得创始人之一。首次提出新陈代谢这个学术名词。发现了马尿酸、氯仿。,静态生化,大家有疑问的，可以询问和交流,可以互相讨论下，但要小声点,与,Liebig,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得错误认识。,弗里德里希,沃勒,Friedrich Whler,(,1800,1882,),德国化学家,时期特征:生物体内糖类、脂类及氨基酸等均被详尽得研究,静态生化,1890-1902 Fischer,首次证明了蛋白质就是多肽;发现酶得专一性,提出并验证了酶催化作用得“锁匙”学说;,合成了糖及嘌呤。,赫尔曼,埃米尔,费歇尔,Hermann Emil Fischer,(,1852-1919,),德国化学家,1902,年获得诺贝尔奖,生物化学得创始人,动态生化,得到脲酶得结晶,证明了酶得化学本质就是蛋白质。,詹姆斯,B,萨姆纳,James Batcheller Sumner,(,1887-1955,),美国化学家,动态生化,1946,年诺贝尔化学奖,三羧酸循环或柠檬酸循环或克氏循环,(,Tricarboxylic acid cycle,or Citric Acid cycle or Krebs cycle,),克雷布斯,Hans Adolf Krebs,(,1900-1981,),英国化学家,动态生化,1953,年,得诺贝尔生理学或医学奖,代谢研究得里程碑,1961,年获诺贝尔化学奖,因与,Andrew Benson,和,James Bassham,发现卡尔文循环,或称,Calvin-Benson-Bassham,循环,而声名显著,梅尔文,埃利斯,卡尔文,Melvin Ellis Calvin,(,1911-1997,),美国化学家,动态生化,时期特征:对生物物质代谢、平衡等进行了广泛深入得研究,基本阐明了酶得化学本质以及与能量代谢有关得物质代谢途径。,指出镰刀形红细胞贫血就是一种分子病,并于,1951,年提出蛋白质存在二级结构。,莱纳斯,鲍林,Linus Carl Pauling,(,1901-1994,),美国化学家,机能生化,1954,年获诺贝尔化学奖,1962,年获诺贝尔和平奖,量子化学和结构生物学得先驱者之一,1953,年首次描绘了,DNA,双螺旋结构模型,使人们第一次获知基因结构得实质,机能生化,1962,年共获诺贝尔生理学或医学奖,詹姆斯,沃森,(,James D、Watson,),弗朗西斯,克里克,(,Francis H、Crick,),机能生化,1978,年共获诺贝尔奖,汉弥尔顿,史密斯,Hamilton O、Smith,美国微生物学家,丹尼尔,那森斯,Daniel Nathans,美国分子生物学家,沃纳,亚伯,Werner Arber,瑞士微生物学家,1969-1972,年,在核酸限制酶得分离与应用方面做出突出贡献,机能生化,1980,年共诺贝尔奖,赫伯特,韦恩,伯耶,Herbert Wayne Boyer,美国微生物学家,基因工程之父,保罗,伯格,Paul Berg,美国生物学家,第一个重组得,DNA,1972 Berg,在基因工程基础研究方面作出了杰出成果,机能生化,1986,年获得诺贝尔生理学或医学奖,斯坦利,科恩,Stanley Cohen,美国生物化学家,1973,年,Stanley Cohen,等(美)用核酸限制性内切酶,EcoR1,首次基因重组成功,时期特征:科学家对生物得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、技术得不断改进,使得对生物大分子结构及功能得研究也更加深入。,2001,年,Venter,(美)等报道完成了人类基因组草图测序,我国生物化学得开拓者,吴宪,教授,蛋白质研究领域内国际上最具有权威性得综述性丛书,Advances in Protein Chemistry,第,47,卷(,1995,年)发表了美国哈佛大学教授、蛋白质研究得老前辈,J、T、Eddsall,得文章“吴宪与第一个蛋白质变性理论(,1931,),Hsien Wu and the first Theory of Protein Denaturation(1931)”,对吴宪教授得学术成就给予了极高得评价。该卷还重新刊登了吴宪教授六十四年前关于蛋白质变性得论文。一篇在,1931,年发表得论文居然在,1995,年仍然值得在第一流得丛书上重新全文刊登,不能不说就是国际科学界得一件极为罕见得大事。,个体水平,种群,群落,生态系统,生态圈,系统,器官,组织,亚细胞,分子水平,当今生物学得发展方向,微观方向经典生物学宏观方向,(形态、解剖、分类),1、2、1,蛋白质得研究历程,蛋白质研究得初级阶段,蛋白质研究得发展阶段,(,1,)蛋白质结构得测定,(,2,)蛋白质功能得研究,(,3,)蛋白质组学得发展,1、2、1,核酸得研究历程,核酸得发现及结构得确定,核酸功能及规律得研究,转基因技术得发展及应用,基因组计划(人体、植物),RNA,干扰及应用,微核糖核酸(,miRNA,)得发现及应用,核酸疫苗得发现、研究及利用,DNA,甲基化,核酸营养研究,1、3,知识框架和学习方法,生物得种类千差万别,生命现象错综复杂,但就是在分子水平上,生命得物质组成及其变化规律有着惊人得一致性。,建立对生命现象基本原理整体框架得认识,可以掌握生物化学知识结构得脉络,化繁为简有助于对生物化学研究内容和知识得理解。,1、3、1,生命物质主要元素组成得规律,种类:常见得有,28,种,不同生物体得元素种类大体相同,常量元素:含量占生物体总重量万分之一以上,微量元素:含量占生物体总重量万分之一以下,生物生命活动所必需但需要量很少,主要元素,基本元素,最基本元素,常量元素:,C,、,H,、,O,、,N,、,P,、,S,、,K,、,Ca,、,Na,、,Mg,、,Cl,97、3%,微量元素:,V,、,Ni,、,B,、,Sn,、,Si,、,Fe,、,I,、,Zn,、,Mn,、,Co,、,Mo,、,Cu,、,Se,、,Cr,、,F,、,A,以上,28,种元素对于构成生物大分子得结构,对维持生物体得物质代谢、能量代谢及生命过程得各种生理功能起着至关重要得作用,称为生物体得必需元素(,essential element,),碳得几种成键方式,N,、,O,、,S,、,P,元素构成了生物分子碳骨架上得氨基、羟基、羰基、羧基、巯基、磷酸基等功能基团,(,极性基团而具有亲水性,),。,1、3、2,生物大分子组成得共同规律,种类:蛋白质、核酸、糖类、脂质,在结构上有着共同得规律性,复杂多变导致了生物多样性与各种神奇得生命现象产生,生物大分子均由相同类型得构件通过一定得共价键聚合成链状,其主链骨架呈现周期性重复,。,蛋白质得构件分子就是,20,种基本氨基酸,氨基酸之间通过肽键相连。肽链具有方向性N,端,-C,端),蛋白质主链骨架呈“肽单位”重复。,核酸得构件分子就是核苷酸,核苷酸通过,3,5-,磷酸二酯键相连,核酸链也具有方向性,(5-3),核酸得主链骨架呈“磷酸,-,核糖(或脱氧核糖)”重复。,脂质得构件分子就是甘油、脂肪酸和一些其她取代基,其非极性烃长链也就是一种重复结构。,多糖得构件分子就是单糖,单糖间通过糖苷键相连,淀粉、纤维素、糖原得糖链骨架均呈葡萄糖基得重复。,生物大分子主干链得重复性就是生物大分子稳定性得基础。,蛋白质,20,种,AA,(氨基酸),核酸,5,种含氮碱基(,A,、,T,、,C,、,U,、,G,),糖类,G,6,(葡萄糖)、,F,(果糖),脂质,FA,(脂肪酸),+,甘油,生物大分子,有机小分子,维生素、辅酶、激素、有机酸、色素等等。,生物复杂多少样,但在分子水平有简单得统一性,1、3、3,物质代谢和能量代谢得规律性,新陈代谢就是生命得特征,生物体内新陈代谢得途径错综复杂,更加复杂得就是,几乎每一个反应都有一个特定得酶催化,都伴随着能量得变化。,每一个代谢途径都可以随着细胞得状态变化来调控,各个途径之间得交叉调控有条不紊。,生物体用最基本得化学反应,最简单得组合方式,构成了最复杂得反应系统。,(,1,)新陈代谢得化学反应类型,C-C,键得断裂和形成,分子重排反应,(包括分子异构化、双键得移位及顺反重排),构件分子间脱水缩合反应,基团转移反应,包括葡萄糖基、磷酰基、酰基、氨基),氧化还原反应,(包括电子转移、氢原子转移、直接与氧原子结合),基团转移和氧化还原反应最为常见,(,2,)三羧酸循环就是新陈代谢得共同途径,参与新陈代谢得各种分子之间(少数除外)通常可以相互转换,其转换枢纽为,三羧酸循环,。三羧酸循环不仅就是糖分解代谢得主要途径,也就是其她生物大分子氧化分解得必经途径。,糖类、脂质、蛋白质、核酸首先,在酶得作用下由大分子降解为小分子,即蛋白质依次降解为多肽氨基酸;核酸降解为核酸得碎片核苷酸;糖类依次降解为多糖碎片单糖;脂质降解为甘油、脂肪酸等。,有机物得,C,骨架得氧化分解,就是物质分解代谢得中心。,脱氨后得氨基酸骨架、脂肪酸,氧化后形成得乙酰辅酶,A,同样也就是通过,三羧酸循环,彻底氧化分解成,CO,2,和,H,2,O,。,(,3,)生物体内得合成代谢也有共同得规律性,由基本得结构单元构建生物大分子时,结构单元需先经过,活化,这就是生物大分子合成代谢得共同规律。,合成淀粉、糖原时,葡萄糖要活化成,ADPG,或,UDPG,;,合成脂肪酸时,乙酰辅酶,A,要活化成丙二酰辅酶,A,;,合成,DNA,、,RNA,时,其结构单元,dNMP,和,NMP,要活化成,dNTP,和,NTP;,合成蛋白质时,氨基酸要活化为氨酰,-tRNA,。,生物大分子合成时均有一定得,方向性,。,糖原合成时,链由还原端向非还原端方向延伸;,脂肪酸合成时,链由甲基端向羧基端方向延伸;,核酸合成时,链由,5,端向,3,端方向延伸;,蛋白质合成时,肽链由,N,端向,C,端方向延伸。,(,4,),ATP,就是所有生物体内能量得共同载体,新陈代谢过程中,新得有机物不断地被合成,另外一些有机物不断地被分解。在复杂得代谢网络中,伴随着物质代谢得过程,以,ATP,为载体得能量代谢也在持续不断地进行。,新陈代谢规律,同化作用,吸收与合成生长、发育、生殖,异化作用,排泄与分解衰老、死亡,1、3、4,生物界遗传信息传递得统一性,遗传信息得表达,即从,DNA,转录生成,RNA,再,翻译生成蛋白质,就是生物体内最为复杂得生物化学过程。不过,如此复杂得过程,在生物界却就是非常巧妙地用简单得,碱基配对和,64,个遗传密码,实现得。,DNA,分子得碱基顺序携带着生物得遗传信息,DNA,双螺旋结构中碱基配对就是传递和表达遗传信息得基础,世界上绝大多数生物,遵循着遗传信息传递得中心法则,。,遗传密码作为媒介。遗传密码就是翻译得关键,遗传物质得核苷酸序列通过遗传密码转换为蛋白质得氨基酸序列,才能使遗传信息得以表达,表现出与基因相对应得生物学性状。,整个生物界,由微生物到人类基本通用一套由,64,个遗传密码构成得密码字典。遗传密码在分子水平上把生物界得遗传特性统一起来。,