第1章-绪论及生物分子概述.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,*,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,*,崔明超博士，副教授,主讲课程：,生物化学,环境微生物学,环境生物学实验,主要科研方向：,环境中毒害有机物的微生物降解研究,具体研究含氮杂环化合物、多溴联苯醚的微生物降解；焦化废水的生物处理技术等,夏建荣博士，教授,主讲课程：,基础生命科学,环境毒理学,水生生物学,环境生物学实验,主要科研方向：,大型藻类的生理生态学研究与生物技术,目前主要开展以下研究工作：,海洋浮游藻类碳酸酐酶诱导、定位和环境调控机制研究；,大型经济海藻EPA,调控与提取技术；,发状念珠藻（发菜）耐冷冻害机制,龙建友博士，讲师,主讲课程：,环境微生物学,环境微生物,（环工）,环境生物技术,环境生物学实验,主要科研方向,功能微生物菌种筛选及生物农药,欢迎同学们,参加到课题研究中来！,第一章 绪论,1.1,生物化学概述,探索生命现象的化学本质,揭示生命的奥秘,获取开启生物科学大门的钥匙,生物化学发展简史,1780-1789 Lavoisier,（法）研究“生物体内的燃烧”，指出此类“燃烧”耗氧并排出二氧化碳。后人称他是生物化学之父。,1830-1842 Liebig,（德）将食物分为糖、脂、蛋白质类，提出“代谢”一词，证明动物体温形成是食物在体内“燃烧”的缘故。最先写出两本生物化学相关专著。,生物化学的创始人埃米尔,费舍尔（,Emil Fischer,）,1890,1902 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。,汉斯,克雷勃斯（,Hans A.Krebs,）,1937,年,Krebs,（英）发现三羧酸循环，,1953,年获诺贝尔奖。,李纳斯,鲍林（,Linus Pauling,）,1949 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,詹姆斯,沃森（,James D.Watson,）,1953,年,Watson,（美）与,Crick,（英）提出,DNA,分子的双螺旋结构模型，,1962,年共获诺贝尔奖。,弗朗西斯,克里克（,Francis H.Crick,）,1969-1972,Arber(,瑞士,),Smith(,美,),与,Nathans(,美,),在核酸限制酶的分离与应用方面做出突出贡献,1978,年共获诺贝尔奖。,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。,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。,我国生物化学的开拓者,吴宪,教授,蛋白质研究领域内国际上最具有权威性的综述性丛书,Advances in Protein Chemistry,第,47,卷（,1995,年）发表了美国哈佛大学教授、蛋白质研究的老前辈,J.T.Eddsall,的文章“,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蛋白质变性的论文。一篇在,1931,年发表的论文居然在,1995,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的一件极为罕见的大事。,1940,我国生物化学家刘思职发现抗体、抗原反应存在定量关系。,刘思职,我国生物化学领域的成就,30年代从英国剑桥回国的王应睐、曹天钦、邹承鲁等，留美回国的王德宝、钮经义等，协同汪猷（,you）、,刑其毅等,1965年用化学方法首次人工合成具有生物学活性的蛋白质结晶牛胰岛素。,1983年又通过协作，采用有机合成和酶促合成相结合的方法，完成酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成。,此外，我国在酶的作用机理、血红蛋白变异、生物膜结构功能等方面都作出国际水平的研究成果。,21,世纪我国本土将诞生诺贝尔奖获得者,预测变现实，有待努力，让我们为此共勉,新华社北京,2002,年,4,月,11,日,电 中科院院长路甬祥在“中国近现代科技回顾与展望国际学术研讨会”上作大会报告时说：“通过创造性的工作，,21,世纪的中国科学家和工程师将比,20,世纪为世界科学做出大得多的贡献，在中国本土上产生诺贝尔奖将不再是问题，中国将涌现出一批无愧于,21,世纪的世界级科学大师和工程技术大师。”（记者李斌）,新华社香港,2002,年,月日,电 诺贝尔奖得主杨振宁教授今天在这里表示对中国未来的科技发展很有信心，他认为在未来中国很可能会出现获得诺贝尔奖的科技人才。（记者丛亚平）,1.1.1 生物化学的涵义,用化学的理论和方法，从分子水平来研究生命现象，揭示,生命,的奥秘,生命的的共同“语言”,化学,DNA,是生命体的“共同语言”,自我复制,自我装配,自我调节,一个边界,一套执行机构,一套遗传机构,著名的诺贝尔奖获得者亚瑟,肯伯格在哈佛大学医学院建校,100,周年时说：“所有的有生命体都有一个共同的语言，这个语言就是化学。”,任务：静态生物化学和动态生物化学,研究构成生物体的基本物质及对体内生物化学反应起催化和调节作用的酶、维生素和激素的结构、性质和功能,研究构成生物的基本物质在生命活动过程中进行的化学变化，也就是新陈代谢及在代谢过程中能量的转换和调节规律,1.1.2 生物化学研究的主要内容,生物体的物质组成（叙述生物化学）,物质代谢及其调控（动态生物化学）,物质的分子结构和功能的关系（分子生物学）,生物体是由许多物质按严格的规律组建起来,蛋白质和核酸是生命活动的主要物质基础,用人工方法合成生物大分子，来验证对体内物质进行化学分析的结果，深入认识分子结构与生物功能的关系，探索生命现象的奥秘，追溯生命的起源,生物体不断与外界环境进行物质交换新陈代谢,体内进行的物质代谢叫做中间代谢，绝大多数是在多种酶催化下进行的连锁反应，称为代谢途径,酶催化作用有严格专一性和可调控性，又有区域分布和多酶体等特点,动物和人体内还有神经系统、激素及其他调节物质，通过调节酶的活力来调节代谢途径的方向和强度,结构是功能的基础，功能是结构的体现,生物高分子的结构与功能的研究是生物化学-分子生物学中最引人注目的内容,1.1.3 生物化学与其他科学的关系,生物化学与化学的关系,生物化学与其他生物科学的关系,生物化学的发展与有机化学及分析化学的发展有密切关系,近年来在生物化合物的结构、性质、功能以及物质代谢的研究上已经广泛应用了物理化学的理论及技术,生物化学是在生理学基础上发展起来,微生物学的研究更需要广泛应用生物化学的原理与技术,其他如细胞生物学、遗传学等研究都离不开生物化学,1.1.4 生物化学的应用和发展前景,生物化学几乎渗透到了一切生命科学的领域,其原理和技术在生产实践中也得到了广泛的应用,是农业科学的重要理论基础之一,以生物化学的理论和技术为基础的生物工程具有广阔的前景,生物化学理论还可以与工业技术领域的学科相结合，在材料工业、污水和废物处理方面发挥作用,目前已产生了生物化学和电子学的边缘学科,分子生物电子学，研究生物芯片和生物传感器，对电子计算机制造、疾病防治和生物模拟都有重要的推动作用,生物化学,有用、有趣,可成名、可获利,1.2,环境生物化学概述,1.2.1 环境生物化学定义,广义：主要研究天、地、生物相互作用的基本化学反应，特别是人和生物对外来物质和能量所做的应答以及人类生活生产活动对环境影响的化学基础,狭义：是介于环境污染化学与生物化学之间的一门科学，研究环境中的污染物质在生物体内的代谢转化规律,环保：研究生物对污染物质降解与转化的能力，讨论生物代谢污染物质的途径,1.2.2 环境生物化学的研究对象与任务,产能（三大营养）物质的化学、代谢规律和基本理论，是生活污水中有机物生物处理的基本原理,生物催化剂酶的化学、作用机理和应用技术，是环境生物技术的核心,遗传物质核酸的化学、作用机理和应用技术，是分子生物学应用于环境生物技术的基础理论,七大营养要素：,水、无机盐、,糖、脂、蛋白质,、维生素、氧,酶工程、基因工程、微生物细胞工程和发酵工程四大现代环境生物技术原理、作用机理和应用技术，是提高污染物降解效率、拓宽降解途径及工业化应用的未来趋势,研究烃、有机农药、石油及环境激素等不易降解物质的生物代谢与转化规律及其生物降解的分子机制,研究有毒污染物的生物积累与生物转化与有毒物质的生物化学效应，是环境医学及毒理学研究的基础,1.2.3 环境生物化学的学习方法,生物化学反应是在生物体内进行的，反应的环境比体外复杂,代谢与结构是相互联系的,全面了解，分析比较，明确概念，从化学本质和结构特点出发，联系它的性质和功能,需要记忆，但不能完全死记硬背,与先修和并修课程内容相联系，以促进理解、加强记忆,生物化学课程主要内容,生物分子概论,糖、脂、蛋白质、核酸化学酶化学,作用机制及酶促反应动力学,糖、脂、蛋白质、核酸分解代谢及相关生物能学,维生素与微量元素,糖、脂、蛋白质、核酸的生物合成,代谢调控,基因表达与基因工程,第二章 细胞内的生物分子化学,2.1,生物分子概论,2.1.1 概述,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,生物分子是生物特有的有机化合物,生物分子具有复杂有序的结构,生物结构具有特殊的层次,生物分子都行使专一的功能,代谢是生物分子存在的条件,生物分子体系有自我复制的能力,生物分子能够人工合成和改造,构成生物大分子的小分子单元称为构件,生物分子类型主要有蛋白质、核酸、糖和脂这四类生物大分子以及某些特殊的小分子化合物，如维生素、辅酶和激素等，是构成生物体和维持生命现象最基本的物质基础和功能基础,几种生物元素,小分子构件,复杂的生物大分子,超分子集合体,细胞器,细胞,组织,器官,系统,生物体,低层次结构简单，没有种属专一性，结合力强,高层次结构复杂，有种属专一性，结合力弱,生物大分子是生命的物质基础，生命是生物大分子的存在形式，生物大分子的特殊运动体现着生命现象,代谢不仅产生了生物分子，而且使生物分子以一定的有序性处于稳定的状态中，并不断得到自我更新,小分子化合物：,核苷酸、氨基酸、可溶糖、脂肪酸,低分子活性物质（维生素、激素）,色素、有机酸、水、无机盐,2.1.2 生物元素,在生物体中能维持生命活动的必需27种元素称为生物元素,构成生物体的元素具有下列特点,都是环境中存在的丰度较高的元素,主要生物元素都是轻元素,C、H、O、N、P、S,是生物分子的基本素材,微量无机生物元素大多为过渡元素,常量离子具有电化学效应,主要生物元素,C、H、O、N,占生物元素总量的95%以上，原子序数在8以内,它们和,S、P、K、Na、Ca、Mg、Cl,共11种元素，构成生物体全部质量的99%以上，原子序数在20以内,另外16种微量元素原子序数在53以内,C,位于典型金属元素和非金属元素中间，原子核对其价电子有一定的控制能力，既难得到电子，也难失去电子，最适于,形成稳定的共价键,H,借稳定的共价键与,C,结合，构成生物分子的,骨架,；有些,H,具有,还原能力,，被氧化时可放出能量，生物分子含氢量的多少直接与其供能价值相关；与电负性强的氧氮等原子结合的,H,参与维持生物大分子高级结构的重要作用力的,氢键的构成,O、N、S、P,是除,C,以外仅有的能形成,多价共价键,的元素，可形成各种官能团和杂环结构；,S、P,还与,能量交换,直接相关,过渡元素具有,空轨道,，能与具有,孤对电子,的原子以,配位键,结合，形成各种配位结构,过渡元素的,络合效应,在形成并,稳定,生物分子的,构象,中具有特别重要的意义,过渡元素有,吸引电子,作用，还可导致配体分子的共价键发生,极化,，这对,酶的催化,很有用,Fe、Cu,等多价金属离子还可作为氧化还原载体，担负,传递电子,的作用,在光系统,中，四个锰原子构成一个电荷累积器，可以累积失去四个电子，从而一次氧化两分子水，释放出一分子氧，避免有害中间产物的形成,K,+,、,Na,+,、,Cl,、,Ca,2+,、,Mg,2,等在生物体的体液中含量较高，在保持体液的渗透压、酸碱平衡、形成膜电位及稳定生物大分子的胶体状态等方面有重要意义,Fe,、,Cu,、,Co,、,Mn,、,Zn,主要作为酶的辅助成分,Al,、,As,、,B,、,Br,、,Cr,、,F,、,Ga,、,I,、,Mo,、,Se,、,Si,、,V,功能尚未完全清楚,2.1.3 生物分子中的作用力,物质的层次越低，尺度越小，其相互作用力越强；物质的层次越高，尺度越大，其相互作用力越弱,生物元素借以结合成为生物分子的强作用力,共价键,决定生物分子高层次结构和生物分子之间借以识别、结合、作用的弱作用力,非共价相互作用,生物分子中的作用力,共价键是生物分子的基本形成力,两个电负性相差不大，具有自旋反平行的单电子的两个原子，借共用电子对所形成的化学键,键能：一般在,300,800kJ/mol,之间,键长：成键原子核间距离，,0.10.18nm,键角：根据键长和键角可了解分子中各个原子的排列情况和分子的极性,键的极性：两原子间电子云的不对称分布，常见共价键极性大小的顺序（取决于成键原子电负性的差）是,H-O,C-O,N-H,C-N,C-H,配位键对生物分子有特殊意义,由一个原子提供共用电子对的特殊共价键,在生物分子中，常以过渡金属为电子受体，以化学基团中的,O,、,N,、,S,、,P,等为电子供体，形成多配位络合物,金属元素的络合效应，因能导致配体生物分子内键发生极化，增强其反应性，而与酶的催化作用有关,外界电场作用会引起共价键极性改变的现象称为键的极化,键的极性与极化同共价键的反应性有密切关系,非共价相互作用是生物高层次结构主要作用力,非共价相互作用包括氢键、静电作用力、范德华力和疏水作用力,结合能较大的氢键，在较低的结构级别，较小的尺度间，把氢受体基团与氢供体基团结合起来,结合能较小的范德华力则主要在更高的结构级别、较大的尺度间把分子的局部结构或不同分子结合起来,氢键,氢原子与半径小、电负性大的原子形成共价键时，共用电子对偏离氢原子，使氢原子核几乎裸露出来，当另一个电负性强的原子与之接近时，即可与之结合形成氢键,键能相当于共价键的,1/301/20,（,12,30kJ/mol,），容易弯曲，直线排列时键能最大,键长比共价键长，约,0.260.31nm,在稳定生物大分子的二级结构中起主导作用,范德华力,结合能约,4kJ/mol,，对生物多层次结构的形成荷分子的相互识别与结合有重要意义,荷电基团相互作用,力的大小与荷电量成正比，与荷电基团间的距离平方成反比，还与介质的极性（屏蔽效应）有关,疏水相互作用,在稳定蛋白质、核酸的高层次结构和形成生物膜中发挥着主导作用,介质的极性对荷电基团相互作用有屏蔽作用，介质的极性越小，荷电基团相互作用越强,如蛋白质的疏水氨基酸侧链、核酸的碱基、脂肪酸的烃链等,1962,年,Luzzati,等用,X,射线衍射技术发现脂质分子在,脂质体,中除脂双层排列外，还具有形成多种相的能力,1979,年荷兰学者,Verkleij,用,31,P-NMR,谱绘出低场肩、高场峰的不对称线形，反映了典型的脂双层结构,当温度逐渐增加，,31,P-NMR,谱线形状逐渐改变，最后出现高场肩、低场峰的图形，反映了磷脂分子从脂双层转变为六角形相,结构,指由磷脂形成的封闭的双分子层球形或椭圆形的囊泡结构,2.1.4,生物分子低层次结构的同一性,碳架是生物分子结构的基础,官能团限定分子的性质,生物分子中化学性质比较活泼，容易发生化学反应的原子或基团,限定生物分子的主要性质，同时受到其他部分电荷效应和立体效应的影响,任何一种分子的具体性质，都是其整体结构的反应,变化多端的碳架与种类有限的官能团，共同组成形形色色的生物分子的低层次结构,生物小分子,主要官能团,名称,结构,定义,基团,极性,氢键供体,其他性质,羟基,醇,一般不解离,羰基,醛或酮,羧基,羧酸,能解离，一般显弱酸性,氨基,胺,可结合质子生成铵阳离子,酰氨基,肽链中称肽键,巯基,硫醇,中性条件下不解离，易氧化成,-S-S主要官能团（续）,名称,结构,其他性质,胍基,强碱性基团，胍基磷酸键是高能键,双键,易发生极化断裂，有顺反异构现象,焦磷酸键,高能键，,30.5kJ/mol,氧酯键和硫酯键,硫酯键是高能键,磷酸酯键,磷酸羟基可解离成阴离子,生物分子低层次结构的同一性,杂环集碳架和官能团于一体,氨基酸,核苷酸,糖,咪唑,吲哚,嘧啶,吡喃,呋喃,嘌呤,异构现象丰富了分子结构的多样性,生物分子有复杂的异构现象,结构异构,立体异构,互变异构,手性碳原子引起的光学异构（,L,D,系统）,双键引起的顺反异构,单键旋转引起,构象异构,互变异构：酮式,烯醇式,由碳架不同产生的碳架异构,由官能团位置不同产生的位置异构,由官能团不同而产生的官能团异构,同一结构异构体，由于原子或基团在三维空间的排布方式不同所引起的异构现象称为立体异构现象,分子中原子或原子团在空间位置上一定的排布方式称为构型,构型相同的分子可由于单键旋转产生很多不同立体异构体，称为,构象异构,2.1.5,生物分子高层次结构的同一性,生物大分子又称生物多聚物,生物大分子具有多级结构,一级结构按照模板指导组装原则合成,高级结构按照,自我,组装原则形成,生物大分子按照互补性原则相结合,互补性原则,分子接触面的几何学凹凸相依互补关系，借以达到两者之间的最大范德华力接触,位于分子表面的亲水区与亲水区、氢键供体与氢键受体、正电荷基团与负电荷基团的匹配对应关系,规定了分子相互结合的专一性，也规定了各个分子在复合结构中的定位和取向以及所形成的结构整体面貌,是一个诱导契合的过程，彼此诱导对方发生构象变化，通过结合诱导结合的过程，最后达到完全契合,作业,试比较下列分子形成脂膜的难易，并说明原因,花生酸（正二十烷酸）、胆固醇（,p41,）、卵磷脂（,p37,）、长链脂肪酸、长链烷烃,简述生物膜分子结构“流体镶嵌”模型的要点是什么？,答案：,花生酸卵磷脂长链脂肪醇胆固醇长链烷烃,形成脂膜的关键是分子具有双亲性，双亲性越强越易形成脂膜,突出了膜的流动性，认为膜是由脂质和蛋白质分子按二维排列的流体；,显示了膜蛋白分布的不对称性,胆固醇,