复旦大学生物化学(上)课件(1).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,*,生物化学,A,(,上,),复旦大学生命科学学院,任课教师,:,王维荣,Copyright 1999-2011,Biochemistry,(Biological Chemistry),主要内容,科学的含义及作用,化学及其发展简史,生命的化学特征,生物化学及其发展简史,课程介绍,科学的含义和作用,古希腊时代的智者们也不知道“科学”是什么，他们把人类对自然的认知体系叫做,Philosophia,（哲学），表明他们是一些不爱美女,爱,（,Philo,）,智慧,(sophia),的一族。中国先哲也不知道“科学”是何方圣教，他们把对自然的认识过程叫做“,格物,”，把他们格出来的东西叫做,“大道”,或,“天理”，“存天理灭人欲”，,就是多去格物而少爱美女的意思。,科学的英文为,science,，源于拉丁文的,scio,，后来又演变为,scientia,，本意是,对自然的认识,，最后成了今天的写法，表示“,知识,”、“,学问,”。日本著名科学启蒙大师,福泽谕吉,把“,science”,译为“科学”（分科之学），香港创业学院院长张世平：即分类的“知识”、“学问”。到了,1893,年，,康有为,引进并使用“科学”二字。,严复,在翻译,天演论,等科学著作时，也用“科学”二字。此后，“科学”二字便在中国广泛运用。,什么是科学,词源,:,to know,to separate one thing from another,to distinguish,to split,to cleave,。,与中国的“科学”,一词的原意相差甚远,(,那时在中国指,科举之学,日本人借用,意为百科之学,后中国留学生又从日本带回,),。,何谓科学,？,工业的先行者,疾病的征服者,农业的推进者,宇宙的探索者,自然定律的解谜者,，它,永远指明着真理的方向,（美国科学院大厅上的标语）。科学只不过是一套人们,有计划地解释宇宙，具有内在一致性的谎言,（亚瑟,博克私人对话,),。科学知识结构,(,科学概念、科学理论、科学定律,),科学过程、方法,(,提供探究科学知识的方法,),科学本质,(,科学知识的性质,),科学的内涵,观察,/,实验,思 维,方法,/,技术,理 论,现象、数据,归纳、演绎,大 脑,解释,Paradigm,“,科学”一词的含义可以从以下几个方面加以概括：一、从科学的本意上讲，,科学就是知识，知识就是科学,。二、从福泽瑜吉首创科学一词的意思上讲，科学是,分门别类之学,。三、按照苗力田的说法，“科学是目的不是手段”，是“,关于永恒和必然的认识,”。这与严复关于“学者，考自然之理，立必然之例，术者，据已知之理，求可成之功”之说相近。这是,近代中国人对科学最准确的解释,，也是对科学与技术这两个词最恰当的界定。四、综合以上意思，再结合英国人罗素关于科学是“确切的知识体系”之说，科学的定义或解释应当是：科学就是,确切的、系统的、分门别类的、理论性的知识体系,。,Harold Varmus,说,(1970,年与,Bishop,开始合作研究逆转录病毒，,1986,年命名,HIV,，,1989,年因发现病毒癌基因的细胞学起源获得诺贝尔生理和医学奖，,1993 NIH,院长,),科学研究是一项艰苦的工作，,如果你不喜欢它，请选择其他领域,；,只研究你感兴趣的,和,你认为重要的,问题；,尊敬,你的科学老前辈，但,不要完全相信,他们所说、所写的一切；,请不要忘记科学,只不过是人们生活的一部分,。,1939.12.18,日出生于纽约，他的第一个抱负是,文学,，他从,Amherst,学院和哈佛大学获得,A.B.,学位和,M.A,.,学位，在哈佛大学，他学的是,古诗词和玄学派诗歌,。他曾经打算将文学作为自己一生的职业，但下面这种想法使他改变了初衷：英语教授缺课时，学生们多半会感到如释重负，而医生不能如约诊病，病人会非常不安。,1966,年，他从哥伦比亚医学院获得医学博士学位，当阅读了,JacqueMonod,和,FrancoisJacob,有关细菌的基因控制论文后，,Varmus,知道，基础研究才是自己的未来。,Varmus,与长期的合作伙伴,J.MichaelBishop,共同提出了一种癌症发生的新理论：癌症这种疾病的产生是由于我们人体正常基因中的某些基因发生了变异的结果，这些变异或者由外来致癌因子引起，或者是因人体细胞在分裂和,DNA,复制过程中出现的差错所致。,书本知识 学科发展史研究方法论,如果将来从事科学研究工作,现在读书须掌握三种要素：,化学及其发展简史,化学发展史,-,Chemistry,的词源,现代化学起源于,炼金术,(alchemy),，炼金活动是化学的前史。,chemistry,一词也来自,alchemy,而,alchemy=al(the)+chem,其中的,chem,来自中国的“金”的古汉语发音。炼金术在各个古代文明中都占重要位置,并不是中国特有,一般而言都是,如何将铜、铅、锡等卑金属变成金、银等贵金属,的实用学问。在西方,炼金术从公元前几百年开始到,17,世纪为止,延续了,2000,年，在中国也生存了差不多同样长的时间,。,中国的炼丹术,，中国由奴隶社会转入封建社会，生产普遍获得了发展，其中酿造、制陶、采矿、冶金等工业都迅速发展起来。由于生产的发展，统治阶级不仅希望提高物质享受，而且希望,长生不死,。炼丹术就应运而生。,秦始皇,统一六国之后，曾派人到海上,求仙人不死,之药。,汉武帝,本人就热衷于,神仙和长生不死,之药。这时炼丹术兴起来了，不仅是,寻找,自然界的长生不死之药，而且要,炼制,长生不死之药。到了,东汉,炼丹术得到进一步发展，出现了著名的炼丹术家,魏伯阳,，著书,周易参同契,以阐明长生不死之说。晋代炼丹述家,陶弘景,著书,真诰,。唐代，炼丹术跟道教结合起来而进入全盛时期，炼丹术家,孙思邈,，著作,丹房诀要,。这些炼丹术著作都有不少化学知识，据统计共有,化学药物六十多种,，还有许多关于化学变化的记载。在炼丹中已经出现了,分解反应、化合反应和置换反应,。,化学发展史,-,中国的炼金术传到西方,中国的炼金术除了从,卑金属得到贵金属,以外，还致力于研制,长生不老之药“金丹”,-,炼丹术。,中国的炼金术随丝绸之路传到了,阿拉伯,文化圈,所以有了,alchemy,这个行业。,西腊文明在欧州历史上曾一度失传,幸好阿拉伯人继承了其精华,(714,世纪,),1113,世纪十字军的侵略将散落在阿拉伯文化中的希腊文化又带回了欧洲,也,顺便将中国的炼金术带进入了西方文明,。此后，西方的炼金术活动朝着独自的方向发展，特别是对酸、碱、盐等物质的化学性质有了相当的知识积累。,化学发展史,-,从炼金术到化学,17,世纪，,文艺复兴活动使,alchemy,真正向现代的,chemistry,过渡,。当时的化学家,要么是贵族,要么是业余爱好。与英国,Newton,同时期的贵族,Robert Boyle(1627-1691),对气体和真空进行了研究,写了“,The Sceptical Chymist(1661)”,一书,主张诀别带有神秘色彩的炼金术,而,以理性思考的态度来研究化学他发现了,波义耳法则,PV=Const,实际上就是现代物理化学的起点。,1662,英国设立了,Royal Society,1666,年,Paris Academia,分别设立,为科学研究和交流提供了土壤，这是化学与炼金术诀别的标志。,罗伯特,波义耳（,Robert Boyle,，,1627,.,1.25,1691.12.30,），爱尔兰自然哲学家，在化学和物理学研究上都有杰出贡献。虽然他的化学研究仍然带有炼金术色彩，他的,怀疑派的化学家,一书仍然被视作化学史上的里程碑。他曾研究过,气体物理学、气象、热学、光学、电和磁、无机化学、分析化学、化学、工艺、物质结构理论以及哲学、神学,。其中成就突出的主要是,化学,。,化学发展史,-,从气体元素到物质不灭定理,1764,年,CO,2,(Black),1766,年,H,2,(Canvendish),1772,年,O,2,(Scheele),1772,年,N,2,(Ratherford),1774,年,Cl,2,(Scheele),分别被发现,空气中含有不同成分的事实被揭示,。,1774,年,Lavoisier,确立了,物质不灭定理,1777,年确立了,燃烧理论,。此后的,化学反应的定比例法则,(Joseph Louis Proust,1799),及,化学元素分析方法,的发展,为有机化学的出现奠定了基础。,拉瓦锡,(A.L.Lavoisier,，,1743-1794),是,18,世纪法国著名的化学家，被誉为“,近代化学之父,”。他对化学的第一个贡献是从实验的角度验证并总结了“,质量守恒定律,”；他是,化学方程式的发明者,；他对化学的最大贡献是揭示了“,燃烧,”的本质，推翻了统治化学长达百年之久的“,燃素说,”，建立了科学的“,氧化学说,”；他非常重视实验和观察，指出：“,在任何情况下，都应该使我们的推理受到实验的检验,，,除了通过实验和观察的自然道路去寻求真理以外，别无他途,”；他对化学实验,从定性向定量发展,，作出了重要的贡献，因此也被誉为“,定量化学之父,”、“近代化学奠基人”。,1763,，法学学士,1764,，研究化学,1765,，候补院士,1768,，征税官,1778,，正教授,1775,，火药局长,1789,，入狱,1794,，绞刑,化学发展史,-,有机化学的发展,简单的说,有机化学就是,C,、,H,、,O,和,N,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,可以从,尿素的合成,开始。,有机化学发展时间表,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,),酒石酸光学异构体的发现,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,vant Hoff(,荷,)C4,的正四面体结构,1884,年,Fischer,(,德,),糖的化学结构研究的开始,在,氰酸,中加入,氨水,后蒸干得到的白色晶体并不是铵盐，到了,1828,年他终于证明出这个实验的产物是尿素。发现了,从无机物合成有机物,的方法，而被认为是,有机化学研究的先锋,。在此之前，人们普遍认为：,有机物只能依靠一种生命力在动物或植物体内产生,；,人工只能合成无机物而不能合成有机物,。维勒的老师永斯,贝采利乌斯当时也支持,生命力论学说,，他写信给维勒问他能不能在实验室里“制造出一个小孩来”。后来，还发现,同分异构体现象,，发现并,制备铝,等元素单质。,弗里德里希,维勒（,Friedrich Wohler,，,1800-1882,），德国著名的有机化学家。少年时代特别喜爱收集、研究矿物和做化学实验。,1820,年入马尔堡大学。,1828,年以对尿素的研究获得医学博士学位，后又去,贝采里乌斯,留学一年。,李比希（,Justus von Liebig,1803-1873,），农业化学的奠基人、生理化学及碳水化合物化学的创始人之一。,1826,在德国建立,李比希实验室,，首创,在大学教授化学实验,，创刊了“,李比希刊,”。专著,有机化学在生理学和病理学上的应用,。首次提出,新陈代谢,名词，研究土壤化合物，对脂肪、血液、胆汁和肌肉提取物进行研究。长期与维勒一起工作,费歇尔（,Emil Fischer 1852-1919,），他发现了,苯肼,，对,糖酶、氨基酸、嘌呤、蛋白质,的研究取得了突出的成就，荣获,1902,年的诺贝尔化学奖。,他的贡献主要有四个方面：,对,糖类,的研究,1890,，合成了,12,个己醛糖,对,嘌呤,类化合物的研究,对,蛋白质,，主要是,氨基酸、多肽,的研究,在,化工生产和化学教育上的贡献,1852,年,10,月,9,日，费歇尔生于德国波恩附近的奥斯吉城镇,商人家庭,，,1869,年春以全班第一名的成绩中学毕业。酷爱数学和物理学。父亲的评价：“这孩子,太笨,，,不是经商做买卖的料,，还是继续读书吧”。父亲对我和堂弟奥托,费歇尔的职业选择起了决定性作用”。,1871,年春进入波恩大学,(,著名有机化学家,凯库勒,任化学教授）。,1872,年秋，二人转学到古老的斯特拉斯堡大学，遇上了良师益友,拜耳,(A.Von Baeyer),。,1874,年在拜耳的指导下完成论文“有色物质的荧光和苔黑素”，获博士学位,(,该校有史以来,最年轻的博士,),。毕业后留校任助教，不久发现,苯肼,。,1892,年,(40,岁,),，受聘柏林大学化学教授（教育部提议凯库勒、拜耳和费歇尔为霍夫曼继任候选人）。在柏林大学继续从事,糖和嘌呤,的研究，并开始转向新的研究领域,蛋白质和酶化学，,奠定了现代蛋白质和酶化学的基础,。,1902,年，费歇尔因研究嘌呤和糖的卓越成就获诺贝尔化学奖。四次任德国化学会主席，八次任副主席之职，是普鲁士科学院院士。,1914,年第一次世界大战爆发，被政府任命为煤焦油产品生产委员会主席和氮肥增产委员会主席。,1919,年,7,月,15,日，一代科学伟人在柏林自己的寓所服下,氢氰酸自杀身亡,，终年,66,岁。,生命的化学,生命的定义,自我复制（,self-replication,）,自我装配（,self-assemble,）,自我调节（,self-regulation,）,The main features of the living matters,1.A high degree of chemical complexity and,microscopic organization.,2.Metabolize-extract,transform,and use nutrients and energy from their environment,3.Respond(adapt and survive)by finding energy and raw materials through interacting with their surroundings,4.Self replicate and self assembly(reproduce and perpetuate),5.Evolve and diversify,(a)microscopic,complexity,(b)energy,comsumption,food chain,(c)reproduction,生命元素的诞生,150-200,亿年前,，宇宙发生了一次,热的富含能量的亚原子颗粒的大爆炸,，几秒钟内，产生了最简单的元素（,H,和,He,）。在宇宙膨大和冷却后，在重力的作用下，物质浓缩形成了星球。一些星球变得巨大无比，然后爆炸，释放能量使较为简单的原子核融合为更为复杂的元素。因此,经过数十亿年形成了今天的地球及地球上的化学元素,。,约在,40,亿年前,，生命出现了,能从有机化合物或太阳获取能量的简单的微生物,，利用这些能量，它们,将地表简单的元素和化合物构造成大量的更为复杂的生物分子,。生物化学回答的是成千上万种不同的生物分子是如何相互作用来展示生命体显著的生命特征的。,The origin of the universe,组成生物分子的元素,18,世纪后期，化学家们开始认识到,组成生命体的物质与无生命的世界差异极大,。,Antoine Lavoisier1743-1794,）注意到“矿物世界”的简单性，并与复杂的“植物和动物世界”进行了比较，后来他知道，生物组成分子,富含碳、氧、氮和磷,。,生命元素的丰度,90,多种天然元素中只有,30,种之多的元素对生命有机体是必需的,，大多数有机体的组成元素的原子序数相对地低，只有,5,种元素的原子序数高于硒（,34,）。,有机体中最丰富的,4,种元素是,C,、,H,、,O,和,N,，它们的总和超过了大多数细胞质量的,99%,，它们是最轻的能够形成一个、二个、三个和四个价键的元素，但,最轻的元素形成最强的价键,。,痕量元素（,trace element),代表人体最轻的重量，但,对生命却是必须,的，通常因为它们对一些蛋白质，包括酶的功能为必须。例如，血红蛋白分子输送氧的能力绝对依赖于只占总质量,0.3%,的四个铁离子。,组成生命的元素的丰度,生命分子是碳的化合物,生命有机体的化学是,围绕着碳被组织,起来的。,C,与,H,可以形成单键连接,，,与,O,和,N,可以形成单键或双键连接,。生物学中,C,与,C,可以形成稳定的单键,，,一个碳原子可以与,一个、二个、三个或四个,其他碳原子形成稳定单键，两个碳原子可以共享两或三对电子，形成双键或三键,。,生物分子中共价连接的碳原子可以形成,线状的,、,分支的,或,环状的,结构。,功能基团决定了分子的化学特性,绝大多数生物分子可以看成是,碳氢化合物的衍生物,，碳氢化合物的,骨架非常稳定，,氢原子可以被各类功能基团取代生成不同的有机化合物家族,，典型的有,醇、胺、醛和酮、羧酸等,。,多数生物分子是,多功能,的，含有两个或更多个不同的功能基团，,每一种基团都有其自身的特点和反应,。化学词语中说某化合物的“个性、性质”，如肾上腺素或乙酰辅酶,A,，就是,由其功能基团的性质和它们在三维空间中的位置决定的,。,一些常见的生物分子的功能基团,生物分子中一些常见的功能基团,生命的物质基础,几乎所有生命有机体的有机化合物，,形成后都是生物活性物质。,这些分子在生物进化过程为了适应特定的生物化学和细胞学功能被选择下来。,生物分子,可以这样定义或理解：,原子之间的,结合类型,，涉及,结合的形式和强度,、,三维分子结构和化学活性,，,三维结构,在生物化学中特别重要,。生物学作用如酶与底物的作用、抗体与抗原的作用、激素和受体的作用，都是,高特异性,的。这种特异性靠分子之间的,立体互补和静电互补,来实现，显著的是，,维持三维结构的作用力之中的是非共价作用,，单个作用力弱，但有显著的累积效应。,有机体与无生命物质的区别,首先是,化学复杂性和组织的程度,，成千上万种不同的分子组成一个复杂的细胞结构，而无生命物质,粘土、沙子、岩石、海水，通常是相对简单的一些化合物的混合物。,其次，生命有机体,从它们的环境吸收、转化和利用能量,，通常是,化学营养物或太阳光能,这些能量使得有机体,建造和维持它们的复杂结构，并作机械、化学、渗透和其他形式的功,。无生命物质不能以系统的或动力的形式利用这些能量来维持结构或作功。,有机体与无生命物质的区别,第三，生命有机体,有精确的自我复制或自我装配的能力,，是生命有机体的,精华特征,。一个细菌放在无菌的营养培养基中，,24,小时可以制造出十亿个一样的“子代”细胞，每一个细胞含有成千上万种不同的分子，有些非常复杂，但每个细胞都是原始细胞的一份真实拷贝。,第四，有机体的,每一个成分都有一种或一种以上特定的功能,。,生物化学以,统一的化学术语言,解释不同的生命形式,有机体的差别极大，但生物化学的研究表明，,所有有机体在细胞和化学水平上是十分相似的,。生物化学,用分子的语言描述所有生命体的结构、机制和化学过程，提出各种生命变异形式下生命的组织原理,-,生命的分子逻辑,。虽然生物化学,在医学、农业、营养和工业方面提供了重要的前景和实际应用,，但其,最终的焦点还是关注对生命自身的了解,。,所有大分子都由简单的化合物构造,大多数有机体系统的分子由,C,原子,与其他,C,原子,或者,H,原子、,O,原子或,N,原子共价连接而成，碳原子的特殊结合特性允许形成一大类不同的分子，有机化合物的分子量（也称相对分子质量）低于,500,，如氨基酸、核苷酸和单糖，被称为大分子如蛋白质、核酸及多糖的,单体亚基,。一个单个的蛋白质分子可能含有,1000,或更多个氨基酸残基，脱氧核糖核酸（,DNA,）可能有数百万个核苷酸组成。,有限数量的,单体,组成,生命物质,大肠杆菌的每个细胞含有,几千种不同的有机化合物,，包括,一千种不同的蛋白质,，,同样数量的不同的核酸分子,及,数百种类型不同的糖和脂,。在人体内，有数万种不同的蛋白质，多种类型的多糖和脂及多种其他的低分子量化合物。,DNA,仅由,四种,不同的单体,脱氧核糖核苷酸,组成，,RNA,也只有,四种,不同的,核苷酸,组成。,蛋白质,由,20,种,不同的,氨基酸,组成。,8,种核苷酸组成了所有生物的核酸，,20,种氨基酸组成了所有生物的蛋白质。,特殊的单体亚基,序列,及大分子的,空间排列,形成了大分子特别的,生物学功能,，如,基因、催化剂、激素,等等。,Monomeric subunits in linear sequences can spell infinitely complex messages.The number of different sequences possible(,S,)depends on the number of different kinds of subunits(,N,)and the length of the linear sequence(,L,):,S=N,L,.For,an average-sized protein(L,400),S,is 20,400,an astronomical number.,生命物质单体往往不止一种功能,组成生命体所有大分子的,单体亚基往往行使不止一种功能,，如,核苷酸,，不仅是,组成核酸的单体,，还是,能量载体分子,、物质,活化分子及信号分子,；,氨基酸,既是,蛋白质的组成成分,，还是,激素,、,神经递质,、,色素,和,其他类型生物分子,的前体。,生命活动离不开能量供应,能量是生物化学的一个中心主题，,细胞和生命体依靠,源源不断的能量供应,来,抵抗无情的以最低能量状态的衰减趋势,。,信息的储存和表达,需要消耗能量，没有能量，富含信息的结构将不可避免的变得无序和没有意义。与工厂里的合成一样，细胞中发生的,合成反应,需要能量的输入。能量在一个,细菌的运动,、或者一个奥林匹克,赛跑选手,、或者,萤火虫的发光,、或者一个,鳗鲡的放电,中被消耗。细胞有一种有效机制可以,偶联太阳或燃料的能量,来满足生命的需要。,有机体与它们的环境永远也不会平衡,生物进化中第一个形成的细胞应该是,油性膜包裹的,原始细胞的水溶性分子，,使之隔离并允许累积相对高的浓度,，,有机体内所含的分子和离子与其环境相比，在类型和浓度上不同,。例如，淡水鱼的细胞与其所处水环境相比所含有的无机离子的浓度差别很大，蛋白质、核酸、糖和脂肪等存在于鱼体内，但环境介质中几乎不存在这些分子，而只含有比较简单的分子如二氧化碳、分子氧和水。,只有通过不断地消耗能量，鱼才能够建立和维持这种与环境浓度的明显差异,，在鱼死后，鱼的组成分子才渐渐释放，与环境保持平衡。,生命有机体与它们所处的环境不平衡，死亡和腐烂才回复平衡,分子组成反映了一种,动力学,上的恒稳态,虽然,一个生物体的化学组成在整个时间内几乎是恒定的,，但一个细胞或生物体内的分子群却远远不是恒稳态。,分子通过不断的化学反应被合成和分解,，需要,不断地向系统输入物质和能量,。现在从你的肺中携带氧到你大脑中的血红蛋白分子是上个月合成的，到下个月，它们将会被降解，并由新的血红蛋白分子所取代。你刚刚从你食物中摄取的葡萄糖现在正在你的血流中循环，在今天结束前，这些特定的葡萄糖分子将会被转化为其他的分子如二氧化碳或脂肪，将会被新来源的葡萄糖分子所取代。血液中血红蛋白和葡萄糖的数量几乎是一个恒量，因为,合成或摄入的速度将会与其降解的速度达到平衡,。浓度上的恒定是动力学恒态的结果。,生物从它们的环境转化能量和物质,生命细胞和生物体必须,作功来保持存活和繁殖自身,，,细胞成分的不断,合成,需要化学能、,逆浓度梯度积累,和,保持盐份,及各种有机化合物涉及,渗透能、肌肉收缩或细菌鞭毛的运动,需要机械能，,生物化学研究能量的吸收、转运和消耗过程,，因此需要建立了解生物能学的基本原理。,生物体是一个开放体系，与环境交换物质和能量，,生物体通过两种策略由环境获得能量,：由环境获取化学燃料并通过氧化得到能量、由太阳光能吸收能量。,热力学第一定律适用于生物体系,生物体利用燃料或太阳光的能量构建和维持它们的复杂性，特别是结构。,不论发生化学或物理的任何改变，能量总的是守恒的，但能量的形式可能会变。,生命有机体的细胞是在恒定的温度下的一种化学引擎。,电子流为生物体提供能量,几乎所有生命有机体都直接或间接地从太阳光的辐射能量获得能量,，这种光能发生于太阳中的热核聚变反应。光合作用细胞吸收光能，用于驱动水分子中的电子到二氧化碳，生成能量丰富的产物如淀粉和蔗糖，并释放分子氧到大气中去。非光合作用细胞和有机体通过氧化光合作用产生的能量丰富的物质获得需要的能量，并传递电子到大气氧生成水、二氧化碳及其他终产物，在环境中被再循环。,事实上,所有生物所需要的能量直接或间接地都来自于太阳能,。在氧化还原反应中，,电子的流动成为生命细胞能量转换的基础,。,生物化学的研究内容,及发展简史,生物化学的定义,生命的化学,，是研究生物体（微生物、植物、动物及人体等）,化学组成；生命物质的结构、功能及分离纯化方法；生命过程中的化学及能量变化；遗传物质的信息传递及调控,的一门科学。研究内容包括,:,生物体的,物质组成,、,物质的结构,、,功能,；物质的,分离和分析方法,；从分子水平上看生物的组成。,这些物质在生物体内发生的,变化及变化的过程,。,分子水平上,的物质的,结构、代谢,与客观上的,生物功能及复杂的生命现象之间的关系,。,4.,遗传物质的信息传递及调控,。,什么是生物化学,生物化学的研究对象,是生命体内的各类物质的结构,功能和作用过程与机理。英语中有,Biochemistry,和,Biological chemistry,两个术语。生物化学有,三个源头,：,有机化学,:,氨基酸、蛋白质、糖、脂质、,核苷酸、核酸,医学生理学：,维生素、激素、辅酶,发酵工业：,酶学、物质代谢,生物化学于生命科学,就象,ABC,于英语,1903,年,Neuberg,提出“生物化学”一词,静态生物化学,动态生物化学,机能生物化学,是研究生物体的,化学组成与性质（,静态生化，,Static Biochemistry,),，以及机体内所进行的,化学变化,(,动态生化，,Dynamic Biochemistry,),的科学。,Biochemistry,Biology,Chemistry,1877,年，德国医生,霍佩,-,赛勒,(Ernst Felix Hoppe-Seyler),（,1825-1895,）为了将,生理化学,建成一门独立的学科，首次提出“,Biochemie”,，译为英语名词为,Biochemistry,或,Biological Chemistry,，即生物化学。他还首次获得纯的,卵磷脂,及晶体状的,血红素,。首创,蛋白质,(Proteide),一词。还研究过代谢、叶绿素和血液。,他的学生,Friedrich Miescher,（,1844-1895,）从脓细胞的细胞核中分离出,nuclein,（脱氧核糖核蛋白）（,1871,）,他的另一位学生,Albrecht Kossel,（,1853-1927,）因对蛋白质、细胞及细胞核化学的研究获得,1910,年诺贝尔生理学或医学奖，他分离到腺嘌呤、胸腺嘧啶、胸腺核苷酸，还分离出组氨酸。,现在知道,生命体内的主要物质是,:,蛋白质,氨基酸,，核酸,核苷酸,，糖类,和,脂类,。还有一类所占比例很小但功能很重要的小分子,维生素,和,激素,。这些分子中,对脂质的研究最早,19,世纪上半叶对其结构就有了较深入的理解。对,糖,的结构的认识多半要归功于,Emil Fischer,从,1884,年开始的研究工作。而,发酵工业,的发展使,酶学和代谢学,有了发展。化学与医学、生理学的结合则导致了,维生素,、,激素,、,必需氨基酸,、,必需脂肪酸,的发现。对,核酸的认识起步较晚,在,1870,左右才注意到其存在,19,世纪末又是,Emil Fischer,对嘌啉进行了较深入的研究,成为我们对核酸结构理解的开幕。,生物化学在,1920,年以后开始进入高速发展期。,发展简史（一）,现代生物化学从,18,世纪下半叶拉瓦锡研究燃烧和呼吸开始；,中间代谢产物的首次发现；,1835,年，贝采利乌斯说明催化作用；,1848,年，肌肉热能来源及肝脏的生糖功能；,1859,年，,物种起源,；,1865,年，孟德尔的豌豆杂交实验和遗传定律；,1877,年，,Biochemistry,和,Journal of Biochemistry;,国际生化研究中心的变迁；,生物化学的发展趋势；,1928,年 德国,Whler,NH,4,CNO,CO(NH,2,),2,发展简史（二）：二十世纪的前五十年,20,世纪的前,30,年：生理学、化学。,营养学,的真正的黄金时代。,20,年代，,1926,年,Sumner,（美国）从刀豆中得到,脲酶的结晶。,30,年代，,1933,1936,年,Krebs,提出了著名的,尿素循环和三羧酸循环。,40,年代前后，能量代谢，,生物能学。,20,世纪中期生物化学成为一门独立和成熟的学科,发展简史（三）：分子生物学的诞生,1950,年,Pauling,（美国）等，蛋白质的二级结构：,-,螺旋,1955,年,Sanger,（英国）胰岛素一级结构的测定,1953,年,Watson,（美国）和,Crick,（英国）,DNA,双螺旋结构,DNA,双螺旋结构的提出使生物化学发展到一个新的阶段,分子生物学,阶段,核酸的研究进展很快，在核酸一级结构测定和,核酸人工合成方面取得显著成果。,60,年代，,1961,年法国,Jacob,和,Monod,操纵子模型,70-80,年代，进入生物工程的研究。,基因工程、蛋白质工程、酶工程、细胞工程、发酵工程等。第一个基因工程产物,somatostatin,。,90,年代，,1990,年启动了,人类基因组计划（,HGP,）,。,20,世纪末和,21,世纪初，随着人类基因组全序列测定的基本完成，生命科学进入了,后基因组时代,，产生了,功能基因组学、蛋白质组学、结构基因组学、生物信息学、糖原学,等。,分子生物学的快速发展,生物化学与其他学科,的关系及实践应用,1.,生物化学与化学的关系,生物化学是在有机化学（,Organic chemistry,),和生理学,(Biophysiology),的基础上发展起来的,.,生物学,动物学,植物学,微生物学,化学,生物学,生物化学,2.,生物化学与分子生物学的关系,现代的生物化学与分子生物学几乎是融为一体的学科。如果说要细分，那就是生物化学是分子生物学的基础，没有这个基础，分子生物学就是无本之木，无源之水。例如，基因工程中目的基因的获得，扩增，转化，翻译，调控都必须有生化知识和技术。,3.,生物化学与生物科学的关系,可以说任何一门生物科学都离不开生物化学。最古老的学科，动物分类学、植物分类学、动物解剖学，目前都应用了生物化学技术，根据研究对象和目的，生物化学分为：,植物生物化学 工业生物化学,动物生物化学 农业生物化学,人体生物化学 基因生物化学,微生物生物化学 衰老生物化学,病理生物化学 食品生物化学,临床生物化学 运动生物化学,工业方面：,纺织工业,制革工业,食品工业,石油工业,发酵工业,医学：,疾病发生机制,药代动力学,生物制药及药品,临床诊断及诊断试剂,癌症发生及治疗,预防医学,农业,农业营养,光合作用,固氮作用,除草剂,转基因农作物,环境保护,新材料,新剂型,化妆品,其他,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-Crick,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,2001,年完成,进入,后基因组时代,生物化学中的关键技术,比色,（,colorimetry)(19,世纪,30-40,年代,),。,电泳,(electrophoresis)(1923,）生物大分子的分离、分析。,超离心,(Ultracentrifugation)(1925,）蛋白质、细胞亚器官的 分离；分子量的确定,同位素标记,isotope labelling),（,1934,）物质代谢途径、生物大分子结构测定,层析,(chromatography),（,1944,）,生物大分子的分离纯化,X-,光衍射、,NMR,生物大分子结构测定,一、地球上的生命体（,organism,）,中化学物质的种类、结构、功能，和新陈代谢的规律。,二、生物化学的研究方法。,生物化学,能,告诉你什么,Questions for biochemists to answer?,(1)What are the biomolecules(composition and structure)?,(2)How do biomolecules act and interact(conferring the remarkable features of living organisms)?,(3)How are the biomolecules synthesized(biosynthesis)?,(4)How is energy generated and consumed(energy metabolism,its source and fate)?,(5)How are the myriad,of biochemical reactions regulated(the coordination problem,the network of control)?,(6)What is the carrier of genetic information and how is it expressed and transmitted(information pathway)?(preserved faithfully),(7)How do cells and organisms grow,differentiate,and reproduce?,(8)What is the molecular basis of evolution?,(9)What makes living organisms so diversified?(advantages,purposes and natural tendencies),(10)How do we make use of life and knowledge about life for the benefits of human being(biotechnology,quality of life,societal welfare)?,生物化学,不能,回答的问题,地球上最早的生命是如何出现的？又是什么样子？它的物质基础是什么？,DNA,和蛋白质什么时候建立了,“软件”,和,“硬件”,的关系？宇宙中有没有不同于地球生命的生命体？,宇宙并非自古亘生,它一直在不停地演化，从,B