緒論生物化學(xué)簡明教程第1頁/共48頁再也沒有什么比生命更加美麗Whatmakesourglobesolivelyandbeautiful?Nothingismorebeautifulthanlife!生機(jī)盎然郁郁蔥蔥Lifeisbeautiful!第2頁/共48頁Diverseisbeautiful!生命的多樣性第3頁/共48頁第4頁/共48頁生命是什么？自我復(fù)制(self-replication)自我裝配(self-assemble)自我調(diào)節(jié)(self-regulation)第5頁/共48頁生命的共同“語言”－化學(xué)著名的諾貝爾獲獎(jiǎng)?wù)?-阿瑟·科恩伯格（ArthurKornberg）在哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院建校100周年時(shí)說：“所有的有機(jī)生命體都有一個(gè)共同的語言，這個(gè)語言就是化學(xué)。”第6頁/共48頁生物化學(xué)Biochemistry、Biologicalchemistry、Chemistryoflife、Physiologicalchemistry用化學(xué)的方法研究生物體的物質(zhì)組成及其在生命活動(dòng)過程中所發(fā)生的化學(xué)變化；在分子水平揭示生命體深層次的內(nèi)在規(guī)律；用化學(xué)的原理和方法，從分子水平來研究生物體的化學(xué)組成，及其在體內(nèi)的代謝轉(zhuǎn)變規(guī)律從而闡明生命現(xiàn)象本質(zhì)的一門科學(xué)。第7頁/共48頁1.1生物化學(xué)的研究內(nèi)容生物體的化學(xué)組成，生物分子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及功能；生物分子的分解與合成，反應(yīng)過程中的能量變化，及新陳代謝的調(diào)解與控制；生物信息分子的合成及其調(diào)控，也就是遺傳信息的貯存、傳遞和表達(dá)從分子水平上探索和解釋生長、發(fā)育、遺傳、記憶與思維等復(fù)雜生命現(xiàn)象的本質(zhì)第8頁/共48頁1.2生物化學(xué)發(fā)展簡史可以追溯到人類早期對(duì)食物的選擇和初步加工；作為一門獨(dú)立的自然科學(xué)，只有近200年的歷史，即18世紀(jì)后才逐步形成的；1877年德國醫(yī)生霍佩-賽勒（Hope-Sayler）首次提出Biochemie一詞；但是其發(fā)展非常迅速，目前已成為自然科學(xué)領(lǐng)域發(fā)展最快、最引人注目的學(xué)科之一。第9頁/共48頁中國：古代4200年前已開始釀酒、制醋、制醬；掌握生產(chǎn)豆腐的工藝（賈思勰的《齊民要術(shù)》，是我國最早的一部完整的古農(nóng)書）。世界：生化是在物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)有了一定發(fā)展才出現(xiàn)的近代生化發(fā)展史：（1）靜態(tài)生化：18世紀(jì)下半葉開始，主要工作：

組成、結(jié)構(gòu)、生理功能（萌芽時(shí)期）（2）動(dòng)態(tài)生化：1930年后研究代謝過程（奠基時(shí)期）（3）機(jī)能生化：分子生物學(xué)、蛋白質(zhì)、核酸、DNA--雙螺旋模型--分子遺傳學(xué)

（發(fā)展時(shí)期）生化在幾十年中飛速發(fā)展，在較短年代里集中著大量科學(xué)發(fā)現(xiàn)。其中很多都稱的上是人類認(rèn)識(shí)自然界的里程碑，有劃時(shí)代的意義。有相當(dāng)數(shù)量的科學(xué)家因此獲得“諾貝爾獎(jiǎng)”第10頁/共48頁卡爾·威爾海姆·舍勒CarlWilhelmScheele（1742－1786）瑞典化家學(xué)1770-1786年，分離得到甘油、檸檬酸、蘋果酸、乳酸、尿酸、酒石酸等。奠定現(xiàn)代生物化學(xué)基礎(chǔ)的工作靜態(tài)生化第11頁/共48頁1780-1789Lavoisier研究“生物體內(nèi)的燃燒”，指出此類“燃燒”耗氧并排出二氧化碳。后人稱他為“生物化學(xué)之父”安托萬-洛朗·德·拉瓦錫Antoine-LaurentdeLavoisier(1743-1794)法國化學(xué)家生物氧化及能量代謝研究的開端靜態(tài)生化第12頁/共48頁尤斯圖斯·馮·李比希JustusvonLiebig（1803－1873）

德國化學(xué)家是農(nóng)業(yè)化學(xué)的奠基人，也是生物化學(xué)和碳水化合物化學(xué)的創(chuàng)始人之一。首次提出新陳代謝這個(gè)學(xué)術(shù)名詞。發(fā)現(xiàn)了馬尿酸、氯仿。靜態(tài)生化第13頁/共48頁與Liebig

1828年在實(shí)驗(yàn)室合成了尿素。從而推翻了有機(jī)化合物只有在生物體內(nèi)部合成的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。弗里德里?！の掷誇riedrichW?hler（1800－1882）德國化學(xué)家時(shí)期特征：生物體內(nèi)糖類、脂類及氨基酸等均被詳盡的研究靜態(tài)生化第14頁/共48頁1890-1902Fischer首次證明了蛋白質(zhì)是多肽；發(fā)現(xiàn)酶的專一性，提出并驗(yàn)證了酶催化作用的“鎖－匙”學(xué)說；合成了糖及嘌呤。赫爾曼·埃米爾·費(fèi)歇爾HermannEmilFischer（1852-1919）德國化學(xué)家1902年獲得諾貝爾獎(jiǎng)生物化學(xué)的創(chuàng)始人動(dòng)態(tài)生化第15頁/共48頁得到脲酶的結(jié)晶，證明了酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)。詹姆斯·B·薩姆納JamesBatchellerSumner（1887-1955）美國化學(xué)家動(dòng)態(tài)生化1946年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)第16頁/共48頁三羧酸循環(huán)或檸檬酸循環(huán)或克氏循環(huán)（Tricarboxylicacidcycle

orCitricAcidcycleorKrebscycle）克雷布斯HansAdolfKrebs（1900-1981）英國化學(xué)家動(dòng)態(tài)生化1953年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)代謝研究的里程碑第17頁/共48頁1961年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)因與AndrewBenson和JamesBassham發(fā)現(xiàn)卡爾文循環(huán)，或稱Calvin-Benson-Bassham循環(huán)而聲名顯著梅爾文·埃利斯·卡爾文MelvinEllisCalvin（1911-1997）美國化學(xué)家動(dòng)態(tài)生化時(shí)期特征：對(duì)生物物質(zhì)代謝、平衡等進(jìn)行了廣泛深入的研究，基本闡明了酶的化學(xué)本質(zhì)以及與能量代謝有關(guān)的物質(zhì)代謝途徑。第18頁/共48頁指出鐮刀形紅細(xì)胞貧血是一種分子病，并于1951年提出蛋白質(zhì)存在二級(jí)結(jié)構(gòu)。萊納斯·鮑林LinusCarlPauling（1901-1994）美國化學(xué)家機(jī)能生化1954年獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)1962年獲諾貝爾和平獎(jiǎng)量子化學(xué)和結(jié)構(gòu)生物學(xué)的先驅(qū)者之一第19頁/共48頁1953年首次描繪了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，使人們第一次獲知基因結(jié)構(gòu)的實(shí)質(zhì)機(jī)能生化1962年共獲諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)?wù)材匪埂の稚↗amesD.Watson）弗朗西斯·克里克（FrancisH.Crick）第20頁/共48頁機(jī)能生化1978年共獲諾貝爾獎(jiǎng)漢彌爾頓·史密斯HamiltonO.Smith美國微生物學(xué)家丹尼爾·那森斯DanielNathans美國分子生物學(xué)家沃納·亞伯WernerArber瑞士微生物學(xué)家1969-1972年，在核酸限制酶的分離與應(yīng)用方面做出突出貢獻(xiàn)第21頁/共48頁機(jī)能生化1980年共諾貝爾獎(jiǎng)赫伯特·韋恩·伯耶HerbertWayneBoyer美國微生物學(xué)家基因工程之父保羅·伯格PaulBerg美國生物學(xué)家第一個(gè)重組的DNA1972Berg在基因工程基礎(chǔ)研究方面作出了杰出成果第22頁/共48頁機(jī)能生化1986年獲得諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)斯坦利·科恩StanleyCohen美國生物化學(xué)家1973年StanleyCohen等（美）用核酸限制性內(nèi)切酶EcoR1，首次基因重組成功時(shí)期特征：科學(xué)家對(duì)生物的研究已從整體水平逐步深入到細(xì)胞、亞細(xì)胞、分子水平。伴隨實(shí)驗(yàn)手段、技術(shù)的不斷改進(jìn)，使得對(duì)生物大分子結(jié)構(gòu)及功能的研究也更加深入。第23頁/共48頁2001年Venter（美）等報(bào)道完成了人類基因組草圖測(cè)序第24頁/共48頁我國生物化學(xué)的開拓者——吳憲教授蛋白質(zhì)研究領(lǐng)域內(nèi)國際上最具有權(quán)威性的綜述性叢書《AdvancesinProteinChemistry》第47卷（1995年）發(fā)表了美國哈佛大學(xué)教授、蛋白質(zhì)研究的老前輩J.T.Eddsall的文章“吳憲與第一個(gè)蛋白質(zhì)變性理論（1931）HsienWuandthefirstTheoryofProteinDenaturation(1931)”，對(duì)吳憲教授的學(xué)術(shù)成就給予了極高的評(píng)價(jià)。該卷還重新刊登了吳憲教授六十四年前關(guān)于蛋白質(zhì)變性的論文。一篇在1931年發(fā)表的論文居然在1995年仍然值得在第一流的叢書上重新全文刊登，不能不說是國際科學(xué)界的一件極為罕見的大事。第25頁/共48頁個(gè)體水平種群群落生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)圈系統(tǒng)器官組織亞細(xì)胞分子水平當(dāng)今生物學(xué)的發(fā)展方向微觀方向←經(jīng)典生物學(xué)→宏觀方向（形態(tài)、解剖、分類）第26頁/共48頁1.2.1蛋白質(zhì)的研究歷程蛋白質(zhì)研究的初級(jí)階段蛋白質(zhì)研究的發(fā)展階段

（1）蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的測(cè)定

（2）蛋白質(zhì)功能的研究

（3）蛋白質(zhì)組學(xué)的發(fā)展第27頁/共48頁1.2.1核酸的研究歷程核酸的發(fā)現(xiàn)及結(jié)構(gòu)的確定核酸功能及規(guī)律的研究轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用基因組計(jì)劃（人體、植物）RNA干擾及應(yīng)用微核糖核酸（miRNA）的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用核酸疫苗的發(fā)現(xiàn)、研究及利用DNA甲基化核酸營養(yǎng)研究第28頁/共48頁1.3知識(shí)框架和學(xué)習(xí)方法生物的種類千差萬別，生命現(xiàn)象錯(cuò)綜復(fù)雜，但是在分子水平上，生命的物質(zhì)組成及其變化規(guī)律有著驚人的一致性。建立對(duì)生命現(xiàn)象基本原理整體框架的認(rèn)識(shí)，可以掌握生物化學(xué)知識(shí)結(jié)構(gòu)的脈絡(luò)，化繁為簡有助于對(duì)生物化學(xué)研究內(nèi)容和知識(shí)的理解。第29頁/共48頁1.3.1生命物質(zhì)主要元素組成的規(guī)律種類：常見的有28種，不同生物體的元素種類大體相同常量元素：含量占生物體總重量萬分之一以上微量元素：含量占生物體總重量萬分之一以下生物生命活動(dòng)所必需但需要量很少第30頁/共48頁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、Cl97.3%微量元素：V、Ni、B、Sn、Si、Fe、I、Zn、Mn、Co、Mo、Cu、Se、Cr、F、A以上28種元素對(duì)于構(gòu)成生物大分子的結(jié)構(gòu)，對(duì)維持生物體的物質(zhì)代謝、能量代謝及生命過程的各種生理功能起著至關(guān)重要的作用，稱為生物體的必需元素（essentialelement）第31頁/共48頁碳的幾種成鍵方式N、O、S、P元素構(gòu)成了生物分子碳骨架上的氨基、羥基、羰基、羧基、巰基、磷酸基等功能基團(tuán)（極性基團(tuán)而具有親水性）。第32頁/共48頁1.3.2生物大分子組成的共同規(guī)律種類：蛋白質(zhì)、核酸、糖類、脂質(zhì)在結(jié)構(gòu)上有著共同的規(guī)律性復(fù)雜多變導(dǎo)致了生物多樣性與各種神奇的生命現(xiàn)象產(chǎn)生生物大分子均由相同類型的構(gòu)件通過一定的共價(jià)鍵聚合成鏈狀，其主鏈骨架呈現(xiàn)周期性重復(fù)。第33頁/共48頁蛋白質(zhì)的構(gòu)件分子是20種基本氨基酸，氨基酸之間通過肽鍵相連。肽鏈具有方向性（N端-C端），蛋白質(zhì)主鏈骨架呈“肽單位”重復(fù)。核酸的構(gòu)件分子是核苷酸，核苷酸通過3’，5’-磷酸二酯鍵相連，核酸鏈也具有方向性(5’-3’)，核酸的主鏈骨架呈“磷酸-核糖（或脫氧核糖）”重復(fù)。脂質(zhì)的構(gòu)件分子是甘油、脂肪酸和一些其他取代基，其非極性烴長鏈也是一種重復(fù)結(jié)構(gòu)。多糖的構(gòu)件分子是單糖，單糖間通過糖苷鍵相連，淀粉、纖維素、糖原的糖鏈骨架均呈葡萄糖基的重復(fù)。生物大分子主干鏈的重復(fù)性是生物大分子穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。第34頁/共48頁蛋白質(zhì)—20種AA（氨基酸）核酸—5種含氮堿基（A、T、C、U、G）糖類—G6（葡萄糖）、F（果糖）脂質(zhì)—FA（脂肪酸）+甘油生物大分子有機(jī)小分子維生素、輔酶、激素、有機(jī)酸、色素等等。生物復(fù)雜多少樣，但在分子水平有簡單的統(tǒng)一性第35頁/共48頁1.3.3物質(zhì)代謝和能量代謝的規(guī)律性新陳代謝是生命的特征，生物體內(nèi)新陳代謝的途徑錯(cuò)綜復(fù)雜，更加復(fù)雜的是，幾乎每一個(gè)反應(yīng)都有一個(gè)特定的酶催化，都伴隨著能量的變化。每一個(gè)代謝途徑都可以隨著細(xì)胞的狀態(tài)變化來調(diào)控，各個(gè)途徑之間的交叉調(diào)控有條不紊。生物體用最基本的化學(xué)反應(yīng)，最簡單的組合方式，構(gòu)成了最復(fù)雜的反應(yīng)系統(tǒng)。第36頁/共48頁（1）新陳代謝的化學(xué)反應(yīng)類型C-C鍵的斷裂和形成

分子重排反應(yīng)（包括分子異構(gòu)化、雙鍵的移位及順反重排）

構(gòu)件分子間脫水縮合反應(yīng)

基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)（包括葡萄糖基、磷酰基、酰基、氨基）

氧化還原反應(yīng)（包括電子轉(zhuǎn)移、氫原子轉(zhuǎn)移、直接與氧原子結(jié)合）基團(tuán)轉(zhuǎn)移和氧化還原反應(yīng)最為常見第37頁/共48頁（2）三羧酸循環(huán)是新陳代謝的共同途徑

參與新陳代謝的各種分子之間（少數(shù)除外）通常可以相互轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換樞紐為三羧酸循環(huán)。三羧酸循環(huán)不僅是糖分解代謝的主要途徑，也是其他生物大分子氧化分解的必經(jīng)途徑。糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)、核酸首先在酶的作用下由大分子降解為小分子，即蛋白質(zhì)依次降解為多肽→氨基酸；核酸降解為核酸的碎片→核苷酸；糖類依次降解為多糖碎片→單糖；脂質(zhì)降解為甘油、脂肪酸等。

有機(jī)物的C骨架的氧化分解，是物質(zhì)分解代謝的中心。

脫氨后的氨基酸骨架、脂肪酸β氧化后形成的乙酰輔酶A，同樣也是通過三羧酸循環(huán)徹底氧化分解成CO2和H2O。第38頁/共48頁第39頁/共48頁（3）生物體內(nèi)的合成代謝也有共同的規(guī)律性

由基本的結(jié)構(gòu)單元構(gòu)建生物大分子時(shí)，結(jié)構(gòu)單元需先經(jīng)過活化，這是生物大分子合成代謝的共同規(guī)律。

合成淀粉、糖原時(shí)，葡萄糖要活化成ADPG或UDPG；

合成脂肪酸時(shí)，乙酰輔酶A要活化成丙二酰輔酶A；

合成DNA、RNA時(shí)，其結(jié)構(gòu)單元dNMP和NMP要活化成dNTP和NTP;

合成蛋白質(zhì)時(shí)，氨基酸要活化為氨酰-tRNA。

生物大分子合成時(shí)均有一定的方向性。

糖原合成時(shí)，鏈由還原端向非還原端方向延伸；

脂肪酸合成時(shí)，鏈由甲基端向羧基端方向延伸；

核酸合成時(shí)，鏈由5’端向3’端方向延伸；

蛋白質(zhì)合成時(shí)，肽鏈由N端向C端方向延伸。第40頁/共48頁（4）ATP是所有生物體內(nèi)能量的共同載體新陳代謝過程中，新的有機(jī)物不斷地被合成，另外一些有機(jī)物不斷地被分解。在復(fù)雜的代謝網(wǎng)絡(luò)中，伴隨著物質(zhì)代謝的過程，以ATP為載體的能量代謝也在持續(xù)不斷地進(jìn)行。新陳代謝規(guī)律同化作用吸收與合成→生長、發(fā)育、生殖異化作用

排泄與分解→衰老、死亡第41頁/共48頁1.3.4生物界遺傳信息傳遞的統(tǒng)一性遺傳信息的表達(dá)，即從DNA轉(zhuǎn)錄生成RNA，再翻譯生成蛋白質(zhì)，是生物體內(nèi)最為復(fù)雜的生物化學(xué)過程。不過，如此復(fù)雜的過程，在生物界卻是非常巧妙地用簡單的堿基配對(duì)和64個(gè)遺傳密碼實(shí)現(xiàn)的。DNA分子的堿基順序攜帶著生物的遺傳信息，DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中堿基配對(duì)是傳遞和表達(dá)遺