引言：生物化學(xué)的疆域與意義生物化學(xué)，作為生命科學(xué)的核心學(xué)科，致力于揭示生命現(xiàn)象的分子基礎(chǔ)。它橫跨生物學(xué)與化學(xué)，探索構(gòu)成生物體的基本物質(zhì)（如糖類、脂類、蛋白質(zhì)、核酸等）的化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)特征及其在生命活動中的變化規(guī)律與相互作用。從微觀的分子結(jié)構(gòu)到宏觀的生理功能，生物化學(xué)為我們理解生命的本質(zhì)——生長、發(fā)育、繁殖、遺傳、進(jìn)化以及疾病的發(fā)生與發(fā)展——提供了堅實的理論框架和研究工具。無論是基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)的研究突破，還是生物技術(shù)的產(chǎn)業(yè)革新，乃至臨床醫(yī)學(xué)的診斷與治療，都離不開生物化學(xué)的深刻洞見。本講義旨在引領(lǐng)學(xué)習(xí)者系統(tǒng)掌握生物化學(xué)的核心概念、基本原理與研究方法，為后續(xù)的專業(yè)學(xué)習(xí)和科學(xué)探索奠定基礎(chǔ)。第一章：糖類的化學(xué)第一節(jié)：糖類的概念與分類糖類，亦稱碳水化合物，是自然界中分布最廣、含量最豐富的一類有機(jī)化合物。從化學(xué)組成上看，糖類通常由碳、氫、氧三種元素組成，其分子式常以Cn(H2O)m的通式表示，這也是“碳水化合物”名稱的由來。然而，隨著對糖類結(jié)構(gòu)的深入認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)有些糖的組成并不完全符合此通式，如脫氧核糖（C5H10O4），而有些非糖物質(zhì)卻符合，如乙酸（C2H4O2）。因此，從功能和結(jié)構(gòu)特征出發(fā)，糖類被定義為多羥基醛或多羥基酮及其縮聚物和衍生物。糖類根據(jù)其聚合度（即組成單元的多少）可分為單糖、寡糖和多糖。單糖是不能再被水解為更小分子的糖類，是構(gòu)成其他糖類的基本單位。根據(jù)分子中碳原子的數(shù)目，單糖可分為丙糖、丁糖、戊糖和己糖等。其中，戊糖（如核糖、脫氧核糖）和己糖（如葡萄糖、果糖、半乳糖）在生物體內(nèi)最為重要。根據(jù)其羰基的位置，單糖又可分為醛糖和酮糖，例如葡萄糖是己醛糖，而果糖是己酮糖。寡糖是由2至10個單糖分子通過糖苷鍵連接而成的糖類。常見的寡糖包括二糖，如蔗糖（由一分子葡萄糖和一分子果糖組成）、麥芽糖（由兩分子葡萄糖組成）和乳糖（由一分子葡萄糖和一分子半乳糖組成）。這些二糖在生物體中常作為能量的儲存形式或運(yùn)輸形式。多糖則是由多個（通常為數(shù)百至數(shù)千個）單糖分子通過糖苷鍵連接而成的高分子化合物。根據(jù)其功能，多糖可分為儲存多糖和結(jié)構(gòu)多糖。儲存多糖如植物中的淀粉和動物體內(nèi)的糖原，它們是機(jī)體重要的能量儲備物質(zhì)。結(jié)構(gòu)多糖如植物細(xì)胞壁的主要成分纖維素，以及真菌細(xì)胞壁和昆蟲外骨骼中的幾丁質(zhì)，它們賦予生物體結(jié)構(gòu)上的支持與保護(hù)。第二節(jié)：單糖的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)單糖的結(jié)構(gòu)是理解其性質(zhì)和功能的基礎(chǔ)。以葡萄糖為例，其開鏈結(jié)構(gòu)為己醛糖，含有四個手性碳原子，因此存在多種旋光異構(gòu)體。在水溶液中，單糖的醛基或酮基會與分子內(nèi)的羥基發(fā)生反應(yīng)，形成環(huán)狀半縮醛或半縮酮結(jié)構(gòu)。對于葡萄糖，通常形成六元環(huán)（吡喃環(huán)）結(jié)構(gòu)，稱為吡喃葡萄糖；而果糖則常形成五元環(huán)（呋喃環(huán)）結(jié)構(gòu)，稱為呋喃果糖。環(huán)狀結(jié)構(gòu)的形成使得單糖分子中出現(xiàn)了一個新的手性中心（異頭碳），從而產(chǎn)生了α和β兩種異頭體。單糖具有多種重要的化學(xué)性質(zhì)。由于其分子中含有醛基或酮基等羰基以及多個羥基，單糖是極性分子，易溶于水，難溶于有機(jī)溶劑。氧化反應(yīng)：醛糖的醛基具有還原性，能被弱氧化劑如斐林試劑、班氏試劑氧化成羧基，生成相應(yīng)的糖酸，這類糖稱為還原糖。酮糖在堿性條件下可發(fā)生異構(gòu)化反應(yīng)轉(zhuǎn)變成醛糖，因此也具有還原性。還原反應(yīng)：單糖的羰基可被還原為羥基，生成多元醇，例如葡萄糖還原可生成山梨醇。酯化反應(yīng)：單糖分子中的羥基，尤其是半縮醛羥基，容易與酸（如磷酸）發(fā)生酯化反應(yīng)，生成磷酸酯。糖的磷酸酯是生物體內(nèi)糖代謝過程中的重要中間產(chǎn)物，如葡萄糖-6-磷酸。糖苷化反應(yīng)：單糖的半縮醛羥基能與另一分子醇或酚的羥基脫水縮合，形成糖苷。所形成的化學(xué)鍵稱為糖苷鍵，這是寡糖和多糖結(jié)構(gòu)中連接單糖單位的基本化學(xué)鍵。第三節(jié)：重要的雙糖與多糖雙糖是由兩分子單糖通過糖苷鍵連接而成。常見的雙糖有：蔗糖：由一分子α-D-葡萄糖的半縮醛羥基與一分子β-D-果糖的半縮酮羥基脫水縮合而成，分子中不再具有游離的醛基或酮基，因此蔗糖是非還原糖。它是植物體內(nèi)光合產(chǎn)物運(yùn)輸?shù)闹饕问?，也是人類飲食中最常見的食糖。麥芽糖：由兩分子D-葡萄糖通過α-1,4-糖苷鍵連接而成，分子中保留一個游離的半縮醛羥基，因此是還原糖。麥芽糖主要存在于發(fā)芽的谷粒中，尤其是麥芽中。乳糖：由一分子β-D-半乳糖的半縮醛羥基與一分子D-葡萄糖的C4羥基通過β-1,4-糖苷鍵連接而成，具有還原性。乳糖存在于哺乳動物的乳汁中，是嬰兒主要的糖類來源。多糖是生物體內(nèi)糖類的主要儲存形式和結(jié)構(gòu)成分。淀粉：是植物細(xì)胞中儲存的碳水化合物，分為直鏈淀粉和支鏈淀粉。直鏈淀粉由葡萄糖分子通過α-1,4-糖苷鍵連接而成，呈線性結(jié)構(gòu)，卷曲成螺旋狀。支鏈淀粉除了α-1,4-糖苷鍵連接的主鏈外，還通過α-1,6-糖苷鍵形成分支。淀粉在人體內(nèi)可被淀粉酶水解，最終產(chǎn)物為葡萄糖，為機(jī)體提供能量。糖原：是動物體內(nèi)儲存的多糖，主要存在于肝臟和肌肉中，其結(jié)構(gòu)與支鏈淀粉相似，但分支更多、更短。糖原是動物體內(nèi)重要的“能量庫”，當(dāng)機(jī)體需要能量時，糖原可迅速分解為葡萄糖供能。纖維素：是植物細(xì)胞壁的主要組成成分，由大量β-D-葡萄糖分子通過β-1,4-糖苷鍵連接而成的線性大分子。由于人體內(nèi)缺乏能水解β-1,4-糖苷鍵的纖維素酶，因此纖維素不能被人體消化吸收，但它作為膳食纖維，對維持腸道健康具有重要作用。第四節(jié)：糖類的生理功能糖類在生物體中具有極其重要的生理功能：1.能量供應(yīng)：糖類是生物體最主要、最直接的能量來源。在體內(nèi)通過氧化分解，釋放大量能量，滿足生命活動的需要。葡萄糖是細(xì)胞的主要能源物質(zhì)。2.能量儲存：如淀粉和糖原，作為機(jī)體在食物充足時儲存能量的形式，以備不時之需。3.結(jié)構(gòu)組成：如纖維素是植物細(xì)胞壁的骨架，幾丁質(zhì)是昆蟲外骨骼和真菌細(xì)胞壁的主要成分，它們賦予細(xì)胞和生物體一定的形態(tài)和機(jī)械強(qiáng)度。4.信息傳遞與識別：細(xì)胞表面的糖蛋白和糖脂中的寡糖鏈，在細(xì)胞間的識別、通訊、免疫反應(yīng)、信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。這些寡糖鏈如同“分子標(biāo)簽”，參與了諸如受精、胚胎發(fā)育、病原體感染等重要生命活動。5.其他功能：某些糖類還具有特殊的生理活性，如肝素具有抗凝血作用，糖胺聚糖是構(gòu)成細(xì)胞外基質(zhì)的重要成分，參與維持組織的水鹽平衡和彈性。第二章：脂類的化學(xué)第一節(jié)：脂類的概念與分類脂類是一類不溶于水或微溶于水，而易溶于乙醚、氯仿、苯等非極性有機(jī)溶劑的有機(jī)化合物。脂類的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)差異較大，但它們都具有上述共同的物理性質(zhì)。脂類在生物體內(nèi)具有多種重要功能，如能量儲存、構(gòu)成生物膜、參與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)等。根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)和組成，脂類可大致分為以下幾類：單純脂類：由脂肪酸與醇類結(jié)合而成的酯。包括甘油三酯（脂肪）和蠟。甘油三酯是由一分子甘油與三分子脂肪酸通過酯鍵連接而成，是體內(nèi)儲存能量的主要形式。蠟是由高級脂肪酸與高級一元醇形成的酯，在生物體中主要起保護(hù)作用，如皮膚表面的蠟質(zhì)、植物葉片的蠟層。復(fù)合脂類：除了脂肪酸和醇外，還含有其他非脂成分（如磷酸、含氮堿基、糖等）的脂類。主要包括磷脂和糖脂。磷脂是生物膜的主要成分，根據(jù)其醇基不同，可分為甘油磷脂（如磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺、磷脂酰絲氨酸、磷脂酰肌醇等）和鞘磷脂。糖脂則是含糖基的脂類，如腦苷脂、神經(jīng)節(jié)苷脂，主要存在于細(xì)胞膜表面，參與細(xì)胞識別等功能。衍生脂類：由單純脂類或復(fù)合脂類水解衍生而來，并具有脂類一般性質(zhì)的物質(zhì)。包括脂肪酸、甘油、類固醇（如膽固醇、性激素、腎上腺皮質(zhì)激素）、萜類（如維生素A、D、E、K）以及脂溶性維生素等。類固醇雖不含脂肪酸，但因其理化性質(zhì)與脂類相似，且在體內(nèi)由乙酰輔酶A合成，故也歸于脂類。第二節(jié)：脂肪酸脂肪酸是構(gòu)成甘油三酯、磷脂和糖脂等脂類的基本成分，是一端含有羧基的長鏈脂肪族烴類化合物。天然脂肪酸通常含有偶數(shù)個碳原子，鏈長一般在4至24個碳原子之間。脂肪酸根據(jù)其碳鏈?zhǔn)欠窈须p鍵，可分為飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸。飽和脂肪酸：碳鏈中不含雙鍵，碳原子均被氫原子飽和。它們的熔點較高，常溫下多為固態(tài)。如軟脂酸（十六烷酸）、硬脂酸（十八烷酸）。不飽和脂肪酸：碳鏈中含有一個或多個雙鍵。含有一個雙鍵的稱為單不飽和脂肪酸，如油酸（十八碳一烯酸）；含有兩個或多個雙鍵的稱為多不飽和脂肪酸，如亞油酸（十八碳二烯酸）、亞麻酸（十八碳三烯酸）和花生四烯酸（二十碳四烯酸）。不飽和脂肪酸的熔點較低，常溫下多為液態(tài)。由于人體自身不能合成亞油酸和亞麻酸，必須從食物中攝取，故稱為必需脂肪酸。它們是合成前列腺素、血栓素和白三烯等生物活性物質(zhì)的前體。脂肪酸的命名通常有系統(tǒng)命名法和俗名。系統(tǒng)命名法根據(jù)其碳鏈長度和雙鍵位置進(jìn)行命名。雙鍵位置可用Δ編號系統(tǒng)（從羧基端開始計數(shù)）或ω（或n）編號系統(tǒng)（從甲基端開始計數(shù)）表示。例如，亞油酸的系統(tǒng)命名為9,12-十八碳二烯酸（Δ9,12），也可表示為ω-6（或n-6）脂肪酸，因其第一個雙鍵位于從甲基端數(shù)第6位碳原子上。第三節(jié)：甘油三酯與蠟甘油三酯，又稱脂肪或三酰甘油，是由一分子甘油與三分子脂肪酸通過酯鍵結(jié)合而成的化合物。三個脂肪酸可以相同（簡單甘油三酯），也可以不同（混合甘油三酯）。天然存在的甘油三酯多為混合甘油三酯。甘油三酯的主要生理功能是儲存能量。與糖類和蛋白質(zhì)相比，甘油三酯氧化分解時釋放的能量更多，且儲存時所占體積較小，因此是高效的能量儲存形式。此外，皮下脂肪還具有保溫、緩沖機(jī)械沖擊和保護(hù)內(nèi)臟器官的作用。甘油三酯的水解是其分解代謝的第一步，在脂肪酶的催化下，水解為甘油和脂肪酸，這個過程稱為脂肪動員。水解產(chǎn)生的脂肪酸可進(jìn)一步通過β-氧化分解供能。蠟是由高級脂肪酸（通常為16碳或18碳）與高級一元醇（通常為16碳至30碳）形成的酯。蠟在生物體中主要起保護(hù)作用。例如，植物葉片和果實表面的蠟質(zhì)層可以減少水分蒸發(fā)，防止病原體侵入；昆蟲體表的蠟質(zhì)層可以防止水分丟失和機(jī)械損傷；動物的皮脂腺分泌的蠟質(zhì)可以保護(hù)毛發(fā)和皮膚。第四節(jié)：磷脂與生物膜磷脂是一類含有磷酸基團(tuán)的脂類，是生物膜的主要結(jié)構(gòu)成分。最常見的磷脂是甘油磷脂，由甘油、脂肪酸、磷酸及一個含氮堿基（或其他極性基團(tuán)）組成。甘油的1位和2位羥基與脂肪酸形成酯鍵，3位羥基與磷酸形成酯鍵，磷酸再與一個極性頭部基團(tuán)（如膽堿、乙醇胺、絲氨酸、肌醇等）相連。例如，磷脂酰膽堿（卵磷脂）的極性頭部是膽堿，磷脂酰乙醇胺（腦磷脂）的極性頭部是乙醇胺。除甘油磷脂外，還有一類重要的磷脂是鞘磷脂。鞘磷脂不含甘油，其骨架是鞘氨醇（一種長鏈氨基醇）。鞘氨醇的氨基與脂肪酸通過酰胺鍵相連，形成神經(jīng)酰胺，神經(jīng)酰胺的羥基再與磷酸膽堿（或磷酸乙醇胺）結(jié)合，即形成鞘磷脂。鞘磷脂主要存在于動物細(xì)胞膜，尤其是神經(jīng)細(xì)胞膜中。磷脂分子具有典型的雙親性結(jié)構(gòu)：分子的一端是磷酸和含氮堿基組成的極性頭部，具有親水性；另一端是兩條非極性的脂肪酸鏈尾部，具有疏水性。這種雙親性使得磷脂分子在水溶液中能夠自發(fā)排列形成脂雙層結(jié)構(gòu)，這是生物膜（細(xì)胞膜、細(xì)胞器膜）的基本結(jié)構(gòu)骨架。脂雙層構(gòu)成了一個封閉的屏障，使細(xì)胞或細(xì)胞器能夠維持相對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境，同時也控制著物質(zhì)的進(jìn)出。生物膜的流動性對于其功能至關(guān)重要，這主要取決于膜脂的組成，特別是不飽和脂肪酸的含量和膽固醇的含量。第五節(jié)：類固醇及其它脂類類固醇，又稱甾醇，是一類具有環(huán)戊烷多氫菲母核結(jié)構(gòu)的化合物。其基本結(jié)構(gòu)是由三個六元環(huán)（A、B、C環(huán)）和一個五元環(huán)（D環(huán)）稠合而成。不同的類固醇在母核的基礎(chǔ)上通過取代基的種類、位置和環(huán)的飽和程度不同而形成。膽固醇是動物體內(nèi)最重要的類固醇，廣泛分布于全身各組織，尤以腦和神經(jīng)組織中含量豐富。膽固醇是細(xì)胞膜的重要組成成分，它可以調(diào)節(jié)膜的流動性和穩(wěn)定性。同時，膽固醇也是體內(nèi)合成其他類固醇物質(zhì)的前體，如膽汁酸（促進(jìn)脂類消化吸收）、維生素D3（調(diào)節(jié)鈣磷代謝）、性激素（如睪酮、雌二醇）和腎上腺皮質(zhì)激素（如皮質(zhì)醇、醛固酮）。人體內(nèi)的膽固醇一部分來自動物性食物（外源性），另一部分由自身合成（內(nèi)源性）。萜類是由異戊二烯單位為基本結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的化合物，廣泛分布于植物、動物和微生物中。根據(jù)所含異戊二烯單位的數(shù)目，萜類可分為單萜、倍半萜、二萜、三萜、四萜等。許多萜類具有重要的生理活性，如植物中的揮發(fā)油多為單萜或倍半萜，具有芳香氣味；維生素A、E、K屬于萜類衍生物；β-胡蘿卜素是四萜，可在體內(nèi)轉(zhuǎn)化為維生素A。脂溶性維生素包括維生素A、D、E、K，它們不溶于水，而溶于脂類及有機(jī)溶劑。它們在體內(nèi)多與脂類共存，一同被吸收。脂溶性維生素各有其獨特的生理功能，如維生素A與視覺有關(guān)，維生素D促進(jìn)鈣磷吸收，維生素E是抗氧化劑，維生素K參與凝血過程。第三章：蛋白質(zhì)的化學(xué)第一節(jié)：蛋白質(zhì)的生物學(xué)意義與元素組成蛋白質(zhì)是生物體中含量最豐富、功能最復(fù)雜的生物大分子，是生命活動的主要承擔(dān)者。其生物學(xué)意義體現(xiàn)在多個方面：構(gòu)成細(xì)胞和生物體的基本結(jié)構(gòu)（如肌肉、骨骼、皮膚、毛發(fā)等），稱為結(jié)構(gòu)蛋白；催化生物體內(nèi)的各種化學(xué)反應(yīng)（酶）；參與物質(zhì)運(yùn)輸（如血紅蛋白運(yùn)輸氧氣，載體蛋白運(yùn)輸離子和小分子）；參與免疫防御（如抗體）；調(diào)節(jié)機(jī)體的生長、發(fā)育和代謝（如激素、生長因子）；以及作為遺傳信息的調(diào)控因子等?？梢哉f，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。蛋白質(zhì)的元素組成主要包括碳、氫、氧、氮四種元素，大多數(shù)蛋白質(zhì)還含有硫，有些蛋白質(zhì)還含有磷、鐵、銅、鋅、錳、鈷、鉬等金屬元素，個別蛋白質(zhì)含有碘。各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均約為16%。這是蛋白質(zhì)元素組成的一個重要特點，也是凱氏定氮法測定蛋白質(zhì)含量的理論基礎(chǔ)。由于蛋白質(zhì)的含氮量恒定，只要測定出生物樣品中的含氮量，就可以按下式推算出蛋白質(zhì)的大致含量：蛋白質(zhì)含量（克%）=每克樣品含氮克數(shù)×6.25×100%。6.25是16%的倒數(shù)，即1/0.16。第二節(jié)：氨基酸——蛋白質(zhì)的基本組成單位氨基酸是蛋白質(zhì)的基本組成單位。天然蛋白質(zhì)水解后得到的氨基酸，除甘氨酸外，都是L-α-氨基酸。即氨基連接在與羧基相鄰的α-碳原子上，