生物化學課件

1、生 物 化 學,生命科學學院,Biochemistry,,生物化學的概念及研究內容 生物化學的發(fā)展歷史 生物化學與相關學科的關系 生物分子概述,第一章 緒 論,,一、生物化學的概念及研究內容,我們所處在的地球生長著無數(shù)的生物，包括病毒、類病毒、菌、藻等微生物及各種動物、植物。 生命有機體的特征？,化學成分復雜但條理性很強: 生物用少數(shù)幾種生物元素(C、H、O、N、S、P)構成很多種生物小分子，如氨基酸、核苷

2、酸、單糖等;再由生物小分子構成復雜的生物大分子（合稱生物分子） atoms → molecules → biopolymers → organelles → cells → tissues → organs → organ systems → individuals → populations → the biosphere能從環(huán)境中吸收、轉化和利用能量（新陳代謝）能自我繁殖,生命有機體的特征,,生物化學是闡明生物分子是如何相互

3、作用而形成復雜而高效的生命現(xiàn)象的科學。生物化學是一門運用化學的原理和方法研究生命現(xiàn)象的本質，揭示生命奧秘的科學。簡單地說生物化學就是生命的化學。,生物化學的概念,,① 研究構成生物體的分子基礎?生物分子的化學組成、結構、性質和功能。② 研究生物分子在生命活動中的變化規(guī)律（物質代謝、能量代謝）,生物化學的研究內容,,二、生物化學的發(fā)展歷史,最早的自然科學就是數(shù)、理、化、天、地、生。生就是生物學，研究的是一些力所能及的形態(tài)觀察、分類等

4、。隨著各學科的發(fā)展，學科間在理論知識和技術上相互滲透，尤其是化學、物理學的滲透，到18世紀一些從事化學研究的科學家如拉瓦錫、舍勒等人和一些藥劑師轉向生物領域，生物學逐漸分離成生理化學（生物化學的萌芽）、遺傳學、細胞學。1877年，德國醫(yī)生霍佩-賽勒Ernst Felix Hoppe-Seyler首次提出“Biochemistry”一詞，并使之成為一門獨立的學科。生物化學的發(fā)展概括起來經(jīng)歷了3個階段：,,,Year,,,,,,,,,

5、,,,,,,,,Proteins were thought to carry genetic information,Miescher discovered DNA,,,,,,Interweaving of the historical traditions of biochemistry, cell biology, and genetics.,,靜態(tài)生物化學階段：萌芽時期(18世紀下半葉-20世紀初）這一時期生物化學主要

6、依附于有機化學，研究不深入，只是對生物體的物質組成、性質、含量有所了解（比如從生物體中分離到甘油、檸檬酸、蘋果酸、乳酸、尿酸、酒石酸等）。 動態(tài)生物化學階段：奠基時期(20世紀初-1950年)由于分析鑒定技術的進步，尤其是放射性同位素示蹤技術的應用，生物化學進入深入發(fā)展時期?？茖W家對生物物質代謝進行了廣泛深入的研究，基本闡明: （1）酶的化學本質 （2）與能量代謝有關的物質代謝途徑,,機能生物化學階段：

7、大發(fā)展時期（1950- ） 科學家對生物的研究已從整體水平逐步深入到細胞、亞細胞、分子水平。伴隨實驗手段、技術（電鏡、超離心、色譜、電泳等）的不斷改進，使得對生物大分子結構及功能的研究也更加深入。50年代以后生物化學迅猛發(fā)展，每年的諾貝爾生理學/醫(yī)學獎和化學獎的大部分獎項都是與生物化學領域相關的。美國、法國、德國、英國在近代生物化學發(fā)展史貢獻突出。在21世紀，生物化學將在分子、細胞等水平上利用多學科手段交叉滲透，對核酸、蛋白質

8、和基因組、 核糖體、生物膜等大分子體系，以及免疫、遺傳、發(fā) 育、衰老、死亡等重大生命現(xiàn)象進行綜合深入的研究，為社會的發(fā)展帶來深刻的影響。,,三、生物化學與相關學科的關系,生物化學與許多學科有著密切聯(lián)系和交叉,1、利用化學、物理學的原理和技術研究生物分子的結構、性質。2、許多生物化學理論（代謝途徑和調控機制）是用微生物作為材料證實的。3、生理學, 是在生物體的組織和整體水平研究生命進程，涉及生物體內有機物的代謝，這也是生物化學的核心之

9、一。4、細胞生物學, 研究生物細胞結構、功能，包括細胞內生物分子的作用。5、遺傳學，研究核酸、蛋白質的生物合成及調控，這也是生物化學必須討論的重要課題。,,生物化學的應用,生物化學的原理和技術在生產(chǎn)實踐中也得到廣泛的應用。如與農(nóng)學、某些輕工業(yè)(如制藥、釀造、皮革、食品等)、醫(yī)學都有密切關系，很多問題都需要從生化的角度、利用生化的方法才能了解。,,應用生物農(nóng)藥對病蟲害和雜草進行防治。減少化學污染，保持生態(tài)平衡。 如利用微生

10、物做殺蟲劑，應用最廣的是用蘇云金桿菌殺毛蟲。當這種細菌在葉的表面形成芽孢后，產(chǎn)生一種蛋白結晶，食用葉片后，幼蟲腸中的蛋白酶把這些結晶轉變成有毒的肽類，使毛蟲死亡。此法可將多種有害昆蟲消滅在幼蟲階段，效果好，且只專一作用于昆蟲幼蟲，毒性小。但成本比化學殺蟲劑高。,生 物 防 治,,四、生物分子概述,碳架是生物分子結構的基礎生物分子有復雜的異構現(xiàn)象生物分子中的作用力,,自然界所有的生物體都由三類物質組成：

11、水、無機離子、生物分子生物分子泛指生物體特有的各類分子，它們都是有機物。生物分子是生物體和生命現(xiàn)象的物質基礎。,,典型的細胞含有一萬到十萬種生物分子。其中近半數(shù)是小分子，分子量一般在500以下,如維生素、輔酶、激素、核苷酸和氨基酸等。其余都是某些生物小分子的聚合物，分子量很大，一般在一萬以上，有的高達1012，因而稱為生物大分子，如 多糖、脂、核酸和蛋白質。,,1、碳架是生物分子結構的基礎,碳元素一般占細胞干重的50％以上。碳

12、原子既難得到電子，又難失去電子，最適于形成共價鍵。碳原子成鍵能力很強，且是四面體構型，因此它自相結合可以形成結構各異的生物分子骨架（碳架）。碳原子又可通過共價鍵與其它元素結合，形成化學性質活潑的官能團。,,生物分子碳架的大小組成不一，幾何形狀結構多樣（線形、分支形、環(huán)形、飽和、不飽和）。變化多端的碳架與種類有限的官能團，共同組成形形色色的生物分子的低層次結構--生物小分子。,,2、生物分子有復雜的異構現(xiàn)象,異構體(isomer)

13、：是原子組成相同而結構或構型不同的分子。異構現(xiàn)象可分為:結構異構、立體異構,,結 構 異 構,結構異構：由于原子之間連接方式不同所引起的異構現(xiàn)象。結構異構包括:由碳架不同產(chǎn)生的碳架異構，如丙基和異丙基;,丙基,異丙基,,由官能團位置不同產(chǎn)生的位置異構，如α-丙氨酸和β-丙氨酸;由官能團不同而產(chǎn)生的官能團異構。如丙醛糖和丙酮糖。,,立 體 異 構,立體異構： 同一結構異構體，由于原子或基團在三維空間的排布方式不同所引起的異構

14、現(xiàn)象。立體異構可分為構型異構和構象異構。通常將分子中原子或基團在空間位置上一定的排布方式稱為構型。構型異構是結構相同而構型不同的異構現(xiàn)象。構型異構又包括順反異構和光學異構。構型相同的分子，可由于單鍵旋轉產(chǎn)生很多不同立體異構體，這種現(xiàn)象稱為構象異構。,,順 反 異 構,Much input of energy Is needed for their interconversion (viabreakage/formation

15、of covalent bonds.,(順丁烯二酸，馬來酸）,（反丁烯二酸，富馬酸）,各自具有不同的化學性質和生物學作用,由C=C引起的,,手性碳原子引起。1個手性碳原子上相連的各原子或基團的空間排布有兩種，互為鏡像，稱為對映體。,光 學 異 構,,對映異構體化學性質幾乎完全相同，但使偏振光的平面旋轉相反地方向，但角度相同。,,具有n個手性碳原子的分子，有2n個立體異構體,,,,,構 象 異 構,由于C–C單鍵的旋轉，使分子中其余原子

16、或基團的空間取向發(fā)生改變，從而產(chǎn)生種種可能的有差別的立體形象，這種現(xiàn)象稱為構象異構。,構象異構賦予生物大分子的構象柔順性。與構型相比，構象是對分子中各原子空間排布情況的更深入的探討，以闡明同一構型分子在非鍵合原子間相互作用的影響下，所發(fā)生的立體結構的變化。,,生物大分子在眾多可能構象中通常表現(xiàn)有限數(shù)量的穩(wěn)定構象.,一個生物分子的功能通常依賴于它特異的三維結構，即構象和構型。,,e.g., 不同的立體異構體可以引起人不同的味覺和嗅覺反應,

17、The human taste receptors distinguish these two stereoisomers as sweet and bitter!,生物分子之間的互作通常是立體異構的,天門冬氨酰苯丙氨酸甲酯,,3、生物分子中的作用力,生物體系存在兩類不同水平的作用力：一類是生物元素借以結合成為生物分子的強作用力--共價鍵。另一類是決定生物分子高層次結構和生物分子之間借以相互識別、結合及作用的弱作用力--非共價相互

18、作用（次級鍵）。,,非共價作用力,包括氫鍵、靜電作用力、范德華力和疏水作用力。這些力屬于弱作用力，其強度比共價鍵低一兩個數(shù)量級。這些力單獨作用時很弱，極不穩(wěn)定，但在生物高層次結構中，許多弱作用力協(xié)同作用，往往起到?jīng)Q定生物大分子構象的作用。,,氫 鍵,氫鍵的形成：供氫體的X原子及氫受體Y原子必須半徑較小，電負性較大；Y原子還必須含有孤對電子（一般X,Y為N,O,F,Cl)。帶正電荷的H原子核與Y原子的孤對電子互相靜電吸引，產(chǎn)生氫鍵。

19、氫鍵是一種弱作用力，鍵能只相當于共價鍵的1/30-1/20(12-30kj/mol)，容易被破壞。氫鍵的鍵長比共價鍵長，比范德華距離短。氫鍵對生物體系有重大意義，特別是在穩(wěn)定生物大分子的二級結構中起主導作用。,,范 德 華 力,范德華力是普遍存在于原子和分子間的弱作用力，是范德華引力與范德華斥力的統(tǒng)一。引力和斥力分別和原子間距離的6次方和12次方成反比。二者達到平衡時，兩原子或原子團間保持一定的距離，即范德華距離。,,范德華力的本質

20、是偶極子之間的靜電相互作用力，包括定向力、誘導力和色散力。極性基團或分子是永久偶極，它們之間的作用力稱為定向力。非極性基團或分子在永久偶極子的誘導下可以形成誘導偶極子，這兩種偶極子之間的作用力稱為誘導力。非極性基團或分子，由于電子相對于原子核的波動，而形成的瞬間偶極子之間的作用力稱為色散力。 范德華力比氫鍵弱得多，但如果兩個分子表面幾何形態(tài)互補，由于許多原子協(xié)同作用，范德華力就能成為分子間有效引力。范德華力對生

21、物多層次結構的形成和分子的相互識別與結合有重要意義。,,靜電作用力,包括正負荷電基團間的引力，常稱為鹽鍵(salt bond)和同性荷電基團間的斥力。力的大小與荷電量成正比，與荷電基團間的距離平方成反比，還與介質的極性有關。介質的極性對荷電基團相互作用有屏蔽效應，介質的極性越小，荷電基團相互作用越強。 例如，-COO-與 -NH3+間在極性介質水中的相互作用力，僅為在蛋白質分子內部非極性環(huán)境中的1/20，在真空中的1/80。

22、,,疏水相互作用,疏水相互作用比范德華力強得多。生物分子有許多結構部分具有疏水性質，如蛋白質的疏水氨基酸側鏈、核酸的堿基、脂肪酸的烴鏈等。它們之間的疏水相互作用在穩(wěn)定蛋白質、核酸的高層次結構和形成生物膜中發(fā)揮著主導作用。,,,生物化學的概念及研究內容 生物化學的發(fā)展歷史 生物化學與相關學科的關系 生物分子概述,緒論完,,教學安排（72學時）,,1.理論部分(48學時)第一章    緒 論（

23、1學時）第二章 蛋白質（6學時）第三章 核酸（4學時）第四章 酶（6學時）第五章 大分子復合物--生物膜（2學時）第六章 糖類與糖類代謝（6學時）第七章 生物氧化與氧化磷酸化（4學時）第八章 脂類與脂類代謝（4學時）第九章 含氮化合物代謝（4學時）第十章 核酸的生物合成與降解（4學時）第十一章 蛋白質的生物合成與降解（4學時）第十二章 代謝調節(jié)（3學時）,靜態(tài)生化－生物分子的

24、結構、性質、功能，很少涉及它們的變化，包括糖、脂、蛋白質、核酸、酶、維生素等。 動態(tài)生化：這些生物分子的來龍去脈，即合成與分解。,內容分布,2.實驗部分(24學時） 實驗 (共6個實驗),,課程特點：概念性、描述性的內容居多，推導性或計算性的內容較少，因此，它不同于理科而更近似于文科，記憶的東西多，巧妙記憶成為學好生化的一個重要方法。 要求： 認真聽講，做好筆記。 課后復習，及時消化。 最好能預習一下,,參考書目,1.

25、《生物化學》王鏡巖，全面，繁多，不易懂。2. Lehninger ：Principles of Biochemistry 3. Stryer：Biochemistry,國際通用的最佳生化教材，全面，圖多。,4. Nature 英國，國際最高學術刊物，每期都有生化內容。5. Science 美國，國際最高學術刊物，每期都有生化內容。6. Cell 美國，國際著名學術刊物，每期都有生化內容。7. Biochemistry 美國，