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生 物 化 学生命科学学院生命科学学院 Biochemistry 生物化学的概念及探讨内容 生物化学的发展历史 生物化学与相关学科的关系 生物分子概述第一章 绪 论一、生物化学的概念及探讨内容一、生物化学的概念及探讨内容我我们们所所处处在在的的地地球球生生长长着着多多数数的的生生物物，包包括括病病毒毒、类类病病毒毒、菌菌、藻藻等等微微生生物物及及各各种动物、植物。种动物、植物。生命有机体的特征？生命有机体的特征？化学成分困难但条理性很强:生物用少数几种生物元素(C、H、O、N、S、P)构成很多种生物小分子，如氨基酸、核苷酸、单糖等;再由生物小分子构成困难的生物大分子（合称生物分子）atoms molecules biopolymers organelles cells tissues organs organ systems individuals populations the biosphere能从环境中吸取、转化和利用能量（新陈代谢）能自我繁殖生命有机体的特征生物化学是阐明生物分子是如何相互作用而形成困难而高效的生命现象的科学。生物化学是一门运用化学的原理和方法探讨生命现象的本质，揭示生命奇异的科学。简洁地说生物化学就是生命的化学。生物化学生物化学的概念的概念 探讨构成生物体的分子基础探讨构成生物体的分子基础 生物分子的化生物分子的化学组成、结构、性质和功能。学组成、结构、性质和功能。探讨生物分子在生命活动中的变更规律探讨生物分子在生命活动中的变更规律（物质代谢、能量代谢）（物质代谢、能量代谢）生物化学的生物化学的探讨内容探讨内容二、生物化学的发展历史最早的自然科学就是数、理、化、天、地、生。生就是最早的自然科学就是数、理、化、天、地、生。生就是生物学，探讨的是一些力所能及的形态视察、分类等。生物学，探讨的是一些力所能及的形态视察、分类等。随着各学科的发展，学科间在理论学问和技术上相互渗随着各学科的发展，学科间在理论学问和技术上相互渗透，尤其是化学、物理学的渗透，到透，尤其是化学、物理学的渗透，到1818世纪一些从事化世纪一些从事化学探讨的科学家如拉瓦锡、舍勒等人和一些药剂师转向学探讨的科学家如拉瓦锡、舍勒等人和一些药剂师转向生物领域，生物学渐渐分别成生理化学（生物化学的萌生物领域，生物学渐渐分别成生理化学（生物化学的萌芽）、遗传学、细胞学。芽）、遗传学、细胞学。18771877年，德国医生霍佩年，德国医生霍佩-赛勒赛勒Ernst Felix Hoppe-Ernst Felix Hoppe-SeylerSeyler首次提出首次提出“Biochemistry”“Biochemistry”一词，并使之成为一一词，并使之成为一门独立的学科。门独立的学科。生物化学的发展概括起来经验了生物化学的发展概括起来经验了3 3个阶段：个阶段：YearProteinswerethoughttocarrygeneticinformationMiescher discovered DNAMiescher discovered DNAInterweavingofthehistoricaltraditionsofbiochemistry,cellbiology,andgenetics.静静态态动动态态机机能能 静态生物化学阶段：萌芽时期(18世纪下半叶-20世纪初）这一时期生物化学主要依附于有机化学，探讨不深化，只是对生物体的物质组成、性质、含量有所了解（比如从生物体中分别到甘油、柠檬酸、苹果酸、乳酸、尿酸、酒石酸等）。动态生物化学阶段：奠基时期(20世纪初-1950年)由于分析鉴定技术的进步，尤其是放射性同位素示踪技术的应用，生物化学进入深化发展时期。科学家对生物物质代谢进行了广泛深化的探讨，基本阐明:（1）酶的化学本质 （2）与能量代谢有关的物质代谢途径 机能生物化学阶段：大发展时期（1950-）科学家对生物的探讨已从整体水平逐步深化到细胞、亚细胞、分子水平。伴随试验手段、技术（电镜、超离心、色谱、电泳等）的不断改进，使得对生物大分子结构及功能的探讨也更加深化。50年头以后生物化学迅猛发展，每年的诺贝尔生理学/医学奖和化学奖的大部分奖项都是与生物化学领域相关的。美国、法国、德国、英国在近代生物化学发展史贡献突出。在21世纪，生物化学将在分子、细胞等水平上利用多学科手段交叉渗透，对核酸、蛋白质和基因组、核糖体、生物膜等大分子体系，以及免疫、遗传、发 育、苍老、死亡等重大生命现象进行综合深化的探讨，为社会的发展带来深刻的影响。三、生物化学与相关学科的关系;生物化学与很多学科有着亲密联系和交叉1、利用化学、物理学的原理和技术探讨生物分子的结构、性质。2、很多生物化学理论（代谢途径和调控机制）是用微生物作为材料证明的。3、生理学,是在生物体的组织和整体水平探讨生命进程，涉及生物体内有机物的代谢，这也是生物化学的核心之一。4、细胞生物学,探讨生物细胞结构、功能，包括细胞内生物分子的作用。5、遗传学，探讨核酸、蛋白质的生物合成及调控，这也是生物化学必需探讨的重要课题。有机化学生物物理学微生物学生理学细胞生物学遗传学生物化学生物化学的应用 生物化学的原理和技术在生产实践中也得到广泛的应用。如与农学、某些轻工业(如制药、酿造、皮革、食品等)、医学都有亲密关系，很多问题都须要从生化的角度、利用生化的方法才能了解。v应用生物农药对病虫害和杂草进行防治。削减化学污染，保持生态平衡。v 如利用微生物做杀虫剂，应用最广的是用苏云金杆菌杀毛虫。当这种细菌在叶的表面形成芽孢后，产生一种蛋白结晶，食用叶片后，幼虫肠中的蛋白酶把这些结晶转变成有毒的肽类，使毛虫死亡。此法可将多种有害昆虫歼灭在幼虫阶段，效果好，且只专一作用于昆虫幼虫，毒性小。但成本比化学杀虫剂高。生 物 防 治四、生物分子概述碳架是生物分子结构的基础生物分子有困难的异构现象生物分子中的作用力自然界全部的生物体都由三类物质组成：水、无机离子、生物分子生物分子泛指生物体特有的各类分子，它们都是有机物。生物分子是生物体和生命现象的物质基础。典型的细胞含有一万到十万种生物分子。典型的细胞含有一万到十万种生物分子。其中近半数是小分子，分子量一般在其中近半数是小分子，分子量一般在500500以下以下,如如维生维生素、辅酶、激素、核苷酸和氨基酸等素、辅酶、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，一其余都是某些生物小分子的聚合物，分子量很大，一般在一万以上，有的高达般在一万以上，有的高达10101212，因而称为，因而称为生物大分子生物大分子，如如 多糖、脂、核酸和蛋白质多糖、脂、核酸和蛋白质。1、碳架是生物分子结构的基础 碳元素一般占细胞干重的50以上。碳原子既难得到电子，又难失去电子，最适于形成共价键。碳原子成键实力很强，且是四面体构型，因此它自相结合可以形成结构各异的生物分子骨架（碳架）。碳原子又可通过共价键与其它元素结合，形成化学性质活泼的官能团。生物分子碳架的大小组成不一，几何形态结构多样（线形、分支形、环形、饱和、不饱和）。变更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。2、生物分子有困难的异构现象 异构体(isomer)：是原子组成相同而结构或构型不同的分子。异构现象可分为:结构异构、立体异构结 构 异 构结构异构：由于原子之间连接方式不同所引起的异构现象。结构异构包括:由碳架不同产生的碳架异构，如丙基和异丙基;丙基异丙基由官能团位置不同产生的位置异构，如-丙氨酸和-丙氨酸;由官能团不同而产生的官能团异构。如丙醛糖和丙酮糖。立 体 异 构立体异构：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。立体异构可分为构型异构和构象异构。通常将分子中原子或基团在空间位置上确定的排布方式称为构型。构型异构是结构相同而构型不同的异构现象。构型异构又包括顺反异构和光学异构。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，这种现象称为构象异构。顺 反 异 构Much input of energy Much input of energy Is needed for their Is needed for their interconversion(viainterconversion(viabreakage/formationbreakage/formationof covalent bonds.of covalent bonds.(顺丁烯二酸，马来酸）顺丁烯二酸，马来酸）（反丁烯二酸，富马酸）（反丁烯二酸，富马酸）各自具有不同的化学性各自具有不同的化学性质和生物学作用质和生物学作用由由C=CC=C引起的引起的手性碳原子引起。手性碳原子引起。1 1个手性碳原子上相个手性碳原子上相连的各原子或基团的连的各原子或基团的空间排布有两种，互空间排布有两种，互为镜像，称为为镜像，称为对映体对映体。光 学 异 构对映异构体化学性质几乎完全相同，但使偏振光的平面旋转相反地方向，但角度相同。具有具有n个手性碳原子的分子，有个手性碳原子的分子，有2n个立体异构体个立体异构体 构 象 异 构由于CC单键的旋转，使分子中其余原子或基团的空间取向发生变更，从而产生种种可能的有差别的立体形象，这种现象称为构象异构。构象异构赐予生物大分子的构象柔顺性。与构型相比，构象是对分子中各原子空间排布状况的更深化的探讨，以阐明同一构型分子在非键合原子间相互作用的影响下，所发生的立体结构的变更。生物大分子在众多可能构象中通常表现有限数量的稳定构象.一个生物分子的功能通常依靠于它特异的三维结构，即构象和构型。e.g.,e.g.,不同的立体异构体可以引起人不同的味觉和嗅觉反应不同的立体异构体可以引起人不同的味觉和嗅觉反应The human taste receptors distinguish these The human taste receptors distinguish these two stereoisomers as sweet and bitter!two stereoisomers as sweet and bitter!生物分子之间的互作通常是立体异构的天门冬氨酰苯丙氨酸甲酯3、生物分子中的作用力 生物体系存在两类不同水平的作用力：一类是生物元素借以结合成为生物分子的强作用力-共价键。另一类是确定生物分子高层次结构和生物分子之间借以相互识别、结合及作用的弱作用力-非共价相互作用（次级键）。非共价作用力包括氢键、静电作用力、范德华力和疏水作用力。这些力属于弱作用力，其强度比共价键低一两个数量级。这些力单独作用时很弱，极不稳定，但在生物高层次结构中，很多弱作用力协同作用，往往起到确定生物大分子构象的作用。生物化学的概念及探讨内容 生物化学的发展历史 生物化学与相关学科的关系 生物分子概述绪论完教学支配（72学时）1.1.理论部分理论部分(48(48学时学时)第一章第一章 绪绪 论（论（1 1学时）学时）其次章其次章 蛋白质（蛋白质（6 6学时）学时）第三章第三章 核酸（核酸（4 4学时）学时）第四章第四章 酶（酶（6 6学时）学时）第五章第五章 大分子复合物大分子复合物-生物膜（生物膜（2 2学时）学时）第六章第六章 糖类与糖类代谢（糖类与糖类代谢（6 6学时）学时）第七章第七章 生物氧化与氧化磷酸化（生物氧化与氧化磷酸化（4 4学时）学时）第八章第八章 脂类与脂类代谢（脂类与脂类代谢（4 4学时）学时）第九章第九章 含氮化合物代谢（含氮化合物代谢（4 4学时）学时）第十章第十章 核酸的生物合成与降解（核酸的生物合成与降解（4 4学时）学时）第十一章第十一章 蛋白质的生物合成与降解（蛋白质的生物合成与降解（4 4学时）学时）第十二章第十二章 代谢调整（代谢调整（3 3学时）学时）静态生化生物分子静态生化生物分子的结构、性质、功能，的结构、性质、功能，很少涉及它们的变更，很少涉及它们的变更，包括糖、脂、蛋白质、包括糖、脂、蛋白质、核酸、酶、维生素等。核酸、酶、维生素等。动态生化：这些生物动态生化：这些生物分子的来龙去脉，即分子的来龙去脉，即合成与分解。合成与分解。内容分布2.试验部分(24学时）试验(共6个试验)课程特点：概念性、描述性的内容居多，推导性或计算性的内容较少，因此，它不同于理科而更近似于文科，记忆的东西多，奇妙记忆成为学好生化的一个重要方法。要求：细致听讲，做好笔记。课后复习，刚好消化。最好能预习一下参考书目 1.生物化学王镜岩，全面，繁多，不易懂。2.Lehninger：Principles of Biochemistry 3.Stryer：Biochemistry 国际通用的最佳生化教材，全面，图多。4.Nature 英国，国际最高学术刊物，每期都有生化内容。5.Science 美国，国际最高学术刊物，每期都有生化内容。6.Cell 美国，国际著名学术刊物，每期都有生化内容。7.Biochemistry 美国，月刊，国际著名学术刊物。