高中生物竞赛辅导课件：生物化学的研究内容及其发展.pptx

生物化学的研究内容及其发展生物化学的研究内容及其发展生物化学的产生和发展1.3 知识框架和学习方法生物化学的研究内容及其发展第一层次单体亚单位第二层次大分子第三层次超分子复合物第四层次细胞第五层次组织与器官第六层次生命个体第七层次生命群体生命的七层次生物化学的研究内容及其发展 生物化学(biochemistry)：研究生物体的化学,是研究生物体分子组成及变化规律的基础学科，是对生命现象最为基础、最为深入的分子水平的机制探讨，有“生命的化学”之称生物化学的研究内容及其发展1、生物体的化学组成，生物分子的结构、性质及功能研究范畴2、生物分子的分解与合成，反应过程中的能量变化及新陈代谢的调节与控制3、生物信息分子的合成及其调控,也就是遗传信息的贮存、传递、表达及调控生物化学的研究内容及其发展1.第一阶段(1770-1900)(静态生物化学)内容：生物体的化学成分为主(分离、纯化和性质）成就：分离出多种氨基酸、甘油、柠檬酸、乳酸、尿酸、糖原、核酸、胰酶等，化学结构分析和测定特点：形态学三个阶段生物化学的研究内容及其发展2.第二阶段(1900-1950)(动态生物化学)内容：活生物和活细胞内的新陈代谢成就：分离纯化出多种结晶酶，确定酶的蛋白质化学本质酶促化学动力学糖酵解途径、提出柠檬酸循环(Krebs循环)氧化/光合磷酸化、电子传递链、脂肪酸-氧化和尿素循环途径特点：动态的生理学过程三个阶段生物化学的研究内容及其发展3.第三阶段(1950以后)内容：生物大分子和超分子复合物的结构和功能(互作、装配)；生物学过程(分化、发育、遗传变异、免疫、光合作用、生物固氮、癌变)成就：测定大批蛋白质和酶的一级结构建立DNA双螺旋结构、人类基因组测序、中心法则肽、蛋白质和核酸的人工合成，代谢调控，基因表达，光合作用，分子克隆，基因治疗.特点：更加重视对生命本质的了解三个阶段生物化学发展中的重要学术中心和学者舍勒 (1742-1786)(1742-1786)瑞典化学家、药剂师分离出柠檬酸、乳酸、酒石酸、苹果酸、没食子酸、尿酸、甘油(静态生物化学的开始)拉瓦锡(1743-1794)(1743-1794)法国化学家测量了生物体消耗氧气时所释放的热量，“细胞呼吸和木炭燃烧没有本质区别，只不过呼吸是一种缓慢地燃烧，两者都是一个氧化过程”，推翻燃素说(动态生物化学的根源)生物化学的产生和发展生物化学发展中的重要学术中心和学者生物化学的产生和发展李比希(1803-1873)(1803-1873)德国化学家、农业化学的奠基人发展土壤和生物材料的元素定量分析技术，建立化学实验室，首创在大学里进行化学实验教学首次提出新陈代谢术语（农业化学奠基人）霍佩-赛勒(1825-1895)(1825-1895)德国医学家1862年，制备了结晶形的血红素1877年，首次提出BiochemieBiochemie一词，建立斯特拉斯堡研究所生物化学发展中的重要学术中心和学者生物化学的产生和发展米歇尔(1844-1895)(1844-1895)瑞士生物学家1868年从脓细胞的核中分离出核素(脱氧核糖核蛋白)细胞核化学创始人路易斯 巴斯德(1822-1895(1822-1895)法国微生物学家、化学家微生物发酵过程的研究发现有氧发酵和无氧发酵，建立微生物学生物化学发展中的重要学术中心和学者生物化学的产生和发展埃米尔 费歇尔(1852-1919)德国有机化学家带来结构生物化学发展高峰改变糖、蛋白质和脂质的化学研究方向霍普金斯(1864-1947)英国生物化学家创建英国剑桥普通生物化学学派和中心，发现维生素，1929年诺贝尔生理学或医学奖生物化学发展中的重要学术中心和学者生物化学的产生和发展James SumnerJames Sumner 萨姆纳(1887-1955)1887-1955)美国化学家19261926年获得世界上第一个结晶的酶 脲酶(含镍)，并证实其为蛋白质，获得1946年诺贝尔化学奖尿素NH3+CO2脲酶生物化学发展中的重要学术中心和学者生物化学的产生和发展沃森(1928-)(1928-)美国DNADNA之父克里克(1916-2004)(1916-2004)英国威尔金斯(1916-2004)(1916-2004)英国DNA X射线衍射研究，证实DNA双螺旋生物化学发展中的重要学术中心和学者生物化学的产生和发展F.Sanger(1918-2013)英国生物化学家19551955年确立牛胰岛素化学结构，(1958(1958年获诺贝尔化学奖)19801980年：SangerSanger测序(第一代)，(1980(1980年获诺贝尔化学奖)我国的生物化学生物化学的产生和发展奠基人：吴宪(1893-1959)(1893-1959)，中国生物化学事业的主要奠基人，1919年建立血糖测定的新方法(Folin-Wu法)王应睞(1907-2001)(1907-2001)，中国生物化学事业的奠基人之一，上海生物化学研究所在其主持下于1965年成功的人工合成了结晶牛胰岛素，1983年完成酵母丙氨酸转移核糖核酸酶(tRNA(tRNAAlaAla)的人工全合成此法测得之血糖含量，并非全部为葡萄糖，有不少是非糖的还原物质。因而测得的数值比实际高，已趋向淘汰1、生命物质主要元素组成的规律生物分子的结构四个规律2、生物大分子组成的共同规律3、物质代谢和能量代谢的规律4、生物界遗传信息传递的规律生物化学的知识框架和学习方法生物化学的知识框架和学习方法主 要 组 成 元 素(97.3%)(97.3%)：H(49%)、O(25%)、C(25%)、N(0.27%)、P、SC、H、O、N根据合适性被选中，元素越轻，形成的键越强生物分子是含碳有机物，最外层4个电子可形成4个共价键，C-C，C=C，CC，使碳骨架形成线性、分支和环状(C成键方面的多能性是生物起源和进化过程中选择碳化合物作为细胞分子机器的主要因素)N、O、S、P、H构成碳骨架上的氨基(-NH(-NH2 2)，羟基(-OH)(-OH)，羰基(-C=O)(-C=O)，羧基(-COOH)(-COOH)，巯基(-SH)(-SH)，磷酸基(-PO(-PO4 4)等功能基团S、P形成的键有水存在时常不稳定，成键吸能，断键放能，如ATP，乙酰辅酶A，适于担当能量角色1 1、生命物质主要元素组成的规律(生命元素)生物化学的知识框架和学习方法常量元素(0.01%)0.01%)：钙(Ca)、钾(K)、钠(Na)、氯(Cl)、镁(Mg)常以单原子离子形式存在于细胞溶胶中渗透平衡(Na(Na+、K K+、Cl Cl-)神经传导(Ca(Ca2+2+)主动运输中的离子梯度(Na(Na+、Cl Cl-)中和生物大分子上的电荷(Ca(Ca2+2+、MgMg2+2+)1 1、生命物质主要元素组成的规律(生命元素)生物化学的知识框架和学习方法微量元素(0.01%)：钒(V)、镍(Ni)、硼(B)、锡(Sn)、硅(Si)必须微量元素：1995年FAO/WHO将铁(Fe)、碘(I)、锌(Zn)、锰(Mn)、钴(Co)、钼(Mo)、铜(Cu)、硒(Se)、铬(Cr)、氟(F)Fe：血红蛋白，肌红蛋白Cu：细胞色素C氧化酶，超氧化物歧化酶Zn：碳酸酐酶Mn：丙酮酸羧化酶I：甲状腺激素.1 1、生命物质主要元素组成的规律(生命元素)1、生命物质主要元素组成的规律生物分子的结构四个规律2、生物大分子组成的共同规律3、物质代谢和能量代谢的规律4、生物界遗传信息传递的规律生物化学的知识框架和学习方法蛋白质：20种AA(R基的差异)，肽键、NC，“肽单位”重复，残基修饰(磷酸化、糖基化)生物化学的知识框架和学习方法2 2、生物大分子组成的共同规律生命机体中大分子(蛋白质、核酸、多糖和脂质)，各自由相同类型的构件通过一定的共价键聚合而成，主链骨架呈现周期重复动态功能(酶，抗体和受体)和结构元件(微管蛋白、胶原蛋白)的作用蛋白质：20种AA(R基的差异)，肽键、NC，“肽单位”重复，残基修饰(磷酸化、糖基化)生物化学的知识框架和学习方法2 2、生物大分子组成的共同规律生命机体中大分子(蛋白质、核酸、多糖和脂质)，各自由相同类型的构件通过一定的共价键聚合而成，主链骨架呈现周期重复动态功能(酶，抗体和受体)和结构元件(微管蛋白、胶原蛋白)的作用核酸(DNA(DNA和RNA)RNA)：核苷酸，3，5磷酸二酯键，53，磷酸-核糖(脱氧核糖)重复贮存和传递遗传信息生物化学的知识框架和学习方法2 2、生物大分子组成的共同规律生命机体中大分子(蛋白质、核酸、多糖和脂质)，各自由相同类型的构件通过一定的共价键聚合而成，主链骨架呈现周期重复作为产能的燃料贮库和细胞外的结构成分，与细胞表面蛋白质结合的寡糖链作为特异的细胞信号生物膜高能燃料贮库、色素和胞内信号脂质：虽不属于大分子，但大量脂质可通过非共价键缔合成很大的聚集体生物膜。脂质本身由甘油、脂肪酸、胆碱等组成多糖：单糖，糖苷键，非还原端还原端，淀粉、纤维素、糖原的糖链骨架均呈葡萄糖基的重复生物化学的知识框架和学习方法2 2、生物大分子组成的共同规律氨基酸及核苷酸等化学结构式的记忆 理解生物大分子结构、性质、功能、分离纯化的方法选择AA中(Phe,Tyr,Trp)，核酸(嘌呤碱、嘧啶碱)具有共轭双键 紫外吸收构件分子数量的差异、排列的顺序 不同生物信息物质结构与其功能的关系酶的结构 催化功能纤维素的排列 支撑和保护作用1、生命物质主要元素组成的规律生物分子的结构四个规律2、生物大分子组成的共同规律3、物质代谢和能量代谢的规律4、生物界遗传信息传递的规律生物化学的知识框架和学习方法生物化学的知识框架和学习方法3 3、物质代谢和能量代谢的规律最基本的元素，最基本的化学反应、最简单的组合方式 最复杂的反应系统新陈代谢是生命的特征，途径错综复杂，每个反应都有特定的酶催化，伴随能量和物质的变化新陈代谢的化学反应类型新陈代谢的共同途径三羧酸循环合成代谢的共同规律能量共同载体ATPATP生物化学的知识框架和学习方法3 3、物质代谢和能量代谢的规律新陈代谢的化学反应类型C-C键的断裂和形成羟醛缩合反应(1,6-二磷酸果糖磷酸二羟丙酮+三磷酸甘油醛)；克莱森酯反应(乙酰-CoA+草酰乙酸柠檬酸)；酮酸氧化脱羧(异柠檬酸-酮戊二酸)分子重排反应(分子异构化、双键的移位及顺反重排):醛醣-酮糖互变(6-磷酸葡糖6-磷酸果糖)；L-甲基丙二酰单酰CoA琥珀酰CoA构件分子间脱水缩合反应:肽键形成，醇脱水C=C基团转移反应(葡萄糖基、磷酰基、酰基、氨基、甲基.)氧化还原反应(电子转移、氢原子转移、直接与氧原子结合)三羧酸循环是糖分解代谢的主要途径，也是其他生物分子氧化分解的必经途径生物化学的知识框架和学习方法3 3、物质代谢和能量代谢的规律新陈代谢的共同途径三羧酸循环生物大分子 小分子蛋白质氨基酸丙酮酸乙酰-CoA脂质甘油+脂肪酸(氧化)乙酰-CoA糖类单糖核酸核苷酸磷酸戊糖(戊糖磷酸途径)有机物的碳骨架的氧化分解是物质分解代谢的中心三羧酸循环代谢历程及各类物质的关联结构单元需先活化才能构件生物大分子合成具有方向性生物化学的知识框架和学习方法3 3、物质代谢和能量代谢的规律合成代谢的共同规律葡萄糖UDPG(UDPG(尿苷二磷酸葡萄糖)淀粉、糖原乙酰-CoA丙二酰-CoA-CoA脂肪酸dNMP/NMPdNTP/NTPdNTP/NTPDNA/RNAAA氨酰tRNAtRNA蛋白质糖:还原端非还原端脂肪酸:甲基端羧基端核酸:5:533蛋白质:N:NC C生物化学的知识框架和学习方法3 3、物质代谢和能量代谢的规律能量共同载体ATPATP蛋白质合成由GTPGTP供能；糖原合成由UTPUTP供能；磷脂合成由CTPCTP供能；均由ATPATP提供能量ATP的合成：底物水平磷酸化，电子传递系统磷酸化1、生命物质主要元素组成的规律生物分子的结构四个规律2、生物大分子组成的共同规律3、物质代谢和能量代谢的规律4、生物界遗传信息传递的规律生物化学的知识框架和学习方法生物化学的知识框架和学习方法4 4、生物界遗传信息传递的规律遗传物质的3 3种属性：能携带生物的遗传信息能精确的自我复制遗传信息能用遗传信息指导功能分子的生物合成DNADNA满足生物化学的知识框架和学习方法4 4、生物界遗传信息传递的规律生物界复杂的过程利用碱基配对(A-T/A-U，C-G)和64个遗传密码实现，遗传密码将生物界的遗传特性统一起来人基因组导入E.coli合成人的蛋白质 基因工程技术的理论基础DNA复制过程中出错 遗传变异 生物多样性小 结1.1.生物化学主要研究生物体的化学组成，生物分子的结构、性质及功能新陈代谢过程中物质的化学变化、能量变化及调控机制生物遗传信息的贮存、传递和表达的机制2.2.所有生物具有共同的生命属性相似的元素组成和分子组成相似的物质代谢和能量代谢过程相似的遗传信息传递机制