生物化學(xué)緒論5

1、 生物化學(xué)的概念及研究內(nèi)容 生物化學(xué)的發(fā)展歷史 生物化學(xué)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系 生物分子概述 第一章 緒 論 一、生物化學(xué)的概念及研究內(nèi)容 我們所處在的地球生長著無數(shù)的生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、藻等微生物物，包括病毒、類病毒、菌、藻等微生物 及各種動物、植物。及各種動物、植物。 生命有機體的特征？ 化學(xué)成分復(fù)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(gòu)成很多種 生物小分子，如氨基酸、核苷酸、單糖等;再由生物小分子 構(gòu)成復(fù)雜的生物大分子（合稱生物分子） atoms molecules biopolymers organelles cells t

2、issues organs organ systems individuals populations the biosphere 能從環(huán)境中吸收、轉(zhuǎn)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(xué)是闡明生物分子是如何相互作用而形成 復(fù)雜而高效的生命現(xiàn)象的科學(xué)。 生物化學(xué)是一門運用化學(xué)的原理和方法研究生命 現(xiàn)象的本質(zhì)，揭示生命奧秘的科學(xué)。 簡單地說生物化學(xué)就是生命的化學(xué)。 生物化學(xué)生物化學(xué) 的概念的概念 研究構(gòu)成生物體的分子基礎(chǔ)研究構(gòu)成生物體的分子基礎(chǔ)生物分子生物分子的的 化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能?；瘜W(xué)組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能。 研究研究生物分子生物分子在生命活動中的變化規(guī)律

3、在生命活動中的變化規(guī)律 （物質(zhì)代謝、能量代謝）（物質(zhì)代謝、能量代謝） 生物化學(xué)的生物化學(xué)的 研究內(nèi)容研究內(nèi)容 二、生物化學(xué)的發(fā)展歷史 最早的自然科學(xué)就是數(shù)、理、化、天、地、生。生就最早的自然科學(xué)就是數(shù)、理、化、天、地、生。生就 是生物學(xué)，研究的是一些力所能及的形態(tài)觀察、分類是生物學(xué)，研究的是一些力所能及的形態(tài)觀察、分類 等。等。 隨著各學(xué)科的發(fā)展，學(xué)科間在理論知識和技術(shù)上相互隨著各學(xué)科的發(fā)展，學(xué)科間在理論知識和技術(shù)上相互 滲透，尤其是化學(xué)、物理學(xué)的滲透，到滲透，尤其是化學(xué)、物理學(xué)的滲透，到1818世紀(jì)一些從世紀(jì)一些從 事化學(xué)研究的科學(xué)家如拉瓦錫、舍勒等人和一些藥劑事化學(xué)研究的科學(xué)家如拉瓦錫、舍

4、勒等人和一些藥劑 師轉(zhuǎn)向生物領(lǐng)域，生物學(xué)逐漸分離成生理化學(xué)（生物師轉(zhuǎn)向生物領(lǐng)域，生物學(xué)逐漸分離成生理化學(xué)（生物 化學(xué)的萌芽）、遺傳學(xué)、細(xì)胞學(xué)?；瘜W(xué)的萌芽）、遺傳學(xué)、細(xì)胞學(xué)。 18771877年，德國醫(yī)生霍佩年，德國醫(yī)生霍佩- -賽勒賽勒Ernst Felix Hoppe- Seyler首次提出首次提出“”一詞，并使之成為一一詞，并使之成為一 門獨立的學(xué)科。門獨立的學(xué)科。 生物化學(xué)的發(fā)展概括起來經(jīng)歷了生物化學(xué)的發(fā)展概括起來經(jīng)歷了3 3個階段：個階段： Year Proteins were thought to carry genetic information Miescher discover

5、ed DNAMiescher discovered DNA Interweaving of the historical traditions of biochemistry, cell biology, and genetics. 靜靜 態(tài)態(tài) 動動 態(tài)態(tài) 機機 能能 靜態(tài)生物化學(xué)階段：萌芽時期(18世紀(jì)下半葉-20世紀(jì)初） 這一時期生物化學(xué)主要依附于有機化學(xué)，研究不深入，只 是對生物體的物質(zhì)組成、性質(zhì)、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(xué)階段：奠基時期(20世紀(jì)初-1950年) 由于分析鑒定技術(shù)的進(jìn)步，尤其是放射性同位素示蹤技術(shù)的

6、 應(yīng)用，生物化學(xué)進(jìn)入深入發(fā)展時期。 科學(xué)家對生物物質(zhì)代謝進(jìn)行了廣泛深入的研究，基本闡明: （1）酶的化學(xué)本質(zhì) （2）與能量代謝有關(guān)的物質(zhì)代謝途徑 機能生物化學(xué)階段：大發(fā)展時期（1950- ） 科學(xué)家對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。伴隨實驗手段、技術(shù)（電鏡、超 離心、色譜、電泳等）的不斷改進(jìn)，使得對生物大分 子結(jié)構(gòu)及功能的研究也更加深入。 50年代以后生物化學(xué)迅猛發(fā)展，每年的諾貝爾生理學(xué) /醫(yī)學(xué)獎和化學(xué)獎的大部分獎項都是與生物化學(xué)領(lǐng)域 相關(guān)的。 美國、法國、德國、英國在近代生物化學(xué)發(fā)展史貢獻(xiàn) 突出。 在21世紀(jì)，生物化學(xué)將在分子、細(xì)胞等水平上利用多 學(xué)科手段交叉滲透，

7、對核酸、蛋白質(zhì)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(jìn)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(xué)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系 ;生物化學(xué)與許多學(xué)科有著密切聯(lián)系和交叉 1、利用化學(xué)、物理學(xué)的原理和技術(shù) 研究生物分子的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)。 2、許多生物化學(xué)理論（代謝途徑和 調(diào)控機制）是用微生物作為材料證實 的。 3、生理學(xué), 是在生物體的組織和整 體水平研究生命進(jìn)程，涉及生物體內(nèi) 有機物的代謝，這也是生物化學(xué)的核 心之一。 4、細(xì)胞生物學(xué), 研究生物細(xì)胞結(jié)構(gòu)、 功能，包括細(xì)胞內(nèi)生物分子的作用。 5、遺傳學(xué)，研究核酸、蛋白質(zhì)的生 物合成及調(diào)控，這也

8、是生物化學(xué)必須 討論的重要課題。 有機化學(xué) 生物物理學(xué) 微生物學(xué) 生理學(xué) 細(xì)胞生物學(xué) 遺傳學(xué) 生 物 化 學(xué) 生物化學(xué)的應(yīng)用 生物化學(xué)的原理和技術(shù)在生產(chǎn)實踐中也得到 廣泛的應(yīng)用。如與農(nóng)學(xué)、某些輕工業(yè)(如制藥、釀 造、皮革、食品等)、醫(yī)學(xué)都有密切關(guān)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。 v應(yīng)用生物農(nóng)藥對病蟲害和雜草進(jìn)行防治。減少 化學(xué)污染，保持生態(tài)平衡。 如利用微生物做殺蟲劑，應(yīng)用最廣的是用 蘇云金桿菌殺毛蟲。當(dāng)這種細(xì)菌在葉的表面形 成芽孢后，產(chǎn)生一種蛋白結(jié)晶，食用葉片后， 幼蟲腸中的蛋白酶把這些結(jié)晶轉(zhuǎn)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

9、好，且只專一作用于昆蟲幼 蟲，毒性小。但成本比化學(xué)殺蟲劑高。 生 物 防 治 四、生物分子概述 碳架是生物分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) 生物分子有復(fù)雜的異構(gòu)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(zhì)組成： 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(zhì)基礎(chǔ)。 典型的細(xì)胞含有一萬到十萬種生物分子。典型的細(xì)胞含有一萬到十萬種生物分子。 其中近半數(shù)是小分子，分子量一般在其中近半數(shù)是小分子，分子量一般在500500以下以下, ,如如維生維生 素、輔酶、激素、核苷酸和氨基酸等素、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

10、，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 般在一萬以上，有的高達(dá)般在一萬以上，有的高達(dá)101012 12，因而稱為 ，因而稱為生物大分子生物大分子， 如如 多糖、脂、核酸和蛋白質(zhì)多糖、脂、核酸和蛋白質(zhì)。 1、碳架是生物分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ) 碳元素一般占細(xì)胞干重的50以 上。 碳原子既難得到電子，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(gòu)型，因此它自相結(jié)合可以形 成結(jié)構(gòu)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(jié)合，形成化學(xué)性質(zhì)活潑的官 能團。 生物分子碳架的大小組成 不一，幾何形狀結(jié)構(gòu)多樣 （線形、分支形、環(huán)形、 飽和、不飽和）

11、。 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(jié)構(gòu)-生物小分子。 2、生物分子有復(fù)雜的異構(gòu)現(xiàn)象 異構(gòu)體(isomer)：是原子組成相同而結(jié)構(gòu) 或構(gòu)型不同的分子。 異構(gòu)現(xiàn)象可分為:結(jié)構(gòu)異構(gòu)、立體異構(gòu) 結(jié) 構(gòu) 異 構(gòu) 結(jié)構(gòu)異構(gòu)：由于原子之間連接方式不同所引起的 異構(gòu)現(xiàn)象。 結(jié)構(gòu)異構(gòu)包括: 由碳架不同產(chǎn)生的碳架異構(gòu)，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(gòu)，如-丙氨酸 和-丙氨酸; 由官能團不同而產(chǎn)生的官能團異構(gòu)。如丙醛糖和 丙酮糖。 立 體 異 構(gòu) 立體異構(gòu)： 同一結(jié)構(gòu)異構(gòu)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(gòu)現(xiàn)象。 立體異構(gòu)

12、可分為構(gòu)型異構(gòu)和構(gòu)象異構(gòu)。 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(gòu)型。構(gòu)型異構(gòu)是結(jié)構(gòu)相同而構(gòu)型不 同的異構(gòu)現(xiàn)象。構(gòu)型異構(gòu)又包括順反異構(gòu)和光學(xué) 異構(gòu)。 構(gòu)型相同的分子，可由于單鍵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生很多不同 立體異構(gòu)體，這種現(xiàn)象稱為構(gòu)象異構(gòu)。 順 反 異 構(gòu) Much input of energy Much input of energy Is needed for their Is needed for their interconversion (viainterconversion (via breakage/formationbreakage/formation of coval

13、ent bonds.of covalent bonds. ( (順丁烯二酸，馬來酸）順丁烯二酸，馬來酸） （反丁烯二酸，富馬酸）（反丁烯二酸，富馬酸） 各自具有不同的化學(xué)性各自具有不同的化學(xué)性 質(zhì)和生物學(xué)作用質(zhì)和生物學(xué)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個手性碳原子上個手性碳原子上 相連的各原子或基團相連的各原子或基團 的空間排布有兩種，的空間排布有兩種， 互為鏡像，稱為互為鏡像，稱為對映對映 體體。 光 學(xué) 異 構(gòu) 對映異構(gòu)體化學(xué)性質(zhì)幾乎完全相同，但使 偏振光的平面旋轉(zhuǎn)相反地方向，但角度相 同。 具有具有n個手性碳原子的分子，有個手性碳原子的分子，有2

14、n個立體異構(gòu)體個立體異構(gòu)體 構(gòu) 象 異 構(gòu) 由于CC單鍵的旋轉(zhuǎn)，使分子中其余原子或基團 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(gòu)象異構(gòu)。 構(gòu)象異構(gòu)賦予生物大分子 的構(gòu)象柔順性。與構(gòu)型相 比，構(gòu)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(gòu)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(jié)構(gòu)的變化。 生物大分子在眾多可能構(gòu)象中通常表現(xiàn) 有限數(shù)量的穩(wěn)定構(gòu)象. 一個生物分子的 功能通常依賴于 它特異的三維結(jié) 構(gòu)，即構(gòu)象和構(gòu) 型。 e.g., e.g., 不同的立體異構(gòu)體可以引起人不同的味覺和嗅覺反應(yīng)不同的立體異構(gòu)體可以引起人不同的味覺和嗅覺反應(yīng)

15、 The human taste receptors distinguish these The human taste receptors distinguish these two stereoisomers as sweet and bitter!two stereoisomers as sweet and bitter! 生物分子之間的互作通常是立體異構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)和生物 分子之間借以相互識別、結(jié)合及作用的弱 作用力-非共價

16、相互作用（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(jié)構(gòu)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(gòu)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(fù)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。 氫鍵是一種弱作用力，鍵能只相當(dāng)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

17、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(jié)構(gòu)中起主導(dǎo)作用。 供氫體供氫體氫受體氫受體 X-HYX-HY 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(dá)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(zhì)是偶極子之間的靜電相互作用力， 包括定向力、誘導(dǎo)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(dǎo)下可以形成誘 導(dǎo)偶極子，這兩種偶極子之間的作用力稱為誘導(dǎo)力。 非極性基團或分子，由于電子相對于原子

18、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。范德華力對生物多層次結(jié)構(gòu)的 形成和分子的相互識別與結(jié)合有重要意義。 靜電作用力 包括正負(fù)荷電基團間的引力，常稱為鹽鍵包括正負(fù)荷電基團間的引力，常稱為鹽鍵(salt (salt bond)bond)和同性荷電基團間的斥力。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(zhì)的極性有關(guān)。介質(zhì)的極性對荷方成反比，還與介質(zhì)的極性有關(guān)。介質(zhì)的極性對荷 電基團

19、相互作用有屏蔽效應(yīng)，介質(zhì)的極性越小，荷電基團相互作用有屏蔽效應(yīng)，介質(zhì)的極性越小，荷 電基團相互作用越強。電基團相互作用越強。 例如，例如，-COO-COO-與與 -NH3+-NH3+間在極性介質(zhì)水中的相間在極性介質(zhì)水中的相 互作用力，僅為在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部非極性環(huán)境中的互作用力，僅為在蛋白質(zhì)分子內(nèi)部非極性環(huán)境中的 1/201/20，在真空中的，在真空中的1/801/80。 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(jié)構(gòu)部分具有疏水性質(zhì)， 如蛋白質(zhì)的疏水氨基酸側(cè)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(zhì)、核酸的高層次結(jié)構(gòu)和形 成生物膜中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。 生物化學(xué)的概念及研究內(nèi)容 生物化學(xué)的發(fā)展歷史 生物化學(xué)與相關(guān)學(xué)科的關(guān)系 生物分子概述 第一章 緒 論 生物化學(xué)是闡明生物分子是如何相互作用而形成 復(fù)雜而高效的生命現(xiàn)象的科學(xué)。 生物化學(xué)是一門