主講教師：楊志敏課件

生物化學(xué)與分子生物學(xué)系Biochemistry緒論生物化學(xué)（Biochemistry）是研究生物體中有機(jī)分子化學(xué)組成、結(jié)構(gòu)和功能、代謝變化和調(diào)節(jié)及其分析方法的科學(xué)。

生物化學(xué)是研究細(xì)胞中生物分子運(yùn)動(dòng)的化學(xué)本質(zhì)，是研究活細(xì)胞內(nèi)各種物質(zhì)的化學(xué)組成及其分解與合成的普遍規(guī)律。因此,生物化學(xué)研究的對(duì)象不局限于哪種生物、哪類細(xì)胞、哪個(gè)器官或組織，而是以整個(gè)生物界所有生物細(xì)胞內(nèi)所發(fā)生的各種化學(xué)事件，研究其生物化學(xué)特性，闡明這些事件的發(fā)生與消亡。它的研究對(duì)象具有普遍性和代表性。一.生物化學(xué)的涵義-基本概念緒論隨著現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)的迅速發(fā)展，生物學(xué)家正在不斷揭開生命的分子奧秘。生物科學(xué)在過去的20多年中出現(xiàn)了令人驚愕的進(jìn)展。主要特點(diǎn)是：1.許多其他學(xué)科的科學(xué)家如數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家、信息學(xué)家、化學(xué)家等紛紛地匯聚到這個(gè)領(lǐng)域。2.最明顯的一個(gè)特點(diǎn)就生物技術(shù)的進(jìn)步與基礎(chǔ)領(lǐng)域生物化學(xué)發(fā)展緊密聯(lián)系在一起。一.生物化學(xué)的涵義-基本概念緒論1.所有不同類型的生物體幾乎都利用一些相同的生物分子如碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)、核酸，而且這些生物體幾乎都具備合成和分解這些分子的代謝途徑（pathway）；2.生物體的宏觀表型如生長(zhǎng)、發(fā)育、繁殖等都受細(xì)胞內(nèi)DNA遺傳特性的控制;一.生物化學(xué)的涵義-基本概念緒論3.生命活動(dòng)的過程是由成千上萬個(gè)生物化學(xué)反應(yīng)組成，但這些反應(yīng)并非雜亂無章，而是以網(wǎng)絡(luò)狀的途徑形式存在。例如在生物體內(nèi)合成乙醇反應(yīng)。如果從一個(gè)反應(yīng)來看，精確和調(diào)控這些反應(yīng)（或途徑）是保持正常生命活動(dòng)的基礎(chǔ)；一.生物化學(xué)的涵義-基本概念緒論4.生物大分子如蛋白質(zhì)、核酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)與特定功能是密切相關(guān)的，人們可以通過分子結(jié)構(gòu)去了解或推斷分子的功能，這對(duì)理解生物分子的作用機(jī)理有很大的幫助.

一.生物化學(xué)的涵義-基本概念A(yù)topologicalmodeloftheA.thaliana

monosaccharidetransporter部分核苷酸序列與對(duì)應(yīng)氨基酸序列

緒論二.生物化學(xué)的內(nèi)容研究生物體內(nèi)各種化合物的結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)和功能（主要有糖類、脂類、蛋白質(zhì)、核酸、酶、維生素和激素）研究構(gòu)成生物體的基本物質(zhì)在生命活動(dòng)中進(jìn)行的化學(xué)變化，即新陳代謝及代謝過程中能量的轉(zhuǎn)換和調(diào)節(jié)靜態(tài)生物化學(xué)動(dòng)態(tài)生物化學(xué)緒論二.生物化學(xué)的內(nèi)容代謝與能量糖類化學(xué)脂類化學(xué)蛋白質(zhì)化學(xué)核酸化學(xué)酶學(xué)靜態(tài)生物化學(xué)動(dòng)態(tài)生物化學(xué)糖類代謝脂類代謝蛋白質(zhì)代謝核酸代謝代謝調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的降解氨基酸代謝蛋白質(zhì)的生物合成核酸的降解核苷酸代謝核酸的生物合成緒論三.生物化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史第一階段 18世紀(jì)70年代以后，隨著近代化學(xué)和生理學(xué)的發(fā)展，生物化學(xué)學(xué)科開始形成1770-1774年，英國J.Priestly發(fā)現(xiàn)了氧氣，并指出動(dòng)物消耗氧而植物產(chǎn)生氧1770-1786年，瑞典人C.W.Scheele分離了甘油、檸檬酸、蘋果酸、乳酸、尿酸等1779-1796年，荷蘭人J.Ingenbousz證明在光照條件下綠色植物吸收CO2

并放出O21828年，Wohler合成了有機(jī)物尿素緒論三.生物化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史第二階段 從20世紀(jì)初到20世紀(jì)40年代，隨著分析鑒定技術(shù)的進(jìn)步，尤其是放射性同位素技術(shù)的應(yīng)用，生物化學(xué)進(jìn)入動(dòng)態(tài)生物化學(xué)的時(shí)期。1926年，美國化學(xué)家J.B.Sumner首次得到脲酶結(jié)晶1912-1933，生物氧化得到了卓有成效的研究30年代，陸續(xù)得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶，從而進(jìn)一步證明酶是蛋白質(zhì)緒論三.生物化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史第二階段 從20世紀(jì)初到20世紀(jì)40年代，隨著分析鑒定技術(shù)的進(jìn)步，尤其是放射性同位素技術(shù)的應(yīng)用，生物化學(xué)進(jìn)入動(dòng)態(tài)生物化學(xué)的時(shí)期。30年代，英生化學(xué)家A.Krebs提出尿素循環(huán)和三羧酸循環(huán)40年代，能量代謝的提出為生物能學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)此外，糖酵解途徑、光合碳代謝途徑得到證明，發(fā)現(xiàn)了維生素和激素、血紅素核葉綠素等這個(gè)階段，基本上闡明了酶的化學(xué)本質(zhì)以及能量代謝有關(guān)的物質(zhì)代謝途徑。緒論三.生物化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史第三階段 1950年以來，借助于各種理化技術(shù)，對(duì)蛋白質(zhì)、酶、核酸等生物大分子進(jìn)行化學(xué)組成、序列、空間結(jié)構(gòu)及其生物學(xué)功能的研究，并發(fā)展到人工合成，創(chuàng)立了基因工程。1950年，Pauling提出蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的a-螺旋1953年，Watson&Crick提出了DNA的雙螺旋模型1958年，Crick提出“中心法則”1953及1975年，Sanger分別研究出蛋白質(zhì)序列和核酸序列的測(cè)定方法1961年，Jacob&Monod提出了操縱子學(xué)說緒論三.生物化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史第三階段 1950年以來，借助于各種理化技術(shù)，對(duì)蛋白質(zhì)、酶、核酸等生物大分子進(jìn)行化學(xué)組成、序列、空間結(jié)構(gòu)及其生物學(xué)功能的研究，并發(fā)展到人工合成，創(chuàng)立了基因工程。1965年，Holly排出酵母tRNAAla的一級(jí)結(jié)構(gòu)1966年，Nirenberg&Khorana破譯了遺傳密碼緒論三.生物化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史1970年，Temin和Baltimore幾乎同時(shí)發(fā)現(xiàn)逆向轉(zhuǎn)錄酶，證實(shí)了Temin1964年提出的“前病毒假說”，闡明在勞氏肉瘤病毒（RSV）感染以后，首先產(chǎn)生含RNA病毒基因組全部遺傳信息的DNA前病毒，而子代病毒的RNA則是以前病毒的DNA為模板進(jìn)行合成。1972年～1973年，Berg等成功地進(jìn)行了DNA體外重組；Cohen創(chuàng)建了分子克隆技術(shù)，在體外構(gòu)建成具有生物學(xué)功能的細(xì)菌質(zhì)粒，開創(chuàng)了基因工程新紀(jì)元。在此同時(shí)，Boyer等在E.coli中成功表達(dá)了人工合成的生長(zhǎng)激素釋放抑制因子基因緒論三.生物化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史1975年，Southern發(fā)明了凝膠電泳分離DNA片段的印跡法；1979年，Solomon和Bodmer最先提出至少200個(gè)限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性（RELP）可作為連接人的整個(gè)基因組圖譜之基礎(chǔ);1985年，Saiki等發(fā)明了聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)（PCR）；Smith等報(bào)導(dǎo)了DNA測(cè)序中應(yīng)用熒光標(biāo)記取代同位素標(biāo)記的方法。緒論三.生物化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史1997年，Wilmut等首次不經(jīng)過受精，用成年母羊體細(xì)胞的遺傳物質(zhì)，成功地獲得克隆羊——多莉（Dolly）緒論三.生物化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史1998年，Renard等用體細(xì)胞操作獲得克隆牛——Marguerife，再次證明從體細(xì)胞可克隆出遺傳上完全相同的哺乳動(dòng)物；GeneBank公布最新人的“基因圖譜98”，代表了30181條基因定位的信息；Venter對(duì)人類基因組計(jì)劃提出新的戰(zhàn)略——全基因組隨機(jī)測(cè)序，毛細(xì)血管電泳測(cè)序儀啟動(dòng);緒論三.生物化學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史

從以上所述的生物化學(xué)的發(fā)展中，可以看出20世紀(jì)50年代以來是以核酸的研究為核心，帶動(dòng)著分子生物學(xué)向縱深發(fā)展，如50年代的雙螺旋結(jié)構(gòu)，60年代的操縱子學(xué)說，70年代的DNA重組，80年代的PCR技術(shù)，90年代的DNA測(cè)序都具有里程碑的意義，將生命科學(xué)帶向一個(gè)由宏觀到微觀再到宏觀，由分析到綜合的時(shí)代；現(xiàn)代生物化學(xué)正在進(jìn)一步發(fā)展，其基本理論和實(shí)驗(yàn)方法均已滲透到科學(xué)各個(gè)領(lǐng)域，無論在哪個(gè)方面都在不斷取得重大進(jìn)展.緒論四.生物化學(xué)課程的性質(zhì)21世紀(jì)是生物科學(xué)與技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代。它的發(fā)展使人類活動(dòng)和生活方式發(fā)生了深刻變化，同時(shí)給農(nóng)業(yè)、輕工業(yè)、醫(yī)藥行業(yè)等帶來了重大的革新，而這些變化都離不開生物化學(xué)學(xué)科的發(fā)展?，F(xiàn)代生物化學(xué)主要是在分子水平上研究生物體內(nèi)各種物質(zhì)分子的化學(xué)本質(zhì)及其在生命活動(dòng)過程中的化學(xué)變化規(guī)律。人類要了解各種生物的生長(zhǎng)、生殖、生理、遺傳、衰老、抗性、疾病、生命起源和演化等現(xiàn)象，都需要用生物化學(xué)的原理和方法進(jìn)行探討。緒論四.生物化學(xué)課程的性質(zhì)因此，生物化學(xué)是各門生物科學(xué)的基礎(chǔ)，特別是生理學(xué)、微生物學(xué)、遺傳學(xué)、細(xì)胞學(xué)等各科的基礎(chǔ)，在分子生物學(xué)、基因-蛋白質(zhì)組學(xué)、生物信息學(xué)等新興學(xué)科中占有特別重要的位置。《生物化學(xué)》課程是我國高等農(nóng)業(yè)院校生物學(xué)類和大多數(shù)非生物學(xué)類專業(yè)學(xué)生的學(xué)科基礎(chǔ)課，是后繼一系列重要課程的基礎(chǔ)課，具有舉足輕重的重要地位。

緒論1.促進(jìn)對(duì)人或動(dòng)物致病機(jī)理的認(rèn)識(shí)，提高對(duì)疾病的正確診斷

從醫(yī)學(xué)方面講，人或動(dòng)物的病理狀態(tài)常常是由于細(xì)胞中化學(xué)成份的變化，從而引起功能的紊亂。血液中脂類物質(zhì)含量增高是心血管疾病的特征之一（如冠心病、血管栓塞引起腦溢血、腦血栓等癥狀）；血紅蛋白一級(jí)結(jié)構(gòu)的改變可以溶血，如人被毒蛇咬傷后致人于喪命，是由于蛇毒液中含有磷酸二酯酶，使血細(xì)胞溶血所致等，許多疾病的臨床診斷愈來愈多地依賴于生化指標(biāo)的測(cè)定。

五.生物化學(xué)地位作用緒論2.生物化學(xué)理論和方法促進(jìn)生物藥物研究與開發(fā)

生化藥物是一類采用生化方法化學(xué)合成從生物體分離、純化所得并用于預(yù)防、治療和診斷疾病的生化基本物質(zhì)。這些藥物的特點(diǎn)是來自生物體，基本生化成份即氨基酸、肽、蛋白質(zhì)、酶與輔酶、多糖（粘多糖類）脂質(zhì)、核酸及其降解產(chǎn)物。這些物質(zhì)成分均具有生物活性或生理功能，毒副作用極小，藥效高而被服用者接受。生化藥物在制藥行業(yè)和醫(yī)藥上占有重要地位。五.生物化學(xué)地位作用緒論3.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)研究依賴于生物化學(xué)的理論和方法

高產(chǎn)農(nóng)作物新品種的培育和開發(fā)依賴于生物化學(xué)的基本原理和技術(shù)方法。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的兩個(gè)重要問題即光合作用和氮素固定，這是制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提高的重要因素：①大田作物一般只能利用太陽全年輻射能的0.1%～1%。怎樣提高對(duì)輻射能利用率和CO2的固定率，涉及光合作用中的生物化學(xué)方面的研究；②大氣中的氮?dú)庹?8%，自然界中只有幾種微生物能夠固定氮?dú)?，如果幾種主要作物都能利用氮?dú)?，那么農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)量就可大幅度地提高。五.生物化學(xué)地位作用緒論4.生化理論和方法有利于推動(dòng)著我國農(nóng)副產(chǎn)品的加工產(chǎn)業(yè)

我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值40%。農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量每年以4%幅度增加，而農(nóng)產(chǎn)品加工附加值很小。德國農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)值與附加值之比為1︰2.3、美國為1︰1.8、日本1︰2.2,而我國僅1︰0.5，與發(fā)達(dá)國家相比相差較大，大量農(nóng)產(chǎn)品只作為廉價(jià)原料提供給國外，然后再買回別人的產(chǎn)品。家畜屠宰血、骨頭、肉類和蔬菜加工的腳料都可加工成藥品或食品添加劑。若農(nóng)副產(chǎn)品深加工帶來的附加值能達(dá)到國外發(fā)達(dá)國家的一半，不僅可以使農(nóng)業(yè)利稅增加2個(gè)百分點(diǎn)，而且將幫助大量農(nóng)民從事高技術(shù)含量的勞動(dòng)。五.生物化學(xué)地位作用緒論5.研究新陳代謝規(guī)律及其調(diào)控是開發(fā)微生物發(fā)酵工業(yè)的基礎(chǔ)氨基酸、酶（含遺傳工程酶）、抗生素、植物生長(zhǎng)激素、維生素C等也可通過微生物發(fā)酵手段進(jìn)行生產(chǎn)。發(fā)酵產(chǎn)物的提煉和分離及下游加工技術(shù)也必須依賴于生物化學(xué)理論和技術(shù)。此外，研究微生物新陳代謝過程及其調(diào)節(jié)控制對(duì)于選育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的菌株﹑篩選最佳發(fā)酵理化因子及提高發(fā)酵效率具有指導(dǎo)意義。五.生物化學(xué)地位作用緒論6.生物化學(xué)理論和方法對(duì)改善人類生存環(huán)境具有特殊的意義

高新技術(shù)產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)但也給人類居住的環(huán)境產(chǎn)生巨大的污染，嚴(yán)重危害人類的生存，如三廢的處理、水質(zhì)的凈化等。如篩選良好的微生物菌株進(jìn)行轉(zhuǎn)化，或微生物發(fā)酵產(chǎn)物進(jìn)行對(duì)“三廢”處理。這些都與生化理論和方法密切相關(guān)。此外，還有航空航天事業(yè)、海洋資源的開發(fā)利用都離不開生物化學(xué)及由它發(fā)展起來的生物化學(xué)工程技術(shù)。

五.生物化學(xué)地位作用緒論1.通過對(duì)DNA序列的了解，深入研究影響個(gè)體發(fā)育和整個(gè)生物體特定序列表達(dá)規(guī)律——即功能基因組學(xué)。

該項(xiàng)研究就是在選擇一定的典型生物材料，搞清全部染色體的全部序列、基因組的堿基長(zhǎng)度、可能的編碼蛋白質(zhì)基因、編碼的rRNA、snRNA和tRNA基因。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究全部的基因中在不同生長(zhǎng)發(fā)育期內(nèi)，同時(shí)有多少基因協(xié)同表達(dá)，搞清適應(yīng)于某一時(shí)期的全套基因表達(dá)譜（geneexpressionpattern）。六.生物化學(xué)學(xué)科的展望

緒論

目前用于檢測(cè)分化細(xì)胞基因表達(dá)譜的方法，有基因表達(dá)連續(xù)分析法（serialanalysisofgeneexpression,SAGE）、微陣列法（microarray）、有序差異顯示（ordereddifferentialdisplay,ODD）和DNA芯片（DNAchips）技術(shù)等。當(dāng)前，已把酵母基因組作為研究真核生物基因組功能的模式，擬建立酵母基因組6000多個(gè)基因的單突變體文庫（singlemutantlibrary），并可用于其它高等真核生物基因組之“基因功能作圖”。六.生物化學(xué)學(xué)科的展望

緒論2.以特定基因組在特定條件下所表達(dá)的全部蛋白質(zhì)（specificproteomeindicatestheproteinexpressedbyagenome）為研究對(duì)象，研究細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律

通過本項(xiàng)對(duì)蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)性、時(shí)空性、可調(diào)節(jié)性，以及能夠在細(xì)胞和生命有機(jī)體整體水平上闡明生命現(xiàn)象和活動(dòng)規(guī)律的研究，回答由于僅從DNA序列尚不能回答的某些基因的表達(dá)時(shí)間，表達(dá)量，蛋白質(zhì)翻譯后加工和修飾及亞細(xì)胞分布狀況等問題。六.生物化學(xué)學(xué)科的展望

緒論

為了盡可能分辨細(xì)胞或組織內(nèi)所有蛋白質(zhì)，目前一般采用高分辨率的雙向凝膠電泳。一種正常細(xì)胞的雙向電泳圖譜通過掃描儀掃描并數(shù)字化，運(yùn)用二維分析軟件可對(duì)數(shù)字化的圖譜進(jìn)行各種圖像分析，包括分離蛋白在圖譜上的定位，分離蛋白的計(jì)數(shù)、圖譜間蛋白質(zhì)差異表達(dá)的檢測(cè)等。六.生物化學(xué)學(xué)科的展望

緒論

從提出蛋白質(zhì)組的概念到現(xiàn)在短短幾年中，已于1997年構(gòu)建成第一個(gè)完整的蛋白質(zhì)組數(shù)據(jù)庫——酵母蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫（yeastproteindatabase,YPD），進(jìn)展速度極快，新的思路和技術(shù)不斷涌現(xiàn)，蛋白質(zhì)組學(xué)這門新興學(xué)科，在今后的實(shí)踐中將會(huì)不斷完善，充實(shí)壯大，發(fā)展成為后基因組時(shí)代的帶頭學(xué)科。六.生物化學(xué)學(xué)科的展望

緒論3．對(duì)DNA和蛋白質(zhì)序列資料中各種類型信息進(jìn)行識(shí)別、存儲(chǔ)、分析、模擬和轉(zhuǎn)輸，建立由數(shù)據(jù)庫、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件三大部分組成的信息庫，發(fā)展信息學(xué)。

建立的核苷酸數(shù)據(jù)庫，已存有數(shù)百種生物的cDNA和基因組DNA序列的信息。在已應(yīng)用的軟件中，有DNA分析、基因圖譜構(gòu)建、RNA分析、多序列比較、同源序列檢索、三維結(jié)構(gòu)觀察與演示、進(jìn)化樹生成與分析等。當(dāng)今及今后的研究趨勢(shì)是科學(xué)家們將利用生物信息學(xué)研究蛋白質(zhì)