緒論(2011)-生物化學

生物化學

Biochemistry主講:田亞平緒論涵義及內(nèi)容發(fā)展史地位及作用學習方法化學（共性和個性）共性：

物質(zhì)的本性即包括組成、結構和性質(zhì)；物質(zhì)的變化即物質(zhì)變化的條件和方法。個性：方法、角度或對象

無機化學有機化學分析化學物理化學研究差異生物化學？1涵義及內(nèi)容1.1涵義生物化學——生命的化學，是研究生物體的化學組成，生物物質(zhì)的結構與功能，生命過程中物質(zhì)與能量變化的規(guī)律，以及一切生命現(xiàn)象的科學。

從學科范圍上來講，生物化學是由生物學和化學交叉發(fā)展形成的邊緣科學，是以化學方法為主要手段來研究生物（生命活動）的一門科學。生命的化學，化學的生命生物學化學工程學生物化學生物工程化學工程生物技術1.2研究內(nèi)容1.2.1生物體的化學組成四類基本生物分子：

多糖單糖組成

脂類甘油、脂肪酸、磷酸、含氮堿等組成

蛋白質(zhì)氨基酸（20種）組成

核酸核苷酸組成，核苷酸由堿基、戊糖、磷酸組成

三大活性物質(zhì)：酶、維生素、激素

研究它們的結構、特性、作用方式和機理。生物分子離體的狀態(tài)下的靜態(tài)特征，稱為靜態(tài)部分

（Staticpart）

生物分子在生物體內(nèi)并不是靜態(tài)的，而是不斷發(fā)生變化：

生物大分子小分子小分子小分子體外物質(zhì)體內(nèi)物質(zhì)

從一種生物分子轉化為另一種生物分子所經(jīng)歷的化學反應過程稱為代謝途徑，其中伴隨著能量的變化（放能和需能）。生物體內(nèi)各種不同的代謝途徑構成復雜的代謝網(wǎng)絡，各種生物分子通過這張代謝網(wǎng)絡進行相互轉化。生物體內(nèi)物質(zhì)能量轉化的動態(tài)過程，被稱為動態(tài)部分

（Dynamicpart）1.2.2新陳代謝降解合成轉化運輸分泌遺傳的分子基礎在內(nèi)容上屬于分子生物學，講述的是核酸和蛋白質(zhì)的合成代謝，包括：

DNARNA蛋白質(zhì)中心法則是生物體傳遞并表達遺傳信息的基礎。復制復制轉錄逆轉錄翻譯1.2.3遺傳的分子基礎和代謝的調(diào)節(jié)控制

生物體內(nèi)的代謝網(wǎng)絡非常復雜，而生物體的各種反應卻能有條不紊的進行，這是受到精密的調(diào)節(jié)機制調(diào)控的，其中細胞水平的調(diào)節(jié)主要包括：

(a)以膜結構和膜功能為基礎的細胞結構效應;(b)以代謝途徑和酶分子結構為基礎的酶活調(diào)節(jié);(c)以酶的合成系統(tǒng)為基礎的酶量調(diào)節(jié)。2發(fā)展簡史2.1史前期公元前22世紀用谷物釀酒公元前12世紀學會制醬、制飴公元前7世紀用車前子、杏仁治療腳氣病，用豬肝治療夜盲癥等

依靠經(jīng)驗自發(fā)的利用生物化學規(guī)律，而對本質(zhì)沒有認識2.2啟蒙期（18世紀）

1780-1789拉瓦錫（AntoineLavoisier）（法）研究燃燒和呼吸，被認為是現(xiàn)代生物化學研究的開端，他推翻了燃素說,后人稱他是生物化學之父。

（1742-1786）瑞典化學家舍勒(CarlW.

Scheele)分離并研究了酒石酸、檸檬酸、蘋果酸、尿酸、乳酸、甘油等有機物2.3形成期（19世紀）（1830-1842）德國化學家李比希(JustusLiebig)是生理化學和碳水化合物化學的創(chuàng)始人之一，研究了大量的有機分子和生物組織提取物，將食物分為糖、脂、蛋白質(zhì)類，并首次提出了“新陳代謝”這個學術名詞

1877年，德國醫(yī)生霍佩-賽勒(Felix

Hoppe-Seyler)首次提出“Biochemie”這個名詞，并創(chuàng)辦了生理化學雜志，將生理化學（生物化學）建成一門獨立的學科，首次從生物學、醫(yī)學、化學中分離出來。他還首創(chuàng)了“蛋白質(zhì)”一詞，并得到了血紅蛋白結晶。霍佩-賽勒的學生米歇爾(Friedrich

Miescher)研究了病理液體和膿細胞，并從膿細胞的細胞核中分離得到了脫氧核糖核蛋白。

1897年布赫納(Büchner)兄弟利用無細胞酵母汁液發(fā)酵蔗糖產(chǎn)生酒精的研究，是生化發(fā)展早期的一個重要里程碑，不僅結束了酒精發(fā)酵機理持續(xù)了半個世紀的大論戰(zhàn)，而且將酶學和代謝等現(xiàn)代生化研究引入了一個快速發(fā)展的新時期。LudwigBuchnerGeorgBuchner1903年生物化學學科正式成立

（1890－1902）埃米爾·費舍爾（Emil

Fischer）（德）首次證明了蛋白質(zhì)是多肽；發(fā)現(xiàn)酶的專一性，提出并驗證了酶催化作用的“鎖-匙”學說；合成了糖及嘌呤。1902年獲諾貝爾獎。2.4發(fā)展期（20世紀上半葉）進入20世紀后，生物化學研究得到了迅速的發(fā)展，德、美、英、法都建立了生化學術中心。20世紀上半葉在蛋白質(zhì)、酶、維生素、激素和物質(zhì)代謝及生物氧化方面都有很大的進展。霍普金斯(Frederick

G.

Hopkins)，劍橋大學生物化學教授，先后發(fā)現(xiàn)了維生素、色氨酸和谷胱甘肽，創(chuàng)建了劍橋普通生物化學學派和中心。HopkinsBuilding,DepartmentofBiochemistry,Cambridge

1926年，美國的色姆納(JamesB.

Sumner)得到了脲酶結晶，證明了酶的本質(zhì)是蛋白質(zhì)。

1937年，英國生物化學家克雷布斯(Hans

A.

Krebs)發(fā)現(xiàn)并闡明了三羧酸循環(huán)。此外，脂肪酸氧化降解途徑、糖酵解途徑等基本生物化學途徑也都在20世紀30年代前后陸續(xù)闡明。

1949鮑林(LinusC.

Pauling)（美）指出鐮刀形紅細胞性貧血是一種分子病，并于1951年提出蛋白質(zhì)存在二級結構。1954年獲諾貝爾獎。

1950年代，巴斯德(LouisPasteur)證明了酒精發(fā)酵是由微生物引起的，排除了發(fā)酵自生論。2.5繁榮期（20世紀下半葉至今）整個生物化學的領域向廣度和深度發(fā)展，分子生物學的出現(xiàn)和生物工程的興起是這個時期最引人注目的成就。

1944年，加拿大細菌學家艾弗里(Oswald

T.

Avery)完成了肺炎球菌轉化試驗，證明了DNA是遺傳物質(zhì)。

50年前后，英國物理學家威爾金斯(MauriceWilkins)完成了DNA的X-射線衍射研究，由此在1962年與沃森和克里克共同獲得諾貝爾生理與醫(yī)學獎。

在此基礎上，1953年，沃森(JamesD.Watson)和克里克(FrancisH.Crick)建立起DNA雙螺旋結構模型，開辟了分子生物學的新紀元。

英國生物化學家桑格(FrederickSanger)發(fā)明了測定蛋白質(zhì)分子中氨基酸序列的方法，并于1955年確定了牛胰島素的一級結構，這是第一個被闡明結構的蛋白質(zhì)，開創(chuàng)了蛋白質(zhì)序列分析的先河，由此獲得1958年諾貝爾化學獎。

1960年，雅各布(Fran?oisJacob)和莫諾(JacquesMonod)提出了在原核生物中普遍存在的基因調(diào)控的操縱子結構模型，獲1965年諾貝爾生理與醫(yī)學獎。Fran?oisJacobJacquesMonod

1965年，美國生物化學家尼倫伯格(MarshallW.

Nirenberg)破譯出三聯(lián)體遺傳密碼，獲得1968年諾貝爾生理與醫(yī)學獎。

霍利(RobertW.Holley)闡明了酵母丙氨酸t(yī)RNA的核苷酸排列順序,后來又證明了所有的tRNA都有著相似的結構，獲1969年諾貝爾生理與醫(yī)學獎。

1969-1972,Arber(瑞士),Smith(美)與Nathans(美)在核酸限制性內(nèi)切酶的分離與應用方面做出突出貢獻，為研究核酸分子的結構和功能找到了自由切割和重組的工具，也為70年代初重組DNA技術（基因工程）的出現(xiàn)奠定了基礎，因而在1978年共獲諾貝爾獎。HamiltonO.SmithDanielNathans

WernerArber

1972Berg（美）在基因工程基礎研究方面作出了杰出成果，獲1980年諾貝爾獎。

1973Cohen等（美）用核酸限制性內(nèi)切酶EcoR1，首次基因重組成功。PaulBergStanleyCohen

1977年，桑格(FrederickSanger)設計出一種測定DNA分子中核苷酸序列的方法，測定了由5375個核苷酸組成的ΦΧ174DNA的一級結構，由此獲得1980年諾貝爾生理與醫(yī)學獎。80年代以來，各國政府對生物技術倍加重視，分子生物學成了最受青睞的學術領域之一?；蚬こ獭⒓毎こ?、酶工程和發(fā)酵工程在內(nèi)的生物工程得到前所未有的發(fā)展，并在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、輕工等行業(yè)得到廣泛的應用。

1984年，科勒(Kohler)、米爾斯坦(Milstein)、Jerne等由于發(fā)展了單克隆抗體技術，完善了極微量蛋白質(zhì)的檢測技術而獲得了1984年諾貝爾生理與醫(yī)學獎。GeorgesJ.F.K?hler

CésarMilstein

NielsK.Jerne

1993年，美國科學家穆里斯(Kary

Mullis)因發(fā)明PCR(聚合酶鏈反應)儀而獲得諾貝爾化學獎。PCR法通過DNA變性、退火、延伸三個步驟的反復循環(huán)，可實現(xiàn)微量的目的基因在短時間內(nèi)擴增100萬倍以上，這已成為分子生物學研究人員不可缺少的工具。PCR流程演示

2001CraigVenter（美）等報道完成了人類基因組測序草圖。人類基因組計劃

（humangenomeproject）：美國RenatoDulbecco在1985年提出,美國政府1990年10月正式啟動,耗資30億美元，旨在畫出一張人體地圖,找到46條染色體上30億個堿基對約10萬個基因的準確位置，破譯人類全部遺傳信息，使人類第一次在分子水平上全面認識自己。是生命科學領域有史以來最寵大的全球性研究計劃，“生命登月計劃”。我國生物化學的開拓者——吳憲教授

吳憲于本世紀20年代從美國回國后擔任了私立北京協(xié)和醫(yī)學院生物化學教授.

在他的領導下完成：蛋白質(zhì)變性理論、血液的生化檢測研究、免疫化學研究、素食營養(yǎng)研究、內(nèi)分泌研究等等，在生化方面做出了重要貢獻。生物化學發(fā)展方向：分子層次→結構分子生物學、結構與功能關系細胞、器官、個體層次→組學研究（基因組學、蛋白質(zhì)組學、代謝組學、糖組學……）20世紀下半葉以來，生物化學和分子生物學的發(fā)展一日千里，進入21世紀后，該學科必定會得到更大更迅猛的發(fā)展。3生物化學的地位及作用多學科共同孕育的邊緣學科，許多專業(yè)必不可少的專業(yè)基礎課程生化往往是闡明機理，選擇合理工藝途徑，提高產(chǎn)品質(zhì)量，探索新工藝，研制新產(chǎn)品的理論基礎。3.1微生物的代謝活動是工業(yè)發(fā)酵的基礎發(fā)酵工程的本質(zhì)是利用微生物的代謝活動將原料轉化為各種人們所需的產(chǎn)物。傳統(tǒng)發(fā)酵利用經(jīng)驗從原料生產(chǎn)產(chǎn)品，而人們對原料如何產(chǎn)生產(chǎn)物的過程（代謝途徑）并不了解?，F(xiàn)代新型發(fā)酵是建立在對微生物的代謝網(wǎng)絡和代謝調(diào)控機理深刻認識的基礎上的。微生物細胞代謝網(wǎng)絡葡萄糖酒精甘油其他產(chǎn)品

氨基酸發(fā)酵是典型的新型發(fā)酵。以谷氨酸發(fā)酵為例：

-酮戊二酸谷氨酸在正常情況下，谷氨酸不會過量合成。通過代謝控制手段可使細胞可以源源不斷的生產(chǎn)谷氨酸。E1E2…………E3……3.2菌種是發(fā)酵工業(yè)的基礎為選育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)菌株，須對微生物改造，無論使用傳統(tǒng)的理化方法誘變育種，還是基因工程的手段進行育種，其操作的對象都是DNA分子，因此須對這類生物大分子的性質(zhì)有所認識。

3.3生化為產(chǎn)物的分離純化提供理論依據(jù)發(fā)酵產(chǎn)品多樣、性質(zhì)各異，有小分子，如氨基酸、有機酸、核苷酸、維生素、寡肽、低聚糖等；有大分子，如蛋白質(zhì)、酶、核酸、多糖等，將它們從復雜的發(fā)酵液中分離決不容易。靜態(tài)生化部分研究生物分子的性質(zhì)可為分離提供依據(jù)。3.4生化與釀酒的關系（以啤酒為例）啤酒生產(chǎn)是極為復雜的生物化學過程

啤酒生產(chǎn)中從制麥、糖化到發(fā)酵等主要工藝過程，從最初的原料分子到最終產(chǎn)品中的各種組分，經(jīng)歷了種類極多的酶促反應（少數(shù)反應非酶促）。生化學習可為選擇合理工藝條件，提高產(chǎn)品質(zhì)量，探索新工藝，研制新產(chǎn)品以及進行啤酒質(zhì)量分析提供理論基礎。菌種是啤酒生產(chǎn)的基礎生化和分子生物學手段在啤酒生產(chǎn)中得到廣泛應用

PCR手段在大麥種系鑒定中的應用。通過PCR法擴增大麥16srDNA并進行比較，是快速有