生物化学BIOCHEMISTRY

1生物化学BIOCHEMISTRY绪论ProlegomenaWhatisBIOCHEMISTRY?CHEMISTRY：thebranchofsciencewhichdealswiththeidentificationofthesubstancesofwhichmatteriscomposed,theinvestigationoftheirpropertiesandthewaysinwhichtheyinteract,combine,andchange,andtheuseoftheseprocessestoformnewsubstancesBiochemistry:thebranchofscienceconcernedwiththechemicalandphysic-chemicalprocesseswhichoccurwithinlivingorganismsIncluding:Thechemistryofthecomponentsinlivingorganisms(staticbiochemistry)Theprinciplesforthechemicalchangesinlivingorganisms(dynamicbiochemistry)Thechemistryofmetabolismandcellfunctions(functionalbiochemistry)生物化学的主要分支：按化学的研究范畴划分：生物无机化学（bioinorganicchemistry），生物有机化学（bioorganicchemistry），生物物理化学（biophysicalchemistry）按生物学的研究领域划分：动物生物化学（animalbiochemistry），植物生物化学（plantbiochemistry），微生物生物化学（microbebiochemistry）按研究对象划分：蛋白质化学（proteinchemistry），核酸化学（nucleatechemistry）按与生产、生活关系划分：生理生化（physiologicalbiochemistry），工业生化（industrialbiochemistry），农业生化（agriculturalbiochemistry），医药生化（medicinalbiochemistry）生物化学的使命：揭示生命现象的本质，促进生命科学发展；改善人类健康水平和生活质量；促进物种的改良和优化；带动工、农业的发展和变革分子生物学Molecularbiology：什么是分子生物学：在分子水平上研究生物大分子的结构与功能，从而阐明生命现象本质的科学主要研究领域：蛋白质体系，蛋白质-核酸体系，蛋白质-脂质体系分子生物学的三个支柱学科：生物化学，遗传学，微生物学分子生物学的地位：由学科分支成长为主流前沿，殊途同归的集大成者，生物学科走向统一的前驱古代生物化学（在化学中萌芽）：19世纪以前：A.L.Lavoisier,“呼吸作用的本质和燃烧是一样的”；C.W.Scheele,多种生化物质的分离；J.von.Liebig,新陈代谢（stoffwechsel)；HoppeSeyler,1877年，提出“biochemie”近代生物化学（由静态走向动态）：19世纪中叶——20世纪50年代，相关学科的蓬勃发展：1804，JohnDalton提出原子论；1859，PortDarwin进化论；1865，GregorMendel遗传定律；1869，D.L.Mendelyeev元素周期律生物化学的发展：1848,Helmhoitz&Bernard，肝脏的生糖功能；1869，J.F.Michel分离“核素”（核酸）；1897，Bucher，酵母榨出液可使蔗糖发酵生成乙醇；1902，D.A.Leeven，从核酸中分离胞嘧啶；1904，Knoop，脂肪酸的-氧化；1907，E.H.Fischer，蛋白质的降解与合成；1912，F.G.Hopkins，确立维生素概念，形成剑桥生物化学学派；1921，F.G.班廷和C.H.贝斯特，分离纯胰岛素；1926，J.B.Sumner分离脲酶，并证明其是蛋白质；1929，Lohmann&Fiske，ATP的能量功能；1931，Warburg制得呼吸酶并研究其生物氧化作用；1937，Krebs，三羧2酸循环的假说；1950，L.C.Pauling，蛋白质构象（-helix）；1953，Watson&CrickDNA的双螺旋模型现代生物化学阶段（分子生物学时代）：20世纪中叶——至今，技术的进步使生物学走向新的时代：1933，ErnstRuska，电子显微镜，1935，G.C.海韦希，同位素技术，1940’s，遗传学开始向分子水平迈进，1930’s~1940’s，计算机和自动控制技术的巨大进步生物学各分支向分子水平进军并走向融合：A.L.Hodgkin,神经兴奋和传导的离子学说；1953，F.Sanger，胰岛素序列测定；1954，S.Benzer，噬菌体基因精细结构分析；1954，M.Calvin，光合作用的CO2固定，Calvin循环；1956，E.W.萨瑟兰，cAMP，第二信使；1956，F.H.C.Crick，中心法则；1962，M.W.Nirenberg，遗传密码的发现；1965，邹承鲁、刑其毅等，人工合成牛胰岛素；1970，H.O.Smith，限制性内切酶；1970，梁栋材等，精度0.25nm的胰岛素结构（1974，达0.18nm）；1975，F.Sanger，建立DNA序列分析方法；1980，A.Keluger，DNA与组蛋白的结构基因工程和基因技术的兴起：P.Berg，DNA体外重组；1973，S.N.Cohen，外源基因在大肠杆菌的表达；1975，美国Asiomar国际会议，制定第一个基因安全准则；1977，H.W.Boyer等，第一个基因工程产品——生长激素释放抑制激素（somatostatin）；1983，噬菌体DNA全序列；1985，Mulis，聚合酶链式反应技术（PCR)；1987，转基因植物：荧光素转入烟草；1990，Anderson&Cular第一例基因治疗成功；1997，第一只成年动物体细胞克隆的绵羊——Dolly；2000，人类基因组计划（HGP）公布第一张草图生物化学的一些基本问题什么是生命：我们所处在的地球充满着无数的生物，从最简单的病毒、类病毒到菌藻树草，从鱼虫鸟兽到最复杂的人类，处处都可以发现它们的踪迹，觉察到生命的活动。地球上的生物形形色色，千姿百态。不同的生物，其形态、生理特征和对环境的适应能力各不相同，都经历着生长、发育、衰老、死亡的变化，都具有繁殖后代的能力。生命的特征：新陈代谢、生长发育、繁衍后代、遗传变异、环境应激性、自主运动、进化演变；结构复杂性、组织性和有序性、物质能量交换、生长发育、遗传变异、环境应激性、进化演变生命的定义：“生命是蛋白体的存在方式，这个存在方式的基本因素在于和它周围的外部自然界的不断地新陈代谢，而且这种新陈代谢一停止，生命就随之停止，结果便是蛋白质的分解。”——恩格斯“生命是开放的非平衡系统中发生的一系列过程”——鲍尔“非平衡态是通过熵从生物体流向周围介质来维持的”（耗散结构）——薛定鄂生命是高度有序的，开放的，具有耗散特征的，远离平衡态的动力学系统，其基本框架为：DNA-RNA-蛋白质不断更新的自组织属性具有多级超循环结构在生命系统混沌与吸引子作用下不断朝更高层次迈进生命的化学基础：全世界250余万种生物，无论是形态结构还是生理过程都千姿百态，迥然不同，但他们却有着相似的化学基础。从分子到细胞（图）生命的化学组成：水：65%-75%蛋白质：10%-15%脂质：3%-7%糖类：2%-4%核酸：3%-5%其他有机物：1%无机物：2%-3%构成生命的化学元素：组成生命体的物质是极其复杂的。但在地球上存在的92种天然元素中，只有28种元素在生物体内被发现。第一类元素：包括C、H、O和N四种元素，是组成生命体最基本的元素。这四种元素约占3了生物体总质量的99%以上。第二类元素：包括S、P、Cl、Ca、K、Na和Mg。这类元素也是组成生命体的基本元素。第三类元素：包括Fe、Cu、Co、Mn和Zn。是生物体内存在的主要少量元素。第四类元素：包括Al、As、Be、Br、Cr、F、I、Mo、Se、Si等。重要的有机化学概念：什么是有机物：有机物原义是“有生机的物质”，即来自于生命体的物质。“有机”、“无机”并无绝对界限。从目前来看，有机化学主要研究是以C、H元素共价结合体为骨架的“有机化合物”的结构、特性以及相互之间的转化和反应C原子是构成有机分子的重要元素，它能形成四个稳定共价键，是有机分子的骨架；H原子做为最小的原子，具有形成稳定共价键以及离子键、氢键的能力；所有有机化合物均包含C、H元素构成的分子骨架一般情况下，C原子的四跟共价键是对称的，形成四棱锥结构。对C-C单键连接的分子我们一般接受这一假设；C原子可绕单键自由旋转；C=C双键或三键具有刚性，因此C原子与其他相连原子处于同一平面，不能旋转。三种常用的有机分子结构：Fisher，Ball-and-stick，Spacefilling(图)重要的有机官能团：所谓官能团，是指有机化合物中区别于共同碳骨架的结构部分。一般有机分子的化学性质主要取决于官能团。复杂的有机分子通常有多个官能团。甲基，乙基，苯基，羟基，醛基，酮基，羧基，酯，醚，酐，乙酰磷酸，磷酸酐，氨基，酰氨基，胍基，咪唑基，巯基，二硫键，硫酯有机分子的构型构象：不对称碳原子：当一个C原子上连接的4个基团各不相同时，该C原子即不对称C原子，因不对称C原子上基团连接方式的不同，而产生有机分子的不同构型和手性现象。构型：指有机分子内部基团的共价连接方式的差异。改变构型必须断裂共价键。构象：由于各基团绕C原子旋转而产生的有机分子内各原子的空间排布的差异，不涉及共价键的断裂R、S构型命名系统，D、L构型命名系统生物化学反应的基本原则：1，共价键是通过两个原子共用外层电子而形成的：原子有通过获得、失去或共享电子的方式，达到“满电子状态”的倾向；如果形成共价键的原子“电负性”相近，那么形成的共价键是非极性的，否则就是“极性的”；共价键的强弱，可用“键能”来衡量，所谓“键能”就是断裂该键所需的能量，或者该键形成时所释放的能量。2，多数生化反应是通过“亲核基团”攻击“亲电基团”来实现的：“亲核基团”指那些含有多余电子，倾向于通过提供共享电子而形成共价键的官能团或原子，含O、N、S的基团是生化中常见的“亲核基团”；“亲电基团”指有空的电子轨道，倾向于通过捕获电子而形成共价键的官能团或原子，H+和金属阳离子是生化中常见的“亲电基团”；C原子可同时表现为C+、C-（取决于所连接的基团）。重要的生物化学反应形式：氧化-还原（oxidation-reductionreaction）；取代反应（substitutionreaction)；异构化反应（isomerizationreaction）；缩合反应（condensationreaction）中的脱水反应（dehydrationreaction）；裂解反应（lyticreaction）中的水解反应（hydrolyticreaction）。（图）电负性，键能，化学反应键的断裂有均裂和异裂，细胞内常见的亲核基团（含电负性较强的原子，具有孤对电子），SN1反应和SN2反应，异构化反应，氨基酸的脱水反应和二肽的水解反应。生物分子间的其他非共价的相互作用力：氢键：两个电负性原子（O，N）分享一个H原子和形成；离子键：不同电荷的基团之间的4相互吸引；疏水力：非极性基团相互聚集而排斥水分子或极性分子产生；范德华氏力：当两原子相互临近时产生。蛋白质Proteins（I）——AminoAcidsandProteins蛋白质概述Theoverviewforproteinsprotein,anyofaclassofnitrogenousorganiccompoundswhichhavela