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Biochemistry. 主讲教师:杨志敏. 生命科学学院 生物化学与分子生物学系. 绪 论. 一. 生物化学的涵义-基本概念. 生物化学 ( Biochemistry) 是研究生物体中有机分子化学组成、结构和功能、代谢变化和调节及其分析方法的科学。 生物化学是研究细胞中生物分子运动的化学本质,是研究活细胞内各种物质的化学组成及其分解与合成的普遍规律。因此, 生物化学研究的对象不局限于哪种生物、哪类细胞、哪个器官或组织,而是以整个生物界所有生物细胞内所发生的各种化学事件,研究其生物化学特性,阐明这些事件的发生与消亡。它的研究对象具有普遍性和代表性。. 绪 论.

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Presentation Transcript
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Biochemistry

主讲教师:杨志敏

生命科学学院

生物化学与分子生物学系

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绪 论

一. 生物化学的涵义-基本概念

生物化学(Biochemistry)是研究生物体中有机分子化学组成、结构和功能、代谢变化和调节及其分析方法的科学。

生物化学是研究细胞中生物分子运动的化学本质,是研究活细胞内各种物质的化学组成及其分解与合成的普遍规律。因此, 生物化学研究的对象不局限于哪种生物、哪类细胞、哪个器官或组织,而是以整个生物界所有生物细胞内所发生的各种化学事件,研究其生物化学特性,阐明这些事件的发生与消亡。它的研究对象具有普遍性和代表性。

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绪 论

一. 生物化学的涵义-基本概念

随着现代科学和技术的迅速发展,生物学家正在不断揭开生命的分子奥秘。生物科学在过去的20多年中出现了令人惊愕的进展。主要特点是:1. 许多其他学科的科学家如数学家、物理学家、信息学家、化学家等纷纷地汇聚到这个领域。2.最明显的一个特点就生物技术的进步与基础领域生物化学发展紧密联系在一起。

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绪 论

一. 生物化学的涵义-基本概念

要理解生物化学的真正涵义首先要了解生物化学研究的内容以及相关知识体系是什么。与无机化学比较,生物化学主要研究生物体内的化学组成及其变化规律,它是生命的化学。这一基本特性一直相伴着的生物化学学科的诞生、成长和发展。经过一个多世纪的不断地研究和探索,生物化学家已经建立起来一些基本原理,一方面已经帮助人们去理解生命的奥秘,这些原理包括:

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绪 论

一. 生物化学的涵义-基本概念

1.所有不同类型的生物体几乎都利用一些相同的生物分子如碳水化合物、脂肪、蛋白质、核酸,而且这些生物体几乎都具备合成和分解这些分子的代谢途径(pathway);

2.生物体的宏观表型如生长、发育、繁殖等都受细胞内DNA遗传特性的控制;

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绪 论

一. 生物化学的涵义-基本概念

3. 生命活动的过程是由成千上万个生物化学反应组成,但这些反应并非杂乱无章,而是以网络状的途径形式存在。例如在生物体内合成乙醇反应。如果从一个反应来看,精确和调控这些反应(或途径)是保持正常生命活动的基础;

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绪 论

一. 生物化学的涵义-基本概念

4. 生物大分子如蛋白质、核酸的化学结构与特定功能是密切相关的,人们可以通过分子结构去了解或推断分子的功能,这对理解生物分子的作用机理有很大的帮助.

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绪 论

一. 生物化学的涵义-基本概念

Sumary

研究生命现象的化学本质的科学

—— 研究动物、植物、微生物及人类等的化学组成和生命过程中的化学变化。

即 运用化学的原理和方法,来探究生命现象的本质

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绪 论

静态生物化学

动态生物化学

二. 生物化学的内容

研究生物体内各种化合物的结构、化学性质和功能(主要有糖类、脂类、蛋白质、核酸、酶、维生素和激素)

研究构成生物体的基本物质在生命活动中进行的化学变化,即新陈代谢及代谢过程中能量的转换和调节

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绪 论

蛋白质的降解

氨基酸代谢

蛋白质的生物合成

核酸的降解

核苷酸代谢

核酸的生物合成

二. 生物化学的内容

糖类化学

脂类化学

蛋白质化学

核酸化学

酶学

静态生物化学

代谢与能量

糖类代谢

脂类代谢

蛋白质代谢

核酸代谢

动态生物化学

代谢调节

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绪 论

三. 生物化学的发展简史

第一阶段 18世纪70年代以后,随着近代化学和生理学的发展, 生物化学学科开始形成

  • 1770-1774年,英国J.Priestly发现了氧气,并指出动物消耗氧而植物产生氧
  • 1770-1786年,瑞典人C.W.Scheele分离了甘油、柠檬酸、苹果酸、乳酸、尿酸等
  • 1779-1796年,荷兰人J.Ingenbousz证明在光照条件下绿色植物吸收CO2并放出O2
  • 1828年, Wohler合成了有机物尿素
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绪 论

三. 生物化学的发展简史

第一阶段 18世纪70年代以后,随着近代化学和生理学的发展, 生物化学开始形成

  • 1877年,Hoppe-Seyler首先使用“Biochemistry”,生物化学作为一门新兴学科诞生
  • 1897年, Buchner证实不含细胞的酵母提取液也能使糖发酵

这个阶段,生物化学的主要工作是分离和鉴定了各种氨基酸、羧酸、糖类,发现了核酸,开始进行酶学研究。

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绪 论

三. 生物化学的发展简史

第二阶段 从20世纪初到20世纪40年代,随着分析鉴定技术的进步,尤其是放射性同位素技术的应用,生物化学进入动态生物化学的时期。

  • 1926年,美国化学家J. B. Sumner首次得到脲酶结晶
  • 1912-1933,生物氧化得到了卓有成效的研究
  • 30年代,陆续得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶,从而进一步证明酶是蛋白质
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绪 论

三. 生物化学的发展简史

第二阶段 从20世纪初到20世纪40年代,随着分析鉴定技术的进步,尤其是放射性同位素技术的应用,生物化学进入动态生物化学的时期。

  • 30年代,英生化学家A.Krebs提出尿素循环和三羧酸循环
  • 40年代,能量代谢的提出为生物能学的发展奠定了基础
  • 此外,糖酵解途径、光合碳代谢途径得到证明,发现了维生素和激素、血红素核叶绿素等

这个阶段,基本上阐明了酶的化学本质以及能量代谢有关的物质代谢途径。

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绪 论

三. 生物化学的发展简史

第三阶段 1950年以来,借助于各种理化技术,对蛋白质、酶、核酸等生物大分子进行化学组成、序列、空间结构及其生物学功能的研究,并发展到人工合成,创立了基因工程。

  • 1950年,Pauling提出蛋白质二级结构的a-螺旋
  • 1953年,Watson & Crick提出了DNA的双螺旋模型
  • 1958年,Crick提出“中心法则”
  • 1953及1975年,Sanger分别研究出蛋白质序列和核酸序列的测定方法
  • 1961年,Jacob & Monod 提出了操纵子学说
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绪 论

三. 生物化学的发展简史

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绪 论

三. 生物化学的发展简史

第三阶段 1950年以来,借助于各种理化技术,对蛋白质、酶、核酸等生物大分子进行化学组成、序列、空间结构及其生物学功能的研究,并发展到人工合成,创立了基因工程。

  • 1965年, Holly 排出酵母tRNAAla 的一级结构
  • 1966年,Nirenberg & Khorana 破译了遗传密码
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绪 论

三. 生物化学的发展简史

  • 1970年,Temin和Baltimore几乎同时发现逆向转录酶,证实了Temin 1964年提出的“前病毒假说”,阐明在劳氏肉瘤病毒(RSV)感染以后,首先产生含RNA病毒基因组全部遗传信息的DNA前病毒,而子代病毒的RNA则是以前病毒的DNA为模板进行合成。
  • 1972年~1973年, Berg等成功地进行了DNA体外重组; Cohen创建了分子克隆技术,在体外构建成具有生物学功能的细菌质粒,开创了基因工程新纪元。在此同时,Boyer等在E.coli中成功表达了人工合成的生长激素释放抑制因子基因
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绪 论

三. 生物化学的发展简史

  • 1975年,Southern发明了凝胶电泳分离DNA片段的印迹法;
  • 1979年,Solomon和Bodmer最先提出至少200个限制性片段长度多态性(RELP)可作为连接人的整个基因组图谱之基础;
  • 1985年,Saiki等发明了聚合酶链式反应(PCR);Smith等报导了DNA测序中应用荧光标记取代同位素标记的方法。
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绪 论

三. 生物化学的发展简史

  • 1985年5月,美国Santa Cruz加州大学校长R. Sinsheimer提出人类基因组研究计划,1986年8月美国科学院生命科学委员会确定由Bruce Alberts负责的15人小组起草确定这个提议的报告,联邦政府1987年正式开始起动这一计划;
  • 1994年,日本科学家在《Nature Genetics》上发表了水稻基因组遗传图,Wilson等用3年时间完成了线虫(C.elegans)3号染色体连续的2.2 Mb的测定,预示着百万碱基规模的DNA序列测定时代的到来;
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绪 论

三. 生物化学的发展简史

  • 1997年,Wilmut等首次不经过受精,用成年母羊体细胞的遗传物质,成功地获得克隆羊——多莉(Dolly)
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绪 论

三. 生物化学的发展简史

  • 1998年,Renard等用体细胞操作获得克隆牛——Marguerife,再次证明从体细胞可克隆出遗传上完全相同的哺乳动物;Gene Bank公布最新人的“基因图谱98”,代表了30181条基因定位的信息;Venter对人类基因组计划提出新的战略——全基因组随机测序,毛细血管电泳测序仪启动;
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绪 论

三. 生物化学的发展简史

  • 1999年,Günter Blobel发现了细胞中蛋白质有其内在的运输和定位信号,并具体显示了这种信号发送过程中的分子状态,为此荣获该年度诺贝尔奖;
  • 2001年,Hartwell发现和研究细胞周期分裂基因;Nurse和Hunt 分别发现调节细胞周期的关键分子周期蛋白依赖性激酶(cyclin-dependent kinases, CDKs)及调节CDKs功能的因子周期蛋白;
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绪 论

三. 生物化学的发展简史

  • 2003年,Peter Agre 和Roderck Mackinnon发现真细胞膜水通道蛋白并描述特征;阐述了钾离子通道结构及功能机制。两者均解决了前四次诺贝尔奖获得者所遗留尚未清楚的问题。
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绪 论

三. 生物化学的发展简史

从以上所述的生物化学的发展中,可以看出20世纪50年代以来是以核酸的研究为核心,带动着分子生物学向纵深发展,如50年代的双螺旋结构,60年代的操纵子学说,70年代的DNA重组,80年代的PCR技术,90年代的DNA测序都具有里程碑的意义,将生命科学带向一个由宏观到微观再到宏观,由分析到综合的时代;现代生物化学正在进一步发展,其基本理论和实验方法均已渗透到科学各个领域,无论在哪个方面都在不断取得重大进展.

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绪 论

四. 生物化学课程的性质

21世纪是生物科学与技术高速发展的时代。它的发展使人类活动和生活方式发生了深刻变化,同时给农业、轻工业、医药行业等带来了重大的革新,而这些变化都离不开生物化学学科的发展。现代生物化学主要是在分子水平上研究生物体内各种物质分子的化学本质及其在生命活动过程中的化学变化规律。人类要了解各种生物的生长、生殖、生理、遗传、衰老、抗性、疾病、生命起源和演化等现象,都需要用生物化学的原理和方法进行探讨。

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绪 论

四. 生物化学课程的性质

因此,生物化学是各门生物科学的基础,特别是生理学、微生物学、遗传学、细胞学等各科的基础,在分子生物学、基因-蛋白质组学、生物信息学等新兴学科中占有特别重要的位置。

《生物化学》课程是我国高等农业院校生物学类和大多数非生物学类专业学生的学科基础课,是后继一系列重要课程的基础课,具有举足轻重的重要地位。

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绪 论

五. 生物化学地位作用

1.促进对人或动物致病机理的认识,提高对疾病的正确诊断

从医学方面讲,人或动物的病理状态常常是由于细胞中化学成份的变化,从而引起功能的紊乱。血液中脂类物质含量增高是心血管疾病的特征之一(如冠心病、血管栓塞引起脑溢血、脑血栓等症状);血红蛋白一级结构的改变可以溶血,如人被毒蛇咬伤后致人于丧命,是由于蛇毒液中含有磷酸二酯酶,使血细胞溶血所致等,许多疾病的临床诊断愈来愈多地依赖于生化指标的测定。

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五. 生物化学地位作用

绪 论

2. 生物化学理论和方法促进生物药物研究与开发

生化药物是一类采用生化方法化学合成从生物体分离、纯化所得并用于预防、治疗和诊断疾病的生化基本物质。这些药物的特点是来自生物体,基本生化成份即氨基酸、肽、蛋白质、酶与辅酶、多糖(粘多糖类)脂质、核酸及其降解产物。这些物质成分均具有生物活性或生理功能,毒副作用极小,药效高而被服用者接受。生化药物在制药行业和医药上占有重要地位。

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五. 生物化学地位作用

绪 论

3. 农业生产的基础研究依赖于生物化学的理论和方法

高产农作物新品种的培育和开发依赖于生物化学的基本原理和技术方法。农业生产中的两个重要问题即光合作用和氮素固定,这是制约农业生产提高的重要因素:①大田作物一般只能利用太阳全年辐射能的0.1%~1%。怎样提高对辐射能利用率和CO2的固定率,涉及光合作用中的生物化学方面的研究;②大气中的氮气占78%,自然界中只有几种微生物能够固定氮气,如果几种主要作物都能利用氮气,那么农业生产的产量就可大幅度地提高。

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五. 生物化学地位作用

绪 论

4. 生化理论和方法有利于推动着我国农副产品的加工产业

我国是农业大国,农业总产值占国民经济总产值40%。农产品产量每年以4%幅度增加,而农产品加工附加值很小。德国农产品产值与附加值之比为1︰2.3、美国为1︰1.8、日本1︰2.2, 而我国仅1︰0.5,与发达国家相比相差较大,大量农产品只作为廉价原料提供给国外,然后再买回别人的产品。

家畜屠宰血、骨头、肉类和蔬菜加工的脚料都可加工成药品或食品添加剂。若农副产品深加工带来的附加值能达到国外发达国家的一半,不仅可以使农业利税增加2个百分点,而且将帮助大量农民从事高技术含量的劳动。

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五. 生物化学地位作用

绪 论

5.研究新陈代谢规律及其调控是开发微生物发酵工业的基础

氨基酸、酶(含遗传工程酶)、抗生素、植物生长激素、维生素C等也可通过微生物发酵手段进行生产。发酵产物的提炼和分离及下游加工技术也必须依赖于生物化学理论和技术。此外,研究微生物新陈代谢过程及其调节控制对于选育高产优质的菌株﹑筛选最佳发酵理化因子及提高发酵效率具有指导意义。

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五. 生物化学地位作用

绪 论

6. 生物化学理论和方法对改善人类生存环境具有特殊的意义

高新技术产品不断涌现但也给人类居住的环境产生巨大的污染,严重危害人类的生存,如三废的处理、水质的净化等。如筛选良好的微生物菌株进行转化,或微生物发酵产物进行对“三废”处理。这些都与生化理论和方法密切相关。此外,还有航空航天事业、海洋资源的开发利用都离不开生物化学及由它发展起来的生物化学工程技术。

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六. 生物化学学科的展望

绪 论

1. 通过对DNA序列的了解,深入研究影响个体发育和整个生物体特定序列表达规律——即功能基因组学。

该项研究就是在选择一定的典型生物材料,搞清全部染色体的全部序列、基因组的碱基长度、可能的编码蛋白质基因、编码的rRNA、snRNA和tRNA基因。在此基础上进一步研究全部的基因中在不同生长发育期内,同时有多少基因协同表达,搞清适应于某一时期的全套基因表达谱(gene expression pattern)。

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六. 生物化学学科的展望

绪 论

目前用于检测分化细胞基因表达谱的方法,有基因表达连续分析法(serial analysis of gene expression, SAGE)、微阵列法(microarray)、有序差异显示(ordered differential display, ODD)和DNA芯片(DNA chips)技术等。当前,已把酵母基因组作为研究真核生物基因组功能的模式,拟建立酵母基因组6000多个基因的单突变体文库(single mutant library),并可用于其它高等真核生物基因组之“基因功能作图”。

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六. 生物化学学科的展望

绪 论

2.以特定基因组在特定条件下所表达的全部蛋白质(specific proteome indicates the protein expressed by a genome)为研究对象,研究细胞内蛋白质及其动态变化规律

通过本项对蛋白质动态性、时空性、可调节性,以及能够在细胞和生命有机体整体水平上阐明生命现象和活动规律的研究,回答由于仅从DNA序列尚不能回答的某些基因的表达时间,表达量,蛋白质翻译后加工和修饰及亚细胞分布状况等问题。

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六. 生物化学学科的展望

绪 论

为了尽可能分辨细胞或组织内所有蛋白质,目前一般采用高分辨率的双向凝胶电泳。一种正常细胞的双向电泳图谱通过扫描仪扫描并数字化,运用二维分析软件可对数字化的图谱进行各种图像分析,包括分离蛋白在图谱上的定位,分离蛋白的计数、图谱间蛋白质差异表达的检测等。

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六. 生物化学学科的展望

绪 论

从提出蛋白质组的概念到现在短短几年中,已于1997年构建成第一个完整的蛋白质组数据库——酵母蛋白质数据库(yeast protein database, YPD),进展速度极快,新的思路和技术不断涌现,蛋白质组学这门新兴学科,在今后的实践中将会不断完善,充实壮大,发展成为后基因组时代的带头学科。

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六. 生物化学学科的展望

绪 论

3.对DNA和蛋白质序列资料中各种类型信息进行识别、存储、分析、模拟和转输,建立由数据库、计算机网络和应用软件三大部分组成的信息库,发展信息学。

建立的核苷酸数据库,已存有数百种生物的cDNA和基因组DNA序列的信息。在已应用的软件中,有DNA分析、基因图谱构建、RNA分析、多序列比较、同源序列检索、三维结构观察与演示、进化树生成与分析等。当今及今后的研究趋势是科学家们将利用生物信息学研究蛋白质的性质,并估计基因的功能。

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六. 生物化学学科的展望

绪 论

4.对生物大分子行为的研究由体外转向细胞内,将在大分子高级结构及遗传信息传递规律的认识将有较大突破

至今为止,对生命现象本质的认识多为生命科学家在研究试管中的生物大分子相互作用规律中得到的。由于研究细胞内新生肽折叠的固有困难尚未解决,今天还不能进行细胞内蛋白质折叠的实时研究。故设计模拟细胞内的条件及尽可能地在接近细胞的环境中进行研究。

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七. 怎样学习好生化

绪 论

具体的学习方法

  •  要舍得花时间,要长期投入
  • 扎扎实实学好每一章节,培养没有重点章节的习惯
  •  动手:做作业勤抄结构式,代谢方程式,及代谢途径。注意:抄一遍比看10遍心里更踏实
  •  至少阅读≧2本同类的《生物化学》书籍。绝对有好处!

“适当”做一些习题加以巩固学过的知识

 重视实验课、练习题等过程,巩固课堂知识

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七. 怎样学习好生化

绪 论

达到的目的

通过学习《生物化学》课程不但要学到课程的全部内容,更重要的是要学到如何获取知识的方法

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绪 论

七. 怎样学习好生化

  • 参考书:
  • 沈同《生物化学》上、下
  •  郑集《普通生物化学》
  •  Lehninger 《Principle of Biochemistry》
  • Davis J. 等《Elementary Biochemistry, An Introduction to the Chemistry of Living Cells》
  •  Donald Voet 等《Biochemistry》