绪论生物化学

第一章绪论Introduction第1页/共94页ClicktoeditMastertitlestyleClicktoeditMastertextstylesSecondlevelThirdlevelFourthlevelFifthlevel主要内容一、生物化学是“什么”？二、学“什么”？三、为什么学？四、怎么学习？第2页/共94页一、生物化学是“什么”？简单说，生物化学是生命的化学。生物化学主要是应用化学的理论和方法来研究生命现象,在分子水平解释和阐明生命现象的化学本质。第3页/共94页不同的生物，其形态、生理特征和对环境的适应能力各不相同，生命现象：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。生物包括：微生物、动物、人藻类、植物生物化学研究的主要对象-生命第4页/共94页生命的构成19世纪30年代，德国植物学家施莱登首先指出，所有植物体都是由细胞构成的。他的这个观点被德国动物学家施旺在动物组织和细胞研究中证实，所有动物也是由细胞构成的。施旺指出：“细胞是有机体，整个动物或植物体乃是细胞的集合体。它们依照一定的规律排列在动物体内。”在此基础上他们创立了细胞学说。第5页/共94页细胞学说（1847）SchleidenSchwann第6页/共94页生命的定义生命的根本特性是什么？千百年来，人们以许多不同的观点阐述自己对此的看法。19世纪下半叶，恩格斯对生命下了一个定义：“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。”恩格斯的生命定义在一定程度上揭示了生命的物质基础，即具有新陈代谢功能的蛋白体。第7页/共94页生命是一个很难下定义（1）生理学定义例如把生命定义为具有进食、代谢、排泄、呼吸、运动、生长、生殖和反应性等功能的系统。但某些细菌却不呼吸。（2）新陈代谢定义生命系统具有界面，与外界经常交换物质但不改变其自身性质。（3）生物化学定义生命系统包含储藏遗传信息的核酸和调节代谢的酶蛋白。但是已知某种病毒样生物却无核酸。（4）遗传学定义通过基因复制、突变和自然选择而进化的系统。（5）热力学定义生命是个开放系统，它通过能量流动和物质循环而不断增加内部秩序。第8页/共94页研究内容生物现象的共同基础和原则共同点：化学组成（1）生物分子的化学组成、结构和性质；（2）生物分子的功能、变化规律（生长、生殖、代谢、运动等）与生命现象的关系。（3）生物分子在生物机体中的相互作用及变化规律；第9页/共94页我们吃的食物动物冬眠一个受精卵如何发育成一个婴儿？鸡蛋孵化小鸡的过程吃什么补什么肥胖问题第10页/共94页研究内容重要生命现象的化学本质（1）遗传的化学本质“种瓜得瓜，种豆得豆”（2）酶作用的化学本质（3）能量转化的化学本质一辆汽车怎样行使开动？一个正常人靠什么生存下去？植物靠什么来生存？第11页/共94页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静态生物化学动态生物化学第12页/共94页代谢与能量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动态生物化学糖类代谢脂类代谢蛋白质代谢核酸代谢代谢调节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第13页/共94页绿色植物的光合作用光合作用：在多种酶的催化下，绿色植物吸收太阳的光能，把CO2和H2O合成有机物，同时释放氧气的过程。CO2+H2OO2第14页/共94页绿叶中的光合作用第15页/共94页1、加酶洗衣粉:利用酶催化原理，蛋白质水解酶可以洗去衣服上的血迹等蛋白类污迹。Ps:这个可不是插入广告哦！生活中的生物化学第16页/共94页2、农药除害虫：利用蛋白质变性原理除害虫。这是由于农药的物理和化学因素使害虫体内蛋白质分子的空间构象发生变化或破坏，导致其生物活性丧失活性和和一些理化性质的改变，将害虫致死.虽然现在大力提倡绿色蔬菜，但是农药也是必不可少的。农民们可是很需要它们的！3、食物的烹饪4.杀菌第17页/共94页3、食物的烹饪4.杀菌第18页/共94页生物化学的任务是：阐述构成生物体的基本物质（生物大分子--糖类、脂类、蛋白质、核酸）的结构、性质及其在生命活动（如生长、生殖、代谢、运动等）过程中的变化规律（物质代谢和能量代谢）。第19页/共94页二、生物化学与现代化学1、生物化学与化学的关系生物化学是在有机化学（Organicchemistry)和生理学(Biophysiology)的基础上发展起来的.第20页/共94页化学有机化学物理化学无机化学分析化学高分子化学第21页/共94页生物学动物学植物学微生物学化学生物学生物化学第22页/共94页人类渴望了解生命的本质和怎样对它进行保护，由于出生、成长、繁衍、老化、突变和死亡等所有生命过程都是化学分子相互作用和变化的表现，因而人类要最终了解生命必须先了解其分子本性。化学主要是在分子与原子的水平上研究物质变化和反应的规律、结构和各种性质之间的相互关系，以及物质组成、结构和包括物理性质、生物活性等在内的性质。第23页/共94页分离生命现象生化组分分析1、结构与性质2、功能3、代谢及其细胞调控改造、利用第24页/共94页化学家参与生命科学研究的主要武器：在理论上:分子的微观结构概念和键力、非键力相互作用，化学反应动力学与机理等；在实验上:分离、成分与分子结构分析，合成与模拟，反应速度与过程的测定等。第25页/共94页生命现象的化学机理生命过程包含许多化学反应，所以生命活动的过程，可以用也必须用化学过程来理解。三、为什么学习生物化学第26页/共94页1903年德国CarlNeuberg初次使用Biochemistry这一名词，生物化学才成为一门独立的学科，在此之前，分别由有机化学和生理学分别研究。（一）生物化学发展简史在化学及生物学发展的影响之下，生物化学在十八世纪开始萌芽，十九世纪初步发展，在二十世纪初期成为一门独立的学科，最初称为生理化学。第27页/共94页1、静态生物化学时期（1920年以前）研究内容以分析生物体内物质的化学组成、性质和含量为主2、动态生物化学时期（1950年以前）物质代谢途径及动态平衡、能量转化，光合作用、生物氧化、糖的分解和合成代谢、蛋白质合成、核酸的遗传功能、酶、维生素、激素、抗生素等的代谢3．机能生物化学时期（1950年以后）生命的本质和奥秘：运动、神经、内分泌、生长、发育、繁殖等的分子机理第28页/共94页1937年，英国生物化学家克雷布斯（Krebs）发现三羧酸循环获1953年诺贝尔生理学奖。1953年，沃森—克里克（Watson—Crick）确定DNA双螺旋结构，获1962年诺贝尔生理、医学奖。1955年，英国生物化学家桑格尔（Sanger）确定牛胰岛素结构，获1958年诺贝尔化学奖。1980年，桑格尔和吉尔伯特（Gilbet）设计出测定DNA序列得方法，获1980年诺贝尔化学奖。主要成就第29页/共94页1984年，化学奖，BruceMerrifield（美国），建立和发展蛋白质化学合成方法。1997年,paulD.Boyer（美）等，说明ATP酶促成机制化学奖1998年ROLertF.furchgott（美国）等，发现NO是心血管系统的信号分子生理医学奖第30页/共94页吴宪教授在世界上首先提出蛋白质变性理论生物物理所的邹承鲁、梁栋才院士与上海生化所的王应莱、曹天钦等院士、北京大学化学系的邢其毅、有机化学所的汪猷等教授1965年率先用化学方法合成了牛结晶胰岛素。这是世界上公认的第一个具有全部生物活性的蛋白质人工合成。我国在生化方面取得的重要成就第31页/共94页（二）生化课的重要性1.国际形势<1>.著名大学（哈佛、麻省、斯坦佛等）文理皆必修生化。<2>.人体基因 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ：上个世纪的三个计划：曼哈顿、阿波罗、人体基因工程：人类23对染色体测序，几十万个基因，基因改造。<3>.诺贝尔奖的分布：化学，医学生理学领域不说独占鳌头也是多抢多占，如蛋白质的螺旋和折迭（化学）、G蛋白、第二信使学说的三代科学家三次获奖，光合作用机制，更不要说核酸领域了（复制、转录、逆转录、RNA复制等中心法则中的内容）第32页/共94页2.国内形势许多有识之士已经看到了生化的光辉前景，纷纷抢占这块宝地，生化工业也在艰难的条件下起步并有蓬勃发展之势。第33页/共94页第34页/共94页人口与粮食健康与疾病环境与生态能源与资源人类面临最重大的问题和挑战第35页/共94页第36页/共94页第37页/共94页第38页/共94页第39页/共94页第40页/共94页四、怎样学生物化学？1、生化课程的特点：内容分布（静态生化、动态生化）特点：概念性描述性的内容居多，很少有推导性或计算性的内容，因此，它不同于理科而更近似于文科，记忆的东西多，巧妙记忆成为学好生化的一个重要方法。第41页/共94页2、怎样学学习与安排内容多复杂而繁琐按生物分子的功能分类（不同于化学的结构和官能团分类）理论性强、概念多且前后交错兴趣是最好的老师随时消化／温故知新及时总结归纳／比较分类理解的基础上必要的记忆第42页/共94页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达到的目的成绩评定平时成绩20%（课堂出勤+回答问题+作业）期末考试成绩80%（闭卷）第43页/共94页六、使用教材及参考书使用教材：生物化学（第二版）古练权，高等教育出版社出版，2011年教材的特点1）针对化学专业的生物化学，容易，需要补充2）从化学的角度出发第44页/共94页参考书目生物化学主编张洪渊四川大学出版社出版简明生物化学主编吴赛玉中国科技大学出版社生物化学主编沈同王镜岩高等教育出版社第45页/共94页生物体的化学组成自然界所有的生命物体都由三类物质组成:水、无机离子和生物分子。第46页/共94页生命体的元素组成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30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、B、Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Ni、Se、Si、V、W。第47页/共94页五、生物分子生物分子是生物体和生命现象的结构基础和功能基础，是生物化学研究的基本对象。生物分子的主要类型包括：糖、脂、核酸和蛋白质等生物大分子维生素、辅酶、激素、核苷酸和氨基酸等。第48页/共94页生物大分子基本特征生物分子中最重要的是糖、脂、核酸和蛋白质四类物质，分子量一般都很大，所以又称为生物大分子。生物大分子具有如下特征：（1）由结构比较简单的小分子结构单元分子所组成。（2）具有非常复杂的结构。（3）生物分子一般具有手性。第49页/共94页（1）由结构比较简单的小分子结构单元分子所组成。最重要的结构单元分子主要有以下几类:第50页/共94页构成蛋白质的结构单元分子20种基本氨基酸第51页/共94页疏水性氨基酸第52页/共94页特殊氨基酸第53页/共94页极性氨基酸第54页/共94页构成核酸的结构单元分子糖核苷三磷酸碱基第55页/共94页构成脂的结构单元分子甘油、脂肪酸和胆碱第56页/共94页构成糖的结构单元分子单糖第57页/共94页（2）具有非常复杂的结构生物大分子的结构可分为两种类型：生物大分子的一级结构：构成生物分子的结构单元分子按不同的排列组合，形成数量庞大，结构复杂的线性分子或环状分子。通常将只涉及结构单元的排列顺序的结构类型称为一级结构。第58页/共94页生物大分子的立体结构生物大分子在线性或环状结构基础上，通过分子内或分子之间的基团（包括极性、非极性和带电荷基团）相互作用，可以进一步形成非常复杂的立体结构。例如盘绕成螺旋形，折叠成片层状。有的以线状存在，而有的则形成球状等。木瓜蛋白酶组织蛋白酶第59页/共94页溶菌酶的分子结构第60页/共94页（3）生物分子的手性构成生物大分子的结构单元分子大多数都是手性分子。例如，构成蛋白质的氨基酸都是L－型构成多糖的葡萄糖都是D－型。第61页/共94页镜平面对映体A对映体B一个碳原子的四个价键分别与不同的原子或基团相连,原子称为手性,生物分子皆具有手性。手性第62页/共94页一个碳原子与a1,a2,b和d相连，其中a1和a2相同，非水性分子，当一个a被另一个原子或基团e取代，就变成手性，这样的分子是前手性分子。（假设e>d>b>a）前手性第63页/共94页乙醇分子的亚甲基连接的基团：甲基，羟基，两个氢原子，一个氢原子被氘取代，即变成手性，这种氢原子为前手性氢原子。标记方法：氢原子被氘取代得到R构型，成为前手性R-H（pro-R-H或HR）若得到S构型产物，则称为前手性S-H（pro-S-H或Hs）前手性氢原子第64页/共94页Sp2杂化碳原子的化合物，双键上的两个面是等同的，从不同面加入原子或基团，产生不同手性分子。双键的两个面称为前手性面。基团由大到小，顺时针——re-面，逆时针——si面前手性面第65页/共94页生物分子的手性环境对前手性分子的影响pro-S与pro-R反应性能不同第66页/共94页六、生物分子的相互作用氢键：氧原子或氮原子与氢原子之间形成。第67页/共94页六、生物分子的相互作用具有较大的键能(16.7-33.6KJ.mol-1),是生物体系中最强的非共价作用力之一。第68页/共94页六、生物分子的相互作用正负离子之间的静电引力第69页/共94页六、生物分子的相互作用离域间的π电子重叠作用力生物大分子中含有芳香性基团，离域π电子相互接近，产生特殊的π电子相互作用，π-π堆积作用，平行方式接近，才能发挥相互作用。第70页/共94页六、生物分子的相互作用疏水键非极性基团在水溶液中缔合的趋势。范德华力（又称分子作用力）产生于分子或原子之间的静电相互作用，与分子或原子之间的距离有关。第71页/共94页分子识别分子识别是生命现象中的一个重要特性。本质上是生物分子之间的一种特殊的、专一的相互作用结果。受体——底物（酶，药物分子的专一性）第72页/共94页大小和形状合适基团之间存在相互作用力第73页/共94页超分子生物超分子，又称为生物分子复合物，是生物分子相互作用和识别的一种特殊的中间过程，是许多生命现象的必需阶段。第74页/共94页七、生物体内的水第75页/共94页七、生物体内的水水分子的结构：第76页/共94页水分子的特性形成氢键：与溶液中的电负性原子（氧和氮）形成氢键。第77页/共94页水分子的特性水化作用：第78页/共94页水分子的特性疏水缔合作用：非极性分子或基团在水溶液中不能溶解，在水分子作用下，有缔合在一起的趋势。两亲分子：形成亲水区和疏水区。稳定生物大分子的构象及其立体结构。第79页/共94页水分子的特性亲核作用：水分子中的氧原子含有未配对电子，具有亲核性能。但在生理条件下（pH=7），水的亲核性能弱，需要催化剂和酶的催化第80页/共94页第81页/共94页七、生物体内的水水在生物体的功能主要表现在两个方面：一是作为营养传输、酶催化的各种反应和生物能量的转换的介质二是影响生物分子的结构、性质和功能第82页/共94页缓冲溶液及生物体的缓冲体系1．缓冲溶液缓冲溶液是一种特殊的水溶液系统。当少量的酸（H+）或碱(OH-)加入到缓冲溶液中时，溶液的pH变化很小。缓冲溶液系统由弱酸（H+供体）和它的共轭碱（H+受体）组成。第83页/共94页缓冲溶液及生物体的缓冲体系例如，等摩尔的醋酸（弱酸）和醋酸离子（共轭碱）混合物的水溶液是典型的缓冲溶液。不同的缓冲溶液体系有不同的缓冲区。CH3COOH/CH3COO-溶液的缓冲区在pH4.761(pKa=4.76)H2PO4-/HPO42-溶液缓冲区在pH6.681(pKa=6.68)；NH4+/NH3溶液的缓冲区在pH9.251(pKa=9.25)。第84页/共94页第85页/共94页第86页/共94页缓冲溶液的浓度与pH关系缓冲溶液的浓度（弱酸和它的共轭碱浓度）与溶液的pH以及弱酸的pKa的定量关系可以用方程来描述。此式即为Henderson-Hasselbalch方程。第87页/共94页Henderson-Hasselbalch方程的意义定量描述了缓冲溶液的浓度(HA和A-)与pH及pKa的关系。在滴定中点时，由于[HA]=[A-]，方程可写成：pH=pKa+log1=pKa+0=pKa说明缓冲溶液滴定中点的pH即为弱酸的pKa。定量描述了缓冲溶液的浓度与缓冲能力之间的关系。第88页/共94页（3）生物体的缓冲体系生物体内发生的生物化学过程几乎都与pH变化有关。生物体系pH的微小变化将影响许多生物化学反应的速度和方向。生物体，特别是人及高等动物体，是一个大的缓冲体系，例如人体缓冲体系pH-7.4。细胞的胞液、血液等都是缓冲溶液。第89页/共94页（3）生物体的缓冲体系生物体的缓冲体系主要由存在于体内的各种弱酸及其共轭碱组成。例如，蛋白质氨基酸残基：－COOH/COO-、-NH3+/-NH2核酸和核苷酸：H2PO4-/HPO42-血液：H2CO3/HCO3-第90页/共94页生化研究中常用的缓冲溶液系统系统的组成浓度mol/L缓冲范围(pH)甘氨酸-盐酸0.052.2-3.6柠檬酸-柠檬酸钠0.13.0-6.6乙酸-乙酸钠0.23.6-5.8磷酸氢二钠-磷酸二氢钠0.55.8-8.0磷酸氢二钠-磷酸二氢钾0.054.9-8.2Tris*-盐酸0.057.1-8.9碳酸钠-碳酸氢钠0.19.2-10.8*Tris=三羟甲基氨基甲烷第91页/共94页思考题1.一个生物化学反应要求在pH≈4的条件下进行，可以使用HCOOH/HCooNa缓冲溶液。计算配制总浓度为0.4mol/L的该缓冲溶液所需的HCOOH和HCOONa的浓度。（HCOOH的pKa=3.75）2.人体血液中的缓冲溶液体系的原理及医学意义。第92页/共94页谢谢大家！第93页/共94页感谢您的观看！第94页/共94页