生物化学绪论.ppt

11/4/2024 7:42 PM1 生物化学材料科学与工程研究所孙丰强华南师范大学化学与环境学院111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所第一章第一章 绪论绪论一、生物化学的概念二、生物化学发展简史及在科学中的地位三、生物化学与其他学科的关系四、生物体的化学组成五、生物分子的组成1资料：人造生命资料：人造生命11/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所时间：时间：2010.5.20科学家们首先选取一种名为丝状支原体的细菌，对其基因组进行解码并复制，产生人造的合成基因组。然后，将人造基因组移植入另一种称为山羊支原体的细菌，通过分裂和增生，细菌内部的细胞逐渐为人造基因所控制，最终成为一种全新的生命。在培养皿中，合成细菌的分裂等行为就像天然细菌一样。科学家们在“人造儿”DNA上写入4个“水印序列”，使其有别于同类的天然细菌，以及在这种生物的后代中识别它的“祖先”。“当带着水印的细胞活了过来，我们欣喜若狂，它是一个活生生的生物了，成为了我们地球上各种生命的一部分。”1营养营养11/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所 科学家发现螺旋藻是人类迄今为止所发现的最优秀的纯天然蛋白质食品源，并且是蛋白质含量高达6070%，相当于小麦的6倍，猪肉的4倍，鱼肉的3倍，鸡蛋的5倍，干酪的2.7倍，且消化吸收率高达95%以上。其特有的藻蓝蛋白，能够提高淋巴细胞活性，增强人体免疫力，因此对胃肠疾病及肝病患者康复具有特殊意义。其中维生素及矿物质含量极为丰富，包括维生素B1、维生素B2、维生素B6、维生素B12、维生素E、维生素K等，并含锌、铁、钾、钙、镁、磷、硒、碘等微量元素 经国内外大量科研试验证明，螺旋藻在降低胆固醇和血脂，抗癌，减肥，养胃护胃，治疗贫血及微量元素缺乏，护肝，增进免疫，调整代谢机能等方面都有积极作用，被联合国粮农组织和联合国世界食品协会推荐为“二十一世纪最理想的食品螺旋藻螺旋藻111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所生活生活 有屎以来最香的大便有屎以来最香的大便 猫屎咖啡，猫屎咖啡，产于于印尼印尼，世界最，世界最贵咖啡的一种。印尼种咖啡的一种。印尼种植大量的植大量的咖啡咖啡作物，有种野生的叫做麝香猫的作物，有种野生的叫做麝香猫的动物，物，杂食食动物，尖尖的嘴巴，深灰色的皮毛。最喜物，尖尖的嘴巴，深灰色的皮毛。最喜欢的食物就是新的食物就是新鲜的的咖啡豆，咖啡豆通咖啡豆，咖啡豆通过在其体内的在其体内的发酵和消化酵和消化，最，最终成成为猫的猫的粪便排除来。便排除来。粪便就是一粒粒的咖啡豆，也成便就是一粒粒的咖啡豆，也成为世界上最昂世界上最昂贵的的粪便。由于数量非常的稀少，所以价格非常的昂便。由于数量非常的稀少，所以价格非常的昂贵。经过加工和烘焙，猫屎咖啡成加工和烘焙，猫屎咖啡成为奢侈的咖啡奢侈的咖啡饮品，流品，流传到世界各地的奢侈王国。当地的咖啡到世界各地的奢侈王国。当地的咖啡农，为了追逐高了追逐高额利利润，将野生的麝香猫捉回家中，将野生的麝香猫捉回家中饲养，以便可以养，以便可以产出更多的猫屎出更多的猫屎咖啡。但是，养殖麝香猫咖啡。但是，养殖麝香猫产出的猫屎咖啡，成色味道也会相出的猫屎咖啡，成色味道也会相应的的逊色很多色很多111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所一、生物化学的概念化工厂形形色色，生物体完全可以看作是一种特殊的化工厂化工厂形形色色，生物体完全可以看作是一种特殊的化工厂111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所管理部门中枢神经系统车间1器官1车间2器官2人细胞机器原材料产品废料维持工厂生存排出外界元素细胞生物分子废物促进生物体生长排出生物体生物体化工厂化工厂生产过程代谢生物化学概念生物化学概念111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所对生物化学的理解？化工厂关键词生物化学概念生物化学概念111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所生物化学生命研究对象化学体现？生物化学概念生物化学概念111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所生命生物化学概念生物化学概念111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所 所有的有生命体都所有的有生命体都有一个共同的语言，这个有一个共同的语言，这个语言就是化学。语言就是化学。诺贝尔奖获得者亚瑟诺贝尔奖获得者亚瑟.肯肯伯格伯格Arthur kornberg Stanford University School of Medicine111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所核酸核酸复制信息复制信息蛋白质蛋白质催化功能催化功能GlyAspAla大爆炸大爆炸基本粒子基本粒子原子原子基本小分子基本小分子单位小分子单位小分子大分子大分子Central Central Central DogmaDogmaDogmaUCGA111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所生命现象新陈代谢新陈代谢反应和适应反应和适应繁殖和遗传繁殖和遗传靠化学物质及相互间的反应来完成靠化学物质及相互间的反应来完成生物化学概念生物化学概念111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所生物化学是研究生物体内是研究生物体内化学分子化学分子与与化学反应化学反应的科学。的科学。化学分子？化学分子？化学反应？化学反应？其本质是从分子水平探讨生命的奥秘。其本质是从分子水平探讨生命的奥秘。生物化学概念生物化学概念生物体的化学组成生物体的化学组成结构、性质及功能结构、性质及功能分子的分解、合成；分子的分解、合成；反应过程中能量变化反应过程中能量变化;新陈代谢的调节与控制新陈代谢的调节与控制;遗传信息的贮存、传递和表达遗传信息的贮存、传递和表达;动态生物化学动态生物化学静态态生物化学静态态生物化学111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所二、生物化学发展简史第一阶段（19世纪末-20世纪30年代）：静态的描述 对生物体各种组成成分进行分离、纯化、结构测定、合成及理化性质的研究（确定了糖、氨基酸的构型、确立了酶是蛋白质的概念、研究发现了一系列维生素、发现了激素.）第二阶段（20世纪30-50年代）：动态生化阶段 研究生物体内物质的变化，即代谢途径（确定了糖酵解、三羧酸循环以及脂肪分解等重要的分解代谢途径。对呼吸、光合作用以及腺苷三磷酸(ATF)在能量转换中的关键位置有了较深入的认识）第三阶段（20世纪50年代）：功能生物化学阶段，主要特点是研究生物大分子的结构与功能。生物化学在这一阶段的发展，以及物理学、技术科学、微生物学、遗传学、细胞学等其他学科的渗透，产生了分子生物学，并成为生物化学的主体 生物化学发展史生物化学发展史111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所我国对生物化学的贡献1 1、古代、古代公元前公元前2121世纪世纪 谷物谷物酒酒 （糖糖醇）醇）公元前公元前1212世纪世纪 发酵制造酱、醋发酵制造酱、醋公元公元7 7世纪世纪 车前子车前子脚气病、脚气病、公元公元1010世纪世纪 紫河车强壮紫河车强壮 蟾酥治创伤蟾酥治创伤 羚羊角治中风羚羊角治中风 生物化学发展史生物化学发展史111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所2 2、近现代、近现代吴吴 宪宪曾数度被提名为诺贝尔化学曾数度被提名为诺贝尔化学奖金候选人奖金候选人血滤液的制备和血血滤液的制备和血 糖测定法糖测定法蛋白质变性学说蛋白质变性学说生物化学发展史生物化学发展史111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所2 2、近现代、近现代刘思职刘思职19571957年当选为中国科学院年当选为中国科学院院士（学部委员）院士（学部委员）抗原抗体反应机制抗原抗体反应机制的研究的研究生物化学发展史生物化学发展史111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所2 2、近现代、近现代人工全合成结晶人工全合成结晶牛胰岛素牛胰岛素19651965年年9 9月月1717日日“你们可以从教科书中知道怎你们可以从教科书中知道怎么造原子弹，但是你们绝不可么造原子弹，但是你们绝不可能从教科书中学会人工合成胰能从教科书中学会人工合成胰岛素。岛素。”瑞典皇家科学院诺贝尔奖评审委员会化瑞典皇家科学院诺贝尔奖评审委员会化学组主席教授蒂塞刘斯学组主席教授蒂塞刘斯生物化学发展史生物化学发展史111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所2 2、近现代、近现代人工全合成酵母人工全合成酵母丙氨酸丙氨酸19811981年年 生物化学发展史生物化学发展史111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所2 2、近现代、近现代人类基因组计划人类基因组计划The human The human genome projectgenome project19901990年正式启动年正式启动 杨焕明杨焕明被被科学美国人科学美国人被评为年度被评为年度科研领袖人物，科研领袖人物，20022002年年1212月月1010日在纽约接受颁奖日在纽约接受颁奖 人类基因组计划中国项目执行人中国1993年开始实施人类基因组计划生物化学发展史生物化学发展史111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所中国人获诺贝尔奖的第一个领域应该在中国人获诺贝尔奖的第一个领域应该在医学和生理学学科医学和生理学学科 诺贝尔生理学及医学奖评委弗雷德霍尔德教授 5到10年内获得并不令人奇怪111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所生物化学在现代科学中的地位 人口与粮食人口与粮食 健康与疾病健康与疾病 环境与生态环境与生态 能源与资源能源与资源二十一世纪二十一世纪 生命科学的世纪生命科学的世纪 111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所分子生物学理论的突破分子生物学理论的突破生物技术的有效应用生物技术的有效应用新旧技术的有机结合新旧技术的有机结合人口与粮食人口与粮食能源与资源能源与资源健康与疾病健康与疾病更加主动更加主动 更为有效更为有效 利用生物技术利用生物技术 改造生物改造生物 创造生物创造生物 新兴产业新兴产业 推动工，农，推动工，农，医医 的的 发发 展展 111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所三、生物化学与其它学科生物学生物学动动物物学学植植物物学学微生物学微生物学化学化学生物学生物学生生物物化化学学111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所生物化学与化学相互渗透相互渗透 相互促进相互促进111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所酶（选择性、高效性）催化 分子的化学组成、结构、集团间相互作用、酶分子与生物分子之间相互作用 新的化学研究领域（模型酶、分子识别和超分子研究）药物合成 化学反应 与生物分子作用 11/4/2024 7:42 PM28四、四、生物体的化学组成生物体的化学组成70%18%元素元素生物分子生物分子111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所主要元素（主要元素（6种）：种）：C，P，S（97.3%）组成生命体的最基本元素组成生命体的最基本元素常量元素（常量元素（5种）：种）：，组成生命体的基本元素组成生命体的基本元素（0.01%)微量元素（微量元素（5种）：种）：V,Ni,B,Sn,Si(0.01%)必需微量元素（必需微量元素（10种）：种）：Cr,Mn,Fe,Co,Cu,Zn,Mo,Se,I,F.1、生物体的元素组成、生物体的元素组成 微量、少量元素的现实意义26种！种！生物体是简单的生物体是简单的任何一个人从元素组成角度看，是没有什么区别的！111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所缺钙缺钙易抽筋、骨质疏松、骨质增生、高血压、动脉硬化 111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所缺铁缺铁影响思考能力 秃顶贫血111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所缺硒缺硒肌肉白化肌肉白化硒缺乏的表现主要是脱发、脱甲，部分患者出现皮肤症状 111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所铬元素铬元素(Cr)在血糖调节方面具有重要作用，有助于生长发育，对血液中的胆固醇浓度也具有调控作用。缺乏症：缺乏症：容易引起糖尿病；容易引起糖尿病；111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所 生物体最重要的组成部分，生物体和生命现象的结构和功能基础，生物体最重要的组成部分，生物体和生命现象的结构和功能基础，生物化学研究的基本对象生物化学研究的基本对象生物大分子生物大分子 糖糖 G6（葡萄糖）（葡萄糖）F（果糖）（果糖）脂脂 FA（脂肪酸）甘油（脂肪酸）甘油 核酸核酸 5种含氮碱基（种含氮碱基（A、G、T、C、U）蛋白质蛋白质 20种氨基酸种氨基酸有机小分子有机小分子 维生素、辅酶、激素、有机酸、色素等维生素、辅酶、激素、有机酸、色素等。生物复杂多样，但在分子水平具有简单统一性。生物复杂多样，但在分子水平具有简单统一性。由基本相同由基本相同类型的分子类型的分子单体组成单体组成研究研究 结构结构 功能功能 性质性质 五、生物分子的组成五、生物分子的组成111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所生物大分子的基本特征1）由为数不多的、结构比较简单的小分子组成（简单性）（简单性）蛋白质：由20种基本氨基酸组成 COOHH2N CH R核酸：由核苷酸组成脂类：由甘油、脂肪酸、胆碱糖类：由单糖组成从小分子数量角度111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所2）生物大分子具有非常复杂的结构（复杂性复杂性）生物大分子的一级结构：只涉及结构单元的排列顺序5 肽SerValTyrAspGlnTyrVal SerAspGln异构体异构体数量？111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所生物大分子的立体结构生物大分子的立体结构螺旋形、片层状、球状.在线形或环状结构的基础上通过分子内或分子之间的集团相互作用蛋白质二级螺旋结构蛋白质折叠结构111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所3）生物分子的手性）生物分子的手性构成生物大分子的结构单元大多数都是手性分子构成生物大分子的结构单元大多数都是手性分子 分子的镜像结构与其本身不重合，则该分子为手性分子！分子的镜像结构与其本身不重合，则该分子为手性分子！1.手性为生命物质与无生命物质间最显著的区别之一。手性为生命物质与无生命物质间最显著的区别之一。2.生命是不断地产生特定手性分子的过程。生命是不断地产生特定手性分子的过程。111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所Fischer投影式投影式透视式透视式锲形式锲形式Fischer投影式投影式 将纸面上竖直向上的基团和伸向纸面后方的基团写在将纸面上竖直向上的基团和伸向纸面后方的基团写在 Fischer 投影式投影式的竖线上，上下关系不变；其余两个基团写在横线上，左右关系不变。的竖线上，上下关系不变；其余两个基团写在横线上，左右关系不变。透视式透视式投影式？投影式？手性碳原子上任意基团固定不动，其他三个基团按顺时针或手性碳原子上任意基团固定不动，其他三个基团按顺时针或逆时针依次改变位置，其构型保持不变。逆时针依次改变位置，其构型保持不变。111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所费歇尔投影式书写的原则：费歇尔投影式书写的原则：1.将碳链放于垂直线上。主链中将碳链放于垂直线上。主链中第一号碳原子第一号碳原子在上方。在上方。2.手性碳原子放于纸面上，将放在横线上的两个基团手性碳原子放于纸面上，将放在横线上的两个基团 指向前方；放在竖线上的另两个基团后方。指向前方；放在竖线上的另两个基团后方。3.将实际观察到的原子和基团的空间位置关系画出。以正交将实际观察到的原子和基团的空间位置关系画出。以正交“十十”字表示手性碳和其四个价键；交点为手性碳。字表示手性碳和其四个价键；交点为手性碳。次序规则111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所乳酸分子D-乳酸L-乳酸#手性分子表示方法手性分子表示方法D、L构型（投影式中手性碳原子上取代基在左为L，在右为D）相对构型，不能指明其旋光性，无法根据D，L标记作出分子构型 对一个手性C原子的分子表示比较方便，对含有多个手性C原子的化合物不合适！111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所R、S构型构型根据标准根据标准Fischer投影，按投影，按次序规则次序规则由大到小顺序，顺时针方向为由大到小顺序，顺时针方向为S构型，构型，逆时针为逆时针为R构型！构型！次序规则次序规则111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所 顺序最小的原子顺序最小的原子(或基团或基团)在横线上在横线上,顺时针排列为顺时针排列为S构型，构型，逆时针排列为逆时针排列为R构型。构型。顺序最小的原子顺序最小的原子(或基团或基团)在竖线上在竖线上,顺时针排列为顺时针排列为R构型，构型，逆时针排列为逆时针排列为S构型。构型。一般一般Fischer投影投影111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所把手性碳原子上四个基团中最小的基团放于离把手性碳原子上四个基团中最小的基团放于离观测者最远的位置，来观察其他三个基团的顺观测者最远的位置，来观察其他三个基团的顺序，若按顺序规则，三者的排列从最优基团到序，若按顺序规则，三者的排列从最优基团到次优基团，到最小基团，若为顺时针，则其构次优基团，到最小基团，若为顺时针，则其构型用型用R表示；反之，用表示；反之，用S表示。表示。（S）-乳酸 （R）-乳酸 远离最小看最小，由大到小圆圈绕远离最小看最小，由大到小圆圈绕 简单直观方法（判定简单直观方法（判定R、S）111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所生物大分子手性特征的意义生物大分子手性特征的意义 河豚毒素河豚毒素(Tetrodotoxin)其毒性与其毒性与C9的立体构型有关：的立体构型有关：C9为为S构构型型(天然得到的化合物天然得到的化合物)是极毒的是极毒的,C9为为R构型则毒性很小。构型则毒性很小。111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所4）生物大分子之间的相互作用和识别特性）生物大分子之间的相互作用和识别特性特点：专一性分子之间相互识别维持重要生理现象抗体与抗原结合、酶与底物专一性作用生物分子之间的作用力生物分子之间的作用力:氢键氢键（16.7-33.6kJ/mol)静电引力（电荷集团间的吸引或排斥）静电引力（电荷集团间的吸引或排斥）离域键间的离域键间的电子重叠作用？电子重叠作用？疏水键疏水键水分子与氢键强迫非极性分子之间产生的吸引力水分子与氢键强迫非极性分子之间产生的吸引力范德华力范德华力111/4/2024 7:42 PM化学与环境学院材料研究所生物化学学习网站丁香园丁香园 http:/ http:/www.bio- http:/ http:/china.sciencemag.org/PUBMED http:/www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgiNATURE http:/ http:/