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1、Biochemistry lecture notes,生物化学 是利用化学的原理与方法去探讨生命的一门科学。它是介于化学、生物学及物理学之间的一门边缘学科。,Chapter 1 Introduction,Please watch the film 863-program,化学,有机化学,物理化学,无机化学,分析化学,高分子化学,生物学,动物学,植物学,微生物学,化学,生物学,生物化学,1. 生物化学的发展史,大约从十八世纪中叶到二十世纪初，主要完成了各种生物体化学组成的分析研究，发现了生物体主要由糖、脂、蛋白质和核酸四大类有机物质组成 。,1.1 静态生物化学阶段,F.G.班廷 J.J.R.麦
2、克劳德 The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1923 for the discovery of insulin,Frederick Grant Banting,JohnJames Richard Macleod,Toronto University,Toronto University,b. 1876 (in Cluny, Scotland) d. 1935,1923年发现胰岛素,大约从二十世纪初到二十世纪五十年代。此阶段对各种化学物质的代谢途径有了一定的了解。 其中主要的有：,1932年，英国科学家Krebs 建立了尿素合成的鸟氨酸循环；,19
3、37年，Krebs又提出了各种化学物质的中心环节三羧酸循环的基本代谢途径；,1940年，德国科学家Embden和Meyerhof提出了糖酵解代谢途径。,1.2 动态生物化学阶段,F.A.李普曼（英国人） 发现高能磷酸结合在代谢中的重要性，发现辅酶A H.A.克雷布斯（英国人） 发现克雷布斯循环（三羧酸循环）,Hans Adolf Krebs,United Kingdom Sheffield University,b.1900 (in Hildesheim, Germany) d.1981,Fritz Albert Lipmann,USA,b.1899 d.1986,Harvard Medica
4、l School,1953年,从1953年至今。以1953年，Watson和Crick提出DNA的双螺旋结构模型为标志，生物化学的发展进入分子生物学阶段。 这一阶段的主要研究工作就是探讨各种生物大分子的结构与其功能之间的关系。,1.3 分子生物学阶段,1962,James Watson (34y) Francis Crick (46y) Maurice Wilkins (46y,1983,Barbara McClintock (86y),DNA transposable elememt,中国人工合成胰岛素科研小组与诺贝尔奖擦肩过,诺贝尔奖最多只能发给三人的规定也使中国科学家与之擦肩而过。 20
5、世纪60年代初，有资格参加生理学和医学奖评选的瑞典卡罗琳斯卡医学院波隆贝克教授在澳大利亚工作。波隆贝克教授认为，这在当时是个重大突破，具有划时代的意义。,早在70年代，就有人提名他们获得诺贝尔奖。瑞典方面也愿意把奖发给中国的科学家。但是中国方面提出的得奖者名单是一个小组，有14个人。这是不符合诺贝尔奖最多只能发给三人的评选规定的。瑞典方面就此和中国方面有过交涉，但是中方不肯更改名单。一直到80年代初，评委们还讨论过这个成果，都是因为这个问题被卡住了。,年月，我国在世界上首次人工合成了结晶牛胰岛素，它是第一个全合成的、与天然产物性质完全相同的、有生物活性的蛋白质。 自年开始至年完成的酵母丙氨酸转
6、移核糖核酸的全合成是继胰岛素全合成以后我国自然科学基础研究中又一成就，是我国生物化学及有机化学研究史上又一项崭新的科研成果，年中国科学院正式下达任务，把“人工合成酵母丙氨酸转移核糖核酸”列为重大科研项目，组织了中国科学院上海生物化学研究所、上海细胞研究所、上海有机化学研究所、生物物理研究所、北京大学、上海化学试剂二厂等单位，前后余位科技人员从事这项研究。 在40年代，王应睐主要从事酶化学与营养代谢研究，在维生素、血红蛋白、琥珀酸脱氢酶等领域取得了重大成绩。发现琥珀脱氢酶的酶朊与FAD 以共价键结合，并受底物与磷酸盐等物激活，这项工作是该酶研究的重要突破。,中国近代生物化学的发展,利用基因工程和
7、细胞工程方法定向培育植物新品种是一种新的育种技术。我国科学家采用基因导入和整合方法将抗虫基因导入棉花，获得了抗虫植株，对棉花的大敌棉蛉虫的抗虫效果十分显著。 抗黄矮病、赤霉病、白粉病转基因小麦和抗青枯病跨入21世纪，生命科学和信息科学正在成为最活跃、发展最迅速、影响最广泛的科技领域。以基因工程和细胞工程为核心的现代生物技术经过最近10年的发展，对人类社会和经济发展正在发生划时代的影响，尤其是人类基因组工程对于推动生命科学、医学以及制药产业等的发展，具有极其重要的意义。,我国生物技术的研发起步较晚，但一开始就受到党和国家的高度重视，在我国863高技术发展计划的组织和推动下，我国的生物技术的研究和
8、开发取得了举世瞩目的成就。 1999年已有18种基因工程药物和疫苗批准进行商业化生产，奠定了我国生物高技术产业的基础，又有30多种基因工程药物处于临床试验阶段。 在农业生物技术方面：早在1990年我国就培育出第一例转基因家畜；1993年转基因抗病毒烟草进行大田试验；1997年转基因耐贮存番茄获准进行商品化；到1999年共有6种转基因作物投放市场；现在我国科学家研发的转基因抗虫棉花种植面积达600万亩以上；1999年获得的胚胎移植高产奶牛母犊320头。但是，与发达国家相比，我国的生物技术还有较大的差距，创新不足，生产的下游技术落后，急需提高。,基因工程药物从无到有，为我国生物高技术产业的形成和发
9、展奠定了基础。基因工程乙肝疫苗、干扰素等基因工程疫苗和基因工程多肽药物及蛋白质工程药物相继研制成功。种基因工程药物获批准上市，十多种药物和疫苗进入中试开发阶段。生物高技术产业的基础已初步建立。 在生物领域，植物基因图谱研究、两系法杂交水稻技术、动植物转基因技术、基因工程药物和疫苗等技术的突破，使我国生物技术的面貌发生了实质性变化，总体研究水平已接近发达国家，某些生物高技术产业有可能提前形成。我国在国际上率先建成了水稻基因组BAC全库，目前已建成了由4.3亿个核甘酸组成的水稻全部12条染色体的骨架元件，它们覆盖了水稻全部基因组的98%。预计2000年前，将完全突破水稻基因图谱的研究，为定向培养水
10、稻新品种奠定理论和技术基础。,2.1 生命定义,生理学定义 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。,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。,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。某种病毒样生物却无核酸。,遗传学定义 通过基因复制、突变和自然选择而进化的系统。,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。,2. 生物化学研究的主要对象-生命,2.2 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
11、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。,2.3 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,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
12、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、Se、Si等。,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。,3. 生物大分子基本特征,生物分子中最重要的是糖、酯、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所组成. 2 具有非常复杂的结构 3 生物分子的手性,生物大分子的立体结构,例如盘绕成螺旋形，折叠成片
13、层状。有的以线状存在，而有的则形成球状等。,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。,溶菌酶的分子结构,4. 生物化学研究的主要内容,4.1 生物体的物质组成 高等生物体主要由蛋白质、核酸、糖类、脂类以及水、无机盐等组成，此外还含有一些低分子物质，如维生素、激素、氨基酸、多肽、核苷酸及一些分解产物。,4.2 物质代谢（新陈代谢） 生物体与其外环境之间的物质交换过程就称为物质代谢或新陈代谢。 物质代谢的基本过程主要包括三大步骤： 消化、吸收中间代谢排泄,其中，中间代谢过程是在细胞内进行的，最为复杂的化
14、学变化过程，它包括合成代谢，分解代谢，物质互变，代谢调控，能量代谢几方面的内容。,4.3 细胞信号转导 目前已知，细胞内存在多条信号转导途径，而这些途径之间通过一定的方式相互交织在一起，从而构成了非常复杂的信号转导网络，以保证细胞能够对内、外环境的变化及时作出反应，使细胞内所有的化学变化均以合乎生物体自身需要的方式进行。,4.4 生物分子的结构与功能 根据现代生物化学及分子生物学研究还原论的观点 ，要想了解细胞及亚细胞的结构和功能，必先了解构成细胞及亚细胞的生物分子的结构和功能。因此，研究生物分子的结构和功能之间的关系，代表了现代生物化学与分子生物学发展的方向。,4.5 遗传与繁殖 对生物体遗
15、传与繁殖的分子机制的研究，也是现代生物化学与分子生物学研究的一个重要内容。,人类基因组计划（human genome project）：美国Renato Dulbecco在1985年提出,美国政府1990年10 月正式启动,耗资30 亿美元，旨在画出一张人体地图,找到46 条染色体上30 亿个碱基对约10 万个基因的准确位置，破译人类全部遗传信息，使人类第一次在分子水平上全面认识自己。是生命科学领域有史以来最宠大的全球性研究计划， “生命登月计划”。 2000年6 月26日,克林顿亲自在白宫发表了人类基因密码组合草图。,后基因组计划将进一步深入研究各种基因的功能与调节。 拿着基因组图谱去看病；10年内基因检测会成为例行手段；基因疗法会成为常规疗法。 基因产业、基因资源 脑黄金、脑白金 ？ 基因营养：核酸营养 ？,化学+生物学,化学生物学是利用化学的理论、研究方法和手段来探索生物、医学问题的科学。这种理解与生物化学和分子生物学的含义有较大的重叠，它强调的是化学与生物学的交叉与融合。,生物有机化学 生物无机化学 生物物理化学 生物分析化学 生物高分子化学,相互作用、组装和过程 生物催化剂和生物转化 组合化学 生物模拟 分析技术 生物大分子,生物工程,基因工程 发酵工程 酶 工 程,细胞工程 遗传工程 抗体工程 蛋白质工程,