生物化学-绪论5

生 物 化 学,Biochemistry,生物化学的概念及研究内容 生物化学的发展历史 生物化学与相关学科的关系 生物分子概述,第一章 绪 论,一、生物化学的概念及研究内容,我们所处在的地球生长着无数的生物，包括病毒、类病毒、菌、藻等微生物及各种动物、植物。 生命有机体的特征？,化学成分复杂但条理性很强: 生物用少数几种生物元素(C、H、O、N、S、P)构成很多种生物小分子，如氨基酸、核苷酸、单糖等;再由生物小分子构成复杂的生物大分子（合称生物分子） atoms molecules biopolymers organelles cells tissues organs organ systems individuals populations the biosphere 能从环境中吸收、转化和利用能量（新陈代谢） 能自我繁殖,生命有机体 的特征,生物化学是阐明生物分子是如何相互作用而形成复杂而高效的生命现象的科学。 生物化学是一门运用化学的原理和方法研究生命现象的本质，揭示生命奥秘的科学。 简单地说生物化学就是生命的化学。,生物化学的概念, 研究构成生物体的分子基础生物分子的化学组成、结构、性质和功能。 研究生物分子在生命活动中的变化规律（物质代谢、能量代谢）,生物化学的研究内容,二、生物化学的发展历史,最早的自然科学就是数、理、化、天、地、生。生就是生物学，研究的是一些力所能及的形态观察、分类等。 随着各学科的发展，学科间在理论知识和技术上相互渗透，尤其是化学、物理学的渗透，到18世纪一些从事化学研究的科学家如拉瓦锡、舍勒等人和一些药剂师转向生物领域，生物学逐渐分离成生理化学（生物化学的萌芽）、遗传学、细胞学。 1877年，德国医生霍佩-赛勒Ernst Felix Hoppe-Seyler首次提出“Biochemistry”一词，并使之成为一门独立的学科。 生物化学的发展概括起来经历了3个阶段：,Year,Proteins were thought to carry genetic information,Miescher discovered DNA,Interweaving of the historical traditions of biochemistry, cell biology, and genetics.,静态生物化学阶段：萌芽时期(18世纪下半叶-20世纪初） 这一时期生物化学主要依附于有机化学，研究不深入，只是对生物体的物质组成、性质、含量有所了解（比如从生物体中分离到甘油、柠檬酸、苹果酸、乳酸、尿酸、酒石酸等）。 动态生物化学阶段：奠基时期(20世纪初-1950年) 由于分析鉴定技术的进步，尤其是放射性同位素示踪技术的应用，生物化学进入深入发展时期。 科学家对生物物质代谢进行了广泛深入的研究，基本阐明: （1）酶的化学本质 （2）与能量代谢有关的物质代谢途径,机能生物化学阶段：大发展时期（1950- ） 科学家对生物的研究已从整体水平逐步深入到细胞、亚细胞、分子水平。伴随实验手段、技术（电镜、超离心、色谱、电泳等）的不断改进，使得对生物大分子结构及功能的研究也更加深入。 50年代以后生物化学迅猛发展，每年的诺贝尔生理学/医学奖和化学奖的大部分奖项都是与生物化学领域相关的。 美国、法国、德国、英国在近代生物化学发展史贡献突出。 在21世纪，生物化学将在分子、细胞等水平上利用多学科手段交叉渗透，对核酸、蛋白质和基因组、 核糖体、生物膜等大分子体系，以及免疫、遗传、发 育、衰老、死亡等重大生命现象进行综合深入的研究，为社会的发展带来深刻的影响。,三、生物化学与相关学科的关系,生物化学与许多学科有着密切联系和交叉,1、利用化学、物理学的原理和技术研究生物分子的结构、性质。 2、许多生物化学理论（代谢途径和调控机制）是用微生物作为材料证实的。 3、生理学, 是在生物体的组织和整体水平研究生命进程，涉及生物体内有机物的代谢，这也是生物化学的核心之一。 4、细胞生物学, 研究生物细胞结构、功能，包括细胞内生物分子的作用。 5、遗传学，研究核酸、蛋白质的生物合成及调控，这也是生物化学必须讨论的重要课题。,生物化学的应用,生物化学的原理和技术在生产实践中也得到广泛的应用。如与农学、某些轻工业(如制药、酿造、皮革、食品等)、医学都有密切关系，很多问题都需要从生化的角度、利用生化的方法才能了解。,应用生物农药对病虫害和杂草进行防治。减少化学污染，保持生态平衡。 如利用微生物做杀虫剂，应用最广的是用苏云金杆菌杀毛虫。当这种细菌在叶的表面形成芽孢后，产生一种蛋白结晶，食用叶片后，幼虫肠中的蛋白酶把这些结晶转变成有毒的肽类，使毛虫死亡。此法可将多种有害昆虫消灭在幼虫阶段，效果好，且只专一作用于昆虫幼虫，毒性小。但成本比化学杀虫剂高。,生 物 防 治,四、生物分子概述,碳架是生物分子结构的基础 生物分子有复杂的异构现象 生物分子中的作用力,自然界所有的生物体都由三类物质组成： 水、无机离子、生物分子 生物分子泛指生物体特有的各类分子，它们都是有机物。生物分子是生物体和生命现象的物质基础。,典型的细胞含有一万到十万种生物分子。 其中近半数是小分子，分子量一般在500以下,如维生素、辅酶、激素、核苷酸和氨基酸等。 其余都是某些生物小分子的聚合物，分子量很大，一般在一万以上，有的高达1012，因而称为生物大分子，如 多糖、脂、核酸和蛋白质。,1、碳架是生物分子结构的基础,碳元素一般占细胞干重的50以上。 碳原子既难得到电子，又难失去电子，最适于形成共价键。 碳原子成键能力很强，且是四面体构型，因此它自相结合可以形成结构各异的生物分子骨架（碳架）。 碳原子又可通过共价键与其它元素结合，形成化学性质活泼的官能团。,生物分子碳架的大小组成不一，几何形状结构多样（线形、分支形、环形、饱和、不饱和）。 变化多端的碳架与种类有限的官能团，共同组成形形色色的生物分子的低层次结构-生物小分子。,2、生物分子有复杂的异构现象,异构体(isomer)：是原子组成相同而结构或构型不同的分子。 异构现象可分为:结构异构、立体异构,结 构 异 构,结构异构：由于原子之间连接方式不同所引起的异构现象。 结构异构包括: 由碳架不同产生的碳架异构，如丙基和异丙基;,丙基,异丙基,由官能团位置不同产生的位置异构，如-丙氨酸和-丙氨酸; 由官能团不同而产生的官能团异构。如丙醛糖和丙酮糖。,立 体 异 构,立体异构： 同一结构异构体，由于原子或基团在三维空间的排布方式不同所引起的异构现象。 立体异构可分为构型异构和构象异构。 通常将分子中原子或基团在空间位置上一定的排布方式称为构型。构型异构是结构相同而构型不同的异构现象。构型异构又包括顺反异构和光学异构。 构型相同的分子，可由于单键旋转产生很多不同立体异构体，这种现象称为构象异构。,顺 反 异 构,Much input of energy Is needed for their interconversion (via breakage/formation of covalent bonds.,(顺丁烯二酸，马来酸）,（反丁烯二酸，富马酸）,各自具有不同的化学性质和生物学作用,由C=C引起的,手性碳原子引起。 1个手性碳原子上相连的各原子或基团的空间排布有两种，互为镜像，称为对映体。,光 学 异 构,对映异构体化学性质几乎完全相同，但使偏振光的平面旋转相反地方向，但角度相同。,具有n个手性碳原子的分子，有2n个立体异构体,构 象 异 构,由于CC单键的旋转，使分子中其余原子或基团的空间取向发生改变，从而产生种种可能的有差别的立体形象，这种现象称为构象异构。,构象异构赋予生物大分子的构象柔顺性。与构型相比，构象是对分子中各原子空间排布情况的更深入的探讨，以阐明同一构型分子在非键合原子间相互作用的影响下，所发生的立体结构的变化。,生物大分子在众多可能构象中通常表现有限数量的稳定构象.,一个生物分子的功能通常依赖于它特异的三维结构，即构象和构型。,e.g., 不同的立体异构体可以引起人不同的味觉和嗅觉反应,The human taste receptors distinguish these two stereoisomers as sweet and bitter!,生物分子之间的互作通常是立体异构的,天门冬氨酰苯丙氨酸甲酯,3、生物分子中的作用力,生物体系存在两类不同水平的作用力： 一类是生物元素借以结合成为生物分子的强作用力-共价键。 另一类是决定生物分子高层次结构和生物分子之间借以相互识别、结合及作用的弱作用力-非共价相互作用（次级键）。,非共价作用力,包括氢键、静电作用力、范德华力和疏水作用力。 这些力属于弱作用力，其强度比共价键低一两个数量级。这些力单独作用时很弱，极不稳定，但在生物高层次结构中，许多弱作用力协同作用，往往起到决定生物大分子构象的作用。,氢 键,氢键的形成：供氢体的X原子及氢受体Y原子必须半径较小，电负性较大；Y原子还必须含有孤对电子（一般X,Y为N,O,F,Cl)。带正电荷的H原子核与Y原子的孤对电子互相静电吸引，产生氢键。 氢键是一种弱作用力，键能只相当于共价键的1/30-1/20(12-30kj/mol)，容易被破坏。氢键的键长比共价键长，比范德华距离短。 氢键对生物体系有重大意义，特别是在稳定生物大分子的二级结构中起主导作用。,范 德 华 力,范德华力是普遍存在于原子和分子间的弱作用力，是范德华引力与范德华斥力的统一。 引力和斥力分别和原子间距离的6次方和12次方成反比。二者达到平衡时，两原子或原子团间保持一定的距离，即范德华距离。,范德华力的本质是偶极子之间的静电相互作用力，包括定向力、诱导力和色散力。 极性基团或分子是永久偶极，它们之间的作用力称为定向力。 非极性基团或分子在永久偶极子的诱导下可以形成诱导偶极子，这两种偶极子之间的作用力称为诱导力。 非极性基团或分子，由于电子相对于原子核的波动，而形成的瞬间偶极子之间的作用力称为色散力。 范德华力比氢键弱得多，但如果两个分子表面几何形态互补，由于许多原子协同作用，范德华力就能成为分子间有效引力。范德华力对生物多层次结构的形成和分子的相互识别与结合有重要意义。,静电作用力,包括正负荷电基团间的引力，常称为盐键(salt bond)和同性荷电基团间的斥力。 力的大小与荷电量成正比，与荷电基团间的距离平方成反比，还与介质的极性有关。介质的极性对荷电基团相互作用有屏蔽效应，介质的极性越小，荷电基团相互作用越强。 例如，-COO-与 -NH3+间在极性介质水中的相互作用力，仅为在蛋白质分子内部非极性环境中的1/20，在真空中的1/80。,疏水相互作用,疏水相互作用比范德华力强得多。 生物分子有许多结构部分具有疏水性质，如蛋白质的疏水氨基酸侧链、核酸的碱基、脂肪酸的烃链等。它们之间的疏水相互作用在稳定蛋白质、核酸的高层次结构和形成生物膜中发挥着主导作用。,