生物化学教学讲义(上海交通大学)

1、生物化学绪论本章主要介绍生物化学的定义、内容、目的及其与医学的关系o 生物化学的定义 生物化学（biochemistry）或生物的化学（biological chemistry）即生命的化学，是一门研究生物体的化学组成、体内发生的反应和过程的学科。当代生物化学的研究除采用化学的原理和方法外，尚运用物理学的技术方法以揭示组成生物体的物质，特别是生物大分子(biomacromolecules)的结构规律。并且与细胞生物学、分子遗传学等密切联系，研究和阐明生长、分化、遗传、变异、衰老和死亡等基本生命活动的规律。Watson和Crick于1953提出了DNA分子的双螺旋结构模型，在此基础上形成了遗传信息传递的“中心法则”，由此奠定了现代分子生物学(molecular biology)的基础。分子生物学主要的研究内容为探讨不同生物体所含基因的结构、复制和表达，以及基因产物蛋白质或RNA的结构，互相作用以及生理功能，以此了解不同生命形式特殊规律的化学和物理的基础。可见，当今生物化学与分子生物学不能截然分割，后者是前者深入发展的结果。总之，生物化学与分子生物学是在分子水平上研究生命奥秘的学科，代表当

2、前生命科学的主流和发展的趋势。o 生物化学的内容 医学生物化学研究的内容大致包括下列4个部分。一. 化学组成生物大分子在研究生命形式时，首先要了解生物体的化学组成，测定其含量和分布。这是生物化学发展的开始阶段的工作，曾称为叙述生化。现知生物体是由多种化学元素组成的，其中C、H 、O 和N四种元素的含量占活细胞量的99%以上。各种元素进而构成约30种的小分子化合物，这些小分子化合物可以构成生物大分子，所以把他们称为生物分子(biomolecules)或构件分子（building block molecules）。例如20种L-氨基酸是蛋白质的构件分子，4种核苷酸是核酸的构件分子，单糖可构建成多糖、脂肪酸组成多种脂类化合物。当前研究的重点为生物大分子的结构与功能，特别是蛋白质和核酸，二者是生命的基础物质。对生命活动起着关键性的作用。天然氨基酸虽然只有20种，但可构成数量繁多的蛋白质，由于不同的蛋白质具有特殊的一级结构（氨基酸残基的线性序列）和空间结构，因而具有不同的生理功能，从而能体现瑰丽多彩的生命现象，现在已从单一蛋白质深入至细胞或组织中所含有全部蛋白质，即蛋白质组（proteome）的

3、研究。将研究蛋白质组的学科称为蛋白质组学(proteomics)。蛋白质的一级结构是由核酸决定的，人类基因组(genome)即人的全部遗传信息，是由23对染色体组成，约含2.9x109碱基对，测定基因组中全部DNA的序列，将为揭开生命的奥秘迈开一步。把研究基因组的结构与功能的科学称为基因组学(genomics)，经过包括我国在内许多科学家十多年的努力，2003年已完成人类基因组计划(Human Genome Project)中全部DNA序列的测定，接着面临更坚具的任务，就是要研究目前所知3万至4万个基因的功能及其与生命活动的关系。这就是后基因组计划(Post-Genome Project)。生物大分子需要进一步组装成更大的复合体，然后装配成亚细胞结构、细胞、组织、器官、系统，最后成为能体现生命活动的机体，这些都是尚待研究和阐明的问题。二.物质代谢、能量代谢及代谢调节组成生物体的物质不断地进行着多种有规律的化学变化，即新陈代谢(metabolism)或物质代谢,一旦这些化学反应停止,生命即告终结。可见，新陈代谢是生命的基本特征，生物体一方面需要与外界环境进行物质交换，同时在体内进行各种代

4、谢变化，以维持其内环境的相对稳定，通过代谢变化将摄入营养物中储存的能量释放出来，供机体活动所需。要维持体内错综复杂代谢途径有序地进行，需要有严格的调节机制，否则代谢的紊乱可影响正常的生命活动，从而发生疾病。因此，研究物质代谢、能量代谢及代谢调节规律是医学院校生物化学课程的主要内容，也称为动态生化。三.基因的复制、表达及调控遗传信息传递的“中心法则”，可以说是分子生物学的中心法则。DNA是储存遗传信息的物质，通过复制(replication)，即DNA合成，可形成结构完全相同的两个拷贝，将亲代的遗传信息真实地传给子代。DNA分子中的遗传信息又如何表达的呢？现知基因表达的第一步是将遗传信息转录(transcription)成RNA ，即RNA的合成，后者作为蛋白质合成的模板，并决定蛋白质的一级结构，即将遗传信息翻译(translation)成能执行各种各样生理功能的蛋白质。上述过程涉及生物的生长、分化、遗传、变异、衰老及死亡等生命过程，体内存在着一整套严密的调控机制，包括一些生物大分子的互相作用，如蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸、核酸与核酸间的作用。本书将对上述过程作较全面的介绍，为进一步学

5、习分子生物学打基础。四.机能生化医学生物化学主要的研究对象是人，因此人体生物化学还要研究各组织器官的化学组成特点，特有的代谢途径和它们与生理功能之间的关系。代谢障碍将造成器官功能的异常，导致疾病的发生。这部分内容包括内分泌、血液、肝、胆生化等，也称为机能生化，是医学生化不可缺少的内容。五.本书的内容本书由21章组成，大体分为四个部分，第一部分从第二章至第五章，主要讨论生物大分子蛋白质和核酸的结构与功能，维生素构成酶的辅酶或辅基，所以也纳入这部分；第二部分从第六章至第十一章。主要为物质代谢、能量代谢及代谢调节；第三部分从第十二章至第十五章主要内容为遗传信息的流向及调控，为分子生物学的基础；第四部分从第十六章至第二十一章为机能生化及与医学密切相关的内容。o 研究生物化学的目的及其与医学的关系 生物化学的根本目标是揭露生命的奥秘。若将组成生物体的物质逐一分离研究，均为非生命物质，并遵守物理和化学的规律，然而由这些物质组成的生物体何以能呈现及维持各种生命现象，这是生物化学要探讨和阐明的问题。当然，更深一层的目标是了解生命的起源。可见，研究生物化学的目的是了解和掌握生命的规律，适应自然规律，使人

6、类生活更美好。生物化学与分子生物学是边缘性学科，发展又十分迅速，形成了许多新理论、新概念，如基因组学、蛋白质组学、RNA组学等；同时发展了许多新技术，如重组DNA技术、基因工程、基因芯片、克隆技术、转基因动物等。生物化学与分子生物学的理论和方法已广泛被其他基础医学学科应用，并已形成了许多新的学科分支，如分子免疫学、分子遗传学、分子细胞生物学、分子病理学、分子药理学、分子病毒学等等。反过来，这些基础学科也促进生物化学的发展，例如，免疫学的方法被广泛应用于蛋白质及受体的研究，遗传学的方法被应用于基因分子生物学的研究，病理学的癌症促进癌基因的研究，基因表达调控的规律是在细菌研究的基础上深入至真核生物的研究。总之，当前生命科学中各相关的学科互相渗透，互相促进，不断形成新的学科，例如，生物信息学。还将会出现更多新的学科。健康科学(health science)涉及两大关键问题：一是为了解和维持人体的健康生活，正常的生化反应和过程是健康的基础，人体必须不断地与外环境进行物质交换，摄入必需的营养成分，适应外环境的变化，以维持体内环境的稳定。其二是为有效防治疾病。代谢的紊乱可导致疾病，所以了解紊乱的环

7、节并纠正之，是有效治疗疾病的依据，通过生化的检查，可帮助疾病的诊断，例如糖代谢障碍可导致糖尿病，充分了解糖代谢及其调节的规律能为治疗糖尿病制定有效的方案，也为疾病的诊断和预防提供依据。可见，临床医学无论在预防和治疗工作中都会应用生物化学的知识。反过来临床实践也为生物化学的研究提供丰富的源泉，例如恶性肿瘤，使生物化学和分子生物学深入至癌基因的研究，通过对后者的深入研究，又揭开了对正常细胞生长、分化的规律和信号转导途径的研究和了解。对动脉粥样硬化症的研究，促进对胆固醇、脂蛋白、受体乃至相关基因等的生物化学研究。可以说当前医学已进入分子水平时代，即分子医学(molecular medicine)，其主要的任务是在分子水平研究人体生命的规律，阐明人体生长、发育、分化、结构和功能；观察人与病原体以及人与自然环境之间的关系；分析疾病的发病机制及各种疾病主要病变的分子基础和开发新的有效的预防、诊断和治疗疾病的手段。第二章蛋白质的结构和功能蛋白质（protein）在生物体内具有广泛和重要的生理功能，它不仅是各器官、组织的主要化学组成，且生命活动中各种生理功能的完成大多是通过蛋白质来实现的，而且蛋白质在

8、其中还起着关键的作用，所以蛋白质是生物化学学科中传统、基础的内容，在分子生物学学科中又是发展最快、最重要的部分之一，protein一词就是来自1938年Jons J Berzelius创造的希腊单词protios，意为第一或最重要的意思。第一节蛋白质在生命活动中的重要功能蛋白质是生命的物质基础，一切生命活动离不开蛋白质。蛋白质普遍存在于生物界，从病毒、细菌到动、植物都含有蛋白质，病毒除核酸外几乎都由蛋白质组成，甚至朊病毒（prion）就只含蛋白质而不含核酸。蛋白质也是各种生物体内含量最多的有机物质（表21）。人体内蛋白质含量就约占其干重的45%左右。体内一些蛋白质的重要生理功能： 催化功能 调节功能 保护和支持功能 运输功能 储存和营养功能 收缩和运动功能 防御功能 识别功能 信息传递功能 基因表达调控功能 凝血功能 蛋白质的其他众多生理功能 第二节蛋白质的分子组成o 蛋白质的元素组成和分子量 蛋白质是大分子化合物，相对分子质量（Mr）一般上万，结构十分复杂，但都是由C、H、O、N、S等基本元素组成，有些蛋白质分子中还含有少量Fe、P、Zn、Mn、Cu、I等元素，而其中氮的含量相对恒定

9、，占13%19%，平均为16%，因此通过样品中含氮量的测定，乘以6.25，即可推算出其中蛋白质的含量。o 蛋白质的氨基酸组成 大分子蛋白质的基本组成单位或构件分子（building-block molecule）是氨基酸（amino acid，AA）（表22）。在种类上，虽然自然界中存在着300多种氨基酸，但构成蛋白质的只有20种氨基酸，且都是L,-氨基酸，在蛋白质生物合成时它们受遗传密码控制。另外,组成蛋白质的氨基酸，不存在种族差异和个体差异。在20种氨基酸中，除甘氨酸不具有不对称碳原子和脯氨酰是亚氨基酸外，其余均为,-氨基酸。氨基酸分子的结构通式为： 氨基酸的分类 20种氨基酸按其侧链R结构的不同，在化学中可分为脂肪族、芳香族和杂环氨基酸三大类，分别含15种、2种和3种氨基酸。在脂肪族氨基酸中，3种是支链氨基酸，而大多是直链氨基酸。在20种氨基酸中，有2种是含硫氨基酸和3种是含羟基的氨基酸。在生物化学中，氨基酸是根据其酸性基团（羧基）和碱性基团（氨基、胍基、咪唑基）的多寡而分为酸性氨基酸、碱性氨基酸和中性氨基酸三类，其中酸性氨基酸含2个羧基和1个氨基，碱性氨基酸含2个或2个以上碱性基团和一个羧基，都属于含有可解离基团的极性氨基酸，而中性氨基酸只含有1个羧基和1个氨基，在形成蛋白质分子时都被结合掉，因此根据其侧链R有无极性再分为中性极性氨基酸和中性非极性氨基酸二个亚类，中性极性氨基酸（polar AA）较亲水（hydrophilic），中性非极性氨基酸（non-polar AA）较疏水（hydrophobic）（表23）。在形成大分子蛋白质严密的空间结构中，其组成氨基酸侧链R的大小、形状，带电与极性与否，对蛋白质分子空间结构形成和生理功能关系密切。蛋白质分子中尚含有一些经修饰的氨基酸，并无遗传密码编码，它们往往是在蛋白质生物合成后，由其中相应氨基酸经加工修饰生成。如胱氨酸是由2个半胱氨酸脱氢氧化生成，含有二硫键，存在于部分蛋白质分子中；而羟赖氨酸与羟脯氨酸来自蛋白质中赖氨

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