中国海洋大学生物化学讲义孟祥红.pdf

1生 物 化 学 讲 义（2 0 0 3 ） 孟 祥 红 绪论( p r e f a c e )一、生物化学( b i o c h e m i s t r y ) 的含义：生物化学可以认为是生命的化学( c h e m i s t r yo fl i f e ) 生物化学是用化学的理论和方法来研究生命现象1 、生物体是有哪些物质组成的？它们的结构和性质如何？容易回答2 、这些物质在生物体内发生什么变化？是怎样变化的？变化过程中能量是怎样转换的？（即这些物质在生物体内怎样进行物质代谢和能量代谢？）大部分已解决3 、这些物质结构、代谢和生物功能及复杂的生命现象（如生长、生殖、遗传、运动等）之间有什么关系？最复杂二、生物化学的分类根据不同的研究对象：植物生化；动物生化；人体生化；微生物生化从不同的研究目的上分：临床生物化学；工业生物化学；病理生物化学；农业生物化学；生物物理化学等糖的生物化学、蛋白质化学、核酸化学、酶学、代谢调控等三、生物化学的发展史1 、历史背景：从十八世下半叶开始，物理学、化学、生物学取得了一系列的重要的成果（1 ）化学方面法国化学家拉瓦锡推翻燃素说并认为动物呼吸是像蜡烛一样的燃烧，只是动物体内燃烧是缓慢不发光的燃烧生物有氧化理论的雏形瑞典化学家舍勒发现了柠檬酸、苹果酸是生物氧化的中间代谢产物，为三羧酸循环的发现提供了线索。

2 ）物理学方面：原子论、x - 射线的发现3 ）生物学方面： 《物种起源进化论》发现2 、生物化学的诞生：在 1 9 世纪末 2 0 世纪初，生物化学才成为一门独立的科学德国化学家李比希：1 8 4 2 年撰写的《有机化学在生理与病理学上的应用》一书中，首次提出了新陈代谢名词另一位是德国医生霍佩赛勒：1 8 7 7 年他第一次提出 B i o c h e m i e 这个名词英文译名是 B i o c h e m i s t r y ( o rB i o l o g i c a lc h e m i s t r y ) 汉语翻译成生物化学3 、生物化学的建立：从生物化发展历史来看，2 0 世纪前半叶，在蛋白质、酶、维生素、激素、物质代谢及生物氧化方面有了长足进步成就主要集中于英、美、德等国英国，代表人物是霍普金斯创立了普通生物化学学派1 9 2 9 年他和荷兰的艾克曼因发现维生素而获得诺贝尔生理和医学奖后来又发现了色氨酸和谷胱甘肽德国，在以下几个方面的成就：糖和嘌呤类物质、血红素、叶绿素、糖原乳酸循环、维生素 D 、细胞呼吸等都荣获了诺贝尔化学和生理学美国，这一时期在留德的美国学者的推动下，他们在营养与卫生工作方面的研究较为突出。

4 、发展中的生物化学从上世纪 5 0 年代至今，生物化学进入了飞速发展阶段A 、主要成就有：2（1 ）酶的结晶：1 9 2 6 年 S u m n e r发表了他第一次成功结晶了脲酶，随后 N o r t h r u p 制得了胃蛋白酶和胰蛋白酶结晶，开辟了酶学研究的新领域2 ）代谢途径的阐明：3 0 年代阐明了糖酵解途径；1 9 3 7 年 K r e b s 发现三羧酸循环 获 1 9 5 3 年诺贝尔生理学或医学奖目前，糖、脂肪、蛋白质及氨基酸的代谢途径基本阐明当前努力的方向为代谢调控3 ）生物能研究的发现：5 0 年代以来阐明了：A T P 是能量代谢能的产生和利用的关键化合物提出了氧化磷酸化和呼吸链的理论，建立了生物能学B 、这个时期生物化学发展的几个特征：首先是物理学家、化学家以及遗传学家参加到生物化学的领域中来；其次是研究方法有突破性改进；通讯交流方面：各类科学期刊增多，以及计算机的存储、网络的普遍使用, 使信息的传递变得更为方便快捷物理学家、化学家、遗传学家等参加了生物化学的领域中来：在蛋白质方面：两位英国物理学家将 x - 射线应用于蛋白质分子的高级结构研究，肯德鲁( K e n d r e w )测定了肌红蛋白的结构，( P e r u t z ) 佩鲁茨测定了血红蛋白的结构，二人于 1 9 6 2 年分别分享诺贝尔化学奖。

目前 x - 射线衍射分析已成为蛋白质与核酸高级结构研究常规方法美国化学家鲍林（P a u l i n g ）确认氢键在蛋白质的结构以及大分子间的相互作用中的重要性；鲍林认为某些蛋白质具有类似于螺旋的结构这就是我们在蛋白质一章中将要学到的α- 螺旋结构他还研究了镰刀形红细胞贫血病，并提出了分子病的名称，因此荣获诺贝尔化学奖S a n g e r ―― 生物化学家 1 9 5 5 年确定了牛胰岛素的结构，获 1 9 5 8 年诺贝尔化学奖1 9 8 0 年设计出一种测定 D N A 内核苷酸排列顺序的方法，获 1 9 8 0 年诺贝尔化学奖在核酸方面，最著名的莫过于 D N A 双螺旋结构的发现这一成果是物理学家、化学家和生物化学家共同智慧的结晶英国物理学家威尔金斯（W i l k i n s）1 9 4 6 年完成了 D N Ax - 衍射研究1 9 5 3 年沃森与克里克在此基础上确定了 D N A 分子结构他们三人于 1 9 6 2 年荣获了诺贝尔生理和医学奖由此我们可以得到一点启示: 学科交叉是推动科学发展的动力之一加拿大细菌遗传学家艾弗里 A v e r y与美国生物学家 M a c l e o d , C a r t y 1 9 4 4年在美国纽约洛 克菲勒研究所著名实验做了著名的转化试验，证明遗传物质是 D N A美国遗传学家麦克林托克以发现了可移动的基因获 1 9 5 8 年诺贝尔生理奖。

O c h o a 和 K o r n g e r g 发现 R N A 和 D N A 生物合成机制获 1 9 5 9 年诺贝尔生理奖1 9 1 6 年，L w o f f 提出信使 R N A 的存在1 9 6 0 年，J a c o b 、M o n o d －－ 阐明了基因控制酶的生物合成，从而调节细胞的方式3发现操纵子（O p e r o n ）基因，能影响 m R N A 的合成，从而调节其他基因的功能，在微生物界 O p e r o n 普遍存在以上三人共获 1 9 6 5 年诺贝尔生理或医学奖2 ）生物化学研究方法的改进：a . 分配色谱方法的建立：马丁与辛格发明了可用于核苷酸、氨基酸、糖、生物碱等多种混合物分离的色谱方法这种方法已在化学、医学和生物学中得到了广泛的应用并取得了重要进展b . 电泳法：在糖、蛋白质、核酸等物质的分析分离方面取得广泛应用c . 离心法：在蛋白质、核酸的分离、分子量测定中有不可替代作用d . 另外还有荧光分析法，同位素示踪和电镜等近年来新兴的生化仪器层出不穷，这里仅列出几例，如基因扩增仪，基因合成仪，基因序列分析仪、超过滤系统、高效层析系统、多肽序列分析、生物芯片、生物传感器等。

3 ）生物化学在基础理论方面的发展分子生物学的诞生：学术界普遍认为 1 9 5 3 年 D N A 双螺旋结构的发现是分子生物学的开端从此人们开始在分子水平上分析纷繁复杂的生命现象分子生物学在近十年的发展非常迅速，只有计算机科学的发展速度能与之相比4 ）生物化学在应用方面的发展生物工程（生物技术）基因工程（遗传工程） ；蛋白质工程；酶工程；细胞工程；生化工程（5 ）生化研究的新领域：糖类生物化学；蛋白质化学；信号传导机制四、中国对生物化学的贡献：吴宪：曾与美国哈佛医学院 F o l i n 一起首次用比色定量方法测定血糖吴宪与刘思职、万昕、陈同度、汪猷、张昌颖、杨恩孚、周启源等完成了蛋白质变性理论，血液的生物化学方法检查研究，免疫化学研究，素食营养研究，内分泌研究王应睐，邹承鲁，钮经文，邢其毅，曹天钦，王德宝，汪猷1 9 8 7 年又人工合成了具有生物活性的酵母丙胺酸转移 R N A ，从而使我国在核酸人工合成方面处于国际领先地位1 ．今后我们要在基础理论研究方面特别注意:生物大分子的结构与功能生物大分子之间相互作用分子遗传和遗传工程生物膜的结构与功能激素、活性多肽及其重要的活性小分子的结构与功能代谢调节与调控方面的研究另一方面我们应该注意研究工、医、农 、国防等各方面急需解决的问题。

2 ．生物化学的应用工业领域的应用：食品工业；发酵工业及其抗生素制造业；酶制剂工业；饲料工业；生物制品工业；皮革工业等在农业领域的应用：如研究植物的新陈代谢的各种过程，便能够控制植物的发育明确糖类、脂类、蛋白质、维生素、生物碱、芳香油以其他的化合物在植物体内的合成规律，可获得大量优4质的各种作物植物新品种的培育，许多作物的遗传性状如：抗寒性、耐水性、抗病性的可以利用生化技术鉴定对合理贮藏食物原料、谷物、果实、蔬菜有很大意义提高肉类蛋白质的产量、牛乳分泌量、牛乳脂肪含量等方面有实际意义临床生化的诊断今天已经成为一种不可缺少的诊断的方法：如确定血糖浓度和糖韧量曲线才能确定糖尿病的诊断是否正确；血清中酸性磷酸酶的活力的测定可以诊断前列腺癌；碱性磷酸酶的产品可以诊断骨癌；血清和尿中淀粉酶的活力测定可以诊断急性胰腺炎生物化学对一般预防医学也很重要增进人体的健康是预防疾病的一种积极的因素如何给病人以适当营养从而增进人体健康是生化的另一个重要问题适当营养不仅可以预防，而且还可以治疗疾病 第一章糖类化学 第一节 糖类化学概论一、 糖类的概念与分类：㈠ 曾用的概念碳水化合物：通式 C n ( H2O ) m误认为是碳与水的化合物，故称碳水化合物( c a r b o h y d r a t e ) 。

糖类的现代概念：糖类：鼠李糖( r h a m n a s e )C6H1 0O5和脱氧核糖( d e o x y r i b o s e ) C5H1 0O4非糖的物质：甲醛 C H2O 、乳酸 C3H6O3有些糖类化合物：除 C 、H 、O 外，还有 N 、S 、P ，多羟基的醛或酮及其缩聚物和某些衍生物的总称研究简史：十八世纪后半叶德国化学家 E , F i s h e r 提出投影式十九世纪二十年代中期 C . S . H u d s o n 建立了表示糖的结构、立体构形与光学性质关系的法则W . N . H w o r t h 提出的糖的环状结构七十年代以后糖类化合物研究的新局面：通过糖类的研究发现了许多新的生物合成反应与酶调节机理；认识许多基本的生命过程：如细胞环境、细胞识别、细胞生长与分化、免疫、先天缺陷遗传病、药物的作用等等；生物信息的携带者糖类化合物（多糖、寡糖）是第三（核酸、蛋白质）大重要的生物高分子化合物㈡ 糖类的分类1 、单糖( m o n o s a c c h a r i d e s ) 是最简单的糖，不能再被水解为最小的单位根据其所含碳原子（C ）数目：丙糖、丁糖、戊糖( p e n t o s e ) 和已糖( h e x o s e ) 等根据其羟基（- O H ）又可以分为醛糖和酮糖2 、寡糖( o l i g o s a c c h a r i d e s ) 是有两到十分子的单糖缩合而成的，水解后产生单糖。

3 、多糖( p o l y s a c c h a r i d e s ) 是由多个单糖分子缩和而成的如按其组成：同多糖：相同的单糖组成；5杂多糖：不同的单糖基组成如按其分子有无支链：支链、直链多糖；如按其功能的不同：结构多糖、储存多糖、抗原多糖等；如按其分布：胞外多糖、胞内多糖、胞壁多糖之分4 、结合糖：如果糖类化合物尚有非糖物质部分，则称为糖缀物和复合糖例如，糖肽、糖脂、糖蛋白等二、糖类分布及重要性：（一）分布：所有生物细胞质和细胞核内，含有戊糖植物界最多：约占干重的 8 0 % ，动物：血液中含有葡萄糖、肝脏和肌肉中含有糖原、乳汁中含有乳糖微生物中：糖约占菌体干重的 1 0 - 1 3 % 二）重要性（1 ）水+ C O2碳水化合物（2 ）动物直接或间接从植物获取能量（3 ）糖类是人类最主要的能量来源（4 ）糖类也是结构成分（5 ）纤维素。