生物化学笔记

生物化学（Biochemistry）

刘国琴

参考书介绍

1. 王镜岩 朱圣庚 徐长法 (2002) 生物化学

2. 张曼夫（2002）生物化学 中国农业大学出版社 3. Albert L. Lehninger (1993) Principles of Biochemistry

4. Lubert Stryer (1998) Biochemistry 什么是生物化学？

生物化学是生命的化学。研究生命体的化学组成与化学变化。用化学术语解释生命的本质。 生命体共有特征

新陈代谢 遗传、进化、变异 生长、发育、繁殖 生物化学组成的同一性 相对稳定的内环境 严整的结构 对环境的感应性和适应性 生命--

是物质运动的高级形式，它建立在物理、化学规律之上，但又不能完全归结为物理、化学规律。生命是以蛋白质和核酸为主的高度有序的多分子体系，是能进行新陈代谢和自我繁殖的开放系统。

生物化学 I （50学时）教学内容 第一章 生物化学导论 第二章 糖类

第三章 蛋白质I：蛋白质的组成

第四章 蛋白质II：蛋白质的结构与功能

第五章 蛋白质III：蛋白质的性质、分离与鉴定 第六章 酶

第七章 核酸化学

第八章 维生素与辅酶、辅基 第九章 脂类与生物膜

第十章 生物能学与生物氧化 第一章 生物化学导论

一、生物化学学科的建立和发展

二、生命物质特征及生物化学反应类型 三、水—生命的溶剂

一、生物化学学科的建立和发展 （一）生物化学发展简史

十八世纪下半叶法国化学家Lavoisier（1783）发现生物氧化过程 十九世纪生物化学进展缓慢（德国领先）

J.von Liebig (1803-1873) 新陈代谢 （1842） Hoppe-Seyler (1825-1895) Biochemie（1877）

二十世纪初 德、美、英、法生物化学发展生物化学领域三大发现：酶、维生素、激素 生物化学作为一个独立学科出现！ 二十世纪中叶生物化学快速发展 原因：

1. 生物化学研究方法的改进 2. 跨学科的合作研究

美国生物学家Watson , 英国物理学家Crick： 1953 DNA双螺旋（1962获诺贝尔奖） 英国化学家 Sanger : 牛胰岛素结构（1958）

英国物理学家 Kendrew: 解析肌红蛋白结构（1962） 美国生物化学家 Nirenberg：破遗遗传密码（1969） 美国生物化学家 Holly： 解析 tRNA结构（1969） 法国生物学家 Jocob, Monod：遗传信息流（1965） 英国化学家 Sanger : DNA测序（1983） （二）现代生物化学不断取得新进展

光合作用机理 酶作用机理 生物固氮机理 核酸、蛋白质三维空间结构 基因克隆 基因表达 基因调控 最新生物学研究成果激动人心 新概念 新知识 新技术 人类基因组

?后基因组

?功能基因组

?蛋白质组 pseudogene T-DNA mutant RNAi

MALDI-TOF-MS

（三）生物化学与其它学科的关系 生物化学是生物学科的专业基础课！

生物化学的现代进展为分子生物学奠定了基础，对发育生物学 、 分子进化、细胞生物学、遗传学产生了重要影响促使许多边缘学科诞生：量子生物学、结构生物学、生物信息学、生物系统学

21世纪生命科学的特点（1） 生命科学是21世纪自然科学的前沿学科

– 美国2000年对不同学科投入 ? 生命科学 49％ ? 物质科学 11.36% ? 环境科学 8.06% ? 数学与计算机科学 5.77%

? 心理科学 4.57%

? 21世纪生命科学的特点（2） 生物学与多学科发生交叉 ? 21世纪生命科学的特点（3） 分析与综合相结合 大分子相互作用

（四）我国科学家在生物化学领域中的贡献

1965 生化所与有机化学所人工合成有功能的蛋白质－牛胰岛素 1973 X－射线分析出猪胰岛素空间结构

1983 酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工全合成(tRNAAla) 2002 水稻基因组测序

? 我国生物学研究相对滞后（1992-2001年SCI论文占2.15%，生物论文占0.89%） ―中国人离诺贝尔奖仅一步之遥‖ 原创性

分析问题、解决问题的能力 基础知识

（五）学好生化，勇攀高峰 ！

二、生命物质特征及生物化学反应类型 （一）生命体的化学组成

大量元素 H O N C S P Cl Na K Ca

微量元素Mg V Mn Fe Co Ni Cu Zn Se Mo I 元素含量排序（％）

人体 H（63） O（25.5） C（9.5） N（1.4） Ca（0.31 P（0.22） Cl（0.08）K（0.06） 海水 H（66） O（33） Cl（0.33） Na（0.28） Mg（0.033） S（0.017） Ca（0.0062） K（0.0060） C（0.0014）

地壳 O（47） Si（28） Al（7.9） Fe（4.5） Ca（3.5） Na（2.5） K（2.5） Mg（2.2） 生命来自海洋！

化学元素— 原始物质—生物分子

Oparin(1922)生物起源假说：地球上的生命是由非生命物质通过长期的化学进化逐步演变而来的。 Miller(1953) 化学进化实验

无机物（甲烷、氨、水、氢气） ?

有机物（氨基酸、氢氧酸、甲醛、氢氰化物）

（二）甲烷、氨、水、氢气 可能是生命进化的原始物质

1987，得到上百种有机物，包括10多种氨基酸、核酸、蛋白质。 先有蛋白质还是先有核酸？

RNA可能是最早的基因和催化剂 （三）生命物质的特征

1. 生命物质大多由轻元素组成 2. 生物分子是碳的化合物 3. 每种细胞组分都具有三维结构特征

4. 生物分子之间的相互作用具有立体特异性（stereospecificity） 5. 细胞中的手性化合物一般仅以一种形式存在 （四）生命过程中的主要化学反应类型

1. 基团转移（Group transfer） G＋ATP?G-1-P＋ADP

2. 氧化还原（Oxidation-reduction）G-6-P ＋ NADP+?6-磷酸葡萄糖酸＋NADPH 3. 分子重排（Rearrangement）G-1-P?F-6-P

4. 裂解反应（Cleavage） 1,6-二磷酸葡萄糖?二羟丙酮磷酸＋甘油醛3-磷酸 5. 缩合反应（Condensation） AA1＋AA2 ?二肽 三、 水—生命的溶剂 （一）水的重要作用

1. 水是生命物质的溶剂 2. 水作为底物或产物参与生物化学反应 3. 水环境非常适合生命体 （二）水是极性分子

水的特殊性质: 水具有比较高的熔点、沸点和蒸发热。此性质源于相邻水分子间比较强的吸引力－高的内聚力。

（三）水与溶质形成氢键

电负性原子（O, N）和与电负性原子共价连接的氢原子之间可形成氢键。 （四）水与电解质的作用

水溶解盐，是通过水化（hydration）和电荷屏蔽作用（charge screening）实现的。 F=Q1Q2/?r2

F：离子间作用力 Q：所带电荷 ?: 介电常数 r: 电荷基团间距

介电常数是表示溶剂中偶极数量的一种物理特性参数。在极性大的环境中离子间的作用力小。 （五）非极性气体难溶于水 （六）非极性化合物迫使水结构发生变化 非极性分子排开水的力量即疏水力

（七）弱键对生物分子结构与功能很重要

生物大分子的三维结构主要靠次级键维持：氢键、离子键、疏水键、范德华力 范德华力（van der vaals interaction）：近距离接触的任意两个原子之间的弱吸引力。

弱键虽然作用力小，但数量之大，在维持生物大分子结构和生物分子相互作用中起重要作用。 思考题

生命体的基本特征是什么？ 生命物质的特征是什么？

生物化学反应主要类型。 讨论水的性质与生命体的关系。 填空题

中国科学家在 年 用 法合成牛胰岛素。中国科学家在1983年人工合成 。 中国科学家在2002年完成了 全序列分析。

生物大分子的三维结构主要靠 键维持，包括 、 、 和 。

生命进化的无机小分子可能是 、 、 、 和 。 带电生物大分子或电解质在水中的溶解是通过 作用和 作用实现的。 第二章 糖类(carbohydrate)

糖类是多羟醛、多羟酮或其衍生物，或水解时能产生这些化合物的物质。 糖类的生物学作用：

1.作为生物体的结构成分 2.作为生物体细胞内的主要能源物质 3.在生物体内转变为其它物质 4. 作为细胞识别的信息分子 糖的种类:

单糖（monosaccharide） 寡糖（oligosaccharide） 多糖（polysaccharide） 第一节 单糖

特殊性 C5H10O4 CH2O 一、葡萄糖分子结构

（一）葡萄糖的链状结构6个碳，4个不对称碳原子 （二）葡萄糖的构型（configuration）

构型：RS 表示法（有机化学） DL 表示法（生物化学）

葡萄糖（及其它单糖）的构型是以甘油醛不对称C上的－OH空间排列为标准确定的。

单糖的构型取决于分子中离羰基碳最远的那个手性碳原子的构型。葡萄糖的构型取决于C5*的-OH空间位置。

D-(+)葡萄糖 D-(-) 果糖 (+)、(-) 表示旋光性 D、L构型与(+)、(-)有无必然联系？

D-葡萄糖：[?] D20= +52.6? D-果糖： [?] D20= -92.4? D-葡萄糖有两种旋光率：

[?] D20= +112.2? [?] D20= +18.7? （三）葡萄糖的环状结构

葡萄糖的变旋现象 葡萄糖的醛基为半缩醛形式 葡萄糖分子自我成环 （五元环—呋喃糖、六元环—吡喃糖）

氧环上的碳原子顺序按顺时针排列时，半缩醛羟基在氧环平面之下为?- 型，在氧环平面之上为?- 型。?-型和 ?-型互为异头物（anomer）.(异头碳羟基与末端羟甲基为反式时为?- 型, 为顺式时为?- 型)

变旋现象:一种新配制的溶液比旋光度改变的现象，称为变旋现象。变旋作用的本质是由于分子立体结构发生了变化.

环状葡萄糖的构型判断：羟甲基在氧环平面之上为D-构型，在环之下为L-构型。 （四）葡萄糖的构象 椅式构象为优势构象 构型与构象有什么区别？