生物化学学习课件教学课件PPT绪论.ppt

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1、绪 论,生物化学（Biochemistry）即“生命的化学”,是研究微生物、植物、动物及人类的化学组成和生命过程中的化学变化规律的一门科学。生物化学的分类：1 静态生物化学：2 动态生物化学：3 功能生物化学：因此，生物化学是一门边缘学科，也是生命科学领域重要的领头学科。,一、生物化学的概念与任务,二、生物化学发展历史,1828年，在哥廷根大学任教的化学家弗里德利克魏勒(Friedrick Whler)在实验室里将氰氢铵(ammonium cyanate)加热产生了尿素(urea)。,19世纪末以前是叙述生物化学阶段,（一）尿素合成使“活力论”遭遇第一次打击,尤斯图斯冯李比希(Justus V

2、on Liebig)在19世纪20年代提出了著名的“燃烧”学说动物通过呼吸获取空气中的O2，氧化分解摄取的食物，产生水和CO2，并且释放热量，保持体温，维持活力。李比希将食物分为糖、脂和蛋白质三大类主要成分，并提出物质在生物体内可进行合成和分解两种化学过程。物质代谢(metabolism)的概念就这样产生了。,（二）“燃烧”学说使“活力论”再次遭遇重创,1830-1842，Liebig（德）将食物分为糖、脂、蛋白质类，提出“代谢”一词，证明动物体温形成是食物在体内“燃烧”的缘故。最先写出两本生物化学相关专著。,既然生命活动是以化学反应为基础的，化学反应又是在何处进行的？1665年，马尔塞罗马琵

3、季（Marcello Malpighi）发现红血球（细胞）。同年，罗伯特胡克（Robert Hooke）发现植物树皮细胞。1838年（有说1839年），马采斯史雷登（Matthais Schleiden）和泽奥多尔史旺（Theodor Schwann）证明，细胞是植物的结构单位。,（三）细胞是生命体的基本结构单位,史旺的学生鲁道夫魏尔啸（Rudolf Virchow）提出了细胞学说“细胞由细胞产生”，“细胞是所有生命体的基本结构单位”，细胞就是进行化学反应的场所。细胞学说使有机化学与生物学（主要是生理学）结合，为生物化学的产生、发展奠定了基础。,化学家恩斯特霍普-席勒（Ernst Hoppe-

4、Seyler）首次从血液中分离出血红蛋白，证明“血液的红色是由血红蛋白的颜色引起的”，并在1864年将血红蛋白制成了结晶（crystal）。1877年，霍普-席勒创立了德文生理化学杂志（Zeitschrift fr Physiologische Chemie）。这时，生物化学从生理学分出作为一门新的独立学科诞生。,（四）血红蛋白赋予血液红色,路易斯巴斯德（Louis Pasteur）首先证明，只有活的酵母细胞才能进行发酵。1833年，在巴黎一个糖厂工作的安塞尔莫佩因（Anselme Payen）和简-弗朗修斯泼骚兹（Jean-Franois Persoz）从麦芽中分离出一种可使淀粉转变为糖的可

5、溶性物质，即淀粉酶（diastase，后来化学家又称之为amylase）。稍后几年，细胞的发现人史旺又从胃液中分离出类似于如今胃蛋白酶的物质，并证明这种酶是由胃细胞产生的。,（五）酶是化学反应的主宰,1861年，莫里兹特劳伯（Moritz Traube）等提出，是一种“可溶性催化剂”催化糖的“发酵”。1878年，威尔海姆库奈（Wilhelm Khne）首先引入“酶”（enzyme）的概念，用以描述能催化生物化学反应的“可溶性催化剂”。1897年，爱德尔德布希奈（Eduard Buchner）（诺贝尔奖，1907）和汉斯布希奈（Hans Buchner）两兄弟实验证明，无细胞的酵母提取液仍可催化

6、生醇发酵反应，使巴斯德关于“只有活的酵母细胞才能进行发酵”的认识前进了一步。,20世纪初，生物化学之父埃米尔费舍尔（Emil Fischer）（诺贝尔奖，1902）首次证明蛋白质是由不同数量、种类的氨基酸组成的，并采用化学方法合成了几种由18个氨基酸残基组成的多肽，以这些合成多肽为底物，分析酶的催化活性，发现酶对底物有一定的选择性（特异性），验证了他早在1894年提出的酶催化作用的“锁-匙”学说。费舍尔测定底物化学结构的方法对20世纪生物化学研究一直产生极大影响。,生物化学的创始人埃米尔费舍尔（Emil Fischer）,1890-1902，Fischer（德）首次证明了蛋白质是多肽；发现酶的

7、专一性，提出并验证了酶催化作用的“锁-匙”学说；合成了糖及嘌呤。1902年获诺贝尔奖。,在20世纪的头二、三十年，“酶的非蛋白质性质”一直束缚着人们的科学思维，是詹姆斯萨姆奈（James B Sumner）（诺贝尔奖，1946）解除了这一科学禁锢。1926年，萨姆奈第一个成功地制备了尿素酶（urease）结晶，并首次证明酶是蛋白质。,（六）酶的化学本质是蛋白质,约翰诺尔瑟普（John H.Northrop）（诺贝尔奖，1946）在1930年制备了胃蛋白酶、胰蛋白酶结晶。纯酶的获得为体外酶学研究提供了重要手段，结合X（射）线晶体衍射（X-ray crystallography）分析及多肽成分分析

8、，终于使科学家彻底揭开了“酶的化学本质是蛋白质”的事实。,由于同位素示踪技术的应用，在很多早期工作基础上，终于在20世纪30年代末，科学家们详细描述了无氧时葡萄糖的分解途径(糖)酵解(glycolysis)的酶促反应顺序。古斯塔夫恩伯登(Gustav Embden)和奥托麦耶霍夫(Otto Meyerhof)(诺贝尔奖，1922)对葡萄糖酵解的分子演绎过程贡献最大，因此酵解途径又称恩伯登-麦耶霍夫途径(Embden-Meyerhof pathway)。,20世纪上半叶是动态生物化学阶段,（一）糖酵解又称恩伯登-麦耶霍夫途径,细胞是如何通过分解反应获得能量的？,1932年，汉斯克雷勃斯(Hans

9、 A.Krebs)和库尔特汉瑟雷特(Kurt Henseleit)发现了尿素循环(urea cycle)反应途径。1937年，克雷勃斯又揭示了三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle)机制(诺贝尔奖，1953)。这些生物化学知识详尽描绘了物质氧化分解的过程，揭示了生命特征新陈代谢的化学本质，为认识细胞的功能提供了极有价值的线索，极大地推动了生命科学领域的进步。,（二）三羧酸循环是物质氧化分解的最终途径,汉斯克雷勃斯（Hans A.Krebs）,1937年，Krebs（英）发现三羧酸循环，1953年获诺贝尔奖。,1929年，Cyrus H.Fiske、Yellapragada

10、 Subbarow和Karl Lohman分别发现了腺苷三磷酸(ATP)。1941年，师从麦耶霍夫的Fritz Lipmann(诺贝尔奖，1953)提出生物能过程中的ATP循环学说。1948年，Eugene Kennedy和Albert Lehninger证明，催化三羧酸循环反应的酶都分布在线粒体(mitochondrion)，线粒体内膜分布有电子传递体，可进行氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)反应。,（三）物质代谢与能量代谢偶联,20世纪50年代，由一些生物化学家综合物质代谢、氧化磷酸化偶联机制，阐明了细胞内营养有机物是如何转化为ATP的，奠定了现代生物能学原理

11、。生物化学家在代谢途径、生物能学及酶反应等方面所取得的进步使生物化学成为成熟学科。,1951年，Linus Pauling（诺贝尔奖，1954）和Robert B.Corey采用X射线衍射（X-ray diffraction）技术研究蛋白质结晶，发现了蛋白质分子的二级结构形式-螺旋（-helix）。1953年，Frederick Sanger采用化学方法完成了胰岛素（insulin）序列分析（诺贝尔奖，1958）。,20世纪50年代生物化学进入分子生物学时期,（一）螺旋是蛋白质分子二级结构形式之一,李纳斯鲍林（Linus Pauling）,1949年，Pauling（美）指出镰刀形红细胞性贫血

12、是一种分子病，并于1951年提出蛋白质存在二级结构。1954年获诺贝尔奖。,1951年，Stanford Moore和William Stein发明了蛋白质层析(chromatography)分离技术(诺贝尔奖，1972)。,X射线衍射技术和多肽链氨基酸序列分析技术是50年代后分子生物学研究的两大技术支柱。,1868年，瑞士青年学者、霍普-席勒的学生弗里德利克米歇尔（Friedrick Miescher）从伤口敷料的脓血球中发现“核素”（“核酸”的早期命名）。在20世纪2030年代，还发现有两种类型核酸核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）存在。,（二）DNA是遗传的物质基础,1944年，

13、Oswald T.Avery及Colin M.Macleod、Maclyn McCarty通过细菌转化实验证明DNA是遗传的物质基础，揭示了基因的本质。艾弗里的发现揭示了遗传学与生物化学的特殊关系，生物化学遗传学(Biochemical Genetics)(即分子遗传学)在那时就提出来了。,在威尔金斯和弗兰克林工作的基础上，沃森和克里克在1953年提出了DNA双螺旋结构模型(double helix model)(诺贝尔奖，1962)。他们的原创著作在世界著名杂志自然(Nature)上发表，具有划时代的意义：DNA双螺旋结构是揭示遗传信息传递规律的“敲门砖”和联系生物化学与遗传学的“桥梁”。从

14、此，生物化学发展进入了以生物大分子结构与功能研究为主体的分子生物学时期。,（三）DNA双螺旋是揭示遗传信息传递的“敲门砖”,詹姆斯沃森（James D.Watson）,1953年，Watson（美）与 Crick（英）提出DNA分子的双螺旋结构模型，1962年共获诺贝尔奖。,弗朗西斯克里克（Francis H.Crick）,（四）遗传信息按中心法则传递,认知论的两大杰出成就：,一是生物大分子三维结构与功能关系的认识；,二是对生命同一性的认识，即生命的基本功能表现为基本相同的生化过程。,生命现象的“同一性”使科学家可以利用细菌和病毒研究演绎高等生命过程。1955年，Arthur Kornberg

15、(诺贝尔奖，1959)在E.coli发现了DNA聚合酶，揭开了DNA复制的秘密。1959年又有人发现RNA聚合酶。在克里克提出RNA中介假说基础上，Marshall Nirenberg、Heinrich Matthaei、Philip Leder和H.Gobind Khorana等历经近10年研究，在1966年揭示了遗传密码。1968年提出了遗传信息传递的中心法则。,1973年，Paul Berg、Herbert Boyer和Stanley Cohen首次在体外将重组的DNA分子形成无性繁殖系DNA“克隆”（clone）（诺贝尔奖，1980）。1985年，Kary Mullis发明了一种体外扩

16、增DNA的专门技术聚合酶链式反应（PCR）（诺贝尔奖，1993）。,（五）DNA“克隆”使基因操作无所不能,1969-1972,Arber(瑞士),Smith(美)与Nathans(美)在核酸限制酶的分离与应用方面做出突出贡献,1978年共获诺贝尔奖。,1972年，Berg（美）在基因工程基础研究方面作出了杰出成果，获1980年诺贝尔奖。1973年，Cohen等（美）用核酸限制性内切酶EcoR1，首次基因重组成功。,Hamilton O.Smith,Daniel Nathans,Werner Arber,Paul Berg,Herbert Boyer,Stanley Cohen,从此，以重组D

17、NA(Recombinant DNA)操作为核心的重组DNA工艺学(Recombinant DNA Technology)迅速发展，科学家们分离及操作基因的能力几乎达到无所不能的地步。也正是有了重组DNA工艺学才能使人类基因组计划得以实施，并对基因组学（genomics）诞生、工农业产业革命产生巨大影响。,一种生物所有遗传信息，也就是DNA的总和，称为基因组(genome)。人类基因组计划(Human Genome Project,HGP)就是将人23对染色体全部DNA的核苷酸序列测出来。,（七）人类基因组计划拉开了基因组学的序幕,1990年,耗资30亿美元的15年制图和测序计划正式启动。19

18、92年,很多发达国家的科学家、政府甚至公司参加HGP。1999年底,由英国桑格(Sanger)中心的丹汉姆(Dunham)领导的国际基因组公布了22号染色体全序列。2000年3月,德国、日本等国研究者公布了21号染色体全序列;6月,NCHGR和塞莱拉(Celera)公司联合宣布人类基因组序列草图HGP提前完成。,从此，生物学领域新的亚学科基因组学诞生。,20世纪2030年代，我国生物化学家吴宪等在血液分析方面，创立了血滤液的制备及血糖测定方法。1931年，吴宪还提出了国际公认的蛋白质变性学说。3050年代，我国生物化学家刘思职等在免疫化学研究领域首先采用定量分析方法研究抗原抗体反应机制。,我国

19、科学家对生物化学发展也有贡献,在5060年代，我国生物化学家就开始了蛋白质化学研究，系统地提出了蛋白质折叠与酶活性调节的理论。1965年，中国科学院生物化学研究所、有机化学研究所和北京大学的科学家首先采用人工方法合成了具有生物活性的牛胰岛素.在1981年，又合成了酵母丙氨酸tRNA。20世纪末21世纪初，我国的科学家继续活跃在生物化学、HGP和蛋白质组学研究领域。,我国生物化学的开拓者吴宪教授,蛋白质研究领域内国际上最具有权威性的综述性丛书Advances in Protein Chemistry第47卷（1995年）发表了美国哈佛大学教授、蛋白质研究的老前辈J.T.Eddsall的文章“吴宪

20、与第一个蛋白质变性理论（1931）Hsien Wu and the first Theory of Protein Denaturation(1931)”，对吴宪教授的学术成就给予了极高的评价。该卷还重新刊登了吴宪教授六十四年前关于蛋白质变性的论文。一篇在1931年发表的论文居然在1995年仍然值得在第一流的丛书上重新全文刊登，不能不说是国际科学界的一件极为罕见的大事。,1940年，我国生物化学家刘思职发现抗体、抗原反应存在定量关系。,刘思职,三、生物化学与药学,药学科学新发展：“以生物学和化学相结合为主体的新模式”生物化学药物药物化学近代药理学生物药剂学制药工业,沈同、王镜岩主编，生物化学。高等教育出版社出版.童坦君:生物化学。北京:北京大学医学出版社.2003.周爱儒:生物化学(第5、6版)。北京:人民卫生出版社.生命的化学（中国生物化学与分子生物学学会主办，上海）国外医学 分子生物学分册（武汉）,参考书,