生物化学

安徽科技学院·生命科学学院

孙玉军 生理生化教研室

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绪论

目的与要求

让学生了解生物化学的发展简史，理解生物化学的含义、任务、主要内容及其在专业中的地位与作用，领会生物化学的学习方法，最重要的是要激发学生的学习兴趣，以利于后续课程的学习。 教学内容

1、生物化学的含义和主要研究内容。 2、生物化学的课程性质。

3、生物化学的发展史及其在各专业中的地位和作用。 4、生物化学在我国的发展史及其与各专业课之间的关系。 5、生物化学的学习方法。 重点内容

1、熟悉生物化学的含义、主要内容和生物化学发展史。 2、明确生物化学的地位和作用。 教学方法

课堂讲解。 一、生物化学的含义

生物化学是研究生物体（动物、植物、微生物）的化学组成、结构和功能，及其在生命活动中所进行的化学变化（即代谢反应）规律的一门科学，是生物学与化学相结合的基础学科。因此, 生物化学研究的对象不局限于哪种生物、哪类细胞、哪个器官或组织，而是以整个生物界所有生物细胞内所发生的各种化学事件，研究其生物化学特性，阐明这些事件的发生与消亡。它的研究对象具有普遍性和代表性。

二、生物化学的研究内容：

(1) 研究构成生物体的基本物质的化学组成、结构、理化性质、生物功能等，如

糖类化学、脂类化学、蛋白质化学、酶化学、核酸化学，这些内容称为静态生物化学。

(2) 研究物质代谢的体内动态过程及在代谢过程中的能量转换及代谢调节规律，

如糖类代谢、脂类代谢、蛋白质代谢、核酸代谢及它们之间复杂的网络关系

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等，这些内容称为动态生物化学。

(3) 各种生物大分子的结构与其功能之间的关系——功能生物化学。 (4) DNA、RNA等遗传物质的复制与传递——生命的本质 三、生物化学的课程性质

从人类基因组测序完成，生命科学的发展已经进入后基因组时代，21世纪更是生物科学的世纪，它使人类活动和生活方式发生了深刻地变化，也给农业、轻工业、医药行业等带来了重大的革新。现代生物化学主要是在分子水平上研究生物体内各种物质分子的化学本质及其在生命活动过程中的化学变化规律。人类要了解各种生物的生长、生殖、生理、遗传、衰老、抗性、疾病、生命起源和演化等现象，都需要用生物化学的原理和方法进行探讨。 因此，生物化学是各门生物学科的基础，特别是生理学、微生物学、遗传学、细胞学等传统学科的基础，在分子生物学、基因-蛋白质组学、生物信息学、结构生物学等新兴学科中占有特别重要的位置。

《生物化学》课程是我国高等农业院校生物学类和大多数非生物学类专业学生的学科基础课，是后继一系列重要课程（细胞学、蛋白质工程、基因工程等）的基础课，具有举足轻重的重要地位。 四、生物化学的地位和作用

1、生物化学在农业领域的地位与作用： （1）培育高产、优质、高抗性的作物品种

常规育种：授粉、杂交等需几代；

生化手段：利用生化的原理、方法，采用转基因技术，周期短。 光合作用和生物固氮。 （2）作物品种鉴定

常规：田间播种，观察植株形态，费时费力浪费土地资源。 生化：根据每个品种的种子有自己特定的电泳谱带直接鉴定。 （3）抗逆性鉴定

田间：逆境条件下观察形态变化。

实验室：观察细胞膜的脂质流动性和不饱和脂肪酸含量。 （4）提高农产品的附加值：

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家畜屠宰血、骨头、肉类和蔬菜加工的脚料都可加工成药品或食品添加剂。 （5）防治病虫害，农产品贮藏保鲜等

2、生物化学在工业领域的地位与作用：

酒精、啤酒、保健食品的开发、维生素C，酶（含遗传工程酶）、抗生素、植物生长激素的生产、制糖业，皮革业等也都需应用到生化的原理和方法。

3、生物化学在医药领域的地位与作用：

（1）利用生化手段诊断疾病：如：测定血糖、化验尿、化验肝功能等。 （2）认识致病机制：冠心病、脑血栓、脑溢血等是由于血液中脂类物质含量升高引起的；肝炎患者体内谷丙转氨酶、谷草转氨酶活性增强；毒蛇咬伤致死：毒液中含有磷酸二酯酶使Hb一级结构改变而溶血所致。

（3）促进生物药物研究与开发： 生化药物是一类采用生化方法从生物体尤其是中草药内分离、纯化所得并用于预防、治疗和诊断疾病的生化基本物质——氨基酸、肽、蛋白质、酶与辅酶、多糖（粘多糖类）脂质、核酸及其降解产物。这些物质成分均具有生物活性或生理功能，毒副作用极小，药效高而被服用者接受。生化药物在制药行业和医药上占有很大比重。

4、生物化学在环境保护中的地位和作用：环境污染、水质的净化需要引用低成本的生物处理，如筛选良好的微生物菌株或其发酵产物对污染物进行降解。海洋资源的保护开发利用，都离不开生物化学及其技术的发展与革新。

5、生物化学在日常生活中的应用：烫发是头发中的二硫键被打断而后进行重新组合形成的效果；蒸馒头是利用酵母发酵的原理，香甜可口。 五、生物化学的发展简史

生物化学是20世纪初形成的一门新型学科，目前已成为自然科学中发展最快，最引起人们重视的学科之一。分为启蒙时期：1900年以前、确立与发展时期：1900-1953、现代生物化学发展时期：1953-今。 1、生物化学的发展历程

第一阶段——启蒙时期（18世纪70年代—1900年以前）：随着近代化学和生理学的发展，生物化学学科开始形成。

1877年，Hoppe-Seyler首先使用“Biochemistry”，生物化学作为一门新兴学

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科诞生。

10~1902年，Fischer(德国)首次证明蛋白质是多肽，发现酶的专一性，提出并验证了酶催化作用的“锁—钥”学说，于1902年获诺贝尔奖。

这个阶段，生物化学的主要工作是分离和鉴定了各种氨基酸、羧酸、糖类，发现了核酸，开始进行酶学研究。

第二阶段——确立与发展时期（1900-1953）：随着分析鉴定技术的进步，尤其是放射性同位素技术的应用，生物化学进入动态生物化学时期。

1926年，美国化学家J. B. Sumner首次得到脲酶结晶； 1912-1933，生物氧化得到了卓有成效的研究；

30年代，陆续得到了胃蛋白酶、胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶，从而进一步证明酶是蛋白质；

1937年，英生化学家A.Krebs提出尿素循环和三羧酸循环，1953年获诺贝尔奖；

40年代，能量代谢的提出为生物能学的发展奠定了基础；

1944年麦克劳德（Macleod）和麦卡蒂（Mccarty）发现并证明了DNA是生物遗传的信息分子；

1949年，pauling(美)指出镰刀型红细胞型贫血病是一种分子病，并于1951年提出蛋白质存在二级结构，19年获诺贝尔奖；

这个阶段，基本上阐明了酶的化学本质以及能量代谢有关的物质代谢途径。 第三阶段——现代生物化学发展时期（1953-今）：借助于各种理化技术，对蛋白质、酶、核酸等生物大分子进行化学组成、序列、空间结构及其生物学功能的研究，并发展到人工合成，创立了基因工程。

1953年，Watson、Crick提出了DNA的双螺旋模型； 1958年，Crick提出“中心法则”，1962年两人共获诺贝尔奖；

1953及1975年，Sanger分别研究出蛋白质序列和核酸序列的测定方法； 1961年，Jacob & Monod 提出了操纵子学说； 1965年，Holly排出酵母tRNAAla 的一级结构； 1966年，Nirenberg & Khorana 破译了遗传密码； 1970年，Temin和Baltimore几乎同时发现逆向转录酶；

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1972年～1973年，Berg等成功地进行了DNA体外重组；Cohen创建了分子克隆技术，在体外构建成具有生物学功能的细菌质粒，开创了基因工程新纪元。在此同时，Boyer等在E.coli中成功表达了人工合成的生长激素释放抑制因子基因；

1975年，Southern发明了凝胶电泳分离DNA片段的印迹法；

1979年，Solomon和Bodmer最先提出至少200个性片段长度多态性（RELP）可作为连接人的整个基因组图谱之基础；

1985年，Saiki等发明了聚合酶链式反应（PCR）；Smith等报导了DNA测序中应用荧光标记取代同位素标记的方法；

1985年5月，美国Santa Cruz加州大学校长R. Sinsheimer提出人类基因组研究计划，1986年8月美国科学院生命科学委员会确定由Bruce Alberts负责的15人小组起草确定这个提议的报告，联邦1987年正式开始起动这一计划；

1990年，生命科学领域的头号工程“人类基因组研究计划”正式启动。人类基因组计划与曼哈顿原子弹、阿波罗登月计划并称人类自然科学史上的3大工程；

1994年，日本科学家在《Nature Genetics》上发表了水稻基因组遗传图，Wilson等用3年时间完成了线虫（C.elegans）3号染色体连续的2.2Mb的测定，预示着百万碱基规模的DNA序列测定时代的到来；

1997年，Wilmut等首次不经过受精，用成年母羊体细胞的遗传物质，成功地获得克隆羊——多莉（Dolly）；

1998年，Renard等用体细胞操作获得克隆牛——Marguerife，再次证明从体细胞可克隆出遗传上完全相同的哺乳动物；Gene Bank公布最新人的“基因图谱98”，代表了30181条基因定位的信息；Venter对人类基因组计划提出新的战略——全基因组随机测序，毛细血管电泳测序仪启动；

1999年，Günter Blobel发现了细胞中蛋白质有其内在的运输和定位信号，并具体显示了这种信号发送过程中的分子状态，为此荣获该年度诺贝尔奖；

2000年，人类基因组“工作框架图”完成；

2001年2月，科学家们完成了人类基因组序列图。它是人体生物分子水平上的一张“解剖图”，它将成为疾病预测、预防、诊断、治疗及个体医学的参照，

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将奠定21世纪生命科学、基础医学与生物产业的基础；

2001年，Hartwell发现和研究细胞周期基因；Nurse和Hunt 分别发现调节细胞周期的关键分子周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinases, CDKs）及调节CDKs功能的因子周期蛋白；

2003年，Peter Agre 和Roderck Mackinnon发现真细胞膜水通道蛋白并描述特征；阐述了钾离子通道结构及功能机制。两者均解决了前四次诺贝尔奖获得者所遗留尚未清楚的问题。

2004年，Aaron Ciechanover、Avram Hershko、Irwin Rose突破性地发现了人类细胞如何控制某种蛋白质的过程，即人类细胞通过将不需要的蛋白标记泛素标签来了解细胞特异蛋白质出现的过程。

2006年，美国科学家Roger David Kornberg揭示了真核生物体内的细胞如何利用基因内存储的信息生产蛋白质。

20世纪中期，随着蛋白质空间结构的 X-射线解析和DNA双螺旋的发现，开始了一个崭新的生物科学时代。对遗传信息的载体核酸和生命功能的执行者蛋白质的研究成了生命科学研究的主要内容。经过生命科学工作者半个世纪的努力，生命科学已成为自然科学中最重要的学科，生命科学经历了一个由宏观到微观再到宏观，由分析到综合的时代，其基本理论和实验方法均已渗透到科学的各个领域。

2、生物化学在我国的发展

从本世纪20年始，我国生物化学家在营养学临床生化，蛋白质化学，免疫化学等方面开展了许多工作做出了许多有益的贡献。

(1) 1931年我国生物化学的开拓者吴宪教授，提出了蛋白质的变性理论。 (2) 1965年，我国首先合成了具有生物活性的蛋白质—结晶牛胰岛素。是世界上

公认的第一个具有全部生物活性的人工合成蛋白质。

(3) 1972年，用x射线衍射法测定了牛胰岛素分子的空间结构，分辨率达0.18nm。

表明我国生物大分子的X射线晶体衍射技术跨入了世界先进行列。 (4) 1979年，我国用人工方法合成了酵母丙氨酸转运核糖核酸。

近几年来，我国生化工作者在人类基因组，水稻基因组和生物工程药物的研究领域都取得了丰硕成果，其中某些研究成果已达到国际领先水平。 六. 生物化学的展望

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1、研究个体发育和整个生物体特定序列表达规律——功能基因组学。

在搞清全部染色体的全部序列、基因组的碱基长度、可能的编码蛋白质基因、编码的rRNA、snRNA和tRNA基因的模式生物体内进行基因功能的研究，并研究全部的基因中在不同生长发育期内，基因的协同表达及某一时期的全套基因表达谱。代表的方法有基因表达连续分析法（serial analysis of gene expression, SAGE）、微阵列法（microarray）、有序差异显示（ordered differential display, ODD）和DNA芯片（DNA chips）技术等。

2、以特定基因组在特定条件下所表达的全部蛋白质（specific proteome indicates the protein expressed by a genome）为研究对象，研究细胞内蛋白质及其动态变化规律——功能蛋白质组学

阐明蛋白质的动态性、时空性、可调节性，从而能够在细胞和生命有机体整体水平上解释生命现象和活动规律。代表方法有高分辨率的双向凝胶电泳、质谱、核磁共振、流式细胞仪等。

3、对DNA和蛋白质序列资料中各种类型信息进行识别、存储、分析、模拟和转输，建立由数据库、计算机网络和应用软件三大部分组成的信息库——生物信息学。

国际上已经建成以核苷酸数据库、蛋白质数据库为代表的存有各种生物信息的数据库，并开发出相应的对DNA、RNA、蛋白质等进行分析的软件。科学家们将利用生物信息学提供的有利手段研究蛋白质的性质，并预测基因的功能，为试验提供理论指导。

一系列组学的创立实现了多学科的交叉，融合，生物化学不再是“数学等于零”的学科，其内容必将在技术和理论的催生下进一步丰富和发展。

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