生物化学基础(第3版)

绪论 生物化学（biochemistry）是研究生物体内物质的结构、功能及生命过程中化学变化规律的一门学科，也称生命的化学（chemistry of life）。 一、生物化学的发展简史 生物化学的研究起源于18 世纪中叶，但直到20 世纪初才作为一门独立学科发展起来，1903 年，德国化学家卡尔？纽伯格（Carl Neuberg）使用biochemistry 一词，使生物化学正式成为一门独立的学科。近60 年是生物化学飞速发展的重要时期，取得了许多重大突破，生物化学成为了生命科学领域的前沿学科，也被称为生命学科的“世界语”。现代生物化学的发展分为三个阶段：静态生物化学阶段、动态生物化学阶段和分子生物学阶段。 （一）静态生物化学阶段 从1770 年到1900 年，此阶段以研究各种生物体的化学成分为主，研究这些化学成分的分离、组成及性质。这一阶段分离出多种氨基酸、甘油、柠檬酸、乳酸、尿酸、糖原、核酸、胰酶等，并对它们的化学结构进行了分析和测定。 （二）动态生物化学阶段 从1901 年到1950 年，此阶段主要研究生物活细胞内发生的各种化学变化，是生物化学蓬勃发展的阶段。这一时期分离纯化出多种酶的结晶，确定了酶的化学本质是蛋白质，搞清了糖酵解、三羧酸循环、脂肪酸的β 氧化、鸟氨酸循环等途径。在这一时期，科学家们还发现了人类的必需氨基酸、维生素和多种激素等。 （三）分子生物学阶段 从20 世纪50 年代至今，是生物化学迅猛发展的时期，衍生了一门以蛋白质和核酸的结构及基因信息传递为主要研究内容的学科——分子生物学。 在这个阶段，一方面，对物质代谢途径的研究进一步深入，同时加强了对合成代谢及代谢调节的研究，确定合成和分解代谢的网络，揭示了蛋白质合成的途径。另一方面，分子生物学方面的研究成果日新月异。20 世纪50 年代，科学家们完成了胰岛素一级结构的测序，发现了蛋白质的二级结构——α 螺旋。1953 年，沃森（Watson）和克里克（Crick）提出DNA 分子双螺旋模型学说，具有里程碑式意义，使生物化学研究进入分子生物学时代。此后，科学家们又提出了中心法则，复制、转录、翻译过程被揭示，还破译了遗传密码。1965 年，在英国科学家桑格（Sanger）对胰岛素测序的基础上，我们国家*先人工合成了结晶牛胰岛素。 20 世纪70 年代，RNA 逆转录病毒被发现，同时还发现了病毒RNA 的复制，补充了中心法则。更为重要的是重组DNA 技术的建立，使我们获得了许多基因工程产品，推动了医学工业和农业的发展。例如，转基因动物、基因敲除就是重组DNA 技术具体应用的成果。 20 世纪80 年代，核酶被发现，体外扩增DNA 的PCR 技术被发明；1990 年，人类基因组计划（HGP）正式启动。基因编辑工具的发现和使用，将给未来生物化学的研究带来新的生机。 二、生物化学的研究内容 （一）生物分子的结构和功能 生物体的化学组成纷繁复杂，除了水和无机盐，还包括糖类、脂质、蛋白质和核酸等生物分子。另外，还有游离存在的小分子有机化合物——维生素，它不参与细胞的构成。糖类、脂质、蛋白质和核酸等生物分子结构复杂，能水解成一些基本的小分子。例如，多糖水解可生成单糖，脂肪水解可产生甘油和脂肪酸，蛋白质和核酸分别水解可得到它们的基本组成单位——氨基酸和核苷酸。单糖、甘油、脂肪酸、氨基酸和核苷酸等被称为构件分子。生物体内的物质都各自承担着多种重要的生理功能，又协调合作，共同维护生物体整体的生命活动。 （二）物质代谢及调节 物质代谢是生物体内发生的各种化学变化过程的总和，也称中间代谢。生物体不停与外界环境进行着物质交换，摄入各种营养物质及水和无机盐，在体内经过一定化学变化之后，再排出代谢废物。其中，大分子物质在消化道内各种酶的催化下，分解成相应的构件分子被生物体吸收。物质代谢的同时伴随着能量代谢。物质和能量代谢共同构成生物体的新陈代谢，这是生命体*基本的特征之一。生物体体内的代谢是在严格的调控下进行的。 （三）基因信息传递 1953 年Watson 和Crick 提出DNA 分子双螺旋模型，确定了核酸在遗传学中的地位。继而科学家们又提出了遗传信息传递的中心法则，即遗传信息遵循DNA → RNA →蛋白质的方向流动，*终得到表达。 病毒的逆转录和RNA 复制过程的发现，补充并丰富了中心法则的内涵。基因表达过程的异常和疾病的产生密切相关，故基因表达的调控也成为生物化学研究的重要课题。 三、生物化学与医学各学科的关系 （一）生物化学是重要的医学基础课 生物化学是以生物学、有机化学、分析化学等为基础的一门学科，同时，它又是医学生学习微生物学、免疫学、生理学、病理生理学、药理学、药物化学、临床医学概要、内科学、外科学、生物化学检验等课程的基础。生物化学还和遗传学、细胞生物学有着千丝万缕的关系。因此，生物化学是重要的桥梁课，沟通基础和临床，是医学各专业学生学好其他专业课程的必经之路。 （二）生物化学的发展也将推动医学各学科的发展 生物化学的发展也推动了医学各学科的发展，越来越多的生物化学理论和技术被应用于临床疾病的预防、诊断、治疗。各种疾病的发病机制不断被阐明，如各种代谢紊乱病、基因缺陷病、维生素缺乏症等；体液中各种成分的测定为临床诊断提供了越来越可靠的依据。另外，随着生物化学和分子生物学的迅猛发展，基因诊断和基因治疗成为可能，间接推动了临床各学科疾病诊断和治疗技术的发展。人们关注的心脑血管疾病、恶性肿瘤、免疫性疾病、代谢疾病、神经系统疾病及遗传病等的诊断和治疗，都有望随着分子生物学技术的进步而产生新的突破。 自测题 一、名词解释 1. 生物化学　2. 生物分子 二、简答题 1. 生物化学的发展主要分为哪几个阶段？ 2. 医学生物化学的研究内容主要有哪几方面？ （晁相蓉） 第1章蛋白质的结构与功能 蛋白质（protein）是由氨基酸通过肽键相连所形成的生物大分子。其结构复杂，功能多样。蛋白质在体内含量丰富，约占人体固体成分的45%，细胞中的蛋白质可达其干重的70%，种类可达数万种。蛋白质不仅是生物体组织和细胞的重要组成成分，还具有催化、代谢调节、物质运输、运动、免疫、凝血和抗凝血等功能。除此之外，蛋白质还能氧化供能。没有蛋白质就不可能有生命。 根据形状不同，蛋白质可分为球状蛋白与纤维状蛋白两类；根据化学组成不同，蛋白质分为单纯蛋白质和结合蛋白质两类。 第1节　蛋白质的分子组成 案例1-1 目前我国奶制品质量检验中，蛋白质含量的检测是通过测得奶制品中的氮元素含量，间接换算得出的。2008 年，某品牌奶制品爆出“三聚氰胺事件”，引起轰动，导致该品牌从大众视线消失。 已知三聚氰胺结构式为 问题：商家为什么要在奶粉中添加三聚氰胺？ 一、蛋白质的元素组成 蛋白质的种类繁多，结构各异，但组成蛋白质的元素相似，构成蛋白质分子主要元素有碳、氢、氧、氮，有些蛋白质还含有硫或少量的磷、铁、铜、锌、锰、钴、钼、碘等元素。各种蛋白质含氮量很接近，占13% ～ 19%，平均为16%，这是蛋白质元素组成的特点。1g氮大约相当于6.25g（100/16）蛋白质，故6.25被称为蛋白质系数。生物组织中的氮元素绝大部分存在于蛋白质分子中，因此只要测出样品中的含氮量，就可以计算出样品中蛋白质的大约含量。公式如下： 每克样品中蛋白质的含量（g）= 每克样品含氮量（g）×6.25 考点 蛋白质元素组成特点 二、蛋白质的基本组成单位 用酸、碱或酶可使蛋白质彻底水解，得到的水解终产物是氨基酸，因此组成蛋白质分子的基本单位是氨基酸。自然界中的氨基酸有300 多种，但是构成人体蛋白质的氨基酸仅有20 种，并且它们都有相应的遗传密码，故称为编码氨基酸。 （一）氨基酸的结构特点 每种氨基酸分子中心都有一个碳原子称为α- 碳原子，分别连接一个碱性的氨基（―NH2）、一个酸性的羧基（―COOH）、一个氢原子（H）和一个侧链基团（R）。不同的氨基酸其侧链基团不同。氨基酸的结构通式如图1-1 所示。