1、生 物 化 学,物理与化学学院,生物化学,第一章 绪论 第二章 细胞和生物膜 第三章 蛋白质 第四章 酶化学 第五章 核酸 第六章 生物氧化和生物能 第七章 代谢 第八章 生物化学过程的调控,(1) 生物化学（第二版） 张洪渊、万清海主编. 化学工业出版社，2006。 (2) 生物化学（第四版） 吴梧桐主编. 人民卫生出版社，2003。 (3) 生物化精要. 题解. 测试 朱启忠主编化学工业出版社，2006。,推荐的参考书：,(1) 定义生物化学是研究生物体中化学物质组成、结构和性质及化学物质在生命过程中的化学变化规律的科学。,第1章 绪论,1.1 生物化学的概念,(2) 研究内容,(a) 发
2、现和阐明构成生命物体的分子基础生物分子的化学组成、结构和性质；,(b) 生物分子的结构、功能与生命现象的关系；,(c) 生物分子在生物有机体中的相互作用及其变化规律。,(3) 研究方法,用无机化学、分析化学、有机化学、物理化学及物理学的理论和方法来研究生命现象的化学本质，但也与生理学、细胞学、遗传学等有着广泛的联系与交叉。,1.2 生命现象中的化学问题与现代化学发展的关系,生物化学与化学科学之间的相互渗透、相互促进，对于生物化学和化学的发展起着重要的作用。,1.3 生物体的化学组成,自然界所有的生命物体都由三类物质组成:水、无机离子和生物分子,1%,2/3,1.3.1 生物体的元素组成,组成生
3、命体的物质是极其复杂的，但在地球上存在的92种天然元素中，只有28种元素在生物体内被发现。根据各种元素的重要性和存在情况，可将其分成四类：,第一类元素：包括C、H、O和N四种元素，是组成生命体最基本的元素。这四种元素约占了生物体总质量的99%以上。更为重要的是这类元素之间能够形成稳定的共价键，如CC，CC，CC，CO，CO，CN，CN，CH，NH，OH等。,第二类元素：包括S、P、Cl、 K、 Ca、Na和Mg。这类元素同样是组成生命体的基本元素。 S是蛋白质的重要组成元素之一； P是核酸和ATP的基本组成元素，在生命遗传和生物能量转换中具有重要的意义； Ca、K、Na和Mg是生物体内存在的主
4、要无机离子。,第三类元素：包括Fe、Cu、Co、Mn和Zn。为生物体内存在的主要少量元素。主要是作为酶的辅助成分。 第四类元素：包括Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Se、Si和V等，是生物体内存在的微量元素，其功能有待深入研究。,1.3.2 生物分子,生物分子是生物体最重要的组成部分，约占生物体质量的三分之一以上，是生物体和生命现象的结构基础和功能基础，是生物化学研究的基本对象。,生物分子的主要类型包括：糖、脂、核酸和蛋白质等生物大分子以及维生素、辅酶、激素、核苷酸等。,1. 生物分子中的主要基团,2. 生物大分子基本特征,(1) 生物大分子都是由结构比较简单的小分子（结构单元
5、分子）所组成。 (a) 构成蛋白质的结构单元分子 20种氨基酸; (b) 构成核酸的结构单元分子核苷酸; (c) 构成脂的结构单元分子甘油、脂肪酸和胆碱;,生物分子中最重要的是糖、脂、核酸和蛋白质，它们是构成生命体和维持生命现象最基本的物质。,生物大分子的结构可分为两种类型 生物大分子的一级结构：构成生物分子的结构单元按不同的排列组合，形成数量庞大、结构复杂的线性或环状分子。通常将只涉及结构单元的排列顺序的结构类型称为一级结构。,(2) 生物大分子都具有非常复杂的结构,生物大分子的立体结构：生物大分子在线性或环形结构的基础上，通过分子内或分子之间的基团（包括极性、非极性和带电荷基团）相互作用，
6、可以进一步形成非常复杂的立体结构。,(d) 构成糖的结构单元分子单糖。,(3) 生物分子的手性,（a）手性分子和前手性分子,如果一个非手性分子的一个原子或基团被另一个原子或基团取代后成为手性分子，则该分子称为前手性分子。,(b) 前手性碳原子、前手性氢原子和前手性面,乙醇分子是一个典型的前手性分子。其中的亚甲基碳称为前手性碳原子。,当氢原子被氘取代后得到的是R-构型产物时，该氢原子称为前手性R-氢（pro-R-H或HR）。,当氢原子被氘取代后得到的是S-构型产物时，该氢原子称为前手性S-氢（pro-S-H或HS）。,乙醛分子的前手性面,(c)生物大分子的手性环境对前手性分子的影响,生物大分子的
7、手性环境对于生物分子的识别和相互作用具有重要的影响。,例如，酶的活性中心能够识别并结合底物分子的前手性R-基团（或re-face）或S-基团（或si-face)。,酶活性中心的手性环境对手性底物的识别和结合,(d)生物分子之间的相互作用和识别特性。,生物大分子与普通的小分子不同，生物大分子之间存在着一种特殊的、专门的相互作用，其结果是导致分子之间的相互识别和形成超分子。,1.4 生物分子的相互作用,1.4.1 生物分子之间的作用力,生物分子之间的相互作用主要是通过非共价作用力实现的。,1. 氢键,2. 正负离子之间的静电引力,3. 离域键间的电子重叠作用力,4. 疏水键分子中的非极性基团在水溶
8、液中的缔合趋势。在水溶液条件下，生物大分子中的疏水部分能够相互缔合形成疏水区。,5. 范德华力,1.4.2 分子识别和超分子,1. 分子识别,分子识别是生命现象中的一个重要特性。本质上是生物分子之间的一种特殊的、专一的相互作用结果。,受体-底物相互作用和识别,2. 生物超分子,通过分子间的相互作用(非共价键)而形成的分子聚积体称为生物超分子，又称为复合物，是生物分子相互作用和识别的一种特殊的中间过程，是许多生命现象的必需阶段。,例如酶与底物、抗体与抗原以及受体与激素之间形成的复合物，都是生物超分子形成的例子。,1.5 生物体内的水,1.5.1 水的结构和特性,1. 水分子的结构,2. 水分子的
9、特性,(1) 形成氢键,水分子与生物分子之间形成氢键会对生物分子的性质和功能产生重要的影响。,蛋白质-水氢键与蛋白质分子内氢键的竞争,(2) 水化作用,(3) 疏水缔合作用,(4) 亲核作用,在生理条件下 ，水的亲核作用比较弱，所以很多由水进行的亲核反应需要催化剂或酶的作用下进行。,1.5.2 水分子对生物大分子的结构和性质的影响,水分子对生物分子的影响主要是通过非共价作用力，如氢键、极性分子解离产生的正负离子作用、疏水缔合以及范德华力等而实现的。,水介质中生物分子的非共价作用力,1.5.3 缓冲溶液及生物体的缓冲体系,(1) 缓冲溶液,能够抵抗外加少量强酸、强碱或适当稀释而保持其pH值基本不
10、变的作用称为缓冲作用，具有缓冲作用的溶液称为缓冲溶液。,推广到一般的情况：,同理可得碱与共轭酸缓冲溶液pH值的计算公式为：,讨论：,（a）当缓冲比一定时，总浓度越大，缓冲能力越强。,（b）当缓冲溶液的总浓度一定，缓冲比越接近于1时，缓冲能力越 强；当缓冲比等于1时，缓冲能力最强；,（c）当缓冲比小于1/10或大于10时，缓冲溶液失去缓冲作用。,缓冲溶液有效的pH值范围称为缓冲范围：,缓冲溶液的选择,(a)选择适当的缓冲体系，使所配缓冲溶液的pH在所选择的缓冲体系的缓冲范围内，并尽可能与pKa接近；,(b)总浓度要适当大，一般在0.050.2moldm-3。,一般情况下，弱酸及其盐，多元弱酸的酸式盐及其次级盐，弱碱及其盐等都可以组成缓冲体系，例如：,例2 现有125 mL 1.0 mol/L的NaAc溶液，欲配制250 毫升 pH为5.0的缓冲溶液，需加6.0 mol/L的HAc溶液多少毫升？,(3) 生物体的缓冲体系及其意义,生物体内发生的生物化学过程几乎都与pH变化有关。生物体pH的微小变化都将影响许多生物化学反应的速率和方向。,更为重要的是几乎所有的生物化学过程都是在酶的催化作用下进行的，pH值可以直接影响酶分子中氢键和离子键的形成，从而激活或抑制酶的活性。,
