1 生物化学第四版 生物化学绪论

生物化学，顾名思义是研究生物体中的化学进程的一门学科，常常被简称为生化。 它主要用于研究细胞内各组分，如蛋白质、糖类、脂类、核酸等生物大分子的结构和功能。而对于化学生物学来说，则着重于利用化学合成中的方法来解答生物化学所发现的相关问题。

绪论

• 一、生物属性与生物化学
  • 生物属性
    • 1、化学成分复杂而同一、结构错综而有序
      • ● 生物分子组织成细胞是有结构层次的，层次由低到高为：单体亚基、大分子、超分子复合体、细胞器、细胞 。
      • 【多细胞还有：组织、器官、系统、个体】
      • 单体亚基通过共价键连接聚合成生物大分子；大分子通过非共价相互作用组合成更高层级。
    • 2、利用环境的能量合物质进行自我更新
      • 新陈代谢：生物体内发生的各种酶促反应的总和或总称。中间代谢（细胞代谢）分为合成代谢（需能）和分解代谢（产能）。
      • 代谢网络受到分子、细胞和整体水平的严格调控。
    • 3、自我复制和自我装配是生命状态的精华
  • 生物化学 （概念）
    • 研究生物体（微生物、植物、动物及人体）的化学组成和生命过程中的化学变化规律的科学。
    • 生物化学是研究生命属性的化学本质的科学。
• 二、生命物质的化学组成
  • 生命物质的化学组成 ：C、H、O、N、P （根据可得性和适应性两个原则被选中）
  • （一）生命元素
    • ● 第一类元素：H、O、C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。适合性
    • ● 第二类元素：P、S；Na、Mg、Cl、Ca、K（离子形式）。 这类元素也是组成生命体的基本元素。适合性
    • ● 第三类元素：Fe、Cu、Co、Mn和Zn。是生 物体内存在的主要痕量元素（所有生物）。
    • ● 第四类元素：Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、 I、Mo、Se、Si、V、Ba、Ni等（某些生物）。
    • 组成生命体的元素组成与生物圈的元素 组成即相似又有显著差异。
    • ● C、H、O和N四种元素是根据适合性被选中的。其共同特征 : 轻，形成的键越强，具有广泛的化学结合方式，可构成各种各样的有机化合物。
    • ●含P、S的分子适于担当能量载体的角色
    • ● Cl、Ca、K、Na和Mg常以单原子离子形式存在于细胞溶胶中，主要维持细胞渗透压、离子梯度以及中和生物大分子的电荷等非专一性作用，因此可以认为这些元素是根据可得性而被选中的。
  • （二）生物分子是碳的化合物
    • 碳在成键方面的多能性是生物起源和进化过程中选择碳化合物作为细胞分子机器的主要原因。没有其他的化学元素能够像碳这样形成如此不同的大小、性状和组成的分子。
    • 有机化合物 ： 具有共价连接的碳骨架或碳主链的分子。
  • （三）生物小分子与代谢物
    • 一套是细胞中基本代谢途径通用的重要代谢物；另一套是专属某些种类的细胞或生物所特有的次生代谢物。
    • 这些小分子只有被细胞主动捕获时才能进入细胞
    • 但有专一的膜转运蛋白，可催化某些分子进出细胞。
  • （四）生物大分子及其单体亚基
    • 多聚体由小的、相对简单的前体聚合而成，这些前体分子称为单体亚基 / 构件 / 构件分子，如氨基酸、核苷酸、单糖等。
    • ● 全部生物分子归根结底都是由环境中获得的小分子前体如O2、H2O、NH3和N2组成的。
    • ● 这些构件分子经过共价缩合形成核酸、蛋白质、多 糖等生物大分子，后者借助非共价键缔合成超分子 复合物或集装体，进而组装成更大的细胞器、细胞等生物结构。
• 四、生物分子的三维结构 ： 构型与构象
  • （一）生物分子的大小
    • 生物分子的大小对其功能有很大的影响。生物分子间的相互作用是立体专一的，立体专一性通过结构互补实现。
    • 水-0.3nm；丙氨酸-0.5nm；葡萄糖-0.7nm.
  • （一）立体异构与构型
    • 1、异构
      • ① 结构异构 ：分子式相同而分子的构造不同产生的
      • ② 立体异构 ：相同结构式的分子因原子的空间排列不同引起的
        • 几何异构 / 顺反异构
          • 由于分子中存在双键或环限制了取代基团 绕键轴自由旋转造成
        • 旋光异构
          • 由于分子具有手性引起的
    • 🌟 构型 ：分子中原子的固定空间排列
    • 2、旋光性 【➕ / ➖】
      • 旋光性 / 旋光度 ：旋光物质（手性化合物）引起平面偏振光的偏振面发生旋转的能力。
    • 3、手性中心 ：具有4个不同取代基团的四面体碳原子
    • 手性与旋光性是一对孪生子
    • 4、对映体与非对映体
      • ① 对映体 ： 互为不能叠合的镜像的立体异构体。
      • ② 非对映体 ： 彼此不成镜像的旋光异构体。
      • ● 外消旋混合液 ：两个对映体的等摩尔溶液，无旋光性。
    • 5、相对构型与绝对构型
      • ● D型、L型
  • （二）构象
    • ● 构象 ：一个分子所采取的特定形态 【有时把构象看作三维结构 / 立体结构 / 空间结构 】
    • 如，乙炔 ：交叉型是优势构象，重叠型最不稳定
    • ● 生物分子的立体构象可用 X射线晶体学研究。 ● 核磁共振波谱学方法可提供三维结构信息。
  • （三）三维结构的分子模型
    • ● 透视式、骨架模型、球棍模型、空间填充模型
  • （四）生物分子间的相互作用是立体专一的
    • 蛋白质中的AA残基都是 L 型的；淀粉等多糖中的葡萄糖残基是 D 型的。
    • 【外】消旋物 ： D、L型两种手性形式的等摩尔混合物。
• 五、生物系统中的非共价相互作用
  • 离子相互作用、氢键、范德华力、疏水相互作用
  • ● 对大分子的结构和功能是关键的
  • ●生物分子主要通过弱的非共价相互作用，彼此影响，相互吸引，以行使它们的功能
• 六、水和生命
  • （一）水的结构和性质
  • （二）水是生命的介质
  • （三）溶质影响水的依数性
  • （四）水、弱酸和弱碱的电离
• 七、生命的基本单位——细胞
  • （一）生物三域——细菌、古菌和真核生物
  • （二）细胞是所有生物的结构和功能单位
  • （三）原核细胞的代表——大肠杆菌
  • （四）真核细胞含有多种膜质细胞器
• 八、生物分子的起源与进化
  • （一）最初的生物分子是通过化学进化产生的
    • 化学进化的理论、（实验室中化学进化的演示）火花放电装置、原始生物分子（30种基本构件分子）
  • （二）RNA或相关前体可能是最早的基因和催化剂
    • RNA世界说
  • （三）原始细胞的出现——生物学进化的开始
  • （四）真核细胞是从原核细胞进化来的