简单说，生物化学是生命的化学。 生物化学是用化学的理论和方法作为主要手段， 研究生物体的基本物质的结构（如 Carbohydrates, Lipids, Proteins and Nucleic acid)、性质及其生 命活动的变化规律（生命活动如：生长、生殖、代 谢、运动等）。 包括：
静态部分：生物体的化学组成、结构、功能及之间的关系 （糖、蛋白质、脂肪、核酸、维生素等） 动态部分：上述物质在体内的代谢过程（变化或反应）（ 糖代谢、脂代谢、氨基酸代谢、核酸代谢、蛋白质的生物合成 、代谢的相互关系和调控）
代谢被调节以达到平衡和经济—反馈抑制
生物信息的传递
突变与进化
DNA
共价
RNA
共价
蛋白质 共价
超分子复合物：非共价相互作 用稳定三维结构（氢键、离子 键、疏水作用、范德华力）
General
细胞与分子
● 1 生命源起 ● 2 细胞的生物化学：
2.1 2.2 2.3 2.4 进化 能量 生物信息传递 细胞结构
proteins
原核细胞
单身宿舍
真核细胞
三房两厅
细 胞 内 基 因 表 现 的 故 事
DNA
mRNA
Protein
RNase
RNA 完成转译后马上被除去
催化性蛋白质及细胞膜的出现
原始细胞膜 蛋白质催化
当环境资源减少 复制越来越困难
酶祖先?
蛋白质
细 胞 膜 的 形 成 并 不 困 难
单层脂肪膜
单层脂肪球
生物化学
董玉玮 教四A206
dongyuwei66@
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要求：
* 按时出勤 * 课上认真听讲,笔记简明扼要 * 课下及时复习,总结
什么是生物化学（Biochemistry）？
五种常见化学反应类型
1、氧化还原 2、C=C键的断裂与形成 3、内部重排 4、基团转移 5、单体间脱水缩合
1、所有氧化-还原反应均涉及电子转移
2、C=C键通过亲核取代反应断裂和形成
Nucleophile
Leaving group ATP
攻击—亲核
离去—亲电
3、单个分子内电子转移产生内部重排
疏水相互作用：促使非极性区相互聚集的力量
两性化合物在水中倾向于将亲水部分暴露在 外，而尽量将疏水部分埋于内部，形成微团， 使尽可能少的水分子有序排列。
有序水分子的释放有利于酶—底物复合物的 形成，释放的能量是酶催化力的主要来源。
范德华力是原子间的弱引力
弱相互作用对大分子的结构功能至关重要 非共价作用远弱于共价作用（102），但具有： 累积效应、不断形成与破坏的特点，很难实 现同步断裂，因此稳定！
膜
代谢中能量的产生与消耗
动态的稳态
机械和化学过程中能量的偶联
酶促进系列化学反应的发生
speed up (catalyze) reactions (1010 to 1014 fold)
RNA酶
ATP是能量代谢 通用的载体，连 接合成与分解代 谢，类似经济中 的货币。在放能 反应中“挣得/产 生”，又在吸能 反应中“花费/消 耗”。
sp3
第一层轨道 1s (2e-)
+ n+ n n + + nn +n +
Wikipedia
混 成 轨 道 sp2 + p
碳
6 C
可以在试管中模拟地球初始状态
S Miller
单位小分子
氨基酸
Gly Ala Asp
核酸碱基
A
U
C
G
碱基可能由数个 HCN 组成
甘油可能形成最早的核酸骨架
HOCH2 Base O HC4 1CH HC
Introduction
● 3 生物分子：
3.1 化学组成和化学键 3.2 水、 分子间的作用力、pH
3.1
1 3
H
4
周期表
5678
CNO
2
Everyday Science Explained (1996) p.130
为什么选择C化合物作为细胞分子的构建？
透视式
球棍模型
空间填充模型
顺反异构
双层脂肪球
(liposome)
大霹雳
基本粒子
原子
基本小分子
核酸 复制 信息
A
Central Dogma
Gly
C U
Asp Ala
G
组合
蛋白质 催化 功能
巨分子
单位小分子
真核生物的进化
线粒体和叶绿体可能起源于内共生细菌
拟核 鞭毛 菌毛 革兰氏阳性、 阴性菌
膜蛋白、信号受体、内质网（粗、光）、高尔基体、溶酶体？ 线粒体
氢键
离子相互作用
疏水相互作用
范德华力
细胞内的生物分子及离子浓度通常高于周边溶 液，如果没有阻止，在渗透压驱动下，水分子将进 入胞内，最终导致细胞溶胀（爆裂）。 阻止机制： 1、细胞壁有足够的硬度和强度抵御渗透压作用； 2、特定的细胞器（收缩泡）将水泵出胞外； 3、血浆与体液维持了与胞浆相似的渗透压，血浆中 高浓度蛋白和其它蛋白质产生较高渗透压及体液， 同时能泵出各种离子（Na+）到体液维持渗透压平衡； 4、以多糖而非单糖形式贮存防止渗透压增加太大。
手性、非手性、（非）对映异构体、立体异构体2n 外消旋混合物
RS命名、DL命名
乙烷构象：重叠式、交错式、 立体专一性
Biochemistry is precise!
The human taste receptors distinguish these two stereoisomers as sweet and bitter!
捕蝇草可以在 0.5秒的时间内 捕获昆虫， 并 分泌消化酶消 化昆虫以获得 营养。
渗透压的变化
含羞草羽状的叶 片，轻触和摇动 可使叶片很快合 拢和下垂。
阴电性对分子化学性质的重大影响
地球早期的大气成分
H2 C-C
CH4 NH3 H2O
重新看水分子结构
有机化合物
阴电性
C
C
CH3
COOH NH2
- +
弱酸与弱碱能够在细胞和组织中发挥缓冲作用以维 持pH恒定。
胞浆中的磷酸盐缓冲体系 血浆中的碳酸氢盐缓冲体系
液体环境适宜生命的存在
1780-1789 Lavoisier （法）研究“生物体内 的燃烧”，指出此类 “燃烧”耗氧并排出二 氧化碳。后人称他是生 物化学之父。
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。
液泡、叶绿体、微体：过氧化物酶体、乙醛酸循环体、溶酶体
第一章
绪论
● 1 生命起源 ● 2 细胞的生物化学：
2.1 2.2 2.3 2.4 进化 能量 生物信息传递 细胞结构
Introduction
● 3 生物分子：
3.1 化学组成和化学键 3.2 水、 分子间的作用力、pH
细胞内巨分子的特性
(1) 巨分子由单位小分子聚合成 (2) 单位小分子的序列有其意义 (3) 每一层次组合都有新的机能 (4) 越后来的组合其复杂性越高
3 2
5
HOCH2 Base O HC CH2 CH2 OH
C-OH C-OH C-OH 甘油
CH
OH OH
核糖组成核酸骨架
同时具有遗传讯息及构形的 RNA 分子
Which came first, DNA or Protein? Answer: Neither! It is RNA!
Central Dogma 的演化进程
1949 Pauling（美）指出 镰刀形红细胞性贫血是一 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
李纳斯·鲍林（Linus Pauling）
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）
pre-RNA-based systems
pre-RNA
RNA and protein-based systems
RNA
pre-RNA 被 RNA 取代
Proteins
RNA-based systems
DNA 取代 RNA 后蛋白质演化 复制 DNA 能力并可转錄 RNA Present-day cells
(4) 定义 -log 为 p
Henderson-Hasselbalch 公式
0.1mol/LNaOH滴定0.1mol/L醋酸（HAc）
弱酸及其阴离子 （共轭酸碱对）能 够构成缓冲体系。 生物体通过缓冲系 统维持pH恒定。几 乎所有生物反应都 与pH相关，H+参 与，不参与（氨基
酸、核酸）都如此。
O
H 2.1 H 2.1
电子都被氧原子抢去
HOH
[55M]
H+ +
[10-7M]
OH[10-7M]
氢离子 hydride → 氢原子 hydrogen → 质子 proton
hydride
1s
-
-
质子
+
-
+
氢原子
1
+
氢离子
H
1.008
弱酸或弱碱才可作为缓冲分子
AH
CH3COOH
Ka
CH3COO
A +- H
地球只有薄薄一层地壳是冷的