生物化学知识点汇总(王镜岩版)

生物化学知识点汇总(王镜岩版)

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生物化学讲义（2003）

孟祥红

绪论(preface)

一、生物化学(biochemistry)的含义：

生物化学可以认为是生命的化学(chemistryoflife)。

生物化学是用化学的理论和方法来研究生命现象。

1、生物体是有哪些物质组成的？它们的结构和性质如何？容易回答。

2、这些物质在生物体内发生什么变化？是怎样变化的？变化过程中能量是怎样转换的？（即这些物质在生物体

内怎样进行物质代谢和能量代谢？）大部分已解决。

3、这些物质结构、代谢和生物功能及复杂的生命现象（如生长、生殖、遗传、运动等）之间有什么关系？最复

杂。

二、生物化学的分类

根据不同的研究对象：植物生化；动物生化；人体生化；微生物生化

从不同的研究目的上分：临床生物化学；工业生物化学；病理生物化学；农业生物化学；生物物理化学等。

糖的生物化学、蛋白质化学、核酸化学、酶学、代谢调控等。

三、生物化学的发展史

1、历史背景：从十八世下半叶开始，物理学、化学、生物学取得了一系列的重要的成果（1）化学方面

法国化学家拉瓦锡推翻“燃素说”并认为动物呼吸是像蜡烛一样的燃烧，只是动物体内燃烧是缓慢不发光的

燃烧——生物有氧化理论的雏形

瑞典化学家舍勒——发现了柠檬酸、苹果酸是生物氧化的中间代谢产物，为三羧酸循环的发现提供了线索。

（2）物理学方面：原子论、x-射线的发现。

（3）生物学方面：《物种起源——进化论》发现。

2、生物化学的诞生：在19世纪末20世纪初，生物化学才成为一门独立的科学。

德国化学家李比希：

1842年撰写的《有机化学在生理与病理学上的应用》一书中，首次提出了新陈代谢名词。另一位是德国医生霍佩赛勒：

1877年他第一次提出Biochemie这个名词英文译名是Biochemistry(orBiologicalchemistry)汉语翻译成

生物化学。

3、生物化学的建立：

从生物化发展历史来看，20世纪前半叶，在蛋白质、酶、维生素、激素、物质代谢及生物氧化方面有了长足

进步。成就主要集中于英、美、德等国。

英国，代表人物是霍普金斯——创立了普通生物化学学派。

1929年他和荷兰的艾克曼因发现维生素而获得诺贝尔生理和医学奖。后来又发现了色氨酸和谷胱甘肽。

德国，在以下几个方面的成就：糖和嘌呤类物质、血红素、叶绿素、糖原——乳酸循环、维生素D、细胞呼

吸等都荣获了诺贝尔化学和生理学。

美国，这一时期在留德的美国学者的推动下，他们在营养与卫生工作方面的研究较为突出。

4、发展中的生物化学

从上世纪50年代至今，生物化学进入了飞速发展阶段。

A、主要成就有：

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（1）酶的结晶：1926年Sumner发表了他第一次成功结晶了脲酶，随后Northrup制得了胃蛋白酶和胰蛋白酶结

晶，开辟了酶学研究的新领域。

（2）代谢途径的阐明：

30年代阐明了糖酵解途径；

1937年Krebs发现三羧酸循环获1953年诺贝尔生理学或医学奖。

目前，糖、脂肪、蛋白质及氨基酸的代谢途径基本阐明。

当前努力的方向为代谢调控。

（3）生物能研究的发现：

50年代以来阐明了：

ATP是能量代谢能的产生和利用的关键化合物。

提出了氧化磷酸化和呼吸链的理论，建立了生物能学。

B、这个时期生物化学发展的几个特征：

首先是物理学家、化学家以及遗传学家参加到生物化学的领域中来；

其次是研究方法有突破性改进；

通讯交流方面：各类科学期刊增多，以及计算机的存储、网络的普遍使用,使信息的传递变得更为方便快捷。

物理学家、化学家、遗传学家等参加了生物化学的领域中来：

在蛋白质方面：

两位英国物理学家将x-射线应用于蛋白质分子的高级结构研究，

肯德鲁(Kendrew)测定了肌红蛋白的结构，

(Perutz)佩鲁茨测定了血红蛋白的结构，

二人于1962年分别分享诺贝尔化学奖。

目前x-射线衍射分析已成为蛋白质与核酸高级结构研究常规方法。

美国化学家鲍林（Pauling）确认氢键在蛋白质的结构以及大分子间的相互作用中的重要性；鲍林认为某些蛋白质具有类似于螺旋的结构。

这就是我们在蛋白质一章中将要学到的α-螺旋结构。

他还研究了镰刀形红细胞贫血病，并提出了分子病的名称，因此荣获诺贝尔化学奖。Sanger――生物化学家1955年确定了牛胰岛素的结构，获1958年诺贝尔化学奖。

1980年设计出一种测定DNA内核苷酸排列顺序的方法，获1980年诺贝尔化学奖。

在核酸方面，最著名的莫过于DNA双螺旋结构的发现。这一成果是物理学家、化学家和生物化学家共同智慧

的结晶。

英国物理学家威尔金斯（Wilkins）1946年完成了DNAx-衍射研究。

1953年沃森与克里克在此基础上确定了DNA分子结构。

他们三人于1962年荣获了诺贝尔生理和医学奖。

由此我们可以得到一点启示:学科交叉是推动科学发展的动力之一。

加拿大细菌遗传学家艾弗里Avery与美国生物学家Macleod,Carty1944年在美国纽约洛克菲勒研究所著名

实验做了著名的转化试验，证明遗传物质是DNA

美国遗传学家麦克林托克以发现了可移动的基因获1958年诺贝尔生理奖。

Ochoa和Korngerg发现RNA和DNA生物合成机制获1959年诺贝尔生理奖。

1916年，Lwoff提出信使RNA的存在。

1960年，Jacob、Monod－－阐明了基因控制酶的生物合成，从而调节细胞的方式。

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发现操纵子（Operon）基因，能影响mRNA的合成，从而调节其他基因的功能，在微生物界Operon 普遍存在。

以上三人共获1965年诺贝尔生理或医学奖。

（2）生物化学研究方法的改进：

a.分配色谱方法的建立：

马丁与辛格发明了可用于核苷酸、氨基酸、糖、生物碱等多种混合物分离的色谱方法。

这种方法已在化学、医学和生物学中得到了广泛的应用并取得了重要进展。

b.电泳法：在糖、蛋白质、核酸等物质的分析分离方面取得广泛应用

c.离心法：在蛋白质、核酸的分离、分子量测定中有不可替代作用

d.另外还有荧光分析法，同位素示踪和电镜等。

近年来新兴的生化仪器层出不穷，这里仅列出几例，如基因扩增仪，基因合成仪，基因序列分析仪、超过

滤系统、高效层析系统、多肽序列分析、生物芯片、生物传感器等。

（3）生物化学在基础理论方面的发展——分子生物学的诞生：

学术界普遍认为1953年DNA双螺旋结构的发现是分子生物学的开端

从此人们开始在分子水平上分析纷繁复杂的生命现象。

分子生物学在近十年的发展非常迅速，只有计算机科学的发展速度能与之相比。

（4）生物化学在应用方面的发展——生物工程（生物技术）

基因工程（遗传工程）；蛋白质工程；酶工程；细胞工程；生化工程

（5）生化研究的新领域：

糖类生物化学；蛋白质化学—；信号传导机制

四、中国对生物化学的贡献：

吴宪：曾与美国哈佛医学院Folin一起首次用比色定量方法测定血糖。

吴宪与刘思职、万昕、陈同度、汪猷、张昌颖、杨恩孚、周启源等完成了蛋白质变性理论，血液的生物化学

方法检查研究，免疫化学研究，素食营养研究，内分泌研究。

王应睐，邹承鲁，钮经文，邢其毅，曹天钦，王德宝，汪猷

1987年又人工合成了具有生物活性的酵母丙胺酸转移RNA，从而使我国在核酸人工合成方面处于国际领先地

位

1．今后我们要在基础理论研究方面特别注意:

生物大分子的结构与功能

生物大分子之间相互作用

分子遗传和遗传工程

生物膜的结构与功能

激素、活性多肽及其重要的活性小分子的结构与功能

代谢调节与调控方面的研究

另一方面我们应该注意研究工、医、农、国防等各方面急需解决的问题。

2．生物化学的应用

工业领域的应用：食品工业；发酵工业及其抗生素制造业；酶制剂工业；饲料工业；生物制品工业；

皮革工业等。

在农业领域的应用：

如研究植物的新陈代谢的各种过程，便能够控制植物的发育

明确糖类、脂类、蛋白质、维生素、生物碱、芳香油以其他的化合物在植物体内的合成规律，可获得大量优

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质的各种作物。

植物新品种的培育，许多作物的遗传性状如：抗寒性、耐水性、抗病性的可以利用生化技术鉴定。

对合理贮藏食物原料、谷物、果实、蔬菜有很大意义。

提高肉类蛋白质的产量、牛乳分泌量、牛乳脂肪含量等方面有实际意义。

临床生化的诊断今天已经成为一种不可缺少的诊断的方法：

如确定血糖浓度和糖韧量曲线才能确定糖尿病的诊断是否正确；

血清中酸性磷酸酶的活力的测定可以诊断前列腺癌；

碱性磷酸酶的产品可以诊断骨癌；

血清和尿中淀粉酶的活力测定可以诊断急性胰腺炎。

生物化学对一般预防医学也很重要。增进人体的健康是预防疾病的一种积极的因素。

如何给病人以适当营养从而增进人体健康是生化的另一个重要问题。

适当营养不仅可以预防，而且还可以治疗疾病。

第一章糖类化学

第一节糖类化学概论

一、糖类的概念与分类：

㈠曾用的概念——碳水化合物：

通式Cn(H2O)m

误认为是碳与水的化合物，故称碳水化合物(carbohydrate)。

糖类的现代概念：

糖类：鼠李糖(rhamnase)C6H10O5和脱氧核糖(deoxyribose)C5H10O4

非糖的物质：甲醛CH2O、乳酸C3H6O3

有些糖类化合物：除C、H、O外，还有N、S、P，

多羟基的醛或酮及其缩聚物和某些衍生物的总称。

研究简史：

十八世纪后半叶德国化学家E,Fisher提出投影式

十九世纪二十年代中期C.S.Hudson建立了表示糖的结构、立体构形与光学性质关系的法则W.N.Hworth提出的糖的环状结构

七十年代以后——糖类化合物研究的新局面：

通过糖类的研究发现了许多新的生物合成反应与酶调节机理；

认识许多基本的生命过程：如细胞环境、细胞识别、细胞生长与分化、免疫、先天缺陷遗传病、药物的作用

等等；

生物信息的携带者糖类化合物（多糖、寡糖）是第三（核酸、蛋白质）大重要的生物高分子化合物。

㈡糖类的分类

1、单糖(monosaccharides)是最简单的糖，不能再被水解为最小的单位。

根据其所含碳原子（C）数目：丙糖、丁糖、戊糖(pentose)和已糖(hexose)等

根据其羟基（-OH）又可以分为醛糖和酮糖

2、寡糖(oligosaccharides)是有两到十分子的单糖缩合而成的，水解后产生单糖。

3、多糖(polysaccharides)是由多个单糖分子缩和而成的

如按其组成：

同多糖：相同的单糖组成；

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杂多糖：不同的单糖基组成

如按其分子有无支链：支链、直链多糖；

如按其功能的不同：结构多糖、储存多糖、抗原多糖等；

如按其分布：胞外多糖、胞内多糖、胞壁多糖之分。

4、结合糖：如果糖类化合物尚有非糖物质部分，则称为糖缀物和复合糖例如，糖肽、糖脂、糖蛋白等。

二、糖类分布及重要性：

（一）分布：

所有生物细胞质和细胞核内，含有戊糖

植物界最多：约占干重的80%，

动物：血液中含有葡萄糖、肝脏和肌肉中含有糖原、乳汁中含有乳糖

微生物中：糖约占菌体干重的10-13%。

（二）重要性

（1）水+CO2 碳水化合物

（2）动物直接或间接从植物获取能量

（3）糖类是人类最主要的能量来源

（4）糖类也是结构成分

（5）纤维素是植物的结构糖

第二节单糖(monosaccharides)

单糖的种类很多，单糖在结构上、性质上差异不少，但也有许多共同之处。

从数量上讲以葡萄糖(glucose)最多，分布也最广，其中葡萄糖结构具有代表性。

一、单糖的分子结构

（一）链状结构

1、葡萄糖链状结构的确定：

元素组成：经验式为CH2O

测定分子量：180

1）葡萄糖能被纳汞齐作用还原成山梨醇，而山梨醇是右边结构从而证明了六个碳原子连成了一条直链。

2）葡萄糖能和福林试剂（醛试剂）反应：证明其分子式中含有醛基。（-COH）

3）葡萄糖和乙酸酐反应产生五个和乙酰基之的衍生物，证明糖分子中有五个羟基。（-OH）2、葡萄糖的构型(configuration)

1）不对称碳原子的概念：

一个碳原子和四个不同的原子或基团相连时，并因而失去对称性的四面体碳，也称手性碳原子、不对称中心

或手性中心，常用C*表示。

2）构型

不对称碳原子的四个取代基在空间的相对取向。

这种取向形成两种而且只有两种可能的四面体形式，即两种构型

如甘油醛把羟基在左边规定为L-型，羟基在边右规定为D型。

甘油醛从糖的定义上判断是最简单的单糖

凡在理论上由D-甘油醛衍生出的单糖为D-系单糖，由L-甘油醛衍生出的糖为L-系单糖。

天然的单糖大多只存在一种构型，例如葡萄糖、果糖(fructose)、核糖(ribose)都是D-系单糖。

3、与链式结构相关的概念：

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镜象对映体(antipode)：两类物质彼此类似但不同它们互为镜像但不能重叠这两类结构相化合物称为一对对

映体。

2）差向异构体(epimers)：仅一个对称碳原子构型不同，二镜向非对映体的异构物称为差向异构体。

3）旋光异构现象和旋光度：当光波通过尼克梭镜时，由于尼克梭镜(nicolprism)的结构,通过的只是某一平面

振动的光波，光波其他方向的都被遮断这种称为平面偏振光。

当它通过具有旋光性质某异构物溶液时，则偏振面会向左旋转或者向右偏转。

旋光度是作是旋光物质的一种物理性质，它在一定的条件下是一个常数。（条件、温度、浓度、而波长、旋

光管的长度加以固定）

旋光度常用旋光率(specificrotation)表示。

4）手性与旋光性

旋光性与分子内部的结构有关

分子内若存在对称元素如，对称面、对称中心或四重交替之一的，都可以和它的镜像重合，没有旋光性

分子内若不存在对称元素，不能和它的镜像重合，都有旋光性。这种分子称手性分子。

手性与旋光性是一对孪生子。

5）构型与旋光方向的区别:

虽然使平面偏振光右旋（+）和左旋（-）的甘油醛分别规定为D-型、L-型。在投影式中左边为L-型、右边

为D-型。

但针对单糖结构而言，D与+、L与-并无必然联系。

例如，D-葡萄糖和D果糖的旋光方向分别为+和-，而L-葡萄糖和L-果糖的旋光方向均为-。构型与旋光方向

是两个概念

（二）环状结构

1、环状结构的提出：链式结构无法解释以下现象

1）缺少希夫反应，不能被漂白了的品红出现红色。

2）醛类能和亚硫酸钠加成反应而葡萄糖不能。

3）不能与两分子醇反应，形分子与一分子醇反应形成半缩醛。

4）存在变旋现象。

鉴于此，1893E.Fischer提出了葡萄糖的分子环状结构学说：

即C5-OH与C1CHO形成1 5氧桥

1926W.H.Hawworth修正后提出用透视式表达糖的结构。

2、单糖的α-型和β-型

环状结构中由于链内的缩醛反应第一碳原子是不对称状态，与其相连的氢亲和羟基的位置有两种可能的排列

方式，因而有两种构型。

半缩醛羟基在平面以下为α-型，在平面以上为β-型。二者互为异头体(anomer)。

3、环状结构与链状结构的关系：

二者是同分异构体，而环状结构更为重要。

在晶体状态和水溶液中绝大部分是环状结构，在水溶液中而是可以互变

（三）葡萄糖的构象(conformation)：

指一个分子中，不改变共价键的结构，仅单键周围的原子旋转所产生的原子间的空间排布。一种构象的改变为另一种构象时不要求共价键的断裂和重新形成。

葡萄糖的环状结构中各原子不同在一个平面上而折成船式和椅式两种无张力的环。

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其中以椅式主要，而船式极少。

随着温度的升高船式比例相应增加，建立两种构象间的平衡

二、单糖的性质

（一）物理性质：

1、旋光性：一切糖内都有不对称碳原子，都具有旋光性。旋光性是鉴定糖的一个重要指标。

2、甜度：各种糖的甜度不一，常以蔗糖的甜度为标准进行比较

3、溶解度：单糖分子有多个羟基，增加了他的水溶性，尤其在热水中的溶解度极大。但不溶于乙醚、丙酮等有

机溶剂。

（二）单糖的化学性质：

单糖是多羟基的醛或者酮，以上三种基团均能参加反应。

1、醛基或酮基参加的反应：

1）单糖氧化：

碱性溶液中，醛基或者酮基变成非常活泼的烯二醇，具有还原性，能还原金属离子如Cu2+等离子。

同时糖本身得以氧化成糖酸及其他产物。

例如血糖的定量测定计根据此原理。

血液中的还原糖与解已经硫酸铜共热，产生氧化亚铜糖酸于酸性的钼酸盐反应产生蓝色化合物。

蓝色的深浅同糖含量成正比

2）单糖还原：醛基和酮基被还原成醇，如：在纳汞齐的作用下生成山梨醇

3）成脎作用：醛基和酮基与苯肼、HCN、羟胺等起加合作用。

4）异构化作用：葡萄糖、果糖和甘露糖山者通过烯醇式可以互相转化。

2、由羟基产生的性质：单糖有半缩醛羟基和醇性醛基两类可以发生以下几类反应。

1）酯化反应：

生物化学上重要的糖脂是磷酸酯、是糖代谢的中间产物—活性形式

2）成苷作用：

单糖半缩醛羟基很容易与醇或酚的羟基反应失水而形成缩醛式衍生物，通称糖苷。

由于单糖有两种形式α型、β型，故有两种糖苷α和β

3）脱水作用：单糖与盐酸作用即产生脱水作用糖醛能与酚类化合物产生结构尚不明了的各种有色物质。

4）氨基化作用：单糖分之中的羟基被氨基取代称为糖胺。

自然界存在的自然界的氨基糖多以以乙酰氨基糖的形式存在如

5)脱氧作用：单糖羟基之一失去氧即成脱氧核糖如使藻类糖蛋白的成分。

第三节寡糖(oligosaccharides)

寡糖是由2-20个分子的单糖缩合而成的糖。

一、二糖：

与日常生活密切相关的二糖有蔗糖、麦芽糖和乳糖。

1、麦芽糖(maltose)：

淀粉的水解产物。谷类的种子发芽时及在消化道中被淀粉酶水解即产生麦芽糖。

民间常用大麦芽其中含有淀粉酶使淀粉水解变成麦芽糖。

二分子的葡萄糖α-D-G和α-D-G缩水按α（1-4）形成糖苷键

2、蔗糖(sucrose)：日常食用的糖主要是蔗糖。甘蔗、甜菜、胡萝卜和有甜味的果实（香蕉、菠萝等）都含有蔗

糖

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1）化学性质：无游离醛基、不具还原性。

2）物理性质：溶于水、甜度高。

3、乳糖(lactose)：由乳腺产生存在于人和动物的乳汁内。牛乳含有10%；人乳含有5-7% 乳糖是由α-D-G和β-D-L各一分子按β（1-4）糖苷键缩合失水形成的。

4、纤维二糖(cellobiose)：是纤维素的基本结构单位。迅两分子的葡萄糖按β（1-4）键型相连而成。

二、三糖：

棉籽糖(raffinose)，见于多种植物，尤其是棉籽甜菜中。于酸性共热时，棉子糖即水解生成葡萄糖和果糖

各一分子。

棉籽糖蔗糖酶果糖+蜜二糖

棉籽糖半乳糖苷酶半乳糖+蔗糖

第四节多糖(polysaccharides)

一、概述：

多糖是多个的单糖分子缩合失水而成的，分子量很大

在水中不能形成真溶液只能形成胶体

有些不溶于水，如纤维素无甜味也无还原性，有旋光，无变旋现象。

按功能分

作为动物植物骨架的原料，如食物的纤维素(cellulose)和动物的几丁质(chitin)；

作为贮藏多糖，如淀粉和糖元。在需要时可以通过生物体的酶系统的作用，分解放出多糖；具有复杂的生理功能:如粘多糖(mucopolysaccharides)、血型物质等。