第一章食品生物化学 绪论
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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@
课程简介：
* 专业基础课（48学时，4学时×12周） * 期末考试－闭卷笔答 * 成绩计算－期末×70％＋平时×30％
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
小行星碰撞 岩浆海 地壳形成 第一场大雨 天空放晴
46 亿年前
地球上的水分是由殒石带来的
38 亿年前
牛顿杂志 (1994) 第 132 期, p.37
H H
6
H
由基本小分子到单位小分子
C
H
7
H
N
H
H
基本小分子
单位小分子
O
H
H
氦
2 He
n+ + n
氢
1 H
第二层轨道 2s 2p x,y,z (4e-)
电子从C2转移到C 1
4、基团转移反应激活了代谢中间体
(离去基团: ADP)
(亲核体)
亲核取代
5、缩合形成生物聚合物
可与H2O再次 亲核取代
3.2 极性溶剂
冰中氢键
醇
酮
多肽
DNA互补碱基
生物系统中常见的氢键
水：氢键不断断裂与形成
水溶性 载体蛋 白：肌 红蛋白、 血红蛋 白；CO2 形成 H2CO3
詹姆斯·沃森（James D. Watson）
Hamilton O. Smith
Daniel Nathans
Werner Arber
-
-
+
H-H
公式
强酸
[A ] pH = pKa + log [AH]
HCl
Cl + H
-
+
pH：弱酸与弱碱的电离
酸碱反应异常迅速 水合氢离子H3O+
质子跳跃
溶质对pH值的影响：1、强酸/碱－完全解离
2、弱酸/碱－部分解离－解离常数（Ka / pKa）
如 何 推 导 公 式
Ka = logKa=
lp
-
lp 永 久 的 偶 极 性
O 3.5 N 3.0
C 2.5 H 2.1
R
官能团
O
+
由各种原子所组合成的官能基， 因为原子间阴电性的不同，造成 官能机的极性大小不同，反应性 也有所差异。
水分子的极性 ● 水的介电常数 ● 水分子间的氢键 ● 水与 pH 的关系 ●
氢与氧的悬殊阴电性造成氢的解离 3.5
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
(a) microscopic complexity
(b) energy comsumption, food chain
RNA
DNA
RNA 经演化得指导 蛋白质合成之能力
RNA
Proteins
最后形成目前的细胞模式
DNA 取代 RNA 成为遗传物质 RNA 专司蛋白质的合成
DNA
ribosome cap 5’
DNA
5’ process 3’ mRNA mature mRNA 3’ tail proteins
mRNA
1890－1902 Fischer（德）首次证 明了蛋白质是多肽；发现酶的专一 性，提出并验证了酶催化作用的 “锁-匙”学说；合成了糖及嘌呤。 1902年获诺贝尔奖。
生物化学的创始人埃米尔·费舍尔（Emil Fischer）
1937年 Krebs（英） 发现三羧酸循环， 1953年获诺贝尔奖。
汉斯·克雷勃斯（Hans A. Krebs）
[A-] [H+] [AH] [A-] log[H+] [AH] [A-]
(1) Ka 的定义 (2) 两边取 log 分解右边 log
logKa= log[H+] + log [AH] -log[H+] = -logKa+
[A-] log [AH]
(3) 移项
pH = pKa +
[A-] log [AH]
(c) reproduction
地球上所有的故事是这样开始 … 135 亿年前
大 爆 炸
牛顿杂志 (1994) 第 132 期, p.20
10-44 sec
大爆炸
10-34 sec
大浑沌
10 万年
宇宙放晴
135 亿年
现在的宇宙
肥皂泡模型
牛顿杂志 (1994) 第 129 期, p.116
地球早期演进的重要关键
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@
课程简介：
* 专业基础课（48学时，4学时×12周） * 期末考试－闭卷笔答 * 成绩计算－期末×70％＋平时×30％
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
小行星碰撞 岩浆海 地壳形成 第一场大雨 天空放晴
46 亿年前
地球上的水分是由殒石带来的
38 亿年前
牛顿杂志 (1994) 第 132 期, p.37
H H
6
H
由基本小分子到单位小分子
C
H
7
H
N
H
H
基本小分子
单位小分子
O
H
H
氦
2 He
n+ + n
氢
1 H
第二层轨道 2s 2p x,y,z (4e-)
电子从C2转移到C 1
4、基团转移反应激活了代谢中间体
(离去基团: ADP)
(亲核体)
亲核取代
5、缩合形成生物聚合物
可与H2O再次 亲核取代
3.2 极性溶剂
冰中氢键
醇
酮
多肽
DNA互补碱基
生物系统中常见的氢键
水：氢键不断断裂与形成
水溶性 载体蛋 白：肌 红蛋白、 血红蛋 白；CO2 形成 H2CO3
詹姆斯·沃森（James D. Watson）
Hamilton O. Smith
Daniel Nathans
Werner Arber
-
-
+
H-H
公式
强酸
[A ] pH = pKa + log [AH]
HCl
Cl + H
-
+
pH：弱酸与弱碱的电离
酸碱反应异常迅速 水合氢离子H3O+
质子跳跃
溶质对pH值的影响：1、强酸/碱－完全解离
2、弱酸/碱－部分解离－解离常数（Ka / pKa）
如 何 推 导 公 式
Ka = logKa=
lp
-
lp 永 久 的 偶 极 性
O 3.5 N 3.0
C 2.5 H 2.1
R
官能团
O
+
由各种原子所组合成的官能基， 因为原子间阴电性的不同，造成 官能机的极性大小不同，反应性 也有所差异。
水分子的极性 ● 水的介电常数 ● 水分子间的氢键 ● 水与 pH 的关系 ●
氢与氧的悬殊阴电性造成氢的解离 3.5
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
(a) microscopic complexity
(b) energy comsumption, food chain
RNA
DNA
RNA 经演化得指导 蛋白质合成之能力
RNA
Proteins
最后形成目前的细胞模式
DNA 取代 RNA 成为遗传物质 RNA 专司蛋白质的合成
DNA
ribosome cap 5’
DNA
5’ process 3’ mRNA mature mRNA 3’ tail proteins
mRNA
1890－1902 Fischer（德）首次证 明了蛋白质是多肽；发现酶的专一 性，提出并验证了酶催化作用的 “锁-匙”学说；合成了糖及嘌呤。 1902年获诺贝尔奖。
生物化学的创始人埃米尔·费舍尔（Emil Fischer）
1937年 Krebs（英） 发现三羧酸循环， 1953年获诺贝尔奖。
汉斯·克雷勃斯（Hans A. Krebs）
[A-] [H+] [AH] [A-] log[H+] [AH] [A-]
(1) Ka 的定义 (2) 两边取 log 分解右边 log
logKa= log[H+] + log [AH] -log[H+] = -logKa+
[A-] log [AH]
(3) 移项
pH = pKa +
[A-] log [AH]
(c) reproduction
地球上所有的故事是这样开始 … 135 亿年前
大 爆 炸
牛顿杂志 (1994) 第 132 期, p.20
10-44 sec
大爆炸
10-34 sec
大浑沌
10 万年
宇宙放晴
135 亿年
现在的宇宙
肥皂泡模型
牛顿杂志 (1994) 第 129 期, p.116
地球早期演进的重要关键