生物化學（簡體書）

《生物化學》由先後執教於北京大學、浙江大學出版社、上海交通大學的張惟傑教授與青年學者張甯教授共同編寫完成。全書綜合參考了國內外多部《生物化學》經典教科書，以流暢的語言、生動的實例、翔實的圖表，系統介紹了多種生物分子的結構、性質和功能，闡明它們在生物體內的合成和分解代謝過程及相關代謝調控。強調從細胞生命活動的角度去理解生物化學，注重引導學生體會生物化學對其他學科專業的基礎作用。本書力求簡明扼要，抓住重點，文中配有延伸閱讀資料，作為教材的補充、拓展學習材料，可供讀者選擇閱讀（可登錄www.sciencep.com免費瀏覽下載）。《生物化學》適用於生命科學及其相關的醫藥衛生、農林、生物工程、食品、環境、輕化工等學科專業教學使用。

《生物化學》由先后執教于北京大學、浙江大學、上海交通大學的張惟杰教授與青年學者張寧教授共同編寫完成。全書綜合參考了國內外多部《生物化學》經典教科書，以流暢的語言、生動的實例、翔實的圖表，系統介紹了多種生物分子的結構、性質和功能，闡明它們在生物體內的合成和分解代謝過程及相關代謝調控。強調從細胞生命活動的角度去理解生物化學，注重引導學生體會生物化學對其他學科專業的基礎作用。

前言
第1章緒論--從分子水平理解生命
第一節生物體的元素組成
1.生物體元素組成的特徵
2.
第二節生化反應的水環境
1.
2.
3.
4.
第三節生物分子中的化學鍵
1.生物分子中常見的聯鍵方式
2.生物分子中的非共價鍵
3.非共價鍵在生命過程中的重要作用
第四節生物體的分子組成
1.四大類生物分子
2.從生物小分子到生物大分子
3.複合生物大分子
第五節生物體的新陳代謝
1.代謝反應
2.代謝途徑和代謝網絡
思考題
第2章蛋白質和酶
第一節氨基酸是蛋白質的構件分子
1.氨基酸的結構特徵
2.不常見氨基酸和氨基酸衍生物
3.氨基酸的理化性質
4.蛋白質水解和氨基酸的分離分析
第二節從氨基酸到蛋白質
1.肽鍵和肽鏈
2.一些重要的寡肽和多肽
第三節蛋白質的一級結構與高級結構
1.蛋白質結構的四個層次
2.
3.蛋白質高級結構的改變和破壞
4.蛋白質分子一級結構決定高級結構
第四節酶是生物催化劑
1.蛋白質的生物功能
2.酶促反應的特點
3.酶的化學本質
4.酶的命名與分類
5.酶的分離純化和活力測定
第五節酶促反應的機制和影響因素
1.酶促反應的機制
2.底物濃度對酶促反應的影響--米氏公式和米氏常數
3.影響酶催化反應的各種因素
第六節酶活性的調節
1.酶活性的非共價調節（noncovalentregulation）
2.酶活性的共價調節--基團修飾
3.酶活性的共價調節--酶原活化
思考題
第3章維生素與輔酶
第一節什麼是維生素
1.維生素的定義
2.維生素的分類
第二節水溶性維生素
1.維生素C
2.維生素B1--硫胺素
3.維生素B2和維生素B8
4.維生素B5--泛酸
5.維生素B6
6.生物素
7.葉酸
8.硫辛酸
9.維生素B12
第三節脂溶性維生素
1.維生素A
2.維生素D
3.維生素E
4.維生素K
第四節作為蛋白質輔助因子的金屬離子
1.金屬離子和蛋白質的結合
2.幾類重要的金屬離子
思考題
第4章糖代謝
第一節糖類化合物
1.糖的結構特徵、理化性質和生物功能
2.生物體內重要的糖類化合物
第二節單糖的分解和合成
1.單糖的分解--糖酵解途徑
2.單糖的分解--戊糖磷酸途徑（pentosephosphatepathaway）
3.單糖的合成--葡糖異生作用
4.雙糖的分解和合成
第三節多糖和糖複合物的降解和合成
1.澱粉的降解與合成
2.糖原的降解和合成
3.糖蛋白的生物合成
思考題
第5章脂代謝
第一節脂類物質的結構與功能
1.生物體內的脂類物質
2.中性脂肪
3.複合脂類--磷脂和鞘酯
4.萜類和類固醇
5.脂蛋白
第二節脂酸的分解和合成
1.脂酸的分解
2.脂酸的合成
第三節中性脂肪和磷脂的分解和合成
1.中性脂肪和甘油磷脂的分解
2.中性脂肪和甘油磷脂的合成
3.鞘脂類的合成
第四節類固醇的合成
1.IPP和DPP的合成
2.膽固醇的合成
思考題
第6章生物體的能量代謝
第一節化學反應和化學能變化的基礎知識
1.自由能和標準自由能變化
2.標準生成自由能變化和化學反應方向
3.偶聯化學反應和標準自由能變化的可加性
4.ATP是生物能量代謝的核心
第二節三羧酸循環--"燃料"有機小分子的徹底"燃燒"
1.三羧酸循環的主要步驟
2.三羧酸循環的整體評介
3.三羧酸循環是重要的代謝樞紐
第三節生物氧化
1.有機碳化物氧化
2.氧化還原電位和能量計算
3.呼吸鏈
4.氧化磷酸化
第四節光合作用
1.什麼是光合作用
2.光反應--將光能轉變為化學能
3.暗反應--CO2的固定
4.光呼吸和光合作用的多種模式
思考題
第7章氨基酸代謝和核苷酸代謝
第一節氨基酸代謝
1.氨基酸的分解代謝
2.氨基酸的合成代謝
第二節核苷酸代謝
1.
2.
3.
思考題
第8章核酸代謝
第一節大分子核酸的分子結構
1.
2.DNA和RNA的一級結構
3.DNA的高級結構
4.RNA的高級結構
第二節DNA的合成代謝
1.生物大分子合成代謝的特點
2.DNA的複製
第三節RNA的合成代謝
1.RNA指導下RNA的合成
2.DNA指導下RNA的合成
思考題
第9章蛋白質合成
第一節生物體內的蛋白質合成
1.蛋白質合成是生命活動的重要核心
2.蛋白質合成的場所
3.蛋白質合成的速度和精確度
4.遺傳密碼和反密碼子
第二節肽鏈合成的主要步驟
1.氨基酸的活化--氨醯-tRNA的生成
2.肽鏈合成的起始
3.肽鏈的延伸
4.肽鏈合成的終止
5.肽鏈合成的抑制劑
第三節蛋白質的定向輸送和翻譯後修飾
1.原核細胞合成蛋白質的定向輸送和修飾
2.真核細胞合成蛋白質的定向輸送
3.新生肽鏈的共價修飾
思考題
第10章代謝調控
第一節代謝調控的多樣性和穩定性
1.代謝反應的共同特點
2.代謝調控的不同層面
第二節代謝途徑中的酶活性調控
1.前饋調節和反饋調節
2.共價調節和非共價調節
第三節細胞分隔和物質跨膜運輸
1.細胞分隔和代謝途徑分佈
2.物質的跨膜運人胞內
3.代謝物在細胞內的跨膜運輸
第四節細胞信號傳遞
1.
2.細胞膜上受體的信號傳遞途徑
3.細胞信號傳遞網絡
第五節基因表達的調控
1.原核生物的基因表達調控
2.真核生物基因表達調控
思考題
第11章分子生物學導論
第一節分子生物學簡介
1.分子生物學定義
2.分子生物學的發展歷程
3.分子生物學主要研究內容
4.基礎分子生物學研究方法
5.分子生物學新興研究領域
第二節基因組學簡介
1.基因組學定義
2.基因組學研究內容
3.結構基因組學
4.功能基因組學
5.基因組學基礎技術
6.基因組學應用
第三節蛋白質組學簡介
1.蛋白質組學定義
2.蛋白質組學的研究內容
3.蛋白質組學的研究方法
4.蛋白質組學的應用
第四節代謝組學簡介
1.代謝組學定義
2.代謝組學研究內容
3.代謝組學研究方法
4.代謝組學的應用
思考題
參考文獻

第1章 緒論――從分子水平理解生命
生物化學（biochemistry）是生物學和化學的交叉邊緣學科，就像生物物理學、生物數學等交叉邊緣學科一樣。這些交叉邊緣學科的出現，反映出人類試圖從各個方向、不同角度入手，探索和解析生命的奧秘、正確地描述和運用生命活動的不懈努力。
生物化學是從化學的角度研究生物體的生命活動。生物化學研究的內容，可以區分為密切相關的兩個大的方面：
1.研究組成生物體的大、小分子――從生物體中將各種各樣大、小分子分離純化出來，用多種技術手段和方法表征其分子結構特征和物理化學性質，試圖理解它們在生物體內所起的作用。近代的物理化學檢測技術的發展已經有可能不經分離純化直接獲得生物樣品（如：血清、尿液）、乃至整個生物體內相關生物分子的種種信息。
2.研究生命過程中的代謝反應――從生物樣品中的不同分子的變化，了解生命過程中的化學反應，即代謝反應，并進而了解由若干代謝反應前后聯系形成的一條條代謝途徑，乃至了解整個細胞或整個生物個體內的代謝網絡。試圖理解各個代謝反應或代謝途徑在生命活動中的功能與作用，包括它們相互間的聯系和調控。
把生物學與其他幾個大學科的交叉所形成的眾多邊緣科學加以比較，生物化學處在一個很突出的位置。在過去的半個多世紀里，生物化學以其突飛猛進的勢頭，不但已經發展成為生命科學內部最為龐大、對相關學科影響最為廣泛的分支學科，而且已經成為醫學、農學、藥學、環境科學、化工、發酵工業、食品工業等眾多實用學科和工程學科的重要理論支柱。因此，在高等院校里，生物化學課不但在生命學院各個專業的課程體系中是重要的基礎課，而且在與上面提及的實用學科和工程學科相關的院校和專業中，生物化學課也通常被列為專業基礎課。
第一節 生物體的元素組成
1.生物體元素組成的特征
從元素周期表上可以看出（圖1-1），參與生物體組成的元素幾乎都集中在周期表的上部。也就是說，經過長期的進化，一些原子序數較小、原子量較輕的元素被選擇作為生物體的組成成分。
延伸閱讀資料1-1 地殼和人體的元素組成
有資料顯示，地殼表層含量最為豐富的前五位元素，依次為：氧、硅、鋁、鐵、鈣；而人體內含量最為豐富的前六位元素，依次為：氧、碳、氫、氮、鈣、磷。人體的元素組成大致反映一般生物體的元素組成。可見，以人體為代表的生物體元素組成和地殼表層元素組成大相徑庭。地殼表層含量十分豐富的硅和鋁在人體中含量極低（參見表1-1）。反之，人體中含量十分豐富的碳、氫，在地殼表層含量極少。這說明，起源于地殼表層的生物，對元素組成的選擇很嚴格。
2.常量元素和微量元素
常量元素是指生物體（人體）中含量較多的元素，也就是表1-1中左側所列出的11種元素。這11種元素的含量以體重（干重）的百分數表示。
表1-1 人體元素成分
常量元素 微量元素
元素 體重/% 干重/% 元素 含量①/mg 日推薦攝入量①/mg
C 18 .5 61 .7 Fe 4500 10～18
H 9 .5 5 .7 F 2600 0 .1 ～4
O 65 9 .3 Zn 2000 3～15
N 3 .3 11 .0 Si 24 未定
P 1 .0 3 .3 Se 13 10～200μg
S 0 .25 1 .0 M n 12 0 .5 ～5
Na + 0 .15 0 .7 I 11 40～150μg
K + 0 .4 1 .3 Mo 9 0 .15～0 .5
Mg2 + 0 .05 0 .3 Cr 6 10～20μg
Ca2 + 1 .5 5 .0 Co 1 .1 140～580μg
Cl 0 .15 0 .7 其他 Ni ，Sn ，V ，Sr ，B ，Al
①對一個標準體重（70kg ）成年人而言。
微量元素是指在生物體（人體）中含量極微的一些元素。它們在生物體中的含量用一個標準體重（70kg）成年人體內所含某元素的毫克數表示，更為方便一些。許多微量元素已被證明為人體健康所必需，人體每日需攝入一定數量，但攝入量過多也會表現毒性。
因為一般生物體總會有70%以上的含水量，除去水的分量后，更能突現出生物體組成中碳的重要地位。組成生物體的分子，基本上都是一些含碳化合物的分子。因此，有機化學中有關含碳化合物基團的知識，對于我們學習和理解生物分子很有用。
第二節 生化反應的水環境
水生生物，其身體的全部或大部分浸在水中；即使是陸生生物，其體內的生化反應都是在水環境中進行的。所以，水的特性對生命過程影響很大。仔細分析，水分子的結構與性質在好幾個方面是很獨特的。
1.水分子是極性分子
兩個氫原子和一個氧原子之間相結合的共價鍵并不是在一條直線上的，而是呈105°夾角。這就使得水分子成為相當強的極性分子，即氫氧之間共用電子對偏向氧原子核，使得氧這一側呈負電性δ-，氫這一側呈正電性δ+（圖1-2）。
圖1-2 水的特性①水的比熱高，蒸發熱高；②水是良好的溶劑；③可以按照在水里的溶解程度把物質劃分為：親水的（hydrophilic），疏水的（hydrophobic）
2.水分子之間相互形成氫鍵
極性的水分子相互之間有很強的形成氫鍵的趨勢（氫鍵在后面將會講到）。0℃水結冰時，每個水分子與周圍4個水分子共形成4個氫鍵，構成一定的晶格。高于0℃的液態水中，每個水分子與周圍水分子平均形成3.4個氫鍵。水分子之間的氫鍵處在形成與破裂的動態平衡中，使得液態水既有相當的流動性，又有較高的黏度。與此相應，在4℃時，而不是在固態時，水的密度最大。
3.水分子的解離和酸堿度
水分子可以解離成H+和OH-：-H2OH++OH
只是解離的趨勢很弱，或者說H+和OH-合成H2O的趨勢很強。所以純水中，氫離子（H+）和氫氧根離子（OH-）的濃度均為10-7mol/L。通常取氫離子濃度的負對數值（pH＝lg［H+］-1＝7）表示水的酸堿度，則純水的pH為7。
若水溶液中某種分子帶有羧基，羧基釋放H+，水中氫離子濃度升高，使pH下降，水溶液便呈酸性。若水溶液中某種分子帶有氨基，氨基吸收H+水中氫離子濃度降低，使pH上升，水溶，液便呈堿性（圖1-3）。
如果向水中加入弱酸鹽（如：乙酸鈉）便構成緩沖溶液。向緩沖溶液中滴加強酸或強堿，造成的pH下降或上升的效果，要比向純水中滴加強酸或強堿緩和得多。生命體系中pH若發生劇烈變化，會使代謝反應急速變更，危害極大。所以，細胞內和體液中的液體，實際上都是緩沖溶液系統。生理pH一般維持在7.4左右。磷酸鹽恰好在pH7.4左右緩沖能力最強。所以，血清中磷酸鹽濃度一般保持在1mmol/L左右。
4.水是良好的溶劑
對于由正負離子構成的離子化合物（如：Na+Cl-），以及對于極性分子來講（如：乙醇），水是良好的溶劑。因為極性很強的水分子容易和正離子或負離子，或者和極性分子的帶正電性基團或帶負電性基團相靠攏，在它們周圍圍上一圈水分子，使它們均勻地分散在水環境中。
兩個分別帶有正負電荷的基團之間的靜電吸引力，在水中會減弱約80倍，這個數值被稱為水的介電常數（dielectric constant）。從表1-2中可以看出，與其他溶劑相比，水的介電常數是很高的。這反映出水是極性分子的很好的溶劑。許多代謝上起重要作用的生物分子是極性分子。水的良好溶劑性質對生命活動至關重要。
表1-2 幾種溶劑的介電常數（20℃）
溶劑 介電常數 溶劑 介電常數
水 80 乙醚 4.3
甲醇 33 苯 2.3
乙醇 24 環己烷 1.9
丙酮 21.4 氫氰酸 116
氯仿 5.1
第三節 生物分子中的化學鍵
1.生物分子中常見的聯鍵方式
既然生物分子都是含碳化合物分子，C 、H 、O 、N 是生物分子中最為常見的原子，那么熟悉一下它們之間的各種聯鍵方式，以及相應的基團特征，將方便我們對生物分子的學習。
（1）碳-碳之間相連，形成生物分子的骨架，通常稱為碳架。碳-碳之間可以形成單鏈或雙鏈；可以是直鏈，也可以是環狀。處于直鏈中的兩個碳之間，若以雙鍵相連，則有順式和反式的區分。在碳鏈或碳環中，如果兩個雙鍵之間間隔一個單鍵，稱為共軛雙鍵（conjugated double bond ）。具有共軛雙鍵的化合物常有活躍的功能。
（2）除了碳-碳鍵外，碳與氫的共價鍵最為常見。處在碳鏈中間的碳原子，若未與其他原子連接，通常以―CH2―形式存在。處在碳鏈末端的碳原子，常常以甲基（―CH3）形式存在。
（3）碳―氧之間共價鍵，依據氧化程度的不同，依次為：
氧化
氧化
醇基醛基/酮基羧基（alcoholic group） （aldehyde group/ketone group ） （carboxyl group）
生物分子中這幾種基團十分常見。由醇基和羧基反應而生成酯鍵（ester bond）也很常見。倒是醚鍵（ether bond），R3C O CR3在生物分子中較為少見。由碳和氧組成的吡喃環和呋喃環在單糖分子中十分常見（參見第，4章）。
（4）碳―氮之間共價鍵，在生物分子中最為常見的是胺基，以及羧基和胺基反應生成的酰胺基。值得注意的是，兩個氨基酸分子之間，因羧基和胺基反應所生成的共價鍵，稱為肽鍵，以表明它是與通常的酰胺基有所不同的另一種共價鍵，在后面將會講到。由碳和氮組成的環狀結構，種類很多。生物分子中最為常見的有：吡啶環、嘧啶環、嘌呤環等（參見第8章）。
（5）除了C、H、O、N外，P和S也是生物體中含量較高、功能重要的元素。磷在生物分子中常常以磷酸根形式存在，最常遇到的共價鍵是磷酸酯鍵，磷酸二酯鍵和焦磷酸鍵。磷的這些共價鍵在生物體內的能量轉換中，起十分重要的作用。硫主要是以硫氫基形式存在，在一定條件下，兩個硫氫基之間可脫氫而聯成二硫鍵（disulfide bond）。雙硫鍵在蛋白質高級結構中起很重要作用。
2.生物分子中的非共價鍵
以上講到的化學鍵都是指共價鍵（covalent bond ）。由一對（或兩對、三對）共用電子對維系兩個原子之間的連接，稱為共價鍵單鍵（或雙鍵，三鍵）。除了共價鍵外，生物分子中還有非共價鍵（non-covalent bond），常見的非共價鍵有四種：離子鍵（ionic bond），氫鍵（hydroxyl bond），范德華引力（van der Waals force）和疏水鍵（hydrophobic bond）（表1-3）。
（1）離子鍵（鹽鍵）離子鍵是兩個分別帶正電荷（positive charge）或負電荷（negative charge）的基團（或離子）靠近到一定程度，因正負電荷之間的靜電引力（electrostatic force ）所形成的非共價鍵，稱為離子鍵。鹽（NaCl）晶體依賴離子鍵使Na+ 和Cl -維持在一定的晶格中，顯得十分穩定。但是在水溶液環境中，由于呈極性（polar）的水分子（上面已經提到）和其他離子包圍在兩個正、負離子周圍，使得離子鍵的靜電引力大為減弱。
表1-3 非共價鍵與共價鍵比較
化學鍵的類型 鍵長/nm 鍵能/（kJ/mol）
非共價鍵 離子鍵 0 .25 12～30
氫鍵 0 .3 13～30
范德華引力 0 .2 4～8
疏水作用 ― 12～20
共價鍵 C ― H 0 .10 414
C ― C 0 .15 343
C ― N 0 .14 292
C ― O 0 .14 351
― S ― S ― 0 .21 210
（2）氫鍵
在―OH 或―NH2基團中，由于氧或氮的原子核比氫原子核對共用電子對有更大吸引力，所以氧原子或氮原子與氫原子之間的共用電子對偏向氧原子核或氮原子核，而遠離氫原子核，這就使得―OH 或―NH2中的氫原子帶有一定的正電性，這樣的基團中的氫原子若與另一個基團中帶負電性的氧原子（或氮原子）靠近到一定程度，可以發生靜電引力，形成氫鍵。所以氫鍵通常存在于一個帶氫原子的基團，和一個吸引該氫原子的基團之間，前者稱為氫鍵供體（H-bond donor），后者稱為氫鍵受體（H-bond acceptor ）。也可以說，通過中間的氫原子把兩個基團聯在一起（圖1-5）。
參與氫鍵的原子 鍵長
OH
O 0.27nm OH
O -0.26nm OH
N 0.29nm NH
O 0.30nm N + H
O 0.29nm NH
N 0.31nm
圖1-5 氫鍵
（3）范德華力
范德華力包括斥力和引力。范德華力存在于十分靠近的兩個相鄰原子之間。范德華引力隨著兩個原子之間距離的接近而增大，呈1/r6關系。每種原子都有一定的半徑范圍，鄰近的原子若靠近到進入這個半徑范圍，便產生斥力，稱為范德華斥力。這種因原子種類不同而不同的、足以產生斥力的半徑范圍稱為范德華半徑（van der Waals radius）。