內容簡介
本書根據近幾年工科專業理論課學時數逐漸縮減的特點,並結閤生物化學與分子生物學發展的需要來編寫。本書的特點是內容少而精、基礎和前沿相結閤;以典型化工産品和藥物的應用與開發為例子,注重培養學生分析問題與解決問題的能力;強調生物化學原理在各個領域,尤其是在工業與醫藥業中的應用。
全書從整體角度,描述生命係統的特徵,構築起生物化學的基本框架,進而討論瞭生物體的分子組成、這些生物分子在生物體中的化學變化以及這些變化與各種生命現象的關係。全書共分14章,詳細、係統地講述瞭生命與水、糖類化閤物、脂類化閤物、蛋白質、核算、生物氧化、糖代謝、脂類的代謝、蛋白質的分解代謝、核苷酸的代謝、核算的生物閤成、蛋白質的生物閤成、代謝調節綜述等內容,每章附有小結和習題,並有與課程教學配套的電子教材。
本書可作為高等院校生物工程、生物技術、食品工程以及其他化學、化工類專業的教材,也可供從事生物化學科研工作的人員參考。
內頁插圖
目錄
第一章 生命與水 1
第一節 什麼是生命 1
一、化學成分的同一性 1
二、生命具嚴謹有序的結構 1
三、生命能自我繁殖 2
四、生命的繁殖存在遺傳和變異 2
五、生命會生長發育 2
六、生命需新陳代謝 3
七、生命有應激反應 3
八、生命存在進化 4
第二節 生物分子與細胞 4
一、生物分子 4
二、細胞的兩大類——原核細胞和真核細胞 5
第三節 水是生命之源 9
一、水的特性 9
二、水在生物體的分布及存在形式 10
三、水在生物體內的作用 10
四、水的化學性質 11
知識小結 13
習題 14
第二章 糖類化閤物 15
第一節 單糖 15
一、單糖的分子結構 15
二、單糖的理化性質 18
三、重要的單糖及重要的單糖衍生物 23
第二節 寡糖 26
一、二糖(雙糖) 26
二、三糖 28
三、環糊精 28
四、寡糖的一些類型和應用 28
第三節 多糖 30
一、同多糖 30
二、雜多糖 33
三、多糖的應用 36
第四節 糖復閤物 38
一、糖蛋白 38
二、蛋白聚糖 39
知識小結 40
習題 41
第三章 脂類化閤物 42
第一節 脂酰甘油類 42
一、脂肪酸 42
二、甘油 45
三、三脂酰甘油 45
第二節 磷脂類 46
一、磷脂的結構 46
二、磷脂的性質 48
三、幾種重要的甘油磷脂 50
第三節 萜類和類固醇類 52
一、萜類 52
二、類固醇類 53
第四節 前列腺素及蠟類 55
一、前列腺素 55
二、蠟 56
第五節 結閤脂類 57
一、糖脂 57
二、脂蛋白 59
第六節 生物膜的結構與功能 60
一、生物膜的化學組成 60
二、生物膜的結構 62
三、生物膜的功能 64
四、人工膜技術及應用 66
知識小結 67
習題 68
第四章 蛋白質 69
第一節 蛋白質在生命過程中的重要 作用 69
一、蛋白質的重要作用 69
二、蛋白質組成與分類 70
第二節 氨基酸 71
一、氨基酸的結構與分類 71
二、氨基酸的理化性質 74
三、氨基酸的分離分析 79
四、氨基酸的製備和應用 82
第三節 肽 84
第四節 蛋白質的分子結構 87
一、蛋白質的一級結構 87
二、蛋白質的二級結構 89
三、蛋白質的三級結構 94
四、蛋白質的四級結構 95
五、維持蛋白質分子構象的化學鍵 95
第五節 蛋白質分子結構與功能的關係 97
一、蛋白質的一級結構決定高級結構 97
二、分子構象與功能的關係 98
第六節 蛋白質的性質 102
一、膠體性質 102
二、酸堿性質 102
三、紫外吸收性 103
四、變性作用 103
五、顔色反應 104
第七節 蛋白質研究技術 104
一、蛋白質分離和純化 104
二、蛋白質的含量測定與純度鑒定 109
三、蛋白質組學研究技術 111
知識小結 112
習題 112
第五章 核酸 113
第一節 核酸的種類和生物功能 113
第二節 核酸分子的基本元件 114
一、核苷酸的基本結構 114
二、核苷酸的物理化學性質 115
三、細胞中遊離的核苷酸及其衍生物 116
第三節 脫氧核糖核酸(DNA)的結構 118
一、DNA的堿基組成 119
二、DNA的一級結構 119
三、DNA的二級結構 120
四、DNA的多種雙螺鏇構象類型 122
五、基於DNA特殊堿基順序産生的二級結構 122
六、DNA的三級結構 123
七、染色體DNA的包裝 124
第四節 核糖核酸(RNA)的結構 125
一、RNA結構的基本特徵 125
二、RNA的主要類型和功能 125
三、RNA的二級結構 126
四、RNA的三級結構和四級結構 126
五、三種主要RNA分子的結構與功能 127
第五節 核酸的物理化學性質 130
一、核酸的一般性質 130
二、核酸的酸堿性質 131
三、核酸的紫外吸收特性 131
四、核酸的沉降特性與浮力密度 132
五、核酸的變性、復性 133
六、核酸的水解 135
第六節 核酸研究技術 136
一、核酸測序技術 136
二、核酸擴增技術 138
三、核酸檢測技術 139
四、重組DNA技術 141
五、核酸-蛋白質相互作用研究技術 143
第七節 核酸類物質的製備和應用 143
一、核酸類物質的製備 143
二、外源核酸類物質的應用 145
知識小結 148
習題 148
第六章 酶化學 149
第一節 概述 149
一、生物催化劑的發現與發展 149
二、酶的命名和分類 150
三、酶的作用特性 152
第二節 酶促反應動力學 155
一、米氏方程(Michaelis-Menten方程) 155
二、影響酶作用的因素 159
第三節 酶活力測定 162
一、酶活力及其測定 162
二、酶活力單位 163
三、酶的比活力 163
四、酶活性中心的轉換數 164
五、酶活力的測定方法 164
第四節 酶的作用機製與藥物分子的設計 164
一、磺胺類藥物及磺胺增效劑 164
二、具有抗β?-內酰胺水解酶的青黴素 166
三、降高血壓新藥——血管緊張肽轉化酶抑製劑 167
第五節 寡聚酶、同工酶和固定化酶 168
一、寡聚酶 168
二、同工酶 170
三、固定化酶 170
第六節 酶的應用 171
一、蛋白酶的應用 171
二、澱粉酶的應用 172
三、酯酶的應用 173
四、縴維素酶的應用 173
知識小結 173
習題 174
第七章 生物氧化 175
第一節 生物氧化的特點和方式 175
一、生物氧化的特點 175
二、生物氧化中二氧化碳的生成方式 175
三、生物氧化過程中水的生成 176
第二節 綫粒體生物氧化體係 176
一、綫粒體的結構和功能特點 176
二、綫粒體呼吸鏈 177
第三節 生物氧化過程中能量的轉變 181
一、放能與吸能偶聯,高能化閤物 181
二、ATP的生成 182
三、氧化磷酸化的偶聯部位 183
四、氧化磷酸化的偶聯機製 183
五、影響氧化磷酸化的因素 184
六、綫粒體外NADH(或NADPH)的氧化磷酸化 185
七、高能化閤物的貯存和轉移利用 187
第四節 非綫粒體氧化體係 187
一、微粒體氧化體係 188
二、過氧化物酶體氧化體係 188
知識小結 189
習題 190
第八章 糖代謝 191
第一節 概論 191
一、能源和碳源 191
二、糖類為生物體基本營養物質 191
第二節 糖類的消化、吸收、運輸和貯存 192
一、糖類的消化 192
二、糖類的吸收 193
三、糖類的運輸和血糖 193
四、糖類的貯存 195
第三節 糖的分解代謝 195
一、糖的無氧酵解途徑 195
二、糖的有氧分解 201
第四節 糖的閤成代謝 207
一、糖異生作用 207
二、糖原的閤成作用 211
三、光閤作用 212
第五節 利用代謝調節生産發酵産品 215
一、代謝調節發酵 215
二、甘油發酵原理 215
三、檸檬酸發酵原理 216
知識小結 216
習題 217
第九章 脂類的代謝 218
第一節 概論 218
一、脂肪是生物體能量貯存的主要形式 218
二、脂肪是生物體處於特定環境時的主要能量來源 218
三、類脂是構成機體的組織結構成
分,被稱為結構脂質 218
四、脂肪氧化分解的許多中間産物可轉化為糖類和氨基酸 218
第二節 脂類的消化、吸收、運輸和貯存 218
一、脂類的消化 218
二、脂類的吸收 219
三、脂類的運輸 219
四、脂肪的貯存 220
第三節 脂肪的分解代謝 220
一、甘油的代謝 220
二、脂肪酸的分解代謝 220
三、酮體的代謝 225
第四節 脂肪酸及脂類的閤成代謝 226
一、脂肪酸的閤成代謝 226
二、脂類的閤成代謝 231
知識小結 234
習題 235
第十章 蛋白質的分解代謝 236
第一節 概論 236
一、蛋白質代謝的作用 236
二、蛋白質的需求量 236
三、蛋白質的營養價值 237
第二節 蛋白質的消化、吸收和腐敗 238
一、人體對蛋白質的消化 238
二、植物蛋白酶 239
三、微生物蛋白酶 239
四、人體對氨基酸的吸收 239
五、蛋白質的腐敗 240
第三節 氨基酸的分解代謝 240
一、氨基酸的脫氨作用 241
二、氨基酸的脫羧作用 243
第四節 氨基酸分解代謝産物的進一步代謝 244
一、體內的氨 244
二、尿素循環 245
三、氨的其他去路 249
四、α?-酮酸的代謝 249
五、一碳單位的代謝 250
六、CO2的代謝 252
七、胺的代謝 252
知識小結 252
習題 253
第十一章 核苷酸的代謝 254
第一節 核苷酸的降解 254
一、嘌呤核苷酸的分解代謝 254
二、嘧啶核苷酸的分解代謝 255
第二節 嘌呤類核苷酸的生物閤成 256
一、嘌呤核苷酸的從頭閤成 256
二、嘌呤核苷酸的補救閤成途徑 260
三、嘌呤核苷酸的相互轉變 261
四、嘌呤脫氧核糖核苷酸的生成 262
五、嘌呤類核苷酸生物閤成的抑製劑 263
六、嘌呤類核苷酸代謝紊亂性疾病 263
第三節 嘧啶類核苷酸的生物閤成 264
一、嘧啶核苷酸的從頭閤成 264
二、嘧啶脫氧核糖核苷酸的閤成 267
三、嘧啶核苷酸的補救閤成途徑 267
四、嘧啶類核苷酸閤成的抑製劑 268
五、嘧啶核苷酸代謝紊亂性
疾病——乳清酸尿癥 268
知識小結 268
習題 269
第十二章 核酸的生物閤成 270
第一節 DNA的生物閤成 270
一、DNA的復製 270
二、反轉錄 277
三、DNA的損傷與修復 277
第二節 RNA的生物閤成和加工 281
一、原核細胞RNA的生物閤成 281
二、真核細胞RNA的生物閤成 285
三、RNA指導下的RNA生物閤成 290
知識小結 291
習題 292
第十三章 蛋白質的生物閤成 293
第一節 信使RNA和遺傳密碼 293
一、信使RNA與遺傳信息的傳遞 293
二、遺傳密碼的破譯 294
三、密碼子的特性 298
第二節 翻譯相關的生物大分子 299
一、核糖體是裝配蛋白質的機器 299
二、tRNA的反密碼子譯齣mRNA的密碼子 300
第三節 蛋白質閤成步驟 302
一、多肽從N端開始閤成 302
二、原核細胞多肽閤成過程 303
三、真核細胞蛋白質閤成 305
四、多聚核糖體 306
五、多肽閤成後的輸送和加工 307
六、蛋白質的剪接加工 308
七、蛋白質分子的摺疊和分子伴侶 309
八、抗生素作用和蛋白質閤成的
關係 309
知識小結 311
習題 312
第十四章 代謝調節綜述 313
第一節 細胞水平的代謝調節 313
一、細胞結構對代謝調節的分隔控製(區域化) 313
二、酶活力的非共價修飾調節 314
三、酶活力的共價修飾調節 314
四、酶量的調節 315
第二節 激素水平的代謝調節 317
一、激素的化學本質 317
二、激素的作用特點 317
三、激素對代謝的調節 317
第三節 神經水平的調節 321
第四節 常見代謝途徑及相互影響 322
一、主要代謝途徑和調控位點迴顧 322
二、關鍵交叉位點 324
三、物質代謝的相互影響 324
四、物質代謝之間的相互聯係與轉變 325
知識小結 325
習題 326
參考文獻 327
精彩書摘
第三章 脂類化閤物
脂類化閤物也稱脂質,是生物體內一大類重要的有機化閤物,它們有一個共同的物理性質就是不溶於水,但能溶解於非極性有機溶劑(如苯、乙醚、氯仿、丙酮、酒精等)中。脂類物質在化學成分和結構上有很大的差異,本不屬於一類化閤物,而是根據脂溶性這個共同點把它們統稱為脂類。
脂類廣泛分布於一切生物體中,具有重要的生物學功能。脂類物質(主要是油脂),是機體代謝所需燃料的貯存形式和運輸形式。脂類是機體良好的能源,每剋脂肪的潛能比等量蛋白質和糖多一倍以上。
磷脂、少量糖脂和膽固醇是生物膜的重要結構組分。生物膜的許多重要特性,如流動性、通透性、高電阻性均與脂類有密切關係。在機體錶皮下的脂類有防止機械損傷和防止熱量散發等保護作用。作為細胞膜組分的脂類與細胞錶麵識彆、種屬特異性和組織免疫等生物功能有密切的關係。某些維生素和激素也是脂類物質,油脂是脂溶性維生素的溶劑,有利於這些維生素的吸收。部分脂質還具有信號分子的作用,定位在質膜上的磷脂化閤物,如磷脂酰肌醇、磷脂酰乙醇胺等是調節細胞生長發育、抗逆反應的信號轉導分子。
脂類化閤物沒有統一規定的分類方法,通常根據化學結構和分子組成特點,分為以下五類。
①單純脂類:由脂肪酸和醇類所形成的脂類化閤物,如脂酰甘油、蠟等。
②復閤脂類:分子中除醇類、脂肪酸外,還含有其他化學基團,如磷脂類、糖苷脂等。
③異戊二烯係脂類:有若乾異戊二烯碳架構成的脂類,如萜類、類固醇類等。
④衍生脂類:上述脂類物質衍生的脂質組分,如脂肪酸及其衍生物、水解産物等。
⑤結閤脂類:脂類與其他化閤物結閤,如糖脂和脂蛋白等。
前言/序言
生物化學前沿探索與應用精要 本書聚焦於當代生命科學研究的核心領域,深入剖析瞭生命體內部物質轉化與能量代謝的精微機製,並側重於這些基礎知識在現代生物技術、醫藥研發及農業科學中的前沿應用。全書旨在為高等院校生命科學、生物技術及相關工科專業的學生及研究人員提供一套兼具理論深度與實踐廣度的參考讀物。 第一部分:生命物質的結構與功能基石 本部分奠定瞭理解生命活動的基礎,詳細闡述瞭構成生命體的核心分子——蛋白質、核酸、糖類和脂類的結構特徵、理化性質及其在生命係統中的功能定位。 第一章:蛋白質的分子設計與催化藝術 本章從氨基酸的結構多樣性入手,係統闡述瞭蛋白質的一級、二級、三級和四級結構是如何協同決定其生物學功能的。重點討論瞭手性、氫鍵、疏水作用等非共價鍵在蛋白質摺疊與穩定中的關鍵作用。特彆關注瞭酶的催化機製,深入解析瞭活性位點的構象變化、底物識彆、過渡態穩定以及對反應速率的巨大影響。我們不僅探討瞭經典的Michaelis-Menten動力學模型,還引入瞭現代酶學研究中用於解析復雜酶促反應的快速動力學技術(如飛秒光譜、化學計量學等)。此外,對共價修飾(如磷酸化、泛素化)如何作為細胞信號轉導的“開關”,調控蛋白質活性與亞細胞定位進行瞭詳盡的論述。 第二章:遺傳信息的載體與錶達調控 本章聚焦於核酸——DNA和RNA的分子生物學。內容涵蓋瞭核酸的拓撲結構、堿基配對原則,以及染色質的高效包裝機製。遺傳信息如何準確復製、修復和重組是本章的重點。在基因錶達調控方麵,我們將視角從原核生物的操縱子模型擴展到真核細胞復雜的多層次調控網絡,包括轉錄因子結閤、染色質重塑(如組蛋白修飾和DNA甲基化)、RNA剪接的可變性及其對蛋白質異構體的貢獻。最後,我們探討瞭非編碼RNA(如miRNA、lncRNA)在調控基因錶達中的新興角色,揭示瞭它們在發育、衰老和疾病發生中的重要性。 第三章:碳水化閤物的能量樞紐與信息傳遞 本章超越瞭傳統上將糖類視為單純能源物質的觀點。它詳細介紹瞭單糖、寡糖和多糖的結構多樣性和功能特化。重點闡述瞭糖酵解、三羧酸循環和氧化磷酸化這條核心能量代謝通路在有氧和厭氧條件下的精確調控。更進一步,本章深入探討瞭糖鏈在細胞錶麵識彆、免疫應答(如血型決定)以及細胞間通訊中的“糖基密碼”作用,包括糖蛋白和糖脂的生物閤成路徑。 第二部分:代謝網絡的動態平衡與信號轉導 本部分將焦點從單個分子轉移到相互關聯的代謝網絡,解析細胞如何感知環境變化並作齣精確的生理反應。 第四章:脂類的結構、代謝與膜生物學 本章係統考察瞭脂肪酸的生物閤成與降解($eta$-氧化)。對復雜的脂類分子——磷脂和鞘脂的閤成及其在維持細胞膜流動性、滲透性和特定結構域(如脂筏)形成中的作用進行瞭深入分析。代謝方麵,重點討論瞭膽固醇的體內閤成、調控及其在激素閤成中的前體作用,以及脂蛋白在血液中轉運脂質的復雜機製,為理解動脈粥樣硬化等代謝性疾病的分子基礎提供瞭堅實背景。 第五章:跨膜信號轉導的復雜層級 本章是連接分子生物學與生理學的橋梁。我們詳細分類和解析瞭細胞錶麵受體(如G蛋白偶聯受體、酪氨酸激酶受體)的工作原理,以及細胞內信號放大和整閤係統。內容涵蓋瞭關鍵的第二信使係統(cAMP、$ ext{IP}_3$/DAG、$ ext{Ca}^{2+}$)的動態變化,以及下遊效應分子如MAPK級聯、$ ext{PI3K/Akt}$通路的功能。特彆強調瞭信號網絡的交叉對話與反饋抑製機製,解釋瞭細胞如何實現對刺激的特異性、強度和時程的精確控製。 第三部分:生物化學的前沿技術與應用拓展 本部分著眼於現代生物化學如何驅動技術創新,解決實際問題。 第六章:生物大分子分離與結構解析技術 本章側重於實驗室操作和結構生物學方法論。詳細介紹瞭基於電荷、質量和親和力的分離技術,如高分辨電泳、離子交換層析、分子篩層析以及親和層析的原理與優化。結構解析方麵,係統介紹瞭X射綫晶體學(從晶體製備到結構解析流程)、核磁共振波譜學(在解析溶液狀態蛋白質動力學中的應用)以及近年來飛速發展的冷凍電子顯微鏡(Cryo-EM),討論瞭這些技術如何揭示生命大分子在原子分辨率下的精細結構。 第七章:代謝工程與閤成生物學的分子工具 本章探討瞭如何利用生物化學知識來“設計”和“構建”生物係統。內容包括代謝流分析(Metabolic Flux Analysis)在優化微生物生産菌株中的應用,如何通過基因編輯工具(如CRISPR/Cas係統)對特定酶的基因進行定點改造,以提高目標産物的生物閤成效率。討論瞭利用微生物細胞“工廠”進行高價值化學品、生物燃料和新型藥物(如單剋隆抗體、重組疫苗)的規模化生産的生物工藝流程設計與優化策略。 第八章:疾病的分子生物學基礎與靶嚮治療 本章將基礎知識應用於病理生理學。重點分析瞭代謝紊亂如何引發癌癥(如Warburg效應)、神經退行性疾病(如錯誤摺疊蛋白的聚集)和炎癥反應。在藥物開發方麵,深入探討瞭基於結構的藥物設計(SBDD)的原理,如何利用酶或受體的三維結構信息,設計具有高選擇性和低毒性的新型小分子抑製劑或調節劑。討論瞭靶嚮療法中激酶抑製劑、蛋白-蛋白相互作用(PPIs)調節劑的分子作用模式。 本書特點: 理論深度與現代性結閤: 不僅涵蓋經典生化理論,更融入瞭近十年來的重大研究進展和技術突破。 應用導嚮鮮明: 每一章節均設有“前沿應用實例”欄目,將抽象的分子機製與生物製藥、分子診斷、農業生物技術等實際場景緊密聯係。 圖錶精煉準確: 輔以大量精心繪製的分子機製示意圖和網絡拓撲圖,便於理解復雜的代謝與信號通路。