生物化学(新形态教材)

**章　绪论 **节　生物化学的研究内容 生物化学（biochemistry）是研究生物体中化学进程的一门学科，简称为“生化”。虽然生物体存在大量不同的生物分子，但实际上大多数复合物分子（称为聚合物）是由相似的亚基（称为单体）结合在一起形成的。每一类生物聚合物分子都有自己的一套亚基类型，如蛋白质由22种氨基酸组成，脱氧核糖核酸（DNA）由4种核苷酸构成。生物化学研究集中于重要生物分子的化学性质，着重于酶促反应的化学机制。 生物化学的研究对象是有生命的生物体（包括动物、植物及微生物等），按研究对象分类，可以分为动物生物化学、植物生物化学及微生物生物化学。若以生物不同进化阶段的化学特征为研究对象，则称为进化生物化学或比较生物化学。若以生理为研究对象，则称为生理化学。此外，根据不同的研究对象和目的，生物化学还可分为多个分支，如农业生物化学、工业生物化学、微生物生物化学、医学生物化学等。 生物化学是生物学与化学的一个分支学科，主要应用化学的理论和方法研究生物体的化学组成及生命活动过程中的一切化学变化，即生物体的分子结构与功能、物质代谢与调节及其在生命活动中的作用，从分子水平上揭示生命的奥秘。因此，学习生物化学的主要任务有以下3个方面。 一、研究生物体的物质组成、结构及性质 生物体的化学组成非常复杂，从无机物到有机物，从小分子物质到生物大分子。除了水和无机盐外，活细胞主要由各种有机物构成，包括蛋白质、核酸、多糖、脂肪及其他复合物。22种编码氨基酸是构成蛋白质的基本结构单位或构件分子，也参与许多其他结构物质和活性物质的组成，5种碱基［包括2种嘌呤（腺嘌呤、鸟嘌呤）和3种嘧啶（胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶）］、2种单糖（葡萄糖和核糖）、脂肪酸（甘油和胆碱）及上述前体物质组成了生物体的4大类基本物质：糖、蛋白质、核酸和脂质。除了这4类生物大分子外，还有有机酸、酶、维生素、激素、生物碱及无机离子等物质，它们都是生物体各种生命活动的物质基础。 二、研究生物体的新陈代谢过程及调控 新陈代谢是生物活动的基本特征。新陈代谢又称为物质代谢，是生物与周围环境进行物质交换和能量交换的过程，分为3个阶段：①消化吸收；②中间代谢过程，包括合成代谢、分解代谢、物质互变、代谢调控、能量代谢等；③排泄阶段。 三、研究遗传信息的表达 生物性状之所以能延续不断，是以核酸和蛋白质为物质基础。经过复制，DNA分子的某一区段将亲代细胞所含的遗传信息忠实地传给两个子代细胞。在子代细胞的生长发育过程中，遗传信息经转录传递给RNA，再由RNA经过翻译转变成相应的蛋白质多肽链上的氨基酸序列，由蛋白质执行各种生物学功能，使后代表现出与亲代极其相似的遗传特征。 第二节　生物化学的形成与发展 在尿素被人工合成之前，人们认为非生命物质的科学法则不适用于生命体，并认为只有生命体才能产生构成生命体的分子（即有机分子）。直到1828年，化学家Friedrich W.hler用无机物氰酸铵成功合成尿素，才证明有机分子也可被人工合成。 生物化学研究始于1833年，Anselme Payen发现了**个酶—淀粉酶。1896年，Eduard Buchner阐释了一个复杂的生物化学进程—酵母细胞提取液中的乙醇发酵过程。1882年就已经有人使用“生物化学”（德语biochemie，希腊语biochēmeia）这一名词，但直到1903年德国化学家Carl Neuberg使用后，“生物化学”这一词才被广泛接受。随后生物化学不断发展，特别是20世纪中叶以来，各种新技术的出现（如色谱、X射线晶体学、核磁共振、放射性同位素标记、电子显微学及分子动力学模拟等），促进了生物化学的极大发展。同时，这些技术使得研究许多生物的分子结构和细胞代谢途径（如糖酵解和三羧酸循环）成为可能。 生物化学史上具有重要意义的历史事件是发现基因和它在细胞中传递遗传信息的作用。在生物化学中，与之相关的部分常被称为分子生物学。20世纪50年代，James Watson、Francis Crick、Rosalind Franklin和Maurice Wilkins共同解析了DNA双螺旋结构，并提出DNA与遗传信息传递之间的关系。George Wells Beadle和Edward Lawrie Tatum因为提出“一个基因产生一个酶”假说而获得1958年的诺贝尔生理学或医学奖。1988年，Colin Pitchfork成为**个以DNA指纹分析结果作为证据而被判刑的谋杀犯，DNA技术使得法医学得到了进一步发展。2006年，Andrew Fire和Craig C. Mello因为发现RNA干扰现象对基因表达的沉默作用而获得诺贝尔生理学或医学奖。 生物化学有3个主要分支：①普通生物化学，主要研究动植物中普遍存在的生化现象；②食品生物化学，主要研究食品的结构、组成、特性及其在加工、贮运中的生物化学过程；③人类或医药生物化学，主要关注与人类和人类疾病相关的生化性质。 第三节　近代生物化学在农林领域的发展与应用 生物化学对其他各门生物学科的深刻影响，首先体现在与其关系比较密切的细胞学、微生物学、遗传学、生理学等领域。对生物高分子结构与功能的深入研究，揭示了生物体物质代谢、能量转换、遗传信息传递、光合作用、神经传导、肌肉收缩、激素作用、免疫和细胞通信等许多奥秘，使人们对生命本质的认识跃进到一个崭新的阶段。生物学中一些看似与生物化学关系不大的学科，如分类学和生态学，却在探讨世界食品供应、人口控制、环境保护等社会性问题时都需要从生物化学的角度加以考虑和研究。此外，生物化学作为生物学和物理学之间的桥梁，将生命世界中所提出的重大而复杂的问题展示在物理学面前，产生了生物物理学、量子生物化学等边缘学科，从而丰富了物理学的研究内容，促进了物理学和生物学的发展。生物化学是在农业、林业和畜牧业等生产实践的推动下成长起来的，反过来，它又有效促进了这些行业生产实践的发展。 一、农业 近年来，生物化学的方法与技术不断创新，已被广泛应用于农业生产。我国属于农业生产大国，农业生产技术的创新是农业发展的必然趋势。生物化学在农业生产的作物栽培、农作物品种鉴定、作物优良育种、土壤农业化学处理、植物生长机制、次生代谢产物生成、豆科植物的病害防治技术等多方面都有广泛应用，农业生产也越来越离不开生物化学技术的支撑。生物化学技术增强了农业生产的现代化、有利于提高农业生产的质量，还可以与基因技术相结合，培育新的作物品种、实现粮食作物的固氮等。 农业生产的发展离不开化肥、农药等化学产品的使用，大量使用化肥、农药虽然能够在一定程度上增加农作物的产量，但同时也对生态环境造成一定污染。某些化学农药还会通过作物进入食物链，从而影响人们的身体健康。而生物化学的有效利用，可以将残留在农作物中不容易被降解的有害化学物质进行分解。例如，在化学杀虫剂的使用过程中，有80%以上的氯代烃类药物滞留在作物细胞内，氯代烃类药物不会被植物细胞分解，所以会一直存在于生态链中。利用微生物可以有效地对这类物质进行分解，通过矿化作用将植物体内的农药残留物质逐步分解为二氧化碳和水，这种微生物降解农药有害物质的方法将农药变为农业生产过程中可以进行代谢的中间产物，一般不会有其他不良作用的产生。在生物农药的开发应用上也离不开生物化学技术的应用，如鱼藤酮的开发应用、应用生物技术手段开展转Bt基因作物的研究与应用等。 二、林业 林业是生态文明建设的主体和基础，也是国民经济发展中的重要内容，对推动国民经济健康发展具有重大促进作用。林业的发展也是建立在生物化学的技术创新和进步的基础上，如生物化学在林业育苗栽培技术、病虫害防治、生物多样性保护、气候变化、森林治理等多方面均有广泛运用。自然系统与人类活动的互动愈加密切，林业研究不再只关注森林生态系统，而是探索人与自然的关系，这一重要转向成为林业科学与政策科学相互融合的“催化剂”。 林业害虫经常被形象地比喻为“无烟的森林火灾”，足以反映其对森林资源的危害。TIT法就是针对防治有害生物设计的，它具有目标准确、持续可控和高效的特点。TIT法，即诱捕（trap）、接菌（inoculated-pathogen）、传染（transmission），是通过使用引诱剂诱捕有害生物，通过使有害生物身体粘染微生物农药并携带微生物农药进入其群体生活空间，互相感染，*终达到防治目的。还可以更换TIT法中的微生物农药，如换为兴奋剂，使害鼠和兔烦躁，造成害鼠和兔的伤亡；或更换为性兴奋剂＋不孕剂，目标害虫疯狂寻找异性交配而不能正常产生后代，使目标害虫密度降低到安全水平。 三、畜牧兽医 我国是畜牧养殖大国，同时也是动物源食品生产和消费大国。畜牧业是农业和农村经济的重要组成部分，关系到粮食安全、食品安全、节能减排、劳动力就业、国际贸易等国家经济、政治的各个方面，是引领中国农业实现现代化和可持续发展的基础性和战略性产业。生物化学在繁育技术、疫病防控技术、饲养选种、饲养方式、饲料营养、畜禽养殖污染处理、草地生态系统等方面均有广泛运用。 我国畜牧业发展迅速，规模化、集约化、工厂化程度极大提高，与此同时，养殖场重大疫病防控技术也引起了越来越多人的重视。例如，禽流感是严重危害养禽业和公众健康的重要动物源性传染病之一，禽流感疫情多次影响我国，每次疫情暴发对当地的家禽养殖业都会造成相当大的经济损失，严重威胁我国的公共卫生安全，同时也给我国禽类产品的出口贸易带来打击。应用生物化学技术可以分析禽流感病毒的病原学、流行特征及检测方法，再根据其特性研发疫苗，可构建养殖场生物安全体系、做好消毒灭源免疫工作，结合加强疫情监测和完善疫情上报制度等方式综合防控禽流感。再如，饲料中霉菌毒素的污染已经大大影响了奶牛养殖业的发展及人类健康，引起人们的高度重视。目前，防止饲料被霉菌污染及降低饲料中霉菌毒素的含量是饲料行业亟待解决的难题。通过生物化学手段可以研究霉菌污染饲料的机制、找出恰当的毒素降解方法来降低饲料中霉菌毒素的含量，从而更好地保证家畜及人类的健康。 目前，生物化学虽然在各个领域都取得了显著成果，但是在技术创新上仍然需要科研人员的潜心研究，通过进一步完善与推广，可使生物化学为更多的领域提供支持，从而发挥*大价值。 **节　概述 核酸的发现已有100多年的历史。1868年瑞士外科医生Miescher首次从脓细胞中分离出核酸，当时称之为“核素”。1889年德国病理学家Altmann创造了“核酸”这一名词。1919年美籍俄罗斯医生和化学家Phoebus Levene首先发现了单核苷酸的磷酸盐、戊糖和含氮碱基3个主要成分。1928年，英国细菌学家发现肺炎双球菌的转化现象，证明了遗传物质的存在。1929年，Phoebus Levene发现了核苷酸的基本结构。1944年，美国细菌学家Avery等通过肺炎双球菌转化实验证明DNA是遗传物质。1953年Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型，*终阐明DNA分子的结构特征。DNA双螺旋结构模型的确立为遗传学研究进入分子水平奠定了基础，成为现代分子生物学的重要里程碑。 核酸（nucleic acid）在细胞内主要行使储存、传递和表达遗传信息的功能，在生命活动中具有非常重要的作用，是分子生物学研究的重要内容之一。核酸可分为核糖核酸（ribonucleic acid，RNA）和脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）。DNA是细胞主要遗传物质，是生物遗传信息的储存和携带者；RNA主要参与遗传信息的传递与表达过程。细胞内还有一些以游离形式存在的核苷酸及其衍生物，它们也具有重要的生物学功能。 在真核细胞中，DNA主要集中在细胞核内，与蛋白质组合成染色体（chromosome）；线粒体和叶绿体也有各自