基础生物化学

绪 论 就自然科学而论，没有一门科学比生命科学更复杂，更神秘，更与我们自身息息相关。长期以来，人们为探索生命付出了不懈努力，运用各种生物技术手段，从生态学、细胞生物学、遗传学、发育生物学、神经生物学、生物化学、分子生物学等各学科去研究生命现象及其本质，其中的生物化学是从分子水平研究生物体的化学组成、分子结构及内在规律的一门学科。生物化学是各门生物科学（包括应用生物科学）的基础。它的理论和方法有利于解决科学实验、生产实践中所遇到的许多问题。近代生物化学主要是在分子水平上研究生物体的化学本质及其在生命活动中的化学变化规律，若想深入了解各种生物的生长、生殖、生理、遗传、衰老、疾病、生命起源和演化等现象，需要运用到生物化学的原理和方法，因此，生物化学是各门生物学科，特别是生理学、微生物学、遗传学、细胞学等各学科的基础，在生物学中占有特别重要的位置。 生物化学又是医学、农学（包括农、林、牧、渔等）、某些轻工业（如制药、酿造、皮革、食品等）和营养卫生学等专业的基础，与人类健康和工、农业生产都有密切关系。例如，疾病的预防、治疗和诊断，以及如何供给人体以适当的营养从而满足机体新陈代谢的需要等，都离不开生物化学；某些轻工业如生物制药工业、抗生素制造工业、酿造工业、皮革工业、食品工业和发酵工业等都要应用生物化学的理论、技术和方法；还有许多植物新品种的培育、植物病虫害的防治、农药的设计、药物的设计和植物激素的应用等都要有坚实的生物化学和分子生物学的基础。为了便于今后的学习和工作，有必要学习一些*基本的生物化学知识和技术。 20世纪的生物化学发展突飞猛进，特别是20世纪50年代DNA双螺旋模型的阐明，开创了在基因水平上认识生命现象的新阶段。21世纪初，随着人类基因组全序列测定的完成，生命科学步入后基因组时代，发生了革命性的变化，为揭开生命的奥秘跨出了*关键的一步，生命的奥秘逐步被揭开，对生命的了解也不断深入，但要彻底揭示生命的奥秘，其道路依然漫长。生物化学作为生命科学的基础学科，必将发挥越来越重要的作用。 一、生物化学发展简要历程 生物化学的兴起可以追溯至较早的人类生活。早在公元前，我国的《周礼》就对发酵制酱有记载。但作为一门学科则起源于18世纪晚期，发展于19世纪，在20世纪初随着有机化学及生理学的发展，逐渐形成一门独立的学科。“生物化学”这个名词*早是在1903年由德国C. A. Neuberg首先提出的。进入20世纪后，生物化学的发展极为迅速。20世纪前30年，生物化学的研究继续侧重于生理学和化学两个方面，这时期主要分离和研究了激素、维生素，另外，还发现了人类的必需氨基酸，大大增加了对营养的了解，这一时期是营养学真正的黄金时代。 20世纪30年代前后，*突出的成果之一是酶的结晶。1926年，美国J. B. Sumner从刀豆中首次获得了脲酶的结晶，并证实酶是蛋白质。1930～1936年，J. H. Northrop等获得了胃蛋白酶、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶的结晶，并进一步证实了酶是蛋白质，此时，酶的蛋白质本质才被人们普遍接受，大大推动了酶学的发展。 20世纪40年代前后，许多生物化学家研究能量代谢，也就是研究代谢过程中能量的产生和利用，指出ATP是关键的化合物，并提出氧化磷酸化理论，为现代生物能学的研究奠定了基础。 20世纪50年代开始，生物化学的发展更是突飞猛进，进入了飞速发展的时期，一些新技术、新方法的采用大大推动了生物化学的发展。首先是1950年，美国L.知识窗0-1 Pauling等利用X射线衍射技术研究蛋白质的二级结构，提出了著名的蛋白质二级结构——α螺旋。其次是1955年，英国F. Sanger等完成了牛胰岛素一级结构的测定。此后是1965年，我国科学家首次用人工方法合成了具有生物活性的胰岛素，在蛋白质研究方面打开了新的局面。在蛋白质二级结构的启示下，DNA的研究取得了重要成果。1953年，美国J. D. Watson和英国F. H. C. Crick提出了著名的DNA双螺旋结构模型，成为生物化学发展中的重大里程碑，标志着生物化学发展到了一个新的阶段——分子生物学阶段。20世纪50年代，另一个重要的研究成果是一些中间代谢途径的阐明。H. A. Krebs提出了著名的三羧酸循环和尿素循环。 20世纪60年代，代谢调控的研究取得了重大进展。1961年，法国F. Jacob和J. Monod　　等提出了著名的操纵子模型，阐明了原核细胞基因表达调控的机制。 20世纪70年代，随着DNA重组技术的建立，生物化学的研究进入生物工程领域。生物工程包括基因工程、蛋白质工程、酶工程、细胞工程和发酵工程等，其中基因工程是生物工程的核心。 20世纪90年代，1990年启动了人类基因组计划，旨在得到人类基因组的全部DNA序列，这是人类科学史上*伟大的生命科学工程。这一工程首先在美国启动，很快英国、日本、法国、德国和中国科学家先后加入。中国是在1999年加入的，承担了1%的测序任务。 21世纪初，2000年完成了人类基因组草图。2001年公布了人类基因组图谱及初步分析结果。人类基因组有3万～3.5万个基因，比预计的10万个基因少很多，与蛋白质合成有关的基因只占整个基因组的2%。2003年，更详尽的人类基因组序列图谱绘制成功，全基因组 测序完成99%。随着人类基因组DNA测序工作的完成，生命科学开始进入后基因组时代，产生了功能基因组学（functional genomics），又称为后基因组学（postgenomics）。 功能基因组学以高通量的实验方法及统计与计算机分析为特征，利用人类基因组计划（结构基因组学）提供的信息系统地研究基因功能，包括基因的表达及其调控模式。功能基因组学研究的内容主要包括：人类基因组DNA序列变异性、基因组表达及其调控的机制，以及利用各种模式生物研究基因的功能等。 由于生命活动的主要承担者是蛋白质，而蛋白质有其自身的存在形式和活动规律，仅从基因的角度来研究是远远不够的。1994年，澳大利亚学者首次提出蛋白质组的概念，蛋白质组是指基因组所表达的全部蛋白质，由此诞生了一个新的学科——蛋白质组学（proteomics）。它是阐明各种生物基因组在细胞中表达的全部蛋白质的表达模式及功能模式的学科。深入了解蛋白质复杂多样的结构和功能是后基因组时代的主要任务，将在分子、细胞和生物体等多个层次上进一步揭示生命现象的本质。 随着基因组测序数据迅猛增加，兴起了一个新的学科——生物信息学（bioinformatics）。它是综合计算机科学、信息技术及数学的理论和方法来研究生物信息的交叉学科，包括生物学数据的研究、存档、显示、处理和模拟，基因遗传和物理图谱的处理，核苷酸和氨基酸序列分析，新基因的发现和蛋白质结构的预测等。 生物化学有着璀璨的发展历史，与生物化学相关联的诺贝尔奖达到 110多项。学习这些知识，能从中领略科学家探索生命的轨迹，掌握生物化学发展的方向，激励莘莘学子不断进取，为生物化学及生命科学的发展做出自己的贡献。知识窗 0-2 二、生物化学的研究内容 生物化学（ biochemistry）是介于生物与化学之间的一门科学。随着现代生物技术的发展，生命科学取得了前所未有的进步。作为生命科学核心基础的生物化学，在研究的广度和深度上均产生了巨大的变化。由它衍生而发展起来的新兴学科有分子生物学（ molecular biology）、结构生物学（structural biology）、量子生物学（quantum biology）、生物信息学（bioinformatics）等。面对如此广泛的内容扩展，原有的生物化学表现出一定的局限性。除了运用化学的理论和方法研究以外，还要借助物质的理论模型和方法研究生命物质的组分、结构及生物学功能，从而阐明生物体所表现的变化过程及复杂生命现象的本质。生物化学的内容可以归纳为以下几个主要方面。 （一）静态生物化学 与生命科学的其他学科相比，生物化学的研究对象是构成所有生物体共同物质成分的结构、性质及这些物质在生命活动中执行的功能。 生命与非生命物质在化学组成上有很大的差异，然而组成生命物质的元素都是存在于非生命界的元素。已发现的地球上天然存在的元素有 92种，但在生物体内，只有碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、磷（P）、硫（S）6种是主要组成元素，约占机体的 97.3%。钙（Ca）、钾（K）、钠（Na）、氯（ Cl）、镁（ Mg）在机体中也占有较大比例，这些元素被称为常量元素（含量 ≥0.01%）。1995年，联合国粮食及农业组织 /世界卫生组织（ FAO/WHO）将铁（ Fe）、碘（I）、锌（Zn）、锰（Mn）、钴（Co）、钼（Mo）、铜（Cu）、硒（Se）、铬（ Cr）、氟（F） 10种元素列为人体不可缺少的微量元素（含量＜0.01%）。此外，还有钒（ V）、镍（Ni）、锡（Sn）、硅（Si）、硼（B）等微量元素。以上 26种元素构成了生物大分子，对维持生物体的物质代谢、能量代谢及生命过程的各种生理功能起着非常重要的作用。所有生物都有大体相同的元素组成和分子组成（蛋白质、核酸、糖类、脂质、无机离子和水等）。生物大分子通过组成它们的单体之间的非共价相互作用，形成特定的空间结构，从而具有了不同的生物学功能。在生物大分子之间主要存在着非共价的相互作用力，包括氢键（hydrogen bond）、离子键（ionic bond）、范德瓦耳斯力（van der Waals bond）、疏水力（ hydrophobic interaction）。 生物的多样性与生物大分子的结构复杂多变密切相关。生物化学所研究的构成生物体的基本物质（糖类、脂质、蛋白质、核酸）的结构、性质和功能，以及对体内的生物化学反应起催化调节作用的酶与激素的结构、性质和功能，这部分内容通常称为静态生物化学。 （二）动态生物化学 生物化学不仅要研究构成生物体基本物质的结构、性质及功能，还要研究构成生物体的基本物质在生命活动过程中发生的化学变化，以及新陈代谢和代谢过程中能量的转换、调节规律，这部分内容通常称为动态生物化学。 新陈代谢是体内化学反应的总称。新陈代谢是由许多连续或相关的代谢途径所组成的，而代谢途径又受到一系列酶或激素的调节。生物体内新陈代谢的途径错综复杂，根据代谢的不同可分为合成代谢和分解代谢。合成代谢是从环境中获取营养物质，并将其转化为自身所需的物质。分解代谢是分解营养物质来提供生命活动所需的能量。因此，生物体中的物质代谢和能量代谢是相互联系的，如图 0-1所示。 图 0-1物质代谢和能量代谢的关系 糖类、脂质、蛋白质、核酸等生物大分子首先由大分子降解为小分子。有机物的碳骨架的氧化分解是物质分解代谢的核心，而转换枢纽为糖代谢中的有氧分解——三羧酸循环。在物质代谢的同时，以 ATP为载体的能量代谢也在不断发生。ATP的生成有两种方式，即底物水平磷酸化和电子传递体系磷酸化。 （三）遗传信息的传递规律 遗传信息的传递和表达，包括 DNA的复制、转录、翻译和调控。 DNA通过复制将遗传信息由亲代传递给子代；通过转录和翻译，将遗传信息传递给蛋白质分子，从而决定生物的表现型。DNA的复制、转录和翻译过程构成了遗传学的中心法则。但在少数 RNA病毒中，其遗传信息贮存在 RNA中。因此，在这些生物体中，遗传信息的流向是 RNA通过复制，将遗传信息由亲代传递给子代；通过反转录将遗传信息传递给 DNA，再由 DNA通过转录和翻译传递给蛋白质，这种遗传信息的流向称为反中心法则。在整个生物界，微生物到人类基本通用一套由 64个遗传密码构成的密码字典。遗传密码在分子水平上把生物界的遗传性统一起来，这也是基因工程的理论基础。 根据研究对象分类，生物化学可