生物化学(第2版)

第1章 绪论 生物化学（biochemistry）即生命的化学，是在分子水平上研究生物体化学组成和化学变化规律的一门学科。它主要应用化学原理和方法探讨生命的本质，此外，还采用物理学、生理学、免疫学、生物学等原理和方法。 一、生物化学的发展简史 生物化学是一门较年轻的新兴的学科，欧洲约在200年前开始逐渐发展，直到1903年德国学者纽伯（C.Neuberg）提出“生物化学”的学科名称，生物化学才与有机化学、生理学等其他学科脱离，成为一门独立学科。 早在西方生物化学出现之前，我国劳动人民在生产和生活中就已经有运用生物化学知识和技术的先例，他们在饮食、营养、医药等方面都有不少创造和发明。例如，公元前21世纪，我国人民已经能酿酒，这是我国古代用“曲”做“媒”即酶催化谷物淀粉发酵的实践；在周朝民间已经可以用谷物发酵制酱造饴；晋朝时期，已经知道用含碘量丰富的海藻治疗瘿病（甲状腺肿）。因此说生物化学是一门既年轻又古老的学科。 生物化学的发展分为萌芽时期、奠基时期和蓬勃发展时期。 （一）**阶段萌芽时期（18世纪中叶至20世纪初期） 在长达一个多世纪中，伴随着近代化学和生理学的发展，生物化学开始逐渐形成。这一时期研究内容以分析生物体内物质的化学组成、性质和含量为主。 一些著名的化学家和生理学家做出了卓越的贡献。18世纪中叶，瑞典化学家舍勒（C.W.Scheele）研究生物体（植物及动物）中各种组织的化学组成，分离得到甘油、柠檬酸、苹果酸、乳酸、尿酸、酒石酸等。一般认为这是奠定现代生物化学的基础工作。1785年法国化学家拉瓦锡（A.L.Lavoisier）阐明了呼吸的化学本质，证明在呼吸过程中，吸进的氧气被消耗，呼出二氧化碳，同时放出热能，这意味着呼吸过程包含有氧化作用，这是生物氧化及能量代谢研究的开端。1828年德国化学家维勒（F.Wohler）在实验室里将氰酸铵转变成尿素，氰酸铵是一种普通的无机化合物，而尿素是哺乳动物尿中含氮物质代谢的一种主要产物，从而推翻了有机化合物只有在生物体内部合成的错误认识，不但为有机化学扫清了障碍，也为生物化学发展开辟了广阔的道路，从此生物体内糖类、脂类及氨基酸等均被详尽的研究。1897年德国学者布赫纳（E.Buchner）制备了无细胞酵母提取液，在催化糖类发酵上获得成功，开辟了发酵过程的研究道路，奠定了酶学的基础。 以上包括我国古代及欧洲的发明创造、研究发现，均可算是生物化学的萌芽时期。 （二）第二阶段奠基时期（20世纪初期至20世纪中叶）从20世纪初至20世纪中叶将近半个世纪中，随着分析鉴定技术尤其是同位素示踪技术、色谱技术等物理学研究手段的广泛应用，生物化学从单纯的组成分析深入到代谢途径研究。阐述了酶的化学本质、物质代谢途径，以及伴随进行的能量代谢过程。生物氧化、糖的分解和合成代谢、蛋白质合成、核酸的遗传功能，以及酶、维生素、激素、抗生素等的代谢，都基本研究清楚。 在营养方面，研究了人体对蛋白质的需要量，并发现了必需氨基酸、必需脂肪酸、多种维生素及一些不可或缺的微量元素等。在内分泌方面，发现了各种激素。许多维生素及激素不但被提纯，而且还被合成。在酶学方面，美国科学家萨姆纳（J.B.Sumner）1926年从刀豆中获得了脲酶的结晶，并证实其化学本质是蛋白质。接着，胃蛋白酶及胰蛋白酶也相继制成结晶。酶的蛋白质性质的肯定及其功能的详尽了解，加速了科学家们对生物体新陈代谢途径的研究。英藉德裔生物化学家克雷布斯（H.A.Crebs）在代谢研究方面作出了卓越的贡献，1932年他发现了生成尿素的鸟氨酸循环，1937年又发现了三羧酸循环。 在这一时期，中国生物化学家吴宪等在血液分析方面创立了无蛋白血滤液的制备及血糖测定等方法；吴宪和刘思职等在蛋白质的研究中，提出了蛋白质变性学说，他们在免疫化学上，首先使用定量分析方法，研究抗原抗体反应的机制。在生物化学方面杰出的贡献使吴宪成为中国近代生物化学事业的开拓者和奠基人。 （三）第三阶段蓬勃发展时期（20世纪中叶至今） 自从1950年，由于电镜技术、X线晶体衍射技术、超速离心技术、色谱技术和电泳技术等现代化技术和设备的发展，生物化学进入了突飞猛进大发展的新时期。 科学家们采用现代化的先进技术与方法更加深入地研究物质代谢途径，尤其是研究错综复杂的“中间代谢”途径，重点是研究物质代谢的调节与合成代谢。集中体现在对蛋白质、核酸等生物大分子的研究，从分离提纯和一般性质的测定，发展到确定其化学组成、序列、空间结构及其与生物学功能的关系，进而发展到人工合成。 1951年美国科学家鲍林（L.C.Pauling）提出了α-螺旋和β-折叠是蛋白质二级结构的基本构建单元的理论。这一理论成为20世纪生物化学若干基本理论之一，影响深远。1953年美国科学家沃森（J.D.Watson）和英国科学家克里克（F.H.Crick）借鉴鲍林的方法提出了DNA双螺旋结构模型，为揭示遗传信息传递规律奠定了基础，他们的发现揭晓了分子生物学中*基本的奥秘，是生物化学发展进入分子生物学时期的主要标志，也改变了自然科学和医学的发展。此后，科学家们对DNA的复制机制，RNA的转录过程，以及各种RNA在蛋白质合成中的作用进行了深入的研究，提出了遗传信息传递的中心法则，破译了RNA分子中的遗传密码等。 20世纪50年代后期揭示了蛋白质生物合成途径，确定了由合成代谢与分解代谢网络组成的“中间代谢”概念。1955年英国科学家桑格（F.Sanger）等测定了牛胰岛素的全部氨基酸序列，开辟了人类认识蛋白质分子化学结构的道路。1965年，中国生物化学家钮经义、邹承鲁等人工合成了具有全部生物活性的结晶牛胰岛素，它是**个在实验室中用人工方法合成的蛋白质，开阔了人工合成生物分子的途径。 20世纪70年代，随着限制性核酸内切酶和DNA连接酶的发现、DNA分子杂交技术的建立，以及重组DNA分子在细菌细胞中的成功克隆，诞生了生物学发展又一个新的里程碑——基因工程技术，它标志着人类深入认识生命本质并能主动改造生命的新时期的开始。通过基因工程技术相继获得了许多基因工程产品，大大推动了医药工业和农业的发展，并产生了巨大的社会效益和经济效益。新的基因可以转入另一生命体来改造动植物品种、生产药物及制作疫苗，成功建立了转基因动植物和基因敲除动物模型。基因诊断与基因治疗是基因工程在医学领域发展的一个重要方面。1990年基因治疗正式进入临床试验阶段。1991年美国向一患先天性免疫缺陷病（遗传性腺苷脱氨酶ADA基因缺陷）的女孩体内成功地导入重组的ADA基因。中国也在1994年用导入人凝血因子Ⅸ基因的方法成功治疗了乙型血友病的患者。现在我国用作基因诊断的试剂盒已有近百种。基因诊断和基因治疗正在快速发展中。 1981年美国科学家切赫（T.R.Cech）和奥特曼（S.Altman）分别发现了RNA具有催化化学反应的活性，他们把具有这种催化活性的RNA称为核酶（ribozyme）。核酶的发现打破了酶是蛋白质的传统观念，补充了人们对生物催化剂的本质认识。 1985年美国科学家穆利斯（K.B.Mullis）等发明的聚合酶链反应（Polymerase Chain Reaction，PCR）的特定核酸序列扩增技术，使人们在体外能够高效率地扩增DNA，对分子生物学的发展起到重大的推动作用。历时15年（1990年正式启动至2005年完成）完成的人类基因组计划（human genome project，HGP）成功绘制了人类基因组序列图，阐明了人类基因组有30亿个碱基对的序列，描述了人类基因组的特征，包括物理图谱、遗传图谱、转录图谱和序列图谱。发现人类所有基因并搞清其在染色体上的位置，破译人类全部遗传信息，这是人类科学史上的又一个伟大创举，将对人类的健康和疾病的研究带来根本性的变革。首次在分子层面为人类提供了一份生命“说明书”。人类基因组计划的完成催生了一批后基因组学的研究，如基因组学（genomics）、蛋白质组学（proteomics）和转录组学（trancrip-tomics）等。研究进入后基因组时代，将为医学研究带来许多创新性变化。必将对各种疾病的发生机制作出*终的解释，也将为疾病的预防、诊断和治疗提供精准有效的新手段和新方法。 链接：人类文明发展史的里程碑人类基因组计划（HGP） 1986年3月7日，美国生物学家那托 杜尔贝科（R.Dulbecco）在《科学》杂志上发表了《癌症研究的转折点——测定人类基因组序列》一文，他首次提出了人类基因组计划，该计划的目的是解码生命、了解生命的起源和生长发育的规律、解释长寿与衰老等生命现象、认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产生的机制、为疾病的诊治提供科学依据。1990年，人类基因组计划在美国正式启动。中国于1999年参加到这项研究计划中，承担其中1%的任务，即人类3号染色体短臂上约3000万个碱基对的测序任务。2003年4月14日，美、中、日、德、法、英等六国科学家宣布人类基因组序列图绘制成功。2005年，人类染色体测序工作基本完成，把人体内约10万个基因的密码全部解开，同时绘制出人类基因图谱。由30亿个碱基对组成的人类基因组，蕴藏着生命的奥秘。很多疾病的病因将被揭开，药物就会设计得更精准，治疗方案就能“对因下药”，利用基因治疗更多的疾病不再是一个奢望。人类的饮食习惯有可能根据基因情况进行调整，人类的整体健康状况将会提高，21世纪的医学基础将由此奠定。人类基因组计划被称为人类文明发展史的三大里程碑之一（另外两个是阿波罗登月计划、原子弹爆炸）。 二、生物化学研究的主要内容 生物化学的研究对象是生物体，依据研究对象不同，生物化学已形成动物生物化学、植物生物化学、微生物生物化学、医学生物化学等分支学科。生物化学研究的内容有以下几个方面。 （一）生物体的物质组成 生物体以细胞为单位进一步构成组织器官，而细胞又是由成千上万种化学物质组成。研究生物体内各种化合物的组成、含量、结构、性质等，是生物化学的一个重要内容。生物体的组成除水及无机盐之外，主要就是蛋白质、脂类、糖类、核酸及多种有生物学活性的小分子化合物，如维生素、激素、氨基酸及其衍生物、肽、核苷酸等。通常将相对分子质量大于104的分子称为生物大分子，主要指核酸、蛋白质、多糖、脂类等物质。当生物大分子水解后可生成构成它们的基本单位，如蛋白质水解生成氨基酸，核酸水解生成核苷酸等。这些小而简单的分子可以看作生物分子的构件，或称作“构件分子”。构件分子在生物体内的新陈代谢中，按一定的组织规律，互相连接，依次逐步形成生物大分子、亚细胞结构、细胞组织或器官，*后在神经及体液的沟通和联系下，形成一个有生命的整体。 （二）生物大分子的结构与功能 生物大分子种类繁多，结构复杂，功能各异。对生物大分子的研究除了确定其一级结构外，更重要的是研究其空间结构及结构与功能的关系。结构是功能的基础，功能是结构的体现。不同结构的生物大分子形成不同的细胞，具有不同的功能；另外，生物大分子的功能还可通过分子间的相互识别和相互作用来实现。例如，蛋白质与蛋白质、核酸与核酸、蛋白质与核酸之间的相互作用在遗传信息的表达及调控中有重要作用。因此，分子结构、分子识别、分子之间的相互作用是当今生物化学研究的热点问题。生物化学近年来在这方面的发展极为迅速，这部分内容也称为分子生物学。 （三）物质代谢及其调节控制 生物体区别于非生物体的重要特征之一就是生物体能够进行新陈代谢（metabolism），即机体与外环境的物质交换及维持内环境的相对稳定。新陈代谢包括物质代谢和能量代谢。物质代谢包括合成代谢和分解代谢。物质代谢过程伴随着能量代谢，能量代谢是指能量的产生和消耗。合成代谢是指由小分子物质合成大分子物质的过程，即生物体不断从外界环