生物化學

生物化學是研究生命物質的化學組成結構，及生命過程中各種化學變化的生物學分支學科。

　　若以不同的生物為對象，生物化學可分為動物生化、植物生化、微生物生化、昆蟲生化等；若以生物體的不同組織或過程為研究對象，則可分為肌肉生化、神經生化、免疫生化、生物力能學等；因研究的物質不同，又可分為蛋白質化學、核酸化學、酶學等分支；研究各種天然物質的化學稱為生物有機化學；研究各種無機物的生物功能的學科則稱為生物無機化學或無機生物化學。

　　二十世紀六十年代以來，生物化學與其它學科又融合產生了—些邊緣學科，如生化藥理學、古生物化學、化學生態學等；或按應用領域不同，有醫學生化、農業生化、工業生化、營養生化等。

生物化學發展簡史

　　生物化學這一名詞的出現大約在19世紀末、20世紀初，但它的起源可追溯得更遠，其早期的歷史是生理學和化學的早期歷史的一部分。例如18世紀80年代，拉瓦錫證明呼吸與燃燒一樣是氧化作用，幾乎同時科學家又發現光合作用本質上是動物呼吸的逆過程。又如1828年沃勒首次在實驗室中合成了一種有機物——尿素，打破了有機物只能*生物產生的觀點，給“生機論”以重大打擊。

　　1860年巴斯德證明發酵是由微生物引起的但他認為必需有活的酵母才能引起發酵。1897年畢希納兄弟發現酵母的無細胞抽提液可進行發酵，證明沒有活細胞也可進行如發酵這樣復雜的生命活動，終于推翻了“生機論”。

　　生物化學的發展大體可分為三個階段。

　　第一階段從19世紀末到20世紀30年代，主要是靜態的描述性階段，對生物體各種組成成分進行分離、純化、結構測定、合成及理化性質的研究。其中菲舍爾測定了很多糖和氨基酸的結構，確定了糖的構型，并指出蛋白質是肚鍵連接的。1926年薩姆納制得了脲酶結晶，并證明它是蛋白質。

　　此后四、五年間諾思羅普等人連續結晶了幾種水解蛋白質的酶，指出它們都無例外地是蛋白質，確立了酶是蛋白質這一概念。通過食物的分析和營養的研究發現了一系列維生素，并闡明了它們的結構。

　　與此同時，人們又認識到另一類數量少而作用重大的物質——激素。它和維生素不同，不依賴外界供給，而由動物自身產生并在自身中發揮作用。腎上腺素、胰島素及腎上腺皮質所含的甾體激素都在這一階段發現。此外，中國生物化學家吳憲在1931年提出了蛋白質變性的概念。

　　第二階段約在20世紀30～50年代，主要特點是研究生物體內物質的變化，即代謝途徑，所以稱動態生化階段。其間突出成就是確定了糖酵解、三羧酸循環以及脂肪分解等重要的分解代謝途徑。對呼吸、光合作用以及腺苷三磷酸(ATF)在能量轉換中的關鍵位置有了較深入的認識。

　　當然，這種階段的劃分是相對的。對生物合成途徑的認識要晚得多，在50～60年代才闡明了氨基酸、嘌嶺、嗜啶及脂肪酸等的生物合成途徑。

　　第三階段是從20世紀50年代開始，主要特點是研究生物大分子的結構與功能。生物化學在這一階段的發展，以及物理學、技術科學、微生物學、遺傳學、細胞學等其他學科的滲透，產生了分子生物學，并成為生物化學的主體。

生物化學的基本內容

　　除了水和無機鹽之外，活細胞的有機物主要由碳原子與氫、氧、氮、磷、硫結合組成，分為大分子和小分子兩大類。前者包括蛋白質、核酸、多糖和以結合狀態存在的脂質；后者有維生素、激素、各種代謝中間物，以及合成生物大分子所需的氨基酸、核苷酸、糖、脂肪酸和甘油等。在不同的生物中，還有各種次生代謝物，如萜類、生物堿、毒素、抗生素等。

　　雖然對生物體組成的鑒定是生物化學發展初期的特點，但直到今天，新物質仍不斷在發現。如陸續發現的干擾素、環核苷磷酸、鈣調蛋白、粘連蛋白、外源凝集素等，已成為重要的研究課題。

　　早已熟知的化合物也會發現新的功能，20世紀初發現的肉堿，50年代才知道是一種生長因子，而到60年代又了解到是生物氧化的一種載體；多年來被認為是分解產物的腐胺和尸胺，與精胺、亞精胺等多胺被發現有多種生理功能，如參與核酸和蛋白質合成的調節，對DNA超螺旋起穩定作用以及調節細胞分化等。

　　新陳代謝由合成代謝和分解代謝組成。前者是生物體從環境中取得物質，轉化為體內新的物質的過程，也叫同化作用；后者是生物體內的原有物質轉化為環境中的物質，也叫異化作用。同化和異化的過程都由一系列中間步驟組成。中間代謝就是研究其中的化學途徑的。

　　在物質代謝的過程中還伴隨有能量的變化。生物體內機械能、化學能、熱能以及光、電等能量的相互轉化和變化稱為能量代謝，此過程中ATP起著中心的作用。新陳代謝是在生物體的調節控制之下有條不紊地進行的。生物體內絕大多數調節過程是通過別構效應實現的。

　　生物大分子的多種多樣功能與它們特定的結構有密切關系。蛋白質的主要功能有催化、運輸和貯存、機械支持、運動、免疫防護、接受和傳遞信息、調節代謝和基因表達等。由于結構分析技術的進展，使人們能在分子水平上深入研究它們的各種功能，蛋白質分子內部的運動性是它們執行各種功能的重要基礎。

　　80年代初出現的蛋白質工程，通過改變蛋白質的結構基因，獲得在指定部位經過改造的蛋白質分子。這一術不僅為研究蛋白質的結構與功能的關系提供了新的途徑；而且也開辟了按一定要求合成具有特定功能的、新的蛋白質的廣闊前景。

　　核酸的結構與功能的研究為闡明基因的本質，了解生物體遺傳信息的流動作出了貢獻。堿基配對是核酸分子相互作用的主要形式，這是核酸作為信息分子的結構基礎。

　　基因表達的調節控制是分子遺傳學研究的一個中心問題，也是核酸的結構與功能研究的一個重要內容。對于原核生物的基因調控已有不少的了解；真核生物基因的調控正從多方面探討。如異染色質化與染色質活化；DNA的構象變化與化學修飾；DNA上調節序列如加強子和調制子的作用；RNA加工以及轉譯過程中的調控等。

　　生物體的糖類物質包括多糖、寡糖和單糖。在多糖中，纖維素和甲殼素是植物和動物的結構物質，淀粉和糖元等是貯存的營養物質。單糖是生物體能量的主要來源。寡糖在結構和功能上的重要性在20世紀70年代才開始為人們所認識。寡糖和蛋白質或脂質可以形成糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂。

　　由于糖鏈結構的復雜性，使它們具有很大的信息容量，對于細胞專一地識別某些物質并進行相互作用而影響細胞的代謝具有重要作用。從發展趨勢看，糖類將與蛋白質、核酸、酶并列而成為生物化學的4大研究對象。

　　生物大分子的化學結構一經測定，就可在實驗室中進行人工合成。生物大分子及其類似物的人工合成有助于了解它們的結構與功能的關系。有些類似物由于具有更高的生物活性而可能具有應用價值。通過DNA化學合成而得到的人工基因可應用于基因工程而得到具有重要能的蛋白質及其類似物。

　　生物體內幾乎所有的化學反應都是酶催化的。酶的作用具有催化效率高、專一性強等特點。這些特點取決于酶的結構。酶的結構與功能的關系、反應動力學及作用機制、酶活性的調節控制等是酶學研究的基本內容。酶與人類生活和生產活動關系十分密切，因此酶在工農業生產、國防和醫學上的應用一直受到廣泛的重視。

　　生物膜主要由脂質和蛋白質組成，一般也含有糖類，其基本結構可用流動鑲嵌模型來表示，即脂質分子形成雙層膜，膜蛋白以不同程度與脂質相互作用并可側向移動。生物膜與能量轉換、物質與信息的傳送、細胞的分化與分裂、神經傳導、免疫反應等都有密切關系，是生物化學中一個活躍的研究領域。

　　激素是新陳代謝的重要調節因子。激素系統和神經系統構成生物體兩種主要通訊系統，二者之間又有密切的聯系。70年代以來，激素的研究范圍日益擴大，許多激素的化學結構已經測定，它們主要是多肽和甾體化合物。一些激素的作用原理也有所了解，有些是改變的通透性，有些是激活細胞的酶系，還有些是影響基因的表達。維生素對代謝也有重要影響，可分水溶性與脂溶性兩大類。它們大多是酶的輔基或輔酶，與生物體的健康有密切關系。

　　生物進化學說認為：地球上數百萬種生物具有相同的起源，并在大約40億年的進化過程中逐漸形成。生物化學的發展為這一學說在分子水平上提供了有力的證據。

　　在生物化學的發展中，許多重大的進展均得力于方法上的突破。90年代以來計算機技術廣泛而迅速地向生物化學各個領域滲透，不僅使許多分析儀器的自動化程度和效率大大提高，而且為生物大分子的結構分析，結構預測以及結構功能關系研究提供了全新的手段。生物化學今后的繼續發展無疑還要得益于技術和方法的革新。

　　生物化學對其它各門生物學科的深刻影響首先反映在與其關系比較密切的細胞學、微生物學、遺傳學、生理學等領域。通過對生物高分子結構與功能進行的深入研究，揭示了生物體物質代酣、能量轉換、遺傳信息傳遞、光合作用、神經傳導、肌肉收縮、激素作用、免疫和細胞間通訊等許多奧秘，使人們對生命本質的認識躍進到一個嶄新的階段。

　　生物學中一些看來與生物化學關系不大的學科，如分類學和生態學，甚至在探討人口控制、世界食品供應、環境保護等社會性問題時，都需要從生物化學的角度加以考慮和研究。

　　此外，生物化學作為生物學和物理學之間的橋梁，將生命世界中所提出的重大而復雜的問題展示在物理學面前，產生了生物物理學、量子生物化學等邊緣學科，從而豐富了物理學的研究內容，促進了物理學和生物學的發展。

　　生物化學是在醫學、農業、某些工業和國防部門的生產實踐的推動下成長起來的，反過來，它又促進了這些部門生產實踐的發展。

　　生物化學在發酵、食品、紡織、制藥、皮革等行業都顯示了強大的威力。例如皮革的鞣制、脫毛，蠶絲的脫膠，棉布的漿紗都用酶法代替了老工藝。近代發酵工業、生物制品及制藥工業包括抗生素、有機溶劑、有機酸、氨基酸、酶制劑、激素、血液制品及疫苗等均創造了相當巨大的經濟價值，特別是固定化酶和固定化細胞技術的應用更促進了酶工業和發酵工業的發展。