生物化学

生物化学( biochemistry)，是研究生物体中的化学进程的一门学科，简称为生化。是用化学、物理学和生物学的原理和方法，研究生物体内物质的化学组成、结构和功能，以及生命活动过程中各种化学变化过程及其与环境之间相互关系的基础生命学科。

17世纪初，比利时海尔蒙特(J.B. van Helmont，1577-1644）第一个尝试用化学方法去了解人类和生物的生理构造，这是生物化学的早期萌芽。可以将生物化学的发展史粗略地划分为三个阶段。

18世纪70年代至20世纪初，生物学已发展为独立的学科，化学体系也比较完整，有些科学家尝试用化学的基本原理解释生理现象，为生物化学的诞生奠定了基础。1770-1774年，英国化学家普利斯特里(J.Priestly)发现了O₂，并指出动物消耗氧而植物产生氧。1779-1796年，荷兰人简·英格豪斯(Jan Ingenbousz）证明在光照条件下绿色植物吸收CO₂并放出O₂。1785年，法国化学家拉瓦锡（Lavoisier)证明，动物呼吸是体内缓慢和不发光的燃烧，吸进O_2，呼出CO₂，同时放出热能，首次提出动物身体发热源于体内物质氧化，这是生物化学中生物氧化和能量代谢的开端。1828年，德国化学家维勒(F.Wohler)在实验室用无机物氰酸铵合成了有机物尿素。成功合成尿素，改变了人们认为有机物只能在生物体内合成的观点，开阔了生物化学的研究视野，有人甚至提出把尿素合成作为生物化学诞生的标志。1840年，德国化学家李比希(J. Von Liebig，1803-1873)提出了糖、脂类、蛋白质及其新陈代谢( metabolism)的概念。

德国化学家维勒

1849年，法国微生物学家巴斯德（Louis Pasteur，1822-1895）开始进行发酵的研究；1857年提出酒精发酵是生物学过程，必须是活的酵母细胞才能进行。而德国化学家李比希等人坚持酒精发酵是纯粹的化学过程。从此展开了关于发酵本质问题长达半个世纪的论战。1868年，瑞士生物学家米歇尔(F.Miescher，1844-1895）从外科绷带脓液的白细胞核中发现一种含有磷和氮的物质，命名为核素；1889年，阿尔特曼(R.Altmann)将核素更名为核酸；1885-1900年间，德国生理学家柯塞尔(A.Kossel，1853-1927）和他的学生琼斯（W.Johnew，1865-1935)、莱文(P.A. Levene，1896-1940）证实核酸由不同的碱基组成，最简单的单体结构是碱基-核糖-磷酸构成的核苷酸。1877年，德国生理化学家候普-赛勒(Hoppe-Seyler)因为血红蛋白的工作，首先提出“Biochemie”一词，译成英语为“Biochemistry”，即生物化学，并将其定义为所有与生物分子有关的一切内容。1897年，德国布赫纳两兄弟（(Eduard Buchner & Hans Buchner)成功地从酵母细胞分离出具有发酵作用的物质，统一了双方的认识。这是一次质的飞跃，为生物催化剂——酶的应用奠定了基础。1903年，德国化学家纽伯格(C.Neuberg)正式提出“生物化学”的概念，从此诞生了一个新领域——生物化学，形成了生物化学这门独立的学科。这个时期，科学家用化学的观点研究生物的生理问题，取得了不少成果，主要是分析和研究生物体的化学组成及其理化性质，发现生物体主要由糖、脂、蛋白质和核酸四大类有机物质组成。科研成果以静态描述为主，是生物化学发展的准备和酝酿阶段。

20世纪初至20世纪50年代，随着分析鉴定技术的进步，尤其是微量分析技术、放射性同位素标记技术等手段的应用，维生素、激素、酶相继发现，酶的化学本质和作用机理基本阐明，物质代谢、能量代谢及其调控等取得了显著成果，生物化学进入蓬勃发展的动态时期，现代生物化学的框架基本确立。德国化学家费歇尔(E.Fischer)经过连续10年蛋白质的研究，于1902年提出多肽结构理论，1907年成功地合成了由18个氨基酸分子连成的多肽，为化学家研究蛋白质的结构提供了一个框架。1923年，维格诺德(Vgeneaud)完成了多肽激素的合成工作。20年后掀起了蛋白质的研究热潮，有关蛋白质的结构、功能不断被揭示。 1878年，德国生理学家库恩(F.W. Kuhne)研究发现，发酵不是酵母本身的作用，而是酵母中某种物质催化了酵解反应，把这种具有催化作用的物质定义为酶(Enzyme)。1894—1913年，费歇尔（E.Fisher）提出酶作用的锁-钥理论，以解释酶的专一性。1903年，亨利（Henri）提出了酶与底物作用的中间复合物学说。1913年，米凯利斯(Michaelis）和门顿-(Menten)总结了前人工作，推导出了酶催化反应的动力学方程——米氏方程，对酶反应机理的研究是一个重大的突破。1926年，美国化学家萨姆纳(J.B. Sumner，1887--1955） 从刀豆提取出了脲酶结晶，并证明脲[niào]酶是蛋白质。20世纪 30年代后，陆续发现并结晶了2000多种酶，其化学本质都是蛋白质，自此确定了酶的化学本质是蛋白质的概念。

德国生理学家库恩

1911年，波兰医生冯克(C.Funk)结晶出治疗“脚气病”的复合维生素 B，提出“Vitamine”，意即生命胺。1907年，德国化学家温道斯（A. Windaus）研究了胆固醇并合成了维生素D，1928年因此贡献获得诺贝尔化学奖，从而推进了维生素的研究，各种维生素相继被发现。1933年，英国化学家霍沃思（W.V.Haworth)合成了维生素C。1931-1935年，瑞士科学家卡勒(P.Karrer）先后研究并成功合成了维生素A和维生素B。1935—1937年，德国化学家库恩(R.Kuhl，1900--1967）研究了类胡萝卜素等。后来发现的许多维生素并非胺类，将“Vitamine”；改为“Vitamin”。基于以上物质研究，科学家开始进一步探索物质在体内的代谢规律。1932年，英国科学家克雷伯(Hans Krebs）用组织切片实验证明了尿素的合成过程，提出了尿素循环；1937年，Krebs又提出了物质代谢的中枢—-三羧酸循环（citric acid cycle）途径。1940年，德国三位科学家埃姆博登(G.Embden)、迈耶霍夫（O.F Meyerhof)、帕纳斯(J.KParnas）共同提出糖酵解代谢途径，简称EMP途径。1949年，美国生化学家肯尼迪(EKennedy)和勒宁格尔（A Lehninger)证明了克努普(F.Knoop)提出的脂肪酸β-氧化过程是在线粒体中进行的，并指出氧化的产物是乙酰CoA，进一步完善了脂肪酸的β-氧化过程。至此，三大类物质的代谢途径基本确定。这个时期，对呼吸、光合作用、生物氧化及ATP在能量代谢中的地位也有了较深入的认识。不过，对生物合成途径的认识要晚得多，在20世纪50—60年代才阐明了氨基酸、嘌呤、咤啶[dìng]及脂肪酸等的生物合成途径。与此同时，核酸的研究也取得很大进展。经过科塞尔(A.Kossl，1853--1927）和莱文(P.A. Levene，1869—1940)等科学家20年的共同努力，1929年由Levene提出核酸分为DNA和RNA两大类。1944年，艾沃瑞（O.T.Avery)通过肺炎双球菌转化实验证明DNA是遗传物质；1952年，美国科学家赫尔希(A. D. Hershey）和蔡斯(M Chase)分别用同位素"S和P标记噬菌体的蛋白质和 DNA，进一步证实了DNA是遗传物质。1950年，美国生化学家查尔加夫(E.Chargaff)总结出 DNA碱基互补配对的规律。1953年，沃森和克里克在威尔金斯(M. Wilkins)和弗兰克林(R.Franklin)工作的基础上，对DNA进行分析，提出了DNA的双螺旋结构模型。该模型为日后提出 DNA半保留复制、遗传信息的中心法则奠定了基础，促进了生命科学的迅速发展，被称为20世纪自然科学最伟大的学术成就之一。

1950年，美国化学家鲍林(L.Pauling）和科里(R.B.Corey)提出角蛋白的α螺旋二级结构，为蛋白质空间构象的研究提供了理论基础。1953—1956年，英国生物学家桑格(F.Sanger）完成了胰岛素的氨基酸序列分析；同期，瑞典科学家埃德曼(P.Edman)提出 Edman降解法测定蛋白质一级结构。1960年，美国科学家莫尔(S. Moore)和艾德曼(G.M. Edelnan）完成了第一个酶蛋白核糖核酸酶的测序，1969年又测定了抗体蛋白的一级结构。1965年，中国人工合成了第一个具有全部生物活性的结晶牛胰岛素。1984年前后，美国生物化学家胡德（L.E.Hood)基于 Edman降解法相继发明出多肽自动分析仪、多肽自动合成仪。1975年，Sanger又发明了双脱氧终止法 DNA测序技术，同期，Walter Gilbert发明化学法测序技术，两年后成功定序出币-X174噬菌体的基因组序列。1981年，中国首次人工合成了与天然产物组成和结构相同、具有全部生物活性的酵母丙氨酸tRNA。1986年，Hood利用荧光取代同位素标记，综合激光和计算机检测，推出第一台全自动DNA自动测序仪，极大地促进了核酸测序工作。这个时期，生物分子的分离、纯化、鉴定的方法已经向微量、快速、精确、简便和自动化方向发展。1953年是开创生命科学新时代的一年，继Watson和Crick 推导出 DNA分子的双螺旋结构模型后，不久又提出了基因的半保留复制假说。1958年，梅塞尔森(M. Meselson)和斯特尔(Stahl)利用"5N标记大肠杆菌DNA，证实了DNA的半保留复制。在此之后十年，相继发现了DNA复制的详细机制。1958年，Crick 提出分子遗传的中心法则，即遗传信息由核酸→核酸→蛋白质。1961年又证明了遗传密码的通用性。1966年，美国化学家科兰纳（H.G.Khorana)和尼伦伯格(M.W.Nirenberg，1927--2010）合作破译了遗传密码，这是生物学方面的另一杰出成就。1970年，特明(H.M. Temin）和巴梯摩尔(D.Baltimore)发现反转录酶，补充了“中心法则”。至此，遗传信息在生物体由 DNA到蛋白质的传递过程已经弄清。

尼伦伯格

1961年法国生物学家雅可布(F.Jacob）和莫诺(J.L. Monod）提出了操纵子学说，阐明了基因通过控制酶的生物合成来调节细胞代谢的模式。同年，南非生物学家悉尼·布伦纳（S. Brenner)阐明mRNA碱基序列与染色体中DNA互补，假定mRNA携带遗传信息在核糖体翻译成蛋白质。因此项工作，以上三人共获1965年诺贝尔医学或生理学奖。建立现代分子生物学，创立基因工程。随着人类对蛋白质、酶、DNA、RNA等生物大分子研究的不断深入，逐渐形成了现代分子生物学。1962年瑞士遗传学家阿尔伯(W.Arber)证明限制性核酸内切酶的存在，1967年盖列特(M.Gellert）和莱曼(B. Lehman)发现了DNA连接酶，1972年柯恩(S. Cohen)和波耶（H.Boyer）等创建了DNA重组技术。此时，科学家越来越不满足于探索、提示生物遗传的秘密，开始跃跃欲试，设想用工程技术手段在分子水平上去干预生物的遗传特性，终于20世纪70年代诞生了基因工程。基因工程技术发展迅速，在生化领域取得重大突破。1977年，法国生物化学家查姆帮(Chamobon)和波盖特（Berget）发现了“断裂”基因；1981-1983年，美国科学家切赫（T.Cech）和奥特曼（S.Altman）相继发现某些RNA具有酶的催化活性，开始了核酶的研究；1984年，西蒙斯(R.Simons）和美津浓（T.Mizuno）等发现了反义RNA；1985年，美国化学家穆利斯(K.B.Mullis）发明聚合酶链式反应技术（PCR技术)，从此揭开了人类向肿瘤及其他遗传性疾病研究的序幕。1990年启动“人类基因组研究计划”，2003年美、中、日、德、法、英6国科学家宣布人类基因组图绘制成功，已完成的序列图覆盖人类基因组所含基因的99%。1997年，英国胚胎学家威尔莫特(I. Wilmut）成功获得多莉克隆羊。2006年，重组人抗凝血酶Ⅲ获得上市许可，生产出世界上第一个利用转基因动物乳腺生物反应器工程药物，用于治疗先天性抗凝血酶缺失症。这个阶段，生物化学领域建树颇多，半个世纪以来产生了40多位诺奖获得者，在现代工业、农业、食品、医药卫生等领域发挥了巨大作用。

20世纪80年代中后期以来，随着各国政府和科学界对生命科学、材料科学和生物技术等研究领域的日益重视，一大批边缘学科得以蓬勃发展。90年代后期，化学生物学(Chemical Biology）应运而生。

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（ molecularbiology)、结构生物学（ structural biology)、量子生物学( quantum biology )、生物信息学( bioinformatics）)等。

生物体结构越复杂，其蛋白质种类和功能也越繁多。具有复杂空间结构的蛋白质( protein)不仅是生物体的重要结构物质之一，而且承担着各种生物学功能，其动态功能包括化学催化反应、免疫反应、血液凝固、物质代谢调控、基因表达调控和肌收缩等功能；就其结构功能而言，蛋白质提供结缔组织和骨的基质、形成组织形态等。显而易见，普遍存在于生物界的蛋白质是生物体的重要组成成分和生命活动的基本物质基础，也是生物体中含量最丰富的生物大分子( biomacromolecule) ，约占人体固体成分的45% ，而在细胞中可达细胞干重的70%以上。蛋白质分布广泛，几乎所有的器官组织都含有蛋白质。一个真核细胞可有数万种蛋白质，各自有特殊的结构和功能。尽管蛋白质的种类繁多，结构各异，但元素组成相似，主要有碳(50% ~55% )、氢(6% ~7%) 、氧( 19% ~24%)、氮(13% ~19%)和硫(0~4%)。有些蛋白质还含有少量磷或金属元素铁、铜、锌、锰、钴、钼[mù]等，个别蛋白质还含有碘。各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%。由于蛋白质是体内的主要含氮物质，因此测定生物样品的含氮量就可按下式推算出蛋白质大致含量：每克样品含氮克数x6.25×100= 100g样品中蛋白质含量( g% )。

核酸(nucleic acid)是以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，具有复杂的空间结构和重要的生物学功能。核酸可以分为脱氧核糖核酸( deoxyribonucleic acid ，DNA)和核糖核酸(ribonucleic acid，RNA)两类。DNA 存在于细胞核和线粒体内，携带遗传信息，并通过复制的方式将遗传信息进行传代。细胞以及生物体的性状是由这种遗传信息决定的。一般而言，RNA是DNA的转录产物，参与遗传信息的复制和表达。RNA存在于细胞质、细胞核和线粒体内。在某些情况下，RNA也可以作为遗传信息的载体。

维生素是一类维持生物体正常机能所必需的低分子有机化合物。生物体对其需要量甚微，主要靠外界供给。维生素的种类很多，结构各异，它既不是细胞组成成分，也不能提供能量，但在体内物质代谢过程中发挥着重要作用，如许多维生素是构成辅酶或辅基的基本成分，有的参与特殊蛋白质的合成，有的是激素的前体。由于体内不能合成或合成量不能满足需要，故一旦外界供应不足，或机体由于各种因素引起吸收障碍时，可导致维生素缺乏病。不过如果维生素使用不当或长期过量服用，也可出现中毒症状。维生素可按溶解性质分为两大类：水溶性和脂溶性维生素。水溶性维生素主要包括维生素C和B族维生素。B族维生素又包括B、B、PP、B 、泛酸、生物素、叶酸、B2等。这类维生素的特点是易溶于水，不易在体内储存，需随时摄入。它们在生物体内大多数组成酶的辅酶或辅基，起传递电子、基团或递氢作用。其在体内的生理功能及缺乏症是需重点掌握的内容。脂溶性维生素主要包括维生素A、D、E、K，它们不溶于水，溶于脂肪或有机溶剂，在体内可储存，故不许每天摄入。摄入过量会引起中毒，在生物体内各有其独特的生理功能。

酶的化学本质是蛋白质。由一条肽链构成的酶称为单体酶( monomeric enzyme) ，如牛胰核糖核酸酶A、溶菌酶、羧肽酶A等。由多个相同或不同的肽链(即亚基)以非共价键连接组成的酶称为寡聚酶( oligomeric enzyme ) ，如蛋白激酶A和磷酸果糖激酶-1均含有4个亚基。此外，在某一代谢途径中，按序催化完成一组连续反应的几种具有不同催化功能的酶可彼此聚合形成一个结构和功能上的整体，此即为多酶复合物( multienzyme complex) ，亦称为多酶体系( multienzyme system)。还有一些酶在一条肽链上同时具有多种不同的催化功能，这类酶称为多功能酶( multifunctional enzyme)或串联酶( tandem enzyme ) ，如氨基甲酰磷酸合成酶Ⅱ、天冬氨酸氨基甲酰[xiān]转移酶和二氢乳清酸酶即位于同一条肽链上。

物质代谢是生命现象的基本特征，是生命活动的物质基础。随着物质代谢的停止，生命也将随之终止。物质代谢由许多连续的、相关的代谢途径所组成，而代谢途径(如糖的氧化、脂肪酸的合成等)又是由一系列的酶促化学反应串联形成的。正常情况下，由于机体存在着精细、严谨的调节机制，能够适应体内外环境的变化，不断调节各种物质代谢的强度、方向和速度，以确保代谢按照生理的需求，有条不紊地进行。生物体内各物质代谢途径之间相互联系、错综复杂，同时又在严密的调控下进行。

底物和酶的邻近与定向效应、酸碱催化、共价催化、金属离子催化、多元催化与协同效应、活性部位微环境。

失电子氧化、脱氢氧化、加氧氧化、加水脱氢氧化。

参考资料

生物化学在20世纪80年代发展了生物工程或生物高技术的崭新领域，包括遗传工程或基因工程，蛋白质工程和酶工程，以及细胞培养、组织培养等体外技术，用于改造物种和生产对人类有用的产物。以生物化学的理论和技术为基础的生物工程具有广阔的前景。首先，利用生物工程的方法和技术可以改造物种，培育高抗逆性、具有特殊品质的转基因植物。其次，人们正在试图利用植物建造“植物工厂”，生产对人类有用的特殊生物化学物质。利用生物工程来生产新型的药物和疫苗，如胰岛素、生长激素、干扰素、红细胞生长素、乙肝疫苗和白细胞介素―2等基因工程药物应用。对于治疗疾病、维护人类健康有着重要的意义。

生物化学是农业科学的重要理论基础之一，如研究植物的新陈代谢的各种过程，就有可能控制植物的发育，如能明确糖、脂类、蛋白质、维生素、生物碱及其他化合物在植物体内的合成规律，就有可能创造一定的条件，以获得优质高产的某种农作物。或在了解了某种作物的遗传特性之后，可利用基因重组技术，培育出优良的作物新品种。此外，农产品的储藏与加工，植物病虫害的防治，除草剂和植物激素的应用，家畜的营养问题和畜牧业生产率的提高，土壤微生物学，土壤的肥力提高和养分的吸收等都需要应用生物化学的理论和技术手段。

生物化学理论还可以与工业技术领域学科相结合，在材料工业、污水和废物处理方面发挥作用。前已产生了生物化学和电子学的边缘学科——分子生物电子学，研究生物芯片和生物传感器，对计算机制造、疾病防治和生物模拟都有重要的推动作用。因此，生物工程产业的崛起将会极大地改变社会产业结构和人们的劳动生产方式。生物化学的理论在酶工程技术的发展中也发挥重要的作用，如酿造工业，皮革工业、食品工业和发酵工业等。

发酵菌的酶系影响发酵产品，可以利用基因工程改造发酵菌。成功改造基因工程菌的例子比较多，如改造啤酒酵母。提高麦芽汁的分解率、改善啤酒的傻酸味、提高啤酒澄清度等；改造乳酸菌，提高菌种耐氧性、改善酸乳风味、抑制酸乳后酸化作用等。当前，利用发酵法成功实现了工业化生产维生素C、氨基酸、味精、色素和酶制剂。酶在其他工业领域也发挥了巨大作用。如：淀粉酶和葡萄糖异构酶用于糖浆生产，果胶酶用于果汁加工，纤维素酶用于饲料添加剂提高利用率，蛋白酶用于肉类嫩化处理等。在食品工业中，生化技术可用于食品营养成分分析和对人体有害、有毒物质的检测。核酸分子杂交技术、PCR技术、现代免疫技术等，逐渐用于致病微生物和转基因成分的分析检测，简单、方便、快速、准确、可靠。

生化武器，即细菌生物武器和化学武器的统称，是严重威胁人类及其生存环境的、具有扩散性和不可控性的极端危险的武器，早就被国际社会严令禁止。1925年6月日内瓦国际会议制订《禁止在战争中使用窒息性、毒性或其他气体及细菌作战方法》的议定书，明文规定禁用细菌武器。当时日本拒绝批准参加这个议定书。而且为实现其继续向外侵略扩张和残酷镇压的政策，日本武力侵占中国东北的同时，竟然不顾世界舆论的强烈反对，公然违背国际公约，在中国以及日本国内大规模从事生化武器研究，并在侵华战争中进行残酷的细菌战与化学战，给中国人民带来了深重的灾难。至今仍有大量的化学弹药遗留在中国，依然对中国人民生命财产安全和生态环境构成重大威胁。