緒論

一、生物化學(xué)的涵義

生物化學(xué)是關(guān)于生命的化學(xué)，或者說是關(guān)于生命的化學(xué)本質(zhì)的科學(xué)。它是以研究生物體的化學(xué)組成，生物物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，生命過程中物質(zhì)變化和能量變化的規(guī)律，以及一切生命現(xiàn)象（如生長(zhǎng)、發(fā)育、運(yùn)動(dòng)、呼吸、遺傳、變異、衰老、生命起源等）的生物化學(xué)原理為基本內(nèi)容的科學(xué)。

生物化學(xué)涉及的范圍很廣，學(xué)科分支越來越多。根據(jù)所研究的生物對(duì)象不同，可分為動(dòng)物生化、植物生化、微生物生化、農(nóng)業(yè)生化、臨床生化等。隨著生化向縱深發(fā)展，學(xué)科本身的各個(gè)組成部分常常被作為獨(dú)立的分科，如蛋白質(zhì)生化、糖的生化、核酸、酶學(xué)、能量代謝、代謝調(diào)控等。現(xiàn)代科學(xué)中非常引人注目的分子生物學(xué)，可視為以研究生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能為主要內(nèi)容的現(xiàn)代生物化學(xué)的前沿學(xué)科。

生物化學(xué)既是由多學(xué)科共同孕育形成并發(fā)展起來的邊緣學(xué)科，又是生物及醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、環(huán)保等學(xué)科必不可少的基礎(chǔ)學(xué)科；既是在理論和技術(shù)方面都有很大影響的帶頭學(xué)科，又是涉及面很廣的應(yīng)用學(xué)科。無論就其在自然科學(xué)中的地位來看，還是從其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的作用來看，都是十分重要的一門科學(xué)。正如1953年Watson和Crick提出DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，對(duì)生物學(xué)、遺傳學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)，從理論到實(shí)踐所產(chǎn)生的深刻影響那樣，生物化學(xué)研究成果的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出對(duì)生命本身的認(rèn)識(shí)。

二、生物化學(xué)的形成和發(fā)展

生物化學(xué)是一門新興學(xué)科，是20世紀(jì)早期在有機(jī)化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)上形成的一門邊緣學(xué)科。早在史前，人類就已經(jīng)在生產(chǎn)、生活和醫(yī)療等方面積累了許多與生化有關(guān)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。如在公元前22世紀(jì)就用谷物釀酒；公元前12世紀(jì)就會(huì)制醬、制飴糖。公元前7世紀(jì)，我國(guó)中醫(yī)醫(yī)生就用車前子、杏仁等中草藥治療腳氣病，用豬肝治療夜盲（雀目）癥等。然而，人們對(duì)生命的化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)卻很晚，直到18世紀(jì)中后期才有所發(fā)現(xiàn)。

19世紀(jì)末以前是靜態(tài)生物化學(xué)階段。這是生物化學(xué)發(fā)展的萌芽階段，其主要的工作是分析和研究生物體的組成成分。18世紀(jì)70年代，Schcele從動(dòng)、植物材料中分離出甘油及檸檬酸、蘋果酸、乳酸、尿酸等有機(jī)物。18世紀(jì)80年代，Lavoisier發(fā)現(xiàn)動(dòng)物吸入O2，呼出CO2，證明了呼吸作用就是氧化作用，他還證明了酒精發(fā)酵本質(zhì)上是一系列的化學(xué)反應(yīng)過程。19世紀(jì)，對(duì)生命現(xiàn)象開展了比較廣泛的研究，對(duì)生命的化學(xué)本質(zhì)的認(rèn)識(shí)有了許多重大進(jìn)展，為生物化學(xué)學(xué)科的形成奠定了基礎(chǔ)。1810年，Gay-Lussac推導(dǎo)出了酒精發(fā)酵的反應(yīng)式；1833年，Payen分離出麥芽淀粉酶。19世紀(jì)50年代，Pasteur證明了酒精發(fā)酵是微生物引起的，排除了發(fā)酵自生論。19世紀(jì)60年代，德國(guó)生理化學(xué)家Hoppe-Seyler得到了蛋白質(zhì)結(jié)晶——血紅蛋白；Mendel發(fā)表了豌豆雜交試驗(yàn)；Miescher發(fā)現(xiàn)核酸等。此后，F(xiàn)ischer等對(duì)酶的催化作用機(jī)理進(jìn)行了早期的研究。

1877年，Hoppe-Seyler首次提出“Biochemie”（“生物化學(xué)”），并創(chuàng)辦了《生理化學(xué)》雜志。從此，隨著生產(chǎn)和研究工作的發(fā)展，以及教學(xué)工作的需要，生物化學(xué)的有關(guān)內(nèi)容才從有機(jī)化學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)等學(xué)科中獨(dú)立出來，逐漸形成了現(xiàn)在這樣一門以生物功能為軸心的理論體系獨(dú)特的邊緣學(xué)科。

20世紀(jì)上半葉是動(dòng)態(tài)生物化學(xué)階段。這一時(shí)期是生物化學(xué)蓬勃發(fā)展的時(shí)期，人們基本上弄清了生物體內(nèi)各種主要化學(xué)物質(zhì)的代謝途徑。早期的發(fā)酵和醫(yī)學(xué)研究對(duì)生化的發(fā)展，無論是在生化的早期，還是在現(xiàn)代生化研究中，都是重要的動(dòng)力。特別是在1897年，Buchner兄弟利用無細(xì)胞酵母汁液發(fā)酵蔗糖產(chǎn)生酒精的研究將酶學(xué)和代謝等現(xiàn)代生化研究引入了一個(gè)快速發(fā)展的新時(shí)期，是生化發(fā)展早期的一個(gè)重要里程碑。脂肪酸氧化降解途徑、糖酵解途徑、三羧酸循環(huán)途徑的基本化學(xué)過程都在20世紀(jì)30年代提出來了。1926年，Sumner獲得脲酶結(jié)晶，證明了酶的化學(xué)本質(zhì)是蛋白質(zhì)；其后，蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和功能的研究成了熱點(diǎn)。

20世紀(jì)50年代進(jìn)入分子生物學(xué)時(shí)期。這一階段的主要研究工作就是探討各種生物大分子的結(jié)構(gòu)與其功能之間的關(guān)系。1955年，由Sanger首次完成了牛胰島素分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)分析。10年之后的1965年，由我國(guó)生物化學(xué)家率先完成了結(jié)晶牛胰島素分子的人工合成，為推動(dòng)核酸、蛋白質(zhì)等生物大分子的人工合成做出了重大貢獻(xiàn)。同一歷史時(shí)期，關(guān)于蛋白質(zhì)分子空間構(gòu)象與功能的研究、核酸大分子結(jié)構(gòu)與功能的研究、生物膜的結(jié)構(gòu)與功能的研究，以及生物氧化、電子傳遞鏈、輔酶、激素等方面都有突破性的研究成果。1965年Monod提出的蛋白質(zhì)變構(gòu)學(xué)說，對(duì)酶學(xué)和代謝調(diào)節(jié)的研究產(chǎn)生了積極的影響。由于放射性同位素標(biāo)記追蹤實(shí)驗(yàn)用于代謝研究，以及酶抑制劑的使用和微量分析技術(shù)的進(jìn)步，在20世紀(jì)50年代關(guān)于氨基酸、嘌呤、嘧啶、脂肪酸、萜類化合物等許多物質(zhì)的生物合成和酶促降解途徑被闡明了。

自1944年Avery用肺炎球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)證明了核酸是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)之后，1953年Watson和Crick提出了DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，奠定了分子遺傳學(xué)的理論基礎(chǔ)。1967年，Weiss發(fā)現(xiàn)了T4噬菌體DNA連接酶，R.Yuan發(fā)現(xiàn)了DNA限制性內(nèi)切酶，這些發(fā)現(xiàn)為研究核酸大分子結(jié)構(gòu)和功能找到了自由切割和重組的工具。在此基礎(chǔ)上，1977年Sanger完成了由5375個(gè)核苷酸組成的ΦX174DNA一級(jí)結(jié)構(gòu)分析。這些成果和方法，以及原核細(xì)胞代謝調(diào)控機(jī)理的研究成果為進(jìn)行遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的研究，為基因分離、體外重組和體內(nèi)表達(dá)創(chuàng)造了條件。進(jìn)入20世紀(jì)80年代世界新的工業(yè)革命浪潮以來，各國(guó)政府對(duì)生物技術(shù)和新材料都倍加重視，分子生物學(xué)研究成了最受青睞的學(xué)術(shù)領(lǐng)域之一，酶工程、遺傳工程、細(xì)胞工程、生物工程都得到了迅速發(fā)展。其中，DNA重組技術(shù)已成為當(dāng)代最突出的科學(xué)成就之一。通過重組技術(shù)，可將親緣關(guān)系很遠(yuǎn)的外來基因引入細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)了定向改造微生物的DNA分子，創(chuàng)造出具有新的遺傳性狀的新物種。生化研究把人們認(rèn)識(shí)自然、改造自然的能力發(fā)展到了一個(gè)自由度更大的新階段。

1990年，人類基因組計(jì)劃（將人體23對(duì)染色體全部DNA的核苷酸序列測(cè)出來）正式啟動(dòng)，到2000年6月，人類基因組序列草圖提前完成。這是人類生命科學(xué)歷史上的一個(gè)重大里程碑，它揭示了人類遺傳學(xué)圖譜的基本特點(diǎn)，將為人類的健康和疾病研究帶來根本性的變革。

2014年6月5日，清華大學(xué)宣布：清華大學(xué)醫(yī)學(xué)院顏寧教授研究組在世界上首次解析了人源葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT1的晶體結(jié)構(gòu)，初步揭示了其工作機(jī)制及相關(guān)疾病的致病機(jī)理。該研究成果被國(guó)際學(xué)術(shù)界譽(yù)為“具有里程碑意義”的重大科學(xué)成就。

三、本課程的內(nèi)容組成

本教材屬于普通生化的范疇，其內(nèi)容以介紹生物界普遍存在的化學(xué)物質(zhì)和共同遵循的基本代謝規(guī)律為主。課程內(nèi)容主要由三部分組成。

1.生物體的化學(xué)組成

生物機(jī)體的化學(xué)組成非常復(fù)雜，從無機(jī)物到有機(jī)物，從小分子到各種生物大分子，應(yīng)有盡有。除了各種無機(jī)鹽和水之外，大多數(shù)生物物質(zhì)是由下面30種小分子前體物質(zhì)構(gòu)成的。有人將這30種前體物質(zhì)稱為生物化學(xué)的字母表。

（1）20種氨基酸　氨基酸是組成所有蛋白質(zhì)分子的單體，也參與許多其他結(jié)構(gòu)物質(zhì)和活性物質(zhì)的組成。

（2）5種芳香族堿基　2種嘌呤（腺嘌呤和鳥嘌呤）和3種嘧啶（胞嘧啶、尿嘧啶、胸腺嘧啶）分別參加核苷酸的組成。核苷酸是DNA和RNA分子的前體，也是核苷酸類輔酶和高能磷酸化合物ATP等三磷酸核苷酸的前體。

（3）2種糖　D-葡萄糖是植物光合作用的主要產(chǎn)物，也是多糖化合物的主要單體分子。D-核糖是核苷酸的組成成分。

（4）脂肪酸、甘油和膽堿　它們是脂肪和類脂的組成成分。類脂中，磷脂分子是組建生物膜雙層脂質(zhì)的基本物質(zhì)。

由以上單體分子或它們的衍生物為基本成分組成的糖類、脂類、蛋白質(zhì)、核酸以及對(duì)代謝起催化和調(diào)節(jié)作用的酶、維生素和激素，通常被稱為生物化學(xué)中的四大基本物質(zhì)和三大活性物質(zhì)。研究這些生物物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能的內(nèi)容，在生物化學(xué)教材中，稱為靜態(tài)生物化學(xué)。書中的第一章至第五章屬靜態(tài)生物化學(xué)的內(nèi)容。

2.代謝的研究

新陳代謝是生命的基本特征。在生化中，關(guān)于代謝的內(nèi)容稱為動(dòng)態(tài)生物化學(xué)。物質(zhì)代謝是生物體與外界的物質(zhì)交換過程，是活細(xì)胞進(jìn)行的復(fù)雜的系列酶促反應(yīng)過程，其基本過程主要包括三大步驟：消化、吸收→中間代謝→排泄。其中，中間代謝過程是在細(xì)胞內(nèi)進(jìn)行的，是最為復(fù)雜的化學(xué)變化過程，它包括合成代謝、分解代謝、物質(zhì)互變、代謝調(diào)控、能量代謝幾方面的內(nèi)容。合成代謝是生物體利用外來營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化為自身有機(jī)物質(zhì)的過程；分解代謝則是生物機(jī)體中原有的有機(jī)物質(zhì)分解并轉(zhuǎn)化為環(huán)境中物質(zhì)的過程。代謝過程的化學(xué)反應(yīng)可分為氧化還原反應(yīng)、基團(tuán)轉(zhuǎn)移反應(yīng)、水解反應(yīng)、裂解反應(yīng)、異構(gòu)反應(yīng)和合成反應(yīng)。動(dòng)態(tài)生物化學(xué)以代謝途徑為中心，研究物質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)的變化規(guī)律及其伴隨發(fā)生的能量變化。書中第六章至第十章屬代謝方面的內(nèi)容。

3.遺傳的分子基礎(chǔ)及代謝調(diào)節(jié)

生物性狀之所以能代代相傳，是靠核酸和蛋白質(zhì)作為物質(zhì)基礎(chǔ)。DNA是遺傳信息的載體，通過DNA分子半保留復(fù)制，將遺傳信息傳遞給子代細(xì)胞，再通過蛋白質(zhì)生物合成，將生物的遺傳性狀表達(dá)出來。生物體內(nèi)的化學(xué)變化，就反應(yīng)性質(zhì)的復(fù)雜性、產(chǎn)品的多樣性和生產(chǎn)組織調(diào)控的嚴(yán)密性來說，是任何現(xiàn)代化大工廠所不能比擬的。從20世紀(jì)60年代以來，現(xiàn)代生化研究正在逐漸揭示生物體代謝調(diào)節(jié)機(jī)制的秘密，所取得的成果已經(jīng)對(duì)遺傳育種和生物工程產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大影響。細(xì)胞內(nèi)存在多條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，而這些途徑之間通過一定的方式相互交織在一起，從而構(gòu)成了非常復(fù)雜的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)，調(diào)控細(xì)胞的代謝、生理活動(dòng)及生長(zhǎng)分化。代謝調(diào)控理論是新型發(fā)酵生產(chǎn)的主要理論依據(jù)，在抗生素、氨基酸、核苷酸、酶制劑、單細(xì)胞蛋白等新型發(fā)酵領(lǐng)域，若沒有代謝調(diào)控理論的指導(dǎo)，則難以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo)。第十一章至第十四章介紹這方面的基本知識(shí)。

四、學(xué)習(xí)生物化學(xué)應(yīng)注意的幾個(gè)問題

1.建立起以生物功能為軸線的思維體系

因?yàn)樯锘瘜W(xué)的理論體系是以生物功能為軸線建立起來的，不同于無機(jī)化學(xué)以元素周期系為基礎(chǔ)的理論體系，也不同于有機(jī)化學(xué)以官能團(tuán)為基礎(chǔ)的理論體系。從靜態(tài)生化到動(dòng)態(tài)生化都貫穿著生物功能這根軸線。靜態(tài)生化中有些生化物質(zhì)的概念就與有機(jī)化學(xué)的不同。關(guān)于分子結(jié)構(gòu)與生物功能的關(guān)系更是生化重點(diǎn)討論的內(nèi)容，例如，維生素類化合物有30多種，它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)相差很大，可分別屬于有機(jī)化學(xué)的醇、酸、酚、醌、醛、胺、苷等化合物。因?yàn)樗鼈冊(cè)隗w內(nèi)都有調(diào)節(jié)代謝、維持生命的作用，故同歸為一類，叫做維生素。生物化學(xué)中的脂類化合物，是泛指生物合成并能被生物體利用的所有溶于有機(jī)溶劑的化合物。其成員復(fù)雜，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了有機(jī)化學(xué)中酯類的范圍，卻又不能包括有機(jī)化學(xué)中所有的酯類化合物。酶是蛋白質(zhì)，卻又從蛋白質(zhì)化學(xué)中獨(dú)立出來，以突出研究其結(jié)構(gòu)、功能和作用機(jī)理。至于各種物質(zhì)在細(xì)胞中的代謝變化，都有其特定的生物功能。學(xué)習(xí)研究反應(yīng)過程和代謝變化規(guī)律，要理解正常代謝與生命現(xiàn)象的關(guān)系，還要理解正常或非正常代謝與發(fā)酵生產(chǎn)的關(guān)系。

2.注意學(xué)習(xí)技巧

生物化學(xué)內(nèi)容雖有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)之分，但編排次序并沒有固定的格式，無論怎樣編排，前后內(nèi)容都是平等的，但又互相聯(lián)系、互相依存。前面的內(nèi)容常常需要學(xué)到后面才能深入理解，學(xué)習(xí)后面的內(nèi)容又離不開前面的知識(shí)。因此，學(xué)習(xí)方法上需要前掛后聯(lián)，溫故知新。隨學(xué)隨消化，則越學(xué)越容易，否則，越學(xué)困難越大。經(jīng)常復(fù)習(xí)，總結(jié)歸納，是很重要的方法。復(fù)習(xí)時(shí)要由綱到目，先粗后細(xì)；否則，會(huì)覺得內(nèi)容多，零亂無序，沒有系統(tǒng)。

3.要充分利用實(shí)驗(yàn)課的機(jī)會(huì)

加深對(duì)生化理論知識(shí)的理解，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)研究方法，提高分析問題、解決問題和動(dòng)手的能力。