生物化学：第一章 绪论

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1、生 物 化 学第一章 绪 论 一生物化学（Biochemistry）的概念 生物化学是生命的化学。它是以物理、化学与生物学的近现代技术去研究生物体的物质组成、结构与性质，研究物质在生物体内发生的化学变化及其相互关系，以及研究这些物质的结构和变化与生物的生理机能之间的关系的科学。生物化学用化学的观点去研究生物体，从化学的角度去理解生命现象、探索和解释生命的规律。它是介于化学与生物学之间的一个边缘学科。其研究对象是生物。化学化学生物学生物学生物化学生物化学生物化学生物化学（Biochemistry）：）：研究生命现研究生命现 象的化学本质的科学。象的化学本质的科学。新陈代谢是生命体（有生命的物体）

2、的一个最明显的特征，而非生命体（无生命的物体）则没有新陈代谢。生命体与非生命体之间的关系密切生命体与非生命体之间可以互相转变。生物体内的主要元素有C、H、O、N、P、S、Cl、Na、K、Mg等。微量元素有Fe、Cu、Ca、Mo、Mn、Co、Si、I、Al等。象自然界中的水、CO2、N2、O2、NH3、碳化合物、金属离子即无生命，属于非生命体。当它们以各种方式进入生命体后，可经一系当它们以各种方式进入生命体后，可经一系列代谢转变为生命体的组成部分列代谢转变为生命体的组成部分，即非生命的物即非生命的物质变成生命的物质，非生命体变成生命体质变成生命的物质，非生命体变成生命体了。而在生命体衰老、死亡后

3、，在生命体衰老、死亡后，生命体就又变成生命体就又变成非生命体，生命的物质又变成非生命的物质非生命体，生命的物质又变成非生命的物质。生物体内的有机物质主要有蛋白质、核生物体内的有机物质主要有蛋白质、核酸、糖、脂肪、维生素、有机酸、激素等。酸、糖、脂肪、维生素、有机酸、激素等。蛋白质、核酸、糖蛋白质、核酸、糖、脂统、脂统称为称为生物大分生物大分子子（biomacromolecule）。二生物化学发展的历史阶段 （一）静态生物化学（有机生物化学）指19世纪末以前的生物化学。此阶段的生物化学问题主要从如下方面进行研究。1 医学和生理学 通过对血、尿和组织的化学成分血、尿和组织的化学成分进行分析来满足疾

4、病诊断的需要。2.有机化学 主要是对生物机体之组成物质的成生物机体之组成物质的成份、结构、性质、含量、分布份、结构、性质、含量、分布进行研究。此时期的研究工作远远不能了解生远远不能了解生命的奥秘，不能满足实践的需要，但是命的奥秘，不能满足实践的需要，但是进一步研究生命现象的基础进一步研究生命现象的基础。（二）动态生物化学（代谢生物化学）指20世纪初至20世纪中叶的生物化学。在以上研究的基础上，利用离体器利用离体器官、组织切片、组织匀浆及精制的纯酶官、组织切片、组织匀浆及精制的纯酶等方法等方法，研究生物体内各种组成物质的生物体内各种组成物质的代谢变化及其相互关系，研究生物活性代谢变化及其相互关系

5、，研究生物活性物质（酶、维生素、激素）在代谢变化物质（酶、维生素、激素）在代谢变化中的作用中的作用。此阶段以研究代谢为主以研究代谢为主，解决了实践中的不少问题，但对生化反应与生理对生化反应与生理机能之间的关系还没给以足够的重视机能之间的关系还没给以足够的重视。（三）机能生物化学（功能生物化学）指20世纪中叶至今的生物化学。在动态生物化学的基础上，结合了生理机结合了生理机能，并注意到了环境对机体代谢的影响能，并注意到了环境对机体代谢的影响。一般说来，细胞形成组织，进而组成器官，进而组成个体。在细胞内，各生物（大）分子组织体内物质代谢的变化过程。所以，应从一个完整的有机体的角度去研究体内的物质及其

6、化学变化，具体来说就是研究生物分子、亚细胞、细胞、组研究生物分子、亚细胞、细胞、组织和器官的结构与功能的关系织和器官的结构与功能的关系。此即今日生物化学之主要任务此即今日生物化学之主要任务。这三个阶段是人类对生物化学认识的发展，也是现在人类在生物化学研究工作中的三个研究层次。目前的生物化学研究也仍然从这三 个层次来进行。附：附：生物化学发展史中的若干大事生物化学发展史中的若干大事 1780s，Antoine Lavoisier(French)：认为动物认为动物的的呼吸呼吸有如蜡烛燃烧，都需要有如蜡烛燃烧，都需要O2。这成为生物化学。这成为生物化学中生物氧化和能量代谢的发展基础。中生物氧化和能量

7、代谢的发展基础。1810s-1830s，从动物和植物中分离出一种重要从动物和植物中分离出一种重要物质，由物质，由C、H、O和N等组成。等组成。1838年，正式使用年，正式使用“蛋白质蛋白质”一词，意思是一词，意思是“重重要的物质要的物质”。1850s-1890s，糖类、脂类、核酸被人们认识。糖类、脂类、核酸被人们认识。1870s，“biochemistry”一词形成。一词形成。1890s，Buchner(German)：酵母提取液酵母提取液可使蔗可使蔗糖发酵成酒精！糖发酵成酒精！酶酶从活细胞中提取出来后仍具有功能！从活细胞中提取出来后仍具有功能！推翻了推翻了“活力论活力论”。1920s-193

8、0s，James Sumner：酶是蛋白质酶是蛋白质。1940s-1950s，Avery and Hershey：DNA 是遗是遗传信息的载体。传信息的载体。1950s，Franklin,Watson and Crick：DNA 是是双螺旋结构双螺旋结构。1960s，Nirenberg：遗传密码遗传密码的破译。的破译。1980s，Cech：RNA 具有催化活性具有催化活性（核酶）（核酶）。三生物化学的发展与其它学科的关系 （一）生物化学这门学科自产生之日起就与其它学科相联系 19世纪末20世纪初，它发展为一门独它发展为一门独立的学科，立的学科，即表明它本身具有即表明它本身具有独特的研究独特的研

9、究对象和研究方法对象和研究方法。尽管如此，它仍然与生理学、有机化学、分析化学、物理化学等学科密切相关。化学化学有机化学有机化学物理化学物理化学无机化学无机化学分析化学分析化学高分子化学高分子化学动物学动物学生物学生物学植物学植物学微生物学微生物学（二）生物化学在实践中形成了不少分支 例如，植物生化、动物生化、微生物生化、人体生化、病理生化、临床生化、工业生化、农业生化、生物物理化学等学科。（三）生物化学的发展导致许多生物传统学科的改造 近年来，生物化学的发展主要表现生物化学的发展主要表现在在对生物体内生物大分子的结构、性质、对生物体内生物大分子的结构、性质、功能及其相互作用等基本规律进行深入功

10、能及其相互作用等基本规律进行深入的探索，的探索，开始从分子水平上认识生命的开始从分子水平上认识生命的本质本质，从而使许多生物学科与生物化学密切联系，将生物学推进到分子生物学分子生物学时代时代。例如，核酸的发现与孟德尔的豌豆核酸的发现与孟德尔的豌豆实验几乎同时进行实验几乎同时进行。但两者互不相关达但两者互不相关达80多年多年。DNA双螺旋结构的发现使二者相联系，导致分子遗传学分子遗传学的建立，进一步导致遗传工程（即基因工程）技术遗传工程（即基因工程）技术的建立，这使得有目的地改造物种、操纵生物成为可能。Mendel的研究成果并没有得到当时生物学界的重视，直到35年以后，他的遗传学理论才被重新发现

11、，并得到广泛认同，成为经典遗传学的基础，Mendel也被公认为是经典遗传学的奠基人。四生物化学的应用 工业上工业上食品工业、发酵工业、抗菌素制造业、酶制剂工业、制药工业、生物制品、皮革工业等以至石油开采和照相业都与生物化学有密切关系。生物化学研究生物化学研究可以可以为这些为这些生产过程生产过程建立科学的技术基础建立科学的技术基础，为技术改造以至为技术改造以至于于技术革命技术革命创造条件创造条件。农业上农业上研究代谢过程，控制植物的发育规律，以设法获得于人类有益的物质。研究各种器官的新陈代谢以及外界研究各种器官的新陈代谢以及外界条件对它们代谢的影响，对产品的合理条件对它们代谢的影响，对产品的合理

12、加工、贮藏以至运输都有十分重要意义。加工、贮藏以至运输都有十分重要意义。成为我国第一个具有自主知识产权基因工程农作物品种耐储藏番茄耐储藏番茄 华番一号华番一号 福 州 欧洲转抗除草剂基因玉米欧洲转抗除草剂基因玉米美国转抗除草剂基因大豆美国转抗除草剂基因大豆转抗除草剂基因的农作物免耕，降低生产成本转抗除草剂基因的农作物免耕，降低生产成本 研究家畜、家禽的营养对提高肉类、研究家畜、家禽的营养对提高肉类、蛋类产量都有实际意义。蛋类产量都有实际意义。可以用基因工程技术生产转基因动植物，以获得具抗寒、抗病、抗虫害、抗除草剂的新型植物，以及可提高肉类产量、乳产量、蛋产量的转基因动物。医学上医学上人们根据发

13、病机理以及人们根据发病机理以及病原体与人体在代谢和调控上的差异，病原体与人体在代谢和调控上的差异，设计和筛选出各种高效低毒的药物。设计和筛选出各种高效低毒的药物。若没有生化知识，就难以确诊疾病若没有生化知识，就难以确诊疾病和给以适当治疗。临床上的生化诊断在和给以适当治疗。临床上的生化诊断在今天已成为一种不可缺少的诊断方法。今天已成为一种不可缺少的诊断方法。在临床治疗上的酶疗法，特别是某在临床治疗上的酶疗法，特别是某些固定化酶用于治疗各种疾病已十分普些固定化酶用于治疗各种疾病已十分普遍。遍。各种疫苗、激素、血液制品、维生各种疫苗、激素、血液制品、维生素、氨基酸、核苷酸、抗菌素和抗代谢素、氨基酸、

14、核苷酸、抗菌素和抗代谢药物等已广泛用于医药实践。药物等已广泛用于医药实践。近年来新兴的基因疗法乃是当今医近年来新兴的基因疗法乃是当今医学上的热点，人们期待着它的推广应用，学上的热点，人们期待着它的推广应用，为疾病患者带来福音。为疾病患者带来福音。生物化学是生物化学是预防医学预防医学的重要基础。的重要基础。增进人体健康是预防疾病的一种积极因增进人体健康是预防疾病的一种积极因素，而如何供给人体以适当营养，增进素，而如何供给人体以适当营养，增进人体健康，则是生物化学研究的一个重人体健康，则是生物化学研究的一个重要内容。要内容。按照生长发育的需要配制合理的饮按照生长发育的需要配制合理的饮食，不仅可以预

15、防而且可以治疗疾病。食，不仅可以预防而且可以治疗疾病。实践中许多食品添加剂、营养补剂等已实践中许多食品添加剂、营养补剂等已得到广泛应用。得到广泛应用。环境保护上环境保护上有些微生物能产生与塑料类似的高分子化合物与塑料类似的高分子化合物即聚酯聚酯。这些聚酯这些聚酯是微生物的是微生物的内源性贮藏物内源性贮藏物质质，可以用发酵方法进行生产，由此形由此形成的塑料和地膜成的塑料和地膜因有可被生物降解、高熔点、高弹性、不含有毒物质等优点而在医学等许多领域有极好的应用前景。为降低成本、提高产量，人们正在用重组DNA技术对相关的微生物进行改造。此方面目前一个研究热点是采用微生物发酵法生产聚聚-羟基烷酸酯羟基烷

16、酸酯(PHAs)，研究人员正设法构建出自溶性自溶性PHAs生产菌种生产菌种，即将将PHAs重组菌进行发酵，在积累大量重组菌进行发酵，在积累大量的的PHAs后，加入信号物质，使裂解蛋白产后，加入信号物质，使裂解蛋白产生，细胞壁破坏，生，细胞壁破坏，PHAs析出析出，以简化胞内产物PHAs的提取过程，降低提取成本。让地上长塑料！让地上长塑料！植物合成可降解塑料植物合成可降解塑料根除白色污染根除白色污染保护生态环境保护生态环境让地上长塑料！让地上长塑料！植物合成可降解塑料植物合成可降解塑料80%干重干重3 PHA(聚羟基脂肪酸酯)基因转化基因转化AzotobacterVinelandii让地上长塑料！让地上长塑料！植物合成可降解塑料植物合成可降解塑料3 PHB基因基因 转化转化Arabidopsis 14%干重干重让地上长塑料！让地上长塑料！植物合成可降解塑料植物合成可降解塑料未来的塑料未来的塑料 生物塑料生物塑料五我国生物化学研究取得的重大成果 吴宪提出的蛋白质变性理论。1965年，在世界上首次人工合成出有生物活性的结晶牛胰岛素；1981年，在世界上首次人工合成出有生物活性的酵母丙氨酸转移核糖核酸（酵母丙氨酸tRNA）；