化學 : 交叉學科 : 生物學課程 : 生物技術 > 生物化學
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概述
  拼音 sheng wu hua xue
  英語 biochemistry
  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,A.-L.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F.沃勒首次在實驗室中合成了一種有機物──尿素,打破了有機物衹能靠生物産生的觀點,給“生機論”以重大打擊。1860年L.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,終於推翻了“生機論”。
   生物學的分支學科。它是研究生命物質的化學組成、結構及生命活動過程中各種化學變化的基礎生命科學。
   生物化學若以不同的生物為對象,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。60年代以來,生物化學與其他學科融合産生了一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,分為醫學生化、農業生化、工業生化、營養生化等。
研究內容
  生物體的化學組成 除了水和無機????之外,活細胞的有機物主要由碳原子與氫、氧、氮、磷、硫等結合組成,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;後者有維生素、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、生物鹼、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。如陸續發現的幹擾素、環核苷一磷酸、鈣調蛋白、粘連蛋白、外源凝集素等,已成為重要的研究課題。有的簡單的分子,如作為代謝調節物的果糖-2,6-二磷酸是1980年纔發現的。另一方面,早已熟知的化合物也會發現新的功能,20世紀初發現的肉鹼,50年代纔知道是一種生長因子,而到60年代又瞭解到是生物氧化的一種載體。多年來被認為是分解産物的腐胺和屍胺,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超蠃旋起穩定作用以及調節細胞分化等。
  新陳代謝與代謝調節控製 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;後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係列中間步驟組成。中間代謝就是研究其中的化學途徑的。如糖元、脂肪和蛋白質的異化是各自通過不同的途徑分解成葡萄糖、脂肪酸和氨基酸,然後再氧化生成乙酰輔酶A,進入三羧酸循環,最後生成二氧化碳。
  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起着中心的作用。
  新陳代謝是在生物體的調節控製之下有條不紊地進行的。這種調控有3種途徑:①通過代謝物的誘導或阻遏作用控製酶的合成。這是在轉錄水平的調控,如乳糖誘導乳糖操縱子合成有關的酶;②通過激素與靶細胞的作用,引發一係列生化過程,如環腺苷酸激活的蛋白激酶通過磷酰化反應對糖代謝的調控;③效應物通過別構效應直接影響酶的活性,如終點産物對代謝途徑第一個酶的反饋抑製。生物體內絶大多數調節過程是通過別構效應實現的。
  生物大分子的結構與功能 生物大分子的多種多樣功能與它們特定的結構有密切關係。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。由於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。酶的催化原理的研究是這方面突出的例子。蛋白質分子的結構分4個層次,其中二級和三級結構間還可有超二級結構,三、四級結構之間可有結構域。結構域是個較緊密的具有特殊功能的區域,連結各結構域之間的肽鏈有一定的活動餘地,允許各結構域之間有某種程度的相對運動。蛋白質的側鏈更是無時無刻不在快速運動之中。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。這一技術不僅為研究蛋白質的結構與功能的關係提供了新的途徑;而且也開闢了按一定要求合成具有特定功能的、新的蛋白質的廣阔前景。
  核酸的結構與功能的研究為闡明基因的本質,瞭解生物體遺傳信息的流動作出了貢獻。鹼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。脫氧核糖核酸的雙蠃旋結構有不同的構象,J.D.沃森和F.H.C.剋裏剋發現的是B-結構的右手蠃旋,後來又發現了稱為 Z-結構的左手蠃旋。DNA還有超蠃旋結構。這些不同的構象均有其功能上的意義。核糖核酸包括信使核糖核酸(mRNA)、轉移核糖核酸(tRNA)和核蛋白體核糖核酸(rRNA),它們在蛋白質生物合成中起着重要作用。新近發現個別的RNA有酶的功能。
  基因表達的調節控製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。對於原核生物的基因調控已有不少的瞭解;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製子的作用;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,澱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年代纔開始為人們所認識。寡糖和蛋白質或脂質可以形成糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂。由於糖鏈結構的復雜性,使它們具有很大的信息容量,對於細胞專一地識別某些物質並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、酶並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於瞭解它們的結構與功能的關係。有些類似物由於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於基因工程而得到具有重要功能的蛋白質及其類似物。
  酶學研究 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。這些特點取决於酶的結構。酶的結構與功能的關係、反應動力學及作用機製、酶活性的調節控製等是酶學研究的基本內容。通過 X射綫晶體學分析、化學修飾和動力學等多種途徑的研究,一些具有代表性的酶的作用原理已經比較清楚。70年代發展起來的親和標記試劑和自殺底物等專一性的不可逆抑製劑已成為探討酶的活性部位的有效工具。多酶係統中各種酶的協同作用,酶與蛋白質、核酸等生物大分子的相互作用以及應用蛋白質工程研究酶的結構與功能是酶學研究的幾個新的方向。酶與人類生活和生産活動關係十分密切,因此酶在工農業生産、國防和醫學上的應用一直受到廣泛的重視。
  生物膜和生物力能學 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並可側嚮移動。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係,是生物化學中一個活躍的研究領域。
  以能量轉換為例,在生物氧化中,代謝物通過呼吸鏈的電子傳遞而被氧化,産生的能量通過氧化磷酸化作用而貯存於高能化合物ATP中,以供應肌肉收縮及其他耗能反應的需要。綫粒體內膜就是呼吸鏈氧化磷酸化酶係的所在部位,在細胞內發揮着電站作用。在光合作用中通過光合磷酸化而生成 ATP則是在葉緑體膜中進行的。以上這些研究構成了生物力能學的主要內容。
  激素與維生素 激素是新陳代謝的重要調節因子。激素係統和神經係統構成生物體兩種主要通訊係統,二者之間又有密切的聯繫。70年代以來,激素的研究範圍日益擴大。如發現腸胃道和神經係統的細胞也能分泌激素;一些生長因子、神經遞質等也納入了激素類物質中。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瞭解,有些是改變膜的通透性,有些是激活細胞的酶係,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係。
  生命的起源與進化 生物進化學說認為地球上數百萬種生物具有相同的起源並在大約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。例如所有種屬的 DNA中含有相同種類的核苷酸。許多酶和其他蛋白質在各種微生物、植物和動物中都存在並具有相近的氨基酸序列和類似的立體結構,而且類似的程度與種屬之間的親緣關係相一致。DNA復製中的差錯可以說明作為進化基礎的變異是如何發生的。生物由低級嚮高級進化時,需要更多的酶和其他蛋白質,基因的重排和突變為適應這種需要提供了可能性。由此可見,有關進化的生物化學研究將為闡明進化的機製提供更加本質的和定量的信息。
  方法學 在生物化學的發展中,許多重大的進展均得力於方法上的突破。例如同位素示蹤技術用於代謝研究和結構分析;層析,特別是70年代以來全面地大幅度地提高體係性能的高效液相層析以及各種電泳技術用於蛋白質和核酸的分離純化和一級結構測定;X射綫衍射技術用於蛋白質和核酸晶體結構的測定;高分辨率二維核磁共振技術用於溶液中生物大分子的構象分析;酶促等方法用於DNA序列測定;單剋隆抗體和雜交瘤技術用於蛋白質的分離純化以及蛋白質分子中抗原决定因子的研究等。70年代以來計算機技術廣泛而迅速地嚮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係研究提供了全新的手段。生物化學今後的繼續發展無疑還要得益於技術和方法的革新。
理論意義和實際應用
  生物化學對其他各門生物學科的深刻影響首先反映在與其關係比較密切的細胞學、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謝、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係不大的學科,如分類學和生態學,甚至在探討人口控製、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,産生了生物物理學、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産實踐的推動下成長起來的,反過來,它又促進了這些部門生産實踐的發展。
  醫學生化 對一些常見病和嚴重危害人類健康的疾病的生化問題進行研究,有助於進行預防、診斷和治療。如血清中肌酸激酶同工酶的電泳圖譜用於診斷冠心病、轉氨酶用於肝病診斷、澱粉酶用於胰腺炎診斷等。在治療方面,磺胺藥物的發現開闢了利用抗代謝物作為化療藥物的新領域,如5-氟尿嘧啶用於治療腫瘤。青黴素的發現開創了抗生素化療藥物的新時代,再加上各種疫苗的普遍應用,使很多嚴重危害人類健康的傳染病得到控製或基本被消滅。生物化學的理論和方法與臨床實踐的結合,産生了醫學生化的許多領域,如:研究生理功能失調與代謝紊亂的病理生物化學,以酶的活性、激素的作用與代謝途徑為中心的生化藥理學,與器官移植和疫苗研製有關的免疫生化等。
  農業生化 農林牧副漁各業都涉及大量的生化問題。如防治植物病蟲害使用的各種化學和生物殺蟲劑以及病原體的鑒定;篩選和培育農作物良種所進行的生化分析;傢魚人工繁殖時使用的多肽激素;喂養傢畜的發酵飼料等。隨着生化研究的進一步發展,不僅可望采用基因工程的技術獲得新的動、植物良種和實現糧食作物的固氮;而且有可能在掌握了光合作用機理的基礎上,使整個農業生産的面貌發生根本的改變。
  工業生化 生物化學在發酵、食品、紡織、製藥、皮革等行業都顯示了威力。例如皮革的鞣製、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、生物製品及製藥工業包括抗生素、有機溶劑、有機酸、氨基酸、酶製劑、激素、血液製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。
  70年代以來,生物工程受到很大重視。利用基因工程技術生産貴重藥物進展迅速,包括一些激素、幹擾素和疫苗等。基因工程和細胞融合技術用於改進工業微生物菌株不僅能提高産量,還有可能創造新的抗菌素雜交品種。一些重要的工業用酶,如α-澱粉酶、纖維素酶、青黴素酰化酶等的基因剋隆均已成功,正式投産後將會帶來更大的經濟效益。
  國防方面的應用 防生物戰、防化學戰和防原子戰中提出的課題很多與生物化學有關。如射綫對於機體的損傷及其防護;神經性毒氣對膽鹼酯酶的抑製及解毒等。
發展簡史
  生物化學是生命科學中最古老的學科之一(之二:遺傳學、細胞學)。
  科學的發展總是由粗到細再到粗,或綜—分—綜。
  最早的自然科學就是數、理、化、天、地、生。生就是生物學,研究的就是一些力所能及的生物形態觀察、分類等。
  隨着各學的發展,學科間在理論知識和技術上相互滲透,尤其是化學、物理學的滲透,那麽到18世紀,一些從事化學研究的科學家,如拉瓦錫、捨勒等人和一些藥劑師、煉丹師轉嚮生物領域,這就為生物化學的誕生播下了種子。這時生物學就逐漸分離成生理化學、遺傳學、細胞學。
  19世紀末,又從生理化學中分離出生物化學,20世紀中後期又從生物化學中分離出分子生物學並與經典遺傳學結合為分子遺傳學,還有發育生物學,結構生物學等等。現在又有統一的趨勢,叫二十一世紀的“統一生物學”或幹脆叫生命科學,生物工程嚴格講應是生物技術與工程學的雜交學科。
  1、 靜態生物化學時期(1920年以前)研究內容以分析生物體內物質的化學組成、性質和含量為主。
  2、 動態生物化學時期(1950年以前)這是一個飛速發展的輝煌時期,
  隨着同位素示蹤技術、色譜技術等物理學手段的廣泛應用,生物化學從單純的組成分析深入到物質代謝途徑及動態平衡、能量轉化,光合作用、生物氧化、糖的分解和合成代謝、蛋白質合成、核酸的遺傳功能、酶、維生素、激素、抗生素等的代謝,都基本搞清。
  3、 機能生物化學時期(1950年以後)真正意義上的現代的生命化學。蛋白質化學和和核酸化學成為研究重點。
  生物化學研究深入到生命的本質和奧秘:運動、神經、內分泌、生長、發育、繁殖等的分子機理。
  1953年,DNA雙蠃旋結構、近代實驗技術和研究方法奠定了現代分子生物學的基礎,從此,核酸成了生物化學研究的熱點和重心。
  1776—1778年,瑞典化學家捨勒(Sheele)從天然産物中分離出:
  甘 油 glycerol
  蘋果酸 malic acid 蘋果
  檸檬酸 citric acid 檸檬
  尿 酸 uric acid 膀胱結石
  酒石酸 tartaric acid 酒石
  1937年,英國生物化學家剋雷布斯(Krebs)發現三羧酸循環,1953年諾貝爾生理學奬。
  1953年,沃森—剋裏剋(Watson—Crick)確定DNA雙蠃旋結構,1962年諾貝爾生理、醫學奬。
  1955年,英國生物化學家桑格爾(Sanger)確定牛胰島素結構,1958年諾貝爾化學奬。
  1980年,桑格爾和吉爾伯特(Gilbet)設計出測定DNA序列得方法,1980年諾貝爾化學奬。
  1984年,化學奬,Bruce Merrifield(美國),建立和發展蛋白質化學合成方法。
  1994年,生理、醫學,Alfred G.Gilman(美國),發現G蛋白及其在細胞內信號轉導中的作用。
  1、Rechard J.Roberts(美)等,發現斷裂記因化學奬
  2.Karg B. Mallis(美)發明PCR方法。
  3.Michaet Smith(加拿大)建立DNA合成用與定點誘變研究
  1996年,Petr c. Doherty(美)等,發現T細胞對病毒感染細胞的識別和MHC(主要組織相容性復合體)限製。生理醫學奬
  1997年
  1.stanley B.prusiner(美)發現一中新型的致病因子—感染性蛋白顆粒“pnion”(瘋牛病)生理醫學奬
  2 paul D.Boyer(美)等,說明ATP酶促成機製化學奬
  3 Jens c. skon(丹麥)發現輸送離子的NaKATP酶。
  1998年,生理、醫學,Rolert F. Furchgott(美國),發發現NO是心血管係統的信號分子。
  生物化學與二十一世紀生命科學展望
  1、 生物化學和分子生物學是二十一世紀生命科學的帶頭學科。學科熱點:基因組、蛋白質組、生物剋隆
  2、 生物化學與農業原始農業:採集與狩獵,遊牧式
  傳統農業:原始的種植業,畜牧業
  現代農業:化肥,農藥;緑色革命(雜種優勢),生物防治,分子育種。
  分子農業(工廠化農業):離開土地,細胞水平甚至是分子水平的生化加工業,仿生學原理。
  植物:光合作用 → 固定化細胞培養,葉緑體→光合器。
  動物:細胞培養。
版權信息
  書 名: 生物化學
  作 者:賈弘禔
  出版社: 人民衛生出版社
  出版時間: 2007
  開本: 16
  定價: 59.00 元
內容簡介
  與臨床相結合是基礎醫學教學中不斷強調的一個重點,也是增加學生對基礎課程興趣的一個重要方法。本書通過46個實際案例對生物化學的重要內容進行了闡述。每個案例均包括可讀性很強、易於理解的討論,以及基礎概念、重點術語解釋和臨床提示,文後還有簡短的自測問題,既有助於自學能力的培養,又可促進專業英語的學習。
目錄
  SECTIONI
  ApplyingtheBasicSciencestoClinicalMedicine
  ApproachtoLearningBiochemistry
  ApproachtoDisease
  ApproachtoReading
  SECTIONII
  ClinicalCases
  Cases1-13GeneExpressionandProteinSynthesis
  Cases14-19MetabolismandATP
  Cases20-29CarbohydrateMetabolism
  Cases30-34LipidMetabolism
  Cases35-40ProteinMetabolism
  Cases41-46BiochemicalEndocrinology
  SECTIONIII
  ListingofCases
  ListingByCaseNumber
  ListingByAlphabeticalOrder
百科辭典
  shengwu huaxue
  生物化學
  biochemistry
    即關於生命的化學。運用化學的理論和方法研究生物的一門科學。其主要研究的內容包括:物質的組成(水、蛋白質、核酸、脂類、糖類等),物質代謝的變化,分子結構與功能,繁殖與遺傳,以及它們之間的規律和關係。它是重要的基礎醫學學科之一,與其他臨床各科有着十分密切的關係。隨着現代科學的迅速發展,生物化學已進入了分子水平的研究,在分子水平上進一步研究生物的結構、功能及生命的本質,探討疾病的病因、診斷和治療,已經取得了可喜的成就。
    
英文解釋
  1. n.:  biochemistry,  biological chemistry,  scientific study of the chemistry of living organisms
法文解釋
  1. n.  biochimie
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