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第一章绪论

一、生物化学的概念和任务
（一）概念和研究对象
1、生物化学（Biochemistry）：
　　研究生命化学的科学，也就是在分子水平研究生命本质的一门科学。即在分子水平研究生物体的分子结构与功能、物质代谢与调节、及其在生命活动中的作用。分子生物学（molecular biology）：研究生物大分子结构、功能及其代谢调控。
2、生物化学的研究方法：
　　主要是采用化学的原理和方法。也与生理学、细胞学、遗传学有广泛的联系与交叉。
3、研究对象：
　　包括整个自然界的生物体（包括人类、动物、植物和微生物）。
　　具体说来：
　　（1）生物体基本物质的化学组成：
　　蛋白质、核酸、糖类、脂类、无机盐和水分，还有多种含量较少而对生命活动极为重要的维生素、激素和微量元素。
　　（2）生命活动中所进行的化学变化（代谢反应）及其规律。
　　（3）化学变化与生理机能的关系。
（二）生物化学的任务
1、研究这些基本物质的化学组成、结构、理化性质、生物功能以及结构与功能的关系，这些内容有人称为静态生物化学。
2、生物化学的另一任务就是研究代谢的规律，这些内容有人称为动态生物化学。
　　生物体内的各种基本物质在生命活动过程中不断地进行着互相联系、互相制约、互相对立而又统一的多种复杂而又有规律的化学变化。
　　这一系列化学变化就是生物体与外界环境进行的物质交换，称为新陈代谢（简称代谢）。简而言之，代谢就是在体内进行的化学反应，它是生命的基本特征之一，是揭示生命现象的本质的重要环节，代谢一停止，生命也就随之停止。
3、生物化学的又一任务是研究代谢反应与生理机能的关系，称为机能生物化学，它是了解生命现象的重要环节之一。
　　生物体尤其是人体具有多种生理机能，如肌肉收缩、神经冲动传导、腺体分泌、视觉和听觉等。这些生理机能都是以物质代谢为基础的。
　　总之，生物化学的任务就是研究组成生物体基本物质的性质，结构与功能，以及这些物质在生命活动过程中所进行的化学变化的规律及其与生理机能的关系，从而阐明生命现象的本质，并把这些知识应用到社会实践和生产实践中去，以达到征服自然和改造自然的目的。
二、生物化学的主要研究内容
（一）生物分子的结构与功能
1、生物大分子：
　由某些基本结构单位按一定顺序和方式连接所形成的多聚体（polymer）。分子量一般超过104。包括蛋白质、核酸、聚糖。
　生物大分子的重要特征——具有信息功能。又称生物信息分子。
2、生物大分子的一级结构：
　基本组成单位的种类、排列顺序、排列方式。
3、生物大分子的空间结构及其与功能的关系结构是功能的基础，功能是结构的体现。
4、分子识别和分子的相互作用——执行生物分子功能的基本要素。
（二）物质代谢及其调节
1、酶结构和含量的变化对代谢的调节作用。
2、细胞信息传递的机制。
（三）基因信息的传递及其调控
三、生物化学与医药卫生和工农业生产的关系
　　生物化学是20世纪初才脱离有机化学和生理学而发展成为一门独立的新型的边缘学科。
　　有机化学是研究自然界的含碳化合物，从一开始就以生物体内有机物质为其研究对象。
　　生理学是研究生物体各类细胞、组织、器官和系统的功能，以及机体对内外环境变化的反应。
　　生物物理学是近年来发展起来的一门新的边缘学科，它是以物理学的理论和方法来研究生命活动的物质基础。例如生物体系的物理性质、生命活动过程中的物理规律，以及环境物理因素对机体的作用等研究。
　　分子生物学是最近迅速发展的一门新兴学科，它是从分子水平，尤其是通过对生物体的主要物质基础，特别是蛋白质、核酸和酶等生物大分子的结构及其运动规律的研究，来探讨生命现象的本质。
　　所以有机化学、生理学、生物物理学和分子生物学等与生物化学关系极为密切，尤其是后三者的关系更为密切，常不易划分清楚。
　　生物化学本身就是基础医学学科之一，它与其它基础医学学科有广泛而又密切的联系。
　　除前述生理学之外，组织化学就是以生物化学的原理和技术来研究细胞内部结构和功能的关系。
　　在微生物学方面，微生物的代谢、免疫作用的本质和机制、病毒的化学本质和作用、微生物的遗传变异、菌种的选育等的研究也都需要生物化学的原理和技术。
　　病理生理学就是应用生理学与生物化学的知识来探讨病因和发病机制的学科。
　　生物化学在预防医学和临床医学也很重要。代谢过程的异常必将表现为疾病，例如糖尿病就是由于胰岛素缺乏而引起的糖代谢障碍，因此需要用胰岛素来治疗。其次，从血、尿及其它体液的分析来了解人体物质代谢情况，有助于疾病的诊断。所以生物化学与疾病的病因、发病机制、诊断和防治均有很密切的关系。
　　生物化学在药学方面也具有很重要的地位，例如近代药理学正着重研究药物在体内的代谢转化和代谢动力学以及药物的作用机制，并已发展成为生化药理学。近来迅速发展的分子药理学，是在分子水平上研究药物分子如何与生物大分子相互作用的机制，这些研究都需要生物化学的理论和技术。许多药物是从生物体提取分离的天然物质，例如生化药物就是运用生物化学的研究成果，把生物体内重要的基本物质用于治疗疾病的一大类药物。生化药物近年来有了很大发展，已在临床应用的近三百多种，包括氨基酸、多肽、蛋白质、核酸及其降解物、酶与辅酶、维生素和激素、糖类、脂类、无机盐和微量元素等。
　　生物化学与药学的其它学科也有广泛联系，例如药物化学就是研究药物的性质、合成以及结构与药效的关系。应用生物化学的理论可为新药设计提供依据，以减少寻找新药的盲目性，从而提高寻找新药的效率。中草药学是取材于天然的生物体，其中许多是属于生化药物，所以和生物化学关系也是很密切的。近代药剂学的一个分支——生物药剂学是研究药物制剂与药物在体内的过程（包括吸收、分布、代谢转化和排泄的关系，从而阐明药物剂型因素、生物因素与疗效之间的关系。
　　生物化学在工农业生产实践中也起着积极的作用，尤其是近代迅速发展起来的生物工程就是以生物化学、微生物学和分子遗传学为基础而发展起来的新技术革命产物之一，所谓生物工程主要包括遗传工程（即基因工程）、酶工程、细胞工程和微生物发酵工程。微生物发酵工程就是利用微生物的代谢产物以制备化工、医药等方面产品，并且可以进一步用人工方法来改变微生物的代谢途径，使其按照人们的需要进行生产，以提高产量或生产新品种，目前利用遗传工程生产的药物有人胰岛素，人和动物生长素，α、β、γ干扰素，白介素2（IL—2），组织纤维蛋白溶酶原激活剂（TPA），乙型肝炎病毒表面抗原，超氧化歧化酶（SOD）等。利用遗传工程在农作物方面可以培植新的植株，以提高产量和生产新品种。又如杀虫农药许多是根据酶的抑制剂而设计的，这些都与生物化学有密切联系。
　　从上述可见生物化学与医药卫生和工农业生产实践有密切联系，因此近代生物化学学科又产生多种分支学科，如药物生化、医学生化、工业生化和农业生化等。
四、生物化学的发展史
　　生物化学是在20世纪初才成为一门独立的新学科，目前已成为自然科学中发展最快、最引起人们重视的学科之一。
（一）中国
　　我国劳动人民，远在古代即因生活需要，在生产、医疗和营养等方面的实践中积累了许多有关生物化学的丰富经验，并有许多发明创造，对生物化学的发展做出了许多贡献。
　　四千多年前（夏禹时代）就已发明用粮食酿酒，酿酒用的酒母称为曲或媒（即现代的“酶”）。
　　在商周时期（公元前12世纪）已知制造酱、醋和饴的技术。酒、酱、醋、饴都是属于发酵酿造业，是利用生物体内的酶所催化的化学反应产物。
　　在医药方面：
　　春秋战国时期（公元前6世纪）已知用曲治疗消化道疾病，至今仍沿用；如“神曲”等。
　　在晋朝（公元4世纪）时，已知用海藻〔含碘〕治疗瘿病（甲状腺肿）。而在欧洲直到公元1170年始用海藻治疗甲状腺肿。
　　唐朝初年（公元7世纪）孙思邈已知脚气病为食米区一种流行病，并用含维生素Bl丰富的中草药如车前、防风、大豆、米皮等进行治疗。另外，他也首先用含维生素A丰富的猪肝治疗雀目（夜盲症）。
　　公元10世纪起，我国就用动物的各种脏器治疗疾病，尤其是明朝李时珍（公元16世纪）编著《本草纲目》一书，共载一千八百余种，其中有关动物药（包括代谢产物和分泌物）的记载就有四百多种。
　　我国近代生物化学的发展初期开始较晚进展也较慢，然而后期发展速度还是很快的，虽然与国外先进水平比较还有些差距，但差距已经不大了。
　　在20世纪20年代以来，我国生物化学家在营养学、临床生化的血液分析，蛋白质的变性学说和免疫化学的抗原—抗体反应的定量分析和机制等方面也做出了一定的贡献。
　　解放后我国生物化学在基础理论、实验技术及医药卫生和工农业生产实践等方面都在短短的时期内取得了优异成绩。
　　尤其是l965年，我国在世界上首先用人工方法合成具有生物活性的结晶牛胰岛素；
　　接着在1971年又完成用x光衍射方法测定牛胰岛素的分子空间结构，分辨率达l.8埃；
　　1979年又成功地用人工方法合成酵母丙氨酸转运核糖核酸。
　　近年来在生物工程方面也取得了丰硕成果，标志了我国生物化学工作者在某些领域的工作已达到了国际先进水平。
（二）西方
　　在欧洲直至18世纪中叶，法国拉瓦锡（拉沃依塞尔Lavoisier， 1743—1794）。他第一个证明动物身体的发热是由于体内物质氧化所致（动物摄入氧，将食物在体内氧化，产生水和CO2，同时放出热。吸入氧与呼出CO2的过程即为呼吸作用。）阐明了机体呼吸的化学本质。这是生命化学史上的一个重大发现。
　　19世纪初期魏勒（wuhler）用人工方法从无机物氰酸铵合成尿素，是有机物可以人工合成的创始人。
　　19世纪中叶巴士德认为发酵是由于活细胞所含活体酶的作用，他虽然对发酵有重大贡献，但错误地认为酶的作用必须有活细胞的存在。后来布克奈（Bmchner）等证明了无细胞的酵母提取液也具有发酵作用，为近代酶学的研究奠定了基础。
　　20世纪初期弗歇（Fischer）成功地人工合成了十八个氨基酸组成的多肽。
　　20世纪上半世纪生物化学发展很快，糖类、脂类、蛋白质、核酸、酶、维生素、激素和新陈代谢等各个领域都取得了很大进展。营养学的发展（必需氨基酸、维生素及矿物质在营养上的重要性的阐明等）。20世纪前60年的进展，使生物化学进入了更成熟、发展更迅速的阶段。
　　其中重要的，如证明酶的化学性质是蛋白质（1926）、许多代谢途径的阐明，生物能研究约进展，蛋白质二级结构的提出（1951），胰岛素分子的51个氨基酸序列的确定（1953），DNA双螺旋结构的发现（1953），原核细胞基因表达调控的阐明（1961），应用x射线衍射获得肌红蛋白及血红蛋白结晶的三维结构（1963）等。
　　从20世纪50年代以来，生物化学有了突飞猛进的发展。生物科学的研究已从过去的整体、组织器官和细胞等宏观水平进入现在的亚细胞和分子等微观水平，即所谓分子生物学。许多生命现象的本质可以在分子水平得到阐明，成为人类改造自然和征服自然的有利武器之一。
　　分子生物学主要是通过对蛋白质、酶和核酸等生物大分子的结构和运动规律来探讨生命现象的本质。其核心内容包括三大方面：
　　即生物大分子的合成，结构测定和结构与功能的关系；遗传的分子基础；以及生物膜的结构与功能等。


	第一章绪论一、生物化学的概念和任务（一）概念和研究对象 1、生物化学（Biochemistry）：　　研究生命化学的科学，也就是在分子水平研究生命本质的一门科学。即在分子水平研究生物体的分子结构与功能、物质代谢与调节、及其在生命活动中的作用。分子生物学（molecular biology）：研究生物大分子结构、功能及其代谢调控。 2、生物化学的研究方法：　　主要是采用化学的原理和方法。也与生理学、细胞学、遗传学有广泛的联系与交叉。 3、研究对象：　　包括整个自然界的生物体（包括人类、动物、植物和微生物）。　　具体说来：　　（1）生物体基本物质的化学组成：　　蛋白质、核酸、糖类、脂类、无机盐和水分，还有多种含量较少而对生命活动极为重要的维生素、激素和微量元素。　　（2）生命活动中所进行的化学变化（代谢反应）及其规律。　　（3）化学变化与生理机能的关系。（二）生物化学的任务 1、研究这些基本物质的化学组成、结构、理化性质、生物功能以及结构与功能的关系，这些内容有人称为静态生物化学。 2、生物化学的另一任务就是研究代谢的规律，这些内容有人称为动态生物化学。　　生物体内的各种基本物质在生命活动过程中不断地进行着互相联系、互相制约、互相对立而又统一的多种复杂而又有规律的化学变化。　　这一系列化学变化就是生物体与外界环境进行的物质交换，称为新陈代谢（简称代谢）。简而言之，代谢就是在体内进行的化学反应，它是生命的基本特征之一，是揭示生命现象的本质的重要环节，代谢一停止，生命也就随之停止。 3、生物化学的又一任务是研究代谢反应与生理机能的关系，称为机能生物化学，它是了解生命现象的重要环节之一。　　生物体尤其是人体具有多种生理机能，如肌肉收缩、神经冲动传导、腺体分泌、视觉和听觉等。这些生理机能都是以物质代谢为基础的。　　总之，生物化学的任务就是研究组成生物体基本物质的性质，结构与功能，以及这些物质在生命活动过程中所进行的化学变化的规律及其与生理机能的关系，从而阐明生命现象的本质，并把这些知识应用到社会实践和生产实践中去，以达到征服自然和改造自然的目的。二、生物化学的主要研究内容（一）生物分子的结构与功能 1、生物大分子：　由某些基本结构单位按一定顺序和方式连接所形成的多聚体（polymer）。分子量一般超过104。包括蛋白质、核酸、聚糖。　生物大分子的重要特征——具有信息功能。又称生物信息分子。 2、生物大分子的一级结构：　基本组成单位的种类、排列顺序、排列方式。 3、生物大分子的空间结构及其与功能的关系结构是功能的基础，功能是结构的体现。 4、分子识别和分子的相互作用——执行生物分子功能的基本要素。（二）物质代谢及其调节 1、酶结构和含量的变化对代谢的调节作用。 2、细胞信息传递的机制。（三）基因信息的传递及其调控三、生物化学与医药卫生和工农业生产的关系　　生物化学是20世纪初才脱离有机化学和生理学而发展成为一门独立的新型的边缘学科。　　有机化学是研究自然界的含碳化合物，从一开始就以生物体内有机物质为其研究对象。　　生理学是研究生物体各类细胞、组织、器官和系统的功能，以及机体对内外环境变化的反应。　　生物物理学是近年来发展起来的一门新的边缘学科，它是以物理学的理论和方法来研究生命活动的物质基础。例如生物体系的物理性质、生命活动过程中的物理规律，以及环境物理因素对机体的作用等研究。　　分子生物学是最近迅速发展的一门新兴学科，它是从分子水平，尤其是通过对生物体的主要物质基础，特别是蛋白质、核酸和酶等生物大分子的结构及其运动规律的研究，来探讨生命现象的本质。　　所以有机化学、生理学、生物物理学和分子生物学等与生物化学关系极为密切，尤其是后三者的关系更为密切，常不易划分清楚。　　生物化学本身就是基础医学学科之一，它与其它基础医学学科有广泛而又密切的联系。　　除前述生理学之外，组织化学就是以生物化学的原理和技术来研究细胞内部结构和功能的关系。　　在微生物学方面，微生物的代谢、免疫作用的本质和机制、病毒的化学本质和作用、微生物的遗传变异、菌种的选育等的研究也都需要生物化学的原理和技术。　　病理生理学就是应用生理学与生物化学的知识来探讨病因和发病机制的学科。　　生物化学在预防医学和临床医学也很重要。代谢过程的异常必将表现为疾病，例如糖尿病就是由于胰岛素缺乏而引起的糖代谢障碍，因此需要用胰岛素来治疗。其次，从血、尿及其它体液的分析来了解人体物质代谢情况，有助于疾病的诊断。所以生物化学与疾病的病因、发病机制、诊断和防治均有很密切的关系。　　生物化学在药学方面也具有很重要的地位，例如近代药理学正着重研究药物在体内的代谢转化和代谢动力学以及药物的作用机制，并已发展成为生化药理学。近来迅速发展的分子药理学，是在分子水平上研究药物分子如何与生物大分子相互作用的机制，这些研究都需要生物化学的理论和技术。许多药物是从生物体提取分离的天然物质，例如生化药物就是运用生物化学的研究成果，把生物体内重要的基本物质用于治疗疾病的一大类药物。生化药物近年来有了很大发展，已在临床应用的近三百多种，包括氨基酸、多肽、蛋白质、核酸及其降解物、酶与辅酶、维生素和激素、糖类、脂类、无机盐和微量元素等。　　生物化学与药学的其它学科也有广泛联系，例如药物化学就是研究药物的性质、合成以及结构与药效的关系。应用生物化学的理论可为新药设计提供依据，以减少寻找新药的盲目性，从而提高寻找新药的效率。中草药学是取材于天然的生物体，其中许多是属于生化药物，所以和生物化学关系也是很密切的。近代药剂学的一个分支——生物药剂学是研究药物制剂与药物在体内的过程（包括吸收、分布、代谢转化和排泄的关系，从而阐明药物剂型因素、生物因素与疗效之间的关系。　　生物化学在工农业生产实践中也起着积极的作用，尤其是近代迅速发展起来的生物工程就是以生物化学、微生物学和分子遗传学为基础而发展起来的新技术革命产物之一，所谓生物工程主要包括遗传工程（即基因工程）、酶工程、细胞工程和微生物发酵工程。微生物发酵工程就是利用微生物的代谢产物以制备化工、医药等方面产品，并且可以进一步用人工方法来改变微生物的代谢途径，使其按照人们的需要进行生产，以提高产量或生产新品种，目前利用遗传工程生产的药物有人胰岛素，人和动物生长素，α、β、γ干扰素，白介素2（IL—2），组织纤维蛋白溶酶原激活剂（TPA），乙型肝炎病毒表面抗原，超氧化歧化酶（SOD）等。利用遗传工程在农作物方面可以培植新的植株，以提高产量和生产新品种。又如杀虫农药许多是根据酶的抑制剂而设计的，这些都与生物化学有密切联系。　　从上述可见生物化学与医药卫生和工农业生产实践有密切联系，因此近代生物化学学科又产生多种分支学科，如药物生化、医学生化、工业生化和农业生化等。四、生物化学的发展史　　生物化学是在20世纪初才成为一门独立的新学科，目前已成为自然科学中发展最快、最引起人们重视的学科之一。（一）中国　　我国劳动人民，远在古代即因生活需要，在生产、医疗和营养等方面的实践中积累了许多有关生物化学的丰富经验，并有许多发明创造，对生物化学的发展做出了许多贡献。　　四千多年前（夏禹时代）就已发明用粮食酿酒，酿酒用的酒母称为曲或媒（即现代的“酶”）。　　在商周时期（公元前12世纪）已知制造酱、醋和饴的技术。酒、酱、醋、饴都是属于发酵酿造业，是利用生物体内的酶所催化的化学反应产物。　　在医药方面：　　春秋战国时期（公元前6世纪）已知用曲治疗消化道疾病，至今仍沿用；如“神曲”等。　　在晋朝（公元4世纪）时，已知用海藻〔含碘〕治疗瘿病（甲状腺肿）。而在欧洲直到公元1170年始用海藻治疗甲状腺肿。　　唐朝初年（公元7世纪）孙思邈已知脚气病为食米区一种流行病，并用含维生素Bl丰富的中草药如车前、防风、大豆、米皮等进行治疗。另外，他也首先用含维生素A丰富的猪肝治疗雀目（夜盲症）。　　公元10世纪起，我国就用动物的各种脏器治疗疾病，尤其是明朝李时珍（公元16世纪）编著《本草纲目》一书，共载一千八百余种，其中有关动物药（包括代谢产物和分泌物）的记载就有四百多种。　　我国近代生物化学的发展初期开始较晚进展也较慢，然而后期发展速度还是很快的，虽然与国外先进水平比较还有些差距，但差距已经不大了。　　在20世纪20年代以来，我国生物化学家在营养学、临床生化的血液分析，蛋白质的变性学说和免疫化学的抗原—抗体反应的定量分析和机制等方面也做出了一定的贡献。　　解放后我国生物化学在基础理论、实验技术及医药卫生和工农业生产实践等方面都在短短的时期内取得了优异成绩。　　尤其是l965年，我国在世界上首先用人工方法合成具有生物活性的结晶牛胰岛素；　　接着在1971年又完成用x光衍射方法测定牛胰岛素的分子空间结构，分辨率达l.8埃；　　1979年又成功地用人工方法合成酵母丙氨酸转运核糖核酸。　　近年来在生物工程方面也取得了丰硕成果，标志了我国生物化学工作者在某些领域的工作已达到了国际先进水平。（二）西方　　在欧洲直至18世纪中叶，法国拉瓦锡（拉沃依塞尔Lavoisier， 1743—1794）。他第一个证明动物身体的发热是由于体内物质氧化所致（动物摄入氧，将食物在体内氧化，产生水和CO2，同时放出热。吸入氧与呼出CO2的过程即为呼吸作用。）阐明了机体呼吸的化学本质。这是生命化学史上的一个重大发现。　　19世纪初期魏勒（wuhler）用人工方法从无机物氰酸铵合成尿素，是有机物可以人工合成的创始人。　　19世纪中叶巴士德认为发酵是由于活细胞所含活体酶的作用，他虽然对发酵有重大贡献，但错误地认为酶的作用必须有活细胞的存在。后来布克奈（Bmchner）等证明了无细胞的酵母提取液也具有发酵作用，为近代酶学的研究奠定了基础。　　20世纪初期弗歇（Fischer）成功地人工合成了十八个氨基酸组成的多肽。　　20世纪上半世纪生物化学发展很快，糖类、脂类、蛋白质、核酸、酶、维生素、激素和新陈代谢等各个领域都取得了很大进展。营养学的发展（必需氨基酸、维生素及矿物质在营养上的重要性的阐明等）。20世纪前60年的进展，使生物化学进入了更成熟、发展更迅速的阶段。　　其中重要的，如证明酶的化学性质是蛋白质（1926）、许多代谢途径的阐明，生物能研究约进展，蛋白质二级结构的提出（1951），胰岛素分子的51个氨基酸序列的确定（1953），DNA双螺旋结构的发现（1953），原核细胞基因表达调控的阐明（1961），应用x射线衍射获得肌红蛋白及血红蛋白结晶的三维结构（1963）等。　　从20世纪50年代以来，生物化学有了突飞猛进的发展。生物科学的研究已从过去的整体、组织器官和细胞等宏观水平进入现在的亚细胞和分子等微观水平，即所谓分子生物学。许多生命现象的本质可以在分子水平得到阐明，成为人类改造自然和征服自然的有利武器之一。　　分子生物学主要是通过对蛋白质、酶和核酸等生物大分子的结构和运动规律来探讨生命现象的本质。其核心内容包括三大方面：　　即生物大分子的合成，结构测定和结构与功能的关系；遗传的分子基础；以及生物膜的结构与功能等。