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  幻雪夜57 2010-09-19 00:00:00

  生物化學(xué)式用化學(xué)的原理和方法，研究生命現(xiàn)象的學(xué)科。通過研究生物體的化學(xué)組成、代謝、營養(yǎng)、酶功能、遺傳信息傳遞、生物膜、細胞結(jié)構(gòu)及分子病等闡明生命現(xiàn)象。 生物化學(xué)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(jīng)生化、免疫生化、生物力能學(xué)等。因研究的物質(zhì)不同，又可分為蛋白質(zhì)化學(xué)、核酸化學(xué)、酶學(xué)等分支。研究各種天然物質(zhì)的化學(xué)稱為生物有機化學(xué)。研究各種無機物的生物功能的學(xué)科則稱為生物無機化學(xué)或無機生物化學(xué)。60年代以來，生物化學(xué)與其他學(xué)科融合產(chǎn)生了一些邊緣學(xué)科如生化藥理學(xué)、古生物化學(xué)、化學(xué)生態(tài)學(xué)等；或按應(yīng)用領(lǐng)域不同，分為醫(yī)學(xué)生化、農(nóng)業(yè)生化、工業(yè)生化、營養(yǎng)生化等。 生物化學(xué)主要研究生物體分子結(jié)構(gòu)與功能、物質(zhì)代謝與調(diào)節(jié)以及遺傳信息傳遞的分子基礎(chǔ)與調(diào)控規(guī)律： 1..生物體的化學(xué)組成 除了水和無機鹽之外，活細胞的有機物主要由碳原子與氫、氧、氮、磷、硫等結(jié)合組成，分為大分子和小分子兩大類。前者包括蛋白質(zhì)、核酸、多糖和以結(jié)合狀態(tài)存在的脂質(zhì)；后者有維生素、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、生物堿、毒素、抗生素等。 雖然對生物體組成的鑒定是生物化學(xué)發(fā)展初期的特點，但直到今天，新物質(zhì)仍不斷在發(fā)現(xiàn)。如陸續(xù)發(fā)現(xiàn)的干擾素、環(huán)核苷一磷酸、鈣調(diào)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(diào)節(jié)物的果糖-2，6-二磷酸是1980年才發(fā)現(xiàn)的。另一方面，早已熟知的化合物也會發(fā)現(xiàn)新的功能，20世紀初發(fā)現(xiàn)的肉堿，50年代才知道是一種生長因子，而到60年代又了解到是生物氧化的一種載體。多年來被認為是分解產(chǎn)物的腐胺和尸胺，與精胺、亞精胺等多胺被發(fā)現(xiàn)有多種生理功能，如參與核酸和蛋白質(zhì)合成的調(diào)節(jié)，對DNA超螺旋起穩(wěn)定作用以及調(diào)節(jié)細胞分化等。 2.新陳代謝與代謝調(diào)節(jié)控制 新陳代謝由合成代謝和分解代謝組成。前者是生物體從環(huán)境中取得物質(zhì)，轉(zhuǎn)化為體內(nèi)新的物質(zhì)的過程，也叫同化作用；后者是生物體內(nèi)的原有物質(zhì)轉(zhuǎn)化為環(huán)境中的物質(zhì)，也叫異化作用。同化和異化的過程都由一系列中間步驟組成。中間代謝就是研究其中的化學(xué)途徑的。如糖元、脂肪和蛋白質(zhì)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，然后再氧化生成乙酰輔酶A，進入三羧酸循環(huán)，Z后生成二氧化碳。 在物質(zhì)代謝的過程中還伴隨有能量的變化。生物體內(nèi)機械能、化學(xué)能、熱能以及光、電等能量的相互轉(zhuǎn)化和變化稱為能量代謝，此過程中ATP起著ZX的作用。 新陳代謝是在生物體的調(diào)節(jié)控制之下有條不紊地進行的。這種調(diào)控有3種途徑:①通過代謝物的誘導(dǎo)或阻遏作用控制酶的合成。這是在轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控，如乳糖誘導(dǎo)乳糖操縱子合成有關(guān)的酶；②通過激素與靶細胞的作用，引發(fā)一系列生化過程，如環(huán)腺苷酸激活的蛋白激酶通過磷?；磻?yīng)對糖代謝的調(diào)控；③效應(yīng)物通過別構(gòu)效應(yīng)直接影響酶的活性，如終點產(chǎn)物對代謝途徑diyi個酶的反饋YZ。生物體內(nèi)絕大多數(shù)調(diào)節(jié)過程是通過別構(gòu)效應(yīng)實現(xiàn)的。 3.生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能 生物大分子的多種多樣功能與它們特定的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系。蛋白質(zhì)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(diào)節(jié)代謝和基因表達等。由于結(jié)構(gòu)分析技術(shù)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(zhì)分子的結(jié)構(gòu)分4個層次，其中二級和三級結(jié)構(gòu)間還可有超二級結(jié)構(gòu)，三、四級結(jié)構(gòu)之間可有結(jié)構(gòu)域。結(jié)構(gòu)域是個較緊密的具有特殊功能的區(qū)域，連結(jié)各結(jié)構(gòu)域之間的肽鏈有一定的活動余地，允許各結(jié)構(gòu)域之間有某種程度的相對運動。蛋白質(zhì)的側(cè)鏈更是無時無刻不在快速運動之中。蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的運動性是它們執(zhí)行各種功能的重要基礎(chǔ)。 80年代初出現(xiàn)的蛋白質(zhì)工程，通過改變蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)基因，獲得在指定部位經(jīng)過改造的蛋白質(zhì)分子。這一技術(shù)不僅為研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系提供了新的途徑；而且也開辟了按一定要求合成具有特定功能的、新的蛋白質(zhì)的廣闊前景。 核酸的結(jié)構(gòu)與功能的研究為闡明基因的本質(zhì)，了解生物體遺傳信息的流動作出了貢獻。堿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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。脫氧核糖核酸的雙螺旋結(jié)構(gòu)有不同的構(gòu)象，J.D.沃森和F.H.C.克里克發(fā)現(xiàn)的是B-結(jié)構(gòu)的右手螺旋，后來又發(fā)現(xiàn)了稱為 Z-結(jié)構(gòu)的左手螺旋。DNA還有超螺旋結(jié)構(gòu)。這些不同的構(gòu)象均有其功能上的意義。核糖核酸包括信使核糖核酸(mRNA)、轉(zhuǎn)移核糖核酸(tRNA)和核蛋白體核糖核酸(rRNA)，它們在蛋白質(zhì)生物合成中起著重要作用。新近發(fā)現(xiàn)個別的RNA有酶的功能。 基因表達的調(diào)節(jié)控制是分子遺傳學(xué)研究的一個ZX問題，也是核酸的結(jié)構(gòu)與功能研究的一個重要內(nèi)容。對于原核生物的基因調(diào)控已有不少的了解；真核生物基因的調(diào)控正從多方面探討。如異染色質(zhì)化與染色質(zhì)活化；DNA的構(gòu)象變化與化學(xué)修飾；DNA上調(diào)節(jié)序列如加強子和調(diào)制子的作用；RNA加工以及轉(zhuǎn)譯過程中的調(diào)控等。 葡萄糖結(jié)構(gòu)式 生物體的糖類物質(zhì)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(jié)構(gòu)物質(zhì)，淀粉和糖元等是貯存的營養(yǎng)物質(zhì)。單糖是生物體能量的主要來源。寡糖在結(jié)構(gòu)和功能上的重要性在20世紀70年代才開始為人們所認識。寡糖和蛋白質(zhì)或脂質(zhì)可以形成糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂。由于糖鏈結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使它們具有很大的信息容量，對于細胞專一地識別某些物質(zhì)并進行相互作用而影響細胞的代謝具有重要作用。從發(fā)展趨勢看，糖類將與蛋白質(zhì)、核酸、酶并列而成為生物化學(xué)的4大研究對象。 生物大分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)一經(jīng)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于了解它們的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。有些類似物由于具有更高的生物活性而可能具有應(yīng)用價值。通過 DNA化學(xué)合成而得到的人工基因可應(yīng)用于基因工程而得到具有重要功能的蛋白質(zhì)及其類似物。 4.酶學(xué)研究 生物體內(nèi)幾乎所有的化學(xué)反應(yīng)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 生物化學(xué)實驗室 決于酶的結(jié)構(gòu)。酶的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系、反應(yīng)動力學(xué)及作用機制、酶活性的調(diào)節(jié)控制等是酶學(xué)研究的基本內(nèi)容。通過 X射線晶體學(xué)分析、化學(xué)修飾和動力學(xué)等多種途徑的研究，一些具有代表性的酶的作用原理已經(jīng)比較清楚。70年代發(fā)展起來的親和標記試劑和自殺底物等專一性的不可逆YZ劑已成為探討酶的活性部位的有效工具。多酶系統(tǒng)中各種酶的協(xié)同作用，酶與蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的相互作用以及應(yīng)用蛋白質(zhì)工程研究酶的結(jié)構(gòu)與功能是酶學(xué)研究的幾個新的方向。酶與人類生活和生產(chǎn)活動關(guān)系十分密切，因此酶在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用一直受到廣泛的重視。 5.生物膜和生物力能學(xué) 生物膜主要由脂質(zhì)和蛋白質(zhì)組成，一般也含有糖類，其基本結(jié)構(gòu)可用流動鑲嵌模型來表示，即脂質(zhì)分子形成雙層膜，膜蛋白以不同程度與脂質(zhì)相互作用并可側(cè)向移動。生物膜與能量轉(zhuǎn)換、物質(zhì)與信息的傳送、細胞的分化與分裂、神經(jīng)傳導(dǎo)、免疫反應(yīng)等都有密切關(guān)系，是生物化學(xué)中一個活躍的研究領(lǐng)域。 以能量轉(zhuǎn)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，產(chǎn)生的能量通過氧化磷酸化作用而貯存于高能化合物ATP中，以供應(yīng)肌肉收縮及其他耗能反應(yīng)的需要。線粒體內(nèi)膜就是呼吸鏈氧化磷酸化酶系的所在部位，在細胞內(nèi)發(fā)揮著電站作用。在光合作用中通過光合磷酸化而生成 ATP則是在葉綠體膜中進行的。以上這些研究構(gòu)成了生物力能學(xué)的主要內(nèi)容。 6.激素與維生素 激素是新陳代謝的重要調(diào)節(jié)因子。激素系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)構(gòu)成生物體兩種主要通訊系統(tǒng)，二者之間又有密切的聯(lián)系。70年代以來，激素的研究范圍日益擴大。如發(fā)現(xiàn)腸胃道和神經(jīng)系統(tǒng)的細胞也能分泌激素；一些生長因子、神經(jīng)遞質(zhì)等也納入了激素類物質(zhì)中。許多激素的化學(xué)結(jié)構(gòu)已經(jīng)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了解，有些是改變膜的通透性，有些是激活細胞的酶系，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(guān)系。 7.生命的起源與進化 生物進化學(xué)說認為地球上數(shù)百萬種生物具有相同的起源并在大約40億年的進化過程中逐漸形成。生物化學(xué)的發(fā)展為這一學(xué)說在分子水平上提供了有力的證據(jù)。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(zhì)在各種微生物、植物和動物中都存在并具有相近的氨基酸序列和類似的立體結(jié)構(gòu)，而且類似的程度與種屬之間的親緣關(guān)系相一致。DNA復(fù)制中的差錯可以說明作為進化基礎(chǔ)的變異是如何發(fā)生的。生物由低級向高級進化時，需要更多的酶和其他蛋白質(zhì)，基因的重排和突變?yōu)檫m應(yīng)這種需要提供了可能性。由此可見，有關(guān)進化的生物化學(xué)研究將為闡明進化的機制提供更加本質(zhì)的和定量的信息。 8.方法學(xué) 在生物化學(xué)的發(fā)展中，許多重大的進展均得力于方法上的突破。例如同位素示蹤技術(shù)用于代謝研究和結(jié)構(gòu)分析；層析，特別是70年代以來全面地大幅度地提高體系性能的GX液相層析以及各種電泳技術(shù)用于蛋白質(zhì)和核酸的分離純化和一級結(jié)構(gòu)測定;X射線衍射技術(shù)用于蛋白質(zhì)和核酸晶體結(jié)構(gòu)的測定；高分辨率二維核磁共振技術(shù)用于溶液中生物大分子的構(gòu)象分析；酶促等方法用于DNA序列測定;單克隆抗體和雜交瘤技術(shù)用于蛋白質(zhì)的分離純化以及蛋白質(zhì)分子中抗原決定因子的研究等。70年代以來計算機技術(shù)廣泛而迅速地向生物化學(xué)各個領(lǐng)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(jié)構(gòu)分析，結(jié)構(gòu)預(yù)測以及結(jié)構(gòu)功能關(guān)系研究提供了全新的手段。生物化學(xué)今后的繼續(xù)發(fā)展無疑還要得益于技術(shù)和方法的革新。

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