生物化学BIOCHEMISTRY

生物化学BIOCHEMISTRY

绪论Prolegomena

What is BIOCHEMISTRY?

CHEMISTRY：the branch of science which deals with the identification of the substances of which matter is composed, the investigation of their properties and the ways in which they interact, combine, and change, and the use of these processes to form new substances

Biochemistry: the branch of science concerned with the chemical and physic-chemical processes which occur within living organisms

Including:

The chemistry of the components in living organisms (static biochemistry)

The principles for the chemical changes in living organisms (dynamic biochemistry)

The chemistry of metabolism and cell functions (functional biochemistry)

生物化学的主要分支：

按化学的研究范畴划分：生物无机化学（bioinorganic chemistry），生物有机化学（bioorganic chemistry），生物物理化学（biophysical chemistry）

按生物学的研究领域划分：动物生物化学（animal biochemistry），植物生物化学（plant biochemistry），微生物生物化学（microbe biochemistry）

按研究对象划分：蛋白质化学（protein chemistry），核酸化学（nucleate chemistry）

按与生产、生活关系划分：生理生化（physiological biochemistry），工业生化（industrial biochemistry），农业生化（agricultural biochemistry），医药生化（medicinal biochemistry）

生物化学的使命：揭示生命现象的本质，促进生命科学发展；改善人类健康水平和生活质量；促进物种的改良和优化；带动工、农业的发展和变革

分子生物学Molecular biology：

什么是分子生物学：在分子水平上研究生物大分子的结构与功能，从而阐明生命现象本质的科学

主要研究领域：蛋白质体系，蛋白质-核酸体系，蛋白质-脂质体系

分子生物学的三个支柱学科：生物化学，遗传学，微生物学

分子生物学的地位：由学科分支成长为主流前沿，殊途同归的集大成者，生物学科走向统一的前驱

古代生物化学（在化学中萌芽）：

19世纪以前：A.L. Lavoisier, “呼吸作用的本质和燃烧是一样的”；C.W. Scheele, 多种生化物质的分离；J.von.Liebig, 新陈代谢（stoff wechsel)；Hoppe Seyler, 1877年，提出“biochemie”近代生物化学（由静态走向动态）：

19世纪中叶——20世纪50年代，相关学科的蓬勃发展：1804，John Dalton 提出原子论；1859，Port Darwin 进化论；1865，Gregor Mendel 遗传定律；1869，D.L.Mendelyeev 元素周期律

生物化学的发展：

1848, Helmhoitz & Bernard，肝脏的生糖功能；1869，J.F. Michel 分离“核素”（核酸）；1897，Bucher ，酵母榨出液可使蔗糖发酵生成乙醇；1902，D.A. Leeven，从核酸中分离胞嘧啶；1904，Knoop ，脂肪酸的 -氧化；1907，E.H. Fischer ，蛋白质的降解与合成；1912，F.G. Hopkins，确立维生素概念，形成剑桥生物化学学派；1921，F.G.班廷和C.H.贝斯特，分离纯胰岛素；1926，J.B. Sumner 分离脲酶，并证明其是蛋白质；1929，Lohmann & Fiske ，ATP的能量功能；1931，Warburg 制得呼吸酶并研究其生物氧化作用；1937，Krebs，三羧

酸循环的假说；1950，L.C. Pauling，蛋白质构象（α-helix）；1953，Watson & Crick DNA的双螺旋模型

现代生物化学阶段（分子生物学时代）：

20世纪中叶——至今，技术的进步使生物学走向新的时代：1933，Ernst Ruska，电子显微镜，1935，G.C. 海韦希，同位素技术，1940‟s，遗传学开始向分子水平迈进，1930‟s~1940‟s，计算机和自动控制技术的巨大进步

生物学各分支向分子水平进军并走向融合：

A. L. Hodgkin, 神经兴奋和传导的离子学说；1953，F. Sanger，胰岛素序列测定；1954，S. Benzer，噬菌体基因精细结构分析；1954，M. Calvin，光合作用的CO2固定，Calvin循环；1956，E.W. 萨瑟兰，cAMP，第二信使；1956，F.H.C. Crick，中心法则；1962，M. W. Nirenberg，遗传密码的发现；1965，邹承鲁、刑其毅等，人工合成牛胰岛素；1970，H.O. Smith，限制性内切酶；1970，梁栋材等，精度0.25nm的胰岛素结构（1974，达0.18nm）；1975，F. Sanger，建立DNA序列分析方法；1980，A. Keluger，DNA与组蛋白的结构

基因工程和基因技术的兴起：

P. Berg，DNA体外重组；1973，S.N. Cohen，外源基因在大肠杆菌的表达；1975，美国Asiomar 国际会议，制定第一个基因安全准则；1977，H.W. Boyer等，第一个基因工程产品——生长激素释放抑制激素（somatostatin）；1983，λ噬菌体DNA全序列；1985，Mulis，聚合酶链式反应技术（PCR)；1987，转基因植物：荧光素转入烟草；1990，Anderson & Cular 第一例基因治疗成功；1997，第一只成年动物体细胞克隆的绵羊——Dolly；2000，人类基因组计划（HGP）公布第一张草图

生物化学的一些基本问题

什么是生命：我们所处在的地球充满着无数的生物，从最简单的病毒、类病毒到菌藻树草，从鱼虫鸟兽到最复杂的人类，处处都可以发现它们的踪迹，觉察到生命的活动。地球上的生物形形色色，千姿百态。不同的生物，其形态、生理特征和对环境的适应能力各不相同，都经历着生长、发育、衰老、死亡的变化，都具有繁殖后代的能力。

生命的特征：新陈代谢、生长发育、繁衍后代、遗传变异、环境应激性、自主运动、进化演变；结构复杂性、组织性和有序性、物质能量交换、生长发育、遗传变异、环境应激性、进化演变

生命的定义：

“生命是蛋白体的存在方式，这个存在方式的基本因素在于和它周围的外部自然界的不断地新陈代谢，而且这种新陈代谢一停止，生命就随之停止，结果便是蛋白质的分解。”——恩格斯

“生命是开放的非平衡系统中发生的一系列过程”——鲍尔

“非平衡态是通过熵从生物体流向周围介质来维持的”（耗散结构）——薛定鄂

生命是高度有序的，开放的，具有耗散特征的，远离平衡态的动力学系统，其基本框架为：DNA-RNA-蛋白质不断更新的自组织属性具有多级超循环结构在生命系统混沌与吸引子作用下不断朝更高层次迈进

生命的化学基础：全世界250余万种生物，无论是形态结构还是生理过程都千姿百态，迥然不同，但他们却有着相似的化学基础。从分子到细胞（图）

生命的化学组成：水：65%-75% 蛋白质：10%-15% 脂质：3%-7% 糖类：2%-4% 核酸：3%-5%其他有机物：<1% 无机物：2%-3%

构成生命的化学元素：组成生命体的物质是极其复杂的。但在地球上存在的92种天然元素中，只有28种元素在生物体内被发现。

第一类元素：包括C、H、O和N四种元素，是组成生命体最基本的元素。这四种元素约占