生物化学沈同王镜岩主编

1、 生生 物物 化化 学学 生物化学是生命的化学，是研究微生物、生物化学是生命的化学，是研究微生物、植物、动物及人体等的化学组成和生命过程中植物、动物及人体等的化学组成和生命过程中的化学变化的一门科学。的化学变化的一门科学。研究生物体内物质的组成、结构、性质研究生物体内物质的组成、结构、性质 活细胞主要由各种有机物构成（除水和无机盐）活细胞主要由各种有机物构成（除水和无机盐） 生物大分子：生物大分子： 蛋白质蛋白质( (proteinprotein) )、 核酸核酸 ( (nucleic acidnucleic acid) )、 多糖多糖( (carbohydratecarbohydrate)

2、)、 脂肪脂肪( (lipidslipids) ) 及其复合物及其复合物 小分子有机物：小分子有机物： 维生素维生素(vitamin)(vitamin)、 激素激素(hormones)(hormones)、 氨基酸氨基酸(amino)(amino)、 核苷酸核苷酸(nucleotide)(nucleotide)、 脂肪酸脂肪酸(fatty acid)(fatty acid)研究生物体中物质代谢及调节研究生物体中物质代谢及调节 合成代谢（同化作用）：生物小分子合合成代谢（同化作用）：生物小分子合 成为生物大分子，需要能量；成为生物大分子，需要能量；分解代谢（异化作用）：生物大分子分分解代谢（异化

3、作用）：生物大分子分 解为生物小分子，放出能量。解为生物小分子，放出能量。物质代谢与能量代谢相伴相随物质代谢与能量代谢相伴相随研究基因信息传递及其调控研究基因信息传递及其调控 DNA复制、RNA转录、蛋白质合成等基因信息传递过程的机制及基因表达时空调控的规律。生物化学发展简史生物化学发展简史生物化学的发展大体可分为三个阶段：生物化学的发展大体可分为三个阶段：第一阶段：第一阶段：2020世纪世纪3030年代以前年代以前 （静态描述性阶段）（静态描述性阶段） 对生物体各组成进行分离、纯化、结构测定合成及对生物体各组成进行分离、纯化、结构测定合成及理化性状的研究理化性状的研究 法国化学家拉瓦锡（法国

4、化学家拉瓦锡（Lavoisier，1743179417431794年年) ) 对燃烧和呼吸的研究对燃烧和呼吸的研究 此前的此前的“燃素学说燃素学说” 理论认为，一切燃烧的本质理论认为，一切燃烧的本质都在于从燃烧物体中分离出一种称为燃素的物质。都在于从燃烧物体中分离出一种称为燃素的物质。 拉瓦锡钻研燃烧现象并进一步研究呼吸作用，也拉瓦锡钻研燃烧现象并进一步研究呼吸作用，也就是不发光的燃烧作用。他发现磷燃烧后成为磷酸，就是不发光的燃烧作用。他发现磷燃烧后成为磷酸，硫燃烧后成为硫酸；磷酸和硫酸都分别比磷和硫为硫燃烧后成为硫酸；磷酸和硫酸都分别比磷和硫为重，这表明燃烧并不是失去了重，这表明燃烧并不是失

5、去了“燃素燃素”，而是跟氧，而是跟氧结合的过程。结合的过程。 拉瓦锡与拉普拉斯(Laplace) 利用天平和量热器，测量豚鼠等动物在一定时期内的呼吸，定量测定CO2和释放的热能。他们把动物的呼吸比作蜡烛的燃烧；只是动物体内的燃烧是缓慢的和不发光的燃烧。拉瓦锡通过燃烧试验和呼吸试验，彻底推翻了燃素学说，为生命过程中的氧化奠定基础。 首次证明动物的呼吸需要氧气；燃烧过程是物质与氧的结合过程。 瑞典化学家舍勒(Scheele，1742-1786年) 舍勒14岁时即随一位药剂师学徒，22岁从事药剂师工作，对当时的化学领域中的问题都进行了科学试验。1770年舍勒28岁时和他的朋友从酒石里分离出酒石酸。分

6、析膀胱结石中获得尿酸。他还分析研究了柠檬酸、苹果酸、没食子酸或称五倍子酸、甘油等。德国化学家李比希德国化学家李比希(Liebig(Liebig，1803180318731873年年) ) 农业化学的奠基人，也是生理化学和碳水化合物化学的创始人之一。 在1842年撰写的有机化学在生理学与病理学上的应用专著，首次提出新陈代谢(stoffwechsel)这个学术名词。 李比希研究土壤的化学肥料、有机酸、氰化物、氨化物、醛类和苯酰化合物。他发现马尿酸、氯醛和氯仿。他对脂肪、血液、胆汁和肌肉提取物进行了研究。 霍佩霍佩赛勒赛勒(Hoppe-Seyler(Hoppe-Seyler，1825-1895182

7、5-1895年年) ) 德国医生，因将生理化学(即生物化学)建成一门独立的科学而著名。1877年首次提出“Biochemie”这个名词，译为英语名词为Biochemistry或Biological Chemistry，汉译为生物化学。 首次获得纯卵磷脂；曾获得晶体状的血红素。首创蛋白质(proteids)一词，又研究过代谢、叶绿素及血液。 他研究病理液体和脓细胞，从而导致他的学生Friedrich Miescher从脓细胞的细胞核分离出nuclein，即是脱氧核糖核蛋白 霍佩赛勒的另一位学生Albrecht Kossel因对蛋白质、细胞及细胞核化学的研究而获1910年诺贝尔生理学或医学奖，他分

8、离出腺嘌呤、胸腺嘧碇、胸腺核苷酸，还分离出组氨酸。 霍佩赛勒在Strausbourg大学任生理化学教授，在科学研究和培养学生方面做出突出成绩。 有这样的估计，在第一次世界大战开始的1914年以前，大约有15000位美国医生曾在德国留学。1870到1900年之间，美国生理化学等深受德国大学莱比锡和海德堡(Leipzip和Heidefbergs)的影响。 自1840至1900年间，德国的生理化学跟其他领域的科学一样，处于开拓和领先地位。 J.B Sumner于于1926年首次从刀豆年首次从刀豆中分离并制成脲酶结晶，证明它是蛋中分离并制成脲酶结晶，证明它是蛋白质白质第二阶段：第二阶段：动态生化阶段（

9、动态生化阶段（1930-19501930-1950年）年）研究生物体内代谢研究生物体内代谢途径途径 新技术：新技术： 同位素标记、电镜、同位素标记、电镜、X X一衍射、层析、电一衍射、层析、电泳、超离心等泳、超离心等糖酵解和三羧酸循环途径糖酵解和三羧酸循环途径(EMP-TCA)(EMP-TCA)脂肪酸分解途径脂肪酸分解途径(-(-氧化氧化) )；氨基酸、嘌呤、嘧啶及脂肪酸等生物合成途径等氨基酸、嘌呤、嘧啶及脂肪酸等生物合成途径等第三阶段第三阶段 2020世纪世纪5050年代初至年代初至8080年代年代 研究生物大分子的结构和功能研究生物大分子的结构和功能蛋白质方面：蛋白质方面： 1953195

10、3年年SangerSanger首次测定牛胰岛素的化学结构（一级结首次测定牛胰岛素的化学结构（一级结构）；构）； 6060年代测定了肌红蛋白、血红蛋白的立体结构。年代测定了肌红蛋白、血红蛋白的立体结构。核酸方面：核酸方面： 19531953年年WatsonWatson和和CrickCrick提出了提出了DNADNA双螺旋结构；双螺旋结构；19581958年年CrickCrick提出了中心法则；提出了中心法则； 1961196119651965年，年，NirenberyNirenbery破译全部遗传密码；破译全部遗传密码； Monod Monod提出酶与蛋白质的变构效应；提出酶与蛋白质的变构效应；

11、 MitchellMitchell创立了化学渗透学说；创立了化学渗透学说； JacobJacob提出了操纵子模型等提出了操纵子模型等。 自20世纪中叶到80年代，生物化学的发展加快，并且生物化学的领域向广度和深度发展。这个时期的特征可以归纳为下列几项： 生物化学研究方法的改进 马丁与辛格发明了一种快速而又经济的分析技术分配色谱。 蒂塞利乌斯(Tisellius，19021971年)用电泳方法分离血清中化学构造相似的蛋白质成分；1940年开始研究用吸附层析法分离蛋白质及其他物质。 斯韦德贝里(Svedberg，1884-1971年)瑞典化学家，1924年完成第一台超离心机，能产生5000倍于重力

12、的离心力。 此外有荧光分析法、同位素示踪和电子显微镜的应用等。 可以说生物化学的分离、纯化和鉴定的方法向微量、快速、精确、简便、自动化方向发展。 物理学家、化学家、遗传学家等参加到生命化学领域中来 肯德鲁(Kendrew)英国物理学家，测定了肌红蛋白的结构。 英国物理学家佩鲁茨(Perutz)对血红蛋白结构进行X-射线衍射分析，与肯德鲁共获1962年诺贝尔化学奖金。 鲍林(Pauling)美国化学家，他确认氢键在蛋白质结构中以及大分子间相互作用的重要性；认为某些蛋白质具有类似螺旋结构。鲍林还研究镰刀形红细胞贫血症，提出了分子病的名称。获得诺贝尔化学奖。 桑格(Sanger)英国生物化学家，经1

13、0年研究之后，于1955年确定了牛胰岛素的结构，获1958年诺贝尔化学奖。1980年桑格因设计出一种测定DNA内核苷酸排列顺序的方法，而与吉尔伯特(Gilbert)、伯格(Berg)共获1980年诺贝尔化学奖。 雅各布(Jacob)法国生物学家。 莫诺(Monod)法国生物化学家、遗传学家。 1961年他们提出信使核糖核酸，mRNA的存在，说明其碱基序列与染色体中脱氧核糖核酸的碱基序列互补。 1960年他们发现操纵子的基因集团，能影响mRNA的合成，从而调节其他基因的功能。由于这些发现，他们二人与利沃夫共获1965年诺贝尔生理学或医学奖。 20世纪下半世纪研究人员的交往和迁居频繁 第二次世界大

14、战前夕, 德国科学家迁居美英等国。克雷布斯(Krebs)英籍德裔生物化学家，出生于犹太医生家庭，1933年被迫迁居英国，1937年发现三羧酸循环，对细胞代谢及分子生物学的研究作出重要贡献，因此与李普曼，美籍德裔生物化学家于1953年共获诺贝尔生理或医学奖。 李普曼(Lipmann)在鸽肝浸出物中发现一种具催化性而又耐热的因子，1947年分离成功，1953年确定其分子结构，并定名为辅酶A。我国生物化学的发展公元前已有运用生物化学知识和技术的先例制饴、酿酒、制醋、制酱技术；掌握生产豆腐的工艺（贾思勰的齐民要术； 齐民要术是我国最早的一部完整的古农书。对脚气病（多发性神经炎）和甲状腺肿的认识与治疗。

15、本草纲目（李时珍） 吴宪等人在蛋白质变性理论、免疫化学、血糖测定上有吴宪等人在蛋白质变性理论、免疫化学、血糖测定上有突出成就。突出成就。 19651965年上海生化所、上海有机所、北大联合首次分成了年上海生化所、上海有机所、北大联合首次分成了具有生物活性结晶牛胰岛素。具有生物活性结晶牛胰岛素。 19721972年用年用衍射研究了猪胰岛素的三维结构、分辨率衍射研究了猪胰岛素的三维结构、分辨率1.8A1.8A。 1981 1981年首次合成工具有天然活性的酵母丙氨年首次合成工具有天然活性的酵母丙氨酸酸tRNAtRNA分子（分子（19721972年美国科学家人工合成年美国科学家人工合成DNADNA）

16、。）。 19901990年年1111月，白春礼月，白春礼( (扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜),),变性变性噬菌体脱氧核糖核酸的一种新结构噬菌体脱氧核糖核酸的一种新结构三链辫状三链辫状结构、从而突破了结构、从而突破了DNADNA只有双螺旋的学说。只有双螺旋的学说。 近年来，在基因工程、蛋白质工程、人类基因组计划以及新基因的克隆和功能研究取得了重要成果 DNA双螺旋结构的提出 重组DNA技术 PCR、转基因(transgene)、基因剔除 （gene knock out）等 核酶(ribozyme)的发现 人类基因组计划(human genome project) 后基因组研究（蛋白质组学prot

17、eomics）Life is chemical 1 Terofloppy 1 T RAM 50T storageDOWNing 2000/3000SHenWEI (8000 CPU) Life is digital!Supercomputers at BGI“Life is Digital” makes computation another powerful tool to understanding life10101010101010010101010100110101010101010010101010100101001110000111000001110000011000101010

18、101010010101010101010100101010101001010011100001110000011100000110001001010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000011000101010101010010101010101010100101010101001010011100001110000011101001110000111000001110000011000101010101010010101010101010100101010101001010011100001110000011

19、100000110001001010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000011000101010101010010101010101010100101010101001010011100001110000011100000110001010101010100101010101010101001010101010010100111000011100000111000001100010101010101001010101010101010010101010100101001110000111000001110000

20、11000101011000011100000111000001100010101010101001010101010101010001010101010100101010101010001010101010100101010101010101001010101010010100111000011100000111000011000101011000011100000111000001100010101010101001010101010101011100101100101010101010101010101010001011101010000000000101110DNA SequenceA bridge between life science and information science中国对中