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生物化学-01讲
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生物化学-29讲
生物化学-30讲

 

1、生物化学概念与研究内容
    生物体的生命现象(过程)作为物质运动的一种独有的特殊的运动形式,其基本表现形式就是新陈代谢和自我繁殖。构成这种特殊运动形式物质基础是蛋白质、核酸,糖类、脂类、维生素、激素、萜类,卜啉生物分子等。正是这些生物分子之间的相互协调作用才形成了丰富多彩的生命现象。生物化学就是研究生物体的物质组成和生命过程中的生物分子化学变化的一门科学。
    随着生命科学的飞速发展,生物化学研究的内容在深度和广度上也在迅速地拓展,并已渗透到生物学科内外许多相关学科,产生了生物有机化学、酶工程、蛋白质工程、代谢工程、蛋白质组学、结构生物学、化学生物学等新领域和新知识。生物化学本身的研究和教学也正在从描述向推理、定性向定量、宏观向微观、个体向整体、个别向系统发展。但其基本内容主要涉及蛋白质、糖类、脂类、核酸和数以万计生物分子的结构与功能、代谢与调控等内容。传统意义上的生物化学主要包括静态生物化学与动态生物化学两大板块,前者主要讲述构成生命体的生物分子的组成、结构、性质及生物学功能。后一板块是动态生物化学,它主要研究生命基础物质(糖,脂,蛋白质和核酸)在细胞内的化学变化及与外界进行物质和能量交换的规律,即物质代谢和能量代谢。但也有专家学者将研究重要生命物质的结构与功能的关系,以及环境对机体代谢影响的内容单独列为第三板块,即功能生物化学。
    若以不同的生物为对象,生物化学可分为动物生化、植物生化、微生物生化、昆虫生化、医学生化等;若以生物体的不同组织或过程为研究对象,则可分为肌肉生化、神经生化、免疫生化、生物力能学等;因研究的物质不同,又可分为蛋白质化学、核酸化学、脂化学、糖化学、酶学等分支;研究各种天然物质的化学称为生物有机化学;研究各种无机物的生物功能的学科则称为生物无机化学或无机生物化学。
2、生物化学发展简史
    生物化学这一名词的出现大约在19世纪末、20世纪初,但它的起源可追溯得更远,其早期的历史是生理学和化学的早期历史的一部分。例如18世纪80年代,拉瓦锡证明呼吸与燃烧一样是氧化作用,几乎同时科学家又发现光合作用本质上是动物呼吸的逆过程。又如1828年沃勒首次在实验室中合成了一种有机物——尿素,打破了有机物只能靠生物产生的观点,给“生机论”以重大打击。1860年巴斯德证明发酵是由微生物引起的,但他认为必需有活的酵母才能引起发酵。1897年毕希纳兄弟发现酵母的无细胞抽提液可进行发酵,证明没有活细胞也可进行如发酵这样复杂的生命活动,终于推翻了“生机论”。
生物化学的发展大体可分为三个阶段:
    第一阶段从19世纪末到20世纪30年代,主要是静态的描述性阶段,对生物体各种组成成分进行分离、纯化、结构测定、合成及理化性质的研究。其中菲舍尔测定了很多糖和氨基酸的结构,确定了糖的构型,并指出蛋白质是肚键连接的。1926年萨姆纳制得了脲酶结晶,并证明它是蛋白质。
    此后四、五年间诺思罗普等人连续结晶了几种水解蛋白质的酶,指出它们都无例外地是蛋白质,确立了酶是蛋白质这一概念。通过食物的分析和营养的研究发现了一系列维生素,并阐明了它们的结构。
    与此同时,人们又认识到另一类数量少而作用重大的物质——激素。它和维生素不同,不依赖外界供给,而由动物自身产生并在自身中发挥作用。肾上腺素、胰岛素及肾上腺皮质所含的甾体激素都在这一阶段发现。此外,中国生物化学家吴宪在1931年提出了蛋白质变性的概念。
    第二阶段约在20世纪30~50年代,主要特点是研究生物体内物质的变化,即代谢途径,所以称动态生化阶段。其间突出成就是确定了糖酵解、三羧酸循环以及脂肪分解等重要的分解代谢途径。对呼吸、光合作用以及腺苷三磷酸(ATF)在能量转换中的关键位置有了较深入的认识。当然,这种阶段的划分是相对的。对生物合成途径的认识要晚得多,在50~60年代才阐明了氨基酸、嘌岭、嗜啶及脂肪酸等的生物合成途径。
    第三阶段是从20世纪50年代开始,主要特点是研究生物大分子的结构与功能。生物化学在这一阶段的发展,以及物理学、技术科学、微生物学、遗传学、细胞学等其他学科的渗透,产生了分子生物学,并成为生物化学的主体。
3、生物化学与二十一世纪生命科学展望
    如果说,19世纪中期细胞学说的建立从细胞水平证明了生物界的统一性,那么20世纪中期后,生物化学与分子生物学则在分子水平上揭示了生命世界的基本结构和基础生命活动方面的高度一致性。
    由于现代工业、农业的发展,产生了许多新的威胁人类生存的重要问题,如人口与健康、粮食与农业、环境、资源、能源等。这些问题仅靠物理、化学等学科是无法解决的,在很大程度上要依靠生命科学。由于生命活动十分复杂,在20世纪中叶以前生命科学发展较慢。但从20世纪70年代以后,由于生命科学研究成果的积累,现代物理、化学的发展为生命科学研究提供了先进的仪器和方法,以及经济发展需要的促进,生命科学有了新的发展。人类自然科学史上的三大计划,即曼哈顿原子弹计划(1942~1945)、阿波罗登月计划(1961~1972)和人类基因组计划(1990~2003),也反映了生命科学后来居上。为此,由于人类生存和经济发展的需要以及生命科学本身的发展和贡献,生命科学在21世纪将成为科学技术的主角。生命科学之所以成为本世纪领头学科,其核心是生物化学引人瞩目的发展,涉及医药学、农学、生物能源的开发、环境治理、酶工程、单细胞蛋白的生产、微生物采矿、医用生物材料和可降解塑料的制备、法医学等许多领域。
本世纪与生物化学有关的最重要的领域主要有以下几个方面:
(1) 生物大分子结构与功能的关系;
(2) 生物膜的结构与功能;
(3) 机体自身调控的分子机理;
(4) 生化技术的创新与发明;
(5) 功能基因组、蛋白质组、代谢组等;
(6) 分子育种与分子农业(工厂化农业);
(7) 生物净化;
(8) 生物电子学;
(9) 生化药物;
(10)生物能源的开发等。

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