基本介紹
- 中文名：生物化學
- 外文名：Biochemistry
- 核心：用化學的方法、理論研究生命
- 簡稱：生化
- 學科代碼： 18017
定義,發展歷史,物質組成,物質代謝,結構與功能,繁殖與遺傳,分類,研究內容,實際套用,醫學生化,農業生化,工業生化,國防套用,發展簡史,
定義
生物化學（Biochemistry）這一名詞的出現大約在19世紀末、20世紀初，但它的起源可追溯得更遠，其早期的歷史是生理學和化學的早期歷史的一部分。
1860年L.巴斯德證明發酵是由微生物引起的，但他認為必需有活的酵母才能引起發酵。
發展歷史
在尿素被人工合成之前，人們普遍認為非生命物質的科學法則不適用於生命體，並認為只有生命體能夠產生構成生命體的分子（即有機分子）。直到1828年，化學家弗里德里希·維勒成功合成了尿素這一有機分子，證明了有機分子也可以被人工合成。
生物化學研究起始於1883年，安塞姆·佩恩（Anselme Payen）發現了第一個酶，澱粉酶。1896年，愛德華·畢希納闡釋了一個複雜的生物化學進程：酵母細胞提取液中的乙醇發酵過程。“生物化學”（biochemistry）這一名詞在1882年就已經有人使用；但直到1903年，當德國化學家卡爾·紐伯格（Carl Neuberg）使用後，“生物化學”這一辭彙才被廣泛接受。
隨後生物化學不斷發展，特別是從20世紀中葉以來，隨著各種新技術的出現，例如色譜、X射線晶體學、核磁共振、放射性同位素標記、電子顯微學以及分子動力學模擬，生物化學有了極大的發展。這些技術使得研究許多生物分子結構和細胞代謝途徑，如糖酵解和三羧酸循環成為可能。
物質組成
生物體是由一定的物質成分按嚴格的規律和方式組織而成的。人體約含水55~67%，蛋白質15～18%，脂類 10～15%，無機鹽3～4% 及糖類1～2%等。從這個分析來看，人體的組成除水及無機鹽之外，主要就是蛋白質、脂類及糖類三類有機物質。其實，除此三大類之外，還有核酸及多種有生物學活性的小分子化合物，如維生素、激素、胺基酸及其衍生物、肽、核苷酸等。若從分子種類來看，那就更複雜了。
以蛋白質為例，人體內的蛋白質分子，據估計不下100000種。這些蛋白質分子中，極少與其它生物體內的相同。每一類生物都各有其一套特有的蛋白質,它們都是些大而複雜的分子。其它大而複雜的分子，還有核酸、糖類、脂類等；它們的分子種類雖然不如蛋白質多，但也是相當可觀的。這些大而複雜的分子稱為“生物分子”。生物體不僅由各種生物分子組成，也由各種各樣有生物學活性的小分子所組成，足見生物體在組成上的多樣性和複雜性。
大而複雜的生物分子在體內也可降解到非常簡單的程度。當生物分子被水解時，即可發現構成它們的基本單位，如蛋白質中的胺基酸，核酸中的核苷酸，脂類中脂肪酸及糖類中的單糖等。這些小而簡單的分子可以看作生物分子的構件，或稱作“構件分子”。它們的種類為數不多，在每一種生物體內基本上都是一樣的。實際上，生物體內的生物分子僅僅是由不多幾種構件分子借共價鍵連線而成的。由於組成一個生物分子的構件分子的數目多，它的分子就大；因為構件分子不只一種，而且其排列順序又可以是各種各樣，由此而形成的生物分子的結構，當然就複雜。不僅如此，某些生物分子在不同情況下，還會具有不同的立體結構。
生物分子的種類是非常多的。自然界約一百三十餘萬種生物體中，據估計總大約有
種蛋白質及
種核酸；它們都是由一些構件分子所組成。構件分子在生物體內的新陳代謝中，按一定的組織規律，互相連線，依次逐步形成生物分子、亞細胞結構、細胞組織或器官，最後在神經及體液的溝通和聯繫下，形成一個有生命的整體。
物質代謝
生物體內有許多化學反應，按一定規律，繼續不斷地進行著。如果其中一個反應進行過多或過少，都將表現為異常，甚至疾病。病毒除外，病毒在自然環境下無生命反應。
在合成反應中，作為原料，使體內的各種結構能夠生長、發育、修補、替換及繁殖。在分解反應中，主要作為能源物質，經生物氧化作用，放出能量，供生命活動的需要，同時產生廢物，經由各排泄途徑排出體外，交迴環境，這就是生物體與其外環境的物質交換過程，一般稱為物質代謝或新陳代謝。
據估計一個人在其一生中（按60歲計算），通過物質代謝與其體外環境交換的物質約相當於60000kg水，10000kg糖類，1600kg蛋白及1000kg脂類。
物質代謝的調節控制是生物體維持生命的一個重要方面。物質代謝中絕大部分化學反應是在細胞內由酶促成，而且具有高度自動調節控制能力。這是生物的重要特點之一。一個小小的活細胞內，幾近兩千種酶，在同一時間內，催化各種不同代謝中各自特有的化學反應。這些化學反應互不妨礙，互不干擾，各自有條不紊地以驚人的速度進行著，而且還互相配合。結果，不論是合成代謝還是分解代謝，總是同時進行到恰到好處。
以蛋白質為例，用人工合成，即使有眾多高深造詣的化學家，在設備完善的實驗室里，也需要數月以至數年，或能合成一種蛋白質。然而在一個活細胞里，在37℃及近於中性的環境中，一個蛋白質分子只需幾秒鐘，即能合成，而且有成百上千個不相同的蛋白質分子，幾乎像在同一個反應瓶中那樣，同時在進行合成，而且合成的速度和量，都正好合乎生物體的需要。這表明，生物體內的物質代謝必定有盡善盡美的安排和一個調節控制系統。
根據現有的知識，酶的嚴格特異性、多酶體系及酶分布的區域化等的存在，可能是各種不同代謝能同時在一個細胞內有秩序地進行的一個解釋。在調節控制方面，動物體內，除神經體液發揮著重要作用之外，作用物的供應及輸送、產物的需要及反饋抑制，基因對酶的合成的調控，酶活性受酶結構的改變及輔助因子的豐富與缺乏的影響等因素，亦不可忽視。
結構與功能
組成生物體的每一部分都具有其特殊的生理功能。從生物化學的角度，則必須深入探討細胞、亞細胞結構及生物分子的功能。功能來自結構。欲知細胞的功能，必先了解其亞細胞結構；同理，要知道一種亞細胞結構的功能，也必先弄清構成它的生物分子。關於生物分子的結構與其功能有密切關係的知識，已略有所知。例如，細胞內許多有生物催化劑作用的蛋白質——酶；它們的催化活性與其分子的活性中心的結構有著密切關係，同時，其特異性與其作用物的結構密切相關；而一種變構酶的活性，在某種情況下，還與其所催化的代謝途徑的終末產物的結構有關。又如，胞核中脫氧核糖核酸的結構與其在遺傳中的作用息息相關；簡而言之，DNA中核苷酸排列順序的不同，表現為遺傳中的不同信息，實際是不同的基因。分子生物學。
在生物化學中，有關結構與功能關係的研究，才僅僅開始；尚待大力研究的問題很多，其中重大的，有亞細胞結構中生物分子間的結合，同類細胞的相互識別、細胞的接觸抑制、細胞間的粘合、抗原性、抗原與抗體的作用、激素、神經介質及藥物等的受體等。
繁殖與遺傳
生物體有別於非生物的另一突出特點是具有繁殖能力及遺傳特性。一切生物體都能自身複製；複製品與原樣幾無差別，且能代代相傳，這就是生物體的遺傳特性。遺傳的特點是忠實性和穩定性，三十多年前，對遺傳的了解，還不夠深入。基因還只是一個神秘莫測的術語。隨著生物化學的發展，已經證實，基因只不過是DNA分子中核苷酸鹼基的種種排列順序而已。DNA分子的結構已不難測得，遺傳信息也可以知曉，傳遞遺傳信息過程中的各種核糖核酸也已基本弄清，不但能在分子水平上研究遺傳，而且還有可能改變遺傳，從而派生出遺傳工程學。如果能將所需要的基因提出或合成，再將其轉移到適當的生物體內去，以改變遺傳、控制遺傳，這不但能解除人們一些疾患，而且還可以改良動、植物的品種，甚至還可能使一些生物，尤其是微生物，更好為人類服務，可以預見在不遠的將來，這一發展將為人類的幸福作出巨大的貢獻。
分類
生物化學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、神經生化、免疫生化、生物力能學等。因研究的物質不同，又可分為蛋白質化學、核酸化學、酶學等分支。研究各種天然物質的化學稱為生物有機化學。研究各種無機物的生物功能的學科則稱為生物無機化學或無機生物化學。
生物化學
研究內容
生物化學主要研究生物體分子結構與功能、物質代謝與調節以及遺傳信息傳遞的分子基礎與調控規律。
生物化學組成
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、硫等結合組成，分為大分子和小分子兩大類。前者包括蛋白質、核酸、多糖和以結合狀態存在的脂質；後者有維生素、激素、各種代謝中間物以及合成生物大分子所需的胺基酸、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、生物鹼、毒素、抗生素等。
雖然對生物體組成的鑑定是生物化學發展初期的特點，但直到今天，新物質仍不斷在發現。如陸續發現的干擾素、環核苷一磷酸、鈣調蛋白、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，如作為代謝調節物的果糖–2，6–二磷酸是1980年才發現的。
另一方面，早已熟知的化合物也會發現新的功能，20世紀初發現的肉鹼，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物的腐胺和屍胺，與精胺、亞精胺等多胺被發現有多種生理功能，如參與核酸和蛋白質合成的調節，對DNA超螺旋起穩定作用以及調節細胞分化等。
代謝調節控制
新陳代謝由合成代謝和分解代謝組成。前者是生物體從環境中取得物質，轉化為體內新的物質的過程，也叫同化作用；後者是生物體內的原有物質轉化為環境中的物質，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途徑的。如糖元、脂肪和蛋白質的異化是各自通過不同的途徑分解成葡萄糖、脂肪酸和胺基酸，然後再氧化生成乙醯輔酶–A，進入三羧酸循環，最後生成二氧化碳。
新陳代謝是在生物體的調節控制之下有條不紊地進行的。這種調控有3種途徑：
結構與功能
生物大分子的多種多樣功能與它們特定的結構有密切關係。蛋白質的主要功能有催化、運輸和貯存、機械支持、運動、免疫防護、接受和傳遞信息、調節代謝和基因表達等。由於結構分析技術的進展，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。蛋白質分子的結構分4個層次，其中二級和三級結構間還可有超二級結構，三、四級結構之間可有結構域。結構域是個較緊密的具有特殊功能的區域，連結各結構域之間的肽鏈有一定的活動餘地，允許各結構域之間有某種程度的相對運動。蛋白質的側鏈更是無時無刻不在快速運動之中。蛋白質分子內部的運動性是它們執行各種功能的重要基礎。
80年代初出現的蛋白質工程，通過改變蛋白質的結構基因，獲得在指定部位經過改造的蛋白質分子。這一技術不僅為研究蛋白質的結構與功能的關係提供了新的途徑；而且也開闢了按一定要求合成具有特定功能的、新的蛋白質的廣闊前景。
對核酸的結構與功能的研究為闡明基因的本質、了解生物體遺傳信息的流動作出了貢獻。鹼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構基礎。脫氧核糖核酸的雙螺旋結構有不同的構象，J.D.沃森和F.H.C.克里克發現的是B–結構的右手螺旋，後來又發現了稱為 Z–結構的左手螺旋。DNA還有超螺旋結構。這些不同的構象均有其功能上的意義。核糖核酸包括信使核糖核酸（mRNA）、轉移核糖核酸 （tRNA）和核蛋白體核糖核酸（rRNA），它們在蛋白質生物合成中起著重要作用。新近發現個別的RNA有酶的功能。
基因表達的調節控制是分子遺傳學研究的一個中心問題，也是核酸的結構與功能研究的一個重要內容。對於原核生物的基因調控已有不少的了解；真核生物基因的調控正從多方面探討。如異染色質化與染色質活化；DNA的構象變化與化學修飾；DNA上調節序列如加強子和調製子的作用；RNA加工以及轉譯過程中的調控等。
葡萄糖結構式
生物體的糖類物質包括多糖、寡糖和單糖。在多糖中，纖維素和甲殼素是植物和動物的結構物質，澱粉和糖元等是貯存的營養物質。單糖是生物體能量的主要來源。寡糖在結構和功能上的重要性在20世紀70年代才開始為人們所認識。寡糖和蛋白質或脂質可以形成糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂。由於糖鏈結構的複雜性，使它們具有很大的信息容量，對於細胞專一地識別某些物質並進行相互作用而影響細胞的代謝具有重要作用。
從發展趨勢看，糖類將與蛋白質、核酸、酶並列而成為生物化學的4大研究對象。
生物大分子的化學結構一經測定，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於了解它們的結構與功能的關係。有些類似物由於具有更高的生物活性而可能具有套用價值。通過 DNA化學合成而得到的人工基因可套用於基因工程而得到具有重要功能的蛋白質及其類似物。
酶學研究
1970年代發展起來的親和標記試劑和自殺底物等專一性的不可逆抑制劑已成為探討酶的活性部位的有效工具。多酶系統中各種酶的協同作用，酶與蛋白質、核酸等生物大分子的相互作用以及套用蛋白質工程研究酶的結構與功能是酶學研究的幾個新的方向。酶與人類生活和生產活動關係十分密切，因此酶在工農業生產、國防和醫學上的套用一直受到廣泛的重視。
生物膜和生物力
生物膜主要由脂質和蛋白質組成，一般也含有糖類，其基本結構可用流動鑲嵌模型來表示，即脂質分子形成雙層膜，膜蛋白以不同程度與脂質相互作用並可側向移動。生物膜與能量轉換、物質與信息的傳送、細胞的分化與分裂、神經傳導、免疫反應等都有密切關係，是生物化學中一個活躍的研究領域。
以能量轉換為例，在生物氧化中，代謝物通過呼吸鏈的電子傳遞而被氧化，產生的能量通過氧化磷酸化作用而貯存於高能化合物ATP中，以供應肌肉收縮及其他耗能反應的需要。線粒體內膜就是呼吸鏈氧化磷酸化酶系的所在部位，在細胞內發揮著電站作用。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。以上這些研究構成了生物力能學的主要內容。
激素與維生素
1970年代以來，激素的研究範圍日益擴大。如發現腸胃道和神經系統的細胞也能分泌激素；一些生長因子、神經遞質等也納入了激素類物質中。許多激素的化學結構已經測定，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。
生命起源與進化
生物進化學說認為地球上數百萬種生物具有相同的起源並在大約40億年的進化過程中逐漸形成。生物化學的發展為這一學說在分子水平上提供了有力的證據。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在各種微生物、植物和動物中都存在並具有相近的胺基酸序列和類似的立體結構，而且類似的程度與種屬之間的親緣關係相一致。DNA複製中的差錯可以說明作為進化基礎的變異是如何發生的。生物由低級向高級進化時，需要更多的酶和其他蛋白質，基因的重排和突變為適應這種需要提供了可能性。由此可見，有關進化的生物化學研究將為闡明進化的機制提供更加本質的和定量的信息。
但是，人們對生化系統自身是如何起源的仍然知之甚少，在生物化學的教科書中也無人提及。其實，生化系統的成型也就意味著生命的誕生。最近，有學者提出原始生命是在光合系統的演化中開始的，能量（光能，地球上最普遍而恆久的能量來源）的轉化與利用是生化系統運轉的核心，而ATP在光合作用、代謝通路和遺傳信息之間架起了橋樑，它亦是遺傳密碼起源的關鍵（ATP中心假說）。
ATP在光合、代謝和遺傳之間架起了橋樑
方法學
1970年代以來計算機技術廣泛而迅速地向生物化學各個領域滲透，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構分析，結構預測以及結構功能關係研究提供了全新的手段。生物化學今後的繼續發展無疑還要得益於技術和方法的革新。
實際套用
生物化學對其他各門生物學科的深刻影響首先反映在與其關係比較密切的細胞學、微生物學、遺傳學、生理學等領域。通過對生物高分子結構與功能進行的深入研究，揭示了生物體物質代謝、能量轉換、遺傳信息傳遞、光合作用、神經傳導、肌肉收縮、激素作用、免疫和細胞間通訊等許多奧秘，使人們對生命本質的認識躍進到一個嶄新的階段。
生物化學是在醫學、農業、某些工業和國防部門的生產實踐的推動下成長起來的，反過來，它又促進了這些部門生產實踐的發展。
醫學生化
青黴素的發現開創了抗生素化療藥物的新時代，再加上各種疫苗的普遍套用，使很多嚴重危害人類健康的傳染病得到控制或基本被消滅。
生物化學的理論和方法與臨床實踐的結合，產生了醫學生化的許多領域，如：研究生理功能失調與代謝紊亂的病理生物化學，以酶的活性、激素的作用與代謝途徑為中心的生化藥理學，與器官移植和疫苗研製有關的免疫生化等。
農業生化
農林牧副漁各業都涉及大量的生化問題。如防治植物病蟲害使用的各種化學和生物殺蟲劑以及病原體的鑑定；篩選和培育農作物良種所進行的生化分析；家魚人工繁殖時使用的多肽激素；餵養家畜的發酵飼料等。隨著生化研究的進一步發展，不僅可望採用基因工程的技術獲得新的動、植物良種和實現糧食作物的固氮；而且有可能在掌握了光合作用機理的基礎上，使整個農業生產的面貌發生根本的改變。
工業生化
國防套用
發展簡史
1776–1778年，瑞典化學家舍勒（Sheele）從天然產物中分離出：甘 油 （glycerol） ，蘋果酸 （malic acid） ，檸檬酸（citric acid） ，尿 酸 （uric acid） 和酒石酸（tartaric acid）。
舍勒
1984年，諾貝爾化學獎授予Bruce Merrifield（美國），獎勵其建立和發展蛋白質化學合成方法。
1993年，諾貝爾生理學或醫學獎授予Rechard J.Roberts（美）等，表彰其發現斷裂基因。
1996年，諾貝爾生理學或醫學獎授予Petrc. Doherty（美）等，以表彰其發現T細胞對病毒感染細胞的識別和MHC（主要組織相容性複合體）限制。
博耶（PaulD.Boyer），美國生物化學家，1918年7月31日生於美國猶他州普羅沃。由於在研究產生儲能分子三磷酸腺苷（ATP）的酶催化過程有開創性貢獻而與沃克共獲了1997年諾貝爾化學獎。同時獲得該獎項的還有發現輸送離子的Na/K–ATP酶的科學獎Jens c. skon（丹麥）。
