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生物化学（biochemistry）是研究生物体内化学分子与化学反应的基础生命科学，从分子水平探讨生命现象的本质。生物化学早期主要采用化学、物理学和数学的原理和方法，研究各种形式的生命现象，随着研究的发展，融人了生理学、细胞生物学、遗传学和免疫学等的理论和技术，加之近年来生物信息学的介人，使之与众多学科有着广泛的联系和交叉。生物化学主要研究生物体分子结构与功能、物质代谢与调节以及遗传信息传递的分子基础与调控规律等。

20世纪50年代，生物化学发展进人了分子生物学（molecular biology）时期。通常将研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构、功能及基因结构、表达与调控的内容，称为分子生物学。分子生物学的发展揭示了生命本质的高度有序性和一致性，是人类在认识论上的重大飞跃。从广义上理解，分子生物学是生物化学的重要组成部分，也被视作生物化学的发展和延续，因此，分子生物学的飞速发展，无疑为生物化学的发展注人了生机和活力。近年来迅猛发展的生物化学学科，研究成果累累，促进了相关和交叉学科，特别是医学的发展，已成为生命科学的重要学科之一。

第一节生物化学与分子生物学发展简史

生物化学的起始研究可追溯至18世纪，而在20世纪初期作为一门独立的学科蓬勃发展起来了，近50年来又有许多重大的进展和突破，成为生命科学领域重要的前沿学科之一。

一、叙述生物化学阶段

18世纪中叶至19世纪末是生物化学的初期阶段，也称为叙述生物化学阶段，主要研究生物体的化学组成。期间的重要贡献有：对脂类、糖类及氨基酸的性质进行了较为系统的研究；发现了核酸；从血液中分离了血红蛋白；证实了连接相邻氨基酸的肤键的形成；化学合成了简单的多肤；发现酵母发酵可产生醇并产生CO,，酵母发酵过程中存在“可溶性催化剂”，奠定了酶学的基础等。

二、动态生物化学阶段

从20世纪初期开始，生物化学学科蓬勃发展，开始认识体内各种分子的代谢变化，进人了动态生物化学阶段。例如：在营养方面，发现了人类必需氨基酸、必需脂肪酸及多种维生素；在内分泌方面，发现了多种激素，并将其分离、合成；在酶学方面，认识到酶的化学本质是蛋白质，酶晶体制备获得成功；在物质代谢方面，由于化学分析及核素示踪技术的发展与应用，对生物体内主要物质的代谢途径已基本确定，包括糖代谢途径的酶促反应过程、脂肪酸一p氧化、尿素合成途径及柠檬酸循环等。在生物能研究中，提出了生物能产生过程中的ATP循环学说。

三、分子生物学时期

20世纪后半叶以来，生物化学发展的显著特征是分子生物学的崛起。期间，物质代谢途径的研究继续发展，并重点进人合成代谢与代谢调节的研究。

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1. DNA双螺旋结构被发现这一阶段，细胞内两类重要的生物大分子一蛋白质与核酸，成为研究的焦点，硕果累累。例如，20世纪50年代初期发现了蛋白质的a一螺旋的二级结构形式；完成了胰岛素的氨基酸全序列分析等。更具有里程碑意义的是工D. Watson和F. H. Crick于1953年提出的DNA双螺旋结构模型，为揭示遗传信息传递规律奠定了基础，是生物化学发展进人分子生物学时期的重要标志。此后，对DNA的复制机制、RNA的转录过程以及各种RNA在蛋白质合成过程中的作用进行了深人研究，提出了遗传信息传递的中心法则，破译了RNA分子中的遗传密码等。这些成果深化了人们对核酸与蛋白质的关系及其在生命活动中作用的认识。20世纪50年代后期还揭示了蛋白质生物合成途径，确定了由合成代谢与分解代谢网络组成的“中间代谢”概念。

2. DNA克隆使墓因操作无所不能 2 0世纪70年代，重组DNA技术的建立不仅促进了对基因表达调控机制的研究，使基因操作无所不能，而且使人们主动改造生物体成为可能。由此，相继获得了多种基因工程产品，大大推动了医药工业和农业的发展。转基因动植物和基因剔除（gene knock out)动物模型的成功是重组DNA技术发展的结果。基因诊断与基因治疗也是重组DNA技术在医学领域应用的重要方面。20世纪80年代，核酶（ribozyme）的发现是人们对生物催化剂认识的补充。聚合酶链反应（PCR）技术的发明，使人们有可能在体外高效率扩增DNAo这些成果都是分子生物学发展的重大事件。

3.基因组学及其他组学的研究20世纪末发动的人类基因组计划（human genome project)是人类生命科学中的又一伟大创举。人类基因组计划是描述人类基因组和其他基因组特征，包括物理图谱、遗传图谱、基因组DNA序列测定。人类基因组计划采用了先产生“工作草图”的策略，即获取能覆盖全基因组的有用数据，然后再补充很多未知序列的间隙和验证不确切序列，终于在2001年2月由人类基因组计划和Cerela共同公布了人类基因组草图（Nature Feb. 15,409:860-921，2001；Science Feb. 16，291：1304-1351，2001），这无疑是人类生命科学历史上的一个重大里程碑，它揭示了人类遗传学图谱的基本特点，将为人类的健康和疾病的研究带来根本性的变革。

人类基因组计划的初步结果也给人们留下若干新的思考：果蝇的复杂度比线虫高，但它的基因总数（13500）却比线虫（18500）少；曾估计人类的基因组中应涵盖约7万至10万个基因，然而实际上只有大约2万至3万个可翻译基因，仅仅是线虫或果蝇的两倍，说明人类的基因更加复杂，具有更多的选择性剪切，从而产生巨大数目的蛋白质产物。可见，发现和鉴定人类基因中蕴含的所有基因，仅是第一步，而对基因的结构、功能及其调控研究显得尤为重要。

因此，以基因编码蛋白质的结构与功能为重点之一的功能基因组研究已迅速崛起。当前出现的蛋白质组学（proteomics）领域，包括研究蛋白质的定位、结构与功能、相互作用以及特定时空的蛋白质表达谱等，已成为生物化学的又一研究热点。由于蛋白质具有更为复杂的三维结构，无疑确定人类所有蛋白质的结构比测定人类基因组序列更具挑战性。1997年提出了转录组学(transcriptomics），研究细胞在某一功能状态下所含mRNA的类型与拷贝数。而事实上，RNA的生物功能远超出了遗传信息传递作用的范围，因而我国科学家在1998年和2000年多次提到了“功能RNA组的研究”。除mRNA,tRNA,rRNA外，近年来一类小分子RNA受到广泛重视，已发现小分子RNA可参与基因表达调控，所有的小分子RNA被统称为非mRNA小RNA（small～－messenger RNA, anmRNA），由此产生了RNA组学（RNomics）的概念，其主要研究snmRNA 的种类、结构、功能等，探讨同一生物不同组织细胞或同一细胞在不同时空状态下snmRNA的表达谱及其功能的变化。

代谢组学（metabonomics）研究的是生物体对外源性物质的刺激、环境变化或遗传修饰所做出的所有代谢应答的全貌和动态变化过程，其研究对象为完整的多细胞生物系统，包括了生命

绪论 3 个体与环境的相互作用。代谢组学着重于研究生物个体在疾病发生发展过程中和外源性物质如药物作用下代谢的整体变化。疾病代谢组学的研究，着重于寻找疾病发生发展的生物标记和指纹信息。

糖组学（glycomics）主要研究单个生物体所包含的所有聚糖的结构、功能（包括与蛋白质的相互作用）等生物学作用，糖组学的出现使人类可以更深刻理解第三类生物信息大分子—聚糖在生命活动中的作用。

总之，阐明人类基因组功能是一项多学科的任务，正吸引着生物、医学、化学、物理、数学、工程和计算机等领域的学者共同参与，从中整合所有墓因组信息，分析各种数据并提取其生物学意义，因而产生了一门前景广阔的新兴学科—生物信息学（bioinformatics），尽管生物化学与分子生物学的发展异常迅速，但人类基因组序列的揭晓仅是序幕而已，生命本质的阐明任重而道远。

四、我国科学家对生物化学发展的贡献

早在西方生物化学诞生之前，即公元前21世纪，我国人民已能酿酒，这是我国古代用“曲”作“媒”（即酶）催化谷物淀粉发酵的实践。近代生物化学发展时期，我国生物化学家吴宪等在血液化学分析方面，创立了血滤液的制备和血糖测定法；在蛋白质研究中提出了蛋白质变性学说。我国生物化学家刘思职在免疫化学领域，用定量分析方法研究抗原抗体反应机制。新中国成立后，我国的生物化学迅速发展。1965年，我国科学家首先采用人工方法合成了具有生物活性的牛胰岛素，解出了三方二锌猪胰岛素的晶体结构；1981年，采用了有机合成和酶促相结合的方法成功地又合成了酵母丙氨酞tRNA。此外，在酶学、蛋白质结构、生物膜结构与功能方面的研究都有举世瞩目的成就。近年来，我国的基因工程、蛋白质工程、新基因的克隆与功能、疾病相关基因的定位克隆及其功能研究均取得了重要的成果。特别要指出的是，人类基因组序列草图的完成也有我国科学家的一份贡献。

第二节当代生物化学与分子生物学

研究的主要内容

生物化学与分子生物学的研究内容十分广泛，包括生物个体的物质化学组成、化学变化、功能及其调节等，从分子水平阐明生物体生命活动的本质和规律。当代生物化学的研究主要集中在以下几个方面。

1 ．生物分子的结构与功能组成生物个体的化学成分，包括无机物、有机小分子和生物大分子。体内生物大分子的种类繁多，结构复杂，但其结构有一定的规律性，都是由基本结构单位按一定顺序和方式连接而形成的多聚体（polymer，分子量一般大于10`。核酸、蛋白质、多糖、蛋白聚糖和复合脂类等是体内重要的生物大分子，它们都是由各自基本组成单位构成的多聚体。例如，由核昔酸作为基本组成单位，通过磷酸二醋键连接形成多核昔酸—核酸；由氮基酸作为基本组成单位，通过肤键连接形成多肤链—蛋白质；聚糖也是由一定的基本单位聚合而成。生物大分子的重要特征之一是具有信息功能，由此也称之为生物信息分子。

对生物大分子的研究，除了确定其一级结构（基本组成单位的种类、排列顺序和方式）外，更重要的是研究其空间结构及其与功能的关系。分子结构是功能的基础，而功能则是结构的体现。生物大分子的功能还需通过分子之间的相互识别和相互作用而实现。例如，蛋白质与蛋白质的相互作用在细胞信号转导中起重要作用；蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸、核酸与核酸的相互作用在基因表达调控中发挥着决定性作用。由此可见，分子结构、分

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子识别和分子的相互作用是执行生物信息分子功能的基本要素，而这一领域的研究是当今生物化学的热点之一。

2.物质代谢及其调节生命体不同于无生命体的基本特征是新陈代谢。每个个体一刻不停地与外环境进行物质交换，摄人养料排出废物，以维持体内环境的相对稳定，从而延续生命。据估计，以60岁年龄计算，一个人在一生中与环境进行着大量的物质交换，约相当于60 OOOkg*,10 OOOkg糖类,600kg蛋白质以及1000kg脂类。因此，正常的物质代谢是正常生命过程的必要条件，若物质代谢发生紊乱则可引起疾病。目前对生物体内的主要物质代谢途径已基本清楚，但仍有众多的问题有待探讨。例如，物质代谢中的绝大多数化学反应是由酶催化的，酶的结构和酶量的变化对物质代谢的调节起着重要作用。物质代谢有序性调节的分子机制尚需进一步阐明。此外，细胞信息传递参与多种物质代谢及与其相关的生长、增殖、分化等生命过程的调节。细胞信息传递的机制及网络也是现代生物化学研究的重要课题。

3.甚因伯息传递及其调控基因信息传递涉及遗传、变异、生长、分化等诸多生命过程，也与遗传病、恶性肿瘤、心血管病等多种疾病的发病机制有关。因此，基因信息的研究在生命科学中的作用越显重要。现已确定，DNA是遗传的主要物质基础，基因即DNA分子的功能片段。当今，基因分子生物学除了进一步研究DNA的结构与功能外，更重要的是研究DNA复制、基因转录、蛋白质生物合成等基因信息传递过程的机制及基因表达的时空规律。而目前基因表达调控主要集中在信号转导研究、转录因子研究和RNA剪辑研究三个方面。DNA重组、转基因、基因剔除、新基因克隆、人类基因组及功能基因组研究等的发展，将大大推动这一领域的研究进程。

第三节生物化学与分子生物学和医学

一、生物化学已成为生物学各学科之间、医学

各学科之间相互联系的共同语言

以研究生命现象与本质为基础的生物学是一个涵盖众多学科的生命科学领域，包括形态学、分类学、生理学、生物化学、遗传学、生态学等。当今生物化学又是生命科学中进展迅速的重要学科之一，它的理论和技术已渗透到生物学各学科乃至基础医学和临床医学的各个领域，使之产生了许多新兴的交叉学科，如分子遗传学、分子免疫学、分子微生物学、分子病理学和分子药理学等。总而言之，生物化学已成为生物学各学科之间、医学各学科之间相互联系的共同语言。

二、生物化学为推动医学各学科发展作出了重要的贡献

生物化学是一门基础医学的必修课程，讲述正常人体的生物化学以及疾病过程中的生物化学相关问题，与医学有着紧密的联系。基础医学各学科主要是阐述人体正常、异常的结构与功能等，临床医学各学科则研究疾病发生、发展机制及诊断、治疗等，而生物化学为医学各学科从分子水平上研究正常或疾病状态时人体结构与功能乃至疾病预防、诊断与治疗，提供了理论与技术，对推动医学各学科的新发展作出了重要的贡献。例如，近年来对人们十分关注的心脑血管疾病、恶性肿瘤、代谢性疾病、免疫性疾病、神经系统疾病等重大疾病进行了分子水平的研究，在疾病的发生、发展、诊断和治疗方面取得了长足的进步。疾病相关基因克隆、重大疾病发病机制研究、墓因芯片与蛋白质芯片在诊断中的应用、基因治疗以及应用重组DNA技术生产蛋白质、多肤类药物等方面的深人研究，无不与生物化学的理论与技术相关。可以相信，随着生物化学与分子生物学的进一步发展，将给临床医学的诊断和治疗带来全新的理念。

绪论 5 生物化学与分子生物学的发展推动这些交叉学科发展的同时，也使自身吸取了众学科之长，更具生命力。随着近代医学的发展，越来越多懊将生物化学的理论和技术应用于疾病的预食、诊断和治疗，从分子水平探讨各种疾病的发生、发展机叙，也已成为当代医学研究的共同泪标。

因此，学习和掌握生物化学知识，除理解生命现象的本质与人体正常生理过程的分子帆栩一外，更重买的是为进一步学习基础医学其他各课程和临床医学打下扎实的生物化学基础。

（查锡良药立波）