任务一　生物化学的特色与发展历程

解剖学是从大体水平研究生物体的结构与功能，组织胚胎学在细胞水平，通过显微镜、电子显微镜来了解生物体细胞的结构与功能。而生物化学实际上是更深一个层次，在细胞分子水平研究生物体的结构与功能。生物化学有200多年历史，随着技术的发展，生物化学与其他学科有交叉，如遗传学、生物工程学、生物信息学等。生物化学是一门古老的学科，也是一门新兴的学科，还是一门边缘学科、交叉学科。生物化学研究的最终目的是在分子水平揭示生命活动的本质，以及致病机制和治疗原理。根据其研究阶段不同，可以分为静态生物化学、动态生物化学以及功能生物化学3个发展阶段。静态生物化学是研究生物体内物质的化学组成、理化性质和生物学功能。动态生物化学是关注生物体代谢过程。功能生物化学则是研究生物大分子结构与功能的关系。

一、生物化学的特色

生物化学相比其他的化学学科有其独特的特点，主要有：

①研究对象为生物体内的化学物质。因此，具有明显的化学特色，与其他的化学学科交叉，但更重视其体内物质的生物学活性或生物学意义。

②不同生物大分子其合成、结构和功能等方面各有特色。

③代谢过程是分步进行的，而且受到精确的调控。如葡萄糖在空气中燃烧生成CO2和H2O是剧烈的放热反应，而在体内，却在温和的条件下进行，经过3大途径（葡萄糖分解为丙酮酸、丙酮酸氧化为乙酰CoA和乙酰CoA氧化）、20多个连续反应才能完成，反应过程受酶及代谢物等精确控制。

④生物氧化过程主要以脱氢方式进行（如乙醇脱氢酶），而直接加氧反应在生物体代谢过程具有特殊的意义。

⑤强调分解代谢与合成代谢的偶联，物质代谢与能量代谢的偶联，合成代谢所需能量来源于分解代谢（能量守恒定律）。

⑥关注生物大分子的结构与功能的关系。其中，蛋白质结构与功能、核酸结构与功能、核酸的复制和蛋白质的生物合成更具有生物化学特色。

⑦注重代谢过程的调控，使生物体内物质分解与合成过程有条不紊地进行。

⑧没有局限于分子水平研究生命现象，也在细胞或细胞器水平研究生命现象。如生物体的代谢调控可以在细胞、分子水平进行。高等动植物还可以通过激素进行调控。酶活力调节是典型的分子水平调节，生物体内酶促反应（代谢过程）受反馈抑制影响。酶含量的调节可发生在细胞水平。生物过程中酶的合成受诱导与阻遏的控制。

⑨生物体内的代谢调控具有时空性。代谢调节受物种遗传基因的影响，环境因素也会影响基因的表达（如双胞胎或多胞胎患病情况有差异）。

简单地说，生物体通过核酸、蛋白质等生物大分子的复制、合成来控制生命活动的过程。生命现象通过蛋白质功能实现。但从调控的时空分析，DNA是真正的出发点，而RNA是蛋白质合成过程中不可或缺的中间体，它参与遗传物质的转录与翻译。核糖体是蛋白质的合成场所。转录过程将隐藏在DNA的分子信息转录到mRNA的三联体密码上，再通过tRNA翻译其中的遗传密码指导蛋白质合成。

二、生物化学的发展历程

1.静态生物化学阶段（叙述生物化学阶段）

生物化学早期是从生理学学科中分出来的。生理学是以研究人体生理功能为主的学科，如心血管功能、消化道功能、骨骼功能、内分泌功能、肌肉功能等。在功能基础上，深入研究后就进入到细胞水平，生物化学就因此形成了一门独立的学科，最初叫生理生物化学，这一阶段主要为静态生物化学阶段，也称叙述生物化学阶段。这一阶段的特点是对生命现象有零星的了解，主要研究生物体的化学组成，包括糖类、脂类、蛋白质和核酸等有机物组成，并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，客观描述组成生物体的物质含量、分布、结构、性质与功能。虽然也有生物体内的一些化学过程被发现，并进行过研究，但总的来说，还是以分析和研究生物体的组成成分为主，是生物化学的萌芽时期。

2.动态生物化学阶段

从20世纪初期开始，生物化学进入了蓬勃发展阶段。科学家发现必需氨基酸、必需脂肪酸、多种维生素、激素等生物分子的结构，脲酶、胃蛋白酶及胰蛋白酶等酶也相继被分离纯化。在体内新陈代谢方面，由于化学分析及同位素示踪技术的发展与应用，如放射性核素示踪法，对生物体内主要物质代谢途径展开了深入研究并确定了部分生物分子的代谢过程，如糖酵解、三羧酸循环、脂肪酸β氧化及鸟氨酸循环等过程。所以，此时期称为动态生物化学阶段。研究变得更加系统，主要研究大分子是什么？结构是什么？功能是什么？了解个体从发育到衰老过程的动态变化，细胞内的大分子的动态变化，更全面了解高分子化合物、小分子化合物的代谢途径、结构与功能。

3.功能生物化学阶段

从20世纪中叶以来，生物化学发展的最显著特征是分子生物学的崛起。20世纪50年代后期揭示了蛋白质的生物合成途径，确定了合成代谢与分解代谢网络组成的“中间代谢”。细胞内两类重要的生物大分子——蛋白质与核酸成为研究焦点，核酸结构和蛋白质生物合成途径被阐明。特别是在Jamdes D.Watson和Francis H.Crick提出DNA双螺旋结构后，证明了遗传中心法则，推动分子生物学的发展并成为生物化学的主体。X射线和多肽链氨基酸序列分析技术是20世纪50年代后分子生物学研究的两大技术支柱。1973年PaulBery、Herbert和Stanley Cohen建立了体外重组DNA技术，标志着基因工程的诞生。1981年T.Cech发现了核酸酶，拓展了酶学研究内容。1985年Kary Mullis发明了聚合酶链反应（PCR）技术，使体外高效率扩增DNA得以实现。1990年开始的人类基因组计划（human genome project，HGP）是生命科学领域的重大项目，2000年完成了人类基因组“工作框架图”。2003年4月，人类基因组序列图绘制成功。

三、我国对生物化学发展的贡献

在我国古代的夏禹时代，人们就可以成功利用粮食进行酒类的酿造，到商周时期，酿酒与制酱技术已经十分盛行了，这些都是古代人民在无意识的情况下利用了生物活性物质——酶。在公元前6世纪，春秋战国时期，我国就有利用曲进行消化疾病治疗的记载；公元4世纪晋朝时，就有利用海藻（含碘）进行地方性甲状腺肿瘤的治疗；公元7世纪唐朝初期就有利用谷粮、中草药治疗雀目（即夜盲症）的记载。可以说，在我国古代，人们虽然不清楚生物化学机理，但在无意识条件下，已经在生产、生活中以及医药领域中使用了生物化学知识，为生物化学的发展做出了巨大的贡献。

我国生物化学研究起步较晚，但在20世纪30～40年代我国生物化学工作者在临床生物化学、血液学、营养学、蛋白质变性学及免疫学等学科或领域做了大量的工作，并取得了巨大的成绩。我国生物化学的奠基人是吴宪（1893—1989），他率先提出了蛋白质变性学说，对于研究蛋白质大分子的高级结构有重要价值。他还在血液分析、食物营养和免疫化学等领域作出了杰出贡献，至今在临床诊断方面还在使用他提出的血液系统分析法。特别是在1965年，我国科学家在世界上首次人工合成具有生物活性的牛胰岛素，1971年用X射线测定了猪胰岛素的分子结构，分辨率极高，达到了0.18nm。20世纪80年代中期对内源性吗啡物质进行了大量研究并成功合成了内啡肽，所有这些成绩都是由于我国生物化学家付出了巨大的努力才取得的。进入21世纪后，我国科学家参与了人类基因组计划，并且是唯一参与该计划的发展中国家，标志着我国生物化学研究处于世界的前列。2014年开始，启动我国全部重大疾病人类蛋白质组计划。由此，我国生物化学走在世界的前列，并成为世界蛋白质组学的领头羊。