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生物化学是研究生命物质的化学组成结构,及生命过程中各种化学变化的生物学分支学科。

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、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。

二十世纪六十年代以来,生物化学与其它学科又融合产生了—些边缘学科,如生化药理学、古生物化学、化学生态学等;或按应用领域不同,有医学生化、农业生化、工业生化、营养生化等。

除了水和无机盐之外,活细胞的有机物主要由碳原子与氢、氧、氮、磷、硫结合组成,分为大分子和小分子两大类。前者包括蛋白质、核酸、多糖和以结合状态存在的脂质;后者有维生素、激素、各种代谢中间物,以及合成生物大分子所需的氨基酸、核苷酸、糖、脂肪酸和甘油等。在不同的生物中,还有各种次生代谢物,如萜类、生物碱、毒素、抗生素等。

虽然对生物体组成的鉴定是生物化学发展初期的特点,但直到今天,新物质仍不断在发现。如陆续发现的干扰素、环核苷磷酸、钙调蛋白、粘连蛋白、外源凝集素等,已成为重要的研究课题。

早已熟知的化合物也会发现新的功能,20世纪初发现的肉碱,50年代才知道是一种生长因子,而到60年代又了解到是生物氧化的一种载体;多年来被认为是分解产物的腐胺和尸胺,与精胺、亚精胺等多胺被发现有多种生理功能,如参与核酸和蛋白质合成的调节,对DNA超螺旋起稳定作用以及调节细胞分化等。

新陈代谢由合成代谢和分解代谢组成。前者是生物体从环境中取得物质,转化为体内新的物质的过程,也叫同化作用;后者是生物体内的原有物质转化为环境中的物质,也叫异化作用。同化和异化的过程都由一系列中间步骤组成。中间代谢就是研究其中的化学途径的。

在物质代谢的过程中还伴随有能量的变化。生物体内机械能、化学能、热能以及光、电等能量的相互转化和变化称为能量代谢,此过程中ATP起着中心的作用。新陈代谢是在生物体的调节控制之下有条不紊地进行的。生物体内绝大多数调节过程是通过别构效应实现的。

生物大分子的多种多样功能与它们特定的结构有密切关系。蛋白质的主要功能有催化、运输和贮存、机械支持、运动、免疫防护、接受和传递信息、调节代谢和基因表达等。由于结构分析技术的进展,使人们能在分子水平上深入研究它们的各种功能,蛋白质分子内部的运动性是它们执行各种功能的重要基础。

80年代初出现的蛋白质工程,通过改变蛋白质的结构基因,获得在指定部位经过改造的蛋白质分子。这一术不仅为研究蛋白质的结构与功能的关系提供了新的途径;而且也开辟了按一定要求合成具有特定功能的、新的蛋白质的广阔前景。

核酸的结构与功能的研究为阐明基因的本质,了解生物体遗传信息的流动作出了贡献。碱基配对是核酸分子相互作用的主要形式,这是核酸作为信息分子的结构基础。

基因表达的调节控制是分子遗传学研究的一个中心问题,也是核酸的结构与功能研究的一个重要内容。对于原核生物的基因调控已有不少的了解;真核生物基因的调控正从多方面探讨。如异染色质化与染色质活化;DNA的构象变化与化学修饰;DNA上调节序列如加强子和调制子的作用;RNA加工以及转译过程中的调控等。

生物体的糖类物质包括多糖、寡糖和单糖。在多糖中,纤维素和甲壳素是植物和动物的结构物质,淀粉和糖元等是贮存的营养物质。单糖是生物体能量的主要来源。寡糖在结构和功能上的重要性在20世纪70年代才开始为人们所认识。寡糖和蛋白质或脂质可以形成糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂。

由于糖链结构的复杂性,使它们具有很大的信息容量,对于细胞专一地识别某些物质并进行相互作用而影响细胞的代谢具有重要作用。从发展趋势看,糖类将与蛋白质、核酸、酶并列而成为生物化学的4大研究对象。

生物大分子的化学结构一经测定,就可在实验室中进行人工合成。生物大分子及其类似物的人工合成有助于了解它们的结构与功能的关系。有些类似物由于具有更高的生物活性而可能具有应用价值。通过DNA化学合成而得到的人工基因可应用于基因工程而得到具有重要能的蛋白质及其类似物。

生物体内几乎所有的化学反应都是酶催化的。酶的作用具有催化效率高、专一性强等特点。这些特点取决于酶的结构。酶的结构与功能的关系、反应动力学及作用机制、酶活性的调节控制等是酶学研究的基本内容。酶与人类生活和生产活动关系十分密切,因此酶在工农业生产、国防和医学上的应用一直受到广泛的重视。

生物膜主要由脂质和蛋白质组成,一般也含有糖类,其基本结构可用流动镶嵌模型来表示,即脂质分子形成双层膜,膜蛋白以不同程度与脂质相互作用并可侧向移动。生物膜与能量转换、物质与信息的传送、细胞的分化与分裂、神经传导、免疫反应等都有密切关系,是生物化学中一个活跃的研究领域。

激素是新陈代谢的重要调节因子。激素系统和神经系统构成生物体两种主要通讯系统,二者之间又有密切的联系。70年代以来,激素的研究范围日益扩大,许多激素的化学结构已经测定,它们主要是多肽和甾体化合物。一些激素的作用原理也有所了解,有些是改变的通透性,有些是激活细胞的酶系,还有些是影响基因的表达。维生素对代谢也有重要影响,可分水溶性与脂溶性两大类。它们大多是酶的辅基或辅酶,与生物体的健康有密切关系。

生物进化学说认为:地球上数百万种生物具有相同的起源,并在大约40亿年的进化过程中逐渐形成。生物化学的发展为这一学说在分子水平上提供了有力的证据。

在生物化学的发展中,许多重大的进展均得力于方法上的突破。90年代以来计算机技术广泛而迅速地向生物化学各个领域渗透,不仅使许多分析仪器的自动化程度和效率大大提高,而且为生物大分子的结构分析,结构预测以及结构功能关系研究提供了全新的手段。生物化学今后的继续发展无疑还要得益于技术和方法的革新。

生物化学对其它各门生物学科的深刻影响首先反映在与其关系比较密切的细胞学、微生物学、遗传学、生理学等领域。通过对生物高分子结构与功能进行的深入研究,揭示了生物体物质代酣、能量转换、遗传信息传递、光合作用、神经传导、肌肉收缩、激素作用、免疫和细胞间通讯等许多奥秘,使人们对生命本质的认识跃进到一个崭新的阶段。

生物学中一些看来与生物化学关系不大的学科,如分类学和生态学,甚至在探讨人口控制、世界食品供应、环境保护等社会性问题时,都需要从生物化学的角度加以考虑和研究。

此外,生物化学作为生物学和物理学之间的桥梁,将生命世界中所提出的重大而复杂的问题展示在物理学面前,产生了生物物理学、量子生物化学等边缘学科,从而丰富了物理学的研究内容,促进了物理学和生物学的发展。

生物化学是在医学、农业、某些工业和国防部门的生产实践的推动下成长起来的,反过来,它又促进了这些部门生产实践的发展。

生物化学在发酵、食品、纺织、制药、皮革等行业都显示了强大的威力。例如皮革的鞣制、脱毛,蚕丝的脱胶,棉布的浆纱都用酶法代替了老工艺。近代发酵工业、生物制品及制药工业包括抗生素、有机溶剂、有机酸、氨基酸、酶制剂、激素、血液制品及疫苗等均创造了相当巨大的经济价值,特别是固定化酶和固定化细胞技术的应用更促进了酶工业和发酵工业的发展。 


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