第一章绪论5的事实。二、20世纪上半叶的动态生物化学是生物化学发展史的第二个阶段DynamicBiochemistry in the First Fifty Years ofTwenty Century Is the Secondary Stageof Biochemical History（一）解析葡萄糖裂/酵解和乙醇发酵的酶促反应途径随着有生命体化学组成和分子结构知识的积累，科学家们开始研究细胞内的化学反应是如何进行的。生物体内进行的化学反应是由一连串的酶促有机化学反应组成的。认识了酶的化学本质及酶促反应机制，科学家有可能演绎物质分解代谢途径，解释细胞是如何通过分解反应获得能量的。早在19一20世纪早期，很多科学家就在探索酵母细Fig 1-1 Sumner working on ureasecrystals胞中的乙醇发酵和动物骨骼肌中葡萄糖在缺氧时的分解过Note: Although Sumner lost his left arm as a程。由于同位素示踪技术的应用，科学家们终于在20世纪result of a hunting accident at age 17, he became30年代末详细地揭示了葡萄糖裂/酵解（glycolysis）和乙醇a great scientist.发酵（fermentation）的酶促反应顺序。古斯塔夫·恩伯登（GustavEmbden）和奥托·麦耶霍夫（OttoMeyerhof）（诺贝尔奖，1922）对葡萄糖裂解为丙酮酸过程的演绎贡献最大，因此糖裂解途径又称恩伯登-麦耶霍夫途径（Embden-Meyerhofpathway）。（二）演绎尿素循环和柠檬酸循环反应途径20世纪30年代是各种物质分子代谢途径研究多产的ETATE时期。1932年，汉斯·克雷勃斯（HansA.Krebs）和库尔特·汉瑟雷特（KurtHenseleit）发现了尿素循环反应途径。1937年，克雷勃斯又揭示了柠檬酸循环机制（诺贝尔奖，1953）（Fig1-2）。这些生物化学知识详尽描绘了物质氧化分解的过程，揭示了生命特征一一新陈代谢的化学本质，为认识细胞的功能提供了极有价值的线索。E（三）生物能学原理揭密营养有机物如何转化为ATPSOCIT解析代谢途径为揭示生命过程中的各种功能提供了启示，使生物化学产生了一套独特的理论；生物能学就是这些理论之一。1929年，塞鲁斯·费斯克（CyrusH.Fiske）、耶拉普拉伽达·苏巴罗夫（YellapragadaSubbarow）和卡尔·罗门（KarlLohman）分别发现了腺苷三磷酸（ATP）。Fig. 1-2Krebs discovered the citric acid1941年，师从麦耶霍夫的福里兹·李普曼（FritzLipmann）cycle（诺贝尔奖，1953）提出ATP循环学说。1948年，尤金·肯尼迪（EugeneKennedy）和阿伯特·莱宁格（AlbertLehninger）证明催化柠檬酸循环反应的酶都分布在线粒体，线粒体内膜分布的电子传递体可进行氧化磷酸化偶联反应。20世纪50年代，生物化学家综合物质代谢、氧化磷酸化偶联机制，闻明了细胞内营养有机物是如何转化为ATP的，奠定了现代生物能学原理。生物化学家在代谢途径、生物能学及酶反应等方面所取得的进步使生物化学成为成熟的学科。（四）合成代谢和分解代谢网络组成中间代谢1950年后，物质代谢途径研究进入合成途径的演绎。20世纪50年代末期，由于很多代谢途
第一章 绪 论 5 1 的事实。 二、 20 世纪上半叶的动态生物化学是生物 化 学 发 展 史 的 第 二 个 阶 段 Dynamic Biochemistry in the First Fifty Years of Twenty Century Is the Secondary Stage of Biochemical History （一）解析葡萄糖裂 / 酵解和乙醇发酵的酶促反应途径 随着有生命体化学组成和分子结构知识的积累，科学 家们开始研究细胞内的化学反应是如何进行的。生物体内 进行的化学反应是由一连串的酶促有机化学反应组成的。 认识了酶的化学本质及酶促反应机制，科学家有可能演绎 物质分解代谢途径，解释细胞是如何通过分解反应获得能 量的。早在 19—20 世纪早期，很多科学家就在探索酵母细 胞中的乙醇发酵和动物骨骼肌中葡萄糖在缺氧时的分解过 程。由于同位素示踪技术的应用，科学家们终于在 20 世纪 30 年代末详细地揭示了葡萄糖裂 / 酵解（glycolysis）和乙醇 发酵（fermentation）的酶促反应顺序。古斯塔夫·恩伯登 （Gustav Embden）和奥托·麦耶霍夫（Otto Meyerhof）（诺贝尔奖，1922）对葡萄糖裂解为丙酮酸 过程的演绎贡献最大，因此糖裂解途径又称恩伯登＿麦耶霍夫途径（Embden-Meyerhof pathway）。 （二）演绎尿素循环和柠檬酸循环反应途径 20 世纪 30 年代是各种物质分子代谢途径研究多产的 时期。1932 年，汉斯·克雷勃斯（Hans A. Krebs）和库尔 特·汉瑟雷特（Kurt Henseleit）发现了尿素循环反应途径。 1937 年，克雷勃斯又揭示了柠檬酸循环机制（诺贝尔奖， 1953）（Fig. 1-2）。这些生物化学知识详尽描绘了物质氧化 分解的过程，揭示了生命特征——新陈代谢的化学本质， 为认识细胞的功能提供了极有价值的线索。 （三）生物能学原理揭密营养有机物如何转化为 ATP 解析代谢途径为揭示生命过程中的各种功能提供了启 示，使生物化学产生了一套独特的理论；生物能学就是这 些理论之一。1929 年，塞鲁斯·费斯克（Cyrus H. Fiske）、 耶拉普拉伽达·苏巴罗夫（Yellapragada Subbarow）和卡 尔·罗门（Karl Lohman）分别发现了腺苷三磷酸（ATP）。 1941 年，师从麦耶霍夫的福里兹·李普曼（Fritz Lipmann） （诺贝尔奖，1953）提出 ATP 循环学说。1948 年，尤金·肯 尼迪（Eugene Kennedy）和阿伯特·莱宁格（Albert Lehninger）证明催化柠檬酸循环反应的酶都 分布在线粒体，线粒体内膜分布的电子传递体可进行氧化磷酸化偶联反应。20 世纪 50 年代，生 物化学家综合物质代谢、氧化磷酸化偶联机制，阐明了细胞内营养有机物是如何转化为 ATP 的， 奠定了现代生物能学原理。生物化学家在代谢途径、生物能学及酶反应等方面所取得的进步使生 物化学成为成熟的学科。 （四）合成代谢和分解代谢网络组成中间代谢 1950 年后，物质代谢途径研究进入合成途径的演绎。20 世纪 50 年代末期，由于很多代谢途 Fig. 1-1 Sumner working on urease crystals Note： Although Sumner lost his left arm as a result of a hunting accident at age 17, he became a great scientist. Fig. 1-2 Krebs discovered the citric acid cycle PUMP
生物化学6径被揭示，确立了细胞内由合成代谢和分解代谢网络组成的中间代谢概念。1955年，马隆·郝兰德（MahlonHoagland）证明氨基酸参与蛋白质合成前需要被活化，这个过程需消耗ATP。1957年，郝兰德和保尔·扎美尼克（PaulZamecnik）、马利·斯泰芬森（MaryStephenson）进步发现氨基酸活化还需要tRNA。1955一1965年间，终于揭示了氨基酸是如何以信使RNA（mRNA）为模板掺入蛋白质的。蛋白质合成研究成就除得益于同位素示踪技术的发展，应用细菌探索这一化学过程也起到至关重要的作用。三、机能生物化学阶段分子生物学崛起MolecularBiologyEmergedattheStage of Functional Biochemistry（一）20世纪50年代是蛋白质结构研究多产的时期1951年，李纳斯·鲍林（LinusPauling）（诺贝尔奖，1954）和罗勃特·考利（RobertB.Corey）采用X线衍射技术研究蛋白质结晶，发现了蛋白质分子的二级结构形式α-螺旋（Fig.1-3）。2年后，弗利德里克·桑格（FrederickSanger）采用化学方法完成了胰岛素序列分析（诺贝尔奖，1958）。X线衍射技术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。对蛋白质结构的认识是建立在蛋白质分离和氨基酸分析基础上的，在这方面斯坦福·穆尔（StanfordMoore）和威廉·斯坦（WilliamStein）的工作不容忽视，他们在1951年首创了蛋白质层析分离技术（诺贝尔奖，1972）。后来这种分离技术与自动分析系统结合，为氨基酸自动分析仪的发明奠定了基础，使科学家能大规模分析、测定多肽链。（二）DNA是遗传的物质基础1868年，瑞士青年学者、霍普-席勒的学生弗里德利克·米歇尔（FriedrickMiescher）从外科敷料的脓细胞中Fig. 1-3 Pauling found α-helix分离、获得“核素”（即核酸）。在20世纪20一30年代，科学家们证明核酸与蛋白质一样，也是一种多聚体。此外还发现有两种类型核酸一一核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）存在。无独有偶，在米歇尔发现“核素”的3年前（1865年），格里戈尔·约翰·孟德尔（GregorJohannMendel）就提出了“遗传因子”的概念。似乎发现遗传定律和核酸的时间就注定了两者之间的联系：但是，科学实践说明在当时是根本不可能的，将二者“联姻”是75年后的事情。20世纪40年代，遗传学领域有两大杰出成就。1941年，乔治·彼得（GeorgeBeadle）和爱德华·泰坦（EdwardTatum）提出了“一个基因一个酶”假说（诺贝尔奖，1958）。采用生物化学术语解释基因的功能，确立了生物化学与遗传学的特殊联系，即生化遗传学（biochemicalgenetics）。1944年，奥斯瓦尔德·艾弗里（OswaldT.Avery）及其同事通过细菌转化实验，直接证明DNA是遗传的物质基础；1952年，阿尔弗莱德·赫希（AlfredHershey）（诺贝尔奖，1969）证明，的确只有噬菌体DNA而非蛋白质才具有感染宿主细胞的能力，最终揭示了基因的本质。（三）DNA双螺旋的发现是揭示遗传信息传递的“敲门砖”20世纪50年代前后，很多物理学家、化学家采用X线衍射技术研究分子结构。美国加州理工学院的鲍林就是其中之一；此外，还有英国皇家学院的莫里斯·威尔金斯（MauriceH.FWilkins）（诺贝尔奖，1962）和罗莎琳·富兰克林（RosalindFranklin）在研究DNA结构。当时还有两个青年人一一詹姆斯·沃森（JamesD.Watson）和弗朗西斯·克里克（FrancisH.Crick）
6 生物化学 1 径被揭示，确立了细胞内由合成代谢和分解代谢网络组成的中间代谢概念。1955 年，马隆·郝 兰德（Mahlon Hoagland）证明氨基酸参与蛋白质合成前需要被活化，这个过程需消耗 ATP。 1957 年，郝兰德和保尔·扎美尼克（Paul Zamecnik）、马利·斯泰芬森（Mary Stephenson）进 一步发现氨基酸活化还需要 tRNA。1955—1965 年间，终于揭示了氨基酸是如何以信使 RNA （mRNA）为模板掺入蛋白质的。蛋白质合成研究成就除得益于同位素示踪技术的发展，应用细 菌探索这一化学过程也起到至关重要的作用。 三、机能生物化学阶段分子生物学崛起 Molecular Biology Emerged at the Stage of Functional Biochemistry （一）20 世纪 50 年代是蛋白质结构研究多产的时期 1951 年，李纳斯·鲍林（Linus Pauling）（诺贝尔奖，1954）和罗勃特·考利（Robert B. Corey）采用 X 线衍射技术研究蛋白质结晶，发现了蛋白质 分子的二级结构形式 α- 螺旋（Fig. 1-3）。2 年后，弗利德 里克·桑格（Frederick Sanger）采用化学方法完成了胰岛 素序列分析（诺贝尔奖，1958）。X 线衍射技术和多肽链氨 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。对蛋白质结构的认识是建立在蛋白质分离 和氨基酸分析基础上的，在这方面斯坦福·穆尔（Stanford Moore）和威廉·斯坦（William Stein）的工作不容忽视， 他们在 1951 年首创了蛋白质层析分离技术（诺贝尔奖， 1972）。后来这种分离技术与自动分析系统结合，为氨基 酸自动分析仪的发明奠定了基础，使科学家能大规模分析、 测定多肽链。 （二）DNA 是遗传的物质基础 1868 年，瑞士青年学者、霍普＿席勒的学生弗里德利 克·米歇尔（Friedrick Miescher）从外科敷料的脓细胞中 分离、获得“核素”（即核酸）。在 20 世纪 20—30 年代， 科学家们证明核酸与蛋白质一样，也是一种多聚体。此外还发现有两种类型核酸——核糖核酸 （RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）存在。无独有偶，在米歇尔发现“核素”的 3 年前（1865 年）， 格里戈尔·约翰·孟德尔（Gregor Johann Mendel）就提出了“遗传因子”的概念。似乎发现遗传 定律和核酸的时间就注定了两者之间的联系；但是，科学实践说明在当时是根本不可能的，将二 者“联姻”是 75 年后的事情。20 世纪 40 年代，遗传学领域有两大杰出成就。1941 年，乔治·彼 得（George Beadle）和爱德华·泰坦（Edward Tatum）提出了“一个基因一个酶”假说（诺贝尔奖， 1958）。采用生物化学术语解释基因的功能，确立了生物化学与遗传学的特殊联系，即生化遗传 学（biochemical genetics）。1944 年，奥斯瓦尔德·艾弗里（Oswald T. Avery）及其同事通过细菌 转化实验，直接证明 DNA 是遗传的物质基础；1952 年，阿尔弗莱德·赫希（Alfred Hershey）（诺 贝尔奖，1969）证明，的确只有噬菌体 DNA 而非蛋白质才具有感染宿主细胞的能力，最终揭示 了基因的本质。 （三）DNA 双螺旋的发现是揭示遗传信息传递的“敲门砖” 20 世纪 50 年代前后，很多物理学家、化学家采用 X 线衍射技术研究分子结构。美国加州 理工学院的鲍林就是其中之一；此外，还有英国皇家学院的莫里斯·威尔金斯（Maurice H. F. Wilkins）（诺贝尔奖，1962）和罗莎琳·富兰克林（Rosalind Franklin）在研究 DNA 结构。当时 还有两个青年人——詹姆斯·沃森（James D. Watson）和弗朗西斯·克里克（Francis H. Crick） Fig. 1-3 Pauling found α-helix PUMP
第一章绪论T也被吸引到这一研究领域；共同的研究兴趣将两人结合到一起研究DNA的结构。受鲍林的蛋白质α-螺旋结构的启示，在威尔金斯和富兰克林工作基础土，沃森和克里克在1953年提出了DNA双螺旋结构模型（诺贝尔奖，1962）（Fig1-4）。他们的原创著作在世界著名杂志《自然》（Nature）上发表，具有划时代的意义：DNA双螺旋结构是揭示遗传信息传递规律的“敲门砖”。从此，生物化学发展进人了以生物大分子结构与功能研究为主体的分子生物学时期。（四）在分子水平揭示遗传信息传递规律及生物调节20世纪下半叶，分子生物学研究以认知或解释生命Fig1-4 Discoveryof thedoublehelix of的新知识、新概念和新技术层出不穷为特点。这一特点从DNAby Watson and Crick认知论的两大杰出成就得以体现。一是对生物大分子三维结构与功能关系的认识，例如，DNA双螺旋结构中碱基配对法则促进了对DNA复制过程的认识。二是对生命同一性的认识，生命的基本功能表现为基本相同的生化过程。例如，各种类型的细胞以同样的化学机制进行DNA复制；无论何种高等生命形式，蛋白质合成均需至少20种氨基酸，且合成过程相同。生命现象的同一性使科学家可利用细菌、病毒研究演绎高等生命过程。1955年，亚瑟·肯伯格（ArthurKornberg）（诺贝尔奖，1959）以EColi为研究对象，发现厂DNA聚合酶，揭开厂DNA复制机制：1959年文有人发现RNA聚合酶。克里克等历经十多年研究，在1965年揭示了遗传密码。在上述成果及基因调控理论基础上，终于由克里克在1968年提出了遗传信息传递（基因表达）的中心法则（centraldogma）。遗传信息的传递或表达是受一定机制调控的。1961年，弗朗西斯·雅各布（FrancisJacob）和雅克·芒诺德（JacquesMonod）（诺贝尔奖，1965）揭示了原核基因表达的调控机制。1963年，雅各布、芒诺德和金-皮埃里·善（Jean-PierreChangeaux）首先用酶活性的别构调节理论解释基因和机体代谢功能是如何被调节的，从此引人了生物调节的概念。（五）重组DNA技术崛起1973年，保尔·伯格（PaulBerg）赫尔伯特·鲍耶（HerbertBoyer）和斯坦利·科恩（StanleyCohen）首次在体外将重组的DNA分子形成无性繁殖系一一DNA克隆（诺贝尔奖，1980）。1985年，卡尔·穆利斯（KaryMullis）发明了体外扩增DNA技术一一聚合酶链反应（polymerasechainreaction，PCR）（诺贝尔奖，1993）。从此，以重组DNA操作为核心的重组DNA工艺学（recombinantDNAtechnology）迅速发展，科学家们分离及操作基因的能力几乎达到无所不能的地步。科学家可以从细菌的数千个基因、哺乳动物数万个基因中分离目的基因，还能使外源基因在一定的表达体系表达有用的蛋白质。重组DNA技术使人类基因组计划得以实施，并对基因组学诞生、工农业产业革命产生巨大影响。（六）人类基因组计划实施基因组测序人类基因组计划（humangenomeproject，HGP）的任务是测定人23对染色体全部DNA的核苷酸序列。1986年3月，美国能源部开始组织、讨论人类基因组序列测定的计划；1987年4月，小规模基因组项自开始启动。1988年，美国国会技术评估办公室正式批准HGP：美国国立卫生研究院（NIH）成立了由沃森领导的人类基因组研究办公室，后又成立国立人类基因组研究所（NationalHumanGenomeResearchInstitute，NHGRI）。1990年，耗资30亿美元的预期15年完成的HGP正式启动。1992年，很多发达国家的科学家、政府甚至公司参加HGP。1999年底，由英国桑格（Sanger）中心的丹汉姆（Dunham）领导的国际基因组公布了22号染色体全序列。2000年3月，德国、日本等国研究者公布了21号染色体全序列；同年6月，NHGRI和塞莱拉
第一章 绪 论 7 1 也被吸引到这一研究领域；共同的研究兴趣将两人结合 到一起研究 DNA 的结构。受鲍林的蛋白质 α- 螺旋结构 的启示，在威尔金斯和富兰克林工作基础上，沃森和克 里克在 1953 年提出了 DNA 双螺旋结构模型（诺贝尔奖， 1962）（Fig. 1-4）。他们的原创著作在世界著名杂志《自 然》（Nature）上发表，具有划时代的意义：DNA 双螺旋 结构是揭示遗传信息传递规律的“敲门砖”。从此，生物 化学发展进入了以生物大分子结构与功能研究为主体的 分子生物学时期。 （四）在分子水平揭示遗传信息传递规律及生物调节 20 世纪下半叶，分子生物学研究以认知或解释生命 的新知识、新概念和新技术层出不穷为特点。这一特点从 认知论的两大杰出成就得以体现。一是对生物大分子三维 结构与功能关系的认识，例如，DNA 双螺旋结构中碱基配 对法则促进了对 DNA 复制过程的认识。二是对生命同一性的认识，生命的基本功能表现为基本相同 的生化过程。例如，各种类型的细胞以同样的化学机制进行 DNA 复制；无论何种高等生命形式， 蛋白质合成均需至少 20 种氨基酸，且合成过程相同。生命现象的同一性使科学家可利用细菌、 病毒研究演绎高等生命过程。1955 年，亚瑟·肯伯格（Arthur Kornberg）（诺贝尔奖，1959）以 E. coli 为研究对象，发现了 DNA 聚合酶，揭开了 DNA 复制机制；1959 年又有人发现 RNA 聚合酶。 克里克等历经十多年研究，在 1965 年揭示了遗传密码。在上述成果及基因调控理论基础上，终 于由克里克在 1968 年提出了遗传信息传递（基因表达）的中心法则（central dogma）。 遗传信息的传递或表达是受一定机制调控的。1961 年，弗朗西斯·雅各布（Françis Jacob） 和雅克·芒诺德（Jacques Monod）（诺贝尔奖，1965）揭示了原核基因表达的调控机制。1963 年， 雅各布、芒诺德和金＿皮埃里·善胥（Jean-Pierre Changeaux）首先用酶活性的别构调节理论解释 基因和机体代谢功能是如何被调节的，从此引入了生物调节的概念。 （五）重组 DNA 技术崛起 1973 年，保尔·伯格（Paul Berg）、赫尔伯特·鲍耶（Herbert Boyer）和斯坦利·科恩 （Stanley Cohen）首次在体外将重组的 DNA 分子形成无性繁殖系——DNA 克隆（诺贝尔奖， 1980）。1985 年，卡尔·穆利斯（Kary Mullis）发明了体外扩增 DNA 技术——聚合酶链反应 （polymerase chain reaction，PCR）（诺贝尔奖，1993）。从此，以重组 DNA 操作为核心的重组 DNA 工艺学（recombinant DNA technology）迅速发展，科学家们分离及操作基因的能力几乎达 到无所不能的地步。科学家可以从细菌的数千个基因、哺乳动物数万个基因中分离目的基因，还 能使外源基因在一定的表达体系表达有用的蛋白质。重组 DNA 技术使人类基因组计划得以实施， 并对基因组学诞生、工农业产业革命产生巨大影响。 （六）人类基因组计划实施基因组测序 人类基因组计划（human genome project，HGP）的任务是测定人 23 对染色体全部 DNA 的 核苷酸序列。1986 年 3 月，美国能源部开始组织、讨论人类基因组序列测定的计划；1987 年 4 月，小规模基因组项目开始启动。1988 年，美国国会技术评估办公室正式批准 HGP ；美国国立 卫生研究院（NIH）成立了由沃森领导的人类基因组研究办公室，后又成立国立人类基因组研究 所（National Human Genome Research Institute，NHGRI）。1990 年，耗资 30 亿美元的预期 15 年 完成的 HGP 正式启动。1992 年，很多发达国家的科学家、政府甚至公司参加 HGP。1999 年底， 由英国桑格（Sanger）中心的丹汉姆（Dunham）领导的国际基因组公布了 22 号染色体全序列。 2000 年 3 月，德国、日本等国研究者公布了 21 号染色体全序列；同年 6 月，NHGRI 和塞莱拉 Fig. 1-4 Discovery of the double helix of DNA by Watson and Crick PUMP
生物化学8（Celera）公司联合宣布人类基因组序列工作草图；2003年，宣告HGP提前完成。从此，生物学领域新的亚学科——基因组学诞生。四、我国科学家对生物化学发展的贡献ChineseScientistsMakeContributionsto Biochemical Science科学知识源于生产和生活。我国祖先在饮食、营养、医药等方面就有很多发明和创造。例如，殷代《书经》记载“若作酒醴，尔维翻葉”，意为造酒必须用“”（即、酶）。《黄帝内经·素问》记载“脾欲缓，急食甘以缓之”，“甘”即糖。孙思邀（581一682）描述了维生素B、维生素A缺乏症，并施以谷皮、猪肝治疗“脚气病”和“雀目”，比西方同类发现要早千年。这些例子仅是我国古代科学发现中的沧海一栗。历经封建帝王的闭关锁国、近代世界列强欺凌，在西方自然科学大发展时期，半封建、半殖民地的旧中国近代自然科学落后于西方。尽管如此，我国近代科学家，以及新中国成立后成长的现代科学家在生物化学发展中也做出了贡献。20世纪20一30年代，正当西方研究酶结构的同时期，我国生物化学家吴宪及其同事等在血液分析方面，创立了血滤液的制备及血糖测定方法。在蛋白质化学研究方面，吴宪提出了国际公认的蛋白质变性学说（1931）。20世纪30一50年代，我国生物化学家刘思职等在免疫化学研究领域首先采用定量分析方法研究抗原抗体反应机制。从20世纪30年代开始至新中国建设时期，我国老一代生物化学家开辟了营养生物化学研究领域；20世纪50一60年代，我国生物化学家就开始了蛋白质化学研究，系统地提出蛋白质折叠与酶活性调节的理论。1965年，中国科学院生物化学研究所、有机化学研究所和北京大学化学系的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；1981年，又合成了酵母丙氨酸tRNA。20世纪末和21世纪初，我国又涌现出一批年轻、优秀的科学家和世界知名科学家，活跃在生物化学、分子生物学、人类基因组等研究领域，推动我国生物化学向国际一流水平发展。第三节生物化学与医学Section3BIOCHEMISTRYANDMEDICINE、生物化学在分子水平研究生命的结构和功能BiochemistryEmbracesthe Study of the Structure and Function of Life-forms at the MolecularLevel根据生物化学、分子生物学的定义及生物化学发展历史，生物化学包含以下研究内容。（一）解析生物体的生物分子组成、结构及功能1.生物体由有机物和无机物组成叙述生物化学阶段研究揭示，生命体的大多数细胞的质量由碳（C）、氢（H）氧（O）氮（N）元素提供，硫（S）磷（P）元素也比较丰富；此外，还含有多种稀有元素。所有这些元素在生命体内以无机物、有机物两大类形式存在。无机物主要是水和无机盐，有机物主要是糖类、脂质、蛋白质、核酸及小分子化合物类。人体含水55%67%，无机盐3%~4%，糖类1%~2%，脂质10%~15%，蛋白质17%~20%，此外还有核酸及多种具有生物活性的小分子化合物，如维生素、激素等。这些化学物质有的直接来自体外（如水、无机盐和维生素），大多是利用食物消化、吸收的物质在体内重新合成。通常，生物化学家称水、无机盐、糖类、脂质、蛋白质、维生素及空气（O，）为维持生命的营养素。生物化学已进人机能生物化学或分子生物学阶段，特别是在人类基因组计划（HGP）完成、进人后基因组时期（post-genomicera），即功能基因组学时期，通过转录物组学、蛋白质组学及
8 生物化学 1 （Celera）公司联合宣布人类基因组序列工作草图；2003 年，宣告 HGP 提前完成。从此，生物学 领域新的亚学科——基因组学诞生。 四、我国科学家对生物化学发展的贡献 Chinese Scientists Make Contributions to Biochemical Science 科学知识源于生产和生活。我国祖先在饮食、营养、医药等方面就有很多发明和创造。例如， 殷代《书经》记载“若作酒醴，尔维麴蘖”，意为造酒必须用“麴”（即麯、酶）。《黄帝内经·素问》 记载“脾欲缓，急食甘以缓之”，“甘”即糖。孙思邈（581—682）描述了维生素 B1、维生素 A 缺 乏症，并施以谷皮、猪肝治疗“脚气病”和“雀目”，比西方同类发现要早千年。这些例子仅是我 国古代科学发现中的沧海一粟。历经封建帝王的闭关锁国、近代世界列强欺凌，在西方自然科学 大发展时期，半封建、半殖民地的旧中国近代自然科学落后于西方。 尽管如此，我国近代科学家，以及新中国成立后成长的现代科学家在生物化学发展中也做出 了贡献。20 世纪 20—30 年代，正当西方研究酶结构的同时期，我国生物化学家吴宪及其同事等 在血液分析方面，创立了血滤液的制备及血糖测定方法。在蛋白质化学研究方面，吴宪提出了国 际公认的蛋白质变性学说（1931）。20 世纪 30—50 年代，我国生物化学家刘思职等在免疫化学 研究领域首先采用定量分析方法研究抗原抗体反应机制。从 20 世纪 30 年代开始至新中国建设时 期，我国老一代生物化学家开辟了营养生物化学研究领域；20 世纪 50—60 年代，我国生物化学 家就开始了蛋白质化学研究，系统地提出了蛋白质折叠与酶活性调节的理论。1965 年，中国科 学院生物化学研究所、有机化学研究所和北京大学化学系的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；1981 年，又合成了酵母丙氨酸 tRNA。20 世纪末和 21 世纪初，我国又涌 现出一批年轻、优秀的科学家和世界知名科学家，活跃在生物化学、分子生物学、人类基因组 等研究领域，推动我国生物化学向国际一流水平发展。 第三节 生物化学与医学 Section 3 BIOCHEMISTRY AND MEDICINE 一、生物化学在分子水平研究生命的结构和功能 Biochemistry Embraces the Study of the Structure and Function of Life-forms at the Molecular Level 根据生物化学、分子生物学的定义及生物化学发展历史，生物化学包含以下研究内容。 （一）解析生物体的生物分子组成、结构及功能 1. 生物体由有机物和无机物组成 叙述生物化学阶段研究揭示，生命体的大多数细胞的质 量由碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）元素提供，硫（S）、磷（P）元素也比较丰富；此 外，还含有多种稀有元素。所有这些元素在生命体内以无机物、有机物两大类形式存在。无机 物主要是水和无机盐，有机物主要是糖类、脂质、蛋白质、核酸及小分子化合物类。人体含水 55%～67%，无机盐 3%～4%，糖类 1%～2%，脂质 10% ～15%，蛋白质 17%～20%，此外还有 核酸及多种具有生物活性的小分子化合物，如维生素、激素等。这些化学物质有的直接来自体外 （如水、无机盐和维生素），大多是利用食物消化、吸收的物质在体内重新合成。通常，生物化学 家称水、无机盐、糖类、脂质、蛋白质、维生素及空气（O2）为维持生命的营养素。 生物化学已进入机能生物化学或分子生物学阶段，特别是在人类基因组计划（HGP）完成、 进入后基因组时期（post-genomic era），即功能基因组学时期，通过转录物组学、蛋白质组学及 PUMP
第一章绪论9代谢物组学等各种组学策略及分析技术，在全基因组状态下揭示生物分子“组”（转录物组、蛋白质组、代谢物组等）的组成成分、结构与不同生理、病理或健康、疾病状态的关系，已成为当前研究生物体化学组成的新内容，这与早期叙述生物化学阶段有本质的区别。2.生命体含有生物大分子组成有生命机体的分子称为生物分子（biomolecule）。当科学家们谈论生物分子时，大多指由氢、氧、碳、氮等组成的有机化合物，特别是大分子（macromolecule）。通常，分子质量较大、结构复杂的聚糖类、聚酯类、蛋白质、核酸等称为生物天分子。如果说“生命的语言是化学”，那么各种大、小生物分子就是这种语言的文字和符号：其中，生物大分子具有极其特殊的意义。在现代生命科学领域，科学家常将聚（多）糖类、蛋白质和核酸称为生物信息大分子。生物信息大分子的特点是：①典型的生物信息大分子质量一般在10*～10°；②生物信息大分子都是由特殊的亚单位（subunit）按一定的顺序、首尾连接形成的多聚体（polymer），比如氨基酸与氨基酸相连形成（蛋白质的）多肽链、核苷酸与核苷酸相连形成（核酸的）多核苷酸链、单糖与单糖相连形成聚（多）糖链；③在这些多聚体中，亚单位在多聚体中的排列顺序称为序列（sequence），序列决定着生物大分子的空间（立体）结构形式和功能，决定看生物大分子的信息内容。在生物信息大分子中，生命信息的传递有赖于蛋白质和核酸。所以，科学工作者面临机能生物化学或分子生物学的新任务是继续完成功能基因组和蛋白质组的研究使命。（二）生物大分子结构与功能分析揭示生命的本质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。蛋白质分离、蛋白质/多肽链的氨基酸序列分析、X线衍射，以及冷冻电镜及新一代DNA测序技术等的发展为生物大分子结构研究奠定了基础。20世纪50年代，蛋白质α-螺旋结构、DNA双螺旋结构的发现开创了分子结构与功能研究的先河。20世纪70年代，分子克隆结合PCR技术使科学家能通过定点突变改变基因产物，研究分子功能；通过基因转移结合同源重组可实现特异基因的敲除（knock-out）和敲入（knock-in），而后通过细胞或个体的形态、功能表型改变分析自标分子的功能和生物学意义；20世纪末出现的RNA干扰（RNAinterference，RNAi）技术更给目标分子的功能研究增添了活力。20世纪90年代基因组学、生物信息学、计算生物学的崛起和发展，可使科学家利用信息库序列资料结合计算和分子模拟，演绎分子结构与功能的关系，使机能生物化学阶段的研究有了重大进展或突破。尤其结合临床实践，如分子病或分子构象病的研究，展示了生物分子结构、功能解析的重大科学和实际意义。（三）物质代谢及其调节组成复杂的网络生物体内进行的化学反应由一连串的酶促有机化学反应组成，这些化学反应系列组成了“代谢途径”。按反应方向，代谢途径分为分解代谢和合成代谢两类。按物质分类，这些分解和合成代谢文可分为糖类、脂质、蛋白质或核酸等的分解与合成。此外，还有一些反应途径不能简单地用分解与合成途径来描述，例如肝的生物转化反应等。某种物质分子不是仅参加一种反应途径。各种反应途径交织在一起，共同组成复杂的代谢途径网络。在交织的网络中，各种物质代谢途径相互联系、相互制约，在动态中达到平衡。一且平衡失调，出现代谢紊乱，就会发生疾病。在细胞内各种物质分子的合成代谢和分解代谢途径组成的复杂网络中，每条代谢途径必须有条不紊，互不干扰，彼此之间衔接有序，这样才能维持细胞的正常功能稳态。这就需要细胞或个体具有高度的自动调节控制能力。细胞内这种精细的自我调控能力是建立在多级水平上的。首先，在分子水平，代谢途径的调节依赖酶和具有调节功能的蛋白质固有的结构、水平及其变化，依赖这些调节分子与分子之间的相互作用。在多细胞生物，细胞内代谢的稳定进行又需要细胞与细胞之间的协调，这就需要神经、激素的调节。在神经一体液统一控制下，通过复杂的细胞信号转导网络，最终改变基因表达水平，或改变蛋白质（包括酶）的分子结构，进而影响其分子功能
第一章 绪 论 9 1 代谢物组学等各种组学策略及分析技术，在全基因组状态下揭示生物分子“组”（转录物组、蛋 白质组、代谢物组等）的组成成分、结构与不同生理、病理或健康、疾病状态的关系，已成为当 前研究生物体化学组成的新内容，这与早期叙述生物化学阶段有本质的区别。 2. 生命体含有生物大分子 组成有生命机体的分子称为生物分子（biomolecule）。当 科学家们谈论生物分子时，大多指由氢、氧、碳、氮等组成的有机化合物，特别是大分子 （macromolecule）。通常，分子质量较大、结构复杂的聚糖类、聚酯类、蛋白质、核酸等称为生 物大分子。如果说“生命的语言是化学”，那么各种大、小生物分子就是这种语言的文字和符号； 其中，生物大分子具有极其特殊的意义。在现代生命科学领域，科学家常将聚（多）糖类、蛋白 质和核酸称为生物信息大分子。生物信息大分子的特点是：①典型的生物信息大分子质量一般在 104 ～106 ；②生物信息大分子都是由特殊的亚单位（subunit）按一定的顺序、首尾连接形成的多 聚体（polymer），比如氨基酸与氨基酸相连形成（蛋白质的）多肽链、核苷酸与核苷酸相连形成 （核酸的）多核苷酸链、单糖与单糖相连形成聚（多）糖链；③在这些多聚体中，亚单位在多聚体 中的排列顺序称为序列（sequence），序列决定着生物大分子的空间（立体）结构形式和功能，决 定着生物大分子的信息内容。在生物信息大分子中，生命信息的传递有赖于蛋白质和核酸。所 以，科学工作者面临机能生物化学或分子生物学的新任务是继续完成功能基因组和蛋白质组的研 究使命。 （二）生物大分子结构与功能分析揭示生命的本质 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。蛋 白质分离、蛋白质 / 多肽链的氨基酸序列分析、X 线衍射，以及冷冻电镜及新一代 DNA 测序技 术等的发展为生物大分子结构研究奠定了基础。20 世纪 50 年代，蛋白质 α- 螺旋结构、DNA 双 螺旋结构的发现开创了分子结构与功能研究的先河。20 世纪 70 年代，分子克隆结合 PCR 技术 使科学家能通过定点突变改变基因产物，研究分子功能；通过基因转移结合同源重组可实现特异 基因的敲除（knock-out）和敲入（knock-in），而后通过细胞或个体的形态、功能表型改变分析目 标分子的功能和生物学意义；20 世纪末出现的 RNA 干扰（RNA interference，RNAi）技术更给目 标分子的功能研究增添了活力。20 世纪 90 年代基因组学、生物信息学、计算生物学的崛起和发 展，可使科学家利用信息库序列资料结合计算和分子模拟，演绎分子结构与功能的关系，使机能 生物化学阶段的研究有了重大进展或突破。尤其结合临床实践，如分子病或分子构象病的研究， 展示了生物分子结构、功能解析的重大科学和实际意义。 （三）物质代谢及其调节组成复杂的网络 生物体内进行的化学反应由一连串的酶促有机化学反应组成，这些化学反应系列组成了“代 谢途径”。按反应方向，代谢途径分为分解代谢和合成代谢两类。按物质分类，这些分解和合 成代谢又可分为糖类、脂质、蛋白质或核酸等的分解与合成。此外，还有一些反应途径不能简 单地用分解与合成途径来描述，例如肝的生物转化反应等。某种物质分子不是仅参加一种反应 途径。各种反应途径交织在一起，共同组成复杂的代谢途径网络。在交织的网络中，各种物 质代谢途径相互联系、相互制约，在动态中达到平衡。一旦平衡失调，出现代谢紊乱，就会 发生疾病。 在细胞内各种物质分子的合成代谢和分解代谢途径组成的复杂网络中，每条代谢途径必须有 条不紊，互不干扰，彼此之间衔接有序，这样才能维持细胞的正常功能稳态。这就需要细胞或 个体具有高度的自动调节控制能力。细胞内这种精细的自我调控能力是建立在多级水平上的。首 先，在分子水平，代谢途径的调节依赖酶和具有调节功能的蛋白质固有的结构、水平及其变化， 依赖这些调节分子与分子之间的相互作用。在多细胞生物，细胞内代谢的稳定进行又需要细胞与 细胞之间的协调，这就需要神经、激素的调节。在神经＿体液统一控制下，通过复杂的细胞信号 转导网络，最终改变基因表达水平，或改变蛋白质（包括酶）的分子结构，进而影响其分子功能， PUMP