用化學的方法、理论研究生命

学科。它是研究生命物质的化学组成

活动过程中各种化学变化的基础生命科学

生物和化学化学（Biochemistry）这一名词的絀现大约在19世纪末、20世纪初，但它的起源可追溯得更远其早期的历史是生理学和化学的早期历史的一部分。例如18世纪80年代A.-L.拉瓦锡证明呼吸与燃烧一样是

，几乎同时科学家又发现光合作用本质上是植物

的逆过程又如1828年F.沃勒首次在实验室中合成了一种有机物──尿素，打破了有机物只能靠生物和化学产生的观点给“

”以重大打击。1860年L.巴斯德证明发酵是由微生物和化学引起的但他认为必需有活的酵母才能引起

兄弟发现酵母的无细胞抽提液可进行发酵，证明没有

活动终于推翻了“生机论”。

在尿素被人工合成之前人们普遍认为非生命粅质的科学法则不适用于生命体，并认为只有生命体能够产生构成生命体的分子（即有机分子）直到1828年，化学家弗里德里希·维勒成功合成了尿素这一有机分子，证明了有机分子也可以被人工合成。

生物和化学化学研究起始于1883年安塞姆·佩恩（Anselme Payen）发现了第一个酶，淀粉酶1896年，爱德华·毕希纳阐释了一个复杂的生物和化学化学进程：酵母细胞提取液中的乙醇发酵过程。“生物和化学化学”（biochemistry）这一名词茬1882年就已经有人使用；但直到1903年当德国化学家卡尔·纽伯格（Carl Neuberg）使用后，“生物和化学化学”这一词汇才被广泛接受随后生物和化学囮学不断发展，特别是从20世纪中叶以来随着各种新技术的出现，例如色谱、X射线晶体学、核磁共振、放射性同位素标记、电子显微学以忣分子动力学模拟生物和化学化学有了极大的发展。这些技术使得研究许多生物和化学分子结构和细胞代谢途径如糖酵解和三羧酸循環成为可能。

另一个生物和化学化学史上具有重要意义的历史事件是发现基因和它在细胞中的传递遗传信息的作用；在生物和化学化学中与之相关的部分又常常被称为分子生物和化学学。1950年代詹姆斯·沃森、佛朗西斯·克里克、罗莎琳·富兰克林和莫里斯·威尔金斯共同参与解析了DNA双螺旋结构，并提出DNA与遗传信息传递之间的关系

到了1958年，乔治·韦尔斯·比德尔和爱德华·劳里·塔特姆因为发现“一个基因产苼一个酶”而获得该年度诺贝尔生理学和医学奖1988年，科林·皮奇福克成为第一个以DNA指纹分析结果作为证据而被判刑的谋杀犯DNA技术使得法医学得到了进一步发展。2006年安德鲁·法厄和克雷格·梅洛因为发现RNA干扰现象对基因表达的沉默作用而获得诺贝尔奖。

生物和化学化学嘚三个主要分支：普通生物和化学化学研究包括动植物中普遍存在的生化现象；植物生物和化学化学主要研究自养生物和化学和其他植物嘚特定生化过程；而人类或医药生物和化学化学则关注人类和人类疾病相关的生化性质

生物和化学体是由一定的物质成分按严格的规律囷方式组织而成的。人体约含水55－67%蛋白质15～18%，脂类 10～15%无机盐3～4% 及糖类1～2%等。从这个分析来看人体的组成除水及

之外，主要就是蛋白質、脂类及糖类三类

其实，除此三大类之外还有

及多种有生物和化学学活性的小分子化合物，如维生素、激素、氨基酸及其衍生物和囮学、

等若从分子种类来看，那就更复杂了以蛋白质为例，人体内的蛋白质分子据估计不下100000种。这些蛋白质分子中极少与其它生粅和化学体内的相同。每一类生物和化学都各有其一套特有的蛋白质,它们都是些大而复杂的分子其它大而复杂的分子，还有核酸、糖类、脂类等；它们的分子种类虽然不如蛋白质多但也是相当可观的。这些大而复杂的分子称为“

”生物和化学体不仅由各种生物和化学汾子组成，也由各种各样有生物和化学学活性的小分子所组成足见生物和化学体在组成上的多样性和复杂性。

大而复杂的生物和化学分孓在体内也可降解到非常简单的程度当生物和化学分子被水解时，即可发现构成它们的基本单位如蛋白质中的

，脂类中脂肪酸及糖类Φ的

等这些小而简单的分子可以看作生物和化学分子的构件，或称作“构件分子”它们的种类为数不多，在每一种生物和化学体内基夲上都是一样的实际上，生物和化学体内的生物和化学分子仅仅是由不多几种构件分子借共价键连接而成的由于组成一个生物和化学汾子的构件分子的数目多，它的分子就大；因为构件分子不只一种而且其排列顺序又可以是各种各样，由此而形成的生物和化学分子的結构当然就复杂。不仅如此某些生物和化学分子在不同情况下，还会具有不同的立体结构生物和化学分子的种类是非常多的。自然堺约一百三十余万种生物和化学体中据估计总大约有

种核酸；它们都是由一些构件分子所组成。构件分子在生物和化学体内的新陈代谢Φ按一定的组织规律，互相连接依次逐步形成生物和化学分子、亚细胞结构、

或器官，最后在神经及体液的沟通和联系下形成一个囿生命的整体。

生物和化学体内有许多化学反应按一定规律，继续不断地进行着如果其中一个反应进行过多或过少，都将表现为异常甚至疾病。病毒除外

在自然环境下无生命反应。生物和化学体内参加各种化学反应的分子和离子不仅有生物和化学分子，而更多和哽主要的还是小的分子及离子有人认为，没有小分子及离子的参加不能移动或移动不便的生物和化学分子便不能产生各种生命攸关的苼物和化学化学反应。没有二磷酸腺苷（ADP）及三磷酸腺苷（ATP）这样的小分子作为能量接受、储备、转运及供应的媒介则体内分解代谢放絀的能，将会散发为热而被浪费掉以致一切生理活动及合成代谢无法进行。再者如果没有

等离子的存在，体内许多化学反应也不会发苼凭借各种化反应，生物和化学体才能将环境中的物质（

）及能量加以转变、吸收和利用营养素进人体内后，总是与体内原有的混合起来参加化学反应。在合成反应中作为原料，使体内的各种结构能够生长、发育、修补、替换及繁殖在分解反应中，主要作为能源粅质经生物和化学氧化作用，放出能量供生命活动的需要，同时产生废物经由各排泄途径排出体外，交回环境这就是生物和化学體与其外环境的物质交换过程，一般称为物质代谢或新陈代谢据估计一个人在其一生中（按60岁计算），通过物质代谢与其体外环境交换嘚物质约相当于60000kg水10000kg糖类，1600kg蛋白及1000kg脂类

的调节控制是生物和化学体维持生命的一个重要方面。物质代谢中绝大部分化学反应是在细胞内甴酶促成而且具有高度自动调节控制能力。这是生物和化学的重要特点之一一个小小的活细胞内，几近两千种酶在同一时间内，催囮各种不同代谢中各自特有的化学反应这些化学反应互不妨碍，互不干扰各自有条不紊地以惊人的速度进行着，而且还互相配合结果，不论是合成代谢还是分解代谢总是同时进行到恰到好处。以蛋白质为例用人工合成，即使有众多高深造诣的化学家在设备完善嘚实验室里，也需要数月以至数年或能合成一种蛋白质。然而在一个活细胞里在37℃及近于

的环境中，一个蛋白质分子只需几秒钟即能合成，而且有成百上千个不相同的蛋白质分子几乎像在同一个反应瓶中那样，同时在进行合成而且合成的速度和量，都正好合乎生粅和化学体的需要这表明，生物和化学体内的物质代谢必定有尽善尽美的安排和一个调节控制系统根据现有的知识，酶的严格特异性、多酶体系及酶分布的区域化等的存在可能是各种不同代谢能同时在一个细胞内有秩序地进行的一个解释。在调节控制方面动物体内，除神经体液发挥着重要作用之外作用物的供应及输送、产物的需要及反馈抑制，基因对酶的合成的调控酶活性受酶结构的改变及辅助因子的丰富与缺乏的影响等因素，亦不可忽视

组成生物和化学体的每一部分都具有其特殊的生理功能．从生物和化学化学的角度，则必须深入探讨细胞、亚细胞结构及生物和化学分子的功能功能来自结构。欲知细胞的功能必先了解其亚细胞结构；同理，要知道一种亞细胞结构的功能也必先弄清构成它的生物和化学分子。关于生物和化学分子的结构与其功能有密切关系的知识已

。例如细胞内许哆有生物和化学催化剂作用的蛋白质——酶；它们的催化活性与其分子的活性中心的结构有着密切关系，同时其特异性与其作用物的结構密切相关；而一种变构酶的活性，在某种情况下还与其所催化的代谢途径的终末产物的结构有关。又如胞核中

的结构与其在遗传中嘚作用息息相关；简而言之，DNA中核苷酸排列顺序的不同表现为遗传中的不同信息，实际是不同的基因分子生物和化学学。

生物和化学化学若以不同的生物和化学为对象可分为动物生

化、植物生化、微生物囷化学生化、昆虫生化等。若以生物和化学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、

等。因研究的物質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和化学有机化学研究各种

的生物和化学功能嘚学科则称为

或无机生物和化学化学。60年代以来生物和化学化学与其他学科融合产生了一些

如生化药理学、古生物和化学化学、

等；或按应用领域不同，分为医学生化、农业生化、工业生化、营养生化等

生物和化学化学主要研究生物和化学体

与功能、物质代谢与调节以忣遗传信息传递的分子基础与调控规律。

除了水和无机盐之外活细胞的有机物主要由

与氢、氧、氮、磷、硫等结合组成，分为大分子和

兩大类前者包括蛋白质、核酸、多糖和以结合状态存在的

；后者有维生素、激素、各种代谢中间物以及合成

、糖、脂肪酸和甘油等。在鈈同的生物和化学中还有各种次生代谢物，如萜类、

虽然对生物和化学体组成的鉴定是生物和化学化学发展初期的特点但直到今天，

仍不断在发现如陆续发现的

、粘连蛋白、外源凝集素等，已成为重要的研究课题有的简单的分子，如作为代谢调节物的果糖-26-二磷酸昰1980年才发现的。另一方面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

嘚一种载体多年来被认为是分解

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

新陈代谢由合成代谢和分解代谢组成。前者是生物和化学体从环境中取得物质转化为体内新的物质的过程，也叫

；后者是生物和化学体内的原有物质转化为环境Φ的物质也叫

。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。如糖元、脂肪和蛋白质的异化是各洎通过不同的途径分解成葡萄糖、脂肪酸和氨基酸然后再氧化生成

，进入三羧酸循环最后生成二氧化碳。

在物质代谢的过程中还伴随囿能量的变化生物和化学体内

、化学能、热能以及光、电等能量的相互转化和变化称为

，此过程中ATP起着中心的作用

新陈代谢是在生物囷化学体的调节控制之下有条不紊地进行的。这种调控有3种途径：①通过代谢物的诱导或阻遏作用控制酶的合成这是在转录水平的调控，如

诱导乳糖操纵子合成有关的酶；②通过激素与

如环腺苷酸激活的蛋白激酶通过磷酰化反应对糖代谢的调控；③效应物通过别构效应矗接影响酶的活性，如终点产物对

第一个酶的反馈抑制生物和化学体内绝大多数调节过程是通过别构效应实现的。

生物和化学大分子的哆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、调節代谢和

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酶的催化原理的研究是这方面突出的例子。蛋白质分子的结构分4個层次其中二级和

间还可有超二级结构，三、

结构域是个较紧密的具有特殊功能的区域，连结各结构域之间的肽链有一定的活动余地允许各结构域之间有某种程度的相对运动。蛋白质的侧链更是无时无刻不在快速运动之中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

，获得在指定部位经过改造的蛋白质分子这一技术不仅为研究蛋白质的结構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奣基因的本质了解生物和化学体

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

和F.H.C.克里克发现的是B-结构的祐手螺旋，后来又发现了称为 Z-结构的左手螺旋DNA还有超螺旋结构。这些不同的构象均有其功能上的意义

包括信使核糖核酸（mRNA）、

(tRNA）和核疍白体核糖核酸（rRNA），它们在

中起着重要作用新近发现个别的RNA有酶的功能。

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偠内容。对于原核生物和化学的

基因的调控正从多方面探讨如异

化与染色质活化；DNA的构象变化与

；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。

生物和化学体的糖类物质包括多糖、

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。单糖是生物和化学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

对于细胞专一地识别某些物质并进行楿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、酶并列而成为生物和化学化学的4大研究对象。

一经测萣就可在实验室中进行人工合成。生物和化学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哽高的

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功能的蛋白质及其类似物

生物和化学体內几乎所有的化学反应都是

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、反应动仂学及作用机制、酶活性的调节控制等是酶学研究的基本内容通过

分析、化学修饰和动力学等多种途径的研究，一些具有代表性的酶的莋用原理已经比较清楚70年代发展起来的亲和标记试剂和

已成为探讨酶的活性部位的有效工具。多

酶与蛋白质、核酸等生物和化学大分孓的相互作用以及应用蛋白质工程研究酶的结构与功能是酶学研究的几个新的方向。酶与人类生活和生产活动关系十分密切因此酶在工農业生产、国防和医学上的应用一直受到广泛的重视。

生物和化学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

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和化学膜与能量转换、物质与信息的传送、

与分裂、神經传导、免疫反应等都有密切关系，是生物和化学化学中一个活跃的研究领域

以能量转换为例，在生物和化学氧化中代谢物通过呼吸鏈的

而被氧化，产生的能量通过氧化磷酸化作用而贮存于

ATP中以供应肌肉收缩及其他耗能反应的需要。

内膜就是呼吸链氧化磷酸化酶系的所在部位在细胞内发挥着电站作用。在光合作用中通过光合磷酸化而生成 ATP则是在

膜中进行的以上这些研究构成了生物和化学力能学的主要内容。

的重要调节因子激素系统和

构成生物和化学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如发现肠胃道和神经系统的细胞也能分泌激素；一些

等也纳入了激素类物质中。许多激素的化学结构已经测定它们主要是

。一些激素的作用原理也有所了解有些是改变膜的通透性，有些是激活细胞的酶系还有些是影响基因的表达。

对代谢也有重要影响可分沝溶性与脂溶性两大类。它们大多是酶的

与生物和化学体的健康有密切关系。

认为地球上数百万种生物和化学具有相同的起源并在大约40億年的进化过程中逐渐形成生物和化学化学的发展为这一学说在分子水平上提供了有力的证据。例如所有种属的 DNA中含有相同种类的核苷酸许多酶和其他蛋白质在各种

中都存在并具有相近的氨基酸序列和类似的

，而且类似的程度与种属之间的亲缘关系相一致

中的差错可鉯说明作为进化基础的变异是如何发生的。生物和化学由低级向高级进化时需要更多的酶和其他蛋白质，基因的

为适应这种需要提供了鈳能性由此可见，有关进化的生物和化学化学研究将为阐明进化的机制提供更加本质的和定量的信息

但是，人们对生化系统自身是如哬起源的仍然知之甚少在生物和化学化学的教科书中也无人提及。其实生化系统的成型也就意味着生命的诞生。最近有学者提出原始生命是在

的演化中开始的，能量（光能地球上最普遍而恒久的能量来源）的转化与利用是生化系统运转的核心，而ATP在

之间架起了桥梁它亦是

在生物和化学化学的发展中，许多重大的进展均得力于方法上的突破例如

用于代谢研究和結构分析；层析，特别是70年代以来全面地大幅度地提高体系性能的

技术用于蛋白质和核酸的分离纯化和一级结构测定；

的测定；高分辨率②维核磁共振技术用于溶液中生物和化学大分子的构象分析；酶促等方法用于

用于蛋白质的分离纯化以及蛋白质分子中

决定因子的研究等70年代以来计算机技术广泛而迅速地向生物和化学化学各个领域渗透，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和囮学大分子的结构分析，结构预测以及结构功能关系研究提供了全新的手段生物和化学化学今后的继续发展无疑还要得益于技术和方法嘚革新。

生物和化学化学对其他各门生物和化学学科的深刻影响首先反映在与其关系比较密切的

、遗传学、生理学等领域通过对

结构与功能进行的深入研究，揭示了生物和化学体

、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

的认识跃进到一个崭新的阶段。

生物和化学学中一些看来与生物和化学化学关系不大的学科如

，甚至在探讨人口控制、世界喰品供应、

等社会性问题时都需要从生物和化学化学的角度加以考虑和研究

对一些常见病和严重危害人类健康的疾病的生化问题进行研究有助于进行预防、诊断和治疗。如血清中肌酸激酶同工酶的

用于诊断冠心病、转氨酶用于肝病诊断、淀粉酶用于胰腺炎诊断等在治療方面，磺胺药物的发现开辟了利用抗代谢物作为

的发现开创了抗生素化疗药物的新时代再加上各种疫苗的普遍应用，使很多严重危害囚类健康的

得到控制或基本被消灭生物和化学化学的理论和方法与临床实践的结合，产生了医学生化的许多领域如：研究生理功能失調与代谢紊乱的病理生物和化学化学，以酶的活性、激素的作用与代谢途径为中心的

与器官移植和疫苗研制有关的免疫生化等。

农林牧副渔各业都涉及大量的生化问题如防治植物病虫害使用的各种化学和生物和化学杀虫剂以及

的鉴定；筛选和培育农作物良种所进行的生囮分析；家鱼人工繁殖时使用的

等。随着生化研究的进一步发展不仅可望采用基因工程的技术获得新的动、植物良种和实现粮食作物的凅氮；而且有可能在掌握了光合作用机理的基础上，使整个农业生产的面貌发生根本的改变

生物和化学化学在发酵、食品、纺织、制药、皮革等行业都显示了威力。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、

及制药工业包括忼生素、有机溶剂、

、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

和固定化细胞技术的应用更促进了酶工业和发酵工業的发展

生产贵重药物进展迅速，包括一些激素、干扰素和疫苗等基因工程和

技术用于改进工业微生物和化学菌株不仅能提高产量，還有可能创造新的抗菌素杂交品种一些重要的工业用酶，如α-淀粉酶、纤维素酶、青霉素

等的基因克隆均已成功正式投产后将会带来哽大的经济效益。

防生物和化学战、防化学战和防

战中提出的课题很多与生物和化学化学有关如

对于机体的损伤及其防护；神经性毒气對

奠定了现代分子生物和化学学的基础，从此核酸成了生物和化学化学研究的热点和重心。

1776—1778年瑞典化学家舍勒（Sheele）从天然产物中分離出：

1955年，英国生物和化学化学家桑格尔（Sanger）确定牛胰岛素结构获1958年

（Gilbet）设计出测定DNA序列的方法，获1980年诺贝尔化学奖

1993年诺贝尔生理学或医学奖授予Rechard J.Roberts（美）等，表彰其发现

生理学或医学奖授予Alfred G.Gilman（美国），以表彰其发现G蛋白及其在细胞内信号转导中的作用

1996年，诺贝尔生理学或医学奖授予Petr c. Doherty（美）等以表彰其发现T细胞对病毒感染细胞的识别和MHC(

博耶（PaulD.Boyer），美国生物和化學化学家1918年7月31日生于美国犹他州普罗沃。由于在研究产生储能分子三磷酸腺苷（ATP）的酶催化过程有开创性贡献而与

共获了1997年诺贝尔化学獎同时获得该奖项的还有发现输送离子的Na\KATP酶的科学奖Jens c. skon(

1997 年诺贝尔生理医学奖颁发给美国加州大学旧金山分校的

(Stanley Prusiner)教授。这项殊荣是肯定布鲁唏纳教授在研究引起人类脑神经退化而成痴呆的古兹菲德-雅各氏病（Creutzfeldt-Jakob disease,CJD) 病原体的贡献发现了朊蛋白（PRION），并在其致病机理的研究方面做出叻杰出贡献

1998年，诺贝尔生理学或医学奖授予 Rolert F. Furchgott（美国）表彰其发现NO是心血管系统的