生物化學第0章緒論

生物化學銀巍:中山大學根底醫(yī)學院生化教研室IntroductiontoBiochemistry

緒論什么是生物化學？生物化學〔biochemistry〕是研究生命化學的科學，它在分子水平探討生命的本質，即研究生物體的分子結構與功能、物質代謝與調節(jié)及遺傳信息的分子根底與調控規(guī)律.生物化學〔Biochemistry〕即“生命的化學〞生物化學早期主要是用化學的，也用生物學的、物理學的以及數(shù)學的原理研究各種形式的生命現(xiàn)象；至20世紀下半葉，生物化學進入其開展的分子生物學時期〔見開展史〕，研究手段又有遺傳學、生物工程學、生物信息學等介入。因此，生物化學是一門邊緣學科，也是生命科學領域重要的領頭學科。生物化學開展歷史

TheHistoryofBiochemistry第一節(jié)一、19世紀末以前是表達生物化學階段:

主要研究生物體的化學組成

近代生物化學的研究始于18世紀。

18世紀的主要發(fā)現(xiàn)是生物體的氣體交換作用和對一些有機化合物〔如核酸、甘油、檸檬酸、蘋果酸、乳酸和尿酸等〕的揭示。

19世紀的主要奉獻是對人體化學組成的認識和某些代謝過程的發(fā)現(xiàn)。結晶了血紅蛋白；提純了麥芽糖酶；發(fā)現(xiàn)了細胞色素；從無機物合成出尿素，從肝中別離出糖原并證明它可轉化為血糖等。19世紀末，酶獨立催化作用的發(fā)現(xiàn)翻開了通向現(xiàn)代生物化學的大門1828年，在哥廷根大學任教的化學家弗里德利克·魏勒(FriedrickW?hler)在實驗室里將氰氫銨(ammoniumcyanate)加熱產生了尿素(urea)?！惨弧衬蛩睾铣墒埂盎盍φ摠曉庥龅谝淮未驌艏訜酦CONH4

H2NCONH2(氰氫銨)(尿素)

魏勒和其實驗流程圖

活力論Vitalism：

活力論認為生命的本質是一種未知的或起源于神的靈魂或活力(Vitality)。一個死亡的細胞，同樣具有核酸、蛋白質，但它是死的，看來細胞死與活的區(qū)別在于它們有沒有活力。Muller〔1942年〕認為生物具有特殊的能，這種能被稱為生命或活力〔Vitalforce)。他將生命與生物體分開。尤斯圖斯·馮·李比希(JustusVonLiebig)在19世紀20年間提出了著名的“燃燒〞學說——動物通過呼吸獲取空氣中的O2，氧化分解攝取的食物，產生水和CO2，并且釋放熱量，保持體溫，維持活力。李比希將食物分為糖、脂和蛋白質三大類主要成分，并提出物質在生物體內可進行合成和分解兩種化學過程。物質代謝(metabolism)的概念就這樣產生了?！捕场叭紵晫W說使“活力論〞再次遭遇重創(chuàng)1840年，李比希出版了?有機化學在農業(yè)和生理學中的應用?(OrganicChemistryinItsApplicationtoAgricultureandPhysiology)，這本著作可以看作是最早的一部生物化學著作。既然生命活動是以化學反響為根底的，化學反響又是在何處進行的？1665年，馬爾塞羅·馬琵季〔MarcelloMalpighi〕發(fā)現(xiàn)紅血球〔細胞〕。同年，羅伯特·胡克〔RobertHooke〕發(fā)現(xiàn)植物樹皮細胞。1838年〔有說1839年〕，馬采斯·史雷登〔MatthaisSchleiden〕和澤奧多爾·史旺〔TheodorSchwann〕證明，細胞是植物的結構單位?！踩臣毎巧w的根本結構單位史旺的學生魯?shù)婪颉の籂枃[〔RudolfVirchow〕提出了細胞學說——“細胞由細胞產生〞，“細胞是所有生命體的根本結構單位〞，細胞就是進行化學反響的場所。細胞學說使有機化學與生物學〔主要是生理學〕結合，為生物化學的產生、開展奠定了根底?；瘜W家恩斯特·霍普-席勒〔ErnstHoppe-Seyler〕首次從血液中別離出血紅蛋白，證明“血液的紅色是由血紅蛋白的顏色引起的〞，并在1864年將血紅蛋白制成了結晶〔crystal〕。1877年，霍普-席勒創(chuàng)立了德文?生理化學雜志?〔ZeitschriftfürPhysiologischeChemie〕。這時，生物化學從生理學分出作為一門新的獨立學科誕生。〔四〕血紅蛋白賦予血液紅色路易斯·巴斯德〔LouisPasteur〕首先證明，只有活的酵母細胞才能進行發(fā)酵。1833年，在巴黎一個糖廠工作的安塞爾莫·佩因〔AnselmePayen〕和簡-弗朗修斯·潑騷茲〔Jean-Fran?oisPersoz〕從麥芽中別離出一種可使淀粉轉變?yōu)樘堑目扇苄晕镔|，即淀粉酶〔diastase，后來化學家又稱之為amylase〕。稍后幾年，細胞的發(fā)現(xiàn)人史旺又從胃液中別離出類似于如今胃蛋白酶的物質，并證明這種酶是由胃細胞產生的。〔五〕酶是化學反響的主宰1861年，莫里茲·特勞伯〔MoritzTraube〕等提出，是一種“可溶性催化劑〞催化糖的“發(fā)酵〞。1878年，威爾海姆·庫奈〔WilhelmKühne〕首先引入“酶〞〔enzyme〕的概念，用以描述能催化生物化學反響的“可溶性催化劑〞。1897年，愛德爾德·布希奈〔EduardBuchner〕〔諾貝爾獎，1907〕和漢斯·布希奈〔HansBuchner〕兩兄弟實驗證明，無細胞的酵母提取液仍可催化生醇發(fā)酵反響，使巴斯德關于“只有活的酵母細胞才能進行發(fā)酵〞的認識前進了一步。20世紀初，生物化學之父埃米爾·費舍爾〔EmilFischer〕〔諾貝爾獎，1902〕首次證明蛋白質是由不同數(shù)量、種類的氨基酸組成的，并采用化學方法合成了幾種由18個氨基酸殘基組成的多肽，以這些合成多肽為底物，分析酶的催化活性，發(fā)現(xiàn)酶對底物有一定的選擇性〔特異性〕，驗證了他早在1894年提出的酶催化作用的“鎖-匙〞學說。費舍爾測定底物化學結構的方法對20世紀生物化學研究一直產生極大影響。在20世紀的頭二、三十年，“酶的非蛋白質性質〞一直束縛著人們的科學思維，是詹姆斯·薩姆奈〔JamesBSumner〕〔諾貝爾獎，1946〕解除了這一科學禁錮。1926年，薩姆奈第一個成功地制備了尿素酶〔urease〕結晶，并首次證明酶是蛋白質?！擦趁傅幕瘜W本質是蛋白質約翰·諾爾瑟普〔JohnH.Northrop〕〔諾貝爾獎，1946〕在1930年制備了胃蛋白酶、胰蛋白酶結晶。純酶的獲得為體外酶學研究提供了重要手段，結合X〔射〕線晶體衍射〔X-raycrystallography〕分析及多肽成分分析，終于使科學家徹底揭開了“酶的化學本質是蛋白質〞的事實。20世紀生物化學取得了飛速開展，確立了現(xiàn)代生物化學的根本框架。從1903年“生物化學〞這一名詞問世以來的50年，生化營養(yǎng)學、生物體的分子組成(發(fā)現(xiàn)人類必需氨基酸、必需脂肪酸及多種維生素,發(fā)現(xiàn)多種激素)、物質代謝與能量代謝、代謝調節(jié)等均取得了顯著成果。例如，維生素、輔酶和激素的結構與功能，酶促反響動力學，糖代謝的各條反響途徑，脂肪酸-氧化，氨基酸的分解代謝與鳥氨酸循環(huán)，三羧酸循環(huán)等均是這一時期的突出奉獻。二、20世紀上半葉是動態(tài)生物化學階段由于同位素示蹤技術的應用，在很多早期工作根底上，終于在20世紀30年代末，科學家們詳細描述了無氧時葡萄糖的分解途徑——(糖)酵解(glycolysis)的酶促反響順序。古斯塔夫·恩伯登(GustavEmbden)和奧托·麥耶霍夫(OttoMeyerhof)(諾貝爾獎，1922)對葡萄糖酵解的分子演繹過程奉獻最大，因此酵解途徑又稱恩伯登-麥耶霍夫途徑(Embden-Meyerhofpathway)?！惨弧程墙徒庥址Q恩伯登-麥耶霍夫途徑細胞是如何通過分解反響獲得能量的？1932年，漢斯·克雷勃斯(HansA.Krebs)和庫爾特·漢瑟雷特(KurtHenseleit)發(fā)現(xiàn)了尿素循環(huán)(ureacycle)反響途徑。1937年，克雷勃斯又揭示了三羧酸循環(huán)(tricarboxylicacidcycle)機制(諾貝爾獎，1953)?！捕橙人嵫h(huán)是物質氧化分解的最終途徑

HansKrebs(1900-1981)分別于1932年和1937年發(fā)現(xiàn)了鳥氨酸循環(huán)和三羧酸循環(huán)。1929年，CyrusH.Fiske、YellapragadaSubbarow和KarlLohman分別發(fā)現(xiàn)了腺苷三磷酸(ATP)。1941年，師從麥耶霍夫的FritzLipmann(諾貝爾獎，1953)提出生物能過程中的ATP循環(huán)學說。1948年，EugeneKennedy和AlbertLehninger證明，催化三羧酸循環(huán)反響的酶都分布在線粒體(mitochondrion)，線粒體內膜分布有電子傳遞體，可進行氧化磷酸化(oxidativephosphorylation)反響?！踩澄镔|代謝與能量代謝偶聯(lián)20世紀50年代，由一些生物化學家綜合物質代謝、氧化磷酸化偶聯(lián)機制，說明了細胞內營養(yǎng)有機物是如何轉化為ATP的，奠定了現(xiàn)代生物能學原理。生物化學家在代謝途徑、生物能學及酶反響等方面所取得的進步使生物化學成為成熟學科。1950年后，物質代謝途徑研究進入合成(synthesis)途徑的演繹。50年代末，由于很多代謝途徑被揭示，確立了由合成代謝(anabolism)和分解代謝網(wǎng)絡組成的“中間代謝〞(intermediarymetabolism)概念?！菜摹澈铣纱x和分解代謝組成“中間代謝〞網(wǎng)絡1955年，馬隆·郝蘭德(MahlonHoagland)證明氨基酸參與蛋白質合成前需要被活化，這過程消耗ATP。1957年，郝蘭德和保爾·扎美尼克(PaulZamecnik)、馬莉·斯泰芬森(MaryStephenson)發(fā)現(xiàn)氨基酸活化還需要tRNA參與。1955~1965年間，終于揭示了氨基酸是如何以信使RNA(mRNA)為模板參入蛋白質的。1951年，LinusPauling〔諾貝爾獎，1954〕和RobertB.Corey采用X射線衍射〔X-raydiffraction〕技術研究蛋白質結晶，發(fā)現(xiàn)了蛋白質分子的二級結構形式α-螺旋〔α-helix〕。1953年，F(xiàn)rederickSanger采用化學方法完成了胰島素〔insulin〕序列分析〔諾貝爾獎，1958〕。三、20世紀50年代生物化學開展進入分子生物學時期〔一〕α螺旋是蛋白質分子二級結構形式之一1951年，StanfordMoore和WilliamStein創(chuàng)造了蛋白質層析(chromatography)別離技術(諾貝爾獎，1972)。X射線衍射技術和多肽鏈氨基酸序列分析技術是50年代后分子生物學研究的兩大技術支柱。1868年，瑞士青年學者、霍普-席勒的學生弗里德利克·米歇爾〔FriedrickMiescher〕從傷口敷料的膿血球中發(fā)現(xiàn)“核素〞〔“核酸〞的早期命名〕。在20世紀20~30年代，還發(fā)現(xiàn)有兩種類型核酸——核糖核酸〔RNA〕和脫氧核糖核酸〔DNA〕存在。1941年，GeorgeBeadle和EdwardTatum提出了“一個基因一個酶〞的假說〔諾貝爾獎，1958〕。〔二〕DNA是遺傳的物質根底1944年，OswaldT.Avery及ColinM.Macleod、MaclynMcCarty通過細菌轉化實驗證明DNA是遺傳的物質根底，揭示了基因的本質。艾弗里的發(fā)現(xiàn)揭示了遺傳學與生物化學的特殊關系，生物化學遺傳學(BiochemicalGenetics)(即分子遺傳學)在那時就提出來了。在威爾金斯和弗蘭克林工作的根底上，沃森和克里克在1953年提出了DNA雙螺旋結構模型(doublehelixmodel)(諾貝爾獎，1962)。他們的原創(chuàng)著作在世界著名雜志?自然?(Nature)上發(fā)表，具有劃時代的意義：DNA雙螺旋結構是揭示遺傳信息傳遞規(guī)律的“敲門磚〞和聯(lián)系生物化學與遺傳學的“橋梁〞。從此，生物化學開展進入了以生物大分子結構與功能研究為主體的分子生物學時期?！踩矰NA雙螺旋是揭示遺傳信息傳遞的“敲門磚〞1953年，Watson和Crick根據(jù)Chargaff規(guī)律和DNANa鹽纖維的X光衍射分析提出了DNA的雙螺旋結構模型。羅莎琳德·富蘭克林〔RosalindFranklin〕和她拍的改變歷史的51號DNA結晶X射線衍射照片Watson-Crick雙螺旋結構模型(B-DNA)FrancisCrickandJamesWatsonpointoutfeaturesoftheirmodelforthe

structureofDNA.(?A.BarringtonBrown/ScienceSource/PhotoResearchers,Inc.)

生命現(xiàn)象的“同一性〞使科學家可以利用細菌和病毒研究演繹高等生命過程。1955年，ArthurKornberg(諾貝爾獎，1959)在E.coli發(fā)現(xiàn)了DNA聚合酶，揭開了DNA復制的秘密。1959年又有人發(fā)現(xiàn)RNA聚合酶。在克里克提出RNA中介假說根底上，MarshallNirenberg、HeinrichMatthaei、PhilipLeder和H.GobindKhorana等歷經近10年研究，在1966年揭示了遺傳密碼。1968年提出了遺傳信息傳遞的中心法那么?！菜摹尺z傳信息按中心法那么傳遞1961年，F(xiàn)rancisJacob和JacquesMonod(諾貝爾獎，1965)揭示了原核基因表達的開啟和關閉是如何控制的。1963年，Jacob、Monod和Jean-PierreChangeaux首先用酶活性的“別構調節(jié)〞(allostericregulation)理論解釋基因和機體代謝功能是如何被調節(jié)的，從此引入了生物調節(jié)的概念?！参濉郴蛐畔鬟f是被特殊機制調節(jié)的遺傳信息的傳遞或表達是受一定機制調控的。1973年，PaulBerg、HerbertBoyer和StanleyCohen首次在體外將重組的DNA分子形成無性繁殖系——DNA“克隆〞〔clone〕〔諾貝爾獎，1980〕。1985年，KaryMullis創(chuàng)造了一種體外擴增DNA的專門技術——聚合酶鏈式反響〔PCR〕〔諾貝爾獎，1993〕?！擦矰NA“克隆〞使基因操作無所不能從此，以重組DNA(RecombinantDNA)操作為核心的重組DNA工藝學(RecombinantDNATechnology)迅速開展，科學家們別離及操作基因的能力幾乎到達無所不能的地步。也正是有了重組DNA工藝學才能使人類基因組方案得以實施，并對基因組學〔genomics〕誕生、工農業(yè)產業(yè)革命產生巨大影響。一種生物所有遺傳信息，也就是DNA的總和，稱為基因組(genome)。人類基因組方案(HumanGenomeProject,HGP)就是將人23對染色體全部DNA的核苷酸序列測出來?！财摺橙祟惢蚪M方案拉開了基因組學的序幕1990年,耗資30億美元的15年制圖和測序方案正式啟動。1992年,很多興旺國家的科學家、政府甚至公司參加HGP。1999年底,由英國桑格(Sanger)中心的丹漢姆(Dunham)領導的國際基因組公布了22號染色體全序列。2000年3月,德國、日本等國研究者公布了21號染色體全序列;6月,NCHGR和塞萊拉(Celera)公司聯(lián)合宣布人類基因組序列草圖——HGP提前完成。從此，生物學領域新的亞學科——基因組學誕生。

ThesequenceofthehumangenomeC.Venteretal.Science16Feb.291:1304–1351,2001世界大型基因組研究中心美國：1)NationalHumanGenomeResearchInstitutioninNIH 2)GenomeCenteratWhiteHead/MIT 3)WashingtonUniversityGenomeCenter 4)JointGenomeInstitutionatDOE 5)GenomeCenteratBaylorMedicalCollage英國：SangerCenter日本：RIKEN中國：華大基因研究中心〔北京、杭州〕 國家人類基因組中心〔北京、上海〕

從20世紀中葉到21世紀之初的60多年時間里，生命科學經歷了兩次革命性的轉折第一次是以20世紀中葉在復原論根底上誕生的分子生物學為代表。當時的生物學家認為，生命是一種遵循物理和化學規(guī)律的復合體，可以通過分析的方法分解為各種組成成分，如基因或蛋白質，只要將基因及其產物逐個地進行研究，就可以揭示出生物個體的活動規(guī)律。即針對某個生物學問題，通過物理和化學的研究手段研究個別的基因或蛋白質的結構和功能。研究者認為只要揭示出特定的〔一個或數(shù)個〕基因或蛋白質的行為，就可以理解相應的生命活動。其次是在方法論方面，研究者所擁有的研究手段通常只能研究一個或數(shù)個基因或蛋白質。DNA個體水平：細胞水平：分子水平：蛋白質現(xiàn)代生物學家眼中的生命復原論——20世紀生命科學的主流基因蛋白質功能復原論Reductionism：認為生命現(xiàn)象可以用構成生命體的生命物質的物理、化學運動規(guī)律來說明真實世界的生命(1)人類基因組>300000人類蛋白質Millions蛋白質復合物信號轉導網(wǎng)絡真實世界的生命(2)在20世紀末葉，由于人類基因組方案的實施，引發(fā)了生命科學的第二次革命，其標志正是以基因組學為代表的“組學〞〔-omics〕等生命大科學的出現(xiàn)。這類生命大科學最明顯的特征是研究規(guī)模的巨大對于基因組學、蛋白質組學等各種“組學〞而言，所關心的不再是生物體內的一兩個基因或蛋白質等個別組分，而是所有的基因或蛋白質。從方法論的角度來看，這些“組學〞最根本的研究策略就是，開發(fā)和應用大規(guī)模、高通量的技術手段，以便能夠在一次實驗中(或者很短的時間內)研究成千上萬的基因或蛋白質。在整體和細胞水平上表現(xiàn)出來的生命現(xiàn)象，在背后都涉及基因控制的分子機制這條主線。現(xiàn)在的任務是如何根據(jù)不同的情況把這條主線具體化，這是擺在分子生物學面前的一個非常艱巨的任務?，F(xiàn)在已經采用了一些新的研究方法，比方用基因芯片和生物芯片檢測整體或細胞生命活動過程中的基因或生物分子的結構及功能變化的動態(tài)譜；在細胞或整體水平上將靶基因定向和定位地刪除掉(knockout)或引進(knockin)，以研究靶基因表達與在細胞或整體上所表現(xiàn)的功能之間的關系等。通過不同層次研究問題的整合，不同研究技術方法的整合以及不同研究結果的整合，可望比較客觀地說明一定生命現(xiàn)象的發(fā)生機制。同時將不同學科〔經典的和新興的，宏觀的和微觀的〕有