第一章　緒論

【學習目標】

掌握：生物化學的概念。

熟悉：生物化學的研究內容。

了解：生物化學的發展過程；生物化學與醫學的關系。

生物體是由各種化學物質構成的，這些組成成分在體內不斷地進行著各種化學變化，以維持正常的生命活動。生物化學就是一門研究生物體的化學組成以及生命過程中發生的各種化學變化規律的科學。生物化學是從分子水平來探討生命現象的化學本質，所以又被稱為生命的化學。生物化學是生命科學領域的前沿學科，在醫藥學、農業、工業等領域具有廣泛的應用。

生物化學按照研究對象的不同，可分為動物生物化學、植物生物化學、微生物生物化學等分支。以人體為主要研究對象的生物化學稱為醫學生物化學，它在分子水平探討生命過程的本質及疾病發病機制，是一門非常重要的醫學基礎課程。

★ 考點提示：生物化學的概念

一、生物化學的發展簡史

生物化學是隨著人們的生產和生活實踐逐漸發展起來的。在我國，勞動人民在生產、生活實踐中掌握了很多生物化學的知識和技術并代代相傳。例如，公元前21世紀我國人民已能釀酒，這是我國古代用“曲”作“媒”（即酶）催化谷物淀粉發酵的實踐；同一時期，我們的祖先已能用豆、谷、麥等原料，制成醬、飴、醋等，也是利用酶進行的生化過程；在我國漢代已能制作豆腐，這是利用了蛋白質沉淀的性質；唐代“藥王”孫思邈用豬肝治療雀目，實際是用富含維生素A的豬肝治療夜盲癥等。

18世紀后期，隨著有機化學及生物學等學科的發展，科學家開始應用化學、物理學及生物學的原理及方法研究生命現象。1903年德國學者紐伯（C.Neuberg）提出“生物化學”這一名稱，標志著生物化學成為一門獨立的學科。其發展歷程可大致分為三個階段。

（一）靜態生物化學階段

18世紀中葉到20世紀初是生物化學的初級階段，又稱靜態生物化學階段或敘述生物化學階段。在這期間，主要工作是對生物體的各種組成成分進行分離、純化，進而確定生物體的化學組成、結構及理化性質。1815年至1832年期間法國科學家Braconnot H鑒定出脂肪、甘氨酸、亮氨酸及纖維素等生物體組成成分；19世紀末，人們又確定了生物體內的單糖、二糖及淀粉等多糖的基本組成和結構；1865年瑞士科學家Miescher F發現了核酸；1902年Fischer H首次證明蛋白質是由不同氨基酸組成的；化學家Ernst Hoppe-Seyler首次從血液中分離出血紅蛋白，并于1864年制成結晶，證明“血液的紅色是由血紅蛋白的顏色引起的”；對酵母發酵過程的研究發現了能催化生物化學反應的“可溶性催化劑”，奠定了酶學的基礎。

（二）動態生物化學階段

從20世紀初期開始，生物化學進入了蓬勃發展的階段。這個時期重點研究物質的代謝轉變，故稱動態生物化學階段。隨著對生物分子認識的積累，科學家開始研究這些生物分子在體內的化學變化。到20世紀50年代，基本確定了生物體內主要物質的基本代謝途徑及其與能量代謝的關系，例如糖酵解過程、三羧酸循環、尿素合成過程、脂肪酸β-氧化、ATP生成方式氧化磷酸化等。這一時期另外一些重要研究成果是：在內分泌方面，發現垂體激素、胰島素、胰高血糖素、雌二醇、孕酮等多種激素；在營養學方面，發現必需脂肪酸、必需氨基酸和多種維生素；在酶學方面，制備了脲酶、胃蛋白酶、胰蛋白酶結晶，證明酶的化學本質是蛋白質。

（三）分子生物學時期

20世紀后半葉以來，生物化學飛速發展，進入了分子生物學時期。1953年青年科學家Watson J和Crick F提出DNA雙螺旋結構模型，標志著生物化學的發展進入了以核酸和蛋白質等生物大分子為主要研究內容的分子生物學時期。此后，對DNA的復制、RNA的轉錄及蛋白質的合成過程進行了深入的研究，提出了遺傳信息傳遞的中心法則。20世紀70年代，重組DNA技術建立，使基因操作幾乎無所不能，人們主動改造生物體成為可能。20世紀末發動的人類基因組計劃是人類生命科學中的又一偉大創舉，它揭示了人類遺傳學圖譜的基本特點，將為人類的健康和疾病的研究帶來根本性的變革。在人類基因組計劃之后，功能基因組的研究迅速崛起，從基因組整體水平上對基因的活動規律進行研究。在人類基因組計劃和功能基因組研究的基礎上，1994年Wilkins等提出蛋白質組學的概念，蛋白質組學在整體水平上研究組織細胞蛋白質的組成及動態變化。“組學”的發展使人類對生命的認識又從單個分子的研究回歸整體，更有利于揭示生命的奧秘。分子生物學的基本理論和技術正在給醫藥衛生領域帶來一場新的變革。

二、生物化學的研究內容

（一）生物分子的組成、結構與功能

生物體由蛋白質、核酸、糖類、脂類、水及無機鹽等物質組成，其中蛋白質、核酸、多糖等分子量大、結構和功能復雜，稱為生物大分子。結構復雜的生物大分子都是由種類有限的有機小分子物質構成的，例如蛋白質是由氨基酸組成的，核酸的基本組成單位是核苷酸。核酸和蛋白質對生命體具有極其重要的意義，核酸是遺傳信息的載體，而蛋白質是遺傳信息的表達產物，是生命活動的具體執行者。

生物體內的組成物質有的直接來自體外，如水、無機鹽和維生素，大部分是利用食物消化吸收的物質在體內重新合成。通常將糖、脂類、蛋白質、水、無機鹽及維生素等稱為人體需要的六大營養素，必須從食物攝取。食物中核酸消化吸收的產物大多直接分解代謝排出體外，體內的核苷酸主要來自機體的自身合成，因此核酸不屬于飲食中必需的營養素。

大分子物質結構復雜，都具有特定的基本結構和空間結構，其結構與功能之間關系密切，結構是功能的基礎。

（二）物質代謝與調節

生命的基本特征是新陳代謝。在生物體的整個生命過程中，一方面機體不斷地從外界攝取營養物質，合成自身組織，同時儲存能量，稱為合成代謝；另一方面又不斷將其自身組織進行分解，形成代謝廢物排出體外，同時釋放能量供機體需要，稱為分解代謝。這種機體與周圍環境之間進行物質交換和能量交換，以實現自我更新的過程即新陳代謝。據估計，一個人在一生中（以60歲年齡計算）與外環境交換的物質，約相當于60000kg水、10000kg糖類、1600kg蛋白質及1000kg脂類。

體內的物質代謝主要包括糖代謝、脂類代謝、蛋白質代謝及核苷酸代謝等，其代謝過程往往由一系列連續的由酶催化的化學反應所構成，各種代謝途徑錯綜復雜又相互聯系。在一個細胞中，同一時間有近2000多種酶催化著不同代謝途徑中的各種化學反應，并使其互不干擾、有條不紊地以驚人的速度進行著，這是因為體內有完善的調節系統，來精準調控各種物質代謝途徑的速度和方向，以適應機體的生理需求。一旦調節系統出現異常，就會引起物質代謝的紊亂，進而導致疾病的發生。例如糖尿病就是因調節糖代謝的胰島素功能下降而引起的。

生命活動是靠物質代謝來維持的，認識物質代謝及其調節對于我們了解生命活動的基本規律、探討疾病的發病機制及對疾病的預防和診斷，都具有重要的意義。

（三）遺傳信息的傳遞與表達

生命的另一重要特征是具有繁殖能力和遺傳特性。生物體在繁衍后代的過程中，遺傳信息代代相傳。DNA是遺傳的主要物質基礎，基因即DNA分子中儲存遺傳信息的基本單位。繁殖就是遺傳信息在親代和子代之間的傳遞，體細胞的分裂增殖就是遺傳信息在個體內部的傳遞。遺傳信息的傳遞與表達涉及DNA復制、轉錄、翻譯等一系列過程。遺傳信息通過這一系列的傳遞過程，最終生成具有各種功能的蛋白質。遺傳信息的傳遞與表達涉及遺傳、變異、生長及分化等諸多生命過程，也與遺傳疾病、惡性腫瘤、心血管病等多種疾病的發生機制有關。因此，遺傳信息的傳遞與表達及其調控機制，是現代生物化學研究的中心環節。

★ 考點提示：生物化學的主要研究內容

三、生物化學與醫學的關系

生物化學是一門必修的基礎醫學課程，也是生命科學中進展最為迅速的學科之一。生物化學的理論和技術已經滲透到醫學的各個學科和領域，成為各學科、各領域進一步研究和發展不可或缺的知識和技術支撐。如果把解剖學作為醫學各學科的“宏觀基礎”，那么生物化學就是醫學各學科的“微觀基礎”。尤其是分子生物學原理及技術的應用，加速了現代醫學的發展。

人類的健康有賴于體內的生物分子保持正常的結構與功能及有序的代謝過程，而疾病的發生、發展都有其分子基礎。因此，生物化學的基本理論有助于我們在分子水平認識疾病，理解疾病的發生、發展機制，對于疾病的預防、診斷、治療等有著重要作用。

生物化學檢驗技術是重要的臨床檢驗技術，通過對血、尿、腦脊液等樣品中蛋白質、酶類、葡萄糖、脂類、膽紅素等分子的檢測，幫助臨床醫生診斷疾病、評價治療效果和分析預后。1978年，首次應用基因診斷技術對鐮刀形紅細胞貧血進行了產前診斷，開創了分子診斷的新時代，目前基因診斷已廣泛應用于感染性疾病、腫瘤、遺傳性疾病等的臨床檢測。

通過生物技術生產的生物制品在臨床診斷、治療和疾病預防中起著越來越重要的作用。例如，目前使用的乙肝疫苗是基因工程疫苗，具有很好的免疫效果；現階段臨床最常使用的胰島素是利用重組DNA技術獲得的高純度的人胰島素，克服了豬胰島素或牛胰島素易產生抗體的缺陷。隨著生物技術的迅速發展，各種免疫、診斷制品和治療用生物藥品不斷涌現，推動了新的預防、診斷、治療方法的建立。

生物化學與護理學也是密不可分的。新型護理人才要具備很多方面的能力，如護理基本操作技術、對常見病和多發病病情及用藥反應的觀察、對患者進行的健康評估及健康教育、對大眾的衛生保健指導等，這些無不與生物化學基本知識和技術緊密相關。因此，生物化學是護理學教育中非常重要的一門專業基礎課，生物化學基本理論和技術可廣泛應用于營養學、臨床輸液、臨床護理觀察和處理、生化檢驗、臨床治療用藥等很多方面。因此，學習生物化學知識，對護理人才非常重要。

★ 考點提示：生物化學與醫學的關系

思考題

一、名詞解釋

1．生物化學

2．生物大分子

二、填空題

1．生物體主要由______、______、______、______、水和無機鹽組成。

2．____________標志著生物化學的發展進入分子生物學階段。

三、簡答題

1．簡述生物化學的主要研究內容。

2．簡述生物化學與醫學的關系。

（梁金環）