生物化學(xué)發(fā)展史

1、生物化學(xué)發(fā)展史化學(xué)在生命科學(xué)中的地位: 二十世紀(jì)的頭二十年是微生物稱雄的時代。他們的顯赫地位其后又被維生素取代了二十年之久。 四十年代和五十年代，是酶的興旺時期。 八十年代以前的二十年中，基因熱。 上世紀(jì)的后二十年神經(jīng)和人類基因組計(jì)劃發(fā)展很快。 在這一段歷史時期內(nèi)，一個又一個醫(yī)學(xué)學(xué)科走馬燈似地變換著主導(dǎo)地位，而研究和教學(xué)則是在不斷增多的相互獨(dú)立的學(xué)科里進(jìn)行著。 六十年前，醫(yī)學(xué)院還只有解剖學(xué)系、細(xì)菌學(xué)系、生理學(xué)系、生物化學(xué)系和藥學(xué)系。而且系與系之間比較疏遠(yuǎn)，沒有聯(lián)系。那個時候，遺傳學(xué)系和神經(jīng)生物學(xué)系在醫(yī)學(xué)院里尚未問世。 路易.巴斯德，這個上世紀(jì)醫(yī)學(xué)科學(xué)的巨匠和微生物學(xué)家是化學(xué)出身的。 今日的基因

2、工程把生物化學(xué)、遺傳學(xué)、微生物學(xué)和生理學(xué)集為一體。這一新興的基因化學(xué)的價(jià)值是如此巨大，實(shí)在無愧為人們賦于它的“革命性進(jìn)步”的稱號。 現(xiàn)代基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)各學(xué)科的匯集與聯(lián)系之所以緊密，最主要是因?yàn)樗鼈兙哂泄餐恼Z言，即化學(xué)語言。這些學(xué)科中最具有描述性的解剖學(xué)和最抽象的遺傳學(xué)，現(xiàn)在都滲透了許許多多的化學(xué)理論和技術(shù)。 現(xiàn)在的解剖學(xué)是一幅包括了中等大小的分子、大分子的聚集體直至細(xì)胞器和組織的漸進(jìn)圖。正是這些大大小小的分子組成了有功能的生物體。 遺傳學(xué)的變化甚至更大。當(dāng)遺傳現(xiàn)象是否由已知的物理學(xué)原理操縱的這一命題作為正經(jīng)的問題提出來時，也只不過是六十年前的事情。而今天我們則以一目了然的化學(xué)表達(dá)法來了解和研究基因

3、、遺傳現(xiàn)象和進(jìn)化問題。 染色體和基因可被分析了、合成了、重新安排了。 新的物種也可隨心所欲地創(chuàng)造出來了。一旦對染色體的結(jié)構(gòu)與功能有了更深刻的認(rèn)識，由此產(chǎn)生的對醫(yī)學(xué)和工業(yè)的影響將會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們從現(xiàn)在用的基因方法大量生產(chǎn)稀有的激素、疫苗、干擾素和酶的成功所能得到的經(jīng)濟(jì)和社會效益。 生物學(xué)家固然知道是酶決定了細(xì)胞的形狀、功能和命運(yùn)，但他們對酶的重要性和化學(xué)復(fù)雜性望而卻步，因而對生物化學(xué)也盡量繞道而行。這是指六十年前。 “最好通過化學(xué)來生活”，這是杜邦(Du Pont)公司在持續(xù)數(shù)年的廣告戰(zhàn)中一直沿用口號。這一口號的寓義無非是告訴公眾：塑料、除草劑和其它工業(yè)化學(xué)品對于我們個人與社會的美滿幸福所能起到的

4、作用。 醫(yī)學(xué)科學(xué)的匯集最早是由于路易.巴斯德的天才而嶄露頭角的。 巴斯德是一個化學(xué)家，他年青時闡明了具有相同化學(xué)結(jié)構(gòu)的酒石酸由于其物理結(jié)構(gòu)上的不同而分為兩種分子，即鏡象對映異構(gòu)體。 巴斯德創(chuàng)立的“疾病的菌源說”帶有他化學(xué)基礎(chǔ)和思想方法的烙印。他力圖把疾病問題簡化為基本的成分。他的實(shí)驗(yàn)途徑是先將致病因子純化為單一的形式，然后用純化的因子再生疾病。因而可以說，由巴斯德創(chuàng)立的微生物學(xué)和免疫學(xué)是由化學(xué)中脫胎而來的。實(shí)際上，在1911版的大英百科全書上刊載的有關(guān)巴斯德生平的權(quán)威傳記將他稱為法國化學(xué)家，并譽(yù)為是公認(rèn)的當(dāng)時化學(xué)運(yùn)動的最偉大的領(lǐng)導(dǎo)者。 在巴斯德的科學(xué)生涯中有一個嚴(yán)重的瑕疵： 他闡明了是酵母細(xì)胞

5、導(dǎo)致了酒精發(fā)酵，即蔗糖在厭氧條件下轉(zhuǎn)變?yōu)橐掖己投趸肌Ｖ?，他又試圖用酵母的抽提液來完成同樣的功能，但他未能如愿。因此他下了這樣的一個結(jié)論：除活細(xì)胞之外，其它一切東西都不可能進(jìn)行這一極為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。正是由于巴斯德的自信心、說服力和影響力，使進(jìn)一步研究無細(xì)胞系統(tǒng)的乙醇發(fā)酵的努力被大大地潑了冷水。從此生機(jī)論變得根深蒂固，使現(xiàn)代生物化學(xué)的出現(xiàn)被延遲了三十年之久。 直至本世紀(jì)初，慕尼黑的愛德華.布希納(Eduavd Buchner)才于無意之間發(fā)現(xiàn)了破碎的酵母細(xì)胞的發(fā)酵現(xiàn)象。本來他是用糖來保護(hù)酵母抽提液不至發(fā)生重復(fù)免疫反應(yīng)，不料卻發(fā)現(xiàn)了令人討厭的發(fā)泡現(xiàn)象。進(jìn)一步的研究使他闡明了糖被酵母液裂解所分

6、解的產(chǎn)物-乙醇和二氧化碳。 巴斯德的運(yùn)氣不佳，他所用的巴黎酵母是蔗糖酶缺陷型，這是一個催化蔗糖糖代謝的起始反應(yīng)的酶。布希納則吉星高照，他的慕尼黑酵母抽提液中尚有相當(dāng)量的這種酶保存著活力。 生物化學(xué)并不是象有人想象的那樣由有機(jī)化學(xué)衍生而來。盡管糖和氨基酸等底物與酶反應(yīng)的產(chǎn)物都是通過有機(jī)化學(xué)的方法制備和鑒定的。確切地說，生物化學(xué)是從農(nóng)學(xué)院和醫(yī)學(xué)院的生理系和營養(yǎng)系脫胎而出的。借助于生物化學(xué)，人們可以如愿明白許多細(xì)胞功能的化學(xué)基因，例如發(fā)酵、光合作用、肌肉收縮、消化和視覺等。基因工程的起源 基因化學(xué)也就是大家常說的基因工程的起源是什么呢？ DNA、基因和染色體的分離、分析、合成和重排通常被認(rèn)為是分子生

7、物學(xué)的成就和領(lǐng)地。就算如此，那么什么是分子生物學(xué)？它的起源又是什么呢？如果把討論的焦點(diǎn)集中在DNA的分子生物學(xué)，這里我可以列舉幾個不同的來源： 第一個起源來自醫(yī)學(xué)。艾夫里(Oswald Avery)以自己畢生的精力探索肺炎球菌肺炎的控制問 題，有史以來第一次證明了DNA是儲存遺傳信息的分子。 第二個起源來自生物遺傳學(xué)。微生物學(xué)家，其中有些是叛逃的物理學(xué)家，選擇噬菌體（細(xì)菌病毒）作為研究對象，闡明了主要生物大分子DAN、RNA和蛋白質(zhì)的功能。 第三個起源來自生物分子的細(xì)微結(jié)構(gòu)化學(xué)。蛋白質(zhì)的X光衍射圖譜提示了其三維空間結(jié)構(gòu)。DNA的衍射圖譜使我們了解了它的螺旋結(jié)構(gòu)和它的復(fù)制與功能。 第四個起源來自

8、生物化學(xué)，即核酸的酶學(xué)、分析和合成。核酸酶將DNA攔腰斬為基因并分解成組成構(gòu)件。聚合酶則把它們組合在一起，連接酶把DNA鏈連成基因，又將基因連成染色體。正是由于這些酶的存在才使得基因工程切實(shí)可行。這些酶在細(xì)胞內(nèi)是用來催化基因和染色體的復(fù)制、修復(fù)和重排反應(yīng)。 因而歸根到底，現(xiàn)代分子生物學(xué)的成就仍屬化學(xué)。大多數(shù)的分子生物學(xué)家操作著這種特殊形式的化學(xué)而沒有認(rèn)識到它就是化學(xué)。 但是，盡管已有了非同小可的業(yè)績，分子生物學(xué)在回答一些細(xì)胞功能和發(fā)育等深刻的問題時仍然是張口結(jié)舌的。比如是什么控制了基因的重排以產(chǎn)生抗體？是什么決定了一個原始細(xì)胞發(fā)育成腦或骨？是什么構(gòu)成了細(xì)胞生長和衰老的基礎(chǔ)？一旦忽略了DNA藍(lán)圖

9、的產(chǎn)物的化學(xué)，即忽略了代表細(xì)胞的機(jī)關(guān)和構(gòu)架的酶與蛋白質(zhì)的化學(xué)時，當(dāng)今的分子生物學(xué)研究就開始蹣跚（pan shan）不前了。 對腦的化學(xué)元素，無論是動物的還是人的， 正常的還是有病的腦的化學(xué)元素的研究應(yīng)給予足夠的重視。 總之，化學(xué)語言是連接物理學(xué)與生物學(xué)、天文學(xué)與地學(xué)、醫(yī)學(xué)與農(nóng)學(xué)的紐帶。化學(xué)語言極為豐富多彩，它能產(chǎn)生出最美的圖畫。我們應(yīng)該傳授和運(yùn)用化學(xué)評議。這就是我們眼前的、未來的基因，也是本世紀(jì)生物、醫(yī)學(xué)繁榮昌盛的基石。生命的化學(xué)觀 吳憲教授(1893-1959)是我國杰出的生物化學(xué)家和營養(yǎng)學(xué)家，在國際上負(fù)有盛名。他在臨床生物化學(xué)，特別是血液分析、氣體與電解質(zhì)的平衡、蛋白質(zhì)的生物化學(xué)，特別是蛋

10、白質(zhì)的變性理論、免疫化學(xué)、氨基酸的代謝和營養(yǎng)學(xué)諸領(lǐng)域的研究工作，都是當(dāng)時的先驅(qū)。 物質(zhì)結(jié)構(gòu)繁簡的等級 物質(zhì)的繁雜程度略分為五級。（1）原子的繁雜程度稱為第一級。（2）原子相結(jié)合而成為分子，最小的是氫，最大的是生物大分子。分子的繁雜程度稱為第二級。（3）相同分子或不同分子相結(jié)合而成為分子聚集體，其種類無限，其狀態(tài)不似分子。分子聚集體的繁雜程度稱為第三級。（4）不同分子聚集體相結(jié)合而成為有形態(tài)的物質(zhì)單位，其形態(tài)?？捎蔑@微鏡觀察。這就是生物學(xué)家所說的細(xì)胞。細(xì)胞種類之多，不可以數(shù)計(jì)。細(xì)胞的繁雜程度稱為第四級。（5）細(xì)胞聯(lián)合而成為多細(xì)胞物體，或?yàn)橹参锘驗(yàn)閯游?。其最繁雜者莫過于人體。多細(xì)胞物體的繁雜程度稱

11、為第五級。 上述五級一方面從一級過渡到另一級之間的界限并不同樣清楚，另一方面，同屬于一級的物質(zhì)，其結(jié)構(gòu)的繁雜程度可以相差很大，因而其現(xiàn)象（性質(zhì)）也就相差很多。所以說，物質(zhì)繁雜程度的級別越高，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性越低，其現(xiàn)象（性質(zhì)）也就越多、越繁雜。 結(jié)構(gòu)與性質(zhì) 物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，是一個物質(zhì)的兩個方面，知道它的結(jié)構(gòu)，就可能了解它的性質(zhì)。誠然，有時了解它的性質(zhì)，并不一定知道它的結(jié)構(gòu)。但是，在了解它的性質(zhì)以前，必須先有結(jié)構(gòu)的知識。對于人體的總結(jié)構(gòu)，解剖學(xué)家、醫(yī)學(xué)家已知道得很清楚。我們能理解四肢的活動是由于肌肉的伸縮，血液的流動是由于心臟的抽壓，以及影像是怎樣在視網(wǎng)膜上聚集的等，都是因?yàn)橹懒诉@些器官的結(jié)構(gòu)

12、。 物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，是一個物質(zhì)的兩個方面，知道它的結(jié)構(gòu)，就可能了解它的性質(zhì)。誠然，有時了解它的性質(zhì)，并不一定知道它的結(jié)構(gòu)。但是，在了解它的性質(zhì)以前，必須先有結(jié)構(gòu)的知識。對于人體的總結(jié)構(gòu)，解剖學(xué)家、醫(yī)學(xué)家已知道得很清楚。我們能理解四肢的活動是由于肌肉的伸縮，血液的流動是由于心臟的抽壓，以及影像是怎樣在視網(wǎng)膜上聚集的等，都是因?yàn)橹懒诉@些器官的結(jié)構(gòu)。我們可以把腎比作濾器，把肺比作氣包，因?yàn)槲覀冊陲@微鏡下已看到它們的組織結(jié)構(gòu)。但是，神經(jīng)怎樣傳導(dǎo)我們還無法理解，因?yàn)槲覀儗τ诩?xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)際上還一無所知。等到對于活細(xì)胞結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)完全知道以后，對生命過程的理解就會如同理解鐘表指針轉(zhuǎn)動一樣容易。 先有核

13、酸，還是先有蛋白質(zhì)？ 在生物界，對于生命的起源曾有三種意見，即： （1）最初的細(xì)胞是在沒有核酸和遺傳體系的條件下進(jìn)行活動的，而核酸和遺傳體系則是以后獲得的； （2）核酸為最先發(fā)生，它為蛋白質(zhì)的進(jìn)化提供信息； （3）核酸和蛋白質(zhì)兩者須結(jié)合在一起才能形成一個活細(xì)胞的最初真正前體。 目前，大多數(shù)學(xué)者都傾向于第二種意見，即先有RNA，再有蛋白質(zhì)。但仍有爭議。生物化學(xué)中的物理化學(xué) 當(dāng)今生化已從闡明生物化學(xué)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)入探討生物分子間的相互作用和功能；生物分子間為何能在溫和的條件下以驚人的速度在生物體內(nèi)進(jìn)行一系列嚴(yán)格有序和特定方向的化學(xué)反應(yīng)；反應(yīng)前后能量如何變化；有哪些因素影響著這些生物分子間的反應(yīng)；酶促

14、反應(yīng)的機(jī)理和生物分子的結(jié)構(gòu)功能關(guān)系如何等，這就使得物理化學(xué)越來越顯示出它在生化中的重要地位。 物理化學(xué)主要從理論上探討物質(zhì)結(jié)構(gòu)與其性能間的關(guān)系，化學(xué)反應(yīng)的可能性、反應(yīng)速度和反應(yīng)限度，反應(yīng)機(jī)理以及反應(yīng)過程中的能量變化關(guān)系等，是整個化學(xué)學(xué)科的理論基礎(chǔ)。目前的研究表明，生物分子間的相互作用也是遵循各種物理化學(xué)規(guī)律的，也即這一套基本化學(xué)定律也支配著各種類型的生物分子的性質(zhì)、機(jī)能和相互作用。 （1）生物化學(xué)中的化學(xué)熱力學(xué) （2）生物化學(xué)中的化學(xué)動力學(xué) （3）生物化學(xué)中的電化學(xué) 總之，物理化學(xué)的各分支的理論可以闡明生化中許多問題，物理化學(xué)的研究方法在生化中具有十分重要應(yīng)用。生物分子的反應(yīng)服從于非生命界的化

15、學(xué)定律，物理化學(xué)與生化間聯(lián)系密切，可以預(yù)見，物理化學(xué)中的各種理論、研究方法在生化中將日益受到廣泛應(yīng)用，而生化的發(fā)展也必將進(jìn)一步豐富物理化學(xué)的內(nèi)容。生物化學(xué)與司法鑒定 受傷與死亡現(xiàn)象中的生化 ： 1.死亡時間的推測：在兇殺的刑事案件中，可根據(jù)尸體中一些生化物質(zhì)的變化來推測尸體經(jīng)過的死亡時間，如發(fā)育7小時內(nèi)肝中DNA的含量隨死時間的延伸而下降；脾中DNA的含量則上升；腎、心肌和骨骼肌在7小時內(nèi)不變。以肝和脾中DNA含量變化的比值與死亡時間作圖，可得一直線，用此直線來推測死亡時間其誤差在16分鐘之內(nèi)。如果能在人體上也達(dá)到同樣的精確度，在當(dāng)今生活節(jié)奏快速的社會里也能相當(dāng)正確地判斷無誤了。 2.暴力死亡

16、中的生化： （1）經(jīng)過搏斗后機(jī)械性死亡的心肌中丁二酸脫氫酶和細(xì)胞色素氧化酶的活性有及糖原的含量會明顯升高，要經(jīng)過20小時之后才會明顯下降。 （2）機(jī)械性窒息(吊死和扼死）會引起死亡者的血液中成纖維蛋白水解酶的含量高于正常死亡的值，因此血液不凝固。急死者的血液也不凝固，所以判斷時要結(jié)合其它方法。 （3）溺死者的肺中過氧化物酶活性變化明顯。由于進(jìn)入的水深入肺部呼吸系統(tǒng)，器官受水的刺激后分泌出一些物質(zhì)，使在口鼻之間形成蕈（xun）狀泡沫，短時間內(nèi)并不消失，此為何物尚無報(bào)道。 3.性犯罪引起的死亡：鑒定時可在受害者身體及其衣服等犯罪現(xiàn)場中找到精子，或是污漬中有酸性磷酸酯酶活力，即使進(jìn)行絕育手術(shù)的罪犯也

17、能發(fā)現(xiàn)這種酶活力。 個人識別和親子鑒定 1. 免疫法和多態(tài)蛋白鑒定法 2. DNA“指紋圖譜”用于個人識別和親子鑒定 3. 從個體的特征上來進(jìn)行個人識別 刑事偵察中的生化 1. 指紋：由于手指皮膚排泄物中除了含有無機(jī)離子外，還含有維生素B2和B6化合物和氨基酸、蛋白質(zhì)類化合物。利用激光照射在維生素B2和B6上產(chǎn)生熒光的特性，用彩卷拍攝激光照相來攝取指紋。 2. 血跡現(xiàn)場顯示：國外用Luminol噴霧于現(xiàn)場，而后在黑暗中去尋找發(fā)光的斑點(diǎn)，此斑點(diǎn)常常是血跡，即使將現(xiàn)場進(jìn)行一般性的打掃，也不能排除用此法可找出血跡。生物化學(xué)與美學(xué) 門捷列夫周期律揭示了自然界化學(xué)元素之間的本質(zhì)聯(lián)系。周期律在形式上和內(nèi)容

18、上極其對稱、協(xié)調(diào)，縱橫聯(lián)系，精致巧妙，成為一個統(tǒng)一的整體，給人以美的感覺。這種美感實(shí)際上就是科學(xué)美(主要指理論美，它是自然美在科學(xué)理論上的表現(xiàn))的一種顯現(xiàn)。 從分子水平看人體，象蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的分子結(jié)構(gòu)與其功能相互默契、對立統(tǒng)一，為完成生命活動過程的生理功能和代謝變化提供了物質(zhì)前提。例如，血紅蛋白的四個亞基和四個亞鐵血紅素分子構(gòu)成的的四聚體是血紅蛋白結(jié)合或放出氧分子的精巧結(jié)構(gòu)，反映在理論上便是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能統(tǒng)一的學(xué)說；酶對底物催化作用的特異性及酶與底物分子之間的誘導(dǎo)契合，反映在理論上便是酶作用的誘導(dǎo)契合學(xué)說；DNA分子的兩條多核苷酸鏈相互盤繞而成的結(jié)構(gòu)，反映在理論上便是DNA分子的雙螺旋的結(jié)構(gòu)模型。 法國著名分子生物學(xué)