生物化學發(fā)展史

1、生物化學發(fā)展史化學在生命科學中的地位: 二十世紀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。 上世紀的后二十年神經和人類基因組計劃發(fā)展很快。 在這一段歷史時期內，一個又一個醫(yī)學學科走馬燈似地變換著主導地位，而研究和教學則是在不斷增多的相互獨立的學科里進行著。 六十年前，醫(yī)學院還只有解剖學系、細菌學系、生理學系、生物化學系和藥學系。而且系與系之間比較疏遠，沒有聯(lián)系。那個時候，遺傳學系和神經生物學系在醫(yī)學院里尚未問世。 路易.巴斯德，這個上世紀醫(yī)學科學的巨匠和微生物學家是化學出身的。 今日的基因

2、工程把生物化學、遺傳學、微生物學和生理學集為一體。這一新興的基因化學的價值是如此巨大，實在無愧為人們賦于它的“革命性進步”的稱號。 現代基礎醫(yī)學各學科的匯集與聯(lián)系之所以緊密，最主要是因為它們具有共同的語言，即化學語言。這些學科中最具有描述性的解剖學和最抽象的遺傳學，現在都滲透了許許多多的化學理論和技術。 現在的解剖學是一幅包括了中等大小的分子、大分子的聚集體直至細胞器和組織的漸進圖。正是這些大大小小的分子組成了有功能的生物體。 遺傳學的變化甚至更大。當遺傳現象是否由已知的物理學原理操縱的這一命題作為正經的問題提出來時，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表達法來了解和研究基因

3、、遺傳現象和進化問題。 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。一旦對染色體的結構與功能有了更深刻的認識，由此產生的對醫(yī)學和工業(yè)的影響將會遠遠超過我們從現在用的基因方法大量生產稀有的激素、疫苗、干擾素和酶的成功所能得到的經濟和社會效益。 生物學家固然知道是酶決定了細胞的形狀、功能和命運，但他們對酶的重要性和化學復雜性望而卻步，因而對生物化學也盡量繞道而行。這是指六十年前。 “最好通過化學來生活”，這是杜邦(Du Pont)公司在持續(xù)數年的廣告戰(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)學科學的匯集最早是由于路易.巴斯德的天才而嶄露頭角的。 巴斯德是一個化學家，他年青時闡明了具有相同化學結構的酒石酸由于其物理結構上的不同而分為兩種分子，即鏡象對映異構體。 巴斯德創(chuàng)立的“疾病的菌源說”帶有他化學基礎和思想方法的烙印。他力圖把疾病問題簡化為基本的成分。他的實驗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)立的微生物學和免疫學是由化學中脫胎而來的。實際上，在1911版的大英百科全書上刊載的有關巴斯德生平的權威傳記將他稱為法國化學家，并譽為是公認的當時化學運動的最偉大的領導者。 在巴斯德的科學生涯中有一個嚴重的瑕疵： 他闡明了是酵母細胞

5、導致了酒精發(fā)酵，即蔗糖在厭氧條件下轉變?yōu)橐掖己投趸?。之后，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論：除活細胞之外，其它一切東西都不可能進行這一極為復雜的化學反應。正是由于巴斯德的自信心、說服力和影響力，使進一步研究無細胞系統(tǒng)的乙醇發(fā)酵的努力被大大地潑了冷水。從此生機論變得根深蒂固，使現代生物化學的出現被延遲了三十年之久。 直至本世紀初，慕尼黑的愛德華.布希納(Eduavd Buchner)才于無意之間發(fā)現了破碎的酵母細胞的發(fā)酵現象。本來他是用糖來保護酵母抽提液不至發(fā)生重復免疫反應，不料卻發(fā)現了令人討厭的發(fā)泡現象。進一步的研究使他闡明了糖被酵母液裂解所分

6、解的產物-乙醇和二氧化碳。 巴斯德的運氣不佳，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量的這種酶保存著活力。 生物化學并不是象有人想象的那樣由有機化學衍生而來。盡管糖和氨基酸等底物與酶反應的產物都是通過有機化學的方法制備和鑒定的。確切地說，生物化學是從農學院和醫(yī)學院的生理系和營養(yǎng)系脫胎而出的。借助于生物化學，人們可以如愿明白許多細胞功能的化學基因，例如發(fā)酵、光合作用、肌肉收縮、消化和視覺等?；蚬こ痰钠鹪?基因化學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為是分子生

7、物學的成就和領地。就算如此，那么什么是分子生物學？它的起源又是什么呢？如果把討論的焦點集中在DNA的分子生物學，這里我可以列舉幾個不同的來源： 第一個起源來自醫(yī)學。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。微生物學家，其中有些是叛逃的物理學家，選擇噬菌體（細菌病毒）作為研究對象，闡明了主要生物大分子DAN、RNA和蛋白質的功能。 第三個起源來自生物分子的細微結構化學。蛋白質的X光衍射圖譜提示了其三維空間結構。DNA的衍射圖譜使我們了解了它的螺旋結構和它的復制與功能。 第四個起源來自

8、生物化學，即核酸的酶學、分析和合成。核酸酶將DNA攔腰斬為基因并分解成組成構件。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可行。這些酶在細胞內是用來催化基因和染色體的復制、修復和重排反應。 因而歸根到底，現代分子生物學的成就仍屬化學。大多數的分子生物學家操作著這種特殊形式的化學而沒有認識到它就是化學。 但是，盡管已有了非同小可的業(yè)績，分子生物學在回答一些細胞功能和發(fā)育等深刻的問題時仍然是張口結舌的。比如是什么控制了基因的重排以產生抗體？是什么決定了一個原始細胞發(fā)育成腦或骨？是什么構成了細胞生長和衰老的基礎？一旦忽略了DNA藍圖

9、的產物的化學，即忽略了代表細胞的機關和構架的酶與蛋白質的化學時，當今的分子生物學研究就開始蹣跚（pan shan）不前了。 對腦的化學元素，無論是動物的還是人的， 正常的還是有病的腦的化學元素的研究應給予足夠的重視。 總之，化學語言是連接物理學與生物學、天文學與地學、醫(yī)學與農學的紐帶?；瘜W語言極為豐富多彩，它能產生出最美的圖畫。我們應該傳授和運用化學評議。這就是我們眼前的、未來的基因，也是本世紀生物、醫(yī)學繁榮昌盛的基石。生命的化學觀 吳憲教授(1893-1959)是我國杰出的生物化學家和營養(yǎng)學家，在國際上負有盛名。他在臨床生物化學，特別是血液分析、氣體與電解質的平衡、蛋白質的生物化學，特別是蛋

10、白質的變性理論、免疫化學、氨基酸的代謝和營養(yǎng)學諸領域的研究工作，都是當時的先驅。 物質結構繁簡的等級 物質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合而成為有形態(tài)的物質單位，其形態(tài)常可用顯微鏡觀察。這就是生物學家所說的細胞。細胞種類之多，不可以數計。細胞的繁雜程度稱為第四級。（5）細胞聯(lián)合而成為多細胞物體，或為植物或為動物。其最繁雜者莫過于人體。多細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，其結構的繁雜程度可以相差很大，因而其現象（性質）也就相差很多。所以說，物質繁雜程度的級別越高，其結構的穩(wěn)定性越低，其現象（性質）也就越多、越繁雜。 結構與性質 物質的結構和性質，是一個物質的兩個方面，知道它的結構，就可能了解它的性質。誠然，有時了解它的性質，并不一定知道它的結構。但是，在了解它的性質以前，必須先有結構的知識。對于人體的總結構，解剖學家、醫(yī)學家已知道得很清楚。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膜上聚集的等，都是因為知道了這些器官的結構

12、。 物質的結構和性質，是一個物質的兩個方面，知道它的結構，就可能了解它的性質。誠然，有時了解它的性質，并不一定知道它的結構。但是，在了解它的性質以前，必須先有結構的知識。對于人體的總結構，解剖學家、醫(yī)學家已知道得很清楚。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膜上聚集的等，都是因為知道了這些器官的結構。我們可以把腎比作濾器，把肺比作氣包，因為我們在顯微鏡下已看到它們的組織結構。但是，神經怎樣傳導我們還無法理解，因為我們對于細胞的內部結構實際上還一無所知。等到對于活細胞結構的細節(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動一樣容易。 先有核

13、酸，還是先有蛋白質？ 在生物界，對于生命的起源曾有三種意見，即： （1）最初的細胞是在沒有核酸和遺傳體系的條件下進行活動的，而核酸和遺傳體系則是以后獲得的； （2）核酸為最先發(fā)生，它為蛋白質的進化提供信息； （3）核酸和蛋白質兩者須結合在一起才能形成一個活細胞的最初真正前體。 目前，大多數學者都傾向于第二種意見，即先有RNA，再有蛋白質。但仍有爭議。生物化學中的物理化學 當今生化已從闡明生物化學的結構性質進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進行一系列嚴格有序和特定方向的化學反應；反應前后能量如何變化；有哪些因素影響著這些生物分子間的反應；酶促

14、反應的機理和生物分子的結構功能關系如何等，這就使得物理化學越來越顯示出它在生化中的重要地位。 物理化學主要從理論上探討物質結構與其性能間的關系，化學反應的可能性、反應速度和反應限度，反應機理以及反應過程中的能量變化關系等，是整個化學學科的理論基礎。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規(guī)律的，也即這一套基本化學定律也支配著各種類型的生物分子的性質、機能和相互作用。 （1）生物化學中的化學熱力學 （2）生物化學中的化學動力學 （3）生物化學中的電化學 總之，物理化學的各分支的理論可以闡明生化中許多問題，物理化學的研究方法在生化中具有十分重要應用。生物分子的反應服從于非生命界的化

15、學定律，物理化學與生化間聯(lián)系密切，可以預見，物理化學中的各種理論、研究方法在生化中將日益受到廣泛應用，而生化的發(fā)展也必將進一步豐富物理化學的內容。生物化學與司法鑒定 受傷與死亡現象中的生化 ： 1.死亡時間的推測：在兇殺的刑事案件中，可根據尸體中一些生化物質的變化來推測尸體經過的死亡時間，如發(fā)育7小時內肝中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。如果能在人體上也達到同樣的精確度，在當今生活節(jié)奏快速的社會里也能相當正確地判斷無誤了。 2.暴力死亡

16、中的生化： （1）經過搏斗后機械性死亡的心肌中丁二酸脫氫酶和細胞色素氧化酶的活性有及糖原的含量會明顯升高，要經過20小時之后才會明顯下降。 （2）機械性窒息(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，使在口鼻之間形成蕈（xun）狀泡沫，短時間內并不消失，此為何物尚無報道。 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場中找到精子，或是污漬中有酸性磷酸酯酶活力，即使進行絕育手術的罪犯也

17、能發(fā)現這種酶活力。 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離子外，還含有維生素B2和B6化合物和氨基酸、蛋白質類化合物。利用激光照射在維生素B2和B6上產生熒光的特性，用彩卷拍攝激光照相來攝取指紋。 2. 血跡現場顯示：國外用Luminol噴霧于現場，而后在黑暗中去尋找發(fā)光的斑點，此斑點常常是血跡，即使將現場進行一般性的打掃，也不能排除用此法可找出血跡。生物化學與美學 門捷列夫周期律揭示了自然界化學元素之間的本質聯(lián)系。周期律在形式上和內容

18、上極其對稱、協(xié)調，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。這種美感實際上就是科學美(主要指理論美，它是自然美在科學理論上的表現)的一種顯現。 從分子水平看人體，象蛋白質、核酸等生物大分子的分子結構與其功能相互默契、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前提。例如，血紅蛋白的四個亞基和四個亞鐵血紅素分子構成的的四聚體是血紅蛋白結合或放出氧分子的精巧結構，反映在理論上便是蛋白質結構與功能統(tǒng)一的學說；酶對底物催化作用的特異性及酶與底物分子之間的誘導契合，反映在理論上便是酶作用的誘導契合學說；DNA分子的兩條多核苷酸鏈相互盤繞而成的結構，反映在理論上便是DNA分子的雙螺旋的結構模型。 法國著名分子生物學