生物化学是什么？关于生物化学的科普介绍0

创闻用户 2022-07-27 14:21:42

生物化学是生物学和化学的一个分支学科，可分为三个领域：分子遗传学、蛋白质科学和生物代谢。在20世纪的最后几十年里，生物化学通过这三个学科成功地解释了生命过程。几乎生命科学的所有领域都通过生物化学方法和研究来发现和发展。生物化学侧重于理解生物分子如何引起活细胞内和细胞间的生命过程，这反过来又与组织、器官和生物体结构和功能的研究和理解密切相关。

许多生物化学研究生物大分子的结构、功能和相互作用，如蛋白质、核酸、碳水化合物和脂质，它们提供细胞结构并执行许多与生命相关的功能。细胞的化学也取决于小分子和离子的反应。它们可以是无机的，例如水和金属离子，也可以是有机的，例如用于合成蛋白质的氨基酸。细胞通过化学反应利用环境能量的机制被称为新陈代谢。生物化学的发现主要应用于医学、营养学和农业。在医学中，生物化学家研究疾病的原因和治疗方法。在营养方面，他们研究如何保持健康，并研究营养缺乏的影响。在农业方面，生物化学家调查土壤和肥料，并试图发现改善作物种植、作物储藏和害虫控制的方法

历史

从最广泛的定义来看，生物化学可以被看作是对生物的成分和组成以及它们如何结合在一起成为生命的研究，在这个意义上，生物化学的历史可以追溯到古希腊。然而，生物化学作为一门特殊的科学学科，其起源于19世纪或更早，这取决于生物化学的哪一个方面受到关注。一些人认为，生物化学的开始可能是1833年[安塞尔姆·帕延发现了第一种酶——淀粉酶(今天称为淀粉酶)，而另一些人则认为爱德华·比希纳在1897年首次证明了无细胞提取物酒精发酵的复杂生物化学过程是生物化学的诞生。有些人可能还会把它作为尤斯图斯·冯·李比希1842年颇具影响力的著作《动物化学》或《有机化学在生理学和病理学中的应用》的开端，该著作提出了代谢的化学理论，甚至更早到了18世纪安托万·拉瓦锡对发酵和呼吸的研究。该领域许多其他帮助揭示生物化学复杂性的先驱被宣布为现代生物化学的创始人，例如埃米尔·费希尔在蛋白质化学方面的工作，和高兰·霍普金斯在酶和生物化学的动态性质方面的工作。

术语“生物化学”本身来源于生物学和化学的结合。1877年，费利克斯·霍佩塞勒在《生理学化学杂志》第一期的前言中使用了这个术语(德语中的生物化学)作为生理化学的同义词，他在前言中主张建立专门研究该领域的机构。然而，德国化学家卡尔·纽伯格经常被认为是在1903年创造了这个词，而有些人把它归功于弗朗兹·霍夫梅斯特。

人们一度普遍认为，生命及其物质有一些本质属性或物质(通常被称为“生命原理”)，不同于非生物物质中的任何物质，人们认为只有生物才能产生生命分子。然后，在1828年，弗里德里希·维勒发表了一篇关于尿素合成的论文，证明有机化合物可以人工合成。从那时起，生物化学取得了进展，特别是自20世纪中期以来，发展了新技术，如色谱法、x光衍射、双偏振干涉测量法、核磁共振光谱、放射性同位素标记、电子显微镜和分子动力学模拟。这些技术允许发现和详细分析细胞的许多分子和代谢途径，如糖酵解和Krebs循环(柠檬酸循环)，并导致在分子水平上对生物化学的理解。菲利普·兰德尔因其在糖尿病研究中的发现而闻名，该发现可能是1963年的葡萄糖-脂肪酸循环。他证实脂肪酸能减少肌肉对糖的氧化。高脂肪氧化是胰岛素抵抗的原因。

生物化学中另一个重要的历史事件是基因的发现，以及它在细胞信息传递中的作用。生物化学的这一部分通常被称为基因的分子生物学。 20世纪50年代，詹姆斯·沃森、弗朗西斯·克里克、罗莎琳德·富兰克林和莫里斯·威尔金斯在解决脱氧核糖核酸结构并提出其与信息遗传转移的关系方面发挥了重要作用。 1958年，乔治·比德尔和爱德华·塔特姆因在真菌领域的工作获得诺贝尔奖，这项工作表明一个基因产生一种酶。 1988年，Colin Pitchfork是第一个用脱氧核糖核酸证据判定谋杀罪的人，这推动了法医学的发展。最近，Andrew Z. Fire和Craig C. Mello因发现核糖核酸干扰在基因表达沉默中的作用而获得2006年诺贝尔奖。

原材料：生命的化学元素

92种天然存在的化学元素中，大约有24种是各种生物生命所必需的。地球上大多数稀有元素不是生命所需要的(硒和碘除外)，而一些普通元素(铝和钛)则不被使用。大多数生物体都有元素需求，但植物和动物之间有一些差异。例如，海藻使用溴，但是陆地植物和动物似乎不需要溴。所有动物都需要钠，但有些植物不需要。植物需要硼和硅，但动物可能不需要(或者可能需要极少量)。

只有六种元素——碳、氢、氮、氧、钙和磷——构成了包括人体细胞在内的几乎99%的活细胞(完整的列表见人体成分)。除了构成人体大部分的六种主要元素之外，人类还需要更少的18种元素。

生物分子

生物化学中的四大类分子(通常称为生物分子)是碳水化合物、脂类、蛋白质和核酸。许多生物分子都是聚合物：在这个术语中，单体是相对较小的小分子，它们连接在一起形成被称为聚合物的大分子。当单体连接在一起合成生物聚合物时，它们会经历一个叫做脱水缩合的过程。不同的大分子可以组装成更大的复合体，这通常是生物活动所需要的。

碳水化合物

碳水化合物的两个主要功能是能量储存和提供结构。糖是碳水化合物，但并非所有碳水化合物都是糖。地球上的碳水化合物比任何其他已知类型的生物分子都多；它们被用来储存能量和遗传信息，并在细胞间的相互作用和交流中发挥重要作用。

最简单的碳水化合物是单糖，除其他性质外，它还含有碳、氢和氧，比例大多为1：2：1(通式CnH2nOn，其中n至少为3)。葡萄糖(C₆H₁₂O₆)是最重要的碳水化合物之一；其他包括果糖(C₆H₁₂O₆)，这种糖通常与水果的甜味有关，和脱氧核糖(C₅H₁₀O₄)，脱氧核糖是脱氧核糖核酸的一种成分。单糖可以在无环(开链)形式和环状形式之间转换。开链形式可以转变成由一端羰基和另一端羟基形成的氧原子桥接的碳原子环。环状分子具有半缩醛或半缩酮基团，这取决于线性形式是醛糖还是酮糖。

在这些环状形式中，环通常有5或6个原子。这些形式分别称为呋喃糖和吡喃糖——与呋喃和吡喃相似，呋喃和吡喃是具有相同碳氧环的最简单化合物(尽管它们缺少这两种分子的碳碳双键)。例如，己醛糖葡萄糖可以在碳1上的羟基和碳4上的氧之间形成半缩醛键，产生具有5元环的分子，称为呋喃葡萄糖。碳1和碳5之间也可以发生同样的反应，形成一个具有6元环的分子，称为吡喃葡萄糖。带有7原子环状形式的庚糖很少见。

两个单糖可以通过糖苷键或醚键结合成二糖，通过脱水反应释放一个水分子。二糖的糖苷键断裂成两个单糖的逆反应称为水解。最著名的二糖是蔗糖或普通糖，由葡萄糖分子和果糖分子连接在一起组成。另一种重要的二糖是牛奶中的乳糖，由葡萄糖分子和半乳糖分子组成。乳糖可能被乳糖酶水解，这种酶的缺乏会导致乳糖不耐受。

当几个(大约三到六个)单糖结合在一起时，它被称为寡糖（寡的意思是“很少”）。这些分子往往被用作标记和信号，还有一些其他用途。许多单糖结合在一起形成多糖。它们可以连接在一起形成一条线性长链，也可以是支链的。两种最常见的多糖是纤维素和糖原，它们都由重复的葡萄糖单体组成。纤维素是植物细胞壁的重要结构成分，糖原被用作动物的能量储存形式。

糖的特征在于具有还原性或非还原性末端。碳水化合物的还原端是可以与开链醛(醛糖)或酮形式(酮糖)平衡的碳原子。如果单体的连接发生在这样一个碳原子上，吡喃糖或呋喃糖形式的游离羟基与另一种糖的羟基侧链交换，生成完整的缩醛。这防止了链向醛或酮形式的打开，并使改性的残基不还原。乳糖在其葡萄糖部分含有还原端，而半乳糖部分与葡萄糖的C4羟基形成完整的缩醛。由于葡萄糖的醛碳（C1）和果糖的酮碳（C2）之间完全形成缩醛，因而蔗糖没有还原性末端。

脂质

脂质包含多种分子，在某种程度上是生物来源的相对水不溶性或非极性化合物的集合体，包括蜡、脂肪酸、脂肪酸衍生磷脂、鞘脂、糖脂和萜类化合物(例如类视黄醇和类固醇)。一些脂质是直链、开链的脂肪分子，而另一些具有环状结构。有些是芳香族的(带有环状[环)和平面[平坦的结构，而另一些不是。有些是柔性的，而有些是刚性的。

脂质通常由一个甘油分子和其他分子结合而成。甘油三酯是体脂的主要组成部分，其中有一个甘油分子和三个脂肪酸。脂肪酸在这种情况下被认为是单体，可以是饱和的(碳链中没有双键)或不饱和的(碳链中有一个或多个双键)。

大多数脂质除了大部分是非极性外，还具有一些极性特征。一般来说，它们的大部分结构是非极性或疏水性的(“怕水”)，这意味着它不能与极性溶剂如水很好地相互作用。它们结构的另一部分是极性或亲水性的(“亲水性”)，并且倾向于与极性溶剂如水结合。这使它们成为两亲分子(既有疏水部分又有亲水部分)。就胆固醇而言，极性基团仅仅是羟基或醇。在磷脂的情况下，极性基团相当大且极性更强，如下所述。

脂类是我们日常饮食的不可或缺的一部分。我们用来烹饪和食用的大多数油和奶制品，如黄油、奶酪、酥油等，由脂肪组成。植物油富含各种多不饱和脂肪酸(PUFA)。含脂食物在体内消化，分解成脂肪酸和甘油，它们是脂肪和脂质的最终降解产物。脂质，尤其是磷脂，也用于各种药物产品中，或者作为共增溶剂(例如，在肠胃外输注中)，或者作为药物载体组分(例如，在脂质体或转运体中)。

蛋白质

蛋白质是非常大的分子——宏观生物聚合物——由称为氨基酸的单体制成。氨基酸由一个连在氨基上的碳原子，–NH2，一个羧酸基团，–COOH(尽管在生理条件下它们以–NH3+和–COO的形式存在)、一个简单的氢原子和一个通常称为“-R”的侧链组成。每个氨基酸的侧链“R”是不同的，其中有20个标准氨基酸。正是这个“R”基团使每个氨基酸不同，侧链的性质极大地影响了蛋白质的整体三维构象。一些氨基酸自身或以修饰形式具有功能；例如，谷氨酸盐作为一种重要的神经递质发挥作用。氨基酸可以通过肽键连接。在这种脱水合成中，水分子被除去，肽键将一个氨基酸的氨基氮与另一个氨基酸的羧基碳连接起来。生成的分子称为二肽，短链氨基酸(通常少于三十个)称为肽或多肽。更长的延伸才能成为蛋白质。例如，重要的血清蛋白白蛋白含有585个氨基酸残基。

蛋白质可以具有结构和/或功能作用。例如，肌动蛋白和肌球蛋白的运动是骨骼肌收缩的原因。许多蛋白质的一个特性是它们特异性地结合到某个分子或某类分子上——它们在结合过程中可能具有极强的选择性。抗体是附着在一种特定分子上的蛋白质的一个例子。抗体由重链和轻链组成。两条重链通过氨基酸之间的二硫键与两条轻链相连。抗体通过基于N末端结构域差异的变异而具有特异性。

事实上，使用抗体的酶联免疫吸附试验是现代医学用来检测各种生物分子的最敏感的试验之一。然而，也许最重要的蛋白质是酶。事实上，活细胞中的每一个反应都需要一种酶来降低反应的活化能。这些识别特异性反应物分子的分子被称为底物；然后他们催化他们之间的反应。通过降低活化能，酶以10或更高的速率加速反应；一个通常需要3000多年才能自发完成的反应，用酶可能不到一秒钟。这种酶本身在这个过程中不会耗尽，并且可以自由地用一组新的底物催化同样的反应。使用各种修饰剂，可以调节酶的活性，从而控制整个细胞的生物化学。

蛋白质的结构传统上被描述为四个层次。蛋白质的一级结构由它的线性氨基酸序列组成；例如，“丙氨酸-甘氨酸-色氨酸-丝氨酸-谷氨酸-天冬酰胺-甘氨酸-赖氨酸-…”。二级结构与局部形态学有关(形态学是对结构的研究)。一些氨基酸的组合倾向于卷曲成称为α-螺旋的线圈或称为β-折叠的折叠；在上面的血红蛋白示意图中可以看到一些α螺旋。三级结构是蛋白质的整个三维形状。这种形状是由氨基酸序列决定的。事实上，一个简单的改变就能改变整个结构。血红蛋白的α链含有146个氨基酸残基；用缬氨酸残基取代6位谷氨酸残基会极大地改变血红蛋白的行为，从而导致镰状细胞病。最后，四元结构与具有多个肽亚单位的蛋白质的结构有关，如血红蛋白及其四个亚单位。并非所有蛋白质都有一个以上的亚单位。

摄入的蛋白质通常在小肠中被分解成单个氨基酸或二肽，然后被吸收。然后它们可以结合起来合成新的蛋白质。糖酵解、柠檬酸循环和戊糖磷酸途径的中间产物可用于合成全部20种氨基酸，大多数细菌和植物拥有合成它们所需的所有酶。然而，人类和其他哺乳动物只能合成其中的一半。它们不能合成异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸和缬氨酸。这些是必需的氨基酸，因为摄取它们是必需的。哺乳动物确实拥有合成丙氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、半胱氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、甘氨酸、脯氨酸、丝氨酸和酪氨酸这些非必需氨基酸的酶。虽然它们可以合成精氨酸和组氨酸，但它们不能为正在生长中的幼畜生产足够量的精氨酸和组氨酸，因此它们通常被认为是必需氨基酸。

如果氨基酸中的氨基被去除，就会留下一个叫做α-酮酸的碳骨架。被称为转氨酶的酶可以很容易地将氨基从一个氨基酸(使其成为α-酮酸)转移到另一个α-酮酸(使其成为氨基酸)。这在氨基酸的生物合成中很重要，因为对于许多途径来说，来自其他生化途径的中间体被转化为α-酮酸骨架，然后通常通过转氨作用添加氨基。然后氨基酸可以连接在一起形成蛋白质。

类似的过程被用来分解蛋白质。它首先被水解成组成氨基酸。游离氨(NH3)作为铵离子(NH4+)存在于血液中，对生命形式具有毒性。因此，必须有一种合适的排泄方法。不同的动物进化出不同的策略，这取决于动物的需求。单细胞生物只是将氨释放到环境中。同样，硬骨鱼可以将氨释放到水中，并在水中迅速稀释。一般来说，哺乳动物通过尿素循环将氨转化为尿素。

为了确定两种蛋白质是否相关，或者换句话说，为了确定它们是否同源，科学家使用序列比较方法。序列比对和结构比对等方法是帮助科学家识别相关分子间同源性的有力工具。在蛋白质中寻找同源物的相关性不仅仅是形成蛋白质家族的进化模式。通过发现两个蛋白质序列有多相似，我们获得了关于它们的结构和功能的知识。

核酸

核酸，因其在细胞核中广泛存在而得名，是生物大分子家族的总称。它们是复杂的高分子量生化大分子，可以在所有活细胞和病毒中传递基因信息。单体被称为核苷酸，每个单体由三个组分组成：含氮杂环碱基(嘌呤或嘧啶)、戊糖和磷酸基团。

最常见的核酸是脱氧核糖核酸和核糖核酸。磷酸基团和每个核苷酸的糖相互结合形成核酸的骨架，而含氮碱基序列储存信息。最常见的含氮碱基是腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和尿嘧啶。核酸每条链的含氮碱基将与核酸互补链(类似拉链)中的某些其他含氮碱基形成氢键。腺嘌呤与胸腺嘧啶和尿嘧啶结合；胸腺嘧啶只与腺嘌呤结合；胞嘧啶和鸟嘌呤只能相互结合。

除了细胞的遗传物质之外，核酸经常扮演第二信使的角色，并形成三磷酸腺苷（ATP）的基础分子，三磷酸腺苷是在所有生物体内发现的主要能量载体分子。此外，两种核酸中可能的含氮碱基是不同的：腺嘌呤、胞嘧啶和鸟嘌呤都存在于核糖核酸和脱氧核糖核酸中，而胸腺嘧啶只存在于脱氧核糖核酸中，尿嘧啶存在于核糖核酸中。

代谢

碳水化合物作为能源

葡萄糖是大多数生命形式的能量来源。例如，多糖被酶分解成单体(糖原磷酸化酶从糖原中脱去葡萄糖残基)。像乳糖或蔗糖这样的二糖被分解成两个组成单糖。

糖酵解(无氧)

葡萄糖主要通过一个非常重要的十步途径代谢，称为糖酵解，其最终结果是将一个葡萄糖分子分解成两个丙酮酸分子。这也净产生了两分子三磷酸腺苷(细胞的能量货币)，以及两个将NAD+(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸：氧化形式)转化为NADH(烟酰胺腺嘌呤二核苷酸：还原形式)的还原当量。这不需要氧气；如果没有氧气(或者细胞不能使用氧气)，则通过将丙酮酸转化为乳酸盐(乳酸)(例如，在人体内)或乙醇和二氧化碳(例如，在酵母内)来恢复NAD。其他单糖如半乳糖和果糖可以转化为糖酵解途径的中间体。

有氧

像大多数人类细胞一样，在氧气充足的需氧细胞中，丙酮酸被进一步代谢。它不可逆地转化为乙酰辅酶a，释放出一个碳原子作为废物二氧化碳，产生另一个还原当量NADH。然后，这两个分子乙酰辅酶a(来自一个葡萄糖分子)进入柠檬酸循环，产生两个三磷酸腺苷分子、另外六个NADH分子和两个还原(ubi)醌(通过FADH2作为酶结合辅因子)，并释放剩余的碳原子作为二氧化碳。然后，产生的NADH和喹啉分子进入呼吸链的酶复合物中，呼吸链是一个电子传输系统，将电子最终转移到氧中，并在膜(真核生物的线粒体内膜)上以质子梯度的形式保存释放的能量。因此，氧被还原成水，原始电子受体NAD+和醌被再生。这就是为什么人类吸入氧气，呼出二氧化碳。在NADH和喹啉中从高能态转移电子释放的能量首先以质子梯度形式保存，并通过三磷酸腺苷合酶转化为三磷酸腺苷。这产生了额外的28个三磷酸腺苷分子（其中24个来自于8个NADH，4个来自于2个喹啉），每个降解的葡萄糖总共保守了32个三磷酸腺苷分子（两个来自糖酵解+两个来自柠檬酸循环）。很明显，使用氧气完全氧化葡萄糖给生物体提供的能量远远超过任何不依赖氧气的代谢特征，这被认为是复杂生命只有在地球大气层积累了大量氧气后才出现的原因。

糖异生

在脊椎动物中，剧烈收缩的骨骼肌(例如，在举重或短跑过程中)没有获得足够的氧气来满足能量需求，因此它们转向无氧代谢，将葡萄糖转化为乳酸盐。肝脏利用糖异生途径再生葡萄糖。这个过程与糖酵解并不完全相反，实际上需要三倍于糖酵解获得的能量(使用了六个三磷酸腺苷分子，而糖酵解获得了两个)。类似于上述反应，产生的葡萄糖可以在需要能量的组织中进行糖酵解，以糖原(或植物中的淀粉)的形式储存，或者转化成其他单糖或结合成二糖或寡糖。运动期间糖酵解、乳酸通过血流进入肝脏、随后糖异生和葡萄糖释放到血流中的联合途径称为Cori循环。

与其他“分子尺度”生物科学的关系

生物化学研究人员使用生物化学特有的技术，但是越来越多地将这些技术与遗传学、分子生物学和生物物理学领域发展起来的技术和思想结合起来。这些学科之间没有明确的界限。生物化学研究分子生物活性所需的化学，分子生物学研究它们的生物活性，遗传学研究它们的遗传，而遗传恰好是由它们的基因组携带的。如下面的示意图所示，该示意图描述了各领域之间关系的一个可能视图：

生物化学是对生物体内化学物质和生命过程的研究。生物化学家非常关注生物分子的作用、功能和结构背后的化学。生物化学的例子是生物过程背后的化学研究和生物活性分子的合成。生物化学研究产生分子生物学的化学，分子生物学研究分子的生物学。
遗传学是对生物遗传差异的影响的研究。这通常可以通过缺乏正常成分(例如一个基因)来推断。对“突变体”的研究——即相对于所谓的“野生型”或正常表型缺乏一种或多种功能成分的生物体。遗传相互作用(上位性)经常会混淆对这种“敲除”研究的简单解释。遗传学研究分子生物学研究的大分子生物学对子细胞或生物体的遗传。
分子生物学是对生物活动的分子基础的研究。它研究生物分子的结构、功能、加工、调节、相互作用和进化。它最著名的子领域分子遗传学研究细胞功能的复制、转录、翻译和遗传机制的过程。分子生物学的中心法则，即遗传物质被转录成核糖核酸，然后被翻译成蛋白质，尽管过于简单化，仍然为理解这个领域提供了一个很好的起点。这幅图已经根据RNA新出现的作用进行了修改。
“化学生物学”旨在开发基于小分子的新工具，在提供关于生物系统功能的详细信息的同时，使生物系统的扰动最小化。此外，化学生物学利用生物系统在生物分子和合成装置(例如，可以传递基因治疗或药物分子的空病毒衣壳)之间创造非天然的杂交体。