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搞微生物科研离不开的生物化学
2018-11-12    来源:整理于网络

运用化学的理论和方法研究生命物质的边缘学科。其任务主要是了解生物的化学组成、结构及生命过程中各种化学变化。从早期对生物总体组成的研究,进展到对各种组织和细胞成分的精确分析。目前正在运用诸如光谱分析、同位素标记、X射线衍射、电子显微镜以及其他物理学、化学技术,对重要的生物大分子(如蛋白质、核酸等)进行分析,以期说明这些生物大分子的多种多样的功能与它们特定的结构关系。

定义

化学的分支学科。它是研究生命物质的化学组成、结构及生命活动过程中各种化学变化的基础生命科学。

生物化学(biochemistry)这一名词的出现大约在19世纪末、20世纪初,但它的起源可追溯得更远,其早期的历史是生理学和化学的早期历史的一部分。例如18世纪80年代,A.-L.拉瓦锡证明呼吸与燃烧一样是氧化作用,几乎同时科学家又发现光合作用本质上是植物呼吸的逆过程。又如1828年F.沃勒首次在实验室中合成了一种有机物──尿素,打破了有机物只能靠生物产生的观点,给“生机论”以重大打击。1860年L.巴斯德证明发酵是由微生物引起的,但他认为必需有活的酵母才能引起发酵。1897年毕希纳兄弟发现酵母的无细胞抽提液可进行发酵,证明没有活细胞也可进发这样复杂的生命活动,终于推翻了“生机论”。


物质组成

生物体是由一定的物质成分按严格的规律和方式组织而成的。人体约含水55-67%,蛋白质15~18%,脂类 10~15%,无机盐3~4% 及糖类1~2%等。从这个分析来看,人体的组成除水及无机盐之外,主要就是蛋白质、脂类及糖类三类有机物质。其实,除此三大类之外,还有核酸及多种有生物学活性的小分子化合物,如维生素、激素、氨基酸及其衍生物、肽、核苷酸等。若从分子种类来看,那就更复杂了。以蛋白质为例,人体内的蛋白质分子,据估计不下100000种。这些蛋白质分子中,极少与其它生物体内的相同。每一类生物都各有其一套特有的蛋白质,它们都是些大而复杂的分子。其它大而复杂的分子,还有核酸、糖类、脂类等;它们的分子种类虽然不如蛋白质多,但也是相当可观的。这些大而复杂的分子称为“生物分子”。生物体不仅由各种生物分子组成,也由各种各样有生物学活性的小分子所组成,足见生物体在组成上的多样性和复杂性。

大而复杂的生物分子在体内也可降解到非常简单的程度。当生物分子被水解时,即可发现构成它们的基本单位,如蛋白质中的氨基酸,核酸中的核苷酸,脂类中脂肪酸及糖类中的单糖等。这些小而简单的分子可以看作生物分子的构件,或称作“构件分子”。它们的种类为数不多,在每一种生物体内基本上都是一样的。实际上,生物体内的生物分子仅仅是由不多几种构件分子借共价键连接而成的。由于组成一个生物分子的构件分子的数目多,它的分子就大;因为构件分子不只一种,而且其排列顺序又可以是各种各样,由此而形成的生物分子的结构,当然就复杂。不仅如此,某些生物分子在不同情况下,还会具有不同的立体结构。生物分子的种类是非常多的。自然界约一百三十余万种生物体中,据估计总大约有种蛋白质及种核酸;它们都是由一些构件分子所组成。构件分子在生物体内的新陈代谢中,按一定的组织规律,互相连接,依次逐步形成生物分子、亚细胞结构、细胞组织或器官,最后在神经及体液的沟通和联系下,形成一个有生命的整体。


物质代谢

生物体内有许多化学反应,按一定规律,继续不断地进行着。如果其中一个反应进行过多或过少,都将表现为异常,甚至疾病。病毒除外,病毒在自然环境下无生命反应。生物体内参加各种化学反应的分子和离子,不仅有生物分子,而更多和更主要的还是小的分子及离子。有人认为,没有小分子及离子的参加,不能移动或移动不便的生物分子便不能产生各种生命攸关的生物化学反应。没有二磷酸腺苷(ADP)及三磷酸腺苷(ATP)这样的小分子作为能量接受、储备、转运及供应的媒介,则体内分解代谢放出的能,将会散发为热而被浪费掉,以致一切生理活动及合成代谢无法进行。再者,如果没有、、、等离子的存在,体内许多化学反应也不会发生,凭借各种化反应,生物体才能将环境中的物质(营养素)及能量加以转变、吸收和利用。营养素进人体内后,总是与体内原有的混合起来,参加化学反应。在合成反应中,作为原料,使体内的各种结构能够生长、发育、修补、替换及繁殖。在分解反应中,主要作为能源物质,经生物氧化作用,放出能量,供生命活动的需要,同时产生废物,经由各排泄途径排出体外,交回环境,这就是生物体与其外环境的物质交换过程,一般称为物质代谢或新陈代谢。据估计一个人在其一生中(按60岁计算),通过物质代谢与其体外环境交换的物质约相当于60000kg水,10000kg糖类,1600kg蛋白及1000kg脂类。

物质代谢的调节控制是生物体维持生命的一个重要方面。物质代谢中绝大部分化学反应是在细胞内由酶促成,而且具有高度自动调节控制能力。这是生物的重要特点之一。一个小小的活细胞内,几近两千种酶,在同一时间内,催化各种不同代谢中各自特有的化学反应。这些化学反应互不妨碍,互不干扰,各自有条不紊地以惊人的速度进行着,而且还互相配合。结果,不论是合成代谢还是分解代谢,总是同时进行到恰到好处。以蛋白质为例,用人工合成,即使有众多高深造诣的化学家,在设备完善的实验室里,也需要数月以至数年,或能合成一种蛋白质。然而在一个活细胞里,在37℃及近于中性的环境中,一个蛋白质分子只需几秒钟,即能合成,而且有成百上千个不相同的蛋白质分子,几乎像在同一个反应瓶中那样,同时在进行合成,而且合成的速度和量,都正好合乎生物体的需要。这表明,生物体内的物质代谢必定有尽善尽美的安排和一个调节控制系统。根据现有的知识,酶的严格特异性、多酶体系及酶分布的区域化等的存在,可能是各种不同代谢能同时在一个细胞内有秩序地进行的一个解释。在调节控制方面,动物体内,除神经体液发挥着重要作用之外,作用物的供应及输送、产物的需要及反馈抑制,基因对酶的合成的调控,酶活性受酶结构的改变及辅助因子的丰富与缺乏的影响等因素,亦不可忽视。


结构与功能

组成生物体的每一部分都具有其特殊的生理功能.从生物化学的角度,则必须深入探讨细胞、亚细胞结构及生物分子的功能。功能来自结构。欲知细胞的功能,必先了解其亚细胞结构;同理,要知道一种亚细胞结构的功能,也必先弄清构成它的生物分子。关于生物分子的结构与其功能有密切关系的知识,已略有所知。例如,细胞内许多有生物催化剂作用的蛋白质——酶;它们的催化活性与其分子的活性中心的结构有着密切关系,同时,其特异性与其作用物的结构密切相关;而一种变构酶的活性,在某种情况下,还与其所催化的代谢途径的终末产物的结构有关。又如,胞核中脱氧核糖核酸的结构与其在遗传中的作用息息相关;简而言之,DNA中核苷酸排列顺序的不同,表现为遗传中的不同信息,实际是不同的基因。分子生物学。

在生物化学中,有关结构与功能关系的研究,才仅仅开始;尚待大力研究的问题很多,其中重大的,有亚细胞结构中生物分子间的结合,同类细胞的相互识别、细胞的接触抑制、细胞间的粘合、抗原性、抗原与抗体的作用、激素、神经介质及药物等的受体等。


繁殖与遗传

生物体有别于无生物的另一突出特点是具有繁殖能力及遗传特性。一切生物体都能自身复制;复制品与原样几无差别,且能代代相传,这就是生物体的遗传特性。遗传的特点是忠实性和稳定性,三十多年前,对遗传的了解,还不够深入。基因还只是一个神秘莫测的术语。随着生物化学的发展,已经证实,基因只不过是DNA分子中核苷酸残基的种种排列顺序而已。DNA分子的结构已不难测得,遗传信息也可以知晓,传递遗传信息过程中的各种核糖核酸也已基本弄清,不但能在分子水平上研究遗传,而且还有可能改变遗传,从而派生出遗传工程学。如果能将所需要的基因提出或合成,再将其转移到适当的生物体内去,以改变遗传、控制遗传,这不但能解除人们一些疾患,而且还可以改良动、植物的品种,甚至还可能使一些生物,尤其是微生物,更好为人类服务,可以预见在不远的将来,这一发展将为人类的幸福作出巨大的贡献。


分类

生物化学若以不同的生物为对象,可分为动物生 化、植物生化、微生物生化、昆虫生化等。若以生物体的不同组织或过程为研究对象,则可分为肌肉生化、神经生化、免疫生化、生物力能学等。因研究的物质不同,又可分为蛋白质化学、核酸化学、酶学等分支。研究各种天然物质的化学称为生物有机化学。研究各种无机物的生物功能的学科则称为生物无机化学或无机生物化学。60年代以来,生物化学与其他学科融合产生了一些边缘学科如生化药理学、古生物化学、化学生态学等;或按应用领域不同,分为医学生化、农业生化、工业生化、营养生化等。

 


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