绪论
　　生物化学（biochemistry）是生命的科学，是研究生物体的化学组成和生命过程中的化学变化规律的一门科学，它主要应用化学原理和方法来探讨生命的奥秘和本质，着眼于解析组成生物体物质的分子结构和功能，维持生命活动的各种化学变化及其与生理功能的联系。分子生物学（molecular biology）是在分子水平上研究生命现象的科学，主要是以核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传信息传递和细胞信号转导过程中的作用为研究对象，通过研究生物大分子（核酸、蛋白质等）的结构、功能和生物合成等方面来阐明各种生命现象的本质，研究内容包括各种生命过程。因此，分子生物学与生物化学的密切关系是不言而喻的，从广义的角度来看，分子生物学是生物化学的重要组成部分。
　　生物化学研究的对象是所有的生命形式，包括动物、植物、昆虫、微生物等，人体是生物化学研究的重要对象。生物化学对医药学的发展起着重要的促进作用。生物化学在医药院校是一门重要的专业基础理论课。
　　第一节 生物化学与分子生物学发展简史
　　人类对生物体化学现象的研究，已有两百余年的历史。18世纪后期化学及19世纪生物学的迅猛发展，为生物化学的起源奠定了基础。20世纪初期生物化学这门新兴学科应运崛起，Carl Neuberg在1903年首次使用“生物化学”这个词。生物化学在20世纪突飞猛进，新技术、新方法不断涌现，已成为令人瞩目的新学科。
　　一、蛋白质是生命的主要基础物质
　　20世纪前半个世纪，科学家致力于揭示生命体的物质组成，物质的结构与功能，物质在体内的代谢过程及代谢多酶体系等重大问题。首先是EmilFisher于1902～1907年证明蛋白质是由L-α-氨基酸缩合成的多肽，组成蛋白质分子结构的这类氨基酸有20种。20世纪10～30年代发现了许多已知功能的蛋白质，特别是各类酶的发现。1926年James Batcheller Sumner第一次提纯和结晶出尿素酶，继而有学者获得胰蛋白酶、胃蛋白酶、黄酶、细胞色素c等，证明酶的化学本质是蛋白质。随后陆续发现生命的许多基本活动，如物质代谢、能量代谢、消化、呼吸、运动等都与酶和蛋白相联系，可以用提纯的酶或蛋白质在体外实验中重复出来。在此期间，生物学家已逐渐认识到，要了解细胞功能的方方面面，就必须从生物分子着手进行研究，要进入构成细胞的分子世界，这样才能揭示生命的本质，这在很大程度上消除了生命的神秘色彩。
　　1953年Frederick Sanger首次测定了牛胰岛素的一级结构，这是确定氨基酸序列的第一个蛋白质，包含2条肽链、51个氨基酸残基。Sanger的工作还开辟了较长多肽链顺序分析的新途径。随后有两个研究团队各自报道了垂体前叶分泌的一种激素——促肾上腺皮质激素的氨基酸序列，由含39个氨基酸残基的单一肽链组成。数年后Stanford Moore和William H.Stein完成了第一个酶蛋白核糖核酸酶的序列分析，这包含一条124个氨基酸残基的肽链，链内有四个二硫键。同时Christian Borhmer An.nsen对核糖核酸酶也独立地做了重要的研究，首次证明核糖核酸酶的氨基酸序列能决定天然酶分子的构象，而酶分子的天然构象对表达酶活性是必要的。由于结晶X线衍射分析技术的发展，在1950年Linus Pauling和Robert Corey提出了α-角蛋白的α-螺旋结构模型。所以在这一阶段对蛋白质一级结构和空间结构以及蛋白质在生命活动中的重要性都有了一些认识，也逐步确定了蛋白质是生命的主要基础物质的认识。
　　二、物质代谢通路图的描绘
　　自从Schoenheimer及Rittenberg开展同位素示踪技术（1935年）并以同位素标记代谢物进行示踪实验以后，作为营养素或能源物质的三大物质在细胞内代谢变化及能量转换的研究有了迅速发展。在获得丰富而翔实资料的基础上，已弄清各代谢物多酶反应体系和各代谢途径及其相互联系，构成了一幅较为完整的代谢通路图。这个图是由HansKrebs于1937年提出的，以三羧酸循环为核心，汇集葡萄糖、脂肪酸氧化分解产生的乙酰辅酶A和蛋白质的氨基酸分解产生的α-酮酸，经周而复始的循环使其彻底氧化生成CO2，并与氧化磷酸化联合使氢氧化生成H2O，同时产生高能磷酸化合物三磷酸腺苷。Eugene Kennedy和Albert Lehninger证实三羧酸循环、脂肪酸β-氧化和氧化磷酸化等代谢通路都是在线粒体内进行的。进一步研究发现，不同多酶体系（分解与合成）所构成的代谢通路是在亚细胞间隔离分布的，并认为这是代谢调节的一种方式。
　　三、生物遗传的物质基础是核酸
　虽然在19世纪70年代FriedriehMieseher首次从外科绷带的脓血中分离出“核素”（nuclein，核酸和蛋白质的复合物），但是在此后的半个多世纪中并未引起重视，相当一段时期总是把蛋白质和酶作为研究的重点，大多数学者主张蛋白质（包括酶）是携带遗传信息的分子，阻碍了人们对核酸是遗传物质的深入研究。美国科学家（俄裔）Phoebus Aaron Levene在20世纪之初就采用化学方法研究核酸，贡献颇多，他的研究成果是确认核酸中有两种戊糖，确认自然界有DNA和RNA两类核酸，阐明了核苷酸的组成及核苷酸之间以酯键连接等。但由于当时对核苷酸和碱基的定量分析不够精确，得出DNA中A、G、C、T含量是大致相等的结果，因而曾长期认为DNA结构只是“四核苷酸”为单位重复聚合成的大分子，不具有多样性，其可能载运的信息量是很有限的。20世纪40年代以后，实验结果使人们对核酸的功能和结构两方面的认识都有了长足的进步。1944年OswaldT.Avery等证明了肺炎球菌转化因子是DNA；1952年AlfredD.Hershey和Martha Chase分别用35S和32P分别标记T2噬菌体的外壳蛋白和核酸，让该噬菌体感染大肠杆菌，然后将被感染菌破碎并离心分离，检测放射性元素的种类与分布，得出了是DNA进入菌体而外壳蛋白则留于菌体外的结论，进一步证明了遗传物质是DNA而不是蛋白质。1948～1953年Chargaff运用紫外分光光度法结合纸层析技术对多种生物的DNA做碱基和核苷酸的定量分析，积累了大量数据，按照摩尔分数计算，提出了DNA分子碱基组成A=T、G=C、A+G=T+C（嘌呤核苷酸总数等于嘧啶核苷酸总数）的Chargaff法则，但A+T和G+C的比值在不同物种是不同的，且几乎没有等于1的情况，这才彻底否定了Levene的“四核苷酸假说”，为碱基配对的DNA结构认识打下了基础。生物学家James Watson利用已知的Chargaff法则及参考Wilkins和Franklin等拍得的DNAX线衍射图，与物理学家FrancisCrick合作终于创建了DNA双螺旋结构模型。Watson和Crick在1953年发表在Nature杂志上短短只有一页的论文，是生物化学发展进入分子生物学时期的重要标志。DNA双螺旋结构发现的重要意义在于确立了核酸作为信息分子的结构基础，提出了碱基配对是DNA复制，遗传信息传递的基本方式，从而最后确定了核酸是遗传的物质基础，为认识核酸与蛋白质的关系及其在生命活动中的作用打下了最重要的基础。
　　四、遗传信息传递中心法则的建立
　　在发现DNA双螺旋结构同时，Watson和Crick就提出DNA复制的可能模型。其后在1956年Arthur Kornberg首先发现DNA聚合酶，1958年Matthew Meselson和Franklin Stahl用15N标记和超速离心分离实验为DNA半保留复制提供了证据，1968年Reiji Okazaki（冈崎）提出DNA不连续复制模型，1992年证实了DNA复制开始需要RNA作为引物，20世纪70年代初发现DNA拓扑异构酶，并对真核DNA聚合酶特性做了分析研究，这些都逐步完善了DNA复制机制的认识。
　　在研究DNA复制将遗传信息传递给子代的同时，Jacob和Monod提出了在表达过程中有新RNA合成的假设，RNA在遗传信息传递到蛋白质过程中起着中介作用。1958年Weiss和Hurwitz等发现依赖DNA的RNA聚合酶，1961年Bernard Hall和Sol Spiegelman发现转录中有DNA-RNA杂合双链的存在，证实mRNA与DNA序列互补，于是，转录后解开的RNA分子就转录了DNA碱基序列信息，逐步阐明了RNA转录合成的机制。
　　RNA的序列信息又是如何与氨基酸结合成肽链的序列信息相对应？当时Crick提出两者之间有——“转接器”存在的设想，1957年Hoagland、Zamecnik及Stephenson等分离了tRNA，并对它们在合成蛋白质过程中转运氨基酸起转接器的功能提出了假设，1961年Brenner及Gross等观察到了在蛋白质合成过程中mRNA与核糖体的结合，1965年Holley首先测出了酵母丙氨酸tRNA的一级结构，特别是20世纪60年代，由于Marshall W.Nirenberg构思巧妙的实验设计，加之Har Gobind Khorana发明的RNA合成法，相继合成（UG）n、（GUA）n和（AGUC）n等大量聚合物进行密码解读，于较短的时间内破译了RNA上编码合成蛋白质的遗传密码，制成了三联体密码表。随后研究表明，这套遗传密码在生物界具有通用性，从而认识了蛋白质翻译合成的基本过程。至此，DNA-RNA碱基序列信息—肽链的氨基酸序列信息—蛋白质（或酶）的功能信息传递的中心法则理论体系得以确立，表现型（phenotype）从基因型（genotype）的表达实质上就是将DNA的核苷酸序列翻译成蛋白质的氨基酸序列。1970年Howard Martin Temin和David Baltimore又同时从鸡肉瘤病毒颗粒中发现依赖RNA合成DNA的逆转录酶，进一步补充和完善了遗传信息传递的中心法则。
　　五、基因工程技术的发展
　　分子生物学理论与技术的发展和积累使得基因工程技术的出现成为必然。1967年Weiss发现了T4DNA连接酶，1970年Hamilton O.Smith发现了限制性核酸内切酶，Temin发现了逆转录酶，从而为基因工程从理论走向实践提供了有力的工具；1972年Paul Berg等将SV40病毒DNA与噬菌体P22DNA在体外重组成功，诞生了第一个重组DNA分子；1973年，Stanley Cohen等在体外将酶切的DNA分子与质粒连接，构建出了含有抗生素抗性基因的重组质粒分子并导入大肠杆菌，该重组质粒得以稳定复制，并赋予受体细胞相应的抗生素抗性，至此宣告了基因工程的诞生。至1976年，科学家完成了重组DNA相关的载体与受体细胞的安全性改造。
　　基因工程技术的出现和成熟最终导致了基因工程产业的诞生和发展。1976年Boyer等成功地在大肠杆菌中表达了人工合成的生长抑素基因（14肽）；1978年Itakura（板仓）等在大肠杆菌中成功表达人生长激素基因（191肽）；1979年美国基因技术公司开发出利用大肠杆菌合成重组人胰岛素的先进生产工艺，从而揭开了基因工程产业化的序幕。至今我国已有人干扰素、人细胞白介素2、人集落刺激因子、重组人乙型肝炎疫苗、基因工程幼畜腹泻疫苗等多种基因工程药物和疫苗进入生产或临床试用，世界上还有数百种基因工程药物及其他基因工程产品在研制中，成为当今医药业和农业发展的一个重要的方向。