生物化学

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第824页（2813字）

从分子(包括离子)水平研究生命的化学过程的一门科学，是医学、生物工程学、农学的基础，在相当程度上改变了医学、工业与农业的面貌，创造了新兴的生物工程产业，改变了农作物育种的方向。

从古生物学到分类学，从免疫学到药理学，从细胞的相互作用到大脑的信息处理，都需要运用生物化学的知识、技术与手段。

在生物化学领域，生物大分子如蛋白质(包括酶)、核酸(RNA、DNA)与复合多糖的结构与功能的关系以及它们的相互作用仍然是研究的中心课题。生命过程中的关键分子是DNA、RNA与蛋白质。不论在细菌还是动植物中，生命过程的基本轮廓与原则都是大同小异的，大肠杆菌与人都用同样的构件来构造生物大分子，从DNA的基因信息到蛋白质的合成都遵循着中心法则，都以同样的方式合成ATP。因此，研究模型生物的生物化学可以更容易得到所需要的信息。

生物机体的遗传信息全部“写”在DNA中。人体基因组合有30亿个碱基对，基因组的DNA顺序是一个人从单细胞发育成含有10万亿个以上细胞的复杂整体的基础，决定对人类文化至关重要的学习、语言、记忆等智能的因子也编码在DNA的顺序中。阐明人类基因组DNA的全部顺序将使人们从根本上认识人体所有的生命活动成为可能。

当然，单纯地解决基因组的全部顺序还只不过是对硬件配置的了解，它的本身并不足解释人类生物学，但是，通过与其它模型生物基因组的比较，将会逐步分析出重要的信息。

重组DNA技术将成为生物化学研究中的一项有力的常规技术。随着DNA顺序测定技术、DNA合成技术以及聚合酶链反应技术的成熟，将大大地推动基因表达与基因调控的研究、蛋白质的研究以及生物工程的发展。基因的表达与调控是各种基本生命现象的关键。

受精卵如何形成不同的细胞、组织与器官，生长如何受到控制，癌肿、记忆，精神病的分子机制究竟是什么等等问题的最终答案，都有赖于基因的表达与调控的研究。关于分化过程中的基因表达与调控的研究，得到许多可喜的成果。

从线虫、果蝇的研究结果表明，由基因编码的一些蛋白质在分化过程中起着控制的作用。20世纪90年代的研究资料，一方面要阐明原核细胞新的表达调控机制和转录终止的调节机制，同时要阐明真核细胞参与遗传信息表达的各个因子，另一方面要进一步研究发育与分化有关的表达调节因子。

重组DNA技术使分子遗传学与蛋白质化学紧密地结合起来。蛋白质是生命活动的主要承担者，所有生命活动都与蛋白质有关。

同时，蛋白质通过与核酸的相互作用，使得细胞能够充分运用基因组的硬件，创造出各种各样的生物分子，表达各种各样生命现象。人体大约有10万种不同类型的蛋白质。

由于蛋白质分析技术与cDNA克隆技术的发展，蛋白质氨基酸顺序分析得到不少进展。

然而蛋白质的不同功能起源于它的空间结构。

X光衍射是当今研究蛋白质空间结构最有效的工具。数千种蛋白质的空间结构已经得到阐明。

核磁共振研究蛋白质的空间结构近年来有了很大的进展，一批分子量较小的蛋白质的结构已经通过二维核磁共振而得到阐明。随着核磁共振技术的进一步发展，将能积累更多的关于蛋白质在溶液中的空间结构和运动的知识。这方面如果能与蛋白质空间结构预测方法的发展相结合，将成为蛋白质结构研究的另一个里程碑。

微量蛋白质分离分析技术，高分辨双向蛋白质电泳，为比较原代细胞与转化细胞的蛋白质提供了手段。

现有的高分辨双向蛋白质电泳可以比较与分析2000～3000蛋白质条带，为研究基因表达与调控创造了条件。重组DNA技术的发展使蛋白质工程成为现实，一方面可以对蛋白质分子进行改造，另一方面可以开展分子的定向设计，包括合理的新药设计。

膜结构是生物体的基本结构之一。它大约占细胞干重的70%。

细胞间的物质交换和信息传递都要通过质膜来进行。

膜上具有多种受体，它们与相应的配基结合后产生一系列的信息传递过程。不论是环化腺苷酸－蛋白激酶系统和蛋白激酶C－甘油二酶系统还是酪氨酸激酶系统，都与生物膜密切有关。这些调节系统对机体的应激、生长与内环境的稳定都有着重要的作用。

癌的形成也与它们有关。细胞内还有各种膜系统。叶绿体起光合磷酸化的作用，线粒体起氧化磷酸化的作用，内质网系膜与大多数的蛋白质生物合成有关，核膜则保证染色体的相对独立性和稳定性。由于各种膜系统的存在，细胞实际上被分成许多互相独立而又关连的空间，生物活性分子模跨膜的传送在代谢的调节控制上就起着关键的作用，而膜两侧的H+浓度梯度与膜电位又是ATP合成和神经、肌肉兴奋的基础。

一些生命现象如受精、免疫、感觉等都与生物膜有关。最简单的离子、H+跨膜传送的机制通过点突变的研究与傅里叶转换红外分光光度法的研究已经在细菌视紫红蛋白上得到阐明。这个结果会有助于了解H+－ATP合成酶的机制以及解偶联蛋白的机制。

生物化学不仅研究生物活性分子的结构与功能，还要研究它们的相互作用。

核酸与蛋白质的相互作用更加引人注目。蛋白质是由核酸编码合成的，而蛋白质又调节着基因的表达，在基因表达过程中又需要各种酶蛋白的作用。膜蛋白与膜脂的相互作用是一个重要的方向，一些膜蛋白在装配前是水溶性的蛋白质，但在与膜脂相互作用后形成膜的固有蛋白，催化膜上的向量化学反应。复合糖类在细胞识别上有着特殊的作用，而有的糖脂本身就是膜上受体。

1973年，重组DNA技术的成功开辟了基因工程这个崭新的领域。基因工程的每一步进展都源于生物化学的基础研究，高表达就需要基因表达和调控的知识，分泌型就需要分泌蛋白质生物合成的知识。

为了获得有生物活性的表达产物，还需要有深入的蛋白质合成后折叠与二硫键配对的知识。反过来，基因工程与蛋白质工程的广阔前景也促进人们对生物化学基础研究的重视与支持。人类基因组DNA顺序测定计划还促进大型计算机在生物化学领域中的应用，基础研究与应用研究是相辅相成的，片面强调一个方面将不利于科学的发展。

生物化学作为生物科学的基础，应该得到更多的重视，才能真正带动其它生物科学：包括细胞生物学与神经生物学以及生物工程的发展。

为了使中国生物化学研究在今后能够赶上发展的潮流，应着重考虑的方面是基因表达与基因调控，包括基因的启动、剪切、蛋白质与核酸的相互作用；信息传递过程的分子机制；包括生长因子、基因产物的作用机制；生物能量的转换与物质的跨膜传送：生物模拟，包括蛋白质工程。

(上海生物化学所林其谁研究员撰)