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1、生物化学发展史,化学在生命科学中的地位:二十世纪的头二十年是微生物称雄的时代。他们的显赫地位其后又被维生素取代了二十年之久。四十年代和五十年代，是酶的兴旺时期。八十年代以前的二十年中，基因热。上世纪的后二十年神经和人类基因组计划发展很快。,在这一段历史时期内，一个又一个医学学科走马灯似地变换着主导地位，而研究和教学则是在不断增多的相互独立的学科里进行着。六十年前，医学院还只有解剖学系、细菌学系、生理学系、生物化学系和药学系。而且系与系之间比较疏远，没有联系。那个时候，遗传学系和神经生物学系在医学院里尚未问世。路易.巴斯德，这个上世纪医学科学的巨匠和微生物学家是化学出身的。,今日的基因工程把生物
2、化学、遗传学、微生物学和生理学集为一体。这一新兴的基因化学的价值是如此巨大，实在无愧为人们赋于它的“革命性进步”的称号。现代基础医学各学科的汇集与联系之所以紧密，最主要是因为它们具有共同的语言，即化学语言。这些学科中最具有描述性的解剖学和最抽象的遗传学，现在都渗透了许许多多的化学理论和技术。现在的解剖学是一幅包括了中等大小的分子、大分子的聚集体直至细胞器和组织的渐进图。正是这些大大小小的分子组成了有功能的生物体。,遗传学的变化甚至更大。当遗传现象是否由已知的物理学原理操纵的这一命题作为正经的问题提出来时，也只不过是六十年前的事情。而今天我们则以一目了然的化学表达法来了解和研究基因、遗传现象和进
3、化问题。染色体和基因可被分析了、合成了、重新安排了。新的物种也可随心所欲地创造出来了。一旦对染色体的结构与功能有了更深刻的认识，由此产生的对医学和工业的影响将会远远超过我们从现在用的基因方法大量生产稀有的激素、疫苗、干扰素和酶的成功所能得到的经济和社会效益。,生物学家固然知道是酶决定了细胞的形状、功能和命运，但他们对酶的重要性和化学复杂性望而却步，因而对生物化学也尽量绕道而行。这是指六十年前。“最好通过化学来生活”，这是杜邦(Du Pont)公司在持续数年的广告战中一直沿用口号。这一口号的寓义无非是告诉公众：塑料、除草剂和其它工业化学品对于我们个人与社会的美满幸福所能起到的作用。,医学科学的汇
4、集最早是由于路易.巴斯德的天才而崭露头角的。巴斯德是一个化学家，他年青时阐明了具有相同化学结构的酒石酸由于其物理结构上的不同而分为两种分子，即镜象对映异构体。巴斯德创立的“疾病的菌源说”带有他化学基础和思想方法的烙印。他力图把疾病问题简化为基本的成分。他的实验途径是先将致病因子纯化为单一的形式，然后用纯化的因子再生疾病。因而可以说，由巴斯德创立的微生物学和免疫学是由化学中脱胎而来的。实际上，在1911版的大英百科全书上刊载的有关巴斯德生平的权威传记将他称为法国化学家，并誉为是公认的当时化学运动的最伟大的领导者。,在巴斯德的科学生涯中有一个严重的瑕疵：他阐明了是酵母细胞导致了酒精发酵，即蔗糖在厌
5、氧条件下转变为乙醇和二氧化碳。之后，他又试图用酵母的抽提液来完成同样的功能，但他未能如愿。因此他下了这样的一个结论：除活细胞之外，其它一切东西都不可能进行这一极为复杂的化学反应。正是由于巴斯德的自信心、说服力和影响力，使进一步研究无细胞系统的乙醇发酵的努力被大大地泼了冷水。从此生机论变得根深蒂固，使现代生物化学的出现被延迟了三十年之久。,直至本世纪初，慕尼黑的爱德华.布希纳(Eduavd Buchner)才于无意之间发现了破碎的酵母细胞的发酵现象。本来他是用糖来保护酵母抽提液不至发生重复免疫反应，不料却发现了令人讨厌的发泡现象。进一步的研究使他阐明了糖被酵母液裂解所分解的产物-乙醇和二氧化碳。
6、,巴斯德的运气不佳，他所用的巴黎酵母是蔗糖酶缺陷型，这是一个催化蔗糖糖代谢的起始反应的酶。布希纳则吉星高照，他的慕尼黑酵母抽提液中尚有相当量的这种酶保存着活力。,生物化学并不是象有人想象的那样由有机化学衍生而来。尽管糖和氨基酸等底物与酶反应的产物都是通过有机化学的方法制备和鉴定的。确切地说，生物化学是从农学院和医学院的生理系和营养系脱胎而出的。借助于生物化学，人们可以如愿明白许多细胞功能的化学基因，例如发酵、光合作用、肌肉收缩、消化和视觉等。,基因工程的起源,基因化学也就是大家常说的基因工程的起源是什么呢？DNA、基因和染色体的分离、分析、合成和重排通常被认为是分子生物学的成就和领地。就算如此
7、，那么什么是分子生物学？它的起源又是什么呢？如果把讨论的焦点集中在DNA的分子生物学，这里我可以列举几个不同的来源：第一个起源来自医学。艾夫里(Oswald Avery)以自己毕生的精力探索肺炎球菌肺炎的控制问 题，有史以来第一次证明了DNA是储存遗传信息的分子。第二个起源来自生物遗传学。微生物学家，其中有些是叛逃的物理学家，选择噬菌体（细菌病毒）作为研究对象，阐明了主要生物大分子DAN、RNA和蛋白质的功能。第三个起源来自生物分子的细微结构化学。蛋白质的X光衍射图谱提示了其三维空间结构。DNA的衍射图谱使我们了解了它的螺旋结构和它的复制与功能。,第四个起源来自生物化学，即核酸的酶学、分析和合
8、成。核酸酶将DNA拦腰斩为基因并分解成组成构件。聚合酶则把它们组合在一起，连接酶把DNA链连成基因，又将基因连成染色体。正是由于这些酶的存在才使得基因工程切实可行。这些酶在细胞内是用来催化基因和染色体的复制、修复和重排反应。因而归根到底，现代分子生物学的成就仍属化学。大多数的分子生物学家操作着这种特殊形式的化学而没有认识到它就是化学。,但是，尽管已有了非同小可的业绩，分子生物学在回答一些细胞功能和发育等深刻的问题时仍然是张口结舌的。比如是什么控制了基因的重排以产生抗体？是什么决定了一个原始细胞发育成脑或骨？是什么构成了细胞生长和衰老的基础？一旦忽略了DNA蓝图的产物的化学，即忽略了代表细胞的机
9、关和构架的酶与蛋白质的化学时，当今的分子生物学研究就开始蹒跚（pan shan）不前了。,对脑的化学元素，无论是动物的还是人的，正常的还是有病的脑的化学元素的研究应给予足够的重视。总之，化学语言是连接物理学与生物学、天文学与地学、医学与农学的纽带。化学语言极为丰富多彩，它能产生出最美的图画。我们应该传授和运用化学评议。这就是我们眼前的、未来的基因，也是本世纪生物、医学繁荣昌盛的基石。,生命的化学观,吴宪教授(1893-1959)是我国杰出的生物化学家和营养学家，在国际上负有盛名。他在临床生物化学，特别是血液分析、气体与电解质的平衡、蛋白质的生物化学，特别是蛋白质的变性理论、免疫化学、氨基酸的代
10、谢和营养学诸领域的研究工作，都是当时的先驱。,物质结构繁简的等级,物质的繁杂程度略分为五级。（1）原子的繁杂程度称为第一级。（2）原子相结合而成为分子，最小的是氢，最大的是生物大分子。分子的繁杂程度称为第二级。（3）相同分子或不同分子相结合而成为分子聚集体，其种类无限，其状态不似分子。分子聚集体的繁杂程度称为第三级。（4）不同分子聚集体相结合而成为有形态的物质单位，其形态常可用显微镜观察。这就是生物学家所说的细胞。细胞种类之多，不可以数计。细胞的繁杂程度称为第四级。（5）细胞联合而成为多细胞物体，或为植物或为动物。其最繁杂者莫过于人体。多细胞物体的繁杂程度称为第五级。,上述五级一方面从一级过渡
11、到另一级之间的界限并不同样清楚，另一方面，同属于一级的物质，其结构的繁杂程度可以相差很大，因而其现象（性质）也就相差很多。所以说，物质繁杂程度的级别越高，其结构的稳定性越低，其现象（性质）也就越多、越繁杂。,结构与性质,物质的结构和性质，是一个物质的两个方面，知道它的结构，就可能了解它的性质。诚然，有时了解它的性质，并不一定知道它的结构。但是，在了解它的性质以前，必须先有结构的知识。对于人体的总结构，解剖学家、医学家已知道得很清楚。我们能理解四肢的活动是由于肌肉的伸缩，血液的流动是由于心脏的抽压，以及影像是怎样在视网膜上聚集的等，都是因为知道了这些器官的结构。,物质的结构和性质，是一个物质的两
12、个方面，知道它的结构，就可能了解它的性质。诚然，有时了解它的性质，并不一定知道它的结构。但是，在了解它的性质以前，必须先有结构的知识。对于人体的总结构，解剖学家、医学家已知道得很清楚。我们能理解四肢的活动是由于肌肉的伸缩，血液的流动是由于心脏的抽压，以及影像是怎样在视网膜上聚集的等，都是因为知道了这些器官的结构。我们可以把肾比作滤器，把肺比作气包，因为我们在显微镜下已看到它们的组织结构。但是，神经怎样传导我们还无法理解，因为我们对于细胞的内部结构实际上还一无所知。等到对于活细胞结构的细节完全知道以后，对生命过程的理解就会如同理解钟表指针转动一样容易。,先有核酸，还是先有蛋白质？,在生物界，对于
13、生命的起源曾有三种意见，即：（1）最初的细胞是在没有核酸和遗传体系的条件下进行活动的，而核酸和遗传体系则是以后获得的；（2）核酸为最先发生，它为蛋白质的进化提供信息；（3）核酸和蛋白质两者须结合在一起才能形成一个活细胞的最初真正前体。目前，大多数学者都倾向于第二种意见，即先有RNA，再有蛋白质。但仍有争议。,生物化学中的物理化学,当今生化已从阐明生物化学的结构性质进入探讨生物分子间的相互作用和功能；生物分子间为何能在温和的条件下以惊人的速度在生物体内进行一系列严格有序和特定方向的化学反应；反应前后能量如何变化；有哪些因素影响着这些生物分子间的反应；酶促反应的机理和生物分子的结构功能关系如何等，
14、这就使得物理化学越来越显示出它在生化中的重要地位。,物理化学主要从理论上探讨物质结构与其性能间的关系，化学反应的可能性、反应速度和反应限度，反应机理以及反应过程中的能量变化关系等，是整个化学学科的理论基础。目前的研究表明，生物分子间的相互作用也是遵循各种物理化学规律的，也即这一套基本化学定律也支配着各种类型的生物分子的性质、机能和相互作用。（1）生物化学中的化学热力学（2）生物化学中的化学动力学（3）生物化学中的电化学,总之，物理化学的各分支的理论可以阐明生化中许多问题，物理化学的研究方法在生化中具有十分重要应用。生物分子的反应服从于非生命界的化学定律，物理化学与生化间联系密切，可以预见，物理
15、化学中的各种理论、研究方法在生化中将日益受到广泛应用，而生化的发展也必将进一步丰富物理化学的内容。,生物化学与司法鉴定,受伤与死亡现象中的生化：1.死亡时间的推测：在凶杀的刑事案件中，可根据尸体中一些生化物质的变化来推测尸体经过的死亡时间，如发育7小时内肝中DNA的含量随死时间的延伸而下降；脾中DNA的含量则上升；肾、心肌和骨骼肌在7小时内不变。以肝和脾中DNA含量变化的比值与死亡时间作图，可得一直线，用此直线来推测死亡时间其误差在16分钟之内。如果能在人体上也达到同样的精确度，在当今生活节奏快速的社会里也能相当正确地判断无误了。,2.暴力死亡中的生化：（1）经过搏斗后机械性死亡的心肌中丁二酸
16、脱氢酶和细胞色素氧化酶的活性有及糖原的含量会明显升高，要经过20小时之后才会明显下降。（2）机械性窒息(吊死和扼死）会引起死亡者的血液中成纤维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，所以判断时要结合其它方法。（3）溺死者的肺中过氧化物酶活性变化明显。由于进入的水深入肺部呼吸系统，器官受水的刺激后分泌出一些物质，使在口鼻之间形成蕈（xun）状泡沫，短时间内并不消失，此为何物尚无报道。,3.性犯罪引起的死亡：鉴定时可在受害者身体及其衣服等犯罪现场中找到精子，或是污渍中有酸性磷酸酯酶活力，即使进行绝育手术的罪犯也能发现这种酶活力。,个人识别和亲子鉴定,1.免疫法和多态
17、蛋白鉴定法 2.DNA“指纹图谱”用于个人识别和亲子鉴定 3.从个体的特征上来进行个人识别,刑事侦察中的生化,1.指纹：由于手指皮肤排泄物中除了含有无机离子外，还含有维生素B2和B6化合物和氨基酸、蛋白质类化合物。利用激光照射在维生素B2和B6上产生荧光的特性，用彩卷拍摄激光照相来摄取指纹。2.血迹现场显示：国外用Luminol喷雾于现场，而后在黑暗中去寻找发光的斑点，此斑点常常是血迹，即使将现场进行一般性的打扫，也不能排除用此法可找出血迹。,生物化学与美学,门捷列夫周期律揭示了自然界化学元素之间的本质联系。周期律在形式上和内容上极其对称、协调，纵横联系，精致巧妙，成为一个统一的整体，给人以美
18、的感觉。这种美感实际上就是科学美(主要指理论美，它是自然美在科学理论上的表现)的一种显现。,从分子水平看人体，象蛋白质、核酸等生物大分子的分子结构与其功能相互默契、对立统一，为完成生命活动过程的生理功能和代谢变化提供了物质前提。例如，血红蛋白的四个亚基和四个亚铁血红素分子构成的的四聚体是血红蛋白结合或放出氧分子的精巧结构，反映在理论上便是蛋白质结构与功能统一的学说；酶对底物催化作用的特异性及酶与底物分子之间的诱导契合，反映在理论上便是酶作用的诱导契合学说；DNA分子的两条多核苷酸链相互盘绕而成的结构，反映在理论上便是DNA分子的双螺旋的结构模型。,法国著名分子生物学家莫诺也赞赏这个模型的“雅致
19、”-简单、对称、和谐。这个模型，从美学角度看，也是一个美的模型。在生物化学、分子生物学领域内，这样的例子是很多的。这些理论(假说、模型)不仅从分子水平反映了生命运动的客观规律，具有重大的科学价值，而且理论本身还给人以动人心魄的美感力量，具有不应忽视的审美价值和美学意义。,当然，应当看到，科学不等于艺术。科学(包括生命科学在内)的任务是求真，也就是忠实地揭示自然界，包括生命世界客观运动规律，客观性、真实性是第一位的。一个违背客观真实性的“理论”，无论其表现形式是多么美，那也是毫无科学价值的。尽管如此，我们也应看到，一个科学工作者，如果能从美学角度提出问题和思考问题将会是有益的，将会有助于我们的科学思想、科学创造。,马克思说过：“人还按照美的规律来创造。”(1844年经济学哲学手稿)人们常称赞爱因斯坦的科学方法“在本质上是美学的、直觉的”，“可以说，他是科学家，更是个科学的艺术家”(纪念爱因斯坦文集)。在生命科学领域内，譬如说，遗传密码理论的建立，DNA双螺旋模型的诞生等，固然主要依靠充分的实验事实的支持和严密的逻辑论证，但是应当注意，非逻辑的直觉方法和审美的直感对于这些开创性的崭新理论的提出，也并非毫无意义。科学与艺术、生物化学与美学，尽管是两个不同的范畴，然而它们之间并不是隔着一条绝对不可逾越的鸿沟。在创造性思维的过程中，它们常常可能成为携手并进的伴侣。,
