第1章 绪 论
生物化学（biochemistry）也称生命的化学。它是研究生物体的化学组成、化学变化及其与生理功能关系的一门科学。它的主要任务是从分子水平解释一切生命现象,阐明生命现象的本质,因此,生物化学的研究对象是所有存在于自然界的生命形式。医学生物化学是以人体为主要研究对象,应用生物化学的理论和技术为人类健康、生活和生产服务。生物化学的研究方法除了采用化学的理论和技术外,还采用物理学、生物学、免疫学等的原理和方法,另外还有遗传学、生物工程学、生物信息学等的介入。因此,生物化学是一门边缘学科,它的理论和技术已广泛渗透生命科学研究的各个领域,越来越多地成为生命科学的共同语言,成为生命科学领域带头的学科,在生命科学的发展中起着重要的作用。
一、生物化学的内容
（一）研究人体的物质组成、结构、含量、性质及功能（叙述生化）
生物体是由一定的物质组成的。研究生物体内物质的组成、结构、含量、性质及功能等,是生物化学的一个重要内容。构成人体的主要物质包括无机物和有机物两类。无机物有水和无机盐,也称为生物小分子,它们是生命活动能够正常进行的必要条件和环境。有机物主要有蛋白质、核酸、多糖和复合脂类,这些化合物相对分子质量很大,称为生物大分子。它们是由一些小而简单的构件分子如氨基酸、核苷酸、单糖和脂肪酸等按一定的组织规律,互相连接,依次逐步形成的生物大分子。核酸和蛋白质是最重要的生物大分子,两者是生命的物质基础。它们的重要特征之一是具有信息功能,故又称为生物信息分子。生物大分子需要进一步组装成更大的复合体,然后装配成亚细胞、细胞、组织、器官、系统,最后成为能够体现生命活动的机体,这些都是尚待研究及阐明的问题。
（二）研究物质代谢及其调控（动态生化）
新陈代谢是生命的基本特征之一,包括物质代谢和能量代谢两个方面。物质代谢包括合成和分解代谢,合成代谢消耗能量而分解代谢释放能量,因此,物质代谢必然伴有能量代谢。新陈代谢是由一系列酶催化的复杂的化学反应过程。一个小小的活细胞内,几近两千多种酶,在同一时间内,催化各种不同代谢中特有的化学反应,它们各自不仅井然有序、有条不紊,而且相互交叉、配合协调,使机体物质的合成、分解保持平衡,能量消耗、释放恰到好处。这表明,机体存在着复杂完整的代谢调节网络,因此,物质代谢、能量代谢和代谢调节,是生命存在的三大要素,一旦出现障碍,则意味着发生疾病。因此,动态生化是医学生学习的主要内容。
（三）研究遗传信息的传递与调控（信息生化）
生物体内遗传信息流包括DNA复制、转录（RNA合成）、翻译（蛋白质合成）。基因信息传递涉及遗传、变异、生长、分化等过程,且与高血压、遗传性疾病、心血管疾病、恶性肿瘤等多种疾病的发病机制有关。所以基因信息的研究是生命科学中的重要课题。
（四）研究物质组成、代谢与生理功能的关系（功能生化）
医学生物化学主要的研究对象是人,因此,人体生物化学还要研究各组织器官的化学组成特点,特有的代谢途径和它们与生理功能之间的关系。代谢障碍将造成器官功能的异常,导致疾病的发生。这部分内容是医学生物化学不可缺少的内容。
二、生物化学的发展简史
生物化学是一门古老而又年轻且发展迅速的学科。
（一）悠久的发展历史
公元前21世纪始,我国劳动人民在酿酒、制酱、制醋和制饴中使用的方法就属于利用酶进行的生物化学反应。唐朝孙思邈用猪肝治疗雀目,究其原因是猪肝中富含治疗夜盲症的维生素A。北宋沈括记载
的“秋石阴炼法”,实际是用沉淀等方法从尿液中提取性激素制剂。所有这些都为生物化学的发展做出了贡献。
（二）近代生物化学
近代生物化学研究,欧洲处于领先地位。近代生物化学于18世纪开始萌芽,20世纪初成为一门独立的学科,现已成为自然科学中发展最快、最引人重视的学科之一。近代生物化学发展大体可分为三个时期：
1.萌芽时期（18世纪中叶至20世纪初）
此时期的科学家主要致力于生物体化学组成的研究,发现了核酸、合成了简单的多肽、证明了动物的呼吸需要氧气、人工合成了尿素、制备的无细胞酵母提取液在催化糖类发酵上获得成功,奠定了酶学的基础,这些都为生物化学发展开辟了广阔的道路。
2奠基时期（20世纪初至20世纪中叶）
这一时期生物.化学进入了一个蓬勃发展时期。在营养方面,发现了必需氨基酸、必需脂肪酸、一些不可或缺的微量元素、多种维生素及其缺乏症。在内分泌方面,发现了多种激素。在酶学方面,制得了尿酶的结晶,随后确立了酶是蛋白质这一概念。从而使体内新陈代谢的研究易于推进,与能量代谢有关的许多物质代谢途径如脂肪酸β-氧化、三羧酸循环、鸟氨酸循环等基本阐明。
吴宪教授
――中国生物化学的开拓者
国际著名的生物化学家吴宪教授（1893―1959）是我国生物化学的奠基人,他的一生共发表163篇研究论文,撰写了三部专著。他在临床化学、
水电解质平衡、蛋白质化学、免疫化学、营养学及氨基酸代谢6大领域中的研究,处于当时国际领先地位。美国哈佛大学教授J.T.Eddsal
于1995年在国际上蛋白质领域内最具权威的综述性丛书《AdvancesinProteinChemistry》第47卷发表了吴宪与第一个蛋白质变性理论,对吴宪教授的学术成就给予了极高的评价,该卷还重新刊登了吴宪教授在1931年发表的关于蛋白质变性的论文。世界第一流丛书上重新全文刊登了吴宪教授64年前发表的论文,这在国际科学界实属罕见。
3.现代生物化学时期（20世纪中叶至今）
20世纪50年代初期,生物化学家发现了蛋白质α-螺旋的结构,完成了胰岛素的氨基酸全序列分析。更具里程碑意义的是1953年Watson和Crick发表了“脱氧核糖核酸的结构”的著名论文,为揭示遗传信息传递奠定了基础,这是生物化学发展进入了分子
生物学时期的重要标志,从此,生物化学的发展突飞猛进。如对遗传信息的传递进行了深入的研究。提出了分子遗传学的中心法则、证明了遗传密码的通用性。随后又破译了遗传密码、建立了重组DNA技术（基因工程）。发现了核酶,补充了人们对生物催化剂本质的认识。发明了聚合酶链反应（PCR）技术,这是在体外高效率地扩增DNA的技术,在生命科学领域,特别是在疾病诊断中起着重要的作用。1990年开始实施人类基因组计划（HGP）,HGP是测定人类基因组的全部DNA序列,从而解读所有遗传密码的全球性合作计划。2003年4月14日,人类基因组序列图绘制成功,覆盖人类基因组所含区域的99%,精确率
99.99%。一张生命之图已被绘出,从此,基因组的研究掀开历史新篇章,进入了后基因组计划,即人类基因组功能的研究。它将在基因诊断与治疗、基因工程药物的研发、修复人类器官和提高生存质量等方面进行更深层次的研究,为提高人类健康水平带来新的希望。
新中国成立后,我国生物化学工作者在生物化学的发展中做出了很大的贡献。1965年,我国人工合成具有生物学活性的牛胰岛素。这是世界上首次人工合成蛋白质,取得了举世瞩目的巨大成就。1979年,我国创造了测定DNA序列的直读法。1981年,我国又在世界上首次人工合成酵母丙氨酰tRNA,标志着我国人工合成生物大分子的研究跃居世界前列。1999年9月,我国承担了国际人类基因组大规模测序1%的任务,而且如期完成。通过参与这一国际项目,中国的基因组测序能力一举进入世界四强,为21世纪的中国生物产业带来了光明和希望。它代表着我国科学家在这个划时代的里程碑上已刻上了中国人的名字。
三、生物化学与医学
生物化学是一门重要的医学基础课程,它是连接基础课和临床课的桥梁,在医学学习中起着重要的作用。如生理学、微生物学、药理学及病理学等基础医学的研究中,要不断地应用生物化学的理论和技术来解决各学科的问题,由此形成了分子遗传学、分子免疫学、分子药理学、分子病理学等新兴的交叉学科。而且这些学科在理论及技术上也不断地相互引用促进,对临床医学的发展起着推动作用。随着现代医学的发展,生物化学的理论和技术（如基因芯片、PCR等）被越来越多地应用于临床疾病（从胎生期到老年期）如遗传性疾病、代谢性疾
蛋白质是生物体的基本组成成分之一,也是含量最丰富的生物大分子。人体内蛋白质多达10万余种,约占人体干重的45%,几乎分布于所有的器官组织。它们的结构千差万别,功能多种多样。体内催化反应、代谢调节、免疫反应、血液凝固、肌肉收缩、遗传信息的调控以及高等动物的记忆、识别等都与蛋白质有关。本章主要介绍蛋白质的组成、结构及蛋白质的理化性质。
第1节 蛋白质的分子组成
2008年,震惊全国的婴幼儿奶粉事件发生,其中的罪魁祸首是三聚氰胺。三聚氰胺是一种重要的化工原料,有一定的毒性,不能作为食品添加剂。本与食物、饲料无关,却被有意加入奶制品中导致事件的发生。
问题：
1.蛋白质的平均含氮量是多少?
2.生产企业为什么在奶粉中添加三聚氰胺?
3.一袋奶粉中加入1g三聚氰胺,相当于增加了多少克“蛋白质”?
一、蛋白质的元素组成
元素分析结果表明：所有的蛋白质分子都含有碳、氢、氧、氮四种主要元素,大多数蛋白质含有硫,有的蛋白质还含有少量的磷、铁、铜、锰、钴、锌,个别蛋白质含有碘。蛋白质的含氮量都比较接近13%~19%,平均约16%,即每克氮相当于6.25g蛋白质,此值在生物样品中蛋白质含量的测定极为有用。由于生物组织中含氮物质以蛋白质为主,其他物质含氮量很少且不平衡,因此,只要测出样品中的含氮量,就可以计算出样品中的蛋白质含量。
100g样品中蛋白质的含量（g%）=每克样品中含氮克数×6.25×100
考点提示：蛋白质的元素组成及特征元素
二、蛋白质的基本组成单位――氨基酸
不同种类的蛋白质经酸、碱或蛋白质水解酶作用后,最终可得到各种氨基酸,因此,氨基酸就是蛋白质的基本组成单位。存在于自然界中的氨基酸有300余种,但组成人体蛋白质的氨基酸只有20种,它们都有共同的结构通式：
三、蛋白质多肽链中氨基酸的连接方式
（一）肽键
一个氨基酸的α-羧基与另一个氨基酸的α-氨基脱水缩合而成的酰胺键称为肽键。
肽键是共价键,是肽或蛋白质分子中氨基酸残基之间彼此相连的主要化学键。肽键中的C―N键的键长介于C―N的单键和双键之间,具有部分双键
性质,不能自由转动。这样肽键上的4个原子与相
烫发的过程：先把头发用含有巯基乙酸根离子的溶
邻的2个α-碳原子位于同一平面,此平面称为肽键平面。肽键平面是蛋白质空间构象的基本单位,液（一种具有还原性的溶液）
相
浸湿,把头发变得非常柔软,
邻的肽键平面可围绕α-碳原子旋转形成不同的空间构象。
（二）肽
氨基酸通过肽键连接而成的化合物称为肽。两个氨基酸缩合成二肽,三个氨基酸缩合成三肽,以此类推。通常10个以下氨基酸缩合而成的肽称为寡肽,10个以上氨基酸缩合而成的肽称为多肽。氨基酸在形成肽链后,因为参与肽键形成,已不是完整的氨基酸,故称为氨基酸残基。
氨基酸缩合成肽后,有两个末端,有自由α-NH2的末端叫做N-末端或N-端（可用H-表示）,有自由α-COOH的末端叫做C-末端或C-端（可用-OH表示）。在书写多肽链时,N-末端写在左侧,C-末端写在右侧。多肽链中氨基酸的顺序编号从N-端开始。
利用卷发工具把头发卷起来,这时加入“固定液”（一种具有氧化性的溶液）,如过氧化氢、溴酸钾。把已经弯曲的头发固定下来。这样便形成持久的卷曲发型。
问题：
1.在烫发过程中使用这些化学试剂的目的是什么?
2.蛋白质二级结构的形式有哪些?
3.维持蛋白质分子结构的作用键有哪些?
蛋白质分子是由许多氨基酸通过肽键相连形成的生物大分子,由于每种蛋白质中的氨基酸种类、比例、排列顺序都不同,以及氨基酸形成的肽链具有一定的三维空间结构,从而体现了蛋白质种类繁多,结构复杂,功能各异。根据蛋白质结构的不同层次,可将蛋白质的结构分为一级结构、二级结构、三级结构、四级结构,其中一级结构为蛋白质的基本结构,二级结构、三级结构、四级结构为其空间结构。
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