生物化学与医学论文

生物化学是一门边缘学科,研究的是生命的化学,所以与其它有关的生物学科必然有或多或少的关系.生物学科总是互相为用,互相渗透的.生物体不只一种,因此生物化学有研究动物（包括昆虫）方面的,也有研究植物方面的,还有研究微生物方面的.它们之间有差异、也有共同之处.生物化学在医药、卫生、农业及工业等方面都有应用,是一门基础医学学科,也是一门基础农学学科,而在工业上,如食品加工、酿造、制药、生物制剂制备、以及制革等上,都有应用. （一）生物化学是从有机化学及生理学发展起来的 一直到现在,它与有机化学及生理学之间,仍然关系密切.了解生物分子的结构及性质,并将其合成,乃是有机化学和生物化学的共同课题；在分子水平上弄清生理功能,显然是生理学和生物化学的一个共同目的.从现在的趋向来看,生理学是在更多地采用生物化学的方法,使用生物化学的指标,以解释许多生理现象. （二）微生物学及免疫学 在研究病原微生物的代谢、病毒的化学本质,以及防治措施等,无不应用生物化学的知识和技术.就免疫学而言,不论是体液免疫,还是细胞免疫,都必须在分子水平上,才能阐明机理问题,近来一些生物化学家常以微生物,尤其是细菌为研究材料；这样,一方面可验证在动物体内得到的结果,另一方面由于细菌繁殖生长极其迅速,为在分子水平上研究遗传,提供有利条件；于是应运而生出生化遗传学,又称分子遗传学,进而又派生出遗传工程学.由此不难看出,生物化学与微生物学、免疫学及遗传学之间的关系是何等密切. （三）生物物理学是从生物化学发展起来的 主要应用物理学的理论和方法来研究生物体内各种生物分子的性质和结构,能量的转变,以及生物体内发生的一些过程,如生物发电及发光.生物物理学与生物化学总是相辅相成的.随着量子化学的发展,生物体内化学反应的机理,特别是酶促反应的机理,将来必定要应用生物分子内及作用物分子内电子结构的改变来加以说明. （四）近代药理学往往以酶的活性、激素的作用及代谢的途径等为其发展的依据,于是出现了生化药理学及分子药理学等.病理生理学也注重运用生物化学的原理及方法来研究生理功能的失调及代谢途径的紊乱.甚至,组织学、病理解剖学及寄生虫学等学科,也开始应用生物化学的知识和方法,以探讨和解决它们的问题.这些学科的名称之前,现在多冠以“分子”字样,就是这方面的一个证明. （五）生物化学称为医学学科的基础,在医药卫生的各学科中广泛应用,是理所当然的.事实也是如此.临床医学及卫生保健,在分子水平上,探讨病因,作出论断,寻求防治,增进健康,莫不运用生物化学的知识和技术.镰状细胞性贫血已被证明是血红蛋白β链N未端第六位上的谷氨酸为缬氨酸所取代的结果.关于许多疾病的防治方面,免疫化学无疑是医务工作者所熟知的一种重要的预防、治疗及诊断手段.肿瘤的治疗,不论是放射疗法,抑或是化学疗法,都是使肿瘤细胞中重要的生物分子,如DNA、RNA、蛋白质等分子,改变或破坏其结构,或抑制其生物合成.放射疗法主要是对DNA起作用.而抗肿瘤药物,如抗代谢物、烷化剂、有丝分裂抑制剂及抗生素等,有的在DNA生物合成中起作用,有的在RNA生物合成中起作用,还有的在蛋白质生物合成中起作用,当然不能除外有的药物能抑制不只一种生物合成过程.只要这三种生物分子中任何一种的生物合成有阻碍,都会使肿瘤细胞遭到不同程度的打击,其最致命的要算是破坏DNA的生物合成了,至于用生物化学的方法及指标作为诊断的手段,最为人们所熟知的莫若肝炎诊断中的血液谷丙转氨酶了.总之,生物化学在临床医学及卫生保建上的应用的例子是很多的. （一）物质组成及生物分子 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1010～ 1012种蛋白质及1010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. （二）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.一旦这些反应停止,生命即告终结. 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Mg2+、Mn2+、Ca2+、K+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. （三）物质代谢的调节控制 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,几乎象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. （四）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.生物化学近年来在这方面的发展极为迅速,有人将这部分内容叫作分子生物学. 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. （五）繁殖与遗传 生物体有别干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.近年来,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.现在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. 生物化学是一门较年轻的学科,在欧洲约在160年前开始,逐渐发展,一直到1903年才引进“生物化学”这个名词而成为一门独立的学科,但在我国,其发展可追溯到远古.我国古代劳动人民在饮食、营养、医、药等方面都有不少创造和发明,生物化学的发展可分为：叙述生物化学、动态生物化学及机能生物化学三个阶段. （一）叙述生物化学阶段 1.饮食方面：公元前21世纪,我国人民已能造酒,相传夏人仪狄作酒,禹饮而甘之,作酒必用曲,故称曲为酒母,又叫做酶,与媒通,是促进谷物中主要成分的淀粉转化为酒的媒介物.现在我国生物化学工作者将促进生物体内化学反应的媒介物（即生物催化剂）统称为酶,从《周礼》的记载来推测,公元前12世纪以前,已能制饴,饴即今之麦芽糖,是大麦芽中的淀粉酶水解谷物中淀粉的产物.《周礼》称饴为五味之一.不但如此,在这同时,还能将酒发酵成醋.醋亦为五味之一.《周礼》上已有五味的描述.可见我国在上古时期,已使用生物体内一类很重要的有生物学活性的物质——酶,为饮食制作及加工的一种工具.这显然是酶学的萌芽时期. 2.营养方面：《黄帝内经·素问》的“藏气法时论”篇记载有“五谷为养,五畜为益,五果为助,五菜为充”,将食物分为四大类,并以“养”、“益”、“助”、“充”表明在营养上的价值.这在近代营养学中,也是配制完全膳食的一个好原则.谷类含淀粉较多,蛋白质亦不少,宜为人类主食,是生长、发育以及养生所需食物中之最主要者；动物食品含蛋白质,质优且丰富,但含脂肪较多,不宜过多食用,可用以增进谷类主食的营养价值而有益于健康,果品及蔬菜中无机盐类及维生素较为丰富,且属于粗纤维,有利食物消化及废物的排出；如果膳食能得到果品的辅助,蔬菜的充实,营养上显然是一个无可争辩的完全膳食.膳食疗法早在周秦时代即已开始应用,到唐代已有专书出现.盂诜（公元7世纪）著《食疗本草》及昝殷（约公元8世纪）著《食医必鉴》等二书,是我国最早的膳食疗法书籍.宋朝的《圣济总录》（公元前12世纪）是阐明食治的.元朝忽思慧（公元14世纪）针对不同疾患,提出应用的食物及其烹调方法,并编写成《饮膳正要》.由此可看出我国古代医务工作者应用营养方面的原理,试图治疗疾患的一些端倪. 3.医药方面：我国古代医学对某些营养缺乏病的治疗,也有所认识,如地方性甲状腺肿古称“瘿病”,主要是饮食中缺碘所致,有用含碘丰富的海带、海藻、紫菜等海产品防治.公元 4世纪,葛洪著《肘后百一方》中载有用海藻酒治疗瘿病的方法.唐·王焘（公元8世纪）的《外台秘要》中载有疗瘿方36种,其中27种为含碘植物.而在欧洲直到公元1170年才有用海藻及海绵的灰分治疗此病者.脚气病是缺乏维生素B1的病.孙思邈（公元581～682年）早有详细研究,认为是一种食米区的疾病,分为“肿”、“不肿”及“脚气入心”三种,可用含有维生素B1的车前子、防风、杏仁、大豆、槟榔等治疗.酿酒用的曲及中药中的神曲（可生用）均含维生素B1较丰富,且具有水解糖类的酶,可用以补充维生素B1的不足,亦常用以治疗胃肠疾患.夜盲症古称“雀目”,是一种缺乏维主素A的病症.孙思邈首先用含维生素A较丰富的猪肝治疗.我国最早的眼科专著《龙木论》记载用苍术、地肤子、细辛、决明子等治疗雀目.这些药物都是含有维生素A原的植物. 我国研究药物最早者据传为神农.神衣后世又称炎帝,是始作方书,以疗民疾者.《越绝书》上有神农尝百草的记载.自此以后,我国人民开始用天然产品治疗疾病,如用羊靥（包括甲状腺的头部肌肉）治甲状腺肿,紫河车（胎盘）作强壮剂,蟾酥（蟾蜍皮肤疣的分泌物）治创伤,羚羊角治中风,鸡内金止遗尿及消食健胃等.而最值得一提的是秋石.秋石是从男性尿中沉淀出的物质,用以治病者.其制取确实是最早从尿中分离类固醇激素的方法,其原理颇与近代有所相同.近代的方法为Windaus等在本世纪30年代所创,而我国的方法则出自11世纪沈括（号存中）著的《沈存中良方》中,现仍可在《苏沈良方》中寻着.其详细制法,在《本草纲目》上亦有记载,可概括为用皂角汁将类固醇激素,主要为睾酮,从男性尿中沉淀出来,反复熬煎制成结晶,名为秋石.皂角汁中含有皂角苷,是常用以提炼固醇类物质的试剂.这样看来,人类利用动物产品,调节生理功能,治疗疾病是从10世纪开始,实为内分泌学的萌芽. 明代李时珍（公元1522～1596年）撰著《本草纲目》,凡52卷,共载药物1800余种,其中除植物药物外,尚载鱼类63种,兽类123种,昆虫百余种,鸟类77种及介类45种.书中还详述人体的代谢物、分泌物及排泄物等,如人中黄（即粪）、淋石（即尿）、乳汁、月水、血液及精液等.这一巨著不但集药物之大成,对生物化学的发展也不无贡献. 这样看来,中国古代在生物化学的发展上,是有一定贡献的.但是由于历代封建王朝的尊经崇儒,斥科学为异端,所以近代生物化学的发展,欧洲就处于领先地位.18世纪中叶, Scheele研究生物体（植物及动物）各种组织的化学组成,一般认为这是奠定现代生物化学基础的工作.随后,voisier于1785年证明,在呼吸过程中,吸进的氧气被消耗,呼出二氧化碳,同时放出热能,这意味着呼吸过程包含有氧化作用,这是生物氧化及能代谢研究的开端.接着,Beaumont（1833年）及Bernard(1877年）在消化基础上,Pasteur（1822～1895年）在发酵上,以及Liebig（1803～1873年）在生物物质的定量分析上,都作出显著的贡献.1828年Wohler在实验室里将氰酸铵转变成尿素,氰酸铵是一种普通的无机化合物,而尿素是哺乳动物尿中含氮物质代谢的一种主要产物,人工合成尿素的成功,不但为有机化学扫清了障碍,也为生物化学发展开辟了广阔的道路.自此直到20世纪初叶,对生物体内的物质,如脂类、糖类及氨基酸的研究,核质及核酸的发现,多肽的合成等,而更有意义的则是在1897年Buchner制备的无细胞酵母提取液,在催化糖类发酵上获得成功,开辟了发酵过程在化学上的研究道路,奠定了酶学的基础.9年之后,Harden与Young又发现发酵辅酶的存在,使酶学的发展更向前推进一步. 以上包括我国古代及欧洲的发明创造、研究发现,均可算是生物化学的萌芽时期,虽然也有生物体内的一些化学过程的发现和研究,但总的说来,还是以分析和研究组成生物体的成分及生物体的分泌物和排泄物为主,所以这一时期可以看作叙述生物化学阶段. （二）动态生物化学阶段 从20世纪开始,生物化学进入了一个蓬蓬勃勃的发展时期.在营养方面,研究了人体对蛋白质的需要及需要量,并发现了必需氨基酸、必需脂肪酸、多种维生素及一些不可或缺的微量元素等.在内分泌方面,发现了各种激素.许多维生素及激素不但被提纯,而且还被合成.在酶学方面Sumner于1926年分离出尿酶,并成功地将其做成结晶.接着,胃蛋白酶及胰蛋白酶也相继做成结晶.这样,酶的蛋白质性质就得到了肯定,对其性质及功能才能有详尽的了解,使体内新陈代谢的研究易于推进.在这一时期,我国生物化学家吴宪等在血液分析方面创立了血滤液的制备及血糖的测定等方法,至今还为人们所采用；在蛋白质的研究中,提出了蛋白质变性学说；在免疫化学上,首先使用定量分析方法,研究抗原抗体反应的机制；在营养方面,比较荤膳与素膳的营养价值,并发现动物的消化道可因膳食中营养素价值的不同及丰富与否而发生一定的改变；食素膳者与食荤膳者相比,胃稍大而肠较长.自此以后,生物化学工作者逐渐具备了一些先进手段,如放射性核素示踪法,能够深入探讨各种物质在生物体内的化学变化,故对各种物质代谢途径及其中心环节的三羧酸循环,已有了一定的了解.第二次世界大战后,特别从50年代开始,生物化学的进展突飞猛进；对体内各种主要物质的代谢途径均已基本搞清楚,所以,这个时期可以看作动态生物化学阶段. （三）机能生物化学阶段 近20多年来,除早已在研究代谢途径时所使用的放射性核素示踪法之外,还建立了许多先进技术及方法.例如,在分离和鉴定各种化合物时,有各种各样敏感而特异的电泳法及层析法,还有特别适用于分离生物大分子的超速离心法；在测定物质的化学组成时,可使用自动分析仪,如氨基酸自动分析仪等；甚至在测定氨基酸在蛋白质分子中的排列顺序时,也有可供使用的自动顺序分析仪.还有不少近代的物理方法和仪器（如红外、紫外、X线等各种仪器）,用以测定生物分子的性质和结构.在知道生物分子的结构之后,就有可能了解其功能,还有可能用人工方法合成.1965年我国的生物化学工作者和有机化学工作者首先人工合成了有生物学活性的胰岛素,开阔了人工合成生物分子的途径.除此之外,生物化学家也常常采用人工培养的细胞及繁殖迅速的细菌,作为研究材料,并用现代的先进手段,不但把糖类、脂类及蛋白质的分解代谢途径弄得更清楚,而且还将糖类、脂类、蛋白质、核酸、胆固醇、某些固醇类激素、血红素等的生物合成基本上己搞明白；不但测出了某些有生物学活性的重要蛋白质的结构（包括一、二、三及四级结构）,尤其是一些酶的活性部位,而且还测出了一些脱氧核糖核酸（DNA）及核糖核酸（RNA〕的结构,从而确定了它们在蛋白质生物合成及遗传中的作用.体内构成各种器官及组织的组成成分都有其特殊的功能,而功能则来源于各种组成的分子结构；有特殊机能的器官和组织,无疑是由具有特殊结构的生物分子所构成.探索结构与功能之间的关系正是现时期的任务.所以,可以认为生物化学已进入机能生物化学阶段.