上篇原理
第一章绪论
在 20世纪初期，曾经有一个有趣的争论：胶体学派认为，生物物质可以一分为二、二分为四，直到无穷小；大分子学派认为，生物物质细分到一定程度，就会遇到大分子甚至分子机器。按照胶体学派的观点，生物是由低相对分子质量的分子组合形成的胶体构成的，不可能有大分子存在；按照大分子学派的观点，生物则是由大分子组成的各种分子机器的有机集合体。究竟哪种观点是正确的呢？激烈争论集中到一个焦点，就是建立精确的实验技术来测定生物分子及其所组成的分子机器的相对分子质量。很快，蛋白质和酶的结晶形式被成功分离， X射线衍射图谱表明其有精确特异的构象，继续用能破坏弱键(即非共价键，如氢键、离子键和疏水作用)但不能破坏共价键的温度变性后，利用离心技术或电泳等方法，测定出它们具有很大的相对分子质量，说明这些大分子是通过很强的化学键组装在一起的。之后，用温和的方法分离出的 DNA，其相对分子质量更是大得惊人，大到只能用超离心技术测定的沉降系数 S来表示其大小的程度。由此可知，生物大分子理论胜利了。
在生物大分子理论的指导下，人们总是想知道，在一定的缓冲溶液中，能够存在的、真实的、由大分子组成的分子机器究竟有多大？于是不断地改进分离技术，以及优化能够稳定昀大相对分子质量分子机器的缓冲液的成分和浓度，陆续分离到了越来越大的分子机器，如寡聚酶、多酶复合体、 DNA-蛋白质复合物、核糖体等。近年来，研究人员已经可以利用计算机技术，模拟出许多分子机器在能量驱动下的运动过程，以及由各种单个分子机器形成复合体乃至细胞器的组装过程。现在，人们已经相信，这些运动过程和组装过程都是在基因信息的指令下，按照物理和化学的原理进行，没有超越已有物理和化学原理的所谓生命科学独有的原理。因此，生物化学实验原理的基础就是物理和化学原理。
综上可见，形态上千差万别的生物，其物质组成在分子水平上却具有高度的统一性。现在已经知道，含有寡聚酶、 DNA-蛋白质复合物、核糖体等的细胞，是生物的基本结构单位和功能单位，各种生物的细胞含有许多共同的化学组成、相同的代谢途径和相似的细胞调控机制，如不同生物来源的蛋白质由相同种类的基本氨基酸组成， DNA由 4种相同的脱氧核苷酸组成；生物大分子(核酸、蛋白质、糖类和脂类等的统称)合成和降解途径中的中间产物和酶的结构与功能都极其相似，而且与这些中心代谢途径相关的生物小分子和调控因子都基本相同。这些相同生物分子的结构、大小和形态，以及它们在细胞内精确而协调的相互关系，是通过亿万年的进化过程而确定下来的，是执行许多共通的基本生理功能的前提。因此，利用较少的模式生物(当前国际上流行的模式生物有大肠杆菌、拟南芥、水稻、美丽筒线虫、小鼠、家蚕等)为材料进行生物化学实验所获得的知识，可以推知地球上所有生物体内的生物化学过程。
对上述细胞组分、中间产物和调控因子等进行生物化学研究的第一步，一般是选取合适的生物材料、破碎细胞，将目的物提取、分离和纯化出来。然后再根据实验目的，综合利用各种生物化学分析技术和检测方法研究其化学性质和生物学特性。值得注意的是，生物化学实验中精细的分离纯化技术同时也是基本的生物化学分析技术，故本书上篇主要从分离纯化的角度介绍这些生物化学分析技术，以便使实验材料的准备、目的物的提取、分离纯化技术、生物化学检测技术和生物化学实验中的计算机辅助设计等几方面内容构成一个完整的生物化学实验原理体系。
第二章常用生物材料及其保存技术原理
第一节生物化学实验常用生物材料
生物化学实验常用的生物材料有天然生物材料和人工生物材料两大类。天然生物材料一般是自然界中易采集、目的物含量较高的生物个体、器官或组织。例如，禾本科作物种子萌发期间淀粉大量水解，淀粉酶含量丰富，可作为提取淀粉酶的实验材料；再如，小麦黄化幼苗细胞分裂旺盛， DNA容易提取和纯化，且不受叶绿素的干扰，适宜用作核酸生物化学实验的材料。著名三羧酸循环的发现者 Krebs，就是利用了能飞越太平洋的鸟的飞翔肌中的线粒体作为实验材料。因此，正确采用天然生物材料，是成功进行生物化学实验的一大关键。
人工生物材料种类繁多。生物科学从群体、个体、细胞到分子水平有很多分科，生态学、植物分类学、动植物育种学和微生物学等细胞水平以上的学科领域的研究工作，为以破碎细胞在分子水平上进行深入研究为特点的生物化学实验准备了大量的基础性实验材料。这些材料是其他科学家经过艰苦工作得到的，生物化学工作者如何同他们紧密合作并有针对性地选用正确的材料，是成功进行生物化学研究的又一大关键。人工生物材料可分为下述三个类型。
一、新品种材料
遗传变异和自然选择使生物具有高度多样性。分类学家发现的新物种和育种学家发现的具有优良性状的野生种，不断为包括生物化学研究在内的整个生命科学提供新的生物材料。被国际公认为“杂交水稻之父”的袁隆平，就是在自然界中找到了拥有特殊性状的野生种之后，进一步获得巨大成功的。
经典遗传育种技术通过物种之间杂交所形成的杂交种材料、花粉单倍体加倍种质材料，以及人工诱导植物孤雌生殖等方法所形成的新种材料，也是生物化学研究的宝贵材料。相关的生物化学研究是探索杂交种和新种的新性状的分子机制并做出基础性重大发现的必由之路。
随着生物技术的发展，分子育种技术和经典育种技术相结合将产生越来越多的自然界中没有的动植物新品种。从自然界分离到的微生物新种，以及由紫外线和化学试剂诱变产生的微生物新变种也越来越多。生物化学实验技术不仅将成为在分子水平上研究这些新物种材料的主导研究方法，而且这些技术本身也逐渐成为制造新物种的核心技术。
二、组织培养和细胞培养材料
植物细胞全能性的发现和组织培养技术的发展，使植物器官、组织和细胞的离体培养繁殖在越来越多的物种中获得成功； LED光源和即将到来的氢聚变能源的商用，不断降低着人工控制光温的成本，因此，将会不断出现快速传代型(一年种多代型)和丰产优质型品种材料。这不仅挽救了许多濒临灭绝的植物品种，还繁育出许多在自然界难以生存的全新生理品种和快速传代型品种。
借助于解剖刀和解剖镜，可以将各种正常植物组织如根、茎、叶、花、果的局部微小组织切割下来，直接作为生物化学的实验材料。但这样的生物化学研究必须同步于植物的发育时期，为了摆脱材料上的限制和扩大材料来源，很多时候必须在实验室模拟植物的天然生理条件，使之生存(保存材料以供不时之需)或生长(扩大材料量)。可见，组织培养技术可以将材料的发育限制性供给变成周年性供给。
有些植物组织在特定的光温等外界条件下，会进行异常发育。例如，植物的许多组织受到发根农杆菌感染后，会发育为类似头发一样众多而细长的根状组织，这些根状组织的生化代谢涉及许多有价值的次生代谢。这些偏离正常组织的材料是生物化学研究的宝贵材料。
在组织培养的基础上发展起来的植物细胞培养技术，由于广泛采用了微生物遗传学的方法进行操作，目前已获得了巨大成功。动物的肿瘤细胞和干细胞表现出与植物细胞相似的无限繁殖能力。它们产生的大量生化突变型细胞及种类繁多的融合型细胞，也是生物化学研究不可缺少的新型材料。
植物组织培养和细胞培养都可以产生愈伤组织。愈伤组织是一群薄壁细胞团，介于组织和细胞之间。它可以作为脱分化的细胞，用于次生代谢的生物化学研究；也可以被外界条件所诱导进入再分化状态，发育为根、茎、叶甚至植株。愈伤组织是生物化学研究的重要材料。
三、生物产品与生物制品材料
生物产品和生物制品材料很多，国家或企业对各种产品和制品都规定了一定的生物化学指标体系，以便对这些产品或制品的生产过程进行规范，并对其质量进行控制。质量监督检验部门的主要工作就是采用生物化学方法，检测和分析这些材料的各项指标，主要包括医疗上的尿液和血液分析、食品质量分析、生物药品检验及其他生物制品和农产品检验分析等。
第二节材料的取样与保存技术原理
取样就是采集样品。样品从时间顺序上可以分为原始样品、平均样品和分析样品。原始样品一般存在于研究者所选定的田间(植物)、饲养场(动物)或其他地方(微生物)等；平均样品是具有代表性的样品，是按照统计学原理在特定的多个时空点采集的等质等量样品的集合，它昀大限度地代表了研究对象的均一性或发育阶段特异性，在空间上进行统计学多点混合取样是保证研究对象均一性的主要方法，在时间上多点混合取样是保证发育阶段特异性的主要方法。对平均样品按照统一的净化方法和微型化方法(植物样品)或其他前处理方法(动物或微生物样品)进行处理后，即可按每次生化分析所需要的量分装为分析样品。分析样品一方面可以立即被用于生物化学实验分析(多数生物化学实验)；另一方面可以通过适当的方法进行保存，留作今后进行生化研究的材料。根据今后生化研究和分析目的的不同，保存方法主要有三种：繁殖型保存法、静息型保存法和灭活型保存法。
1)繁殖型保存法的核心是模拟样品原来生长的生理条件，以保持样品的活性状态，而这种活性状态是研究目的所必需的。为了摆脱材料上的限制和扩大材料来源，实验室可以模拟植物的天然生理条件，利用组织培养技术，使之生存或生长，以供研究时获取分析样品。
2)静息型保存法是使样品在保存期间处于静息状态，在研究时又能通过某种方法完全恢复或部分恢复活性状态的保存方法。很多微生物菌株样品的保存就是采用这种方法：将其保存于低温条件(冰箱或液氮)下，在保存期间微生物菌株处于静息状态，需要时将其从低温环境中取出来，放在恒温摇床中“摇醒”，其活性状态基本上可以全部恢复，很快开始扩增性繁殖，通常繁殖到对数生长期时进行取样。很多动植物样品也可以保存于低温下，由于动植物是多细胞生物，冻融过程中水、冰体积转变可能造成伤害，使动植物样品的活性很难被“摇醒”和全部恢复，甚至不能部分恢复，但样品中的大分子活性仍然可以得到一定程度的恢复，我们可以借此研究酶和其他活性成分的生物化学性质。
3)如果要研究样品中的结构成分或小分子物质，昀好采用灭活型保存法。为了使分析样品在保存后其所测定的成分昀大限度地与原始样品中相同，就必须停止样品中物质的转化，而催化物质高效转化的是各种酶类。因此，许多灭活方法就是针对酶失活来进行的。风干是通过失水来灭活酶类的，但风干过程的时间太长，酶在此过程中的活性可以使分析样品中的待分析物质含量偏离原始样品；烘干加上高温杀酶的操作可使灭活过程的时间大大缩短，如先用 100℃以上高温短期处理，然后在 80℃的烘箱中持续烘干。另外，还有许多其他灭活酶的方法，如蒸煮法、有机溶剂(乙醇、福尔马林等)浸泡法、盐渍法和真空干燥法等。通过这些方法处理后，样品中的物质便停止转化，有机物质的含量固定不变，随时可以用来进行相关的生化研究。
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