绪论
第一节 生物化学的含义
生物化学（biochemistry)是研究生命现象化学本质的科学。具体讲，生物化学是用物理的、化学的原理与技术，从分子水平来研究生物体的化学组成、生命活动的基本规律及其调节方式，从而阐明生命现象化学本质的一门科学。
生物化学是化学与生物学相互渗透的边缘学科，其研究内容主要有两个方面：一方面是研究构成生命体的物质以及对生化反应起主要作用的酶、维生素、激素等的结构、性质和功能，这一部分内容为静态生物化学。另一方面是研究这些构成生物体的物质在生命活动过程中的合成、分解以及这些过程的能量转化、代谢调节规律，这一部分内容为动态生物化学。根据研究对象的不同，生物化学可分为人体生物化学、动物生物化学、植物生物化学、微生物生物化学等；根据研究领域的不同，可分为工业生物化学、农业生物化学、医学生物化学。如果再细分，农业生物化学还可分为果树生物化学、昆虫生物化学、作物生物化学等，医学生物化学还可分为肝胆生物化学、血液生物化学、肌肉生物化学等。如果只是研究各种生物共性的内容，如四大基本物质（糖、旨、蛋白质、核酸）的结构、性质、功能、代谢以及代谢调节，则为基础生物化学。
本教材就是从一般生物入手，研究生物共性的化学，即属于基础生物化学。
第二节 生物化学的发展
从古代开始，人们早已广泛应用生物制品，并积累了不少关于生物化学的知识。例如，我国古代劳动人民已广泛应用并发展了酿酒、制醋和生产怡糖等技术。到18世纪，由于“活力论”的影响，使生物化学的发展停滞不前。18世纪中叶，Lavoisier (1775年）证实了呼吸过程是一个氧化过程；Priestley (1776年）发现了光合作用；19世纪初，W6hler以人工方法用氰酸铵合成尿素，实现了在一定条件下无机物与有机物之间的转化。这些有力的证据彻底否定了“活力论”。
19世纪末20世纪初，生物化学发展成为一门独立的新兴学科。
20世纪30年代以后，生物化学有了迅速的发展，主要代谢途径相继被阐明，许多著名的生物化学家如 Warburg、Keilin、Embden、Meyerhof、Krebs、Hill、Lipmann 等为此做出了重要的贡献。50年代以后，生物化学已成为生物学科的中心和前沿领域。年轻的科学家Watson和Crick于1953年首次提出了 DNA双螺旋结构模型，这成为生命科学发展史上的一个里程碑，开创了生物科学的新纪元。
当前，生物化学取得了一系列可喜的成果。特别是人类基因组计划的实施，加速了人类认识生命的步伐，使21世纪成为世人公认的生物世纪。
在我国，生物化学也得到了突飞猛进的发展，许多生物化学工作者在血液生化、免疫化学、酶的作用机理、蛋白质变性理论、血红蛋白变异、植物肌动蛋白结构、生物膜结构与功能等方面做出了突出贡献，取得了具有国际水平的研究成果。我国科学家1965年完成了牛胰岛素的全合成，1972年用X射线衍射法测定了猪胰岛素的空间结构，1981年底完成了丙氨酸tRNA的人工全合成。特别是我国作为唯一的发展中国家参加了人类基因组计划，并出色地完成了1%的任务。我国还完成了水稻基因组的分析、多种转基因动植物的培育这些为我国在生命科学的许多重要领域赢得了领先的地位。
第三节 生物的化学特征
一、元素特征
虽然自然界存在有90余种元素，但是出现在生物体中的只有30余种，其中16种元素在生物体中普遍存在，它们是C、H、0、N、S、P、Mn、Fe、Co、Cu、Na、 Mg、Cl、K、Ca、Zn。这些元素的相对原子质量都比较小。
(1)H、0、N、C0这4种元素占生物体干重的99%以上，它们分别拥有1、2、3、4个价电子，可以形成稳定的共价键。H可以形成一个共价键，生物体中*常见的是碳氢化合物。在生化反应中H经常参与加氢和脱氢的氧化还原反应，通过这些过程，生物体发生合成、分解、放能、需能反应。H的解离形式是H+，它的浓度决定了生物体的pH。0可以形成两个共价键，它经常以极性基团存在（如一OH、一COOH)，也是有机物*终氧化的形式——C02的主要成分；0是第三个强有力的电子受体（另外两个是F、N)，因此其他有机物向氧的电子传递可以产生能量，这个过程就是生物获得能量的主要方式——呼吸作用。N常见的是形成3个共价键，它经常以极性基团的形式存在（如一NH2)，有机分子正是N的掺入而形成了性质各异、功能繁多的各种生物分子。生物体细胞干重的一半是碳元素，它可以形成稳定的4个共价键，C与0、N可形成单键和双键，C与C可形成单键、双键、三键，并且可连续连接，C为四面体结构，C一C单键可以自由旋转，正因为如此，C可形成线形、支链、环状、长链、短链等各种构象、结构的碳骨架；碳骨架加上官能团就赋予了分子特殊的化学性质。这种以碳氢结构为基础，以官能团为特征的有机分子结构，构成了组成生物体的千变万化的有机分子。
(2)S和P。S在生物体的主要形式是硫氢基，它们可以通过氧化形成二硫键，这种键是稳定蛋白质构象的主要作用力之一，也可以和羧基形成硫酯键。P在生物体中主要是以磷酸基团的形式存在，*多的是形成磷酯键。因为形成硫酯键、磷酯键需要比较高的能量，当这些键打开时就可以释放出比较高的能量，所以一些含S、P的分子（如 ATP、脂酰CoA等）是很好的能量载体。
(3)单原子离子。如Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Cu2+、Zn2+、Cl-等。这类离子的功能比较多。有的没有专一性，可起到维持渗透压平衡、形成跨膜离子梯度、大分子的表面电荷等作用，如Na+、K+。有的可通过接受和释放电子而起到传递电子的作用，如Fe2+、Cu2+0有的具有细胞信号分子的作用，如Ca2+。
二、非共价键的作用
在生物体除了我们熟知的分子中连接原子的共价键之外，还有十分重要的四种非共价键。
(1)离子键。这是由两个相反电荷通过静电引力形成的，如蛋白质中的羧基与氨基。离子键在维持生物大分子的结构、大分子与配基的结合等方面有着很重要的作用。
(2)氢键。这是由电负性大的原子（0、N、F)与结合其上的氢原子通过静电引力形成的。这种键的作用力很小，但是在生物大分子中存在众多的氢键，使得这种键在维持大分子的结构以及大分子与其配基的结合专一性上具有重要的位置。
(3)疏水作用力。这是在水环境中疏水基团为避开极性的水分子而产生的聚集力，而不是一种键。它的形成是因为水的溶解性质，而不是疏水基团之间的作用力。当疏水基团存在于水溶液中时，水分子在其表面必须整齐排列，致使体系的熵值减小，分子处于不稳定状态。只有疏水基团相互聚集，尽量减少与水的接触面，这样体系的熵值才增大，分子处于比较稳定的状态。这种疏水作用力是稳定蛋白质、核酸、生物膜等大分子及其聚集体的重要作用力。
(4)范德华引力。这是化学基团之间小范围的作用力，比其他作用力都弱得多，但是由于它们广泛存在，所以对生物结构的稳定性有很大的贡献。
三、基本的分子组成
虽然生物体是由多种分子组成，但其基本的分子组成是水和30种前体分子。
(1)水。水是生物体内含量*高、存在*广泛的物质。由于它特有的性质使得水非常适合于生物系统，所以水有“生命之源”的美称。
水的第一个特性是其极性。由于水的分子结构，决定了它是弱极性分子。所以水是很好的极性溶剂，可以溶解电解质与极性物质，有利于生物反应的进行。当两性分子存在于水中时，水的溶解特性使它们自动排列为有序的结构，如组成生物膜的极性脂，需要排列为脂双层结构，蛋白质分子则形成外表亲水内部疏水的结构，从而保证了生物大分子和多聚体有序的结构进而发挥特有的功能。
水的第二个特性是其氢键。由于水由H和O形成，所以水分子间可以形成氢键。正是由于这些氢键的存在，使得水比其他液体具有高蒸发热和高热容，从而有利于生物体内的温度恒定。
(2)前体分子。我们分析生物大分子的结构可以发现，它们主要是由30余种小前体分子构成的，所以这些小前体分子也称为生物分子的“字母”。前体分子可以分为四类：
20种L-氨基酸。这是蛋白质的基本单位。
5种含氮碱基、2种嘌呤与3种嘧啶。它们与磷酸核糖或脱氧磷酸核糖结合就形成 RNA、DNA的基本单位——核苷酸。
2种糖。第一种是葡萄糖，这是作物光合作用的产物，也是生物代谢的重要中间产物。第二种是1>核糖，它是核苷酸的基本组成成分。
软脂酸、甘油和胆碱。它们一起组成了磷脂分子，是生物膜的重要组成成分。
四、生物大分子的组成
许多生物其干重的90%以上是由生物大分子构成的，而生物大分子是由一类或少数几类前体分子以重复结构相互连接在一起所形成的多聚体。生物体中有三种主要的生物大分子，蛋白质是由氨基酸通过肽键连接的大分子，它是生物功能*主要的执行者；核酸是核苷酸通过磷酸二酯键连接的大分子，这个多聚体的核苷酸排列顺序编码遗传信息，从而指导生物体的生长、发育、繁殖、代谢等；多糖是单糖通过糖苷键连接的大分子，它们的功能主要是动植物中贮存能量（淀粉、糖原)，植物中作为结构成分（纤维素)。
生物大分子具有两个特性。首先，一种大分子只有一种或少数几种单体间的连接键，如蛋白质中只有肽键，核酸中只有磷酸二酯键。所以大分子的合成是简单的，其过程只是由一个或少数几个酶催化，将所需的单体按顺序连接而已。其次，大分子中单体间连接键的形成需要消除水，而这些键分解时需要加水即水解，这些键的形成需要能量，键的水解释放能量。但是如果缺乏催化剂，这些反应并不以满意的速度进行。所以生物大分子在动力学上有稳定性，而在热力学上稳定性较差。
五、生物体的结构层次性
如前所述，生物元素组成生物分子，生物前体分子组成生物大分子。生物大分子则进一步形成复合体，生物大分子和复合体再组成亚细胞结构和细胞器，进而形成细胞。细胞则可继续形成组织、器官、系统，*后形成多细胞的生物体。在高层次的结构中，生物大分子间的结合是非共价的。所以，这些结构可以实行自我装配。
第四节 生物化学与其他学科的关系
生物化学是用物理的、化学的原理和方法研究生物体的化学现象，所以生物化学与化学特别是分析化学、有机化学以及物理化学有着密切的关系。
生物化学的研究对象是生物体，属于生物学科的一个分支，它和生物学科的其他分支也有联系。生理学主要研究生物体各类细胞、组织和器官的功能，以及生物体对内外环境变化的反应。它必然要涉及生物体内有机物的代谢，而有机物的代谢途径和机理正是生物化学的核心内容之一。细胞生物学研究生物细胞的形态、成分、结构和功能，包括研究组成细胞的各种化学物质的性质及其变化，而生物化学所研究的生物分子都是定位于细胞的某一部位而发挥作用的。核酸和蛋白质的结构、生物合成与调控是分子生物学研究的重要内容，也是生物化学必须讨论的重大课题，所以分子生物学和生物化学是关系*密切的姊妹学科。
第五节生物化学的应用和发展前景
生物化学向其他学科的渗透越来越明显，它几乎渗透到了一切生命科学的领域，绝大多数生物学问题都需要从生化角度利用生化方法才可能得到较深入的了解。可以说，生物化学的原理与技术是研究现代生物科学的重要手段之一。
生物化学的原理和技术在生产实践中也得到了广泛的应用。如食品、发酵、制药及皮革工业和预防、治疗医学等都与生物化学有着密切的关系。
在20世纪80年代形成了生物工程或生物高技术的崭新领域，包括基因工程、蛋白质工程和酶工程；以及细胞培养、组织培养等技术，用于改造物种和生产对人类有用的产物。以生物化学的理论和技术为基础的生物工程具有广阔的前景。首先，利用生物工程的方法和技术可以改造物种，培育高品质的转基因植物。其次，人们利用植物建造“植物工厂”，生产对人类有用的特殊生物
展开
