第1章 绪论
　　生物化学与分子生物学在自然科学领域中是一门年轻的新兴的学科，也是在化学、物理学、生物学、遗传学、生理学等学科的基础上发展起来的学科，所以，也是一门边缘学科。生物化学与分子生物学作为医学的重要基础学科之一，对人类的进步、科学的发展起到了巨大的推动作用，就诺贝尔奖获得情况来看，从1901年至2008年就这方面取得的成就获奖达53次，占化学奖的近1/3，占生理学医学奖的近1/4。
　　生物化学就是生命的化学。它是研究活细胞和有机体中存在的各种化学分子及其所参与的化学反应的科学；分子生物学是研究生物大分子的结构、功能及其调控机制的科学，因此，从广义上讲，生物化学包括分子生物学的全部知识，经典内容就是传统生物化学知识，分子生物学内容就是近代和现代生物化学知识。
　　第一节 生物化学与分子生物学发展史简介
　　生物化学与分子生物学的发展大致分为三个阶段：静态生物化学、动态生物化学(即物质代谢过程)和现代生物化学(即分子生物学)。在100多年的发展历程中，随着人类整体科学技术水平和能力的高速推进，本学科也有许多发现和发明极大地推动学科的发展。
　　一、静态生物化学阶段
　　静态生物化学阶段也有人称为描述生物化学、叙述生物化学阶段。这个阶段发展缓慢，历时时间最长，从18世纪的晚期到20世纪早期，主要围绕生物体的化学组成，化学组成的结构、性质，生物化学反应的基本概念等方面从事研究。如1773年发现尿素；1780年证明呼吸即氧化反应；1836年明确了生物催化剂概念和1897年完成无细胞发酵；1869年发现核酸；1890年结晶出第一个蛋白质；1902年证明蛋白质即是多肽；1903年分离出肾上腺素；1926年分离出维生素B1、脲酶；1929年发现“活性磷酸”ATP。
　　二、动态生物化学阶段
　　在静态生物化学的研究结果基础上，这阶段的研究主要围绕进入生物体的化学物质的组成，及其代谢过程、代谢条件、代谢调控和代谢产物进行，这些研究成果除借助于其他分离分析技术的高度发展外，同位素示踪技术的发明和应用加快了研究的进程。如：1932年发现“鸟氨酸循环”；1937年“三羧酸循环”模式化；1938年发现转氨基作用；1939年发现氧化磷酸化作用；1948~1950年证明了三羧酸循环、脂肪酸β氧化和氧化磷酸化在线粒体进行。以上两个阶段构成了经典生物化学的基本内容。
　　三、现代生物化学阶段
　　现代生物化学阶段即分子生物学阶段，主要研究生物大分子的结构、功能、代谢和调控，其中心内容是遗传信息的保存、传递、表达、调控以及细胞信号转导机制。这一阶段生物化学发展最快、成果最突出、对生命科学的进步推动最大和对人类的影响最深远。其中最具影响的成果有：1952年阐明蛋白质的α-螺旋模型；1953年阐明DNA的双螺旋模型；1958年证明了半保留复制；1959年发现cAMP为激素作用的第二信使；1968年发现不连续复制；1970年发现限制性内切酶和逆转录酶；1978年发现DNA中有内含子存在；1980年发明DNA碱基测序；1983年发现DNA上的“可移动遗传元件”；1990年启动人类基因组计划(Human Genomic Project，HGP)；1993年发明“PCR”技术；1996年克隆羊“多莉”诞生；1997年发现感染性蛋白颗粒(Prion)；1998年发现NO是信号分子；2003年完成人类基因组序列图；2006年发现RNA干扰现象；2007年实现小鼠“基因打靶”技术。
　　下面重点介绍一下人类基因组计划和人类后基因组计划。
　　人类基因组计划于1990年正式启动，美国、英国、法国、德国、日本和我国科学家共同参与了这一价值达30亿美元的研究计划。该计划在2003年完成。人类基因组计划与曼哈顿原子弹计划和阿波罗计划并称为三大科学计划。HGP的目的是解码生命、了解生命的起源、了解生命体生长发育的规律、认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产生的机制以及长寿与衰老等生命现象、为疾病的诊治提供科学依据。HGP的主要任务是人类的DNA测序，完成四张谱图：
　　1.遗传图谱(genetic map)又称连锁图谱(linkage map)，它是以具有遗传多态性(在一个遗传位点上具有一个以上的等位基因，在群体中的出现频率皆高于1%)的遗传标记为“路标”，以遗传学距离(在减数分裂事件中两个位点之间进行交换、重组的百分率，1%的重组率称为1cM)为图距的基因组图。遗传图谱的建立为基因识别和完成基因定位创造了条件。意义：6000多个遗传标记已经能够把人的基因组分成6000多个区域，使得连锁分析法可以找到某一致病的或表现型的基因与某一标记邻近(紧密连锁)的证据，这样可把这一基因定位于这一已知区域，再对基因进行分离和研究。
　　2.物理图谱(physical map)物理图谱是指有关构成基因组的全部基因的排列和间距的信息，它是通过对构成基因组的DNA分子进行测定而绘制的。绘制物理图谱的目的是把有关基因的遗传信息及其在每条染色体上的相对位置线性而系统地排列出来。DNA物理图谱是指DNA链的限制性酶切片段的排列顺序，即酶切片段在DNA链上的定位。因限制性内切酶在DNA链上的切口是以特异序列为基础的，核苷酸序列不同的DNA，经酶切后就会产生不同长度的DNA片段，由此而构成独*的酶切图谱。因此，DNA物理图谱是DNA分子结构的特征之一。DNA是很大的分子，由限制酶产生的用于测序反应的DNA片段只是其中的极小部分，这些片段在DNA链中所处的位置关系是应该首先解决的问题，故DNA物理图谱是顺序测定的基础，也可理解为指导DNA测序的蓝图。
　　3.序列图谱(sequence map)随着遗传图谱和物理图谱的完成，测序就成为重中之重的工作。DNA序列分析技术是一个包括制备DNA片段化及碱基分析、DNA信息翻译的多阶段的过程。通过测序得到基因组的序列图谱。
　　4.基因图谱(genome map)基因图谱是在识别基因组所包含的蛋白质编码序列的基础上绘制的结合有关基因序列、位置及表达模式等信息的图谱。在人类基因组中鉴别出占具2%~5%长度的全部基因的位置、结构与功能，最主要的方法是通过基因的表达产物mRNA反追到染色体的位置。
　　在完成四张图谱的基础上，HGP还进行了两方面的工作，一是疾病基因的定位克隆，人类基因组计划的直接动因是要解决包括肿瘤在内的人类疾病的分子遗传学问题。6000多个单基因遗传病和多种大面积危害人类健康的多基因遗传病的致病基因及相关基因，代表了对人类基因中结构和功能完整性至关重要的组成部分。所以，疾病基因的克隆在HGP中占据着核心位置，也是计划实施以来成果最显著的部分。二是多基因病的研究，由于多基因疾病不遵循孟德尔遗传规律，难以从一般的家系遗传连锁分析取得突破。这方面的研究需要在人群和遗传标记的选择、数学模型的建立、统计方法的改进等方面进行艰苦的努力。1999年9月，我国获准参加国际人类基因组计划研究，成为继美、英、日、德法之后的第六个参与国。值得注意的是，我国是参与这一研究计划的唯一发展中国家。在国家科技部和中科院的资助下，2002年4月，我国科学家仅用半年时间就完成了人类基因组计划中分配的1%的测序任务，即3号染色体上3000万个碱基对的测序任务。更为重要的是，我国测序的这段染色体是基因密集的区段，有750~1000个基因，蕴藏着极大的可开发资源。
　　人类后基因组计划：人类后基因组计划是由序列(结构)基因组学向功能基因组学的转移。即在基因组静态的碱基序列逐步搞清楚后，转而对基因组进行动态的生物学功能的研究。对基因功能的研究包括一个给定的基因在什么地方、什么时候表达以及基因实际上是做什么的。在这些巨量的序列信息基础上，就可以在分子层面上探索人类健康和疾病的奥秘，从老年痴呆症到癌症等不治之症的攻克，从疾病预防到优生优育到长寿等。人类后基因组计划包括基因的表达与调控、蛋白质组学、生物信息学、比较基因组学、结构基因组学、药物基因组学等等，其研究结果必将极大地推动医学的发展。
　　第二节 生物化学与分子生物学在医学中的地位及本书的内容
　　一、生物化学与分子生物学在医学中的地位
　　生物化学与分子生物学作为医学基础课的主要课程之一，以化学、生物学、物理学及其他相关公共学科为基础，从分子水平研究正常人体的组成、代谢及调控机制。一方面为后续的基础学科如生理学、药理学、免疫学、病理学、微生物学打下基础，并在这些学科中衍生出新兴的分支学科，如生化药理学、分子药理学、分子免疫学、分子病理学、分子遗传学、分子病毒学、病理生化学等国；另一方面也为临床学科预防、理解、诊断和治疗疾病提供理论依据。如唐筛检查胎儿先天愚型，肿瘤标志物检查，PCR结合分子杂交诊断肿瘤，将来的“基因打靶”治疗遗传病和肿瘤，临床生化检验的基本原理和方法，基因药物治疗相关疾病，基因疫苗预防各种传染病等等。有人预言，到21世纪的中叶，基因方法治疗相关疾病犹如目前治疗普通感冒一样简单，但这都离不开生物化学与分子生物学的基本原理和方法。综上所述，无论是对于基础学科还是临床学科，生物化学与分子生物学都是关系十分密切、地位非常重要的基础学科。
　　二、本书的内容及特点
　　和其他医学生物化学与分子生物学教材一样，本书同样含四部分内容：①生物大分子的结构与功能：包括蛋白质的组成与结构、核酸的组成与结构、酶的结构与功能。②物质代谢：包括糖、脂、氨基酸、核苷酸和能量代谢。③遗传信息的传递、表达、调控：包括复制、转录、翻译、基因表达调控、基因重组与基因工程。④专题生物化学：包括肝脏的生物化学，放射损伤的生物化学，骨、牙生物化学，麻醉生物化学和应急状态的生物化学。
　　本教材的特点主要体现在实用上：①根据五年制医学本科学生后续课程和临床课程的需要突出主干内容，删减其他学科已经或将重复的内容。②保留基本内容，删减其他内容，比如一些复杂而又非必须掌握的结构、反应过程等。③每章增加密切相关的临床病例以强化基础知识和提高学习的针对性、积极性。④书未列出参考文献供学有余力的学生深入自学。⑤针对目前相关医学专业的细分增添相关内容，如放射损伤的生物化学、麻醉生物化学和应急状态的生物化学。
　　本书是在总结数十年教学的基础上，结合多个学校生物化学教师和医学生的反响，配合教育和教学改革所作的一个尝试，由于水平有限，疏漏之处还请各位教师、学生和读者批评、斧正。(鄢佳程李红林朱彦雨)
　　第2章 蛋白质的组成与结构
　　蛋白质(protein)是由氨基酸组成的一类重要的生物大分子，是生命的物质基础。人体内蛋白质的含量很多，约占人体固体成分的45%，它的分布很广，几乎所有的器官组织都含蛋白质，并且它又与所有的生命活动密切联系。例如，机体新陈代谢过程中的一系列化学反应几乎都依赖于生物催化剂———酶的作用，而酶的本质就是蛋白质；调节物质代谢的激素有许多也是蛋白质或它的衍生物；其他诸如肌肉的收缩，血液的凝固，免疫功能，组织修复以及生长、繁殖等主要功能无一不与蛋白质相关。近代分子生物学的研究表明，蛋白质在遗传信息的控制、细胞膜的通透性、神经冲动的发生和传导以及高等动物的记忆等方面都起着重要的作用。
　　第一节 蛋白质的组成单位
　　一、蛋白质的元素组成
　　蛋白质的元素组成主要是碳(50%~55%)、氢(6%~7%)、氧(19%~24%)、氮(13%~19%)，硫(0~4%)。除此以外，部分蛋白质还含有磷、铁、铜、锌、锰、硒、碘等元素。其中，各种蛋白质中氮含量平均约为16%，即1克氮约相当于6.25克蛋白质。因此，利用含氮量可以推算蛋白质的大致含量。