生物化學

生物化學（biochemistry，biological chemistry）簡稱生化，是用化學、物理學和生物學的原理和方法，研究生物內物質的化學組成、結構和功能以及生命活動過程中各種化學變化過程及其與環境之間相互關係的學科。

「生物化學」不同於「化學生物學」，前者主要研究生物體中的化學進程，研究細胞內各組分，如蛋白質、糖類、脂類、核酸等生物大分子的結構和功能。相對而言，化學生物學則著重於利用化學合成中的方法來解答生物化學所發現的相關問題。雖然存在著大量不同的生物分子，但實際上有很多大的複合物分子（稱為「聚合物」）是由相似的亞基（稱為「單體」）結合在一起形成的。每一類生物高分子都有自己的一套亞基類型。例如，蛋白質是由20種胺基酸所組成，而脫氧核糖核酸(DNA)由4種核苷酸構成。

當今，生物化學研究主要著重生物大分子的化學性質，特別著重於酶促反應的化學機理。在生物化學研究中，對細胞代謝和內分泌系統的研究進行得相當深入。生物化學的其他研究領域包括遺傳密碼（DNA和RNA）、蛋白質生物合成、跨膜運輸以及細胞信號轉導。

## 歷史

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在尿素被人工合成之前，人們普遍認為非生命物質的科學法則不適用於生命體，並認為只有生命體能夠產生構成生命體的分子（即有機分子）。直到1828年，化學家弗里德里希·維勒成功合成了尿素這一有機分子，證明了有機分子也可以被人工合成。

生物化學研究起始於1833年，安塞姆·佩恩發現了第一個酶，澱粉酶。1896年，愛德華·畢希納闡釋了一個複雜的生物化學進程：酵母細胞提取液中的乙醇發酵過程。「生物化學」（德語 Biochemie 從希臘語 biochēmeia）這一名詞在1882年就已經有人使用；但直到1903年，當德國化學家卡爾·紐伯格使用後，「生物化學」這一詞彙才被廣泛接受。隨後生物化學不斷發展，特別是從20世紀中葉以來，隨著各種新技術的出現，例如色譜、X射線晶體學、核磁共振、放射性同位素標記、電子顯微學以及分子動力學模擬，生物化學有了極大的發展。這些技術使得研究許多生物分子結構和細胞代謝途徑，如糖酵解和三羧酸循環成為可能。

另一個生物化學史上具有重要意義的歷史事件是發現基因和它在細胞中的傳遞遺傳資訊的作用；在生物化學中，與之相關的部分又常常被稱為分子生物學。1950年代，詹姆斯·沃森、佛朗西斯·克里克、羅莎琳·富蘭克林和莫里斯·威爾金斯共同參與解析了DNA雙螺旋結構，並提出DNA與遺傳資訊傳遞之間的關係。到了1958年，喬治·韋爾斯·比德爾和愛德華·勞里·塔特姆因為發現「一個基因產生一個酶」而獲得該年度諾貝爾生理學和醫學獎。1988年，科林·皮奇福克成為第一個以DNA指紋分析結果作為證據而被判刑的謀殺犯，DNA技術使得法醫學得到了進一步發展。2006年，安德魯·法厄和克雷格·梅洛因為發現RNA干擾現象對基因表達的沉默作用而獲得諾貝爾獎。

生物化學的三個主要分支：普通生物化學研究包括動植物中普遍存在的生化現象；植物生物化學主要研究自養生物和其他植物的特定生化過程；而人類或醫藥生物化學則關注人類和人類疾病相關的生化性質。

### 生物化學史上的里程碑

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- 1828年，弗里德里希·維勒從無機化合物氰化銨合成有機化合物尿素
- 1833年，安塞姆·佩恩發現第一個酶——澱粉酶
- 1865年，孟德爾的豌豆雜交實驗和遺傳定律，即現在的分離定律與自由組合定律。
- 1869年，弗雷德里希·米歇爾發現遺傳物質核素
- 1877年，霍佩·賽勒首次提出名詞Biochemie，即英語中的Biochemistry
- 1896年，愛德華·畢希納發現無細胞發酵
- 1912年，弗雷德里克·霍普金斯發現食物輔助因子——維生素
- 1926年，奧圖·瓦伯格發現呼吸作用關鍵酶——細胞色素氧化酶
- 1929年，古斯塔夫·恩伯登、奧托·邁爾霍夫和Jakub Parnas闡明糖酵解作用機理
- 1932年，漢斯·阿道夫·克雷布斯闡明檸檬酸循環
- 1944年，奧斯瓦爾德·埃弗里，麥克林恩·麥克勞德，科林·麥卡蒂三人著名的肺炎球菌實驗證明DNA是細胞遺傳資訊的基本物質
- 1953年，詹姆斯·沃森和佛朗西斯·克里克等人闡明DNA三維結構
- 2006年，安德魯·法厄和克雷格·梅洛獲得了2006年諾貝爾獎，用於發現RNA干擾（RNAi）在基因表現沉默中的作用。

## 醣類

蔗糖（葡萄糖+果糖）的分子結構，是一種二糖

醣類的作用包括能量儲存和參與形成細胞中多種結構；糖也可以作為一種修飾方式連接到其他生物分子上，如連接到蛋白質上形成糖蛋白。醣類是種類最豐富的生物分子，主要是因為連接方式的多樣性。蔗糖是日常生活中最常見的糖類。糖類的生物化學研究內容主要包括糖在生物體內的組成和結構、代謝（糖酵解、糖異生）、運輸、儲存、合成以及與這些進程相關的調控。

### 單醣

單醣是最簡單的糖類，它由碳、氫和氧構成，通常比例為1:2:1（即可以用分子式CnH2nOn來表示，其中3≤n≤7）。葡萄糖是最重要的一種單醣，其他常見的單醣還有果糖（水果中的甜味來源）。與單醣相比，一些醣類（特別是在縮合成為寡聚或多聚糖鏈後）的碳含量比相對降低，而氫和氧依然保持著2:1的比例。單醣可以被分為醛糖（在鏈末端含有一個醛基，葡萄糖是這一類的代表）和酮糖（含有一個酮基，果糖是這一類的代表）。醛糖和酮糖都在鏈狀和環狀兩種形式之間保持平衡。這是由於糖鏈上的羥基可以與醛基或酮基作用形成半縮醛共價連接，構成環狀結構。這就產生了五元環（呋喃糖）和六元環（吡喃糖）。單醣具有α和β兩種異構體。

### 雙糖

兩個單糖分子可以通過縮合反應脫去一分子水（故又稱為「脫水反應」），通過醚鍵（在糖類中被稱為糖苷鍵）結合在一起形成雙糖。逆反應也可以發生，用一分子水打開醚鍵，將雙糖分為兩個單糖分子，這一反應又被稱為「水解反應」（可以被糖苷酶所催化）。最為人所知的雙糖是蔗糖，是主要的食用糖類。蔗糖是由一分子葡萄糖和一分子果糖結合在一起形成的。另一個重要的雙糖是乳糖，它是由一分子葡萄糖和一分子半乳糖生成的。人體不能產生足夠分解乳糖的乳糖酶（能夠催化乳糖分解為葡萄糖和半乳糖）就會導致乳糖不耐症或乳糖消化不良。麥芽糖也是一種常見的雙糖。

每一類單糖都具有還原末端（可以形成半縮醛的羥基）和非還原末端（不可以形成半縮醛的羥基）。如果還原末端被加上另一個糖分子，即還原末端與這個糖分子的一個羥基縮合，成為縮醛；這就使得單糖無法再形成鏈狀的醛糖或酮糖，並且這一端變為非還原末端。乳糖在其葡萄糖部分含有一個還原末端，而在其半乳糖部分則包含一個縮醛（與葡萄糖部分C4位上的羥基縮合而成）。蔗糖沒有還原末端，因為其縮醛是由葡萄糖和果糖的兩個還原末端縮合而成，而不像乳糖是一個還原末端和一個非還原末端縮合而成。書寫糖鏈時是從非還原末端向還原末端，因此糖鏈也是有方向性或極性的。

### 寡聚糖和多聚糖

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一些（3到6個）單糖分子結合在一起就可以形成寡聚糖。寡聚糖常常被用作細胞表面標記或信號分子。

大量的單糖連接在一起就可以形成多聚糖。多聚糖可以是線性單鏈，也可以具有分叉。最常見的多聚糖是糖原、澱粉和纖維素，它們都是由許多的葡萄糖單體連接構成。

- 糖原（肝醣），動物性糖類，是人類和其他動物的能量儲存分子。
- 澱粉，植物中儲存能量的糖類。
- 纖維素，由植物合成，是植物細胞壁的結構性成分，不能為人體所消化。

### 利用糖類作為能量來源

葡萄糖是生命體最主要的能量來源。例如，作為能量儲存的多聚糖（如糖原和澱粉）和一些二糖（如蔗糖和乳糖）都以葡萄糖為主要組分。

## 胺基酸和多肽

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胺基酸是形成蛋白質的基本元件。每一種胺基酸都含有氨基端（-NH2）和羧基端（-COOH），屬於兩性（可既帶正電又帶負電，即帶有酸性又帶有鹼性）分子；其碳α原子上連接著側鏈，而氨基端、羧基端和碳α原子則被稱為主鏈（在蛋白質和多肽中）。胺基酸的特點主要由其側鏈的化學性質的不同來表現。根據側鏈化學性質的不同，胺基酸可以被分為帶電胺基酸（如精氨酸、穀氨酸）、極性胺基酸（如絲氨酸）、非極性胺基酸（如苯丙氨酸）等。

除了形成蛋白質，一些胺基酸自身或修飾後的形式就具有一定的生物學功能，如穀氨酸是一種重要的神經遞質。

胺基酸之間是通過脫水反應所形成的肽鍵來互相連接。一定數量（一般大於3小於30）的通過肽鍵線性連接在一起的胺基酸被稱為多肽（更長的多肽鏈就被稱為蛋白質）。一些多肽在生物體內可以作為信號分子。

## 蛋白質

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蛋白質是由胺基酸分子呈線性排列所形成，相鄰胺基酸殘基通過形成肽鍵連接在一起。

與其他生物分子相比，蛋白質的功能更為多樣，涵蓋了細胞生命活動的各個方面。例如，最常見的蛋白質──酶，可以催化細胞內大多數的化學反應，特別是代謝方面的反應，可以將反應的速度提高最多達1017倍；一些蛋白質可以發揮結構性作用，如肌球蛋白和肌動蛋白可以構成骨骼肌；免疫球蛋白可以參與機體的免疫反應；細胞信號傳導和細胞周期控制也都是由一系列蛋白質來控制。

蛋白質最大的特點之一是可以特異性地與其他各類分子，包括蛋白質分子結合；例如，酶與底物的結合，抗體與抗原的結合。實際上，酶聯免疫吸附法（ELISA）就是利用抗體來檢測大量不同的生物分子，因此具有極高的敏感性。而酶與底物結合的特異性和催化的高效性，使得它經常被改造以用於控制細胞的生化反應。

蛋白質的結構具有四個層次：一級結構用於描述組成蛋白質多肽鏈的線性胺基酸序列；二級結構是依靠不同胺基酸之間的C=O和N-H基團間的氫鍵形成的穩定結構，如α螺旋和β摺疊；三級結構為通過多個二級結構元素在三維空間的排列所形成的一個蛋白質分子的三維結構，是單個蛋白質分子的整體形狀，常常可以用「摺疊」一詞來表示「三級結構」；四級結構則用於描述由不同多肽鏈（亞基）間相互作用形成具有功能的蛋白質複合物分子的形態。

蛋白質的生物化學研究內容廣泛，包括蛋白質的結構、合成、降解、信號轉導、酶促反應等等。

## 脂類

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脂類包含了種類繁多的分子，它們的共同特點是具有非水溶性或非極性成分，包括蠟、磷脂（細胞膜的主要成分）、鞘脂、糖脂和萜類化合物（如類視色素和類固醇）。一些脂類是線性脂肪族分子，而其他則具有環狀結構，如芳香族分子。一些脂類分子為剛性分子，而另一些則具有較大柔性。

雖然整體來說，脂類分子是非極性的，但大多數脂類分子都含有部分極性特徵。一般情況是這些分子結構的主體是非極性或疏水性，這一部分就不能與水之類的極性溶劑作用；而它們結構中的另一部分為極性或親水性，可以與水等極性溶劑作用。這就使得脂類成為同時具有疏水性和親水性的兩性分子，這一特點也是磷脂能夠形成雙分子層細胞膜的原因。在膽固醇中，極性基團只是一個羥基；而磷脂分子則有更大和極性更高的極性基團。

脂類也是人們日常飲食中不可缺少的一部分。大多數的食用油和奶製品中都含有豐富的脂肪，植物油中就含有多種多不飽和脂肪酸。食物中的脂肪和脂類在人體中被消化降解為脂肪酸和甘油。

脂類的生物化學研究內容包括它們的結構、定量方法、代謝、能量儲存以及在細胞中的運輸等。

## 核酸

核酸是一種由核苷酸構成的複雜的高分子量生物大分子，用於生物體遺傳資訊的保存和傳遞，之所以被稱為核酸是因為其主要存在於細胞核中。最普遍的核酸是脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。核酸存在於目前所有已發現的活細胞和病毒中。除了作為細胞的遺傳物質，核酸也有其他多種生物學功能，如發揮第二信使的作用，為三磷酸腺苷（生物體中最基本的能量攜帶分子）的合成提供磷酸基團，參與形成輔酶，有些RNA分子（核酶）還可以發揮催化作用。

構成核酸的單體核苷酸本身是由三個部分組成：一個氮雜環鹼基（嘌呤或嘧啶），一個戊糖和一個磷酸基團。不同類型的核酸具有不同的糖結構，如DNA含有的是2-脫氧核糖。此外，鹼基類型在不同的核酸中也有所不同，DNA和RNA都含有腺苷酸、鳥苷酸和胞嘧啶，而胸腺嘧啶只存在於DNA中，尿嘧啶只存在於RNA中。

核酸的生物化學研究內容包括核酸結構，DNA的複製、修復和轉錄，基因調控，以及RNA的翻譯。

## 同其他「分子尺度」生物科學的關係

生物化學、遺傳學和分子生物學關係簡圖 (zh-cn).svg 生物化學的研究者們不僅應用生物化學特有的技術，而且越來越多地從遺傳學、分子生物學和生物物理學的技術和思路中獲得啟迪，綜合利用。因此，這些學科間越來越多地相互融合，不再有明確的分界線。而生物化學和分子生物學更是基本上相互結合在了一起。下圖抽象地展示了對相關領域之間的相互關係一種可能的闡釋：

- 生物化學主要研究化學物質在生物體關鍵的生命進程中的作用。生物化學家主要關注生物分子的作用，功能和結構。生物過程背後的化學和生物活性分子的合成的研究是生物化學的例子。
- 遺傳學主要研究生物體間遺傳差異的影響。這些影響常常可以通過研究正常遺傳組分（如基因）的缺失來推斷，如研究缺少了一個或多個正常功能性遺傳組分的突變型與正常表現型（又稱為「野生型」）之間的關係。遺傳相互作用（如異位顯性）經常會使像基因敲除這類研究的結果難以解釋。
- 分子生物學主要研究遺傳物質的複製、轉錄和翻譯進程中的分子基礎。分子生物學的中心法則認為「DNA製造RNA，RNA製造蛋白質，蛋白質反過來協助前兩項流程，並協助DNA自我複製」；雖然這一描述對分子生物學所涵蓋的內容過於簡單化（特別是RNA的新功能仍在不斷發現中），但仍不失為了解這一領域的很好的起點。
- 化學生物學則注重於發展新的基於小分子的工具，從而在只對生物學系統引入微小的干擾的情況下，對它們所發揮的功能提供更具體的資訊。而且，化學生物學還利用生物學系統合成由生物分子和合成裝置組成的非天然雜合物，例如利用空的病毒顆粒衣殼來進行遞送治療和藥品分子。

## 延伸閱讀

- Proceedings of National academy of Science of the United States of America , ISSN 1091-6490 (electronic)

## 外部連結

- The Virtual Library of Biochemistry and Cell Biology
- 生物化學，第五版全文，Berg，Tymoczko和Stryer編著，NCBI。
- 生物化學，第二版全文，Garrett和Grisham編著。
- The Protein Zone