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[转载]秦惠基:生物化学的发展简史

已有 639 次阅读 2021-2-24 15:53 |个人分类:医学史话|系统分类:科普集锦|文章来源:转载

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,Lavoisier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。


在尿素被人工合成之前,人们普遍认为非生命物质的科学法则不适用于生命体,并认为只有生命体能够产生构成生命体的分子(即有机分子)。直到1828年,化学家弗里德里希·维勒成功合成了尿素这一有机分子,证明了有机分子也可以被人工合成。[1][2]

生物化学研究起始于1833年,安塞姆·佩恩(Anselme Payen)发现了第一个酶,淀粉酶。1896年,爱德华·毕希纳阐释了一个复杂的生物化学进程:酵母细胞提取液中的乙醇发酵过程。“生物化学”(biochemistry)这一名词在1882年就已经有人使用;但直到1903年,当德国化学家卡尔·纽伯格(Carl Neuberg)使用后,“生物化学”这一词汇才被广泛接受。随后生物化学不断发展,特别是从20世纪中叶以来,随着各种新技术的出现,例如色谱、X射线晶体学、核磁共振、放射性同位素标记、电子显微学以及分子动力学模拟,生物化学有了极大的发展。这些技术使得研究许多生物分子结构和细胞代谢途径,如糖酵解和三羧酸循环成为可能。

另一个生物化学史上具有重要意义的历史事件是发现基因和它在细胞中的传递遗传信息的作用;在生物化学中,与之相关的部分又常常被称为分子生物学。1950年代,詹姆斯·沃森、佛朗西斯·克里克、罗莎琳·富兰克林和莫里斯·威尔金斯共同参与解析了DNA双螺旋结构,并提出DNA与遗传信息传递之间的关系。[3]到了1958年,乔治·韦尔斯·比德尔和爱德华·劳里·塔特姆因为发现“一个基因产生一个酶”而获得该年度诺贝尔生理学和医学奖。[4]1988年,科林·皮奇福克成为第一个以DNA指纹分析结果作为证据而被判刑的谋杀犯,DNA技术使得法医学得到了进一步发展。2006年,安德鲁·法厄和克雷格·梅洛因为发现RNA干扰现象对基因表达的沉默作用而获得诺贝尔奖。[5]

生物化学的三个主要分支:普通生物化学研究包括动植物中普遍存在的生化现象;植物生物化学主要研究自养生物和其他植物的特定生化过程;而人类或医药生物化学则关注人类和人类疾病相关的生化性质。



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