biochemistry e6 翻译 第一章 生物化学属于进化科学.doc

生物化学属于进化科学 疾病和基因组。人类基因组研究能揭示病因和其它的生物化学奥秘。左边是人类染色体，含有构成人类基因组的DNA分子。染色体显色图谱用于鉴定染色体特定区域。右边是人类7号染色体图谱，用箭头标出了q31.2条带。该区域编码的蛋白质功能异常将导致囊性纤维化疾病 [左图来自 Alfred Pasieka/Peter Arnold]。 生物化学是研究生命过程的化学。自从1928年发现无机物能够合成生命分子如尿素以来，科学家们对生命的化学进行了深入研究。这些研究解决了生命物质如何在生物化学水平上发挥作用的大多数基本问题。但是还有很多未解之谜。常常是解决一个问题后又引入了很多新的问题。我们正处在应用生物化学的丰富知识解决医学、牙医、农学、法医、人类学、环境科学、以及其它相关领域问题这个充满巨大机遇的时代。本书开篇将介绍过去一百年来最重大的发现之一：各种生物体在生物化学水平上是同一的。 1.1 生命多样性的背后是生物化学的一致性 生物世界多种多样。动物世界小到显微镜才能观察的昆虫，大到象和鲸鱼（whales）这样的庞然大物。植物界的情况与此相似，小的相对简单的藻类，大的如巨杉(giant sequoias)。动物需要吃东西才能生存，但植物能利用太阳能将二氧化碳转化成生物组织。当我们进入显微世界，就会发现更为广泛的生物多样性。单细胞生物如原生动物、酵母和细菌的生存环境差异很大。有些生物甚至生存于极端环境如温泉和冰川(glaciers)。 显微镜观测解释了各式各样生物的一个共同特征。单细胞微生物一样，大的生物个体也是由细胞组成的，提示这些多种多样的生物实际上具有更多的共性。随着生物化学研究的进展，越来越多的事实支持了这个想法。在生物化学水平，所有生物的共性很多（图1.1）。 图1.1 生物化学的多样性和共同性。经过千百年的进化，不同物种之间的基因表达调节蛋白质（TATA-box结合蛋白）外形是相似的[(Left) Dr. T. J. Beveridge / Visuals Unlimited; (middle) Holt Studios / Photo Researchers; (right) Time Life Pictures / Getty Images.] 如早先说过的，生物化学是研究生命过程的化学。这些生物命过程涉及两类分子。一类是像蛋白质和核酸的生物大分子，另一类像葡萄糖和甘油的小分子，也称为代谢物。这些物质参与生物生命过程的化学转化。所有生物都有这两类物质。在不同生物之间，这两类物质差异不大。例如所有生物都用DNA储存遗传信息。蛋白质是所有生物过程的关键执行者，但是不同生物的蛋白质合成原料都是相同的20种氨基酸。不同生物体内执行相似功能的蛋白质，其三维结构也非常相似(图1.1）。 所有生物的关键代谢过程也是相同的。例如，简单细菌（如大肠杆菌）到人类都有相同的代谢过程，能够将葡萄糖和氧气转化成二氧化碳和水。即使有些生物过程似乎差异很大，但是从生物化学角度看也有很多共同特征。植物将太阳能转化成可利用的能量形式与动物断裂葡萄糖获取能量的化学反应也非常相似。 这些结果强烈暗示，地球上所有生命的祖先是共同的，即现代生物都是从这个共同祖先进化而成的。基于地质学和生物化学发现，有人提出了生物进化的时间表（图1.2）。 图1.2 生物进化可能的时间节点。图中标出了一些关键事件。注意地球生命在35亿年前就已经产生，而人类在最近才出现。 基于生物化学特征，可以将现代生物分为三大类，即真核生物、细菌、和古生菌。真核生物包括所有多细胞生物(如人类）和像酵母一样的单细胞生物。真核生物的显著特征是每个细胞都有一个明显的细胞核。细菌没有这样的核，因此叫原核生物(prokaryotes)。1977年Carl Woese发现有些原核生物在生物化学上与细菌差异很大，因此又将原核生物分成两类，即细菌和古生菌。古生菌在进化早期就与细菌分离。基于生物化学研究的成果，人们推测出同一祖先生物进化成现代生物的的可能途径（图1.3）。 图1.3 生命进化树。从35亿年前的共同祖先（树的底部）进化成现代生物（树的顶部）的可能途径。 本书大部分篇幅介绍了所有生物共有的生物过程，以及参与这些生物过程的生物大分子和代谢物质。由于各种各样生物具有共同的生物化学基础，因此我们能够以这种方式介绍生物化学。应该指出，不同生物的生物化学也有相应的独特性。这些独特性取决于生物体生存和进化的小环境。比较不同生物生化途径的独特性，能够了解生物克服生存挑战的生化机制。多数情况下，生物体不是重新进化制造出全新的生物分子，而是用现成生物分子解决新问题。 有些生物分子结构简单，有些生物分子结构非常复杂。现代生物化学技术能精确测定生物大分子的三维结构。阐明生物大分子结构有助于了解生物大分子的功能。下