生物化學( biochemistry)，是研究生物體中的化學進程的一門學科，簡稱為生化。是用化學、物理學和生物學的原理和方法，研究生物體內物質的化學組成、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系的基礎生命學科。
生物化學早期主要采用化學、物理學和數學的原理和方法，研究各種形式的生命現象，隨著研究的發展，融入了生理學、細胞生物學、遺傳學和免疫學等的理論和技術，加之生物信息學的介入，使之與眾多學科有著廣泛的聯系和交叉。主要用于研究細胞內各組分，如蛋白質、糖類、脂類、核酸等生物大分子的結構和功能。在生物化學研究中，主要對細胞代謝和內分泌系統進行研究。生物化學的其他研究領域包括遺傳密碼（脫氧核糖核酸和核糖核酸）、蛋白質生物合成、跨膜運輸（membranetransport）以及細胞信號轉導。1946年鄭集教授在前中央大學醫學院于成都布后街成立生物化學研究所。這是中國生物化學發展史上的第一個生物化學專業研究所。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。
生物化學技術是化學技術在生命科學領域的應用，生物化學的迅猛發展加快了現代生物化學技術的開發和應用，在現代工業、農業、食品、醫藥行業日益發揮巨大作用。例如在醫學領域，利用來生產新型的藥物和疫苗，如胰島素、生長激素、、紅細胞生長素、乙肝疫苗和免疫細胞介素―2等基因工程藥物應用。
發展歷史
17世紀初，比利時海爾蒙特(J.B. van Helmont，1577-1644）第一個嘗試用化學方法去了解人類和生物的生理構造，這是生物化學的早期萌芽。可以將生物化學的發展史粗略地劃分為三個階段。
靜態生物化學時期(18世紀70年代-1903年)
18世紀70年代至20世紀初，已發展為獨立的學科，化學體系也比較完整，有些科學家嘗試用化學的基本原理解釋生理現象，為生物化學的誕生奠定了基礎。
1770-1774年，英國化學家(J.Priestly)發現了O2，并指出動物消耗氧而植物產生氧。1779-1796年，荷蘭人簡·英格豪斯(Jan Ingenbousz）證明在光照條件下綠色植物吸收CO2并放出O2。1785年，法國化學家（Lavoisier)證明，動物呼吸是體內緩慢和不發光的燃燒，吸進O2，呼出CO2，同時放出熱能，首次提出動物身體發熱源于體內物質氧化，這是生物化學中生物氧化和能量代謝的開端。
1828年，德國化學家(F.Wohler)在實驗室用合成了。成功合成尿素，改變了人們認為有機物只能在生物體內合成的觀點，開闊了生物化學的研究視野，有人甚至提出把尿素合成作為生物化學誕生的標志。1840年，德國化學家(J. Von Liebig，1803-1873)提出了糖、脂類、蛋白質及其新陳代謝( metabolism)的概念。
1849年，法國微生物學家（Louis Pasteur，1822-1895）開始進行發酵的研究；1857年提出酒精發酵是過程，必須是活的酵母細胞才能進行。而德國化學家李比希等人堅持酒精發酵是純粹的化學過程。從此展開了關于發酵本質問題長達半個世紀的論戰。
1868年，瑞士生物學家(F.Miescher，1844-1895）從外科繃帶膿液的白細胞核中發現一種含有磷和氮的物質，命名為核素；1889年，阿爾特曼(R.Altmann)將核素更名為核酸；1885-1900年間，德國生理學家柯塞爾(A.Kossel，1853-1927）和他的學生瓊斯（W.Johnew，1865-1935)、萊文( Levene，1896-1940）證實核酸由不同的組成，最簡單的結構是磷酸構成的核苷酸。
1877年，德國生理化學家候普-賽勒(Hoppe-Seyler)因為血色素的工作，首先提出“Biochemie”一詞，譯成英語為“Biochemistry”，即生物化學，并將其定義為所有與生物分子有關的一切內容。
1897年，德國布赫納兩兄弟（(Eduard Buchner & Hans Buchner)成功地從酵母細胞分離出具有發酵作用的物質，統一了雙方的認識。這是一次質的飛躍，為——酶的應用奠定了基礎。1903年，德國化學家紐伯格(C.Neuberg)正式提出“生物化學”的概念，從此誕生了一個新領域——生物化學，形成了生物化學這門獨立的學科。
這個時期，用的觀點研究生物的生理問題，取得了不少成果，主要是分析和研究生物體的化學組成及其性質，發現生物體主要由糖、脂、蛋白質和核酸四大類有機物質組成。科研成果以靜態描述為主，是生物化學發展的準備和醞釀階段。
動態生物化學時期（1903—1953年)
20世紀初至20世紀50年代，隨著分析鑒定技術的進步，尤其是微量分析技術、標記技術等手段的應用，維生素、激素、酶相繼發現，酶的化學本質和作用機理基本闡明，物質代謝、能量代謝及其調控等取得了顯著成果，生物化學進入蓬勃發展的動態時期，現代生物化學的框架基本確立。
德國化學家費歇爾(E.Fischer)經過連續10年蛋白質的研究，于1902年提出多肽結構理論，1907年成功地合成了由18個氨基酸分子連成的多肽，為化學家研究蛋白質的結構提供了一個框架。1923年，維格諾德(Vgeneaud)完成了多肽激素的合成工作。20年后掀起了蛋白質的研究熱潮，有關蛋白質的結構、功能不斷被揭示。
1878年，德國生理學家(F.W. Kuhne)研究發現，發酵不是酵母本身的作用，而是酵母中某種物質催化了酵解反應，把這種具有催化作用的物質定義為酶(Enzyme)。1894—1913年，費歇爾（E.）提出酶作用的鎖-鑰理論，以解釋酶的專一性。1903年，亨利（Henri）提出了酶與底物作用的中間復合物學說。1913年，米凱利斯(Michaelis）和門頓-(Menten)總結了前人工作，推導出了酶催化反應的方程——米氏方程，對酶反應機理的研究是一個重大的突破。1926年，化學家薩姆納(J.B. Sumner，1955） 從提取出了結晶，并證明酶是蛋白質。20世紀 30年代后，陸續發現并結晶了2000多種酶，其本質都是蛋白質，自此確定了酶的化學本質是蛋白質的概念。
1911年，醫生馮克(C.Funk)結晶出治療“”的復合維生素 B，提出“Vitamine”，意即生命胺。1907年，德國化學家溫道斯（A. Windaus）研究了膽固醇并合成了，1928年因此貢獻獲得，從而推進了維生素的研究，各種維生素相繼被發現。1933年，英國化學家霍沃思（W.V.Haworth)合成了。1931-1935年，瑞士科學家卡勒(P.Karrer）先后研究并成功合成了和維生素B。1935—1937年，德國化學家(R.Kuhl，1900--1967）研究了等。后來發現的許多維生素并非胺類，將“Vitamine”；改為“Vitamin”。
基于以上物質研究，科學家開始進一步探索物質在體內的代謝規律。1932年，英國科學家克雷伯(Hans Krebs）用組織切片實驗證明了的合成過程，提出了尿素循環；1937年，Krebs又提出了物質代謝的中樞—-三羧酸循環（citric acid cycle）途徑。1940年，德國三位科學家埃姆博登(G.Embden)、邁耶霍夫（O.F Meyerhof)、帕納斯(J.KParnas）共同提出糖酵解代謝途徑，簡稱EMP途徑。1949年，生化學家肯尼迪(EKennedy)和勒寧格爾（A Lehninger)證明了克努普(F.Knoop)提出的β-氧化過程是在線粒體中進行的，并指出氧化的產物是，進一步完善了脂肪酸的β-氧化過程。至此，三大類物質的代謝途徑基本確定。這個時期，對呼吸、光合作用、生物氧化及ATP在能量代謝中的地位也有了較深入的認識。不過，對生物合成途徑的認識要晚得多，在20世紀50—60年代才闡明了氨基酸、、咤及脂肪酸等的生物合成途徑。
與此同時，核酸的研究也取得很大進展。經過科塞爾(A.Kossl，1853--1927）和萊文( Levene，1869—1940)等科學家20年的共同努力，1929年由Levene提出核酸分為和兩大類。1944年，艾沃瑞（O.T.Avery)通過轉化實驗證明DNA是遺傳物質；1952年，美國科學家(A. D. Hershey）和蔡斯(M Chase)分別用同位素"S和P標記噬菌體的蛋白質和 DNA，進一步證實了DNA是遺傳物質。1950年，生化學家(E.Chargaff)總結出 DNA堿基互補配對的規律。1953年，和在(M. Wilkins)和弗蘭克林(R.Franklin)工作的基礎上，對進行分析，提出了DNA的雙螺旋結構模型。該模型為日后提出 DNA半保留復制、遺傳信息的中心法則奠定了基礎，促進了的迅速發展，被稱為20世紀自然科學最偉大的學術成就之一。
機能生物化學時期(1953年至今)
分子生物學時期
1950年，美國化學家(L.Pauling）和(R.B.Corey)提出角蛋白的α螺旋二級結構，為蛋白質空間構象的研究提供了理論基礎。1953—1956年，英國生物學家(F.Sanger）完成了的氨基酸序列分析；同期，瑞典科學家埃德曼(P.Edman)提出 Edman降解法測定蛋白質一級結構。1960年，美國科學家莫爾(S. Moore)和艾德曼( Edelnan）完成了第一個酶蛋白核糖核酸酶的測序，1969年又測定了抗體蛋白的一級結構。1965年，中國人工合成了第一個具有全部生物活性的。1984年前后，生物化學家胡德（L.E.Hood)基于 Edman降解法相繼發明出多肽自動分析儀、多肽自動合成儀。1975年，Sanger又發明了雙脫氧終止法 脫氧核糖核酸測序技術，同期，Walter Gilbert發明法測序技術，兩年后成功定序出幣-X174噬菌體的基因組序列。1981年，中國首次人工合成了與天然產物組成和結構相同、具有全部生物活性的酵母丙氨酸轉運RNA。1986年，Hood利用熒光取代同位素標記，綜合激光和檢測，推出第一臺全自動自動測序儀，極大地促進了核酸測序工作。這個時期，生物分子的分離、純化、鑒定的方法已經向微量、快速、精確、簡便和自動化方向發展。
1953年是開創新時代的一年，繼和Crick 推導出 脫氧核糖核酸分子的雙螺旋結構模型后，不久又提出了基因的半保留復制假說。1958年，梅塞爾森(M. Meselson)和斯特爾(Stahl)利用"5N標記DNA，證實了DNA的半保留復制。在此之后十年，相繼發現了DNA復制的詳細機制。1958年，Crick 提出分子遺傳的中心法則，即遺傳信息由核酸→核酸→蛋白質。1961年又證明了遺傳密碼的通用性。1966年，化學家科蘭納（H.G.Khorana)和(M.W.Nirenberg，1927--2010）合作破譯了遺傳密碼，這是方面的另一杰出成就。1970年，特明(H.M. Temin）和巴梯摩爾(D.Baltimore)發現，補充了“中心法則”。至此，遺傳信息在生物體由 到蛋白質的傳遞過程已經弄清。
1961年法國生物學家雅可布(F.Jacob）和莫諾(J.L. Monod）提出了操縱子學說，闡明了基因通過控制酶的生物合成來調節細胞代謝的模式。同年，生物學家（S. Brenner)闡明mRNA堿基序列與染色體中DNA互補，假定m攜帶遺傳信息在核糖體翻譯成蛋白質。因此項工作，以上三人共獲1965年。
建立現代分子生物學，創立基因工程。隨著人類對蛋白質、酶、、核糖核酸等生物大分子研究的不斷深入，逐漸形成了現代分子生物學。1962年瑞士遺傳學家阿爾伯(W.Arber)證明內切酶的存在，1967年蓋列特(M.Gellert）和萊曼(B. Lehman)發現了DNA連接酶，1972年柯恩(S. Cohen)和波耶（H.Boyer）等創建了DNA重組技術。此時，科學家越來越不滿足于探索、提示生物遺傳的秘密，開始躍躍欲試，設想用工程技術手段在分子水平上去干預生物的遺傳特性，終于20世紀70年代誕生了基因工程。基因工程技術發展迅速，在生化領域取得重大突破。1977年，法國生物化學家查姆幫(Chamobon)和波蓋特（Berget）發現了“斷裂”基因；1981-1983年，美國科學家切赫（T.Cech）和奧特曼（S.Altman）相繼發現某些核糖核酸具有酶的催化活性，開始了的研究；1984年，西蒙斯(R.Simons）和（T.）等發現了反義RNA；1985年，化學家(K.B.Mullis）發明聚合酶鏈式反應技術（PCR技術)，從此揭開了人類向腫瘤及其他遺傳性疾病研究的序幕。1990年啟動“人類基因組研究計劃”，2003年美、中、日、德、法、英6國科學家宣布人類基因組圖繪制成功，已完成的序列圖覆蓋人類基因組所含基因的99%。1997年，英國胚胎學家威爾莫特(I. Wilmut）成功獲得多莉克隆羊。2006年，重組人抗凝血酶Ⅲ獲得上市許可，生產出世界上第一個利用轉基因動物乳腺生物反應器工程藥物，用于治療先天性抗凝血酶缺失癥。這個階段，生物化學領域建樹頗多，半個世紀以來產生了40多位獲得者，在現代工業、農業、食品、醫藥衛生等領域發揮了巨大作用。
化學生物學時期(1990年以后)
20世紀80年代中后期以來，隨著各國政府和科學界對、材料科學和生物技術等研究領域的日益重視，一大批邊緣學科得以蓬勃發展。90年代后期，化學生物學(Chemical ）應運而生。
相關理論
隨著現代生物技術的發展，生命科學取得了前所未有的進步。作為生命科學核心基礎的生物化學，在研究的廣度和深度上均產生了巨大的變化。由它衍生而發展起來的新興學科有分子生物學（ molecularbiology)、結構生物學（ structural biology)、量子生物學( quantum biology )、生物信息學( bioinformatics）)等。
學科內容
生物分子
蛋白質
生物體結構越復雜，其蛋白質種類和功能也越繁多。具有復雜空間結構的蛋白質( protein)不僅是生物體的重要結構物質之一，而且承擔著各種生物學功能，其動態功能包括化學催化反應、免疫反應、血液凝固、物質代謝調控、基因表達調控和肌收縮等功能；就其結構功能而言，蛋白質提供結締組織和骨的基質、形成組織形態等。顯而易見，普遍存在于生物界的蛋白質是生物體的重要組成成分和生命活動的基本物質基礎，也是生物體中含量最豐富的生物大分子( biomacromolecule) ，約占人體固體成分的45% ，而在細胞中可達細胞干重的70%以上。蛋白質分布廣泛，幾乎所有的器官組織都含有蛋白質。一個真核生物可有數萬種蛋白質，各自有特殊的結構和功能。
盡管蛋白質的種類繁多，結構各異，但元素組成相似，主要有碳(50% ~55% )、氫(6% ~7%) 、氧( 19% ~24%)、氮(13% ~19%)和硫(0~4%)。有些蛋白質還含有少量磷或金屬元素鐵、銅、鋅、錳、鈷、等，個別蛋白質還含有碘。各種蛋白質的含氮量很接近，平均為16%。由于蛋白質是體內的主要含氮物質，因此測定生物樣品的含氮量就可按下式推算出蛋白質大致含量：每克樣品含氮克數x6.25×100= 100g樣品中蛋白質含量( g% )。
核酸
核酸(nucleic acid)是以核苷酸為基本組成單位的生物大分子，具有復雜的空間結構和重要的生物學功能。核酸可以分為脫氧核糖核酸( deoxyribonucleic acid ，DNA)和核糖核酸(ribonucleic acid，核糖核酸)兩類。DNA 存在于細胞核和線粒體內，攜帶遺傳信息，并通過復制的方式將遺傳信息進行傳代。細胞以及生物體的性狀是由這種遺傳信息決定的。一般而言，RNA是DNA的轉錄產物，參與遺傳信息的復制和表達。RNA存在于細胞質、細胞核和線粒體內。在某些情況下，RNA也可以作為遺傳信息的載體。
維生素
維生素是一類維持生物體正常機能所必需的低分子有機化合物。生物體對其需要量甚微，主要靠外界供給。維生素的種類很多，結構各異，它既不是細胞組成成分，也不能提供能量，但在體內物質代謝過程中發揮著重要作用，如許多維生素是構成輔酶或輔基的基本成分，有的參與特殊蛋白質的合成，有的是激素的前體。由于體內不能合成或合成量不能滿足需要，故一旦外界供應不足，或機體由于各種因素引起吸收障礙時，可導致維生素缺乏病。不過如果維生素使用不當或長期過量服用，也可出現中毒癥狀。維生素可按溶解性質分為兩大類：水溶性和脂溶性維生素。
水溶性維生素主要包括維生素c和B族維生素。B族維生素又包括B、B、PP、B 、維生素B5、生物素、葉酸、B2等。這類維生素的特點是易溶于水，不易在體內儲存，需隨時攝入。它們在生物體內大多數組成酶的輔酶或輔基，起傳遞電子、基團或遞氫作用。其在體內的生理功能及缺乏癥是需重點掌握的內容。
脂溶性維生素主要包括維生素a、D、E、K，它們不溶于水，溶于脂肪或有機溶劑，在體內可儲存，故不許每天攝入。攝入過量會引起中毒，在生物體內各有其獨特的生理功能。
酶
酶的化學本質是蛋白質。由一條肽鏈構成的酶稱為單體酶( monomeric enzyme) ，如牛胰核糖核酸酶A、溶菌酶、羧肽酶A等。由多個相同或不同的肽鏈(即亞基)以非共價鍵連接組成的酶稱為寡聚酶( oligomeric enzyme ) ，如蛋白激酶A和磷酸果糖激酶1均含有4個亞基。此外，在某一代謝途徑中，按序催化完成一組連續反應的幾種具有不同催化功能的酶可彼此聚合形成一個結構和功能上的整體，此即為多酶復合物( multienzyme complex) ，亦稱為多酶體系( multienzyme system)。還有一些酶在一條肽鏈上同時具有多種不同的催化功能，這類酶稱為多功能酶( multifunctional enzyme)或串聯酶( tandem enzyme ) ，如氨基甲酰磷酸合成酶Ⅱ、天門冬氨酸氨基甲轉移酶和二氫乳清酸酶即位于同一條肽鏈上。
物質的代謝和調節
物質代謝是生命現象的基本特征，是生命活動的物質基礎。隨著物質代謝的停止，生命也將隨之終止。物質代謝由許多連續的、相關的代謝途徑所組成，而代謝途徑(如糖的氧化、脂肪酸的合成等)又是由一系列的酶促化學反應串聯形成的。正常情況下，由于機體存在著精細、嚴謹的調節機制，能夠適應體內外環境的變化，不斷調節各種物質代謝的強度、方向和速度，以確保代謝按照生理的需求，有條不紊地進行。生物體內各物質代謝途徑之間相互聯系、錯綜復雜，同時又在嚴密的調控下進行。
反應性質
酶的催化反應
底物和酶的鄰近與定向效應、酸堿催化、共價催化、金屬離子催化、多元催化與協同效應、活性部位微環境。
生物氧化方式
失電子氧化、脫氫氧化、加氧氧化、加水脫氫氧化。
分類
參考資料
應用
醫學領域
生物化學在20世紀80年代發展了生物工程或生物高技術的嶄新領域，包括遺傳工程或基因工程，蛋白質工程和酶工程，以及細胞培養、組織培養等體外技術，用于改造物種和生產對人類有用的產物。以生物化學的理論和技術為基礎的生物工程具有廣闊的前景。首先，利用生物工程的方法和技術可以改造物種，培育高抗逆性、具有特殊品質的轉基因植物。其次，人們正在試圖利用植物建造“植物工廠”，生產對人類有用的特殊生物化學物質。利用生物工程來生產新型的藥物和疫苗，如胰島素、生長激素、干擾素、紅細胞生長素、乙肝疫苗和白細胞介素―2等基因工程藥物應用。對于治療疾病、維護人類健康有著重要的意義。
農業領域
生物化學是農業科學的重要理論基礎之一，如研究植物的新陳代謝的各種過程，就有可能控制植物的發育，如能明確糖、脂類、蛋白質、維生素、生物堿及其他化合物在植物體內的合成規律，就有可能創造一定的條件，以獲得優質高產的某種農作物。或在了解了某種作物的遺傳特性之后，可利用基因重組技術，培育出優良的作物新品種。此外，農產品的儲藏與加工，植物病蟲害的防治，除草劑和植物激素的應用，家畜的營養問題和畜牧業生產率的提高，土壤微生物學，土壤的肥力提高和養分的吸收等都需要應用生物化學的理論和技術手段。
工業領域
生物化學理論還可以與工業技術領域學科相結合，在材料工業、污水和廢物處理方面發揮作用。前已產生了生物化學和電子學的邊緣學科——分子生物電子學，研究生物芯片和生物傳感器，對計算機制造、疾病防治和生物模擬都有重要的推動作用。因此，生物工程產業的崛起將會極大地改變社會產業結構和人們的勞動生產方式。生物化學的理論在酶工程技術的發展中也發揮重要的作用，如釀造工業，皮革工業、食品工業和發酵工業等。
食品工業領域的應用
發酵菌的酶系影響發酵產品，可以利用基因工程改造發酵菌。成功改造基因工程菌的例子比較多，如改造釀酒酵母。提高麥芽汁的分解率、改善啤酒的傻酸味、提高啤酒澄清度等；改造乳酸菌，提高菌種耐氧性、改善酸乳風味、抑制酸乳后酸化作用等。當前，利用發酵法成功實現了工業化生產維生素c、氨基酸、味精、色素和酶制劑。酶在其他工業領域也發揮了巨大作用。如：淀粉酶和葡萄糖異構酶用于糖漿生產，果膠酶用于果汁加工，纖維素酶用于飼料添加劑提高利用率，蛋白酶用于肉類嫩化處理等。
在食品工業中，生化技術可用于食品營養成分分析和對人體有害、有毒物質的檢測。核酸分子雜交技術、PCR技術、現代免疫技術等，逐漸用于致病微生物和轉基因成分的分析檢測，簡單、方便、快速、準確、可靠。
生化戰爭
生化武器，即細菌生物武器和化學武器的統稱，是嚴重威脅人類及其生存環境的、具有擴散性和不可控性的極端危險的武器，早就被國際社會嚴令禁止。1925年6月日內瓦國際會議制訂《禁止在戰爭中使用窒息性、毒性或其他氣體及細菌作戰方法》的議定書，明文規定禁用細菌武器。當時日本拒絕批準參加這個議定書。而且為實現其繼續向外侵略擴張和殘酷鎮壓的政策，日本武力侵占中國東北的同時，竟然不顧世界輿論的強烈反對，公然違背國際公約，在中國以及日本國內大規模從事生化武器研究，并在侵華戰爭中進行殘酷的細菌戰與化學戰，給中國人民帶來了深重的災難。至今仍有大量的化學彈藥遺留在中國，依然對中國人民生命財產安全和生態環境構成重大威脅。
參考資料 >
生物化學簡介.licp.2023-11-05
生物無機化學.武漢大學圖書館.2023-11-05