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生物化学

生物化学研究生命体系中的分子组成、化学转化及其调节。它既要说明糖、脂质、蛋白质和核酸具有怎样的结构，也要解释这些分子为何能彼此识别、在酶的催化下发生反应，并在细胞和生物体内形成持续流动的物质与能量网络。静态结构与动态过程构成一条连续的因果链：一种官能团的质子化状态可以改变结合，一处构象变化可以重分配催化速率，一条通路的产物又可能成为另一条通路的底物或调节物。1

本栏目把这条连续的因果链分成若干页面，范围从生物分子的化学基础、蛋白质结构与研究方法，延伸到酶、辅酶、生物能学以及糖、脂质、氨基酸和核苷酸代谢。脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）复制、转录、翻译和基因表达调控另归入分子生物学；这里保留核酸的结构化学与核苷酸代谢，因为它们分别是理解信息大分子和细胞核苷酸池的生化基础。

化学结构与反应空间

生物分子的类别建立在官能团、碳骨架、立体化学及分子间相互作用等化学特征之上。羟基、羰基、羧基、氨基、磷酸基和含硫基团决定酸碱行为、亲核或亲电反应倾向；碳骨架、双键和手性中心限制分子的几何形状；氢键、静电作用、疏水效应和色散力又使许多弱相互作用能够在水溶液中共同形成选择性。因而，认识一个分子至少要同时追踪共价结构、质子化状态、立体化学、所处溶剂以及它与其他分子的相互作用。

糖类、脂质、氨基酸与核酸与核苷酸分别从这些化学条件出发。糖的羟基与羰基化学产生异构体、环化和糖苷键；脂质由疏水部分与极性头基的组合获得膜组装、储能和信号功能；氨基酸的共同主链与多样侧链构成蛋白质化学的字母表；核苷酸则把可识别的碱基、定向连接的戊糖和带电磷酸骨架合为一体。

多肽形成以后，序列只给出结构问题的起点。蛋白质结构讨论肽键、主链构象、二级结构、折叠与亚基装配，蛋白质功能进一步把配体结合、构象交换、协同作用和分子机器联系起来。蛋白质研究方法展示纯化峰、电泳条带、质谱离子、三维密度和活性曲线在不同实验条件下取得的投影；这些证据需要相互结合，才能重建较完整的分子状态。

酶催化与反应时间尺度

热力学判断反应在给定条件下是否具有净驱动力，却不告诉我们未催化反应要等待多久。酶通过稳定过渡态、安排反应基团和耦联多个化学步骤降低活化自由能，使反应在生理时间尺度内发生；它改变速率而不改变反应的平衡常数。底物浓度、产物积累、pH、温度、离子、抑制剂和蛋白质构象都可能改变观测速率，因此“某酶活性高”只有在测定条件和比较基准明确时才有意义。

酶通论建立催化、专一性、辅因子与活力测定的共同语言；酶动力学说明怎样从初始速率、稳态模型和抑制模式中估计参数；酶的催化机制与调控进入酸碱催化、共价催化、金属离子、别构、共价修饰和酶原激活；维生素与辅酶则追踪电子、酰基、一碳单位及其他活化基团怎样在不同酶之间转移。国际生物化学与分子生物学联合会命名委员会（NC-IUBMB）按催化反应而不是蛋白质折叠或来源对酶分类，所以同一酶委员会编号（Enzyme Commission number，EC number）指向一种反应能力，并不等同于某一条唯一的蛋白质序列。2

代谢网络中的能量、电子与活化基团

细胞代谢由共享中间物、辅酶和膜两侧电化学梯度构成相互连接的网络，并同时受到热力学、酶容量、物质供应、区室转运和生理需求约束。代谢总论先区分代谢物池、交换反应与净通量；生物能学给出 Gibbs 能、反应耦联、基团转移势和氧化还原势的定量语言；电子传递与氧化磷酸化再说明电子流怎样建立质子动力势，并由 ATP 合酶转换为磷酸化驱动力。

三磷酸腺苷（adenosine triphosphate，ATP）是把磷酰基转移和构象变化耦联到不利过程的化学底物；还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NADH）、还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸（NADPH）、还原型黄素和辅酶 Q 则按各自的反应化学、酶选择性和细胞区室承担电子转移。Reactome 的人类代谢知识库也把糖、脂质、氨基酸、核苷酸、维生素与电子传递组织为彼此连通的层级网络。3

分解与合成的共同中间物

葡萄糖-6-磷酸可进入糖酵解、磷酸戊糖途径或糖原代谢；丙酮酸可被还原、羧化或氧化为乙酰辅酶 A；乙酰辅酶 A 既能进入三羧酸循环，也能用于脂肪酸、胆固醇和酮体代谢。三羧酸循环中的草酰乙酸、\(\alpha\)-酮戊二酸、琥珀酰辅酶 A 等一面接受分解代谢带来的碳，一面又被抽取去合成葡萄糖、氨基酸、血红素和其他分子。“某条通路的中间物”是一种便于叙述的局部身份，分子的实际去向由整个网络中的反应与通量共同决定。

理解这种网络需要分别记录碳、氮、ATP、还原当量和代谢物池。碳原子的去向、氮的收集与排出、ATP 的净消耗或形成，以及 NADH、NADPH 和膜势分别属于不同账本；稳态浓度可以与持续的非零通量并存。阅读具体通路时，应把反应计量、净方向、区室、物种或组织、调节节点和实验条件放在同一张因果图中。

生化结论的条件与证据边界

离体酶的最适 pH 只描述相应测定体系；细胞区室的实际 pH 由自身稳态机制决定。标准状态自由能还须结合实际浓度换算为细胞内反应自由能。代谢物丰度升高则可能来自生成增加、消耗减少、转运改变或池体积变化。类似地，哺乳动物肝细胞、植物质体、酵母过氧化物酶体和细菌胞质中的同名反应，可能采用不同的酶、区室或调节方式。把条件写进结论，可以明确规律适用的系统与范围。

结构、动力学、同位素示踪、遗传扰动和细胞定位回答的是不同层次的问题。结构可以提出反应基团怎样排列的假说，突变和动力学检验其因果作用，示踪报告原子流向，细胞与生物体实验再判断这种机制是否在真实语境中支配通量或表型。可靠的生化论证通常来自这些证据的相互约束，而不是一幅通路图或一个显著差异独自完成解释。

阅读路径

正文页面按知识对象分组，但不要求从第一篇顺序读到最后一篇。下面的路径覆盖本栏目全部页面，可按当前要回答的问题选择入口；遇到反应方向、速率、能量或证据边界时，再回到相应的基础页交叉阅读。

阅读主线 建议顺序 主要问题
生物分子的结构与功能 糖类 · 脂质 · 氨基酸 · 蛋白质结构 · 蛋白质功能 · 蛋白质研究方法 · 核酸与核苷酸 分子由什么构成，怎样形成可识别、可组装和可测量的状态
酶与辅酶 酶通论 · 酶动力学 · 酶的催化机制与调控 · 维生素与辅酶 反应为何加速，速率怎样测量，催化与调控如何耦联
代谢与生物能学 代谢总论 · 生物能学 · 电子传递与氧化磷酸化 怎样追踪通量、自由能、电子流和跨膜耦联
中心碳代谢 糖酵解 · 三羧酸循环 · 磷酸戊糖途径 · 糖异生 · 糖原合成与分解 · 乙醛酸循环与寡糖代谢 共同糖磷酸与有机酸如何在供能、储存和合成之间分配
脂质、含氮分子与核苷酸代谢 脂肪酸分解代谢 · 脂质生物合成 · 蛋白质降解与氨基酸分解代谢 · 氨基酸及其衍生物的合成 · 核酸降解与核苷酸分解代谢 · 核苷酸生物合成 碳、氮、还原力和活化前体怎样在分解、回收与合成之间闭合

参考资料与延伸阅读

  1. 杨荣武主编，《生物化学原理（第4版）》；Nelson, D. L., Cox, M. M. & Hoskins, A. A., Lehninger Principles of Biochemistry, 8th ed.；Berg, J. M. et al., Biochemistry, 10th ed.。三种教材均以生物分子的结构与功能、催化和代谢为共同主干；本站将分子遗传过程单列到分子生物学栏目。 ↩

  2. NC-IUBMB, Classification and Nomenclature of Enzymes by the Reactions they Catalyse。EC 分类描述的是催化反应；完整识别具体酶还需要给出来源和分子实体。 ↩

  3. Reactome, Metabolism。该人类顶层通路以 R-HSA-1430728 组织代谢事件，并向下连接具体物质代谢与能量转换过程。 ↩

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