研究动物生命活动的分子相互作用原理的学科。动物生物化学是生物化学的一个分支。动物机体由多种有机物和无机物组成,每种物质都有其独特的结构和性质,并在生命活动中发挥特定的功能。动物生物化学是在了解构成动物的各种分子的结构、性质的基础上,研究它们通过相互作用而表现生命活动的原理。并以此为基础,为解决畜牧、兽医、水产等生产中的实际问题提供理论依据和手段,也为解决人医中的问题提供参考资料。当前的动物生物化学已渗透到与畜牧、兽医、水产等有关的各个学科之中,是这些学科进一步发展的最重要的基础理论之一。
发展简史 动物生物化学是生物化学发展中出现的一个分支。生物化学是人类通过生产实践积累有关知识的基础上,随着医学、农业和工业的需要发展起来的。
中国古代人民通过生产实践认识了许多生化知识。例如, 早在公元前中国人民已能酿酒、制酱、制饴和用麦曲治病等; 公元4世纪葛洪已用海藻酒(含碘)治疗瘿病(甲状腺肿);7世纪孙思邈已知用猪肝 (含维生素A)治疗雀目(夜盲); 用车前子、防风等(含维生素B1)治疗脚气病; 10世纪起中国人民已利用动物各种脏器治疗不同疾病等。这些都是对生物化学的重要贡献。然而实验性的近代生物化学则首先是由西方兴起的。
近代生物化学起始于有机化学家从生物体中分离和研究天然有机物。当时曾经认为构成生物的有机物只能由生物产生, 不可能由无机物人工合成。1828年沃勒(F. Wohler)首次由无机物合成了尿素(动物尿中排出的有机物),打破了这个概念。19世纪初斯帕兰粲尼(Spallanzani) 在研究食物的消化作用时发现在动物体内有某种形式的催化作用。1860年巴斯德(L.Pasteur) 证明发酵是由酵母引起的, 他指出发酵时由酵母的酶催化糖转变为酒精。然而他坚持认为这些酶离开了细胞即无作用。直到1987年, 布赫奈兄弟(H. Buchner和E. Buchner)在无细胞的酵母抽提液中实现了糖的转变为酒精, 才纠正了这个错误。在此以前的生物化学主要研究生物体的化学组成, 以及构成生命的物质。包括糖类、脂类和氨基酸等的化学结构和性质。在代谢方面,由于仅用整体动物进行研究,不可能了解到物质在体内变化的化学历程。布赫奈的工作启示人们开始在无细胞体系中研究酶学和细胞内发生的各个化学反应, 从而开辟了阐明代谢的化学历程的道路。1926年萨姆纳(J.Sumner)首次证明酶是蛋白质。20世纪30年代开始逐渐了解到动物体内各种物质的代谢是通过一系列的化学反应进行的。1937年克列布斯(H. A. Krebs) 发现了三羧酸循环, 从而把以前发现的动物体内糖、脂肪和氨基酸等代谢的不完整过程联系起来成为一个整体, 推进了对整个代谢过程的了解。到了50年代便把动物体内的基本代谢途径研究清楚了。1953年桑格(F. Sanger)确定了胰岛素的氨基酸顺序,开创了蛋白质一级结构的研究。同年,沃森(J. D.Watson)和克里克 (F. H. C. Crick)提出了脱氧核糖核酸 (DNA) 的双螺旋结构模型,奠定了分子遗传学的基础。不久, 肯德 鲁 (J.C.Kendrew) 和皮鲁兹(M. F. Perutz)阐明了肌红蛋白的三维结构, 从此能够认识蛋白质的立体构象。在这三项工作的推动下, 使得人们能够真正在分子水平上认识生命现象, 从而进入到分子生物学的新时代,它大大推动了遗传学、免疫学等所有生物学科的进展。1973年伯格(P. Berg)等首次重组DNA成功,这是生物化学的一次新革命, 它使按人的意志改变生物的遗传特性成为可能, 并由此产生了基因工程、蛋白质工程等新型生物技术, 这些技术对农业、医学和工业生产具有极其重要的作用。
中国的现代生物化学起始于20世纪30年代。当时吴宪等研究了营养、免疫化学, 提出了蛋白质变性的学说。1965年中国科学家首次人工合成了具有生物学活性的胰岛素。1981年又合成了具有生物学活性的酵母丙氨酸转移核糖核酸。当前中国的生物化学在基础研究和应用方面都取得了很大进展。
生物化学虽然以所有生物为研究对象, 但长期以来主要服务于医学, 所以实际上是以动物为主。直至近年来才出现了植物生物化学、微生物生物化学等,使动物生物化学成了它的一个分支。为了适应畜牧、兽医等学科的需要,中国于50年代初开始开展了以家畜、家禽为主要对象的生物化学研究工作。
研究内容 当前动物生物化学主要研究: ①蛋白质的结构和功能。在动物体内蛋白质执行着运动、催化、运输、免疫、信息传递、调节等多种功能。不同蛋白质的结构不同决定着它们的功能各异。而且蛋白质一般是通过构象的改变来实现其功能的。所以研究蛋白质结构和功能的关系, 能深入了解各种生命现象的实质, 并可人为改造某些蛋白质, 使之更符合人类的需要,此即蛋白质工程。②遗传信息的传递和表达。动物的遗传信息储存在DNA的核苷酸排列顺序中。在细胞分裂时, DNA经过复制而遗传给子代。DNA的不同片段(基因)可转录出相应的信使核糖核酸, 它再经翻译而产生特定的蛋白质。这种信息传递的基因表达过程是受到调控的。研究核酸的结构和基因表达及其调控的机制, 能够了解动物遗传、变异和发育等的真象。人为改造基因以改变生物遗传特性的技术即为基因工程。③新陈代谢及其调节。动物不断地与其环境交换物质和能量以实现自我更新。这种代谢过程包括多种有机物的合成和降解以及水和无机盐类在体内的运转和发挥作用, 其结果是合成动物自身所需要的物质和获取能量以实现各种生命活动。动物能够精确调控其代谢以和生长发育、生理状况以及环境条件的改变相适应。研究新陈代谢及其调节能够认识生命活动的正常过程和病理现象。④分子生理学。研究诸如肌肉收缩、免疫、膜的转运、神经和激素的作用、感觉等各种生理活动的分子原理, 藉以认识它们的本质。
研究方法 生物化学的发展与生化技术的改进密切相关。曾经推动整体代谢和代谢途径研究的器官离体灌流、血管造口、同位素示踪以及各种层析、电泳技术,迄今仍在广泛使用。蛋白质的氨基酸序列分析、DNA序列分析和X射线晶体学是研究蛋白质和核酸一级和高级结构的必要手段。核磁共振、圆二色光谱、激光拉曼光谱、荧光光谱、紫外光谱、红外光谱等对了解生物分子的性质和溶液构象提供重要信息。当前的氨基酸分析、氨基酸序列分析,DNA序列分析,多肽合成,多核苷酸合成等已实现了自动化,微型计算机已广泛应用。这些大大提高了工作效率。
应用与发展趋势 动物生物化学对畜牧兽医事业具有极其重要的作用。它是家畜遗传、家畜营养、家畜免疫、家畜病理、家畜药理等学科的重要基础。在家畜的育种、繁殖、饲养、性别控制、畜产品的质量检定、加工和保存、家畜疾病的预防、诊断和治疗等实践中广泛的应用着动物生物化学的原理和方法。遗传生化、免疫化学、兽医临床生化等都已成为重要的学科。
近年来生物技术的出现,立即在畜牧兽医中发挥了作用,并展现出广阔的应用前景。用基因工程方法可制造出用其他方法难以制造或产量甚微的蛋白类物质。这些物质在生产中能发挥重大的作用。例如,用基因工程方法制造的生长激素可提高牛的产乳量、猪的瘦肉产率和饲料报酬等;制造的兽用疫苗安全可靠。基因转移技术为培育家畜优良品种提供了新方法。基因转移猪的出现标志着此项技术已有可能进入实用阶段。免疫生化的研究导致单克隆抗体的出现,已制造出多种兽用单克隆抗体,用以诊断畜禽疾病。这些技术的进一步发展和应用,将显著改变畜牧兽医事业的面貌,大幅度地促进生产。当前发展的总趋势是利用现代生物技术在分子水平上认识畜牧兽医实践中的问题,并结合传统技术促进畜牧业的发展。