化学在生命科学中的重要性

化学在生命科学中的重要性 2011 级土木工程二班 王晓晨 1102011103 近年来，随着科学技术的飞速发展，化学与生命科学之间的联系日趋紧密， 产生了许多分支学科，化学在生命科学中也越来越重要。 而生物与化学的相互渗透，形成了生物化学这一独立的学科。它是化学的 理论和方法研究生命物质的边缘学科。其任务主要是了解生物的化学组成、结 构及生命过程中各种化学变化。从早期对生物总体组成的研究，进展到对各种 组织和细胞成分的精确分析。目前正在运用诸如光谱分析、同位素标记、X 射 线衍射、电子显微镜一级其他物理学、化学技术，对重要的生物大分子（如蛋 白质、核酸等）进行分析，以期说明这些生物大分子的多种多样的功能与它们 特定的结构关系。无论是有机体的化学组成的测定还是对生命体新陈代谢的研 究，都离不开生物化学。 由于现代工业、农业的发展，产生了许多新的威胁人类生存的重要问题， 如人口与健康、粮食与农业、环境、资源、能源等。这些问题很大程度上要依 靠生命科学和化学技术的融合。由于生命活动十分复杂，在 20 世纪中叶以前生 命科学发展较慢。但从 20 世纪 70 年代以后，由于生命科学研究成果的积累， 现代物理、化学的发展为生命科学研究提供了先进的仪器和方法，以及经济发 展需要的促进，生命科学有了新的发展。人类自然科学史上的三大计划，即曼 哈顿原子弹计划（19421945） 、阿波罗登月计划（19611972）和人类基因组 计划（19902003） ，也反映了生命科学后来居上。为此，由于人类生存和经济 发展的需要以及生命科学本身的发展和贡献，生命科学在 21 世纪将成为科学技 术的主角。生命科学之所以成为本世纪领头学科，其核心是生物化学引人瞩目 的发展，涉及医药学、农学、生物能源的开发、环境治理、酶工程、单细胞蛋 白的生产、微生物采矿、医用生物材料和可降解塑料的制备、法医学等许多领 域。 对于生物大分子的结构与功能的研究是生物化学非常重要的一方面，而基 因表达的调节控制是分子遗传学研究的一个中心问题，也是核酸的结构与功能 研究的一个重要内容。对于原核生物的基因调控已有不少的了解；真核生物基 因的调控正从多方面探讨。如异染色质化与染色质活化；DNA 的构象变化与化 学修饰；DNA 上调节序列如加强子和调制子的作用；RNA 加工以及转译过程 中的调控等。在整个对于基因问题的研究中，也不乏化学的方法。DNA 的测序 采用的即是化学降解法。其基本原理是：在选定的核苷酸碱基中引入化学集团， 再用化合物处理，使 DNA 分子在被修饰的位置降解。1986 年，达尔贝科提出 了人类基因组计划。它的目的是：阐明人类基因组 30 亿个碱基对的序列，发现 所有人类基因，并搞清其在染色体上的位置；破译人类全部遗传信息，使人类 第一次在分子水平上全面地认识自我；解码生命、了解生命的起源、了解生命 体生长发育的规律；认识种属之间和个体之间存在差异的起因、认识疾病产生 的机制以及长寿与衰老等生命现象、为疾病的诊治提供科学依据。1990 年，美 国国会批准“HGP” ，9 月，中国获准加入，负责测定人类基因组序列的 1%；2000 年 6 月 26 日，草图绘制成功；2003 年 4 月 14 日，人类基因组序列 图绘制成功。从此，人类进入后基因组时代。生物大分子的化学结构一经测定， 就可在实验室中进行人工合成。生物大分子及其类似物的人工合成有助于了解 它们的结构与功能的关系。有些类似物由于具有更高的生物活性而可能具有应 用价值。通过 DNA 化学合成而得到的人工基因可应用于基因工程而得到具有 重要功能的蛋白质及其类似物。在基因组计划中，化学起到了十分重要的作用。 如果没有化学，那么人类的基因顺序依然无法破解；如果没有化学，生命科学 的发展不会如此迅猛；如果没有化学，科学前进的步伐会减小许多。因此，化 学在生命科学中扮演着举足轻重的角色。没有了化学，生命科学的发展将会十 分局限，人类疾病的根源也无从寻起。 在生物进化方面，化学也为生命科学的研究提供了更有力的证据。生物进 化学说认为地球上数百万种生物具有相同的起源并在大约 40 亿年的进化过程中 逐渐形成。化学的发展为这一学说在分子水平上提供了有力的证据。例如所有 种属的 DNA 中含有相同种类的核苷酸。许多酶和其他蛋白质在各种微生物、 植物和动物中都存在并具有相近的氨基酸序列和类似的立体结构，而且类似的 程度与种属之间的亲缘关系相一致。DNA 复制中的差错可以说明作为进化基础 的变异是如何发生的。生物由低级向高级进化时，需要更多的酶和其他蛋白质， 基因的重排和突变为适应这种需要提供了可能性。由此可见，有关进化的化学 研究将为阐明进化的机制提供更加本质的和定量的信息。 在酶学研究中，化学也起到了十分重要的作用。生物体内几乎所有的化学 反应都是酶催化的。酶的作用具有催化效率高、专一性强等特点。这些特点取 决于酶的结构。酶的结构与功能的关系、反应动力学及作用机制、酶活性的调 节控制等是酶学研究的基本内容。通过 X 射线晶体学分析、化学修饰和动力学 等多种途径的研究，一些具有代表性的酶的作用原理已经比较清楚。70 年代发 展起来的亲和标记试剂和自杀底物等专一性的不可逆抑制剂已成为探讨酶的活 性部位的有效工具。多酶系统中各种酶的协同作用，酶与蛋白质、核酸等生物 大分子的相互作用以及应用蛋白质工程研究酶的结构与功能是酶学研究的几个 新的方向。酶与人类生活和生产活动关系十分密切，因此酶在工农业生产、国 防和医学上的应用一直受到广泛的重视。 生物学中一些看来与化学关系不大的学科，如分类学和生态学，甚至在探 讨人口控制、世界食品供应、环境保护等社会性问题时都需要从生物化学的角 度加以考虑和研究。 在医学研究中，对一些常见病和严重危害人类健康的疾病的生化问题进行 研究，有助于进行预防、诊断和治疗。如血清中肌酸激酶同工酶的电泳图谱用 于诊断冠心病、转氨酶用于肝病诊断、淀粉酶用于胰腺炎诊断等。在治疗方面， 磺胺药物的发现开辟了利用抗代谢物作为化疗药物的新领域，如 5-氟尿嘧啶用 于治疗肿瘤。青霉素的发现开创了抗生素化疗药物的新时代，再加上各种疫苗 的普遍应用，使很多严重危害人类健康的传染病得到控制或基本被消灭。生物 化学的理论和方法与临床实践的结合，产生了医学生化的许多领域，如：研究 生理功能失调与代谢紊乱的病理生物化学，以酶的活性、激素的作用与代谢途 径为中心的生化药理学，与器官移植和疫苗研制有关的免疫生化等。 在生命科学中，分子生物学是极其重要的一门分支学科。它是从分子水平 上研究生命现象物质基础的学科。研究细胞成分的物理、化学的性质和变化以 及这些性质和变化与生命现象的关系，如遗传信息的传递，基因的结构、复制、 转录、翻译、表达调控和表达产物的生理功能，以及细胞信号的转导等。在整 个分子水平的研究中，化学的方法始终作为基础给分子生物学提供了课题实施 的平台。 - 3 - 化学对生命科学的深刻影响反映在与其关系比较密切的细胞学、微生物学、 遗传学、生理学等领域。通过对生物高分子结构与功能进行的深入研究，揭示 了生物体物质代谢、能量转换、遗传信息传递、光合作用、神经传导、肌肉收 缩、激素作用、免疫和