化学与环境的相互作用

化学与环境的相互作用

化学反映在人类活动和环境的相互作用中，并与能源、材料、环境、生活和人类生活密切相关。一些著名的科学家在论述今后发展的趋势时，提出了“化学是中心科学”的论点。化学是在分子水平上研究物质世界的科学，说它是中心科学，是因为它联系着物理学和生物学、材料科学和环境科学、农业科学和医学，它是所有处理化学变化的科学的基础。生物学在20世纪取得了巨大的进展，以基因重组技术为代表的一批新成果标志着生命科学研究进入了一个崭新的时代，人们不但可以从分子水平了解生命现象的本质，而且可以从更新的高度去揭示生命的奥秘。生命科学的研究从宏观向微观发展，从最简单的体系去了解基本规律，从最复杂的体系去探索相互关系。生命过程中的大量化学问题也成为化学家关心的焦点。一、一般有机和水生植物（一）构象学和合成4个化合物的化学组成研究有机化学与生命科学的关系极为密切。有机化学就其最初的意义而言，是生物物质的化学。1807年，J.F.VonBerzilius首先把从活细胞中获得的化合物命名为有机化合物。那时人们对生命现象的本质还没有认识，因而便赋予有机化合物一种神秘的色彩，许多化学家认为有机物是不可能用人工的方法合成的，它们是“生命力”所创造的。但是，1828年，F.Wohler从无机物氰酸铵制得了尿素，否定了关于“生命力”的假说，可以说是化学家第一次干预了生命科学。在后来的研究中，化学家们的兴趣主要是在有机物的结构研究和合成方法上，较少关心它们的生物功能。尽管如此，许多化学家卓有成效的研究成果还是成为了生命科学发展过程的里程碑。19世纪中叶，I.Pasteur关于左旋和右旋酒石酸经典式的研究，导致70年代Vanthoff和LeBel碳原子四面体构型学说的建立，它是生命分子结构不对称性的基础。E.Fischer对碳水化合物立体化学和肽合成化学的贡献是这两大类重要的生命分子化学的奠基石（获1902年诺贝尔化学奖）。20世纪50年代，A.Todd建立的核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）的化学结构，为Vatson-CrickDNA双螺旋结构的提出铺平了道路。20世纪60年代，B.Merrifield发明了多肽固相合成法，此法使得长片段肽的化学合成，以及70年代后期长片段寡核苷酸的化学合成成为现实。从方法学角度来看，有人曾认为F.Sanger成功地运用纸色谱的手段才阐明了胰岛素两个主链的化学结构（获1958年诺贝尔化学奖）。这说明有机分析、有机分离方法在研究生命科学中的重要性。近年来，荧光标记试剂、同位素试剂又大大提高了各种方法的灵敏度和精确度。有机分析方法也进步到了离子交换色谱、气相色谱、高压液相色谱，使蛋白质一级结构测定工作达到了高速、超微量和自动化的程度，至今，有近300个蛋白质的结构已经被阐明。总之，有机化学理论上和实践上的成就为现代生物学的诞生和发展打下了坚实的基础。价键理论、构象学说、反应机理等成为解释生化反应的有力手段，蛋白质和核酸的组成和结构研究，顺序测定方法的建立，合成方法的创建等重大成就，为现代生物学及生物技术开辟了道路。有机化学与生物问题的密切结合是推动生命科学发展的有力支柱。（二）信息分子基础的化学研究近20年来，生命科学中的有机化学在理论概念、研究方法和实验手段等方面都有不少新的突破，其研究正进入一个极富发展活力的新阶段。核酸、蛋白质和多糖三大生物分子化合物，它们在生物体内的化学反应，它们之间的相互作用，它们和各种小分子化合物的相互作用，构成了生命运动的基础。生物膜化学和信息传递的分子基础的化学研究，是另一个重要的研究领域，对医学、卫生、农业生产会产生深远的影响。随着寡糖化学和生物膜化学等研究的深入，有关信息分子的识别、功能及信息传递等问题，有可能得到更多的阐明。随着有机化学和分子生物学的发展，将有更多的生命过程的环节得以用有机化学语言来表达。二、人体重量：人体体重无机化学主要是研究关于元素及其化合物的问题的。生命体也同样是由化学元素组成的。按重量百分比计算，人体内的主要化学元素碳、氢、氧和氮，占人体重量的96%。这四种化学元素是有机化学的基础物质，所以可以说人体的96%是有机物。其中氧占65%,碳18%，氢10%，氮3%。一般都认为，人体必须的微量元素有9种：铁、氟、锌、铜、铬、锰、碘、钼、钴。我国无机化学在生物学的研究中比较注重于应用，比如研究无机金属离子在疾病过程中的作用，这方面的研究在世界上已占有一席之地，困难是无机化学在生物科学的研究中还不太为人注意。（一）生物生物克氏体的结构和功能研究生物无机化学的蕴生和发展差不多经历了半个世纪，而作为一个独立学科的建立，却是近30年的事情，通常人们把国际期刊JournalofInorganicBiochemistry的创立（1971年）作为标志。众所周知，这个学科是在无机化学和生物学的相互交叉、渗透中发展起来的一门边沿学科。无机物（包括金属离子、配合物、非金属小分子、无机物微粒等）与生物大分子的相互作用和引起的结构功能变化研究这方面的研究是生物无机化学研究的基础。它的基本任务是从现象学上以及从分子、原子水平上研究金属与生物配体之间的相互作用。而对这种相互作用的阐明有赖于无机化学和生物学两门学科水平的高度发展。由于应用理论化学方法和近代物理实验方法研究物质（包括生物分子）的结构、构象和分子能级的飞速进展，使得揭示生命过程中的生物无机化学行为成为可能。目前，对生物无机化学的研究主要有以下几个方面。1.基因表达对金属酶的表达包括：金属酶和金属蛋白的基因表达；通过基因表达合成新的金属酶；金属离子在蛋白质与DNA、蛋白质与蛋白质相互识别、构象变化和缔合中的作用等。2.细胞增殖、分化和凋亡级联选择与病理毒理药理过程有关的细胞过程和无机物（包括致病因子、毒物和药物），对它们的相互作用的化学机理进行研究，阐明细胞对不同无机物应答的化学规律，如无机物与细胞相互作用时，细胞化学组成、结构、功能方面的变化和无机物结构变化机理；与无机物结构的关系；无机物与细胞相互作用中的细胞化学计量关系；金属离子介入细胞信号系统的规律；无机物和自由基对细胞增殖、分化和凋亡级联过程中的作用位点、干预方式、作用机理与无机物性质的关系；无机物对某些相关基因组和蛋白组的影响；在上述基础上，研究用无机物定向控制细胞增殖、分化的途径等。发展新的适合的研究方法也是目前这一领域研究工作的重要方面。3.无机化合物作用机理的研究包括：通过细胞层次的ADME/Tox/Pk系统研究金属离子和配合物在人体内的吸收、转化、分布、排出和毒性与组成、结构和性质的关系；研究干预和调整细胞病理过为基础的针对性预防无机药物的作用机理（如过度积累的金属的螯合排出、抑制活性氧生成转化、阻断或调整病理信号转导过程、生物脱矿的阻断等）；在治疗用药方面要注意扩展研究的疾病谱和靶分子。鼓励研究无机物的新靶点和新作用机理。探索通过表达蛋白寻找新线索和新靶点，探索新药理作用；研究结构与作用机理和功能的关系逐步开展无机药物的计算机辅助设计。在无机药物研究方面应该逐步采用现代新药研究体系，摆脱缺少设计思想、简单模仿（已知活性化合物）、只有药物筛选而没有机理研究的旧的研究模式。4.无机材料生物合成的途径研究生物矿化始终是生物无机化学研究中的一个重要领域，今后应加强在细胞和基因水平的研究工作，实现无机材料生物合成的新途径。此外，由于纳米科学合纳米药物的兴起，（纳米）固体生物无机化学将是未来生物无机化学研究的一个崭新领域。5.创造新的研究方法学包括实验方法和理论分析、计算机模拟、设计和预测等。除积极引进已有的方法外，应注意创造适合我们研究的新方法，注意积极引进现有分子生物学方法和与方法学研究专业工作者的合作。（二）生物矿化研究生物无机化学在我国较早就有一些不同学科的研究者在如生物矿化等方面开展工作；但是作为一门学科的出现，似应以全国第一次生物无机化学会议（1984年，武汉）的召开为标志。1.生物分子及其配合物金属离子与生物大分子结合后，常常会发生明显的生物化学效应。计亮年等观察到一些金属（碱和碱土金属）氯化物和葡萄糖酸盐对葡萄糖氧化酶（GOD）的活性有激活和抑制作用。生物大分子结合的金属离子可被不同类型的螯合剂夺取。李荣昌等研究了牛血清白蛋白镉（Ⅱ）的这类反应，提出用竞争参数F来表征螯合剂从生物大分子金属配合物中夺取金属的能力，求得了多种螯合剂相应的F值和稳定常数。应用金属及其配合物对肽键的化学切割，是作为金属水解肽酶的模拟物来加以研究的。朱龙根等发现，简单的Pb水配合物能选择性的与含蛋氨酸和甲硫半胱氨酸残基小肽中的硫原子配位，进而快速地切割它们的羧基端的肽键。他们还发现氨基酸和二肽的配合物也能有效地水解肽键，活性配合物为双核配合物。2.稀土元素和稀土毒力我国科学工作者对稀土生物无机化学、稀土生物化学和稀土毒理学进行了研究。早期主要是进行了大量的环境调查及农用稀土毒理研究。80年代开始从分子水平及细胞水平上开展稀土的生物无机化学研究，并已出版了专著。3.膜上载体蛋白的能量同一般物质跨膜传递的特征一样，细胞与重金属配合物传递的方式可分为三类：主动运送、被动扩散和细胞的吞吐作用。主动运送是膜上载体蛋白将物质逆电化学梯度从低浓度侧经过膜运送到高浓度的过程。这一过程需要能量的供给才能实现，其能量来源于ATP的水解。被动扩散是顺物质浓度梯度由较浓一侧向较稀一侧的运送。这是不需要能量供给的自发过程。某些亲水性物质，特别是金属离子或它们的配合物常常在载体或膜内通道蛋白的帮助下，顺浓度梯度进入细胞。此类过程由于需要异性的载体，因此有选择性和饱和性。4.金属酶及多糖共固定化细胞色素（Cyt）是一类含血红素的电子传递蛋白，在生物氧化、固氮和光合作用、以及能量转换及储存中有重要功能。关于酶的修饰及固定化，李春华等将α-淀粉酶、糖化酶和葡萄糖异构共固定化，用于淀粉转化于果糖，取得了良好的效果。硒蛋白和硒多糖中人体重要的功能蛋白，硒对人的健康有重要影响，国外研究已取得重要进展。我国也开展了不少研究。杨铭等从恩施富硒大蒜中分离出一中硒多糖。关于金属辅酶，陈慧兰研究组设计、合成了三个系列、近30个不同烷基、反应碱基及平面配体的烷基钴西夫碱类模型化合物，测定了它们的Co-C键离解能，取得了新的结果。5.解决了羟基磷灰石晶体中钙的等温作用自然界生物利用矿物至少已有35亿年历史。从细菌、微生物到动物、植物的体内均可形成矿物。生物矿化的研究始于本世纪初。近些年来我国学者也开展了这方面的研究，并已有专著问世。崔福斋等采用X-射线分析等方法，对象牙从纳米到厘米的分级做详细的研究，结果表明象牙与人类的牙齿的牙本质相似，是由羟基磷灰石晶体和胶原纤维所组成。然而，由于羟基磷灰石中的钙部分地被镁所取代，从而导致象牙中钙的化学环境在比羟基磷灰石晶体中的更加复杂。他们还用扫描电镜、透射电镜和X-射线衍射等方法，研究了在硬脂酸单分子膜磷酸钙的控制结晶作用，发现当无膜存在时，磷酸钙（OCP）晶体以20nm～50nm的微小晶簇混乱地从溶液中析出，且不具有择优取向。随着生物矿化研究工作的开展，在充分比较生物矿物与纯矿物的形成过程及晶体结构的基础上，进一步认识到，有机基质及有机-无机界面的分子识别，在晶体的成核、生长以及微结构的有序组装方面起着关键作用。6.与人体健康相关的化合物环境生物无机化学从环境与生物体的相互作用出发，研究无机元素在环境中的存在形态、转化及其效应和人体健康的关系。国内研究工作集中在：（1）与地方病和心血管病有关的碘、氟、铅、铬等；（2）结合动物和人体健康进行的汞、镉、铅、铜、锌、砷、铝和硒的研究；（3）结合作物生长开展的硼、锰、锌和钼的研究；（4）结合微量元素应用的潜在危害作用研究，如农用稀土研究等。（三）no的生物学作用近来发现一氧化氮（nitricoxide,NO）广泛分布于生物体内各组织中，特别是神经组织中。它是一种新型生物信使分子，1992年被美国Science杂志评选为明星分子。NO是一种极不稳定的生物自由基，分子小，结构简单，常温下为气体，微溶于水，具有脂溶性，可快速透过生物膜扩散，生物半衰期只有3-5s，其生成依赖于一氧化氮合成酶（nitricoxidesynthase,NOS?）并在心脑血管调节、神经免疫调节等方面有着十分重要的生物学作用。因此，受到人们的普遍重视。1980年，美国科学家Furchaout在一项研究中发现了一种小分子物质，具有使血管平滑肌松驰的作用，后来被命名为血管内皮细胞舒张因子（endothelium-derivedrelaxingfactor,E-DRF）是一种不稳定的生物自由基。EDRF被确认为是NO。众所周知，硝酸甘油是治疗心胶痛的药物，多年来人们一直希望从分子水平上弄清楚其治疗机理。近年的研究发现，硝酸甘油和其它有机硝酸盐本身并无活性，它们在体内首先被转化为NO，是NO刺激血管平滑肌内CGMP形成而使血管扩张，这种作用恰好同EDRF具有相似性。1987年，Moncada等在观察EDRF对血管平滑肌舒张作用的同时，用化学方法测定了内皮细胞释放的物质为NO，并据其含量，解释了其对血管平滑肌舒张的程度。1988年，Polmer等人证明，L-精氨酸(L-argi-nine,L-Arg)是血管内皮细胞合成NO的前体，从而确立了哺乳动物体内可以合成NO的概念。NO的生物学作用和其作用机制研究方兴未艾，它的发现提示着无机分子在医学领域中研究的前景。相信还会有更多的无机分子在人体内被发现、被研究、被应用于促进人类健康的研究领域中。三、“名称”是独立学科，多个名称而成的学科生物化学是一门比较年轻的学科，直到20世纪初才引进“生物化学”这个名称而成为一门独立的学科。纵观生物化学的发展史，可以约略划分为叙述生物化学、动态生物化学与机能生物化学三个阶段。期间生物化学发展经历了由整体生物层次研究至细胞层次研究又至分子层次研究两次飞跃。（一）生物化学与化学的发展生物化学是研究生命过程的化学，生物化学发展的最终目标是要解析包括人体在内的生命体的微观结构，体内生化反应机制及复制生命体器官等，它们的研究直接关系到人类的医疗和健康，因此，随着人们其他生活条件的改善，生物化学方面的研究越来越引起人们的重视。当今化学和生物化学正在通过对生物结构与构筑的研究相互融合。化学家的研究从下往上，由原子到分子，由分子到分子聚集体；生物化学家的研究从上往下，由整体生物到细胞，到分子聚集体。生物化学研究的根本目的是为了增进人们的健康并为工农业生产服务。因此，生物化学的发展具有巨大的动力。了解与人类健康密切相关的生化过程，并将其应用于医药、卫生、保健等，这对研究营养素、改善膳食、制备新药、寻求防治、延年益寿都有重要的意义。同时，在农业生产上，由于人口不断的增长，粮食、农副产品日益感到不足，因此，必须试验抗虫害、高产量的种子，开发固氮和光合作用两个领域，以及动、植物生长素等，甚至考虑用人工合成的办法制取可食用的粮食，以满足人类的需求，而在工业生产上，如食品加工、酿造、生物制剂制备、制革、合成新材料等生物化学均有应用。（二）光学成分与应用前景与前景光合作用是植物所特有的生理功能，是地球上最大规模的将太阳能转换为化学能，并利用它把二氧化碳和水等无机物合成为有机物同时放出氧气的过程。光合作用所形成的有机物质及其中所固定的太阳能是地球上无数生物和人类赖以生存的基础。可以说光合作用是生物化学中的重大课题，更是生命科学中的重大基础理论问题。正是因为对光合作用的研究对于生命科学及人类未来前景具有重大意义，所以许多科学家致力于光合作用研究，利用生物化学、分子生物学、物理学和化学等学科优势，从不同的侧面相互交叉、渗透和相互结合，不断引入新概念、新理论、新技术和新方法来进行光合作用的研究，这也是国际上光合作用领域研究的新趋势。光合作用的反应步骤可以分为：原初反应、光合电子传递、光合磷酸化、光合碳同化。光合作用的主要步骤（原初反应、光合电子传递、光合磷酸化）都是在在光子吸收后，通过激子、电子、质子和离子在具有一定分子排列及空间构象蛋白质复合体中，在膜内和膜外定向传递完成的。在21世纪初，未来的2、30年内，光合作用机理的研究，及其在高科技与工农业生产中的应用将会取得重大突破。这不仅可以阐明光合作用高效吸能、传能和转能的分子机理，并能促进生命科学、物理学及化学等基础学科和晶体学、波谱学等技术学科前言领域的发展，还可以提供理论依据、新途径和新技术，以实现农作物光能转化效率的调节和控制。（三）生物化学研究的方向目前生化研究所能达到的深度还是很有限度的，但是其发展前途是不可限量的。其研究方向较突出的有以下几方面：1.结构与功能的研究蛋白质，特别是酶蛋白，核酸的合成、结构与功能的研究，尤其是空间结构的改变与活性的改变的研究，以及了解其作用机制是生物化学一直研究的方向。2.物化学分子生物膜的化学组成、结构与功能是生物化学分子水平上的活跃领域，提出了许多假说和模型。如单位膜模型、晶格镶嵌模型等，都有待于科学家去证实。3.方案二：破坏生物多样性基因工程有可能在实验室中复制出活性基因，还有可能利用人造基因代替造成各种疾病的不良与失调的基因，是分子生物学的重要课题，利用这一技术可扩增DNA、生产蛋白质、改良生物品种、生产新药等。4.代谢温度稳定性物质代谢是一切生命现象的基本特征之一，代谢调节就是对代谢反应的起、止和快、慢的控制能力。但是目前对代谢调节还只局限于认识一些调节因素对活体作用的后果，对于其作用机制，知之甚少，需要深入研究。5.营养生化研究内容衰老生化是从分子水平上研究衰老机制和抗衰措施的一门新兴学科，由此引发了对氧自由基、超氧歧化酶（SOD）、维生素E及微量元素等的研究。而营养生化研究食物中的各种营养素的组分、人体的需要量以及维持机体最佳功能状态等内容。合理的营养才能保证身体的健康、增强抵抗力、防止疾病的发生以及加强医疗效果。四、物医学问题的科学20世纪80年代后期，一大批边缘学科得以蓬勃发展，化学生物学就是其中之一。化学生物学是利用化学的理论、研究方法和手段来探索生物医学问题的科学。化学生物学作为一个新兴的交叉前沿研究领域，所发现和创制的新颖生物活性物质，将为医学和生命科学研究提供重要的研究工具，用来发现和保证它们在生物体中的靶分子—对生理过程有调控作用的蛋白质、核酸和糖的复合物等生物大分子，为开发新颖药物、临床诊断和治疗提供新的途径。有的能直接作为创制新颖药物或农药的先导化合物，从而为医药、农业和环境等方面高新技术的发展提供资源。（一）生物科学研究的展望化学与生物学第一次交叉与融合发生在19世纪初，人工尿素的合成揭示了生物体的反应同样是遵循物理和化学的规律，标志着生物化学这一交叉学科的诞生。1953年Wastson-Crick提出DNA双螺旋结构，1958年Kornberg第一次分离出DNA聚合酶，标志着分子生物学的到来。分子生物学的出现，反映出当代对生命现象以及疾病发生和发展过程的研究达到新的更高的境地。分子生物学研究中探讨的有关基因表达、细胞发育和分化的调控的分子机制，以及阐明生物分子间相互识别、相互作用和信号转导的基本化学原理等一系列重大科学问题对化学学科提出了有力的挑战；同时，生物科学中基因工程、蛋白质工程、细胞工程等生物技术领域发展新的概念和新的技术为化学如何进一步介入生命科学，与生物科学更紧密地交叉与融合提供了新的机遇。化学家尝试用外源性活性小分子—天然化合物，或以天然化合物为模板设计、合成而创制的天然化合物类的新颖分子为探针，去探讨生物体中的分子间相互作用和细胞发育与分化的调控作用极其所包括的分子机制。因此，一个新的前沿交叉学科—化学生物学应运而生。（二）生物通路的调控化学生物学应涵盖生物有机化学和生物无机化学两方面，并且与近代酶学及药物化学有相当的重叠，它也应该从结构生物学、分子生物学和细胞生物学得益。化学生物学的中心任务是采用化学的手段和方法研究生物学问题，采用小分子达到对生物通路的调控。化学生物学的研究一般都是从对生物体的生理或病理过程具有调控作用的小分子生物活性物质开始，研究其结构，发现其在生物体中的靶分子，研究这些物质与生物体靶分子的相互作用，进一步采用化学的方法改造其结构，创制具有某种特异性质的新颖生物活性物质，探讨其结构与活性的关系和作用机制，阐明病理过程的发生、发展与调控机制，揭示生命过程的秘密，并进一步从中发展出新的诊断和治疗方法。通过分离的和微型化的模拟手段，理解和探索生物医学科学中的一些特殊现象。合成和筛选生物活性小分子，从生物活性小分子出发，寻找它们的生物靶分子，研究活性小分子与生物靶分子相互作用、分子识别、信息传递、生命过程的小分子调控机制及发现新颖药物是化学生物学的研究关键。（三）生物活性小分子化学生物学这一领域的核心任务是运用生物活性小分子作为化学探针去理解蛋白质或核酸的生物功能和达到对生物体系的调控。以下就研究热点作一简要的介绍。1.化合物的生物化学研究化学生物学方法寻找能微扰细胞内过程或系统，而其细胞内靶位点尚不清楚的化合物，通过对这些分子探针作用模式的生物化学解析，得到有关复杂的细胞过程的新认知。目前的研究内容已扩展到以下几个方面：①基因表达的小分子调控。②细胞周期的小分子调控研究。③细胞信号转导的小分子调控。2.分子和化学键从自然界发现新的生物活性的物质，寻找它们在生物体中的靶位点，研究小分子与生物大分子之间的相互作用、构效关系和作用机制，进一步在分子和化学键水平上，研究它们在调控生理过程中的分子识别、信息传递是当前最活跃的前沿研究领域之一。选择若干体系，采用先