有机化学与生物工程

1、有机化学与生物工程摘要：有机化学在生物工程发展中起着理论基础，研究工具，阐明本 质的重要作用，它们有着密切的关系。本文从有机化学的发展与生物工程， 有机化学的主要研究成果与生物工程，有机化学研究的任务与生物工程，三 个方面说明有机化学课程与生物工程中的关系。关键词：有机化学；生物工程有机化学是生物工程的基础，有机化合物是构成生物体的主要物质，生 物体中各种有机化合物的结构、性质以及它们在生物体内的的合成、分解、 转化、代谢无不以有机化学为基础。有机化学产品正越来越多地应用于农业。 如农药(杀虫剂、杀菌剂、除草剂)、植物生长调节剂、化肥、农膜等保证 了农业生产；兽医药、饲料添加剂促进了畜牧业生产

2、。要正确地使用，必须 了解这些有机化合物的组成、性质和生理功能。本文将从有机化学的发展与 生物工程，有机化学的主要研究成果与生物工程，有机化学研究的任务与生 物工程，三个方面说明有机化学课程与生物工程中的关系。1. 有机化学的发展与生物工程有密切的关系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. yon berzilius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祕的鱼彩， 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从无机物氧酸铁制得了

3、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物工程。随后有机化学的发展主要集中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，许多化学家的研究成果还是成为了生物工 程发展过程的里程碑。比如，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vanthof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。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va

4、tson-crick dna双螺旋结构的提出铺平了道路。60年代hg. khorana开创的磷酸二酯法合成寡核昔酸，不但证明了 dna上每三个碱基组 成一个三联体密码子编码一个氨基酸从而提出了一套遗传密码，而且也开始 了人工合成dna的研究。化学家也将用化学小分子和化学工具研究生命体系。 1985年h. smith和k. mullis发明了聚合酶链式反应(pcr)从而使分子生物 学在技术上有了 一个突破和飞跃。1988年schreibcr在做靶向合成(tos)天 然产物fk506时发现fk506的结合蛋白fkbp12。1991年他们又利用小分子探针fk506和cyclosporin发现他们可以

5、抑制磷酸化酶神经组蛋白 calcineuin的活性。同时发现了可以生成fkbp-12-fk506神经组蛋白复合物 和cyclophilin-cyclospolin-calcineulin的复合物。这些小分子同时与两 个蛋白结合，而表现出的生物活性也是细胞内信号传导通路的分子基础。1992年，schreiber在美国化学与工程新闻发表了题为“用有机化学的 原理探索细胞学”的论文，确信生命的过程就是生物体中化学变化过程。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

6、的建立，合成方法的 创建，酶催化机制的研究，模拟酶的合成的化学模型的建立，小分子探针技 术，单分子激发的技术，单分子操作的技术等重大成就，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物工程发展的 有力柱，也将人们对生命过程的了解提高到一个新的层次。2. 一百多年来，有机化学的最高科学成果一一诺贝尔化学奖综览1901-2010年共110年，除去8年未授奖外，共授化学奖102项，其中 有机化学方面得化学奖65项，占整个化学奖的63. 7%o碳水化合物、光合作 用得研究共8项；蛋白质、酶和核酸方面得研究共18项；笛族化合物、维 生素和生物碱方面研究共8项；其它方面共31项

7、。其中与生物相关的占34 项。占有机化学的52. 3%o由此可以看出有机化学与生物工程有着密不可分 的关系。3. 有机化学研究的任务与生物工程的关系有机化学研究的主要任务是分离提纯、物理有机化学、合成。分离提纯 即分离、提取自然界存在的各种有机物，测定它们的结构和性质，以便加以 利用。物理有机化学是研究有机物结构与性质间的关系、反应经历的途径、 影响反应的因素等，以便控制反应向我们需要的方向进行。合成是在确定了 分子结构并对许多有机化合物的反应有相当了解的基础上，以由石油或煤焦 油中取得的许多简单有机物为原料，通过各种反应，合成我们所需要的自然 界存在的，或者自然界不存在的全新的有机物。3.1

8、有机化合物的分离提纯与生物工程有机化学的分离提纯与生物工程的关系主要体现在两个方面，一是天然 有机化学，二是分离与分析。天然有机化学是研究动植物（包括海洋、陆地和微生物的次级代谢产物） 及生物体内源性生理活性物质的有机化学。目的是希望发掘有生理活性的天 然化合物，作为发展新药先导化合物，或者直接用于临床或为农业生产服务。 天然有机化学的发展与国民经济有密切的联带关系，对于开发新型药物、新型农药至关重要。我国自然资源非常丰富，又有几千年传统防治疾病的经验 积累，在我国大力发展天然有机化学的研究有着非常现实的意义。对内源性 生理活性物质的发现及其生理活性研究，又开辟了天然有机化学研究的新领 域。充

9、分利用开发我国动植物资源包括海洋生物资源，努力开拓新的生理活 性物质，为国民经济服务是天然有机化学的重要任务。分离提纯和分析的紧密结合是有机分析的一大特点。在生物工程中也涉 及到复杂系统的痕量或微量的有机物分离分析问题，比如生物活性物质的提 取和分析等。气相色谱的发展是高效分离的突破口，而高效气相色谱和高效 液相色谱是现代分离技术的基础。在气相色谱中新型高选择性的耐高温固定 相（如手性固定相和异构体选择性分离的固定相）仍是比较活跃的研究领域。 液相色谱中选择性色谱柱和选择性流动相的应用发展是今后若干年中的主攻 方面。细径柱的合理开发，多维色谱以及以色谱为主的系统分析网络将使复 杂系统有机痕量物

10、质的分离和分析跃上新的台阶。超临界流体色谱，包括毛 细管柱超临界流体色谱是正在发展中的新技术。毛细管电泳是生物工程日益 发展的情况下产生的新型的高效技术，在蛋白质和核酸的分离方面已显出极 大的威力，是有很强发展活力的新领域。核磁共振波谱技术在谱仪性能和测 量方法上有了巨大的进步，其中二维方法的发展已成为解决结构问题最主要 的物理方法。nmr今后的发展趋势是如何得到更多的相关信息、简化图谱、 提高检测灵敏度和发展三维核磁共振技术。质谱技术最突出的进步是新的解 析电离技术的发展。随着接口技术的进步，联用技术的应用面更扩大，效果 更为提高。这将使质谱成为生物工程中的一个崭新的研究手段。3.2物理有机

11、化学与生物工程物理有机化学主要是通过现代物理实验方法与理论计算方法研究有机分 子结构及其物理、化学性能之间的关系，阐明有机化学的反应机理。生物工 程中的物理有机化学研究，包括主一一客体化学中的模拟酶催化反应，主体 分子提供的微环境可控制反应，主体分子对客体分子的识别作用以及疏水亲 脂作用等都是具有重要理论意义的研究领域。量子有机化学由静态向动态方 向的发展是当前物理有机化学的重要组成，分子力学方法在有机分子结构与 构象的研究方面有着非常乐观的发展前景。我国化学家蒋锡夔院士等发表了 题为“物理有机化学前沿领域两个重要方面一一有机分子簇集和自由基化学 的研究”的论文，提出了可用物理有机化学方法解决生物工程的难题。 3.3有机合成与生物工程有机合成也与生物工程有着密切的关系。在与生物工程的联系中，金属 有机化学和元素有机化学是最为活跃的领域之一。比如，有机磷化合物在农 药、医药、萃取剂等方面以及有机合成化学中都有重要的应用。开展有生物活性的有机磷化合物的研究，在生物工程研究中也具有极为重要的意义。近 年生物有机硅化合物以及有机硅化合物在有机合成中的应用