生物化学与分子生物学的发展

生物化学与分子生物学的发展

生物化学和药理学是目前国际和国内研究的中心科学和热点科学。从沃森和克里克发现DNA双螺旋模型后,分子生物学和生物化学进入了高速发展的阶段,根据统计在发现双螺旋模型后的20a里,在这两方面新发现和新应用可达200多项。有很多都是对人类生活息息相关的重要发现。随着科技的进一步发展,出现了越来越多的生物化学和分子生物学技术:PCR,图位克隆等技术,这就使这门学科发展速度越来越快了。生物化学:biochemistry,生物学的分支学科。它是研究生命物质的化学组成、结构及生命活动过程中各种化学变化的基础生命科学。分子生物学(molecularbiology)是在分子水平上研究生命现象的科学。通过研究生物大分子(核酸、蛋白质)的结构、功能和生物合成等方面来阐明各种生命现象的本质。研究内容包括各种生命过程。比如光合作用、发育的分子机制、神经活动的机理、癌的发生等。虽然在定义上将二者是分开的,但是二者的研究、技术和应用都是密切相关的,因此人们在讨论这个方面的时候都是把二者结合起来的。1学科发展过程1.1生物因素分子生物学的发展大致可分为三个阶段。1.1.1确定生命的基础物质—准备和酝酿阶段19世纪后期到20世纪50年代初,是现代分子生物学诞生的准备和酝酿阶段。在这一阶段产生了两点对生命本质的认识上的重大突破:确定了蛋白质是生命的主要基础物质;确定了生物遗传的物质基础是DNA。1.1.2分子遗传学的基础这一阶段是从20世纪50年代初到70年代初,以1953年Watson和Crick提出的DNA双螺旋结构模型作为现代分子生物学诞生的里程碑开创了分子遗传学基本理论建立和发展的黄金时代。DNA双螺旋发现的最深刻意义在于:确立了核酸作为信息分子的结构基础;提出了硷基配对是核酸复制、遗传信息传递的基本方式;从而最后确定了核酸是遗传的物质基础,为认识核酸与蛋白质的关系及其在生命中的作用打下了最重要的基础。在此期间的主要进展包括:遗传信息传递中心法则的建立;对蛋白质结构与功能的进一步认识1.1.3重新发现和净化人类一般生物的基20世纪70年代后,以基因工程技术的出现作为新的里程碑,标志着人类深入认识生命本质并能动改造生命的新时期开始。其间的重大成就包括:重组DNA技术的建立和发展;基因组研究的发展;单克隆抗体及基因工程抗体的建立和发展;基因表达调控机理;细胞信号转导机理研究成为新的前沿领域。可以看到在近半个世纪中它是生命科学范围发展最为迅速的一个前沿领域,推动着整个生命科学的发展。至今分子生物学仍在迅速发展中,新成果、新技术不断涌现,这也从另一方面说明分子生物学发展还处在初级阶段。分子生物学已建立的基本规律给人们认识生命的本质指出了光明的前景,但分子生物学的历史还短,积累的资料还不够,例如:在地球上千姿万态的生物携带庞大的生命信息,迄今人类所了解的只是极少的一部分,还未认识核酸、蛋白质组成生命的许多基本规律;又如即使到2005年我们已经获得人类基因组DNA3x109bp的全序列,确定了人的5万-10万个基因的一级结构,但是要彻底搞清楚这些基因产物的功能、调控、基因间的相互关系和协调,要理解80%以上不为蛋白质编码的序列的作用等等,都还要经历漫长的研究道路。可以说分子生物学的发展前景光辉灿烂,道路还会艰难曲折。1.2生物化学的学科生物化学的起源是同18世纪晚期化学的发展及19世纪生物学的发展密切相关的,在化学及生物学发展的影响之下,生物化学在18世纪开始萌芽,19世纪初步发展,在20世纪初期生物化学才成为一门独立的学科,最初称生理化学,1903年德人CarlNeuberg初次使用生物化学这一名词。1.2.1水体热toenlaviising在18世纪的化学家中最早研究生命化学现象者当推法国的AntoineLavoisier。他首先研究动物的体温和呼吸,他是第一个证明动物身体的发热是由体内物质氧化而来的人。这一研究成果为以后生物化学的分解代谢奠下了牢固的基础。1.2.219世纪生命物体与非生命物体的区分是到了19才开始的。在19世纪中期,由叙述性生化向动态生化研究,导致了分解代谢的发展。1.2.3内容丰富、新科学生物化学在这个世纪突飞猛进,已成体系完整、内容丰富的新科学。它在生命科学中的位置是越来越重要的,生物化学的理论和技术介入了所有各门生物科学。2生物学与生物化学的最新进展和亮点在生物化学和分子生物学的发展中,许多重大的进展均得力于方法上的突破。基于分子生物学和生物化学研究的内容(生物体的化学组成;新陈代谢与代谢调节控制;生物大分子的结构与功能;酶学研究;生物膜和生物力能学;激素与维生素等),这门学科的主要进展主要体现在一些实验技术上,对生物界和社会主要有重大贡献的主要有以下的一些技术:20世纪20年代,微量分析技术导致了维生素、激素和辅酶等的发现。30年代:电子显微镜技术打开了微观世界,使我们能够看到细胞内的结构和生物大分子的内部结构。40年代:层析技术大发展,成为分离生化物质的关键技术。50年代:“放射性同位素示踪技术”在50年代有了大的发展,为各种生物化学代谢过程的阐明起了决定性的作用。60年代:各种仪器分析方法用于生物化学研究,取得了很大的发展,如HPLC技术、红外、紫外、圆二色等光谱技术、NMR核磁共振技术等。70年代:基因工程技术取得了突破性的进展,与此同时,各种仪器分析手段进一步发展,制成了DNA序列测定仪、DNA合成仪。高效毛细管电泳技术(HPCE),由于其高效、快速、经济,尤其适用于生物大分子的分析,因此受到生命科学、医学和化学等学科的科学工作者的极大重视,发展极为迅速,是生化实验技术和仪器分析领域的重大突破,意义深远。现今,由于HPCE技术的异军突起,HPLC技术的发展重点己转到制备和下游技术。单克隆抗体技术的发明,完善了极微量蛋白质的检测技术。PCR技术(PolymeraseChainReaction)即聚合酶链式反应的DNA扩增技术,对于生物化学和分子生物学的研究工作具有划时代的意义。以上就是分子生物学与生物化学的最新的和一些具有较大意义的进展。这些进展主要是凸显在技术上的,正式这些技术的迅速发展,从而带来了生物科学和人类整个社会的前进。3生物高结构与功能的研究生物化学和分子生物学对其他各门生物学科的深刻影响。首先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、免疫和细胞间通讯等许多奥秘,使人们对生命本质的认识跃进到一个崭新的阶段。不及如此,生物学中一些看来与生物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。3.1化疗药物的应用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。3.2水产生化技术的研究农林牧副渔各业都涉及大量的生化问题。如防治植物病虫害使用的各种化学和生物杀虫剂以及病原体的鉴定;筛选和培育农作物良种所进行的生化分析;家鱼人工繁殖时使用的多肽激素;喂养家畜的发酵饲料等。随着生化研究的进一步发展,不仅可望采用基因工程的技术获得新的动、植物良种和实现粮食作物的固氮;而且有可能在掌握了光合作用机理的基础上,使整个农业生产的面貌发生根本的改变。3.3蚕丝的脱胶、可利用酶法生物化学在发酵、食品、纺织、制药、皮革等行业都显示了威力。例如皮革的鞣制、脱毛,蚕丝的脱胶,棉布的浆纱都用酶法代替了老工艺。近代发酵工业、生物制品及制药工业包括抗生素、有机溶剂、有机酸、氨基酸、酶制剂、激素、血液制品及疫苗等均创造了相当巨大的经济价值,特别是固定化酶和固定化细胞技术的应用更促进了酶工业和发酵工业的发展。3.4国防应用防生物战、防化学战和防原子战中提出的课题很多与生物化学有关。如射线对于机体的损伤及其防护;神经性毒气对胆碱酯酶的抑制及解毒等。3.5生物膜能量转化原理的阐明将有助于解决全球能源问题了解酶的催化原理就能更有针对性地进行酶的人工模拟,设计出化学工业上广泛使用的新催化剂,从而给化学工业带来一场革命。3.6见表三、基因调控的研究20世纪80年代以来,已经采用基因工程技术,把高等动物的一些基因引入单细胞生物,用发酵方法生产干扰素、多种多肽激素和疫苗等。基因工程的进一步发展将为定向培育动、植物和微生物良种以及有效地控制和治疗一些人类遗传性疾病提供根本性的解决途径。从基因调控的角度研究细胞癌变也已经取得不少进展。分子生物学将为人