第18卷第1期1998年　3月 云南师范大学学报J ourna l of Yunna n No r m a l Unive rs ityV o l.18No.1M a r.　1998有机化学与生命科学Ξ周晓俊 吴　晖(云南广播电视大学医农系,昆明650223)　(云南师范大学化学系,昆明650092)摘　要　本文对有机化学和生命科学的关系、生命科学中有机化学发展前沿和研究热点等各方面进行较全面的讨论。

阐述了有机化学与生物问题的密切结合推动了生命科学的蓬勃发展。

随着科学技术的发展,自然科学各学科之间互相渗透、互相融合,新兴边缘学科不断涌现,化学生物学就是最富有生命力的一门新学科。

在生命科学中有机化学显得尤其重要。

关键词　生命科学　有机化学　化学生物学　分子水平当今生命科学发展到了分子水平,而且正方兴未艾。

生命科学中的化学问题已成为当今化学科学的重大的前沿课题之一。

这个课题关系到在分子基础上对生命现象和生命过程的深入认识,关系到对人类自身的认识,与医学和工农业的发展有直接的关系。

发达国家如美国、欧洲和日本都提出相应报告并制订规划,将此课题列为今后最优先发展的研究课题。

一些著名科学家在论述今后发展趋势时,提出了“化学是中心科学”(the cen tral science)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。

因此,化学与这些科学的交叉就成为化学科学发展的必然趋势。

在此,我们仅就化学,特别是有机化学和生命科学的关系,生命科学中有机化学发展前沿和研究热点作一综述讨论。

1　有机化学与生命科学的关系有机化学与生命科学关系极为密切。

有机化学就其最初的意义而言,是生物物质的化学。

十九世纪初,化学家把物质分为从矿物质获得的和从活细胞获得的两大类。

1807年,J.F.von B erziliu s首次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没有认识,因而便赋予有机化合物以一种神秘的色彩,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.W oh ler从无机物氰酸铵制得了和尿液中分离得到的完全相同的尿素。

W oh ler的发现否定了关于“生命力”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。

十九世纪中叶,I.Pasteu r关于左旋和右旋酒石酸经典式的研究,导致70年代V an thoff Ξ1997-11-19收稿和L e B el 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 .F ischer 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)。

一百年前在研究糖苷酶的作用时,他提出了“锁钥学说”,该学说已成为当今生物分子之间相互识别、相互作用和有机分子自组装这些前沿领域的先驱。

L .Pau ling 在本世纪50年代初建立了多肽的构象,为当今蛋白质-结构功能研究,蛋白质全新设计奠定了基础。

本世纪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W atson -C rick DNA 双螺旋结构的提出铺平了道路。

W atson -C rick DNA 双螺旋模型的创建,被公认为本世纪生物学最伟大的成就。

本世纪60年代,B .M errifield 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。

否则,当今蓬勃发展的生物工程是不可想象的。

从方法学的角度来看,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、同位素试剂又大大地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,至今已有近300个蛋白质的结构已经阐明。

M erri 2field 固相合成对于分子生物学的重要性则更为明显。

核酸的合成,首先是从Todd 的二核苷酸开始,随后又发展磷酸二脂法、磷酸三脂法、亚磷酸三脂法以及氢膦酸脂法等,应该说都是立足于有机磷化学反应原理之上。

Todd 本人(获1957年诺贝尔化学奖)是一位非常注重生物学问题的化学家。

他认为天然产物领域中,结构和功能总是息息相关的。

过去有机化学家对结构更加关注,而对功能的兴趣太少。

近年来,这种偏向已有所改变。

如N akan ish i 及已故前苏联O v 2ch in ikov 对视觉功能的兴趣,Co rey 对白三烯的兴趣,以及近来许多化学家致力于Site -direte 的m u tagenesis 的工作,都是很好的说明。

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,合成方法和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。

[1,2]2　化学生物学作为一门新学科正在形成与世界上的事物合久必分,分久必合一样,自然科学也经历着同样的过程,从“博物学”划分出了数理化天地生各门科学,随着科学的发展,又使它们互相渗透、互相交叉、互相融合,许多最富生命力的新兴边缘学科在不断涌现。

近年来在国内外发生的几件事情可以说明化学生物学作为一门新学科正在形成。

[5]哈佛大学化学系去年更名为“化学和化学生物学系”(“D ep artm en t of Chem istry and Chem ical B i o logy ”)。

多年来,在哈佛大学化学系,以S .L .Sch reiber 为代表的一批化学家和细胞生物学家合作,在化学原理的指导下,用小分子天然有机化合物作探针,来探知活细胞中的生化过程,并且用人工合成的化合物去改变某些过程。

例如,用一种从真菌中分离得到的天然产物布雷菲得菌素A (b refeldin A )研究了细胞内蛋白质的运转过程,揭示了细胞中蛋白质运转存在两种类型,又用化学合成小分子FK 1012和FK 506M 来开关T 细胞的基因。

1992年,Sch reiber 在美国《化学与工程新闻》(C&E N ew )发表了题为“用有机化学的原理探索细胞学”·49·云南师范大学学报(自然科学版) 第18卷(U sing the P rinci p les of O rgan ic Chem istry cell b i o logy ),确信生命的过程就是生物体中化学变化过程。

[4,6]在美国南加州的拉荷亚,有一所创建于1924年的Scri pp s 研究所,它是一个在神经生物学和临床医学领域颇有建树的研究机构。

目前,该研究所已成为世界瞩目的化学和生命科学交融领域的研究中心。

1982年上任的所长,著名医学家R .L erner 花了8年时间从M IT 等大学罗致了几位著名的化学家和生物化学家组建了几个定向于生物学研究的化学家小组,并于1989年在该所创立了化学系。

L erner 本人是“催化抗体”领域的开拓者,并在研究中一直领先。

他说“我的指导思想是化学是中心科学。

在生物学和医学中发生的每件事都有它的化学基础。

……如果你没有化学的思维,你就无法设计许多实验。

如果你不能制造分子,那么就会有整个层次的实验被排除在你的思考之外。

”“化学系建立以来的短短几年中,很快取得了一些重要成果。

更重要的是,研究所内建立了化学家和生物学家的亲密合作关系。

该所神经药理学系主任兼美国《Science 》杂志主编F .F .B loom 说:“Scri pp s 研究所有一种跨学科讨论的精神。

有了一个化学系,就给生物学家一个机会,提出过去不容易提出的问题。

”此外,位于南加州理工学院和在伯克利的加州大学,位于纽约市的洛克菲勒大学,都在进行着很有成效的化学-生物学研究。

三年前,一份致力于沟通化学和生物科学的杂志《化学与生物学》(Chem istry &B i o logy )已经诞生,主编就是哈佛大学的Sch reiber 和Scri pp s 研究所的K .C .N ico laou 。

1994年由我国投资分别在中科院上海有机所和北京大学建立了“生命有机化学国家重点实验室”和“生物有机分子工程开发实验室”。

在化学-生物学领域也作出了成绩。

3　生命科学中有机化学发展前沿及研究热点近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,其研究正进一个极富发展活力的新阶段。

核酸、蛋白质和多糖三大生物大分子化合物,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。

核酸的合成方法已较成熟,但仍比较繁琐,合成的规模仍受到限制,难以满足物性研究和医用研究的需要。

近年来,国际上比较重视含硫、氮的反义寡核苷酸合成方法的研究,并已取得可喜的进展。

多肽的合成研究和结构功能的研究,现已进入可以从构象和分子力学计算入手,模拟和改造天然活性肽的性能,寻找高效专一性强的激动剂和桔抗剂。

全新蛋白质是蛋白质研究中的一个新领域,对酶蛋白和膜蛋白的研究和模拟将起到重要作用。

催化性抗体则是极富挑战的新领域。

目前多糖研究侧重于分离、纯化、化学组成及生物活性等方面,对多糖的一级结构、溶液构象、空间结构和结构功能的关系的研究都未及深入。

寡糖的顺序分析也仍较复杂费时,在合成方法上也比不过核酸和蛋白质。

要深入研究结构和功能的关系,必须首先在分离分析和合成方法上有所突破。

模拟酶的主客体分子间的相互识别与相互作用已取得了可喜的进展,但与天然酶相比,其催化活性还极其有限。

此外在酶的模拟方式上最近出现了所谓催化性抗体的新策略,这种设想有可能创造出新型的高效高选择性催化剂。

生物膜化学和信息传递的分子基础的化学研究,是另一个重要研究领域,对医学、卫生、农业生产均会产生深远影响。

·59·第1期 周晓俊等:　有机化学与生命科学光合作用中化学问题的研究,对于提高光转换,最终对于农业的发展将有重大意义。

生命科学中许多问题有待化学家去研究、去解决。

催化性抗体、催化性核酸、全新蛋白质等的出现,充分展现了化学工作的能动性。