一、生物化学、化学生物学、分子生物学,三者联系与区别欧洲化学生物学的一个专门刊名为ChemBioChem刊物,这部刊物在我所阅读的文献中被反复提及,我查到该文献的两位主编分别是Jean-Marie Lehn教授和Alan R. Fersht教授,他们在诠释刊物的宗旨[1]时指出:ChemBioChem意指化学生物学和生物化学,其使命是涵盖从复杂的碳水化合物、多肽蛋白质到DNA/RNA,从组合化学、组合生物学到信号传导,从催化抗体到蛋白质折叠,从生物信息学和结构生物学到药物设计,这一范围宽广而欣欣向荣的学科领域。
既然化学生物学涵盖面这么广泛,它到底和其它学科之间怎么区分呢?想到拿这个题目出来介绍是因为这是我在第一节课课堂讨论中的内容,我们小组所参考的文献主要是关于对化学生物学这门学科的认识,化学生物学的分析手段以及一些新的研究进展,比如药物开发和寻找药物靶点。
当时课堂上对于题目中三者展开过热烈讨论,作为新兴学科的化学生物学,研究的是小分子作为工具解决生物学问题的学科,它如何从生物化学和分子生物学中分别出来,这也是我自己最开始产生过矛盾的问题,这里我结合所查阅的文献谈一下自己的理解。
1.1 生物化学(Biological Chemistry)生物化学是研究生命物质的化学组成、结构、化学现象及生命过程中各种化学变化的生物学分支学科[1]。
根据一些生物化学的书我归纳了一下,其研究的基本内容包括对生物体的化学组成的鉴定,对新陈代谢与代谢调节控制,生物大分子的结构与功能测定,以及研究酶催化,生物膜和生物力学,激素与维生素,生命的起源与进化。
生物化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。
(摘自/view/253496.htm)1.2 化学生物学(Chemical Biology)化学生物学是使用小分子作为工具解决生物学的问题或通过干扰/调节正常过程了解蛋白质的功能[1]。
曾看到过一篇关于介绍化学生物学的奠基人Schreiber的文章,他曾经指出:“化学生物学是对分子生物学的有力补充,分子生物学采用定点突变的方法来改变生物分子如蛋白质和核酸的功能;而化学生物学是采用化学的手段,如运用小分子或人工设计合成的分子作为配体来直接改变生物分子的功能[2]。
”化学生物学是近年来出现的新兴研究领域,它融合了化学、生物学、物理学、信息科学等多个相关学科的理论、技术和研究方法,是一个有活力、有应用前景的新学科。
它主要研究的内容包括[3]:1化学遗传学—采用小分子活性化合物作为探针,探索和调控细胞过程(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生物体系的小分子调控中,分子识别和分子间相互作用的化学基础研究从自然界发现新的生物活性物质,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3分子进化及其系统工程的研究(1)分子进化是研究生命起源的重要内容(2)研究天然化合物的生物合成途径,揭示通过DNA、RNA、蛋白质和糖等生物大分子的突变和选择改变生物表型和性状进化的分子机制。
1.3 分子生物学(Molecular Biology)分子生物学是在分子水平上研究生命现象的科学。
研究生物大分子(核酸、蛋白质)的结构、功能和生物合成等,从这些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如光合作用、发育的分子机制、神经活动的机理、癌的发生等。
自20世纪50年代以来,分子生物学是生物学的前沿与生长点,其主要研究领域包括蛋白质体系、蛋白质-核酸体系(中心是分子遗传学)和蛋白质—脂质体系(即生物膜)。
(摘自/view/2461.htm)1.4 三者之间的联系与区别联系:化学生物学虽然目前探讨比较热烈,但它仍然是一个新的、定义不太明确的领域,化学生物学这个名词对于不同的人有不同的含义。
从它与其它学科的联系来看,化学生物学是化学生物学是一门新兴的交叉学科,它利用化学的理论、研究方法和手段来探索生物医学问题的科学,很好结合了的化学知识和生物学知识,与生物化学和分子生物学等学科有着非常密切的联系。
这种理解与生物化学和分子生物学的含义有较大的重叠,它强调的是化学与生物学的交叉与融合[2]。
由此看来必须给化学生物学下一个好的定义,才能将它们很好的区分。
之前已经提到Schreiber的定义是化学生物学是“采用化学的手段,如运用小分子或人工设计合成的分子作为配体来直接改变生物分子功能”,这是化学生物学的核心。
因此,化学生物学的中心任务[2]是采用小分子达到对生物通路的调控。
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,来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。
区别:在了解了化学生物学的定义和内涵之后,就不难区分三者的差别了:生物化学更强调的是描述生命的化学本质,比如对生物体的化学组成的鉴定,对生物大分子的结构与功能测定,我认为它更偏向于生物,范围也更广泛些,探讨更多的是关于生物体的化学组成结构,以及作用过程的化学本质和机理;分子生物学是从分子水平研究生命现象的,比如生物大分子的结构与功能,以及化学合成(光合作用等)。
采用定点突变的方法来改变生物分子如蛋白质和核酸的功能,所谓定点突变(/view/274624.htm?fr=ala0_1_1)是指通过聚合酶链式反应(PCR)等方法向目的DNA片段(可以是基因组,也可以是质粒)中引入所需变化(通常是表征有利方向的变化),包括碱基的添加、删除、点突变等。
定点突变能迅速、高效的提高DNA所表达的目的蛋白的性状及表征。
分子生物学探讨了有关基因表达和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问题,我认为它站在了一个更加微观的角度上;而化学生物学是对生物化学、分子生物学的有力补充,化学生物学上采用化学的手段,如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作为探针,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及其所包含的分子机制,所以它应该更加侧重对生物体的调控,应用范围和前两者不同。
三者之间存在着研究方向和思维方式的不同,但是三者之间又是相辅相成,互为补充和发展前提的,只有三门学科得共同的进步,化学生物学的研究才能迈上一个新的台阶。
二、中外化学生物学教学对比由于化学生物学是一门多交叉学科,同时又是新兴学科,教学历史比较短,不像其他课程的教学那样有成熟的教学大纲及知识点体系,所以我对化学生物学这门课的教学形式产生过好奇,因为之前也做过关于本校与国外排名位居前列的院校在生物医学工程上的对比调研,所以结合经验和文献,对中西方化学生物学教学作了简单的对比分析,希望通过比较对自身是一个提高,并能更好了解如何学好这门课。
表一中外化学生物学教学对比[3-5]国内国外开设时间 湖北大学最早于1997年开始招生的理科化学生物学基础科学研究与教学人才培养试点班2003年厦门大学开始招收化学生物学本科生;同年清华大学开设化学—生物学基础科学班招收本科生2001年中国科学院化学研究所建立了化学生物学联合实验室,同年中国化学会化学生物学专业委员会成立1995年Harvard大学率先将其化学系改名为化学与化学生物学系(Department ofChemistry and ChemicalBiology)1996年美国加州Scripps研究所成立了Skaggs化学生物学研究所。
课程对象设立了化学生物学硕士和博士研究生培养专业后,开始面向本科生主要是研究生,并且要求具有良好的化学和生物学背景,课程设置 包括化学类和生物类两方面的课程与交叉学科相适应的课程占较大比重设置了一些与学科拓展相关的选修课程较多学校实验课程采取综合化学实验中设置化学生物学实验部分或者单独开设化学生物学综合实验哈佛大学模式:理论课和实验课俱全,还开设了很多各有侧重的课程加州大学伯克利分校模式:1)知识性学习;2)某些领域进行深入讲解;3)专题研讨耶鲁大学模式:理论课和实验课并开教材选择 《化学生物学导论》(化工出版社;马林、古练权主编)《化学生物学与生物技术》(科学出版社;申泮文主编)实验教材:《化学生物学实验教程》(化工出版社;沃尔德曼、詹宁编;方唯硕、赵颖、肖志艳译)以上仅供参考教材选择是多样化的,没有统一的标准,界限也比较模糊。
没有一所大学采用直接命名为“化学生物学”的书作为教材,大多数是选择与其教学内容相关的教材。
先修要求化学专业仍是其主导专业,在此基础之上来加强生物学知识。
主要是有机化学,生物化学、分子生物学、物理化学等可以一般了解涉及领域低年级课程有普通生物学、化学原理,高年级有有机化学、物理化学、生物化学、细胞生物学、分子生课题集中在生物体内的信息流、信号转导、生物识别以及化学分子在这些过程中物学等核心基础课程,以及比较专业的选修课程,为学生进入高层次学习深造提供条件。
在原有课程实验保留的情况下,在高年级开设综合化学实验和综合化学生物学实验。
的作用、核酸和蛋白质的折叠、化学遗传学及基因组学、酶的三维结构、催化机制及调控、蛋白质与其他生物分子相互作用、药物的开发、用化学方法合成生物分子等。
每个学校的主要领域和题目的选择与教师的研究兴趣密切相关。
特点 加强实验教学。
调整和融合知识体系。
加强课程建设,强化课程之间的联系注重采用化学方法来解释和研究生物体系的内容,焦点主要集中在核酸、蛋白质和糖类,这是整个学科的基础。
关注学科领域的前沿,教师一般会给学生提供较多近期发表的论文,进行专题研讨,这些必然指向学科的前沿。
对比分析:2.1 开设时间和科研单位开设时间:从上表可以看出化学生物学作为一个新兴的交叉学科,有着非常好的发展前景和实用价值,所以已经引起了国内外各个高校化学院系的密切关注,国内国外一些著名大学在院系和专业的设置上也做出了相应的调整,先后开设了化学生物学这一专业,而且从开设时间来看虽然晚了一些,但没有很大差别。
科研单位:在大学院系和科研单位方面,由于目前化学生物学的研究热度及实用性,国内研究机构和若干大学也分别出现了化学生物学研究中心、重点实验室和化学生物学系,并开始招收化学生物学专业的本科生和研究生。