有機(jī)化學(xué)與生物工程

1、有機(jī)化學(xué)與生物工程摘要：有機(jī)化學(xué)在生物工程發(fā)展中起著理論基礎(chǔ)，研究工具，闡明本 質(zhì)的重要作用，它們有著密切的關(guān)系。本文從有機(jī)化學(xué)的發(fā)展與生物工程， 有機(jī)化學(xué)的主要研究成果與生物工程，有機(jī)化學(xué)研究的任務(wù)與生物工程，三 個方面說明有機(jī)化學(xué)課程與生物工程中的關(guān)系。關(guān)鍵詞：有機(jī)化學(xué)；生物工程有機(jī)化學(xué)是生物工程的基礎(chǔ)，有機(jī)化合物是構(gòu)成生物體的主要物質(zhì)，生 物體中各種有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及它們在生物體內(nèi)的的合成、分解、 轉(zhuǎn)化、代謝無不以有機(jī)化學(xué)為基礎(chǔ)。有機(jī)化學(xué)產(chǎn)品正越來越多地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)。 如農(nóng)藥(殺蟲劑、殺菌劑、除草劑)、植物生長調(diào)節(jié)劑、化肥、農(nóng)膜等保證 了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)；獸醫(yī)藥、飼料添加劑促進(jìn)了畜牧業(yè)生產(chǎn)

2、。要正確地使用，必須 了解這些有機(jī)化合物的組成、性質(zhì)和生理功能。本文將從有機(jī)化學(xué)的發(fā)展與 生物工程，有機(jī)化學(xué)的主要研究成果與生物工程，有機(jī)化學(xué)研究的任務(wù)與生 物工程，三個方面說明有機(jī)化學(xué)課程與生物工程中的關(guān)系。1. 有機(jī)化學(xué)的發(fā)展與生物工程有密切的關(guān)系有機(jī)化學(xué)就其最初的意義而言，是生物物質(zhì)的化學(xué)。1807年，j. f. yon berzilius首先把從活細(xì)胞中獲得的化合物命名為有機(jī)化合物。那時人 們對生命現(xiàn)象的本質(zhì)還沒有認(rèn)識，因而便賦予有機(jī)化合物一種神祕的魚彩， 許多化學(xué)家認(rèn)為有機(jī)物是不可能用人工的方法合成的，它們是“生命力”所 創(chuàng)造的。但是1828年，f. wohler從無機(jī)物氧酸鐵制得了

3、尿素，否定了關(guān)于 “生命力”的假說，可以說是化學(xué)家第一次干預(yù)了生物工程。隨后有機(jī)化學(xué)的發(fā)展主要集中在有機(jī)物的結(jié)構(gòu)研究和合成方法上，較少 關(guān)心它們的生物功能。盡管如此，許多化學(xué)家的研究成果還是成為了生物工 程發(fā)展過程的里程碑。比如，19世紀(jì)中葉，i. pasteur關(guān)于左旋和右旋酒 石酸經(jīng)典式的研究，導(dǎo)致70年代vanthof和lebel碳原子四面體構(gòu)型學(xué)說 的建立，它是生命分子結(jié)構(gòu)不對稱性的基礎(chǔ)。e. fischer對碳水化合物立體 化學(xué)和肽合成化學(xué)的貢獻(xiàn)是這兩大類重要的生命分子化學(xué)的奠基石。20世紀(jì) 50年代，a. todd建立的核糖核酸(rna)和脫氧核糖核酸(dna)的化學(xué)結(jié)構(gòu)， 為va

4、tson-crick dna雙螺旋結(jié)構(gòu)的提出鋪平了道路。60年代hg. khorana開創(chuàng)的磷酸二酯法合成寡核昔酸，不但證明了 dna上每三個堿基組 成一個三聯(lián)體密碼子編碼一個氨基酸從而提出了一套遺傳密碼，而且也開始 了人工合成dna的研究?；瘜W(xué)家也將用化學(xué)小分子和化學(xué)工具研究生命體系。 1985年h. smith和k. mullis發(fā)明了聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(pcr)從而使分子生物 學(xué)在技術(shù)上有了 一個突破和飛躍。1988年schreibcr在做靶向合成(tos)天 然產(chǎn)物fk506時發(fā)現(xiàn)fk506的結(jié)合蛋白fkbp12。1991年他們又利用小分子探針fk506和cyclosporin發(fā)現(xiàn)他們可以

5、抑制磷酸化酶神經(jīng)組蛋白 calcineuin的活性。同時發(fā)現(xiàn)了可以生成fkbp-12-fk506神經(jīng)組蛋白復(fù)合物 和cyclophilin-cyclospolin-calcineulin的復(fù)合物。這些小分子同時與兩 個蛋白結(jié)合，而表現(xiàn)出的生物活性也是細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)通路的分子基礎(chǔ)。1992年，schreiber在美國化學(xué)與工程新聞發(fā)表了題為“用有機(jī)化學(xué)的 原理探索細(xì)胞學(xué)”的論文，確信生命的過程就是生物體中化學(xué)變化過程。總之，有機(jī)化學(xué)理論上和實踐上的成就為現(xiàn)代生物學(xué)的誕生和發(fā)展打下 了堅實的基礎(chǔ)。價鍵理論、構(gòu)象學(xué)說、反應(yīng)機(jī)理等成為解釋生化反應(yīng)的有力 手段，蛋白質(zhì)和核酸的組成和結(jié)構(gòu)研究，順序測定方法

6、的建立，合成方法的 創(chuàng)建，酶催化機(jī)制的研究，模擬酶的合成的化學(xué)模型的建立，小分子探針技 術(shù)，單分子激發(fā)的技術(shù)，單分子操作的技術(shù)等重大成就，為現(xiàn)代生物學(xué)及生 物技術(shù)開辟了道路。有機(jī)化學(xué)與生物問題的密切結(jié)合是推動生物工程發(fā)展的 有力柱，也將人們對生命過程的了解提高到一個新的層次。2. 一百多年來，有機(jī)化學(xué)的最高科學(xué)成果一一諾貝爾化學(xué)獎綜覽1901-2010年共110年，除去8年未授獎外，共授化學(xué)獎102項，其中 有機(jī)化學(xué)方面得化學(xué)獎65項，占整個化學(xué)獎的63. 7%o碳水化合物、光合作 用得研究共8項；蛋白質(zhì)、酶和核酸方面得研究共18項；笛族化合物、維 生素和生物堿方面研究共8項；其它方面共31項

7、。其中與生物相關(guān)的占34 項。占有機(jī)化學(xué)的52. 3%o由此可以看出有機(jī)化學(xué)與生物工程有著密不可分 的關(guān)系。3. 有機(jī)化學(xué)研究的任務(wù)與生物工程的關(guān)系有機(jī)化學(xué)研究的主要任務(wù)是分離提純、物理有機(jī)化學(xué)、合成。分離提純 即分離、提取自然界存在的各種有機(jī)物，測定它們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，以便加以 利用。物理有機(jī)化學(xué)是研究有機(jī)物結(jié)構(gòu)與性質(zhì)間的關(guān)系、反應(yīng)經(jīng)歷的途徑、 影響反應(yīng)的因素等，以便控制反應(yīng)向我們需要的方向進(jìn)行。合成是在確定了 分子結(jié)構(gòu)并對許多有機(jī)化合物的反應(yīng)有相當(dāng)了解的基礎(chǔ)上，以由石油或煤焦 油中取得的許多簡單有機(jī)物為原料，通過各種反應(yīng)，合成我們所需要的自然 界存在的，或者自然界不存在的全新的有機(jī)物。3.1

8、有機(jī)化合物的分離提純與生物工程有機(jī)化學(xué)的分離提純與生物工程的關(guān)系主要體現(xiàn)在兩個方面，一是天然 有機(jī)化學(xué)，二是分離與分析。天然有機(jī)化學(xué)是研究動植物（包括海洋、陸地和微生物的次級代謝產(chǎn)物） 及生物體內(nèi)源性生理活性物質(zhì)的有機(jī)化學(xué)。目的是希望發(fā)掘有生理活性的天 然化合物，作為發(fā)展新藥先導(dǎo)化合物，或者直接用于臨床或為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。 天然有機(jī)化學(xué)的發(fā)展與國民經(jīng)濟(jì)有密切的聯(lián)帶關(guān)系，對于開發(fā)新型藥物、新型農(nóng)藥至關(guān)重要。我國自然資源非常豐富，又有幾千年傳統(tǒng)防治疾病的經(jīng)驗 積累，在我國大力發(fā)展天然有機(jī)化學(xué)的研究有著非?，F(xiàn)實的意義。對內(nèi)源性 生理活性物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)及其生理活性研究，又開辟了天然有機(jī)化學(xué)研究的新領(lǐng) 域。充

9、分利用開發(fā)我國動植物資源包括海洋生物資源，努力開拓新的生理活 性物質(zhì)，為國民經(jīng)濟(jì)服務(wù)是天然有機(jī)化學(xué)的重要任務(wù)。分離提純和分析的緊密結(jié)合是有機(jī)分析的一大特點。在生物工程中也涉 及到復(fù)雜系統(tǒng)的痕量或微量的有機(jī)物分離分析問題，比如生物活性物質(zhì)的提 取和分析等。氣相色譜的發(fā)展是高效分離的突破口，而高效氣相色譜和高效 液相色譜是現(xiàn)代分離技術(shù)的基礎(chǔ)。在氣相色譜中新型高選擇性的耐高溫固定 相（如手性固定相和異構(gòu)體選擇性分離的固定相）仍是比較活躍的研究領(lǐng)域。 液相色譜中選擇性色譜柱和選擇性流動相的應(yīng)用發(fā)展是今后若干年中的主攻 方面。細(xì)徑柱的合理開發(fā)，多維色譜以及以色譜為主的系統(tǒng)分析網(wǎng)絡(luò)將使復(fù) 雜系統(tǒng)有機(jī)痕量物

10、質(zhì)的分離和分析躍上新的臺階。超臨界流體色譜，包括毛 細(xì)管柱超臨界流體色譜是正在發(fā)展中的新技術(shù)。毛細(xì)管電泳是生物工程日益 發(fā)展的情況下產(chǎn)生的新型的高效技術(shù)，在蛋白質(zhì)和核酸的分離方面已顯出極 大的威力，是有很強(qiáng)發(fā)展活力的新領(lǐng)域。核磁共振波譜技術(shù)在譜儀性能和測 量方法上有了巨大的進(jìn)步，其中二維方法的發(fā)展已成為解決結(jié)構(gòu)問題最主要 的物理方法。nmr今后的發(fā)展趨勢是如何得到更多的相關(guān)信息、簡化圖譜、 提高檢測靈敏度和發(fā)展三維核磁共振技術(shù)。質(zhì)譜技術(shù)最突出的進(jìn)步是新的解 析電離技術(shù)的發(fā)展。隨著接口技術(shù)的進(jìn)步，聯(lián)用技術(shù)的應(yīng)用面更擴(kuò)大，效果 更為提高。這將使質(zhì)譜成為生物工程中的一個嶄新的研究手段。3.2物理有機(jī)

11、化學(xué)與生物工程物理有機(jī)化學(xué)主要是通過現(xiàn)代物理實驗方法與理論計算方法研究有機(jī)分 子結(jié)構(gòu)及其物理、化學(xué)性能之間的關(guān)系，闡明有機(jī)化學(xué)的反應(yīng)機(jī)理。生物工 程中的物理有機(jī)化學(xué)研究，包括主一一客體化學(xué)中的模擬酶催化反應(yīng)，主體 分子提供的微環(huán)境可控制反應(yīng)，主體分子對客體分子的識別作用以及疏水親 脂作用等都是具有重要理論意義的研究領(lǐng)域。量子有機(jī)化學(xué)由靜態(tài)向動態(tài)方 向的發(fā)展是當(dāng)前物理有機(jī)化學(xué)的重要組成，分子力學(xué)方法在有機(jī)分子結(jié)構(gòu)與 構(gòu)象的研究方面有著非常樂觀的發(fā)展前景。我國化學(xué)家蔣錫夔院士等發(fā)表了 題為“物理有機(jī)化學(xué)前沿領(lǐng)域兩個重要方面一一有機(jī)分子簇集和自由基化學(xué) 的研究”的論文，提出了可用物理有機(jī)化學(xué)方法解決生物工程的難題。 3.3有機(jī)合成與生物工程有機(jī)合成也與生物工程有著密切的關(guān)系。在與生物工程的聯(lián)系中，金屬 有機(jī)化學(xué)和元素有機(jī)化學(xué)是最為活躍的領(lǐng)域之一。比如，有機(jī)磷化合物在農(nóng) 藥、醫(yī)藥、萃取劑等方面以及有機(jī)合成化學(xué)中都有重要的應(yīng)用。開展有生物活性的有機(jī)磷化合物的研究，在生物工程研究中也具有極為重要的意義。近 年生物有機(jī)硅化合物以及有機(jī)硅化合物在有機(jī)合成中的應(yīng)用