生物化學與分子生物學的發(fā)展

生物化學與分子生物學的發(fā)展

生物化學和藥理學是目前國際和國內(nèi)研究的中心科學和熱點科學。從沃森和克里克發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋模型后,分子生物學和生物化學進入了高速發(fā)展的階段,根據(jù)統(tǒng)計在發(fā)現(xiàn)雙螺旋模型后的20a里,在這兩方面新發(fā)現(xiàn)和新應用可達200多項。有很多都是對人類生活息息相關的重要發(fā)現(xiàn)。隨著科技的進一步發(fā)展,出現(xiàn)了越來越多的生物化學和分子生物學技術:PCR,圖位克隆等技術,這就使這門學科發(fā)展速度越來越快了。生物化學:biochemistry,生物學的分支學科。它是研究生命物質(zhì)的化學組成、結構及生命活動過程中各種化學變化的基礎生命科學。分子生物學(molecularbiology)是在分子水平上研究生命現(xiàn)象的科學。通過研究生物大分子(核酸、蛋白質(zhì))的結構、功能和生物合成等方面來闡明各種生命現(xiàn)象的本質(zhì)。研究內(nèi)容包括各種生命過程。比如光合作用、發(fā)育的分子機制、神經(jīng)活動的機理、癌的發(fā)生等。雖然在定義上將二者是分開的,但是二者的研究、技術和應用都是密切相關的,因此人們在討論這個方面的時候都是把二者結合起來的。1學科發(fā)展過程1.1生物因素分子生物學的發(fā)展大致可分為三個階段。1.1.1確定生命的基礎物質(zhì)—準備和醞釀階段19世紀后期到20世紀50年代初,是現(xiàn)代分子生物學誕生的準備和醞釀階段。在這一階段產(chǎn)生了兩點對生命本質(zhì)的認識上的重大突破:確定了蛋白質(zhì)是生命的主要基礎物質(zhì);確定了生物遺傳的物質(zhì)基礎是DNA。1.1.2分子遺傳學的基礎這一階段是從20世紀50年代初到70年代初,以1953年Watson和Crick提出的DNA雙螺旋結構模型作為現(xiàn)代分子生物學誕生的里程碑開創(chuàng)了分子遺傳學基本理論建立和發(fā)展的黃金時代。DNA雙螺旋發(fā)現(xiàn)的最深刻意義在于:確立了核酸作為信息分子的結構基礎;提出了鹼基配對是核酸復制、遺傳信息傳遞的基本方式;從而最后確定了核酸是遺傳的物質(zhì)基礎,為認識核酸與蛋白質(zhì)的關系及其在生命中的作用打下了最重要的基礎。在此期間的主要進展包括:遺傳信息傳遞中心法則的建立;對蛋白質(zhì)結構與功能的進一步認識1.1.3重新發(fā)現(xiàn)和凈化人類一般生物的基20世紀70年代后,以基因工程技術的出現(xiàn)作為新的里程碑,標志著人類深入認識生命本質(zhì)并能動改造生命的新時期開始。其間的重大成就包括:重組DNA技術的建立和發(fā)展;基因組研究的發(fā)展;單克隆抗體及基因工程抗體的建立和發(fā)展;基因表達調(diào)控機理;細胞信號轉導機理研究成為新的前沿領域?？梢钥吹皆诮雮€世紀中它是生命科學范圍發(fā)展最為迅速的一個前沿領域,推動著整個生命科學的發(fā)展。至今分子生物學仍在迅速發(fā)展中,新成果、新技術不斷涌現(xiàn),這也從另一方面說明分子生物學發(fā)展還處在初級階段。分子生物學已建立的基本規(guī)律給人們認識生命的本質(zhì)指出了光明的前景,但分子生物學的歷史還短,積累的資料還不夠,例如:在地球上千姿萬態(tài)的生物攜帶龐大的生命信息,迄今人類所了解的只是極少的一部分,還未認識核酸、蛋白質(zhì)組成生命的許多基本規(guī)律;又如即使到2005年我們已經(jīng)獲得人類基因組DNA3x109bp的全序列,確定了人的5萬-10萬個基因的一級結構,但是要徹底搞清楚這些基因產(chǎn)物的功能、調(diào)控、基因間的相互關系和協(xié)調(diào),要理解80%以上不為蛋白質(zhì)編碼的序列的作用等等,都還要經(jīng)歷漫長的研究道路?？梢哉f分子生物學的發(fā)展前景光輝燦爛,道路還會艱難曲折。1.2生物化學的學科生物化學的起源是同18世紀晚期化學的發(fā)展及19世紀生物學的發(fā)展密切相關的,在化學及生物學發(fā)展的影響之下,生物化學在18世紀開始萌芽,19世紀初步發(fā)展,在20世紀初期生物化學才成為一門獨立的學科,最初稱生理化學,1903年德人CarlNeuberg初次使用生物化學這一名詞。1.2.1水體熱t(yī)oenlaviising在18世紀的化學家中最早研究生命化學現(xiàn)象者當推法國的AntoineLavoisier。他首先研究動物的體溫和呼吸,他是第一個證明動物身體的發(fā)熱是由體內(nèi)物質(zhì)氧化而來的人。這一研究成果為以后生物化學的分解代謝奠下了牢固的基礎。1.2.219世紀生命物體與非生命物體的區(qū)分是到了19才開始的。在19世紀中期,由敘述性生化向動態(tài)生化研究,導致了分解代謝的發(fā)展。1.2.3內(nèi)容豐富、新科學生物化學在這個世紀突飛猛進,已成體系完整、內(nèi)容豐富的新科學。它在生命科學中的位置是越來越重要的,生物化學的理論和技術介入了所有各門生物科學。2生物學與生物化學的最新進展和亮點在生物化學和分子生物學的發(fā)展中,許多重大的進展均得力于方法上的突破?；诜肿由飳W和生物化學研究的內(nèi)容(生物體的化學組成;新陳代謝與代謝調(diào)節(jié)控制;生物大分子的結構與功能;酶學研究;生物膜和生物力能學;激素與維生素等),這門學科的主要進展主要體現(xiàn)在一些實驗技術上,對生物界和社會主要有重大貢獻的主要有以下的一些技術:20世紀20年代,微量分析技術導致了維生素、激素和輔酶等的發(fā)現(xiàn)。30年代:電子顯微鏡技術打開了微觀世界,使我們能夠看到細胞內(nèi)的結構和生物大分子的內(nèi)部結構。40年代:層析技術大發(fā)展,成為分離生化物質(zhì)的關鍵技術。50年代:“放射性同位素示蹤技術”在50年代有了大的發(fā)展,為各種生物化學代謝過程的闡明起了決定性的作用。60年代:各種儀器分析方法用于生物化學研究,取得了很大的發(fā)展,如HPLC技術、紅外、紫外、圓二色等光譜技術、NMR核磁共振技術等。70年代:基因工程技術取得了突破性的進展,與此同時,各種儀器分析手段進一步發(fā)展,制成了DNA序列測定儀、DNA合成儀。高效毛細管電泳技術(HPCE),由于其高效、快速、經(jīng)濟,尤其適用于生物大分子的分析,因此受到生命科學、醫(yī)學和化學等學科的科學工作者的極大重視,發(fā)展極為迅速,是生化實驗技術和儀器分析領域的重大突破,意義深遠?，F(xiàn)今,由于HPCE技術的異軍突起,HPLC技術的發(fā)展重點己轉到制備和下游技術。單克隆抗體技術的發(fā)明,完善了極微量蛋白質(zhì)的檢測技術。PCR技術(PolymeraseChainReaction)即聚合酶鏈式反應的DNA擴增技術,對于生物化學和分子生物學的研究工作具有劃時代的意義。以上就是分子生物學與生物化學的最新的和一些具有較大意義的進展。這些進展主要是凸顯在技術上的,正式這些技術的迅速發(fā)展,從而帶來了生物科學和人類整個社會的前進。3生物高結構與功能的研究生物化學和分子生物學對其他各門生物學科的深刻影響。首先反映在與其關系比較密切的細胞學、微生物學、遺傳學、生理學等領域。通過對生物高分子結構與功能進行的深入研究,揭示了生物體物質(zhì)代謝、能量轉換、遺傳信息傳遞、光合作用、神經(jīng)傳導、肌肉收縮、激素作用、免疫和細胞間通訊等許多奧秘,使人們對生命本質(zhì)的認識躍進到一個嶄新的階段。不及如此,生物學中一些看來與生物化學關系不大的學科,如分類學和生態(tài)學,甚至在探討人口控制、世界食品供應、環(huán)境保護等社會性問題時都需要從生物化學的角度加以考慮和研究。3.1化療藥物的應用對一些常見病和嚴重危害人類健康的疾病的生化問題進行研究,有助于進行預防、診斷和治療。如血清中肌酸激酶同工酶的電泳圖譜用于診斷冠心病、轉氨酶用于肝病診斷、淀粉酶用于胰腺炎診斷等。在治療方面,磺胺藥物的發(fā)現(xiàn)開辟了利用抗代謝物作為化療藥物的新領域,如5-氟尿嘧啶用于治療腫瘤。青霉素的發(fā)現(xiàn)開創(chuàng)了抗生素化療藥物的新時代,再加上各種疫苗的普遍應用,使很多嚴重危害人類健康的傳染病得到控制或基本被消滅。生物化學的理論和方法與臨床實踐的結合,產(chǎn)生了醫(yī)學生化的許多領域,如:研究生理功能失調(diào)與代謝紊亂的病理生物化學,以酶的活性、激素的作用與代謝途徑為中心的生化藥理學,與器官移植和疫苗研制有關的免疫生化等。3.2水產(chǎn)生化技術的研究農(nóng)林牧副漁各業(yè)都涉及大量的生化問題。如防治植物病蟲害使用的各種化學和生物殺蟲劑以及病原體的鑒定;篩選和培育農(nóng)作物良種所進行的生化分析;家魚人工繁殖時使用的多肽激素;喂養(yǎng)家畜的發(fā)酵飼料等。隨著生化研究的進一步發(fā)展,不僅可望采用基因工程的技術獲得新的動、植物良種和實現(xiàn)糧食作物的固氮;而且有可能在掌握了光合作用機理的基礎上,使整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的面貌發(fā)生根本的改變。3.3蠶絲的脫膠、可利用酶法生物化學在發(fā)酵、食品、紡織、制藥、皮革等行業(yè)都顯示了威力。例如皮革的鞣制、脫毛,蠶絲的脫膠,棉布的漿紗都用酶法代替了老工藝。近代發(fā)酵工業(yè)、生物制品及制藥工業(yè)包括抗生素、有機溶劑、有機酸、氨基酸、酶制劑、激素、血液制品及疫苗等均創(chuàng)造了相當巨大的經(jīng)濟價值,特別是固定化酶和固定化細胞技術的應用更促進了酶工業(yè)和發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展。3.4國防應用防生物戰(zhàn)、防化學戰(zhàn)和防原子戰(zhàn)中提出的課題很多與生物化學有關。如射線對于機體的損傷及其防護;神經(jīng)性毒氣對膽堿酯酶的抑制及解毒等。3.5生物膜能量轉化原理的闡明將有助于解決全球能源問題了解酶的催化原理就能更有針對性地進行酶的人工模擬,設計出化學工業(yè)上廣泛使用的新催化劑,從而給化學工業(yè)帶來一場革命。3.6見表三、基因調(diào)控的研究20世紀80年代以來,已經(jīng)采用基因工程技術,把高等動物的一些基因引入單細胞生物,用發(fā)酵方法生產(chǎn)干擾素、多種多肽激素和疫苗等?；蚬こ痰倪M一步發(fā)展將為定向培育動、植物和微生物良種以及有效地控制和治療一些人類遺傳性疾病提供根本性的解決途徑。從基因調(diào)控的角度研究細胞癌變也已經(jīng)取得不少進展。分子生物學將為人