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摇 第 26 卷 第 5 期 2011 年 10 月 摇 摇 大 学 化 学 UNIVERSITY CHEMISTRY Vol. 26 No. 5 摇 Oct. 2011 百 年 诺 贝 尔 化 学 奖 与 生 物 化 学 的 发 展 王 悦 摇 彭 蜀 晋 摇 周 媛 摇 张 丹 摇 游 晓 莉 ( 四 川 师 范 大 学 化 学 与 材 料 科 学 学 院 摇 四 川 成 都 610068) 摇 摇 摘 要 摇 从 1901 年 首 次 颁 发 诺 贝 尔 奖 以 来, 有 39 次 化 学 奖 颁 给 了 生 物 化 学 领 域 诺 贝 尔 化 学 奖 的 颁 发 既 反 映 了 百 年 来 生 物 化 学 发 展 取 得 的 巨 大 成 就, 也 有 力 地 推 动 了 生 物 化 学 从 叙 述 生 物 化 学 阶 段 向 动 态 生 物 化 学 和 机 能 生 物 化 学 阶 段 的 不 断 迈 进, 促 进 了 生 物 化 学 学 科 的 快 速 发 展 摇 摇 关 键 词 摇 诺 贝 尔 化 学 奖 摇 生 物 化 学 摇 发 展 阶 段 摇 摇 生 物 化 学 是 探 讨 生 命 现 象 化 学 本 质 的 学 科, 它 以 研 究 生 命 物 质 的 化 学 组 成 性 质 结 构 和 功 能 等 静 态 问 题 为 基 础, 设 计 研 究 各 种 化 学 物 质 在 生 物 体 内 怎 样 变 化 怎 样 相 互 转 换 怎 样 相 互 制 约 以 及 在 变 化 过 程 中 能 量 转 换 等 动 态 问 题 [1] 在 百 余 年 来 诺 贝 尔 化 学 奖 的 颁 发 过 程 中, 有 39 次 奖 项 属 于 生 物 化 学 领 域 这 既 反 映 了 20 世 纪 以 来 化 学 与 生 命 科 学 研 究 的 紧 密 联 系, 也 反 映 了 化 学 科 学 的 发 展 对 解 析 生 命 现 象 的 巨 大 贡 献 1 摇 百 余 年 来 诺 贝 尔 化 学 奖 与 生 物 化 学 发 展 概 览 摇 摇 生 物 化 学 是 在 18 世 纪 70 年 代 以 后, 伴 随 着 近 代 化 学 和 生 理 学 的 发 展 逐 步 兴 起 的 1775 年, A. L. Lavoisier 提 出 一 种 观 点, 认 为 生 物 体 呼 吸 过 程 的 本 质 与 燃 烧 过 程 一 样, 均 要 消 耗 氧 气, 释 放 出 二 氧 化 碳 和 水 这 种 观 点 引 发 了 人 们 对 生 物 体 能 量 代 谢 的 关 注, 是 近 代 生 物 化 学 研 究 的 开 端 1877 年, 德 国 科 学 家 Hoppeseyler 等 提 出 了 生 物 化 学 ( biochemie) 这 个 名 词 [2] 在 这 一 时 期, 科 学 家 从 生 物 体 内 提 取 出 了 卵 磷 脂 等 有 机 物 质, 这 对 以 后 的 研 究 起 了 很 大 的 推 动 作 用 摇 摇 19 世 纪 末 到 20 世 纪 初, 酶 维 生 素 和 激 素 的 发 现 被 认 为 是 这 一 时 期 最 为 重 要 的 三 大 发 现 [3] 1897 年,E. Buchner 证 明 了 发 酵 过 程 在 没 有 酵 母 菌 存 在 的 情 况 下 也 可 进 行, 其 本 质 是 由 酵 素 即 酶 引 起 的 催 化 过 程, 由 此 开 创 了 酶 化 学 的 研 究 这 项 研 究, 成 为 近 代 生 物 化 学 诞 生 的 标 志,E. Buchner 也 因 此 获 得 了 1907 年 诺 贝 尔 化 学 奖 [4] 1926 年,J. B. Summer 首 次 制 备 出 脲 酶 的 结 晶, 使 酶 学 获 得 迅 速 的 发 展, 他 也 因 此 项 发 现 获 得 了 1946 年 诺 贝 尔 化 学 奖 1911 年,C. Funk 结 晶 出 抗 神 经 炎 维 生 素, 取 名 为 维 他 命 冶 (vitamine), 意 思 是 生 命 的 胺 冶 他 当 时 认 为 可 能 所 有 维 生 素 都 是 胺 类 物 质, 但 后 经 研 究 发 现 并 非 如 此, 于 是 又 改 名 为 vitamin 1902 年,J. Abel 分 离 出 肾 上 腺 素 并 制 成 结 晶 1905 年,W. M. Bayliss 和 E. H. Starling 提 出 激 素 冶 (hormone) 一 词 1926 年,C. Went 从 燕 麦 胚 芽 鞘 分 离 出 植 物 激 素 生 长 素 摇 摇 20 世 纪 30 年 代 以 后, 生 物 化 学 在 研 究 生 物 体 的 新 陈 代 谢 及 其 调 控 机 制 方 面 取 得 了 重 大 进 展, 相 继 对 糖 酵 解 三 羧 酸 循 环 氧 化 磷 酸 化 磷 酸 戊 糖 途 径 等 进 行 了 详 细 的 研 究 在 研 究 糖 酵 解 方 面, G. Embden O. Meyerhof J. K. Parnas 3 位 科 学 家 做 出 了 非 常 大 的 贡 献 H. A. Krebs 证 明 了 三 羧 酸 循 环, M. Calvin 证 明 了 光 合 碳 代 谢 途 径, 并 获 得 了 1961 年 诺 贝 尔 化 学 奖 摇 摇 从 20 世 纪 50 年 代 开 始, 生 物 化 学 的 研 究 逐 渐 深 入 到 了 分 子 水 平 有 许 多 杰 出 的 科 学 家 做 出 了 突 出 贡 献 :F. Sanger 于 1953 年 确 立 了 胰 岛 素 的 分 子 结 构, 为 蛋 白 质 的 一 级 结 构 测 定 打 下 了 基 础, 并 因 此 获 得 1958 年 诺 贝 尔 化 学 奖 M. F. Perutz 和 J. C. Kendrew 用 X 射 线 衍 射 法 研 究 得 到 了 球 蛋 白 和 纤 维 蛋 白 的 结 构, 获 得 1962 年 诺 贝 尔 化 学 奖 1953 年,J. D. Watson 和 F. H. C. Crick 提 出 DNA 的 双 螺 旋 结 构 模 型, 奠 定 了 分 子 生 物 学 的 基 础

摇 第 5 期 王 悦 等 : 百 年 诺 贝 尔 化 学 奖 与 生 物 化 学 的 发 展 89 2 摇 生 物 化 学 发 展 的 3 个 阶 段 摇 摇 根 据 生 物 化 学 发 展 史 中 这 些 代 表 性 的 成 就, 可 将 生 物 化 学 的 发 展 划 分 为 叙 述 生 物 化 学 动 态 生 物 化 学 与 机 能 生 物 化 学 3 个 阶 段 [5] 2. 1 摇 叙 述 生 物 化 学 阶 段 摇 摇 1775 年 前 后,C. W. Scheele 对 生 物 体 各 种 组 织 的 化 学 组 成 进 行 了 研 究, 他 的 这 一 研 究 奠 定 了 生 物 化 学 的 基 础 [5] 这 一 时 期 生 物 化 学 处 在 起 步 阶 段, 称 为 叙 述 生 物 化 学 阶 段 摇 摇 1779 年,I. Honse 说 明 了 绿 色 植 物 在 阳 光 下 可 以 放 出 氧 气 1782 年,J. Senebier 证 明 植 物 在 此 过 程 中 吸 入 二 氧 化 碳, 成 为 光 合 作 用 的 早 期 研 究 1785 年,A. L. Lavoisier 首 先 阐 明 了 呼 吸 的 本 质, 证 明 呼 吸 是 一 个 吸 入 消 耗 氧 气, 呼 出 二 氧 化 碳, 同 时 产 生 热 能 的 过 程, 开 启 了 对 生 物 氧 化 与 能 量 代 谢 的 研 究 1828 年,F. Wohler 在 实 验 室 中 成 功 地 用 无 机 化 合 物 氰 酸 氨 合 成 了 有 机 化 合 物 尿 素, 这 是 首 次 在 生 物 体 外 由 无 机 物 合 成 有 机 物, 突 破 了 无 机 化 合 物 和 有 机 化 合 物 之 间 的 研 究 界 限 [6] 摇 摇 这 一 时 期, 得 力 于 微 量 分 析 技 术 的 帮 助, 生 物 体 中 的 一 些 重 要 物 质 如 维 生 素 激 素 和 抗 生 素 相 继 被 发 现 并 得 到 了 研 究 比 如,1868 年, 瑞 士 科 学 家 F. Miesher 首 次 得 到 核 酸 ;1902 年,E. Fisher 提 出 蛋 白 质 的 多 肽 理 论 总 之, 叙 述 生 物 化 学 阶 段 的 特 点 是 对 生 物 体 内 物 质 的 化 学 组 成 含 量 和 性 质 等 进 行 研 究, 这 为 后 续 生 物 化 学 的 研 究 发 展 提 供 了 新 思 路, 开 拓 了 新 方 向 2. 2 摇 动 态 生 物 化 学 阶 段 摇 摇 20 世 纪 初 至 20 世 纪 50 年 代, 生 物 化 学 在 已 有 的 基 础 上, 在 诸 如 电 子 显 微 镜 技 术 层 析 技 术 等 众 多 实 验 方 法 的 帮 助 下 得 到 迅 速 发 展, 进 入 到 动 态 生 物 化 学 阶 段 生 物 化 学 能 有 如 此 的 发 展, 从 1901 年 开 始 颁 发 的 诺 贝 尔 奖 可 以 说 起 到 了 明 显 的 推 动 作 用, 有 代 表 性 的 有 以 下 几 个 方 面 2. 2. 1 摇 糖 类 维 生 素 的 研 究 摇 摇 1902 年,Fisher 因 合 成 糖 和 嘌 呤 衍 生 物 而 获 得 诺 贝 尔 化 学 奖, 由 此 开 始 了 糖 化 学 的 研 究 在 糖 化 学 中, 糖 酵 解 过 程 非 常 重 要 糖 酵 解 普 遍 存 在 于 生 物 界, 被 认 为 是 生 物 界 最 古 老 最 基 本 最 原 始 的 获 取 能 量 的 方 式, 是 最 早 的 被 阐 明 的 酶 促 反 应 系 统 [2] 1905 年, 英 国 科 学 家 A. Harden 和 W. J. Young 在 实 验 室 中 证 明 了 无 机 磷 酸 的 作 用, 证 明 了 磷 酸 盐 是 发 酵 过 程 中 的 关 键 物 质, 参 与 发 酵 过 程 中 间 产 物 的 形 成, 缺 少 磷 酸 盐 则 发 酵 过 程 无 法 进 行 这 一 观 点 的 提 出 使 对 糖 酵 解 的 阐 明 又 近 了 一 步 A. Harden 也 因 此 获 得 了 1929 年 诺 贝 尔 化 学 奖 摇 摇 在 此 之 后, 更 多 科 学 家 投 入 到 糖 酵 解 的 研 究 中, 经 过 许 多 科 学 家 的 连 续 工 作, 终 于 在 1940 年, 由 德 国 生 物 化 学 家 G. Embden O. Meyerhof 和 J. K. Parnas 等 人 阐 明 了 糖 酵 解 的 整 个 途 径, 也 就 是 以 他 们 名 字 命 名 的 EMP 途 径 葡 萄 糖 在 己 糖 激 酶 的 作 用 下 形 成 6 鄄 磷 酸 葡 萄 糖, 经 过 糖 酵 解 准 备 阶 段 和 放 能 阶 段 后 变 化 分 解 为 丙 酮 酸 因 为 糖 酵 解 过 程 在 生 物 中 普 遍 存 在, 且 是 一 个 酶 促 过 程, 因 此 对 糖 酵 解 过 程 的 阐 明 让 人 们 明 确 认 识 到 生 物 的 糖 代 谢 过 程 以 及 酶 促 反 应 系 统 的 工 作 过 程 摇 摇 维 生 素 是 维 持 机 体 正 常 生 命 活 动 所 必 需 的 一 类 小 分 子 有 机 化 合 物 它 在 生 物 体 内 既 不 构 成 各 组 织, 也 不 提 供 能 量, 但 却 是 维 持 生 物 体 生 长 发 育 及 新 陈 代 谢 不 可 缺 少 的 物 质 [2] 1928 年,A. Windaus 因 其 在 1907 年 研 究 了 胆 固 醇 和 其 他 维 生 素 的 结 构 并 合 成 了 维 生 素 D 3 而 获 得 诺 贝 尔 化 学 奖 此 次 诺 贝 尔 化 学 奖 的 颁 发, 促 进 了 科 学 家 对 于 维 生 素 的 研 究 1933 年,W. V. Haworth 合 成 了 维 生 素 C, 并 对 碳 水 化 合 物 进 行 了 研 究 P. Karrer 在 1931 年 确 定 了 维 生 素 A 的 结 构 并 在 1933 年 将 其 合 成 成 功, 而 后, 他 又 在 1935 年 合 成 了 维 生 素 B 2 这 两 位 科 学 家 因 其 对 维 生 素 领 域 的 贡 献, 共 同 获 得 1937 年 诺 贝 尔 化 学 奖 在 这 次 颁 奖 之 后,R. Kuhn 因 其 在 1935 ~ 1937 年 间 研 究 了 类 胡 萝 卜 素 和 维 生 素 而 获 得 1938 年 诺 贝 尔 化 学 奖

90 大 学 化 学 第 26 卷 摇 2. 2. 2 摇 酶 的 研 究 摇 摇 酶 是 由 活 细 胞 产 生 的, 具 有 催 化 活 性 和 高 度 专 一 性 的 一 种 生 物 大 分 子, 众 多 新 陈 代 谢 活 动 都 需 在 酶 的 催 化 下 才 可 以 进 行 生 物 的 各 种 生 命 活 动 都 与 酶 的 催 化 过 程 密 切 相 关 正 因 为 如 此, 酶 化 学 对 于 生 物 化 学 的 发 展 起 了 很 大 的 推 动 作 用 摇 摇 1929 年 的 诺 贝 尔 化 学 奖 颁 给 了 A. Harden 和 H. von Eulor 鄄 Chelpin, 除 了 因 为 他 们 关 于 糖 酵 解 的 研 究 外, 还 因 为 他 们 阐 明 了 酶 和 辅 酶 的 作 用, 并 确 定 了 辅 酶 的 结 构 继 1878 年 Kuhne 首 先 使 用 酶 冶 这 个 词 后,1926 年, 美 国 化 学 家 J. B. Summer 从 刀 豆 中 提 取 出 脲 酶 并 获 得 结 晶, 证 明 脲 酶 具 有 蛋 白 质 的 性 质, 并 提 出 酶 本 身 就 是 一 种 蛋 白 质 在 同 一 时 期,J. H. Northrop 结 晶 出 了 胃 蛋 白 酶 胰 蛋 白 酶 和 胰 凝 乳 蛋 白 酶, 并 证 明 了 它 们 的 生 物 活 性 另 外,W. M. Stanley 在 1930 ~ 1935 年 间 制 得 病 毒 蛋 白 酶 这 3 位 科 学 家 的 研 究 为 酶 化 学 的 进 步 做 出 了 巨 大 的 贡 献, 因 此, 共 同 获 得 了 1946 年 诺 贝 尔 化 学 奖 2. 2. 3 摇 蛋 白 质 的 研 究 摇 摇 20 世 纪 初, 科 学 家 开 始 了 对 蛋 白 质 结 构 的 探 讨 1902 年, 德 国 生 物 化 学 家 E. Fisher 和 F. Hofmeister 同 时 提 出 了 有 关 蛋 白 质 结 构 的 模 型 假 说, 认 为 蛋 白 质 的 结 构 是 多 肽 链 结 构, 是 由 肽 键 连 接 起 来 的 氨 基 酸 的 长 链 以 这 个 假 说 为 基 础,E. Fisher 在 1907 年 首 次 成 功 地 合 成 了 18 肽 的 长 链, 为 其 多 肽 链 假 说 提 供 了 初 步 的 实 验 证 据, 更 为 重 要 的 是, 这 个 成 果 使 人 类 在 蛋 白 质 的 人 工 合 成 道 路 上 迈 出 了 第 一 步 摇 摇 此 后, 英 国 生 物 化 学 家 F. Sanger 在 1945 年 开 始 测 定 牛 胰 岛 素 多 肽 链 中 的 氨 基 酸 的 结 构 顺 序, 并 最 终 于 1953 年 确 立 了 胰 岛 素 的 分 子 结 构 虽 然 这 一 研 究 经 历 了 数 年 时 间 才 成 功, 但 这 几 位 科 学 家 在 此 项 研 究 中 所 用 的 实 验 方 法 对 于 日 后 蛋 白 质 化 学 的 发 展 具 有 重 要 的 意 义 F. Sanger 因 为 这 项 成 就 获 得 了 1958 年 的 诺 贝 尔 化 学 奖 2. 3 摇 机 能 生 物 化 学 阶 段 摇 摇 自 20 世 纪 50 年 代 以 来, 生 物 化 学 发 展 迅 速, 进 入 到 真 正 意 义 上 的 生 命 化 学 阶 段 随 着 放 射 性 同 位 素 示 踪 技 术 红 外 光 谱 技 术 NMR 核 磁 共 振 技 术 高 效 毛 细 管 电 泳 技 术 (HPLC) 基 因 工 程 技 术 等 先 进 实 验 方 法 的 诞 生, 生 物 化 学 跨 入 了 在 分 子 水 平 研 究 的 时 期 [7] 在 这 一 时 期, 对 蛋 白 质 和 核 酸 这 两 大 生 物 基 础 物 质 的 研 究 是 生 物 化 学 领 域 最 为 重 大 突 破 2. 3. 1 摇 蛋 白 质 化 学 摇 摇 虽 然 在 20 世 纪 前 期, 人 们 对 蛋 白 质 已 有 一 定 的 研 究, 但 蛋 白 质 化 学 的 迅 速 发 展, 还 是 在 20 世 纪 50 年 代 以 后 摇 摇 继 1956 年 英 国 生 物 化 学 家 F. Sanger 揭 示 了 牛 胰 岛 素 的 全 部 51 个 氨 基 酸 的 排 列 顺 序 和 两 个 肽 键 之 间 的 硫 硫 键 之 后, 中 国 科 学 家 在 1965 年 合 成 了 结 晶 牛 胰 岛 素 这 是 世 界 上 第 一 个 人 工 合 成 的 具 有 生 物 活 性 的 蛋 白 质, 它 标 志 着 人 类 在 认 识 生 命 探 索 生 命 奥 秘 的 征 途 中 迈 出 了 关 键 性 的 一 步, 促 进 了 生 命 科 学 的 发 展, 标 志 着 世 界 进 入 了 人 工 合 成 蛋 白 质 的 新 阶 段 此 项 成 果 在 我 国 基 础 研 究 尤 其 是 生 物 化 学 的 发 展 史 上 有 巨 大 的 意 义 与 影 响 2. 3. 2 摇 核 酸 化 学 摇 摇 1944 年,O. T. Avery 通 过 肺 炎 链 球 菌 遗 传 转 化 实 验 证 明 了 改 变 肺 炎 链 球 菌 遗 传 性 状 的 转 变 因 子 是 脱 氧 核 糖 核 酸 (DNA), 即 证 明 了 DNA 是 基 因 的 基 础 物 质 这 一 发 现 极 大 地 推 动 了 有 关 核 酸 的 结 构 与 功 能 的 研 究 摇 摇 1953 年,J. D. Watson 和 F. H. C. Crick 在 Chargaff 定 则 的 启 示 下, 利 用 R. Franklin 和 M. Wilkins 得 到 的 DNA 的 X 射 线 衍 射 图 对 DNA 的 结 构 进 行 推 测, 不 仅 确 认 了 DNA 是 一 种 螺 旋 结 构, 还 得 到 了 几 个 主 要 参 数 有 了 这 样 的 发 现, 经 过 不 懈 的 努 力, 他 们 终 于 构 建 出 了 DNA 的 双 螺 旋 结 构 模 型 这 一 发 现 拉 开 了 现 代 分 子 生 物 学 的 序 幕, 为 现 代 生 命 科 学 的 发 展 奠 定 了 基 础 [1]

摇 第 5 期 王 悦 等 : 百 年 诺 贝 尔 化 学 奖 与 生 物 化 学 的 发 展 91 摇 摇 1955 年, 英 国 科 学 家 A. R. Todd 确 定 了 核 苷 酸 结 构, 合 成 了 低 分 子 的 核 苷 酸, 鉴 于 A. R. Todd 在 核 苷 酸 与 核 苷 酸 辅 酶 结 构 方 面 的 杰 出 成 就, 瑞 典 皇 家 科 学 院 授 予 他 1957 年 诺 贝 尔 化 学 奖 摇 摇 在 这 些 工 作 的 启 发 与 帮 助 下, 众 多 科 学 家 对 核 酸 化 学 领 域 开 展 了 不 断 的 探 索 获 得 诺 贝 尔 化 学 奖 的 有 L. F. Lelior, 他 因 发 现 核 糖 苷 酸 及 其 在 碳 水 化 合 物 生 物 合 成 中 的 作 用 而 获 得 1970 年 诺 贝 尔 化 学 奖 ;C. B. Anfinsen S. Moore W. H. Stein 因 研 究 核 糖 核 苷 酸 酶 的 活 性 区 位 以 及 确 定 蛋 白 质 的 一 级 结 构 而 获 得 1972 年 诺 贝 尔 化 学 奖 摇 摇 P. Berg 因 成 功 地 操 纵 基 因 重 组 脱 氧 核 糖 核 酸 分 子, 获 得 1980 年 诺 贝 尔 化 学 奖 P. Berg 的 工 作, 不 仅 实 现 了 将 原 本 不 相 关 的 DNA 组 合 在 一 起, 而 且 意 味 着 人 类 可 能 制 造 出 全 新 的 生 命 这 标 志 着 现 代 基 因 工 程 技 术 的 诞 生, 同 时 也 将 生 物 化 学 带 入 了 一 个 全 新 的 发 展 时 期 3 摇 诺 贝 尔 生 物 化 学 奖 获 奖 成 果 的 应 用 摇 摇 从 百 余 年 来 生 物 化 学 领 域 的 获 奖 看, 诺 贝 尔 化 学 奖 的 颁 发 与 生 物 化 学 的 发 展 交 相 辉 映, 推 动 了 生 物 化 学 学 科 的 快 速 发 展 3. 1 摇 核 酸 及 蛋 白 质 的 新 设 计 摇 摇 因 为 蛋 白 质 和 核 酸 是 构 成 生 命 的 基 本 物 质, 因 此 对 于 它 们 的 研 究, 尤 其 是 其 空 间 结 构 和 活 性 的 改 变 会 带 来 如 何 的 变 化 将 成 为 研 究 生 物 化 学 的 方 向, 并 将 长 期 受 到 关 注 3. 2 摇 生 物 膜 的 应 用 摇 摇 生 物 膜 是 构 成 细 胞 所 有 膜 的 总 称, 是 生 命 系 统 重 要 的 组 成 部 分 之 一, 对 调 节 细 胞 生 命 活 动 意 义 重 大 生 物 膜 的 功 能 主 要 有 物 质 运 输 能 量 转 化 细 胞 识 别 和 信 息 传 递 等, 因 此 膜 生 物 工 程 的 应 用 是 当 今 生 物 化 学 的 研 究 热 点 [2] 2003 年, 美 国 科 学 家 P. Agre 和 R. M. Kinnon 共 同 获 得 了 诺 贝 尔 化 学 奖, 其 原 因 是 二 人 均 在 细 胞 膜 通 道 领 域 作 出 了 开 创 性 的 贡 献 具 体 来 说,R. M. Kinnon 发 现 了 细 胞 膜 水 通 道 及 运 作 机 理, 而 P. Agre 则 发 现 了 水 通 道 蛋 白 及 其 结 构 和 工 作 原 理 他 们 的 成 就 开 辟 了 一 个 全 新 的 研 究 领 域, 即 细 胞 化 学, 这 使 有 关 生 物 膜 的 研 究 成 为 科 研 热 点 摇 摇 生 物 膜 将 细 胞 与 其 外 部 世 界 隔 离 开 来, 但 却 并 不 是 完 全 隔 离 的 实 际 上, 细 胞 膜 由 不 同 的 通 道 所 贯 通, 这 些 通 道 专 门 为 特 定 的 离 子 或 分 子 使 用 并 且 不 允 许 其 他 物 质 通 过 之 所 以 这 样, 是 因 为 通 道 最 重 要 的 特 性 选 择 性 细 胞 膜 通 道 包 括 水 通 道 和 特 种 离 子 通 道 所 谓 水 通 道, 实 际 上 是 一 种 水 通 道 蛋 白 (aquaporin, AQPs) 由 于 水 通 道 蛋 白 的 存 在, 机 体 的 水 平 衡 才 得 以 维 持 比 如 细 胞 膜 不 允 许 泄 漏 出 质 子 : 水 分 子 因 为 通 道 壁 的 原 子 所 形 成 的 局 部 电 场 作 用 而 缓 慢 地 通 过 狭 窄 的 通 道, 但 是 质 子 ( 或 H 3 O + ) 却 不 能 通 过, 因 为 它 们 自 身 所 带 的 正 电 荷 使 它 们 在 途 中 停 下 来 而 被 拒 绝 通 过 对 于 离 子 通 道, 以 允 许 钾 离 子 通 过 而 阻 止 钠 离 子 通 过 的 通 道 为 例 : 在 进 入 离 子 过 滤 器 之 前, 两 种 离 子 均 被 水 分 子 所 包 围, 离 子 被 水 分 子 束 缚, 其 与 水 中 的 氧 原 子 的 距 离 一 定 在 过 滤 器 中, 钾 离 子 与 氧 原 子 之 间 的 距 离 是 与 其 在 通 过 通 道 前 被 水 分 子 所 包 围 时 的 距 离 相 同, 因 此 可 以 通 过 过 滤 器 ; 然 而 钠 离 子 却 不 能 通 过, 这 是 由 于 它 在 过 滤 器 中 与 氧 离 子 的 距 离 不 匹 配, 因 此 仍 留 在 水 溶 液 中 摇 摇 利 用 细 胞 膜 通 道 的 原 理, 对 细 胞 通 道 进 行 的 研 究 可 以 帮 助 科 学 家 寻 找 具 体 的 病 因, 并 研 制 相 应 的 药 物 比 如 一 些 神 经 系 统 疾 病 和 心 血 管 疾 病 就 是 由 于 细 胞 膜 通 道 功 能 紊 乱 造 成 的 另 外, 利 用 不 同 的 细 胞 膜 通 道, 可 以 调 节 细 胞 的 功 能, 从 而 达 到 治 疗 疾 病 的 目 的 比 如, 中 药 就 是 通 过 调 节 人 体 体 液 的 成 分 和 不 同 成 分 的 浓 度 而 达 到 治 疗 疾 病 的 目 的 [8] 对 于 生 物 膜, 除 了 治 疗 疾 病, 其 应 用 还 可 以 体 现 在 污 水 治 理 方 面, 即 将 某 种 微 生 物 菌 种 制 成 制 剂 后, 按 要 求 直 接 投 放 到 受 污 染 水 体, 形 成 生 物 膜, 以 便 对 污 水 进 行 降 解 和 净 化 3. 3 摇 基 因 工 程 技 术 的 应 用 摇 摇 通 常 所 说 的 基 因 工 程, 实 质 上 就 是 利 用 DNA 重 组 技 术 改 造 生 物 的 基 因 结 构 以 达 到 预 期 目 的 的 一 项

92 大 学 化 学 第 26 卷 摇 高 新 技 术 具 体 方 法 是 利 用 分 子 生 物 学 的 方 法 分 离 目 的 基 因, 并 对 目 的 基 因 进 行 剪 切, 将 剪 切 好 的 基 因 片 段 与 载 体 连 接, 然 后 引 入 宿 主 细 胞 进 行 复 制 和 表 达 的 生 物 学 技 术 摇 摇 基 因 工 程 的 具 体 步 骤 包 括 两 个 : 首 先 从 某 些 生 物 体 获 取 ( 或 人 工 合 成 ) 所 需 要 的 DNA 片 段, 即 目 的 基 因, 将 目 的 基 因 与 获 得 的 基 因 的 载 体 进 行 体 外 重 组 ; 然 后 将 重 组 的 DNA 转 化 到 受 体 细 胞 中, 以 此 可 以 改 变 受 体 细 胞 的 遗 传 性 质 通 过 这 样 的 手 段, 可 以 获 得 需 要 的 产 品 或 特 定 的 优 良 性 状 [3] 正 因 为 可 以 产 生 人 类 所 需 要 的 物 质 或 者 组 建 出 新 的 生 物 类 型, 从 而 定 向 改 变 生 物 性 状, 因 此 基 因 工 程 有 着 广 泛 的 应 用 前 景 现 在, 人 们 在 农 业 医 疗 环 境 保 护 等 方 面 都 在 使 用 基 因 工 程 技 术 基 因 工 程 技 术 可 以 让 人 们 直 接 定 向 并 达 到 预 期 的 目 的 3. 3. 1 摇 农 业 技 术 的 新 方 法 摇 摇 在 农 业 上, 科 学 家 利 用 基 因 重 组 得 到 预 想 中 的 新 品 种 将 目 的 基 因 ( 比 如 抗 虫 基 因 和 耐 除 草 剂 基 因 ) 与 某 些 农 作 物 的 基 因 重 组, 以 降 低 新 品 种 的 生 产 成 本, 例 如 抗 虫 西 红 柿 等 还 有 经 过 大 鼠 的 生 长 素 基 因 改 造 的 超 级 小 鼠, 生 长 速 度 和 体 重 都 比 正 常 小 鼠 大 很 多, 此 项 技 术 应 用 于 家 畜 的 培 育 有 可 能 产 生 巨 大 的 生 产 价 值 3. 3. 2 摇 医 疗 技 术 的 新 进 步 摇 摇 在 成 功 进 行 了 动 植 物 基 因 的 改 造 之 后,1999 年, 美 国 科 学 家 破 解 了 人 类 第 22 组 基 因 排 序, 人 类 基 因 组 计 划 冶 由 此 迈 出 了 成 功 的 一 步 通 过 对 每 个 基 因 的 测 定, 我 们 可 以 找 到 治 疗 和 预 防 多 种 疾 病 的 新 方 法, 有 关 人 类 生 长 发 育 衰 老 遗 传 和 病 变 的 秘 密 也 将 随 之 揭 开 可 以 预 见, 在 今 后 的 时 间 里, 科 学 家 就 可 能 揭 示 人 类 大 约 5000 种 基 因 遗 传 病 的 致 病 基 因, 可 以 根 据 基 因 图 有 针 对 性 地 对 有 关 病 症 下 药, 从 而 为 癌 症 糖 尿 病 心 脏 病 等 各 种 致 命 疾 病 找 到 基 因 疗 法 此 外, 由 于 基 因 工 程 方 法 成 本 低 且 产 量 高, 目 前 市 场 上 的 很 多 药 品 ( 比 如 多 种 疫 苗 蛋 白 质 类 药 物 抗 生 素 等 ) 都 是 通 过 基 因 工 程 制 备 出 来 的 3. 3. 3 摇 环 境 保 护 的 新 举 措 摇 摇 基 因 工 程 的 成 果 还 可 以 应 用 在 环 境 保 护 方 面, 比 如 基 因 工 程 做 成 的 DNA 探 针 DNA 探 针 是 由 一 个 特 定 的 DNA 片 段 制 成 的, 将 其 与 被 测 病 毒 的 DNA 杂 交, 就 可 以 检 测 病 毒 此 法 可 以 灵 敏 并 快 速 地 检 测 环 境 中 的 病 毒 细 菌 等 污 染 利 用 基 因 工 程 培 育 的 指 示 生 物 能 灵 敏 地 反 映 环 境 污 染 的 情 况, 却 不 易 因 环 境 污 染 而 大 量 死 亡, 甚 至 还 可 以 吸 收 和 转 化 污 染 物 基 因 工 程 做 成 的 超 级 细 菌 冶 能 吞 食 和 分 解 多 种 污 染 环 境 的 物 质, 如 石 油 中 的 多 种 烃 类 化 合 物, 或 吞 食 转 化 汞 镉 等 重 金 属, 分 解 DDT 等 毒 害 物 质 摇 摇 从 1901 年 至 今, 百 余 年 来 的 诺 贝 尔 化 学 奖 的 历 史 使 我 们 认 识 到, 化 学 触 及 人 类 生 产 与 生 活 的 各 个 方 面, 生 物 化 学 作 为 从 化 学 学 科 衍 生 出 来 的 一 门 学 科, 在 不 长 的 时 间 内 得 到 了 迅 速 的 发 展, 从 叙 述 生 物 化 学 动 态 生 物 化 学 到 机 能 生 物 化 学 阶 段, 每 一 次 生 物 化 学 领 域 的 新 成 就 和 诺 贝 尔 化 学 奖 的 获 得 都 标 志 着 生 物 化 学 的 一 个 新 里 程 碑 出 现 展 望 未 来, 我 们 应 该 相 信, 生 物 化 学 的 研 究 将 更 加 辉 煌 参 摇 考 摇 文 摇 献 [1] 摇 张 家 治. 化 学 史 教 程. 第 3 版. 太 原 : 山 西 教 育 出 版 社,2004 [2] 摇 黄 卓 烈, 朱 利 泉. 生 物 化 学. 北 京 : 中 国 农 业 出 版 社,2004 [3] 摇 吕 淑 霞, 任 大 明, 唐 咏. 基 础 生 物 化 学. 北 京 : 中 国 农 业 出 版 社,2003 [4] 摇 彭 万 华. 化 学 通 报,2001(11):735 [5] 摇 张 平. 福 建 畜 牧 兽 医,2004(1): 45 [6] 摇 高 中 化 学 必 修 1. 第 2 版. 济 南 : 山 东 科 学 技 术 出 版 社,2005 [7] 摇 王 梦 姣. 陕 西 农 业 科 学,2009(5):112 [8] 摇 全 俊. 在 炼 金 术 之 后 诺 贝 尔 化 学 奖 获 得 者 100 年 图 说. 重 庆 : 重 庆 出 版 社,2006