生物化學與分子生物學/生物化學與分子生物學發展簡史

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緒論 - 生物化學與分子生物學發展簡史 - 生物化學與分子生物學研究的主要內容 - 生物化學與分子生物學和其他學科的聯繫
生物化學一詞出自於德國的Felix H, 他於1877 年提出"biochemie" 一詞,譯成英語為" biochemistry" , 即生物化學。人們很早就認識到生物化學是關於生物體的組成和功能的研究,但直到19世紀才真正發展成為一門獨立的學科,並在20世紀初期蓬勃發展起來,近 50 年來又有許多重大的進展和突破,成為生命科學領域重要的前沿學科之一。20世紀50 年代,蘇聯生物化學家提出,生物化學的發展可分為敘述生物化學、動態生物化學和機能生物化學三個階段。第三個階段正是分子生物學崛起、並迅速發展成為一門獨立學科的階段,故亦稱為分子生物學階段。

敘述生物化學階段[編輯]

18世紀中葉至20世紀初是生物化學的初期階段,也稱為敘述生物化學階段,主要研究生物體的化學組成,並對其進行分離、純化、合成、結構測定及理化性質的研究。 期間的重要貢獻有:發現了生物氧化作用的本質;對脂質、糖類及胺基酸的性質進行了較為系統的研究;發現並分離了核酸;發現了維生素對人體的作用;從血液中分離了血紅蛋白;證實了連接相鄰胺基酸的膚鍵的形成,提出了蛋白質分子結構的多膚學說;體外合成了尿素、嗦呤和簡單的多膚;發現酵母發酵可產生醇並產生CO2, 酵母發酵過程中存在「可溶性催化劑",奠定了酶學的基礎等。

動態生物化學階段[編輯]

從20世紀20年代開始,生物化學學科蓬勃發展,開始認識體內各種分子的代謝變化,進入了動態生物化學階段。例如:在營養方面,發現了人類必需胺基酸、必需脂肪酸及多種維生素;在內分泌方面,發現了多種激素,並將其分離合成;在酶學方面,認識到酶的化學本質是蛋白質,酶晶體製備獲得成功;在物質代謝方面,由於化學分析及核素示蹤技術的發展與應用,對生物體內主要物質的代謝途徑已基本確定,包括糖代謝途徑的酶促反應過程、脂肪酸β-氧化、尿素合成途徑及三羧酸循環等。在生物能研究中,提出了生物能產生過程中的ATP循環學說。在這一階段,一些技術方法在生物化學研究中的應用,如放射性核素標記、電泳和X射線晶體學等,極大地推動了學科發展。

機能生物化學階段(分子生物學階段)[編輯]

20世紀後半葉以來,生物化學發展的顯著特徵是分子生物學的崛起。其間,物質代謝途徑的研究繼續發展,並進入合成代謝與代謝調節的研究。

蛋白質結構與生物合成[編輯]

20世紀50年代初期發現了蛋白質的α-螺旋的二級結構形式;完成了胰島素和核糖核酸酶的胺基酸序列分析;發現了轉運RNA和氨醯-tRNA合成酶以及它們在蛋白質合成中的作用,闡明了胺基酸參與蛋白質合成的活化機制;利用X-射線繞射和冷凍電鏡技術解析了煙草花葉病病毒的結構等。

DNA雙螺旋結構和中心法則[編輯]

關於遺傳物質DNA的研究可以看作是第三階段的標誌性研究。1953年,Watson JD和Crick FH提出DNA雙螺旋結構模型,為揭示遺傳信息傳遞規律奠定了基礎;同年,Brenner S提出信使RNA的概念,並證實了其在指導合成蛋白質中的作用;隨後,tRNA的序列和結構被確立,遺傳密碼被破譯。此後,對DNA的複製機制、RNA的轉錄過程以及蛋白質合成過程進行了深入研究;通過對大腸桿菌乳糖代謝的研究,闡明了基因通過控制酶的生物合成調節細胞代謝的模式,提出了操縱子學說。這些成果深化了人們對核酸與蛋白質的關係及其在生命活動中作用的認識。

重組DNA技術得到廣泛應用[編輯]

20世紀70年代,由於DNA連接酶、限制性內切核酸酶、逆轉錄酶以及各種載體的發現和應用,使得重組DNA技術取得了極大的突破。重組DNA技術的建立不僅促進了對基因表達調控機制的研究,而且使人們主動改造生物體成為可能。由此,相繼獲得了多種 基因工程產品,極大地推動了醫藥工業和農業的發展。轉基因動植物和基因敲除(gene knock-out)動物模型的成功是重組DNA技術發展的結果。基因診斷與基因治療也是重組DNA技術在醫學領域應用的重要方面。20世紀80年代,核酶(ribozyme)的發現是人們對生物催化劑認識的補充。聚合酶鏈反應技術的發明,使人們有可能在體外高效率擴增DNA。這些成果都是分子生物學發展的重大事件。

基因組學及其他組學的研究[編輯]

20世紀末啟動的人類基因組計劃(human genome project)是人類生命科學中的偉大創舉。人類基因組計劃是描述人類基因組特徵,包括物理圖譜、遺傳圖譜、基因組DNA序列測定。2001年2月,人類基因組草圖公佈;2003年4月,覆蓋人常染色體基因組99%序列的人類基因組圖繪製完成。
2003年9月,DNA元件百科全書(the Encyclopedia of DNA Elements, ENCODE)計劃正式啟動,其目的在於鑑定人類基因組中所有的功能片段。
蛋白質組學(proteomics)研究包括闡明蛋白質的定位、結構與功能、相互作用以及特定時空的蛋 白質表達譜等,已成為生物化學的又一研究熱點。由於蛋白質具有更為複雜的三維結構,無疑確定人類所有蛋白質的結構比測定大類基因組序列更具挑戰性。
轉錄物組學(transcriptomics)研究細胞在某一功能狀態下基因組轉錄產生的全部轉錄物的種類、結構和功能。RNA組學(RNomics)主要研究snmRNA的種類、結構、功能等,探討同一生物不同組織細胞或同細胞在不同時空狀態下snmRNA的表達譜及其功能的變化及其與蛋白質的相互作用。
代謝組學(metabonomics)研究的是生物體對外源性物質的刺激、環境變化或遺傳修飾所作出的所有代謝應答的全貌和動態變化過程,其研究對象為完整的多細胞生物系統,包括了生命個體與環境的相互作用。
糖組學(glycomics)主要研究單個生物體所包含的所有聚糖的結構、功能(包括與蛋白質的相互作用)等生物學作用,糖組學的出現使人類可以更深刻理解第三類生物信息大分子——聚糖在生命活動中的作用。
總之,闡明人類基因組功能是一項多學科的任務,正吸引着生物學、醫學、化學、物理、數學、工程和計算機等領域的學者共同參與,從中整合所有基因組信息,分析各種數據並提取其生物學意義,因而產生了一門前景廣闊的新興學科——生物信息學(bioinformatics)。儘管生物化學與分子生物學的發展異常迅速,但人類基因組序列的揭曉僅是序幕而已,生命本質的闡明任重而道遠。