生物化学与分子生物学：绪论

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1、Biochemistry And Molecular BiologyIntroduction to Biochemistry 绪绪 论论 是研究生物体内化学分子与化学反应的科学，是研究生物体内化学分子与化学反应的科学，它在分子水平探讨生命现象的本质，即研究生物它在分子水平探讨生命现象的本质，即研究生物体的分子结构与功能、物质代谢与调节及遗传信体的分子结构与功能、物质代谢与调节及遗传信息的分子基础与调控规律息的分子基础与调控规律.生物化学（生物化学（biochemistry）生物化学（生物化学（Biochemistry）即）即“生命的化学生命的化学” 生生物物化化学学早早期期主主要要是是用用化化

2、学学的的，也也用用生生物物学学的的、物物理学的以及数学的原理研究各种形式的生命现象；理学的以及数学的原理研究各种形式的生命现象；至至20世世纪纪下下半半叶叶，生生物物化化学学进进入入其其发发展展的的分分子子生生物物学学时时期期（见见发发展展史史），研研究究手手段段又又有有遗遗传传学学、生生物物工程学、生物信息学等介入。工程学、生物信息学等介入。因因此此，生生物物化化学学是是一一门门边边缘缘学学科科，也也是是生生命命科科学学领领域重要的领头学科。域重要的领头学科。 生物化学发展历史生物化学发展历史The History of Biochemistry 第一节第一节 一、一、19世纪末以前是叙述生

3、物化学阶段: 主要研究生物体的化学组成1.近代生物化学的研究始于近代生物化学的研究始于18世世纪纪。2.18世世纪纪的主要的主要发现发现是生物体的气体交是生物体的气体交换换作用和作用和对对一些有机化一些有机化合物（如核酸、甘油、合物（如核酸、甘油、柠柠檬酸、苹果酸、乳酸和尿酸等）的檬酸、苹果酸、乳酸和尿酸等）的揭示。揭示。3.19世世纪纪的主要的主要贡贡献是献是对对人体化学人体化学组组成的成的认识认识和某些代和某些代谢过谢过程程的的发现发现。结结晶了血晶了血红红蛋白；提蛋白；提纯纯了麦芽糖了麦芽糖酶酶；发现发现了了细细胞色胞色素；从无机物合成出尿素，从肝中分离出糖原并素；从无机物合成出尿素，从

4、肝中分离出糖原并证证明它可明它可转转化化为为血糖等。血糖等。19世世纪纪末，末，酶酶独立催化作用的独立催化作用的发现发现打开了通向打开了通向现现代生物化学的大代生物化学的大门门。活力论活力论 （Vitalism）?活力论认为生命的本质是一种未知的或起源于神的灵魂活力论认为生命的本质是一种未知的或起源于神的灵魂或活力或活力(Vitality)。?一个死亡的细胞，同样具有核酸、蛋白质，但它是死的，一个死亡的细胞，同样具有核酸、蛋白质，但它是死的，看来细胞死与活的区别在于它们有没有活力。看来细胞死与活的区别在于它们有没有活力。 Muller（1942年）认为生物具有特殊的能，这种能被称年）认为生物具

5、有特殊的能，这种能被称为生命或活力（为生命或活力（Vital force)。他将生命与生物体分开。他将生命与生物体分开。1828年年，在在哥哥廷廷根根大大学学任任教教的的化化学学家家弗弗里里德德利利克克魏魏勒勒(Friedrick Whler)在在实实验验室室里里将将氰氰氢氢铵铵(ammonium cyanate)加热产生了尿素加热产生了尿素(urea)。（一）尿素合成使（一）尿素合成使“活力论活力论”遭遇第一次打击遭遇第一次打击加热加热NCONH4 H2NCONH2(氰氢铵氰氢铵) (尿素尿素) 魏勒和其实验流程图 尤尤斯斯图图斯斯冯冯李李比比希希(Justus Von Liebig)在在1

6、9世世纪纪20年年间间提提出出了了著著名名的的“燃燃烧烧”学学说说动动物物通通过过呼呼吸吸获获取取空空气气中中的的O2，氧氧化化分分解解摄摄取取的的食食物物，产产生生水水和和CO2，并且释放热量，保持体温，维持活力。，并且释放热量，保持体温，维持活力。李李比比希希将将食食物物分分为为糖糖、脂脂和和蛋蛋白白质质三三大大类类主主要要成成分分，并并提提出出物物质质在在生生物物体体内内可可进进行行合合成成和和分分解解两两种种化化学过程。学过程。物质代谢物质代谢(metabolism)的概念就这样产生了。的概念就这样产生了。（二）“燃烧”学说使“活力论”再次遭遇重创1840年年，李李比比希希出出版版了了

7、有有机机化化学学在在农农业业和和生生理理学学中中的的应应用用(Organic Chemistry in Its Application to Agriculture and Physiology)，这这本著作可以看作是最早的一部生物化学著作。本著作可以看作是最早的一部生物化学著作。 既既然然生生命命活活动动是是以以化化学学反反应应为为基基础础的的，化化学学反反应应又是在何处进行的？又是在何处进行的？1665年年，马马尔尔塞塞罗罗马马琵琵季季（Marcello Malpighi）发发现现红红血血球球（细细胞胞）。同同年年，罗罗伯伯特特胡胡克克（Robert Hooke）发现植物树皮细胞。）发现植

8、物树皮细胞。1838年年 （ 有有 说说 1839年年 ） ， 马马 采采 斯斯 史史 雷雷 登登（Matthais Schleiden）和和泽泽奥奥多多尔尔史史旺旺（Theodor Schwann）证明，细胞是植物的结构单位。）证明，细胞是植物的结构单位。（三）细胞是生命体的基本结构单位史史旺旺的的学学生生鲁鲁道道夫夫魏魏尔尔啸啸（Rudolf Virchow）提提出出了了细细胞胞学学说说“细细胞胞由由细细胞胞产产生生”，“细细胞胞是是所所有有生生命命体体的的基基本本结结构构单单位位”，细细胞胞就就是是进进行行化化学学反反应应的的场场所所。细细胞胞学学说说使使有有机机化化学学与与生生物物学学

9、（主主要要是是生生理理学学）结合，为生物化学的产生、发展奠定了基础。结合，为生物化学的产生、发展奠定了基础。 化化学学家家恩恩斯斯特特霍霍普普-席席勒勒（Ernst Hoppe-Seyler）首首次次从从血血液液中中分分离离出出血血红红蛋蛋白白，证证明明“血血液液的的红红色色是是由由血血红红蛋蛋白白的的颜颜色色引引起起的的”，并并在在1864年年将将血血红红蛋蛋白白制成了结晶（制成了结晶（crystal）。）。1877年年，霍霍普普-席席勒勒创创立立了了德德文文生生理理化化学学杂杂志志（Zeitschrift fr Physiologische Chemie）。）。这这时时，生生物物化化学学从

10、从生生理理学学分分出出作作为为一一门门新新的的独独立立学科诞生学科诞生。（四）血红蛋白赋予血液红色（四）血红蛋白赋予血液红色路路易易斯斯巴巴斯斯德德（Louis Pasteur）首首先先证证明明，只只有有活的酵母细胞才能进行发酵。活的酵母细胞才能进行发酵。1833年年，在在巴巴黎黎一一个个糖糖厂厂工工作作的的安安塞塞尔尔莫莫佩佩因因（ Anselme Payen） 和和 简简 -弗弗 朗朗 修修 斯斯 泼泼 骚骚 兹兹 （ Jean-Franois Persoz）从从麦麦芽芽中中分分离离出出一一种种可可使使淀淀粉粉转转变变为为糖糖的的可可溶溶性性物物质质，即即淀淀粉粉酶酶（diastase，后

11、后来来化化学学家家又又称称之为之为amylase）。）。稍稍后后几几年年，细细胞胞的的发发现现人人史史旺旺又又从从胃胃液液中中分分离离出出类类似似于于如如今今胃胃蛋蛋白白酶酶的的物物质质，并并证证明明这这种种酶酶是是由由胃胃细细胞胞产产生的。生的。（五）酶是化学反应的主宰（五）酶是化学反应的主宰1861年年，莫莫里里兹兹特特劳劳伯伯（Moritz Traube）等等提提出出，是一种是一种“可溶性催化剂可溶性催化剂”催化糖的催化糖的“发酵发酵”。1878年年，威威尔尔海海姆姆库库奈奈（Wilhelm Khne）首首先先引引入入“酶酶”（enzyme）的的概概念念，用用以以描描述述能能催催化化生生

12、物物化学反应的化学反应的“可溶性催化剂可溶性催化剂”。1897年年，爱爱德德尔尔德德布布希希奈奈（Eduard Buchner）（诺诺贝贝尔尔奖奖，1907）和和汉汉斯斯布布希希奈奈（Hans Buchner）两两兄兄弟弟实实验验证证明明，无无细细胞胞的的酵酵母母提提取取液液仍仍可可催催化化生生醇醇发发酵酵反反应应，使使巴巴斯斯德德关关于于“只只有有活活的的酵酵母母细细胞胞才才能能进进行发酵行发酵”的认识前进了一步。的认识前进了一步。20世世纪纪初初，生生物物化化学学之之父父埃埃米米尔尔费费舍舍尔尔（Emil Fischer）（诺诺贝贝尔尔奖奖，1902）首首次次证证明明蛋蛋白白质质是是由由不

13、不同同数数量量、种种类类的的氨氨基基酸酸组组成成的的，并并采采用用化化学学方方法法合合成成了了几几种种由由18个个氨氨基基酸酸残残基基组组成成的的多多肽肽，以以这这些些合合成成多多肽肽为为底底物物，分分析析酶酶的的催催化化活活性性，发发现现酶酶对对底底物物有有一一定定的的选选择择性性（特特异异性性），验验证证了了他他早早在在1894年年提提出出的的酶酶催催化化作作用用的的“锁锁-匙匙”学学说说。费费舍舍尔尔测测定定底底物物化化学学结结构构的方法对的方法对20世纪生物化学研究一直产生极大影响。世纪生物化学研究一直产生极大影响。在在20世世纪纪的的头头二二、三三十十年年，“酶酶的的非非蛋蛋白白质质

14、性性质质”一一直直束束缚缚着着人人们们的的科科学学思思维维，是是詹詹姆姆斯斯萨萨姆姆奈奈（James B Sumner）（诺诺贝贝尔尔奖奖，1946）解解除除了了这这一一科科学学禁禁锢锢。1926年年，萨萨 姆姆 奈奈 第第 一一 个个 成成 功功 地地 制制 备备 了了 尿尿 素素 酶酶（urease）结晶，并首次证明酶是蛋白质。）结晶，并首次证明酶是蛋白质。（六）酶的化学本质是蛋白质约约翰翰诺诺尔尔瑟瑟普普（John H. Northrop）（诺诺贝贝尔尔奖奖，1946）在在1930年年制制备备了了胃胃蛋蛋白白酶酶、胰胰蛋蛋白白酶酶结结晶晶。纯纯酶酶的的获获得得为为体体外外酶酶学学研研究究

15、提提供供了了重重要要手手段段，结结合合X（射射）线线晶晶体体衍衍射射（X-ray crystallography）分分析析及及多多肽肽成成分分分分析析，终终于于使使科科学学家家彻彻底底揭揭开开了了“酶酶的的化化学学本质是蛋白质本质是蛋白质”的事实。的事实。 2020世纪生物化学取得了飞速发展，确立了现代生物世纪生物化学取得了飞速发展，确立了现代生物化学的基本框架。化学的基本框架。从从19031903年年“生物化学生物化学”这一名词问世这一名词问世以以来的来的5050年，生化营养学、生物体的分子组成年，生化营养学、生物体的分子组成( (发现人类必需发现人类必需氨基酸、必需脂肪酸及多种维生素氨基酸

16、、必需脂肪酸及多种维生素, ,发现多种激素发现多种激素) )、物质代、物质代谢与能量代谢、代谢调节等均取得了显著成果。例如，维谢与能量代谢、代谢调节等均取得了显著成果。例如，维生素、辅酶和激素的结构与功能，酶促反应动力学，糖代生素、辅酶和激素的结构与功能，酶促反应动力学，糖代谢的各条反应途径，脂肪酸谢的各条反应途径，脂肪酸 - -氧化，氨基酸的分解代谢与鸟氧化，氨基酸的分解代谢与鸟氨酸循环，三羧酸循环等均是这一时期的突出贡献。氨酸循环，三羧酸循环等均是这一时期的突出贡献。二、二、20世纪上半叶是动态生物化学阶段世纪上半叶是动态生物化学阶段由由于于同同位位素素示示踪踪技技术术的的应应用用，在在很

17、很多多早早期期工工作作基基础础上上，终终于于在在20世世纪纪30年年代代末末，科科学学家家们们详详细细描描述述了了无无氧氧时时葡葡萄萄糖糖的的分分解解途途径径(糖糖)酵酵解解(glycolysis)的的酶酶促促反反应应顺顺序序。古古斯斯塔塔夫夫恩恩伯伯登登(Gustav Embden)和和奥奥托托麦麦耶耶霍霍夫夫(Otto Meyerhof)(诺诺贝贝尔尔奖奖，1922)对对葡葡萄萄糖糖酵酵解解的的分分子子演演绎绎过过程程贡贡献献最最大大，因因此此酵酵解解途途径径又又称称恩恩伯伯登登-麦麦耶耶霍霍夫途径夫途径(Embden-Meyerhof pathway)。（一）糖酵解又称恩伯登（一）糖酵解

18、又称恩伯登- -麦耶霍夫途径麦耶霍夫途径细胞是如何通过分解反应获得能量的？细胞是如何通过分解反应获得能量的？1932年年，汉汉斯斯克克雷雷勃勃斯斯(Hans A. Krebs)和和库库尔尔特特汉汉瑟瑟雷雷特特(Kurt Henseleit)发发现现了了尿尿素素循循环环(urea cycle)反反应途径。应途径。1937年年 ， 克克 雷雷 勃勃 斯斯 又又 揭揭 示示 了了 三三 羧羧 酸酸 循循 环环(tricarboxylic acid cycle)机制机制(诺贝尔奖，诺贝尔奖，1953) 。（二）三羧酸循环是物质氧化分解的最终途径Hans Krebs (1900-1981)Hans Kr

19、ebs (1900-1981)分别于分别于19321932年和年和19371937年发年发现了鸟氨酸循环和三羧酸循环。现了鸟氨酸循环和三羧酸循环。1929年年，Cyrus H. Fiske、Yellapragada Subbarow和和Karl Lohman分别发现了腺苷三磷酸分别发现了腺苷三磷酸(ATP)。1941年年，师师从从麦麦耶耶霍霍夫夫的的Fritz Lipmann(诺诺贝贝尔尔奖奖，1953)提出生物能过程中的提出生物能过程中的ATP循环学说。循环学说。1948年年，Eugene Kennedy和和Albert Lehninger证证明明，催催 化化 三三 羧羧 酸酸 循循 环环

20、反反 应应 的的 酶酶 都都 分分 布布 在在 线线 粒粒 体体(mitochondrion)，线线粒粒体体内内膜膜分分布布有有电电子子传传递递体体，可可进进行氧化磷酸化行氧化磷酸化(oxidative phosphorylation)反应。反应。（三）物质代谢与能量代谢偶联（三）物质代谢与能量代谢偶联20世世纪纪50年年代代，由由一一些些生生物物化化学学家家综综合合物物质质代代谢谢、氧氧化化磷磷酸酸化化偶偶联联机机制制，阐阐明明了了细细胞胞内内营营养养有有机机物物是是如如何何转转化化为为ATP的的，奠奠定定了了现现代代生生物物能能学学原原理理。生生物物化化学学家家在在代代谢谢途途径径、生生物

21、物能能学学及及酶酶反反应应等等方方面面所所取取得得的的进进步步使使生生物物化化学学成为成熟学科。成为成熟学科。 1950年年后后，物物质质代代谢谢途途径径研研究究进进入入合合成成(synthesis)途径的演绎。途径的演绎。50年年代代末末，由由于于很很多多代代谢谢途途径径被被揭揭示示，确确立立了了由由合合成成代代谢谢(anabolism)和和分分解解代代谢谢网网络络组组成成的的“中间代谢中间代谢”(intermediary metabolism)概念。概念。（四）合成代谢和分解代谢组成（四）合成代谢和分解代谢组成“中间代谢中间代谢”网络网络1955年年，马马隆隆郝郝兰兰德德 (Mahlon

22、Hoagland)证证明明氨氨基基酸酸参参与与蛋蛋白白质质合合成成前前需需要要被被活活化化，这这过程消耗过程消耗ATP。1957年年，郝郝兰兰德德和和保保尔尔扎扎美美尼尼克克(Paul Zamecnik)、 马马 莉莉 斯斯 泰泰 芬芬 森森 (Mary Stephenson)发现氨基酸活化还需要发现氨基酸活化还需要tRNA参与。参与。19551965年年间间，终终于于揭揭示示了了氨氨基基酸酸是是如如何以信使何以信使RNA (mRNA)为模板参入蛋白质的。为模板参入蛋白质的。1951年年，Linus Pauling（诺诺贝贝尔尔奖奖，1954）和和Robert B. Corey采采用用X射射线

23、线衍衍射射（X-ray diffraction）技技术术研研究究蛋蛋白白质质结结晶晶，发发现现了了蛋蛋白白质质分分子子的的二二级级结结构构形式形式-螺旋（螺旋（-helix）。）。1953年年 ，Frederick Sanger采采用用化化学学方方法法完完成成了了胰岛素（胰岛素（insulin）序列分析（诺贝尔奖，）序列分析（诺贝尔奖，1958）。）。三、三、20世纪世纪50年代生物化学发展进入分子年代生物化学发展进入分子生物学时期生物学时期（一）（一）螺旋是蛋白质分子二级结构形式之一螺旋是蛋白质分子二级结构形式之一1951年年 ， Stanford Moore和和 William Stein

24、发发明明了了蛋蛋白白质质层层析析(chromatography)分离技术分离技术(诺贝尔奖，诺贝尔奖，1972)。X射线衍射技术和多肽链氨基酸序列分射线衍射技术和多肽链氨基酸序列分析技术析技术是是50年代后分子生物学研究的两大技年代后分子生物学研究的两大技术支柱。术支柱。1868年年，瑞瑞士士青青年年学学者者、霍霍普普-席席勒勒的的学学生生弗弗里里德德利利克克米米歇歇尔尔（Friedrick Miescher）从从伤伤口口敷敷料料的的脓脓血血球球中中发发现现“核核素素”（“核核酸酸”的的早早期期命命名名）。在在20世世纪纪2030年年代代，还还发发现现有有两两种种类类型型核核酸酸核核糖糖核核酸

25、酸（RNA）和和脱脱氧氧核核糖糖核核酸酸（DNA）存存在。在。1941年年，George Beadle和和Edward Tatum提提出出了了“一个基因一个酶一个基因一个酶”的假说（诺贝尔奖，的假说（诺贝尔奖，1958）。）。（二）（二）DNA是遗传的物质基础是遗传的物质基础1944年年，Oswald T. Avery及及Colin M. Macleod、Maclyn McCarty通通过过细细菌菌转转化化实实验验证证明明DNA是是遗遗传传的物质基础的物质基础，揭示了基因的本质。，揭示了基因的本质。艾艾弗弗里里的的发发现现揭揭示示了了遗遗传传学学与与生生物物化化学学的的特特殊殊关关系系，生生物

26、物化化学学遗遗传传学学(Biochemical Genetics)(即即分子遗传学分子遗传学)在那时就提出来了。在那时就提出来了。 在在威威尔尔金金斯斯和和弗弗兰兰克克林林工工作作的的基基础础上上，沃沃森森和和克克里里克克在在1953年年提提出出了了DNA双双螺螺旋旋结结构构模模型型(double helix model)(诺诺贝贝尔尔奖奖，1962)。他他们们的的原原创创著著作作在在世世界界著著名名杂杂志志自自然然(Nature)上上发发表表，具具有有划划时时代代的的意意义义：DNA双双螺螺旋旋结结构构是是揭揭示示遗遗传传信信息息传传递递规规律律的的“敲门砖敲门砖”和联系生物化学与遗传学的和

27、联系生物化学与遗传学的“桥梁桥梁”。从从此此，生生物物化化学学发发展展进进入入了了以以生生物物大大分分子子结结构构与功能研究为主体的分子生物学时期。与功能研究为主体的分子生物学时期。 （三）（三）DNA双螺旋是揭示遗传信息传递的双螺旋是揭示遗传信息传递的“敲敲门砖门砖”1953年，Watson和Crick根据Chargaff 规律和DNA Na盐纤维的X光衍射分析提出了DNA的双螺旋结构模型。罗莎琳德罗莎琳德富兰克林（富兰克林（Rosalind Franklin）和她拍的改变历史的和她拍的改变历史的51号号DNA结晶结晶X射线衍射照片射线衍射照片Watson-Crick双螺旋结构模型(B-DN

28、A)Francis Crick and James Watson point out features of their model for the structure of DNA. (A. Barrington Brown/Science Source/Photo Researchers, Inc.) 生生命命现现象象的的“同同一一性性”使使科科学学家家可可以以利利用用细细菌菌和和病毒研究演绎高等生命过程。病毒研究演绎高等生命过程。1955年年，Arthur Kornberg (诺诺贝贝尔尔奖奖，1959)在在E. coli发现了发现了DNA聚合酶，揭开了聚合酶，揭开了DNA复制的秘密。复

29、制的秘密。 1959年年又又有有人人发发现现RNA聚聚合合酶酶。在在克克里里克克提提出出RNA中中介介假假说说基基础础上上，Marshall Nirenberg、Heinrich Matthaei、Philip Leder和和H. Gobind Khorana等等历历经经近近10年研究，在年研究，在1966年揭示了遗传密码。年揭示了遗传密码。1968年提出了年提出了遗传信息传递的中心法则遗传信息传递的中心法则。 （四）遗传信息按中心法则传递（四）遗传信息按中心法则传递1961年年，Francis Jacob和和Jacques Monod(诺诺贝贝尔尔奖奖，1965)揭揭示示了了原原核核基基因因

30、表表达达的的开开启启和和关关闭闭是如何控制的。是如何控制的。1963年年 ， Jacob、 Monod和和 Jean-Pierre Changeaux首首先先用用酶酶活活性性的的“别别构构调调节节”(allosteric regulation)理理论论解解释释基基因因和和机机体体代代谢谢功功能能是是如如何何被调节的，从此引入了生物调节的概念。被调节的，从此引入了生物调节的概念。 （五）基因信息传递是被特殊机制调节的（五）基因信息传递是被特殊机制调节的遗传信息的传递或表达是受一定机制调控的。遗传信息的传递或表达是受一定机制调控的。1973年年 ， Paul Berg、 Herbert Boyer

31、和和Stanley Cohen首首次次在在体体外外将将重重组组的的DNA分分子子形形成成无无性性繁繁殖殖系系DNA“克克隆隆”（clone）（诺诺贝贝尔尔奖，奖，1980）。）。1985年年，Kary Mullis发发明明了了一一种种体体外外扩扩增增DNA的的专专门门技技术术聚聚合合酶酶链链式式反反应应（PCR）（诺贝尔奖，（诺贝尔奖，1993）。）。（六）（六）DNA“克隆克隆”使基因操作无所不能使基因操作无所不能从从此此，以以重重组组DNA (Recombinant DNA) 操操作作为为核核心心的的重重组组DNA工工艺艺学学 (Recombinant DNA Technology) 迅迅

32、速速发发展展，科科学学家家们们分分离离及及操操作作基基因因的的能能力力几几乎乎达达到到无无所所不不能能的的地地步步。也也正正是是有有了了重重组组DNA工工艺艺学学才才能能使使人人类类基基因因组组计计划划得得以以实实施施，并并对对基基因因组组学学（genomics）诞诞生、工农业产业革命产生巨大影响。生、工农业产业革命产生巨大影响。 一一种种生生物物所所有有遗遗传传信信息息，也也就就是是DNA的总和，称为的总和，称为基因组基因组(genome)。人人 类类 基基 因因 组组 计计 划划 (Human Genome Project, HGP)就就是是将将人人23对对染染色色体体全全部部DNA的核苷

33、酸序列测出来。的核苷酸序列测出来。（七）人类基因组计划拉开了组学的序幕（七）人类基因组计划拉开了组学的序幕1990年年, 耗耗资资30亿亿美美元元的的15年年制制图图和和测测序序计计划划正正式式启动。启动。1992年年, 很很多多发发达达国国家家的的科科学学家家、政政府府甚甚至至公公司司参参加加HGP。1999年年 底底 ,由由 英英 国国 桑桑 格格 (Sanger)中中 心心 的的 丹丹 汉汉 姆姆(Dunham)领领导导的的国国际际基基因因组组公公布布了了22号号染染色色体体全全序列。序列。2000年年3月月, 德德国国、日日本本等等国国研研究究者者公公布布了了21号号染染色色体体全全序

34、序列列; 6月月,NCHGR和和塞塞莱莱拉拉(Celera)公公司司联联合宣布人类基因组序列草图合宣布人类基因组序列草图HGP提前完成。提前完成。从此，生物学领域新的亚学科从此，生物学领域新的亚学科基因组学诞生。基因组学诞生。 The sequence of the human genomeC. Venter et al.Science 16 Feb. 291: 1304 1351, 2001世界大型基因组研究中心世界大型基因组研究中心美国：美国：1) National Human Genome Research Institution in NIH2) Genome Center at Wh

35、ite Head/MIT3) Washington University Genome Center4) Joint Genome Institution at DOE5) Genome Center at Baylor Medical Collage 英国：英国：Sanger Center日本：日本：RIKEN中国：中国：华大基因研究中心（北京、杭州）华大基因研究中心（北京、杭州）国家人类基因组中心（国家人类基因组中心（北京、上海北京、上海） 从20世纪中叶到21世纪之初的60多年时间里，生命科学经历了两次革命性的转折第一次是以第一次是以2020世纪中叶在还原论基础上诞生的分子生物学世纪中叶

36、在还原论基础上诞生的分子生物学为代表。为代表。当时的生物学家认为，生命是一种遵循物理和化学规律的当时的生物学家认为，生命是一种遵循物理和化学规律的复合体，可以通过分析的方法分解为各种组成成分，如基复合体，可以通过分析的方法分解为各种组成成分，如基因或蛋白质，只要将基因及其产物逐个地进行研究，就可因或蛋白质，只要将基因及其产物逐个地进行研究，就可以揭示出生物个体的活动规律。即针对某个生物学问题，以揭示出生物个体的活动规律。即针对某个生物学问题，通过物理和化学的研究手段研究个别的基因或蛋白质的结通过物理和化学的研究手段研究个别的基因或蛋白质的结构和功能。研究者认为只要揭示出特定的（一个或数个）构和

37、功能。研究者认为只要揭示出特定的（一个或数个）基因或蛋白质的行为，就可以理解相应的生命活动。基因或蛋白质的行为，就可以理解相应的生命活动。其次是在方法论方面，研究者所拥有的研究手段通常只能其次是在方法论方面，研究者所拥有的研究手段通常只能研究一个或数个基因或蛋白质。研究一个或数个基因或蛋白质。DNA个体水平：细胞水平：分子水平：蛋白质现代生物学家眼中的生命现代生物学家眼中的生命还原论还原论2020世纪生命科学的主流世纪生命科学的主流基因基因蛋白质蛋白质 功能功能还原论还原论 Reductionism：认为生命现象可以用认为生命现象可以用构成生命体的生命物构成生命体的生命物质的质的物理、化学运动

38、物理、化学运动规律规律来说明来说明真实世界的生命真实世界的生命 (1)人类基因组人类基因组 300 000人类蛋白质人类蛋白质Millions蛋白质复合物蛋白质复合物信号转导网络信号转导网络真实世界的生命真实世界的生命 (2)在20世纪末叶，由于人类基因组计划的实施，引发了生命科学的第二次革命，其标志正是以基因组学为代表的“组学”（-omics）等生命大科学的出现。这类生命大科学最明显的特征是研究规模的巨大对于基因组学、蛋白质组学等各种“组学”而言，所关心的不再是生物体内的一两个基因或蛋白质等个别组分，而是所有的基因或蛋白质。从方法论的角度来看，这些“组学”最基本的研究策略就是，开发和应用大规

39、模、高通量的技术手段，以便能够在一次实验中(或者很短的时间内)研究成千上万的基因或蛋白质。 在整体和细胞水平上表现出来的生命现象，在背后都涉及基因控制的分子机制这条主线。现在的任务是如何根据不同的情况把这条主线具体化，这是摆在分子生物学面前的一个非常艰巨的任务。现在已经采用了一些新的研究方法，比如用基因芯片和生物芯片检测整体或细胞生命活动过程中的基因或生物分子的结构及功能变化的动态谱；在细胞或整体水平上将靶基因定向和定位地删除掉(knock out)或引进(knock in)，以研究靶基因表达与在细胞或整体上所表现的功能之间的关系等。通过不同层次研究问题的整合，不同研究技术方法的整合以及不同研

40、究结果的整合，可望比较客观地说明一定生命现象的发生机制。同时将不同学科（经典的和新兴的，宏观的和微观的）有机地联系在一起。 人们已经意识到，生命现象的复杂性不是经典实验生物学理论能够完全解释的。但是，今天人们已经意识到，生命现象的复杂性不是经典实验生物学理论能够完全解释的。但是，今天的活力论有了新的内涵：生命是可以被了解的，尽管这种了解需要全新的理论和全新的视角。的活力论有了新的内涵：生命是可以被了解的，尽管这种了解需要全新的理论和全新的视角。此外，今天的活力论和还原论是相互补充、相互依赖的，而不再像过去那样互相对立，互相此外，今天的活力论和还原论是相互补充、相互依赖的，而不再像过去那样互相对

41、立，互相隔离。也许最能说明这一点的例子是：实验生命科学领域最著名的国际学术刊物隔离。也许最能说明这一点的例子是：实验生命科学领域最著名的国际学术刊物细胞细胞，在在2000年第一期发表了展望年第一期发表了展望21世纪生命科学的一系列综述文章，其中一篇的题目便是：世纪生命科学的一系列综述文章，其中一篇的题目便是：“分分子活力论子活力论”分子活力论分子活力论20世世纪纪2030年年代代，我我国国生生物物化化学学家家吴吴宪宪等等在在血血液液分分析析方方面面，创创立立了了血血滤滤液液的的制制备备及及血血糖测定方法。糖测定方法。1931年年，吴吴宪宪还还提提出出了了国国际际公公认认的的蛋蛋白白质质变性学说

42、。变性学说。3050年年代代，我我国国生生物物化化学学家家刘刘思思职职等等在在免免疫疫化化学学研研究究领领域域首首先先采采用用定定量量分分析析方方法法研研究究抗原抗体反应机制。抗原抗体反应机制。四、我国科学家对生物化学发展也有贡献四、我国科学家对生物化学发展也有贡献在在5060年年代代，我我国国生生物物化化学学家家就就开开始始了了蛋蛋白白质质化化学学研研究究，系系统统地地提提出出了了蛋蛋白白质质折折叠叠与与酶酶活活性性调节的理论。调节的理论。1965年年，中中国国科科学学院院生生物物化化学学研研究究所所、有有机机化化学学研研究究所所和和北北京京大大学学的的科科学学家家首首先先采采用用人人工工方方法合成了具有生物活性的牛胰岛素法合成了具有生物活性的牛胰岛素.在在1981年，又合成了酵母丙氨酸年，又合成了酵母丙氨酸tRNA。20世世纪纪末末21世世纪纪初初，我我国国的的科科学学家家继继续续活活跃跃在生物化学、在生物化学、HGP和蛋白质组学研究领域。和蛋白质组学研究领域。第二节 生物化学与分子生物学的研究主要内容生物分子的结构与功能；物质代谢及其调节；基因信息传递与调控。生物化学与分子生物学和医学第二节