生物化学与分子生物学/生物化学与分子生物学发展简史

绪论 - 生物化学与分子生物学发展简史 - 生物化学与分子生物学研究的主要内容 - 生物化学与分子生物学和其他学科的联系
生物化学一词出自于德国的Felix H, 他于1877 年提出"biochemie" 一词，译成英语为" biochemistry" , 即生物化学。人们很早就认识到生物化学是关于生物体的组成和功能的研究，但直到19世纪才真正发展成为一门独立的学科，并在20世纪初期蓬勃发展起来，近 50 年来又有许多重大的进展和突破，成为生命科学领域重要的前沿学科之一。20世纪50 年代，苏联生物化学家提出，生物化学的发展可分为叙述生物化学、动态生物化学和机能生物化学三个阶段。第三个阶段正是分子生物学崛起、并迅速发展成为一门独立学科的阶段，故亦称为分子生物学阶段。

叙述生物化学阶段

18世纪中叶至20世纪初是生物化学的初期阶段，也称为叙述生物化学阶段，主要研究生物体的化学组成，并对其进行分离、纯化、合成、结构测定及理化性质的研究。 期间的重要贡献有：发现了生物氧化作用的本质；对脂质、糖类及氨基酸的性质进行了较为系统的研究；发现并分离了核酸；发现了维生素对人体的作用；从血液中分离了血红蛋白；证实了连接相邻氨基酸的肤键的形成，提出了蛋白质分子结构的多肤学说；体外合成了尿素、嗦呤和简单的多肤；发现酵母发酵可产生醇并产生CO₂, 酵母发酵过程中存在“可溶性催化剂＂，奠定了酶学的基础等。

动态生物化学阶段

从20世纪20年代开始，生物化学学科蓬勃发展，开始认识体内各种分子的代谢变化，进入了动态生物化学阶段。例如：在营养方面，发现了人类必需氨基酸、必需脂肪酸及多种维生素；在内分泌方面，发现了多种激素，并将其分离合成；在酶学方面，认识到酶的化学本质是蛋白质，酶晶体制备获得成功；在物质代谢方面，由于化学分析及核素示踪技术的发展与应用，对生物体内主要物质的代谢途径已基本确定，包括糖代谢途径的酶促反应过程、脂肪酸β-氧化、尿素合成途径及三羧酸循环等。在生物能研究中，提出了生物能产生过程中的ATP循环学说。在这一阶段，一些技术方法在生物化学研究中的应用，如放射性核素标记、电泳和X射线晶体学等，极大地推动了学科发展。

机能生物化学阶段（分子生物学阶段）

20世纪后半叶以来，生物化学发展的显著特征是分子生物学的崛起。其间，物质代谢途径的研究继续发展，并进入合成代谢与代谢调节的研究。

蛋白质结构与生物合成

20世纪50年代初期发现了蛋白质的α-螺旋的二级结构形式；完成了胰岛素和核糖核酸酶的氨基酸序列分析；发现了转运RNA和氨酰-tRNA合成酶以及它们在蛋白质合成中的作用，阐明了氨基酸参与蛋白质合成的活化机制；利用X-射线衍射和冷冻电镜技术解析了烟草花叶病病毒的结构等。

DNA双螺旋结构和中心法则

关于遗传物质DNA的研究可以看作是第三阶段的标志性研究。1953年，Watson JD和Crick FH提出DNA双螺旋结构模型，为揭示遗传信息传递规律奠定了基础；同年，Brenner S提出信使RNA的概念，并证实了其在指导合成蛋白质中的作用；随后，tRNA的序列和结构被确立，遗传密码被破译。此后，对DNA的复制机制、RNA的转录过程以及蛋白质合成过程进行了深入研究；通过对大肠杆菌乳糖代谢的研究，阐明了基因通过控制酶的生物合成调节细胞代谢的模式，提出了操纵子学说。这些成果深化了人们对核酸与蛋白质的关系及其在生命活动中作用的认识。

重组DNA技术得到广泛应用

20世纪70年代，由于DNA连接酶、限制性内切核酸酶、逆转录酶以及各种载体的发现和应用，使得重组DNA技术取得了极大的突破。重组DNA技术的建立不仅促进了对基因表达调控机制的研究，而且使人们主动改造生物体成为可能。由此，相继获得了多种 基因工程产品，极大地推动了医药工业和农业的发展。转基因动植物和基因敲除(gene knock-out)动物模型的成功是重组DNA技术发展的结果。基因诊断与基因治疗也是重组DNA技术在医学领域应用的重要方面。20世纪80年代，核酶(ribozyme)的发现是人们对生物催化剂认识的补充。聚合酶链反应技术的发明，使人们有可能在体外高效率扩增DNA。这些成果都是分子生物学发展的重大事件。

基因组学及其他组学的研究

20世纪末启动的人类基因组计划(human genome project)是人类生命科学中的伟大创举。人类基因组计划是描述人类基因组特征，包括物理图谱、遗传图谱、基因组DNA序列测定。2001年2月，人类基因组草图公布；2003年4月，覆盖人常染色体基因组99%序列的人类基因组图绘制完成。
2003年9月，DNA元件百科全书(the Encyclopedia of DNA Elements, ENCODE)计划正式启动，其目的在于鉴定人类基因组中所有的功能片段。
蛋白质组学(proteomics)研究包括阐明蛋白质的定位、结构与功能、相互作用以及特定时空的蛋 白质表达谱等，已成为生物化学的又一研究热点。由于蛋白质具有更为复杂的三维结构，无疑确定人类所有蛋白质的结构比测定大类基因组序列更具挑战性。
转录物组学(transcriptomics)研究细胞在某一功能状态下基因组转录产生的全部转录物的种类、结构和功能。RNA组学(RNomics)主要研究snmRNA的种类、结构、功能等，探讨同一生物不同组织细胞或同细胞在不同时空状态下snmRNA的表达谱及其功能的变化及其与蛋白质的相互作用。
代谢组学(metabonomics)研究的是生物体对外源性物质的刺激、环境变化或遗传修饰所作出的所有代谢应答的全貌和动态变化过程，其研究对象为完整的多细胞生物系统，包括了生命个体与环境的相互作用。
糖组学(glycomics)主要研究单个生物体所包含的所有聚糖的结构、功能（包括与蛋白质的相互作用）等生物学作用，糖组学的出现使人类可以更深刻理解第三类生物信息大分子——聚糖在生命活动中的作用。
总之，阐明人类基因组功能是一项多学科的任务，正吸引着生物学、医学、化学、物理、数学、工程和计算机等领域的学者共同参与，从中整合所有基因组信息，分析各种数据并提取其生物学意义，因而产生了一门前景广阔的新兴学科——生物信息学(bioinformatics)。尽管生物化学与分子生物学的发展异常迅速，但人类基因组序列的揭晓仅是序幕而已，生命本质的阐明任重而道远。