用化学研究生命（选自《大自然》1991年第二期）

（作者王谷岩。作者单位：中国科学院生物物理研究所）

世界是由物质构成的，自然科学中的化学学科就是专门研究物质的，研究物质的组成、结构、性质及其变化规律。化学的研究起源于人类的生产活动，19世纪以后取得了一系列重要进展，提出了原子分子学说、分子结构学说、元素周期律、化学热力学和化学动力学等理论，奠定了现代化学的理论基础。现代化学根据所研究的物质的对象与方法的不同，又有了无机化学、有机化学、分析化学和物理化学等基础分支学科。

生物体也是由物质构成的，自然是化学的研究对象。然而，由于生物物质的特殊性和复杂性，直到20世纪50年代，在生物学和化学都有了相当发展之时，化学的理论和方法才开始全面引进生物学的研究之中，从而诞生了一门用化学研究生命活动的边缘科学“生物化学”。生物化学学科一经诞生，就与同一时期产生的用物理学研究生命的生物物理学一起，以其自身的迅速发展大大推进了生物学的发展，使人类对生命活动的研究从个体水平逐渐深入到细胞、亚细胞乃至分子水平，从静止的观察与描述发展到动态的定量分析，从生命现象的探索上升到生命本质的阐述。

用化学研究生命，产生了生物化学学科，当这一研究推进到分子水平之时，又诞生了给生物学带来重大变革的前沿学科“分子生物学”。进入1970年代后，有意识地深入探讨生物体的无机化学组成与运动，促成了生物化学与无机化学的结合，从而出现了新的边缘科学“无机生物化学”。

生物的化学组成与化学活动

运用化学的理论与方法研究有生命的生物，主要任务是了解生物的化学组成和它们的化学活动。早期的工作是对生物总体化学组成的研究，陆续发现生物体主要由氧、氢、碳、氮四种元素组成，生物物质全都是由这四种主要元素构成的化合物。1839年，捷克生理学家浦肯野（Jan Evangelista Purkyně）把构成植物细胞的物质称为原生质，1879年，德国植物学家、细胞学家施特拉斯布格又进一步把动物和植物细胞中构成细胞质和核质的物质统称为原生质。此后，学术界就普遍用原生质这个词泛指构成细胞的全部生命物质，然而对于原生质究竟是什么，当时的人们还没有搞清楚，只是了解到细胞是由原生质、水和无机盐构成。随着生物化学的发展，由于细胞复杂结构和化学组成的逐渐被了解，才揭示出原生质的主要成份是核酸和蛋白质，从此，原生质这一概念也就逐渐失去了意义。在总体化学组成了解的基础上，生物学家和生物化学家们进而对生物体的各种组织和细胞的成份进行了精确的化学分析。在组织学（显微解剖学）切片技术中运用化学反应，去显示和确定各种化学物质在组织和细胞中的存在及其定位，从而产生了组织化学分支学科。在研究细胞和细胞成份（亚细胞组分）的显微和亚显微结构的化学组成及其定位的过程中，又形成了细胞化学分支学科。细胞化学系采用定性和定量化学测定，分析核酸、蛋白质、多糖和脂类等生物大分子物质在细胞结构中的分布和功能活动中的变化，探索各种亚细胞组分和细胞器在整个生命现象中的作用。细胞化学借助于细胞光度技术、分部离心技术、微量分光光度技术、微量层析和电泳技术，不仅可以显示细胞物质的成份，而且可以进一步根据研究结果阐明细胞功能原理，如根据对脱氧核糖核酸的测定提出了细胞核内脱氧核糖核酸含量恒定学说，发展了染色体遗传连续性概念。

生物化学也研究生物组成成份蛋白质、核酸等生物大分子的精细结构，以期说明这些物质的结构与其生物功能之间的关系。例如，1953年，美国遗传学家沃森和英国物理学家克里克，在深入研究核酸分子结构时，确认脱氧核糖核酸的分子结构是以双螺旋状态存在，并且提出了双螺旋结构模型；这一模型给出了两条核苷酸链的走向、螺旋直径、螺距和核苷酸对的间距等精细结构数据，从而成功地说明了脱氧核糖核酸作为遗传物质在执行遗传功能过程中的分子结构基础。

最基本的生命活动是生物体的新陈代谢，生物体每时每刻都在通过新陈代谢与环境不间断地进行物质和能量的交换，从食物中摄取养料，将其转化为自身的组成物质并储存能量，又不断地将自身的组成物质进行分解以释放能量。新陈代谢一旦停止，生命也就终结了。从化学的观点来看，新陈代谢的过程是通过生物酶的催化作用合成或分解生物大分子物质的过程，发生着一系列的化学反应和能量转化。新陈代谢过程中的这些化学活动，是生物化学研究的另一方面重要内容。在这些研究所获取的知识的基础上，可以进一步阐明生物体生长发育、遗传、运动等各种生命现象中的分子活动，认识生命的本质。

生命的分子基础

生物物质主要是蛋白质、核酸、多糖和脂类，生命活动是这些生物大分子变化与运动的结果，因此不难理解，这些生物大分子是生命活动的分子基础。在分子水平上研究生物结构与功能的分子生物学，就是专门研究蛋白质、核酸和其他生物大分子以及它们之间的相互关系的；研究内容主要涉及到生物大分子的化学组成、形状大小和空间结构，生物大分子的功能及其与结构的关系，生物大分子在细胞成份中的组织方式，以及从较小的分子单位构建生物大分子的方式与过程等。分子生物学不仅研究生物大分子的分子结构（化学组成）和它们的功能（化学活动），还特别要阐明功能与结构的相互关系。例如，肌纤维中蛋白质的结构如何与肌肉收缩功能相关联，两者怎样相互作用而导致肌肉的收缩；蛋白质和脂质怎样被组织在细胞膜之中，组织方式与细胞膜的渗透功能及其他特性有什么关系。

蛋白质是最重要的生物大分子。“最重要的”一词在希腊语中称为“proteios”，而“蛋白质”的英文单词“protein”正是从“proteios”衍生而来的。蛋白质是生物体的主要组成物质，是生命活动的基础物质。具有生物催化作用的酶，具有免疫功能的抗体，具有运输功能的血液蛋白，具有运动功能的肌肉蛋白，以及皮肤、毛发、激素、毒素，统统都是蛋白质。生物的遗传性状（形态特征和生理特性）都是通过蛋白质得到表达的。蛋白质是一种长链状的生物大分子聚合物，由多种氨基酸结合而成。氨基酸先通过肽键连接组成多肽链，多个多肽再连接组成一个蛋白质分子。蛋白质分子具有复杂的结构：分子中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构，一部分肽链形成的螺旋和折叠称为蛋白质的二级结构，螺旋和折叠之间的特定空间关系称为蛋白质的三级结构（也称为空间结构或构象），组成蛋白质分子的几条独立肽链之间的空间关系称为蛋白质的四级结构。蛋白质的结构与功能有着密切的关系。

生物大分子之间的相互作用产生了特定的生物功能。因此，分子生物学着力研究蛋白质-脂质体系与蛋白质-核酸体系。蛋白质和脂质组合在一起形成的一层极薄的生物膜，是蛋白质-脂质体系，如细胞膜、核膜、线粒体膜和叶绿体膜等。由于在膜结构中蛋白质与脂质的相互作用，就使膜具有了二者原来所不具备的特殊功能，对膜内外的物质交换、信息传递、能量转换、神经传导都有着重要作用。蛋白质和核酸相互作用形成的蛋白质-核酸体系，在生命活动中扮演了另一个重要角色，演出了一场亘古至今的连续剧，物种的进化与延续都源于这一体系。核酸是生命的遗传物质，是遗传基因的载体，基因是遗传信息的携带者。核酸携带的遗传信息，正是在这一体系之中转录、翻译，通过蛋白质加以表达，将亲代的性状传给下一代。

有机体中的无机成份

很早的时候，人们就已经知道，生物体由原生质、水和无机盐组成。但是长期以来，人们似乎被传统观念所禁锢，总认为“无机”的东西对于“有机体”无关紧要。因而，所谓生物体中有无机盐，也不外乎知道血液中含有铁、骨骼中含有钙、氯化钠有生理作用等等。近代科学技术的发展，使人们大开眼界，从这种传统观念的禁锢中解放了出来。由于分析化学技术的改进，使得测定痕量元素及其化合物的含量成为可能，因而在人体中发现了多种含量极低的无机元素，其中不少是金属元素。分子生物学诞生后，当人们对生命现象的研究深入到分子水平之时，发现金属离子在形形色色的生命过程中无不起着至关重要的作用。因而启示人们认识到生命活动在很大范围内要依赖金属离子的作用，探索生命现象不仅借助于有机化学，也要借助于无机化学。于是，生物化学家越来越注意在研究生命现象中引进无机化学的概念、理论和技术，无机化学家也对生物学课题表现出了极大的兴趣。这两个学科的科学家互相渗透、互相结合的结果，于1971年创办了《生物无机化学杂志》，后改名为《无机生物化学杂志》，又于1973年由这两个学科的45位科学家共同完成了一部专著《无机生物化学》，无机生物化学学科从此正式诞生。

有机体中的金属离子，其本身往往并不具有活性，只有当它们与具有特定结构的蛋白质、酶、肽、核酸等生物物质结合之后，才表现出特定的活性。例如，铁离子不能发生氧合作用，只有当它与特定生物物质结合成血红蛋白后才具有载氧活性。无机生物化学的主要研究对象就是与特定生物物质结合的金属离子，还研究由这种结合而形成的生物配位化合物的结构，并根据其分子结构探索生物功能。

无机生物化学首先要解决的一个问题，是演化过程中生物对元素的选择，即生物体为什么选择某种特定元素来完成某一特定功能。在生物体中，参与物质和信息传送以及反应速度调节过程的蛋白质中，很多是以金属离子为主要组分的金属蛋白和金属酶。要阐明金属蛋白和金属酶这些配位化合物结构与功能的关系，就非借助于无机生物化学的专门知识不可。生物体中能量转换等过程中电子传送的控制因素是什么，也是当前无机生物化学正在探索的问题。

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