第4讲 生命化学
生命化学（ Life Chemistry ）是运用化学原理和方法研究生命现象，阐明
生命现象的化学本质，探讨其发生和发展规律的学科。
美国医学家， Nobel 奖得主科恩伯格提出“把生命理解为化学” ，这一著
名的论断向人们昭示揭开生命过程的奥秘有赖于医学与化学在高层次的整
合。利用化学的原理和方法研究基体各组织、亚细胞的结构和功能、物质代
谢和能量变化等基本生命过程，有助于人们深入了解人体正常的生理变化和
异常的病理现象，寻求与疾病作斗争的有效手段，实现医学保障人类健康的
目的
本讲将简单介绍生命化学的基础知识，部分现代生命化学的研究成果。
1．生命化学基础
早在 19 世纪初，科学家们已经认识到，虽然生物有机体种类繁多，形态
各异，但其组成的基本单位都是细胞。而构成细胞的，则是由化学元素组成
的若干种生物大分子，如：蛋白质、碳水化合物、类脂体、核酸等。了解、
掌握这些生物大分子的性质对认识、保护和改善人类自身的生活，改良、创
造新生物品种有着极其重要的意义。
由于蛋白质和核酸是生命的最基本物质，因此下面简要介绍蛋白质、核
酸的基本性质。
1．1 蛋白质(Protein)
蛋白质是氨基酸 (amino acid)构成的聚合物。
具有生物活性的蛋白质是含碳、氢、氧、氮和硫的化合物。在生物体内
蛋白质约占细胞干物质的 50%。据估计在人体中蛋白质的种类高达 30 万种，
而整个生物界约有 10
10
~ 10
12
种蛋白质。
构成蛋白质的氨基酸共有 20 种（见表 1） 。虽然氨基酸的种类有限，但是
· 328· 第 8 章 现代化学的研究进展
由于氨基酸在蛋白质中的连接顺序及数目、种类的不同，可以构成远远大于
10
12
种的蛋白质。蛋白质的性质与功能则由其所含氨基酸的组成、排列顺序、
结构决定。
蛋白质依其在生物体内所起的作用可分为 5 大类：
1 酶蛋白
能对生物体内的化学反应起催化作用的蛋白质生物催化剂称为酶蛋白。
在酶蛋白的作用下，生物体内的化学反应速度很快，往往是体外速度的
几百倍甚至上千倍。
2 运载蛋白
运载蛋白是能携带小分子从一处到另一处的一类特异蛋白质。
运载蛋白通过细胞膜在血液中循环，在不同组织间载运代谢物。运载蛋
白在生物的物质代谢中起着重要的作用。
表1 20种氨基酸的中文名称及简写符号
中文名称 英文名称 三字母缩写 单字母缩写
甘氨酸 Glycine Gly G
丙氨酸 Alanine Ala A
颉氨酸 Valine Val V
亮氨酸 Leucine Leu L
异亮氨酸 Isoleucine Ile I
脯氨酸 Proline Pro P
苯丙氨酸 Phenylalanine Phe F
酪氨酸 Tyrosine Tyr Y
色氨酸 Tryptophan Trp W
丝氨酸 Serine Ser S
苏氨酸 Threonine Thr T
半胱氨酸 Cystine Cys C
蛋氨酸 Methionine Met M
天冬酰胺 Asparagine Asn N
谷氨酰胺 Glutamine Gln Q
天冬氨酸 Aspartic acid Asp D
谷氨酸 Glutamic acid Glu E
赖氨酸 Lysine Lys K
精氨酸 Arginine Arg R
组氨酸 Histidine His H
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3 结构蛋白
结构蛋白是参与细胞结构建成的一类蛋白质。
生物体的细胞结构上含有大量由结构蛋白组成的亚基，形成了细胞的框
架结构。
4 抗体
具有免疫、防御功能的特异蛋白质被称为抗体。
当外界的病原体入侵生物体时，生物体便产生一种特异蛋白质—抗体。
抗体能与病原体对抗，使其解体。抗体在高等动物机体免疫机制中起着重要
的作用。
5 激素
激素是一种具有调节功能的特异蛋白质。它是由生物体内某部分产生的。
通过循环能调节生物体内其他部分的生命活动。
蛋白质还可依其分子形状或分子组成的简单、复杂程度分类。
从蛋白质在生物体内所起的作用可知，蛋白质是一切生命活动调节控制
的主要承担者。蛋白质的人工合成成功，为研究生命现象的本质和活动规律
奠定了理论基础，使人们认清了生命现象并不神秘。
1．2 核酸(Nucleic acid)
核酸 是由核苷酸 (Nucleotide)构成的酸性聚合物。
1869 年，瑞士科学家米歇尔（ F． Miesher， 1844－ 1895）在研究细胞核
的化学成分时发现细胞核主要由含磷物质构成。 19 世纪末，科学家们发现构
成细胞核的含磷物质具有强酸性，他们将其命名为核酸。其后德国科学家柯
塞尔将核酸水解，又发现核酸中含有三种物质：核糖、有机碱基和磷酸。其
中核糖和有机碱基组成核苷，而核苷和磷酸组成核苷酸，若干个核苷酸聚合
即为核酸。有机碱基是含氮的杂环化合物，因呈碱性故称为碱基。组成核苷
的碱基共有 5 种：腺嘌呤（用字母 A 表示） 、鸟嘌呤（用字母 G 表示） 、胞嘧
啶（用字母 C 表示） 、尿嘧啶（用字母 U 表示） 、胸腺嘧啶（用字母 T 表示） 。
其后，柯塞尔的学生，美国化学家莱文（ P.A.Levene,1869-1940）发现
· 330· 第 8 章 现代化学的研究进展
核糖分子比普通糖少一个碳原子，为戊糖。有些核糖分子中少一个氧原子，
则将其命名为脱氧核糖。因此核糖有两种类型：核糖与脱氧核糖。核酸可依
含有核糖的类型不同分为核糖核酸（ RNA）和脱氧核糖核酸（ DNA）两大类。
二者的组成、结构见表 2。
核酸的生物功能是多方面的。 DNA 是遗传的物质基础，负责遗传信息的
贮存、发布。遗传基因就是 DNA 链上的若干核苷酸所组成的片段。决定人类
生命的因素只有 2 种，一是 DNA 的遗传结果，二是环境因素使 DNA 发生的
演变或异变。 RNA 负责遗传信息的表达，它转录 DNA 所发布的遗传信息，
并将之翻译给蛋白质，使生命机体的生长、繁殖、遗传能继续进行。
表2 核糖核酸、脱氧核糖核酸的组成、结构
核糖核酸 RNA 脱氧核糖核酸 DNA
戊 糖 核 糖 脱 氧 核 糖
碱 基
腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G
胞嘧啶 C 尿嘧啶 U
腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G
胞嘧啶 C 胸腺嘧啶 T
组
成
磷 酸 Pi （磷酸二脂键）
结 构 单链、部分碱基互补、三叶草形 双链、碱基互补、双螺旋形
生物功能 遗传信息表达 遗传信息贮存、发布
1944 年，艾弗里（ O． T． Avery， 1877～ 1955）等的重要发现，首次严
密地证实了 DNA 就是遗传物质的事实。 随后，一些研究逐步肯定了核酸作
为遗传物质在生物界的普遍意义。 20 世纪 50 年代初，已经对 DNA 和 RNA
中的化学成分， 碱基的比例关系及核苷酸之间的连接键等重要问题有了明确
的认识。在此背景下，研究者们面临着一个揭示生
命奥秘的十分关键且诱人的命题：作为遗传载体的
DNA 分子，应该具有怎样的结构？ 1953 年，沃森和
克里克以非凡的洞察力，得出了正确的答案。 他们
以立体化学上的最适构型建立了一个与 DNA 的 X
射线衍射资料相符的分子模型— DNA 双螺旋结构
模型（如图） 。 这是一个能够在分子水平上阐述遗
传（基因复制）的基本特征的 DNA 二级结构。 它
使长期以来神秘的基因成为了真实的分子实体，是
DNA双螺旋结构
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分子遗传学诞生的标志，并且开拓了分子生物学发展的未来。
双螺旋结构模型的成功之处除与 X 射线衍射图谱及核酸化学的研究资料
相符外，另一个重要方面是它能够圆满地解释作为遗传功能分子的 DNA 是如
何进行复制的。沃森和克里克这样设想 DNA 结构中的 2 条链看成是 1 对互补
的模板 (亲本 )，复制时碱基对间的氢键断开， 2 条链分开，每条链都作为模板
指导合成与自身互补的新链（复本） ，最后从原有的两条链得到两对链而完成
复制。在严格碱基配对基础上的互补合成保证了复制的高度保真性，也就是
将亲链的碱基序列复制给了子链。因为复制得到的每对链中只有一条链是亲
链，即保留了一半亲链，故这种复制方式又称为半保留复制 (semi-conservative
replication)。双螺旋结构建立时，复制原理只是设想，不久这一设想被实验证
实是正确的。现已明确：半保留复制是生物体遗传信息传递的最基本方式。
50 年来，核酸研究的进展日新月异，所积累的知识几年就要更新。其影
响面之大，几乎涉及生命科学的各个领域，现代分子生物学的发展使人类对
生命本质的认识进入了一个崭新的天地。双螺旋结构创始人之一的克里克于
1958 年提出的分子遗传中心法则 (centraldogma)揭示了核酸与蛋白质间的内在
关系，以及 RNA 作为遗传信息传递者的生物学功能。并指出了信息在复制、
传递及表达过程中的一般规律，即 DNA→ RNA→蛋白质。遗传信息以核苷酸
顺序的形式贮存在 DNA 分子中，它们以功能单位在染色体上占据一定的位置
构成基因。因此，搞清 DNA 顺序无疑是非常重要的。
2．生命化学进展
2．1 基因（Gene）工程
基因是染色体上 DNA 双螺旋链的具有遗传效应的特定核苷酸序列的总
称，是生物性状遗传的基本功能单位。
基因一词是 1909 年丹麦生物学家约翰逊（ W． Johannsen， 1857~1927）
根据希腊文“给予生命”之意创造的。生物体的一切生命活动，从出生、成
长、到出现疾病、衰老直至死亡都与基因有关。基因调控着细胞的各种功能：
· 332· 第 8 章 现代化学的研究进展
生长、分化、老化、死亡。
每个人有 23 对共 46 条染色体，一半来自父亲，一半来自母亲。 1 个染色
体是由 1 个 DNA 分子组成的，基因就是 DNA 的 1 段，由 4 种碱基通过不同
的排列组合而成，它可能很长，也可能很短。基因不仅可以通过复制把遗传
信息传递给下一代，还可以使遗传信息得到表达。不同人种间之所以头发、
肤色乃至性格等不同，就是基因差异所造成的。
科学家推测，人的细胞中大约有 6～ 10 万个基因，组成这些基因即核苷
酸的数量有 30 亿个。科学家认为，找到人类基因组 30 亿个碱基对的排列序
列，必将大大促进生物信息学、生物功能基因组和蛋白质等生命科学前沿领
域的发展，也将为基因资源开发利用，医药 卫生、农业等生物高技术产业的
发展开辟更加广阔的前景。
2． 1． 1 人类基因组计划（ Human Genome Project HGP）
人类基因组计划是当前国际生命科学研究的热点之一，这是由美国科学
家于 1985 年率先提出的。美国、英国、法国、德国、日本和我国的科学家共
同参与了人类基因组计划的工作。国际人类基因组计划所要做的事，就是要
发现所有人类基因并搞清其在染色体上的位置，弄清人的细胞中 6～ 10 万个
基因在 30 亿个核苷酸中的具体排列，即测定人类基因组的全部 DNA 序列，
从而解读所有遗传密码，揭示生命的所有奥秘，破译人类全部遗传信息。这
项计划一旦完成，我们将清楚地了解不同人种间之所以头发、肤色、鼻子乃
至性格等不同，一个人为什么会成为色盲，为什么会发胖，易患这种疾病而
不是另外的疾病等的原因。正由于此，人类基因组计划是一项改变世界、影
响到我们每一个人的科学计划。
人类基因组计划是与曼哈顿原子计划、阿波罗登月计划并称的人类科学
史上的三大科学工程。它对于人类认识自身，推动生命科学、医学以及制药
产业等的发展，具有极其重大的意义。经过全球科学界的共同努力，测序工
作也取得了重大进展。 1999 年 12 月 1 日，一个由英、美、日等国科学家组成
的研究小组， 破译了人类第 22 号染色体中所有与蛋白质合成有关的基因序列，
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发现了至少 545 个基因。这是人类首次了解了一条完整的人类染色体的结构。
研究显示，第 22 号染色体与免疫系统、先天性心脏病、精神分裂、智力迟钝
和白血病以及多种癌症相关。这一成果是宏大的人类基因组计划的一个里程
碑，具有极为重要的研究意义。 2000 年 4 月 13 日，美国科学家又宣布他们已
完成第 5、第 16 和第 19 号染色体的遗传密码草图，在这些染色体上大约包含
10,000 到 15,000 个基因，约占人体遗传物质总量的 11%。新破解的 3 对染色
体数据材料将无偿提供给公共和个人研究人员使用。到 2001 年已绘就人类基
因组序列的“工作框架图” 。 2003 年美国国家人类基因组研究所（ NHGRI）宣
布：人类基因组的 30 亿个碱基对已经测序完毕。下一步的目标是定位和区分
出其中有意义的部分，这包括确定哪些 DNA 是编码蛋白质的，而哪些并不具
有可调节基因表达的精确定位性质。
2． 1． 2 基因治疗
基因治疗是指应用基因工程的技术方法，将正常的基因转入病患者的细
胞中，以取代病变基因，从而表达所缺乏的产物，或者通过关闭或降低异常
表达的基因等途径，达到治疗某些遗传病的目的。目前已发现，人类与疾病
相关的基因约有 5000 多个，迄今已有 1／ 3 被分离和确认。遗传病是基因治
疗的主要对象。
第 1 例基因治疗是美国在 1990 年进行的。当时， 2 个 4 岁和 9 岁的小女
孩由于体内腺苷脱氨酶缺乏而患了严重的联合免疫缺陷症。科学家对她们进
行了基因治疗并取得了成功。
基因治疗的具体方法有 DNA 治疗和 RNA 修复。
DNA 治疗包括基因补偿、 DNA 疫苗、肽核酸（ PNA）等技术。最常用的
是基因补偿。
基因补偿首先要选择合适的靶基因，选择的原则是哪些基因有缺陷就补
偿其相应的正常基因。如常见的遗传性疾病，通常是因某一基因缺陷所致，
只要给予相应的正常基因即可奏效。例如，有的神经性疾病是由于神经细胞
缺乏营养因子所致，原则上给予能表达该营养因子的基因，也就达到治疗效
· 334· 第 8 章 现代化学的研究进展
果。基因补偿还需要合适的接受和表达靶基因的靶细胞。靶细胞必须具备两
个基本条件：一是能比较容易地让靶基因转移进来；二是能使靶基因表达。
靶细胞可以是与疾病有关的细胞，如肿瘤细胞（与癌症有关） 、红细胞（与贫
血有关） 、淋巴细胞（与免疫疾病有关） 、神经细胞（与神经性疾病有关） 、 β
细胞（与糖尿病有关）等等，也可以是与疾病无关的中介细胞，如纤维细胞、
成肌细胞等等。基因补偿治疗单基因病往往很有效。
RNA 修复是基因治疗的新途径。
基因遗传信息的表达是一个复杂的连续过程，主要包括“复制” 、 “转录”
和“翻译”等阶段。 “复制”使基因数量倍增，遗传信息得以延续。 “转录”
是将基因的遗传信息以密码的形式转录到载体上。这载体就是 mRNA。 “ 翻
译”就是解读 mRNA 分子上的密码，使之变为多肽或蛋白质的过程。 RNA 治
疗就是着眼于阻断和破坏“复制” 、 “转录”和 “翻译” ，使表现疾病的基因
不能表达。
2． 1． 3 转基因生物
转基因生物是指应用转基因技术，植入了新基因的生物。
将某一特定基因从 DNA 分子上切割下来，装在运载工具（ DNA 载体）
上，导入另一生物体内，并使该基因在受体细胞内稳定遗传，以表达出特定
的蛋白质，赋予受体细胞以新的特征的一门技术就叫做转基因技术。 转基因
技术使人类可以按照自己的愿望来改造自然物种。
科学家已创造了许多种转基因动物。有些转基因动物可以用来作为生产
医药产品的“化工厂” ，有些转基因动物可以为人类器官移植提供原料。例
如，在转基因奶山羊乳汁中生产出了一种治疗蛋白，这种蛋白质在医疗上有
重要作用；从转基因小鼠或猪的血液中得到人类血红蛋白，人免疫球蛋白等。
现在已经产生出了可为人类提供器官的转基因猪。转基因猪的肝脏可用于虚
弱的、无法接受肝脏移植手术的急性病人进行离体灌注。这种转基因猪肝脏
的商业价值高达每个 2 万美元。
转基因植物的产业化进程则远远超过了转基因动物。利用转基因技术可
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培育出富含各种营养素，又具抗旱、抗虫和抗土壤能力的农作物。
2001 年全球转基因植物种植面积已达 7300 万公顷。 中国是全球第 1 个将
种植转基因农作物用作商业用途的国家。辽宁省早在 1988 年已开始种植能抗
病毒的转基因烟草。自 1997 年至今，全国共批准种植 100 多种转基因植物，
其中包括迟熟的番茄、能抗病毒的青椒、彩色棉花等等。
2.2 生物芯片
生物芯片的概念来自计算机芯片，是在 20 世纪 90 年代中期发展起来的
高科技产物。由于生物芯片最初的目的是用于 DNA 序列的测定，基因表达谱
鉴定，所以生物芯片又被称为 DNA 芯片或基因芯片。
生物芯片只有指甲盖一般大小，在这样小的面积上通过平行反应可得到
无数的生物信息。生物芯片的基质一般是经过处理后的玻璃片，片上有成千
上万个微凝胶，可进行并行检测；同时，由于微凝胶是三维立体的，它相当
于提供了一个三维检测平台，能固定住蛋白质和 DNA 并进行分析。
目前，该技术应用领域主要有基因表达谱分析、新基因发现、基因突变
及多态性分析、基因组文库作图、疾病诊断和预测、药物筛选、基因测序等。
从八十年代初 SBH(sequencing by hybridization) 概念的提出，到九十年代初以
美国为主开始进行的各种生物芯片的研制，不到十年的功夫，芯片技术得以
迅速发展，并呈现发展高峰。国外的多家大公司及政府机构均对此表现出极
大兴趣，并投以可观的财力。
1 基因破译
由多国科学家参与的“人类基因组计划” ，正力图在 21 世纪初绘制出完
整的人类染色体排列图。众所周知，染色体是 DNA 的载体，基因是 DNA 上
有遗传效应的片段，构成 DNA 的基本单位是 4 种碱基。由于每个人拥有 30
亿对碱基，破译所有 DNA 的碱基排列顺序无疑是一项巨型工程。而与传统基
因序列测定技术相比，基因芯片破译人类基因组和检测基因突变的速度要快
数千倍。
基因芯片是最重要的一种生物芯片，是指将大量探针分子固定于支持物
· 336· 第 8 章 现代化学的研究进展
上，然后与标记的样品进行杂交，通过杂交信号的强弱判断靶分子的数量。
用该技术可将大量的探针同时固定于支持物上，所以一次可对大量核酸分子
进行检测分析，从而解决了传统核酸印迹杂交技术操作复杂、自动化程度低、
检测目的分子数量少、效率低等不足。它能在同一时间内分析大量的基因，
使人们准确高效地破译遗传密码。
2 疾病检测诊断
生物芯片在疾病检测诊断方面具有独特的优势。它可以仅用极小量的样
品，在极短时间内，向医务人员提供大量的疾病诊断信息，这些信息有助于
医生在短时间内找到正确的治疗措施。例如对肿瘤、糖尿病、传染性疾病等
常见病和多发病的临床检验及健康人群检查，均可以应用生物芯片技术。
例如，过去，检测癌症的通常方法是用影像学方法，像人们熟知的 X 光、
B 超和 CT 等，还有就是直接手术或做病变组织的穿刺活检，但都很难对肿瘤
做出早期诊断，且对人体有较大伤害。而现在，用生物芯片检测癌症，一次
只需抽 0.l ml 血，将一张名片大的芯片插入微电子仪器中，通过分析 12 种肿
瘤标志物，即可在数十分钟内同时完成原发性肝癌、肺癌、胃癌、食道癌、
胰腺癌、前列腺癌和乳腺癌等多种危害人类健康的恶性肿瘤普查。
3 药物筛选
目前国外几乎所有的主要制药公司都不同程度地采用了生物芯片技术来
寻找药物靶标，查检药物的毒性或副作用。可以针对不同基因型的个体采取
不同的治疗方法和用药，以获得最佳疗效。这也就是所谓的个性化医疗。
更重要的是，应用生物芯片技术进行大规模的药物筛选可以省略大量的
动物试验，使从基因到药物的过程尽可能的快速和高效。缩短药物筛选所用
时间，从而带动创新药物的研究和开发。
当代新药物研究竞争十分激烈，其焦点就在于药物筛选。低耗、高效率
地筛选出新药或先导化合物是问题的核心，采用基因芯片技术可大大缩短新
药的开发过程。无论是直接检测化合物对生物大分子如受体、酶、离子通道、
抗体等的结合作用，还是检测化合物作用于细胞后基因表达的变化，生物芯
片技术作为一种高度集成化的分析手段都能很好胜任。利用生物芯片技术可
比较正常组织及病变组织中大量相关基因表达的变化，从而发现一组疾病相
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关基因作为药物筛选的靶标，这种策略尤其适用于病因复杂或尚无定论的情
况。例如，在恶性肿瘤细胞基因表达模式及肿瘤相关因子发掘中具有重要作
用。应用基因芯片技术对中药作用机制的研究将为中药走向世界奠定坚实的
基础。
另外生物芯片在农业、食品监督、司法鉴定、环境保护等方面都将作出
重大贡献。生物芯片技术的深入研究和广泛应用，将对 21 世纪人类生活和健
康产生极其深远的影响。
总之，生物芯片是生命信息的集成，将给生命科学的研究方式带来重大
改变，开辟了一个生命信息研究和应用的新纪元。
从 DNA 双螺旋结构的提出开始，便开启了分子生物学时代。分子生物学
使生物大分子的研究进入一个新的阶段，使遗传的研究深入到分子层次， “生
命之谜”被打开，人们清楚地了解遗传信息的构成和传递的途径。在以后的
近 50 年里，分子遗传学、分子免疫学、细胞生物学等新学科如雨后春笋般出
现，一个又一个生命的奥秘从分子角度得到了更清晰的阐明， DNA 重组技术
更是为利用生物工程手段的研究和应用开辟了广阔的前景。在人类最终全面
揭开生命奥秘的进程中，化学已经并将更进一步地为之提供理论指导和技术
支持。
参考文献：
1．钱俊生．生命是什么．北京：中共中央党校出版社， 2000 年
2．马立人．生物芯片．北京：化学工业出版社， 2000 年
3．王希成．生物化学．北京：清华大学出版社， 2001 年
