化学生物学介绍课件

1、化学生物学-新型的交叉学科,背景介绍 化学作为一门古老的科学对人类文明和社会进步贡献良多，在绵长的发展过程中，它始终充满活力。,化学的发展史,无机化学-有机化学 中国古代化学发展 四大发明 化学在现代社会的地位,生物学发展史,生物学，又称生命科学或是生物科学，是研究生命物质结构、功能、发展规律及与环境之间相互关系的科学。生物学这名词最早由法国博物学家拉马克于1802年提出。 生物学是自然科学的一个门类。研究生物的结构、功能、发生和发展的规律。以及生物与周围环境的关系等的科学。生物学源自博物学，经历了实验生物学、分子生物学而进入了系统生物学时期。,分子生物学的发展大致可分为三个阶段。一、准备和酝酿阶段 19世纪后期到20世纪50年代初，是现代分子生物学诞生的准备和酝酿阶段。在这一阶段产生了两点对生命本质的认识上的重大突破： 确定了蛋白质是生命的主要基础物质。生命的许多基本现象（物质代谢、能量代谢、消化、呼吸、运动等）都与酶和蛋白质相联系 确定了生物遗传的物质基础是DNA,当今化学与生物学日益融合渗透，对许多生命现象的研究已经进入分子水平。 生命现象基本的化学本质已经开始被揭示。 发现和阐

2、明了构成生命现象的共同基础和原则。 现代生物化学的发展深刻地影响着医药科学和农业科学的发展。,DNA的发现者,沃森 Watson, James Dewey 美国生物学家 克里克 Crick, Francis Harry Compton 英国生物物理学家,DNA双螺旋结构的提出者之一，美国科学家詹姆斯沃森,生命科学新的里程碑:DNA双螺旋结构发现,DNA双螺旋结构模型,特点是两条碱基互补的DNA链,按碱基配对原则,沿一条共同的轴平行盘绕,形成双螺旋结构。,DNA的新发现,三螺旋结构 四螺旋结构,最常见的DNA是由两条互补链通过碱基配对的方式所形成的双链螺旋结构。然而，某些含有大量鸟嘌吟碱基重复序列的 DNA可以形成四链螺旋结构，因此称为 G四链螺旋 (或G一四链体)。人们发现在端粒染色体末端以及一些重要的肿瘤基因转录调节区，具有这种特殊的结构序列. 因为肿瘤基因表达的端粒维持机制和转录调节已成为肿瘤药物设计的重要靶点，所以G一四链体结构可能成为研究抗肿瘤药物的新靶,化学和物理科学的理论和技术的迅速发展，为生物化学的研究提供了先进的方法和手段，使人类有可能对生命现象中的前y沿问题进行深入的

3、研究。 生物化学中提出的化学问题和物理问题，吸引了越来越多的化学家和物理学家的参与。生物无机化学、生物有机化学、生物电化学和生物物理学等交叉学科的产生和发展，表明生命科学已经成为现代自然科学发展的重要动力之一。同时，生物化学的理论和技术，也对其它相关科学，特别是化学的发展有着重要影响。,化学与生命科学的联系越来越密切，并先后分流组成了生物化学，分子生物学。本来学科的分分合合是一个自然的现象，而现在看来又到了合的时机。,在20世纪就已经在研究生命过程中发挥巨大作用的化学学科的几个分支-生物有机化学、生物无机化学、生物分析化学、结构生物化学及研究内容不断深化的天然产物化学，在新的世纪里被赋予新的内容合活力。,化学生物学的提出 历史状况 化学家对生命中的化学问题了解不够,大多数情况:生命学家提出问题,化学家来做。 非共价力 分子识别 药物设计，超分子等 基因研究 功能关系,面临挑战： 1.发展生物技术解决资源问题 如:作物杆发酵生产甲醇代替汽油 光合作用合成氢 高能氢 2.生物技术解决环境问题 3.人类健康和生活质量,国外许多著名化学家在展望21世纪化学学科发展时认为，研究解决生命现象中的化

4、学问题，是化学学科未来发展的主要动力，并提出了化学生物学新的概念。Doyle和Coray提到“生物学家致力于阐明自然（生命）的过程，而化学家则习惯于如何去调控这一过程”。或许可以说成：生物学家注意认识世界，而化学家则想改造世界。,化学生物学的概念以及生物化学、分子生物学的区别,化学生物学的概念,化学生物学结合传统的天然产物化学、生物有机化学、生物无机化学、生物化学、药物化学、晶体化学、波谱学和计算机化学等学科的研究方法，大大拓展了其研究领域。化学生物学作为新兴的交叉前沿研究领域，所发现和创制的新颖生物活性物质将为医学和生物科学研究提供重要的研究工具，用来发现和保证它们在生物体中的靶分子对生理过程有调控作用的蛋白质、核酸和糖的复合物等生物大分子，为开发新颖药物、临床诊断和治疗提供新的途径。有的可能直接作为创制新颖药物或农药的先导化学物，从而为医药、农业和环境等方面高新技术的发展提供资源。,化学生物学是利用化学的理论、研究方法和手段来探索生物医学问题的科学。,生物化学与分子生物学的概念,生物化学是分子水平上研究生命科学的一门学科，是生命科学的重要基础学科之一。生物化学主要是应用化学的理论和

5、方法来生命现象，阐明生命现象的化学本质。 生物化学内容包括：发现和阐明构成生命物体饿分子基础生物分子的化学组成、结构和性质；生物分子的结构、功能与生命现象的关系；生物分子在生物机体中的相互作用及其变化规律。,分子生物学的概念,分子生物学是从分子水平研究生命本质为目的的一门新兴边缘学科，。它以核酸和蛋白质等生物大分子的结构及其在遗传信息和细胞信息传递过程中的作用为研究对象，包括对遗传、生殖、生长和发育等生命本质特征的分子机理的阐明，从而为利用和改造生物奠定理论基础和提供新的手段。,近年来出现了一批新兴的学术产物，以反映这一新领域的发展。就在Harvard大学将化学系改名为化学生物学系的同一年，一种刊名为Chemistry & Biology的新刊物诞生了，这是化学生物学领域的第一个专门刊物，这个刊物在倡导化学生物学研究和介绍这一领域的研究成果方面发挥了重要的作用。另一种化学生物学的专门刊物Current Opinion in Chemical Biology 出现在两年后，刊物的两位主编-Scripps 研究所的生物学家Donald Hilve 和剑桥大学的化学家Steven Vley在

6、发刊词中指出：尽管过去存在文化差异，化学家和生物学家正日益寻求共同的基础来理解、模拟和控制自然界。,欧洲也有一种刊名为ChemBioChem的化学生物学专门刊物出版，两位主编Jean-Marie Lehn 教授和AlanR.Fersht教授早解释刊物的宗旨时指出: ChemBio Chem意味着化学生物学和生物化学，其使命是涵盖从复杂的碳水化合物、多肽、蛋白质到DNA/RNA，从组合化学、组合生物学到信号传导，从催化抗体到蛋白质折叠，从生物信息学和结构生物学到药物设计，这一范围宽广而欣欣向荣的学科领域。,这些动向表明化学生物学作为一个新兴的前沿交叉学科正在世界范围流行并被倡导，并将成为未来几十年或更长一段时间的重要前沿学科方向。生命科学、医学和制药工业期待从化学生物学的发展得到新的机会。,化学生物学研究的中心任务,化学生物学研究一般都是从对生物体的生理或病理过程具有调控作用的小分子活性物质开始，研究其结构，发现其在生物体中的靶分子，研究这些物质与生物体靶分子的相互作用；进一步采用化学方法改造其结构，创制具有某种特异性质的新颖生物活性物质，探讨其结构与活性关系和作用机制；阐明病理过程的发

7、生、发展与调控机制，揭示生命过程的秘密；并进一步从中发展出新的诊断和治疗方法。,通过分离和微型化的模拟手段，理解和探索生物医药学科中的一些特殊现象。 前者比较注重应用前景，而后者对基础研究的贡献极为重要。这些研究的特点都是选择生物医学的特定对象，采用化学的方法和手段来实现分离目的，代表当代研究的学科前沿。,化学生物学的重要研究方向,可以说，化学生物学是一个研究内容非常丰富，范围十分广泛的新兴领域，而且化学家、生物学家以及药学家对化学生物学的内涵有着不同的理解。因此，要对此作一个系统、完整的介绍是十分困难的。,根据国际上一些刊物的报道，化学生物学目前的研究内容大致包括以下几个部分：,以这些生物活性小分子作为探针，研究它们与 生物靶分子的相互识别和信息传递的机理； 发现自然界中分子进化和生物合成的基本规 律，从而为合成更多样性的分子提供新的理论和技术； 作用于新靶点的新一代的治疗药物； 可以提供分子多样性的组合化学； 生物催化剂与生物转化； 基于研究金属酶和仿生材料等领域的生物无机化学； 对于复杂生物体系进行静态和动态分析的新技术等等。,按照Schrieiber等人的“核心法则”，化学生物

8、学这一领域的核心是运用生物活性小分子作为化学探针去理解蛋白质的生物功能和达到对生物体系的调控。以下仅就当前这方面的热点作一介绍。,化学遗传学采用小分子活性化学物作为探针，探索和控制细胞过程 采用生物活性小分子以多种方式修饰靶蛋白的功能，如天然产物已被用来模拟失效突变（null mutation）,激活突变（activating mutation）和增效突变（gain-of-function mutation）。由于这种方法与传统的遗传学方法十分类似，所以称之为化学遗传学。,化学生物学方法寻找能微扰细胞内过程或系统，而其细胞内靶位点尚不清楚的化合物，然后通过对这些分子探针作用模式的生物化学解析，得到有关复杂的细胞过程的新认知。化学遗传学与传统的遗传学是互补的，它能用于那些用一些传统的遗传学方法难以处理的复杂体系，目前其研究内容已扩展到以下几个方面。,基因表达的小分子调控 化学生物学利用小分来操控转译过程；用小分子来促进或拮抗个调控过程中核蛋白-蛋白相互作用。,细胞周期的小分子调控研究 自然界存在的生物活性物质可以看作是生物体中类肽小分子配体的基因编码库，它们在阐明许多细胞循环的分子细节中

9、处于中心地位。目前已经发现有许多生物活性小分子具有调控细胞周期的功能，这一领域的研究成果不仅能揭示生命过程调控的一般原理，并且能为发展新药提供路论基础。,细胞信号传导的小分子调控 真核细胞的功能（分化、分裂和死亡）还受到细胞外激素或生长因子的调控，它们是通过与膜表面的受体结合后进行跨膜传导，并通过细胞内的一系列信号转导的级联反应来实现的。生物活性小分子能特异性地作用于细胞膜表面的受体，或可穿透细胞膜直接与细胞内的各种蛋白酶相互作用，激活或抑制各种信号转导的级联反应，从而控制各种细胞功能。,生物体系的小分子调控中，分子识别和分子间相互作用的化学基础研究 从自然界发现新的生物活性物质，寻找它们在生物体中的靶位点，研究小分子与生物大分子之间的相互作用、构效关系和作用机制，进一步在分子和化学键水平上研究它们在调控生理过程中的分子识别、信息传递是当前最活跃的前沿研究领域之一。,这方面的研究内容十分丰富，包括以生物小分子为中心和以蛋白质、核酸和糖质等大分子为中心的超分子体系。选择若干系统，采用X射线晶体学、多维核磁共振、合成化学、生物信息学、量热学、理论计算和各种波普技术，深入开展分子间非共价键相互作用细节（如作用力、动力学和三维空间关系）研究。这些研究不仅对于阐明其作用机制及结构与活性关系，并且对于分子水平上的揭示生物体系的识别、信息传递和化学原理的都具有重要意义。,THANKS !,

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