（作者王谷巖。作者單位：中國科學(xué)院生物物理研究所）
世界是由物質(zhì)構(gòu)成的，自然科學(xué)中的化學(xué)學(xué)科就是專門研究物質(zhì)的，研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及其變化規(guī)律?；瘜W(xué)的研究起源于人類的生產(chǎn)活動，19世紀(jì)以后取得了一系列重要進(jìn)展，提出了原子分子學(xué)說、分子結(jié)構(gòu)學(xué)說、元素周期律、化學(xué)熱力學(xué)和化學(xué)動力學(xué)等理論，奠定了現(xiàn)代化學(xué)的理論基礎(chǔ)?，F(xiàn)代化學(xué)根據(jù)所研究的物質(zhì)的對象與方法的不同，又有了無機化學(xué)、有機化學(xué)、分析化學(xué)和物理化學(xué)等基礎(chǔ)分支學(xué)科。
生物體也是由物質(zhì)構(gòu)成的，自然是化學(xué)的研究對象。然而，由于生物物質(zhì)的特殊性和復(fù)雜性，直到20世紀(jì)50年代，在生物學(xué)和化學(xué)都有了相當(dāng)發(fā)展之時，化學(xué)的理論和方法才開始全面引進(jìn)生物學(xué)的研究之中，從而誕生了一門用化學(xué)研究生命活動的邊緣科學(xué)“生物化學(xué)”。生物化學(xué)學(xué)科一經(jīng)誕生，就與同一時期產(chǎn)生的用物理學(xué)研究生命的生物物理學(xué)一起，以其自身的迅速發(fā)展大大推進(jìn)了生物學(xué)的發(fā)展，使人類對生命活動的研究從個體水平逐漸深入到細(xì)胞、亞細(xì)胞乃至分子水平，從靜止的觀察與描述發(fā)展到動態(tài)的定量分析，從生命現(xiàn)象的探索上升到生命本質(zhì)的闡述。
用化學(xué)研究生命，產(chǎn)生了生物化學(xué)學(xué)科，當(dāng)這一研究推進(jìn)到分子水平之時，又誕生了給生物學(xué)帶來重大變革的前沿學(xué)科“分子生物學(xué)”。進(jìn)入1970年代后，有意識地深入探討生物體的無機化學(xué)組成與運動，促成了生物化學(xué)與無機化學(xué)的結(jié)合，從而出現(xiàn)了新的邊緣科學(xué)“無機生物化學(xué)”。
生物的化學(xué)組成與化學(xué)活動
運用化學(xué)的理論與方法研究有生命的生物，主要任務(wù)是了解生物的化學(xué)組成和它們的化學(xué)活動。早期的工作是對生物總體化學(xué)組成的研究，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)生物體主要由氧、氫、碳、氮四種元素組成，生物物質(zhì)全都是由這四種主要元素構(gòu)成的化合物。1839年，捷克生理學(xué)家浦肯野（Jan Evangelista Purkyně）把構(gòu)成植物細(xì)胞的物質(zhì)稱為原生質(zhì)，1879年，德國植物學(xué)家、細(xì)胞學(xué)家施特拉斯布格又進(jìn)一步把動物和植物細(xì)胞中構(gòu)成細(xì)胞質(zhì)和核質(zhì)的物質(zhì)統(tǒng)稱為原生質(zhì)。此后，學(xué)術(shù)界就普遍用原生質(zhì)這個詞泛指構(gòu)成細(xì)胞的全部生命物質(zhì)，然而對于原生質(zhì)究竟是什么，當(dāng)時的人們還沒有搞清楚，只是了解到細(xì)胞是由原生質(zhì)、水和無機鹽構(gòu)成。隨著生物化學(xué)的發(fā)展，由于細(xì)胞復(fù)雜結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成的逐漸被了解，才揭示出原生質(zhì)的主要成份是核酸和蛋白質(zhì)，從此，原生質(zhì)這一概念也就逐漸失去了意義。在總體化學(xué)組成了解的基礎(chǔ)上，生物學(xué)家和生物化學(xué)家們進(jìn)而對生物體的各種組織和細(xì)胞的成份進(jìn)行了精確的化學(xué)分析。在組織學(xué)（顯微解剖學(xué)）切片技術(shù)中運用化學(xué)反應(yīng)，去顯示和確定各種化學(xué)物質(zhì)在組織和細(xì)胞中的存在及其定位，從而產(chǎn)生了組織化學(xué)分支學(xué)科。在研究細(xì)胞和細(xì)胞成份（亞細(xì)胞組分）的顯微和亞顯微結(jié)構(gòu)的化學(xué)組成及其定位的過程中，又形成了細(xì)胞化學(xué)分支學(xué)科。細(xì)胞化學(xué)系采用定性和定量化學(xué)測定，分析核酸、蛋白質(zhì)、多糖和脂類等生物大分子物質(zhì)在細(xì)胞結(jié)構(gòu)中的分布和功能活動中的變化，探索各種亞細(xì)胞組分和細(xì)胞器在整個生命現(xiàn)象中的作用。細(xì)胞化學(xué)借助于細(xì)胞光度技術(shù)、分部離心技術(shù)、微量分光光度技術(shù)、微量層析和電泳技術(shù)，不僅可以顯示細(xì)胞物質(zhì)的成份，而且可以進(jìn)一步根據(jù)研究結(jié)果闡明細(xì)胞功能原理，如根據(jù)對脫氧核糖核酸的測定提出了細(xì)胞核內(nèi)脫氧核糖核酸含量恒定學(xué)說，發(fā)展了染色體遺傳連續(xù)性概念。
生物化學(xué)也研究生物組成成份蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)，以期說明這些物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與其生物功能之間的關(guān)系。例如，1953年，美國遺傳學(xué)家沃森和英國物理學(xué)家克里克，在深入研究核酸分子結(jié)構(gòu)時，確認(rèn)脫氧核糖核酸的分子結(jié)構(gòu)是以雙螺旋狀態(tài)存在，并且提出了雙螺旋結(jié)構(gòu)模型；這一模型給出了兩條核苷酸鏈的走向、螺旋直徑、螺距和核苷酸對的間距等精細(xì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，從而成功地說明了脫氧核糖核酸作為遺傳物質(zhì)在執(zhí)行遺傳功能過程中的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
最基本的生命活動是生物體的新陳代謝，生物體每時每刻都在通過新陳代謝與環(huán)境不間斷地進(jìn)行物質(zhì)和能量的交換，從食物中攝取養(yǎng)料，將其轉(zhuǎn)化為自身的組成物質(zhì)并儲存能量，又不斷地將自身的組成物質(zhì)進(jìn)行分解以釋放能量。新陳代謝一旦停止，生命也就終結(jié)了。從化學(xué)的觀點來看，新陳代謝的過程是通過生物酶的催化作用合成或分解生物大分子物質(zhì)的過程，發(fā)生著一系列的化學(xué)反應(yīng)和能量轉(zhuǎn)化。新陳代謝過程中的這些化學(xué)活動，是生物化學(xué)研究的另一方面重要內(nèi)容。在這些研究所獲取的知識的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步闡明生物體生長發(fā)育、遺傳、運動等各種生命現(xiàn)象中的分子活動，認(rèn)識生命的本質(zhì)。
生命的分子基礎(chǔ)
生物物質(zhì)主要是蛋白質(zhì)、核酸、多糖和脂類，生命活動是這些生物大分子變化與運動的結(jié)果，因此不難理解，這些生物大分子是生命活動的分子基礎(chǔ)。在分子水平上研究生物結(jié)構(gòu)與功能的分子生物學(xué)，就是專門研究蛋白質(zhì)、核酸和其他生物大分子以及它們之間的相互關(guān)系的；研究內(nèi)容主要涉及到生物大分子的化學(xué)組成、形狀大小和空間結(jié)構(gòu)，生物大分子的功能及其與結(jié)構(gòu)的關(guān)系，生物大分子在細(xì)胞成份中的組織方式，以及從較小的分子單位構(gòu)建生物大分子的方式與過程等。分子生物學(xué)不僅研究生物大分子的分子結(jié)構(gòu)（化學(xué)組成）和它們的功能（化學(xué)活動），還特別要闡明功能與結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系。例如，肌纖維中蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)如何與肌肉收縮功能相關(guān)聯(lián)，兩者怎樣相互作用而導(dǎo)致肌肉的收縮；蛋白質(zhì)和脂質(zhì)怎樣被組織在細(xì)胞膜之中，組織方式與細(xì)胞膜的滲透功能及其他特性有什么關(guān)系。
蛋白質(zhì)是最重要的生物大分子?！白钪匾摹币辉~在希臘語中稱為“proteios”，而“蛋白質(zhì)”的英文單詞“protein”正是從“proteios”衍生而來的。蛋白質(zhì)是生物體的主要組成物質(zhì)，是生命活動的基礎(chǔ)物質(zhì)。具有生物催化作用的酶，具有免疫功能的抗體，具有運輸功能的血液蛋白，具有運動功能的肌肉蛋白，以及皮膚、毛發(fā)、激素、毒素，統(tǒng)統(tǒng)都是蛋白質(zhì)。生物的遺傳性狀（形態(tài)特征和生理特性）都是通過蛋白質(zhì)得到表達(dá)的。蛋白質(zhì)是一種長鏈狀的生物大分子聚合物，由多種氨基酸結(jié)合而成。氨基酸先通過肽鍵連接組成多肽鏈，多個多肽再連接組成一個蛋白質(zhì)分子。蛋白質(zhì)分子具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)：分子中氨基酸的排列順序稱為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)，一部分肽鏈形成的螺旋和折疊稱為蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)，螺旋和折疊之間的特定空間關(guān)系稱為蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)（也稱為空間結(jié)構(gòu)或構(gòu)象），組成蛋白質(zhì)分子的幾條獨立肽鏈之間的空間關(guān)系稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能有著密切的關(guān)系。
生物大分子之間的相互作用產(chǎn)生了特定的生物功能。因此，分子生物學(xué)著力研究蛋白質(zhì)-脂質(zhì)體系與蛋白質(zhì)-核酸體系。蛋白質(zhì)和脂質(zhì)組合在一起形成的一層極薄的生物膜，是蛋白質(zhì)-脂質(zhì)體系，如細(xì)胞膜、核膜、線粒體膜和葉綠體膜等。由于在膜結(jié)構(gòu)中蛋白質(zhì)與脂質(zhì)的相互作用，就使膜具有了二者原來所不具備的特殊功能，對膜內(nèi)外的物質(zhì)交換、信息傳遞、能量轉(zhuǎn)換、神經(jīng)傳導(dǎo)都有著重要作用。蛋白質(zhì)和核酸相互作用形成的蛋白質(zhì)-核酸體系，在生命活動中扮演了另一個重要角色，演出了一場亙古至今的連續(xù)劇，物種的進(jìn)化與延續(xù)都源于這一體系。核酸是生命的遺傳物質(zhì)，是遺傳基因的載體，基因是遺傳信息的攜帶者。核酸攜帶的遺傳信息，正是在這一體系之中轉(zhuǎn)錄、翻譯，通過蛋白質(zhì)加以表達(dá)，將親代的性狀傳給下一代。
有機體中的無機成份
很早的時候，人們就已經(jīng)知道，生物體由原生質(zhì)、水和無機鹽組成。但是長期以來，人們似乎被傳統(tǒng)觀念所禁錮，總認(rèn)為“無機”的東西對于“有機體”無關(guān)緊要。因而，所謂生物體中有無機鹽，也不外乎知道血液中含有鐵、骨骼中含有鈣、氯化鈉有生理作用等等。近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，使人們大開眼界，從這種傳統(tǒng)觀念的禁錮中解放了出來。由于分析化學(xué)技術(shù)的改進(jìn)，使得測定痕量元素及其化合物的含量成為可能，因而在人體中發(fā)現(xiàn)了多種含量極低的無機元素，其中不少是金屬元素。分子生物學(xué)誕生后，當(dāng)人們對生命現(xiàn)象的研究深入到分子水平之時，發(fā)現(xiàn)金屬離子在形形色色的生命過程中無不起著至關(guān)重要的作用。因而啟示人們認(rèn)識到生命活動在很大范圍內(nèi)要依賴金屬離子的作用，探索生命現(xiàn)象不僅借助于有機化學(xué)，也要借助于無機化學(xué)。于是，生物化學(xué)家越來越注意在研究生命現(xiàn)象中引進(jìn)無機化學(xué)的概念、理論和技術(shù)，無機化學(xué)家也對生物學(xué)課題表現(xiàn)出了極大的興趣。這兩個學(xué)科的科學(xué)家互相滲透、互相結(jié)合的結(jié)果，于1971年創(chuàng)辦了《生物無機化學(xué)雜志》，后改名為《無機生物化學(xué)雜志》，又于1973年由這兩個學(xué)科的45位科學(xué)家共同完成了一部專著《無機生物化學(xué)》，無機生物化學(xué)學(xué)科從此正式誕生。
有機體中的金屬離子，其本身往往并不具有活性，只有當(dāng)它們與具有特定結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)、酶、肽、核酸等生物物質(zhì)結(jié)合之后，才表現(xiàn)出特定的活性。例如，鐵離子不能發(fā)生氧合作用，只有當(dāng)它與特定生物物質(zhì)結(jié)合成血紅蛋白后才具有載氧活性。無機生物化學(xué)的主要研究對象就是與特定生物物質(zhì)結(jié)合的金屬離子，還研究由這種結(jié)合而形成的生物配位化合物的結(jié)構(gòu)，并根據(jù)其分子結(jié)構(gòu)探索生物功能。
無機生物化學(xué)首先要解決的一個問題，是演化過程中生物對元素的選擇，即生物體為什么選擇某種特定元素來完成某一特定功能。在生物體中，參與物質(zhì)和信息傳送以及反應(yīng)速度調(diào)節(jié)過程的蛋白質(zhì)中，很多是以金屬離子為主要組分的金屬蛋白和金屬酶。要闡明金屬蛋白和金屬酶這些配位化合物結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系，就非借助于無機生物化學(xué)的專門知識不可。生物體中能量轉(zhuǎn)換等過程中電子傳送的控制因素是什么，也是當(dāng)前無機生物化學(xué)正在探索的問題。
（作者授權(quán)代發(fā)）
