有机化学发展及其与生命科学的联系

有机化学发展及其与生命科学的联系

有机化学发展史：

有机化学又称为碳化合物的化学，是研究有机化合物的结构、性质、制备的学科，是化学中极重要的一个分支。含碳化合物被称为有机化合物是因为以往的化学家们认为含碳物质一定要由生物（有机体）才能制造；然而在1828年的时候，德国化学家弗里德里希·维勒，在实验室中首次成功合成尿素（一种生物分子），自此以后有机化学便脱离传统所定义的范围，扩大为含碳物质的化学。

“有机化学”（Organic Chemistry）这一名词于1806年首次由贝采里乌斯提出。当时是作为“无机化学”的对立物而命名的。由于科学条件限制，有机化学研究的对象只能是从天然动植物有机体中提取的有机物。因而许多化学家都认为，在生物体内由于存在所谓“生命力”，才能产生有机化合物，而在实验室里是不能由无机化合物合成的。

1824年，德国化学家维勒从氰经水解制得草酸；1828年他无意中用加热的方法又使氰酸铵转化为尿素。氰和氰酸铵都是无机化合物，而草酸和尿素都是有机化合物。维勒的实验结果给予“生命力”学说第一次冲击。此后，乙酸等有机化合物相继由碳、氢等元素合成，生命力学说才逐渐被人们抛弃。

因合成方法的改进和发展，越来越多的有机化合物不断地在实验室中合成出来，其中，绝大部分是在与生物体内迥然不同的条件下合成出来的。“生命力”学说渐渐被抛弃了，“有机化学”这一名词却沿用至今。

从19世纪初到1858年提出价键概念之前是有机化学的萌芽时期。在这个时期，已经分离出许多有机化合物，制备了一些衍生物，并对它们作了定性描述，认识了一些有机化合物的性质。

法国化学家拉瓦锡发现，有机化合物燃烧后，产生二氧化碳和水。他的研究工作为有机化合物元素定量分析奠定了基础。1830年德国化学家李比希发展了碳、氢分析法，1833年法国化学家杜马建立了氮的分析法。这些有机定量分析法的建立使化学家能够求得一个化合物的实验式。

当时在解决有机化合物分子中各原子是如何排列和结合的问题上，遇到了很大的困难。最初，有机化学用二元说来解决有机化合物的结构问题。二元说认为一个化合物的分子可分为带正电荷的部分和带负电荷的部分，二者靠静电力结合在一起。早期的化学家根据某些化学反应认为，有机化合物分子由在反应中保持不变的基团和在反应中起变化的基团按异性电荷的静电力结合。但这个学说本身有很大的矛盾。

类型说由法国化学家热拉尔和洛朗建立。此说否认有机化合物是由带正电荷和带负电荷的基团组成，而认为有机化合物是由一些可以发生取代的母体化合物衍生的，因而可以按这些母体化合物来分类。类型说把众多有机化合物按不同类型分类，根据它们的类型不仅可以解释化合物的一些性质，而且能够预言一些新化合物。但类型说未能回答有机化合物的结构问题。这个问题成为困扰人们多年的谜团。

从1858年价键学说的建立，到1916年价键的电子理论的引入，才解开了这个不解的谜团，这一时期是经典有机化学时期。

1858年，德国化学家凯库勒和英国化学家库珀等提出价键的概念，并第一次用短划“—”表示“键”。他们认为有机化合物分子是由其组成的原子通过键结合而成的。由于在所有已知的化合物中，一个氢原子只能与一个别的元素的原子结合，氢就选作价的单位。一种元素的价数就是能够与这种元素的一个原子结合的氢原子的个数。凯库勒还提出，在一个分子中碳原子之间可以互相结合这一重要的概念。

1848年巴斯德分离到两种酒石酸结晶，一种半面晶向左，一种半面晶向右。前者能使平面偏振光向左旋转，后者则使之向右旋转，角度相同。在对乳酸的研究中也遇到类似现象。为此，1874年法国化学家勒贝尔和荷兰化学家范托夫分别提出一个新的概念：同分异构体，圆满地解释了这种异构现象。

他们认为：分子是个三维实体，碳的四个价键在空间是对称的，分别指向一个正四面体的四个顶点，碳原子则位于正四面体的中心。当碳原子与四个不同的原子或基团连接时，就产生一对异构体，它们互为实物和镜像，或左手和右手的手性关系，这一对化合物互为旋光异构体或对映异构体。这种现象称为对映异构现象。这两个互成实物与镜像，对映但不能完全重合的分子称为手性分子。勒贝尔和范托夫的学说，是有机化学中立体化学的基础。[1] 1900年第一个自由基，三苯甲基自由基被发现，这是个长寿命的自由基。而不稳定自由基的存在也于1929年得到了证实。

在这个时期，有机化合物在结构测定以及反应和分类方面都取得很大进展。但价键只是化学家从实践经验得出的一种概念，价键的本质尚未解决。

在物理学家发现电子，并阐明原子结构的基础上，美国物理化学家路易斯等人于1916年提出价键的电子理论。

他们认为：各原子外层电子的相互作用是使各原子结合在一起的原因。相互作用的外层电子如从—个原子转移到另一个原子，则形成离子键；两个原子如果共用外层电子，则形成共价键。通过电子的转移或共用，使相互作用的原子的外层电子都获得惰性气体的电子构型。这样，价键的图象表示法中用来表示价键的短划“—”，实际上是两个原子的一对共用电子对。

1927年以后，海特勒和伦敦等用量子力学，处理分子结构问题，建立了价键理论，为化学键提出了一个数学模型。后来马利肯用分子轨道理论来处理分子结构，其结果与价键的电子理论所得的大体一致，由于计算简便，解决了许多当时不能回答的问题。

（百度文库）有机化学与生物学的关系：

有机化学与生命科学关系极为密切。有机化学就其最初的意义而言, 是生物物质的化学。十九世纪初, 化学家把物质分为从矿物质获得的和从活细胞获得的两大类。1807 年, J. F. von

Berziliu s 首次把从活细胞中获得的化合物命名为有机化合物。那时人们对生命现象的本质没有认识, 因而便赋予有机化合物以一种神秘的色彩, 许多化学家认为有机物是不可能用人工的方法合成的, 它们是“生命力”所创造的。但是1828 年, F. Woh ler 从无机物氰酸铵制得了和尿液中分离得到的完全相同的尿素。Woh ler 的发现否定了关于“生命力”假说, 可以说是化学家第一次干预了生命科学。在后来的研究中, 化学家们的兴趣主要在有机物的结构研究和合成方法上, 较少关心它们的生物功能。尽管如此, 许多化学家卓有成效的研究成果还是成为了生命科学发展过程的里程碑。

十九世纪中叶, I. Pasteu r 关于左旋和右旋酒石酸经典式的研究, 导致70 年代V an thoff 和L e Bel 碳原子四面体构型学说的建立, 它是生命分子结构不对称性的基础。

E. F ischer 对碳水化合物立体化学和肽合成化学的贡献是这两大类重要的生命分子化学的奠基石(获1902 年诺贝尔化学奖)。一百年前在研究糖苷酶的作用时, 他提出了“锁钥学说”,该学说已成为当今生物分子之间相互识别、相互作用和有机分子自组装这些前沿领域的先驱。

L. Pau ling 在本世纪50 年代初建立了多肽的构象, 为当今蛋白质- 结构功能研究, 蛋白质全新设计奠定了基础。本世纪50 年代,A. Todd 建立的核糖核酸(RNA ) 和脱氧核糖核

酸(DNA ) 的化学结构, 为W at son- Crick DNA 双螺旋结构的提出铺平了道路。W at son- Crick DNA 双螺旋模型的创建, 被公认为本世纪生物学最伟大的成就。

本世纪60 年代,B. M errif ield 发明了多肽固相合成法, 此法使得长片段肽的化学合成及70 年代后期长片段寡核苷酸的化学合成成为现实。否则, 当今蓬勃发展的生物工程是不可

想象的。

从方法学的角度来看, 有人曾认为F. Sanger 成功地运用纸色谱的手段才阐明了胰岛素两个主链的化学结构(获1958 年诺贝尔化学奖)。这说明有机分析、有机分离方法在研究生命科学中的重要性。近年来, 荧光标记试剂、同位素试剂又大大地提高了各种方法的灵敏度和精确度。有机分析方法也进步到了离子交换色谱、气相色谱、高压液相色谱, 使蛋白质一级结构测定工作达到了高速、超微量和自动化的程度, 至今已有近300 个蛋白质的结构已经阐明。M erri2f ield 固相合成对于分子生物学的重要性则更为明显。核酸的合成, 首先是从Todd的二核苷酸开始, 随后又发展磷酸二脂法、磷酸三脂法、亚磷酸三脂法以及氢膦酸脂法等, 应该说都是立足于有机磷化学反应原理之上。Todd 本人(获1957 年诺贝尔化学奖) 是一位非常注重生物学问题的化学家。他认为天然产物领域中, 结构和功能总是息息相关的。过去有机化学家对结构更加关注, 而对功能的兴趣太少。近年来, 这种偏向已有所改变。如N akan ish i 及已故前苏联O v2ch in ikov 对视觉功能的兴趣, Co rey 对白三烯的兴趣, 以及近来许多化学家致力于Site- direte的mu tagenesis 的工作, 都是很好的说明。

总之, 有机化学理论上和实践上的成就, 为现代生物学的诞生和发展打下了坚实的基础。价键理论、构象学说、反应机理等成为解释生化反应的有力手段, 蛋白质和核酸的组成和结构研究, 顺序测定方法的建立, 合成方法和创建等重大成就为现代生物学及生物技术开辟了道路。有机化学与生物问题的密切结合是推动生命科学发展的有力支柱。

（周晓俊(云南广播电视大学医农系, 昆明650223) 吴晖(云南师范大学化学系, 昆明650092)）

此外，从其他科研人员的角度来看：

1，有机化学与生命科学密切相关

有机化学是一门与生命科学密切相关的学科。生命科学中的许多重要发现和突破,都包含了大量与有机化学有关的研究工作。随着生命科学的迅速发展,对一些生命现象的研究已经进入分子水平。生物大分子的结构与功能,生物分子内和生物分子间的相互作用机制,生命过程中复杂的变化及其调控作用的分子机制和化学本质等许多根本性的问题,已经摆在化学家们的面前[1～3 ] 。这既是一种挑战,同时又是一个重要的机遇,使生命科学和有机化学能在更深的层次上密切结合,相互促进,共同发展。

2 应用有机化学理论解释生命现象

2. 1 生物分子和有机化学生命科学主要是研究生物分子的结构和功能,生物分子在生命过程中的变化及其生理意义。例如,为什么酶具有催化作用,而且具有特殊的选择性和高效性? 为了阐明酶的这一特性,就需要详细研究酶分子的化学组成,特殊的立体结构,酶分子中各种官能团的相互影响,酶分子与底物分子相互作用等等,并且最终能够建立起人工合成的模拟酶。因此,必然应用有机化学的理论和方法。一方面应用有机化学的结构理论、基因相互作用理论、有机化学反应机制和动力学理论,以及应用有机化学研究方法,在分子水平上研究生物分子的化学变化和反应规律。另一方面,通过模拟生物体系的化学变化,建立有机化学研究新体系。

2. 2 生物大分子的官能团和立体结构虽然自然界存在着千千万万不同的生物,但是组成这些生物体的生物分子类型并不多。生物大分子主要包括四类化合物:蛋白质、核酸、糖和脂。它们是构成生物体和维持生命现象最基本的物质基础和功能基础。所有的生物大分子都是特殊的有机化合物。

2. 2. 1 生物大分子的官能团生物大分子中常见的官能团,如甲基、乙基、苯基、二硫基、磷酸基、胍基、咪唑基、嘌呤基、嘧啶基等,在化学性质上都很活泼。它们的化学性质

决定了生物大分子的各种生理功能。例如,酶是最重要的一种功能蛋白,它能特异性催化某种底物分子发生化学反应,主要是由于酶分子中的某些官能团和底物分子之间相互作用的结果。

2. 2. 2 生物大分子的立体结构生物大分子中的相对分子量一般都很大,往往包含许

多不同类型的官能团。因此生物大分子具有非常复杂的几何立体结构和光学立体结构。形成和维系生物大分子复杂的几何立体结构的力主要有组成分子骨架原子的键角张力、分子中各种基团之间形成的氢键、配价键、离子键、疏水键和范德华力等。生物大分子中还存在着许多的手性中心,因此具有非常复杂的光学立体结构。例如,组成蛋白质的所有氨基酸都是L2型的,组成多糖的葡萄糖分子都是D2型的。这种特殊的光学结构特性对于生物大分子的生理功能具有重要意义。

2. 3 生物体内发生的基本有机化学反应类型生物体内各种复杂的反应和变化,是各

种生命现象的基础。在生物体内发生的有机化学反应主要有下面几个类型: ①水解反应:是

生物体内最普通的一类有机反应,例如蛋白质的水解。②缩合反应:是最基本的生物合成反应之一,如多肽和蛋白质的合成。③氧化反应:是动物体获取能量的唯一来源,,如葡萄糖在酶催化下,最终氧化成水和二氧化碳,并释放出大量能量。④还原反应:在生物合成和能量传递及转换过程中特别重要,最重要的还原反应是CO2 和H2O 在光和作用过程中被还原并生成葡萄糖。

⑤烷基化反应:是生物合成反应中碳链增长反应以及许多烷基转移反应的基本过程,例如脂肪酸碳链增长反应。⑥磷酰化反应:在生物能量的传递、转化,以及生物合成和分解代谢中都普遍存在,其中,ATP 起着极其重要的作用。⑦异构化和分子重排反应:普遍存在于生物体内发生的各种复杂的生物化学变化中,例如糖酵解过程中32磷酸甘油酸转变为丙酮酸的过程,就是

通过一系列酶催化的异构化反应。

（张建国2009014513 应化092）