第二章：化学与疾病

 

传染病是发展中国家持续的风险，而非传染性疾病如阿尔茨海默氏病对发达国家的老龄化人群构成越来越大的风险。只有当化学家进一步了解疾病的分子过程和药物的生化行为，我们才将能够更好地诊断和治疗这些疾病。

在生命科学研究的早期阶段，化学需要充分整合。化学家可以为所有的支撑着健康或疾病状态生物系统的分子过程提供必要的基本理解。化学家们在利用化学科学回答我们周围世界的新生物学问题的同时，已经在帮助我们获得对现有生物学原理的更完整的理解。

1了解疾病的发病和进展：化学药物

疾病根本上是由生物系统中分子机制故障引起的。要解决21世纪全球的健康挑战，需要更好地了解疾病的化学机制。

由于我们没有详细了解其中所涉及的分子过程和机制，现有的许多疾病的生物学解释仍未得到证实。我们目前简单的模型曾经是有用的，但现在已经过时。我们需要超越简单地对生物分子结构的确定，而转向获得对其作用机制的充分认识。一个详细的对疾病的分子途径如何在不同、甚至是相同个体中变化的了解，将使医疗保健系统能在正在兴起的个性化医疗这一新兴领域中发挥优势。

通过个例研究，更好的对免疫系统的化学原理的理解可以让我们利用作用机制更复杂的身体自然防御系统来战胜疾病。除了启动免疫系统来应对特定疾病（如使用疫苗），我们还可以找到其他办法来提高其对抗传染性疾病甚至非传染性疾病（如癌症）的能力。增加对免疫系统的认识，也可以让我们在其出错时及时介入。自身免疫性疾病如类风湿关节炎、多发性硬化症和Ⅰ型糖尿病等，是患者身体把自身的构成部分误认为是“非自身部分”（ 这引起了对自身细胞和组织的免疫反应）的结果，而这些疾病在发达国家日益普遍。类风湿关节炎被认为对世界约1％的人口造成影响。

化学家正在帮助人们获得对抗生素耐药机制的分子基础的更好了解。这将使科学家在抗生素耐药菌出现时能开发出更厉害的抗生素来对付它们。

对所有细胞（包括干细胞）的化学、信号和功能以及它们的组织网络更详细的鉴别，将使我们更透彻地了解发育生物学，并使卫生系统能够更快获得再生医学的益处。

通过动力学研究和在系统生物学与合成生物学领域运用化学的理解，我们对酶和其他生物大分子的认识正在改善。化学家正在超越寻找一个分子是否简单地绑定到生物靶标上，走向专注于对其如何绑定、绑定多久以及会影响何种生物途径的探索。化学家正在帮助了解生物系统中蛋白质折叠如何影响如阿尔茨海默氏症和亨廷顿氏症等疾病的发展。

2基因和非传染性疾病

基因在许多非传染性疾病的发展中起重要作用，但我们仍缺乏对这一进程的分子层次的详细了解。

迫切需要对我们的遗传信息究竟是如何影响许多非传染性疾病的发生和进展有一个详细的了解。一些疾病如亨廷顿氏病是由单一的基因缺陷引起的，而其他更普遍的病症如心血管疾病、癌症和阿尔茨海默氏病等则是由我们的基因和一系列环境因素之间复杂的相互作用而导致的。科学家们还没有拼凑出涉及大多数非传染性疾病的一整套因素，也尚未建立起它们之间如何相互作用的机制。

化学家现正在通过在分子水平上提高认识来帮助我们更好地理解非传染性疾病的遗传原因。人类基因组的测定已经对人类疾病如癌症产生很大影响。然而基因组测序对确定哪个分子过程会导致疾病和怎样实现干预治疗来说还仅仅只是一个开始。

环境和饮食有可能对病变组织比对健康组织有更大的影响，化学家可以帮助我们对这些体系中环境因素的影响有一个更好的了解。生物学的中心法则认为我们的基因中信息只单方向传递。这种模式现在已经过时了，因为我们现在了解到环境也可以影响我们的基因。尽管在10年前已进行了人类基因组测序，但基因和环境因素之间的相互作用是如此复杂以至于科学家们仍远未阐明其中的细节。

表观遗传学研究的是机制造成的基因表达的变化，而非基本DNA序列的变化。化学家正在帮助探明环境影响如何改变我们的基因、如何影响基因的表达以及如何影响许多非传染性疾病的发展。我们的细胞开启和关闭基因的方法之一是通过化学修饰，这种化学修饰会受如饮食、衰老、吸烟、生活方式甚至我们呼吸的氧气等环境因素的影响。现在我们知道这些基因修饰模式是可被继承的，这就提供了将我们一生中的后天特质延续下去的途径。

表观遗传学正开始提供一种创新的探索非传染性疾病的方式，化学家在这方面也正开始取得重大突破。对后生进程（及其他因素）更好的理解将使我们能够超越对许多非传染性疾病的简单对症治疗，而走向真正的治愈。

3氧和疾病

化学家将提供对氧在疾病发展进程中作用的更好了解。

氧参与到调节包括人类在内所有好氧生物的多种生化途径。正常的细胞代谢所产生的活性氧物种（Reactive oxygen species ，ROS）是造成我们一生中机体逐渐自然衰老的主要原因，并且与许多年龄相关疾病的发展有牵连。细胞中的氧缺乏与癌症、心血管疾病和糖尿病等疾病有关。

化学家正在帮助更好地理解活性氧物种在若干不同层次调节基因表达中的作用。了解、利用和检测生物体系中的氧将提供更好地理解疾病进展的新途径。

 4大脑和疾病

了解大脑鲜为人知的化学过程对治疗神经退行性疾病如阿尔茨海默氏病是必不可少的。

对记忆的分子基础和大脑中的化学更好的理解，可以使我们能够更好地解决许多神经系统疾病。

化学家正致力于更好地了解大脑中的化学和记忆的分子基础，这是为许多神经衰弱型疾病提供更有效治疗的第一步。尽管如抑郁症和精神分裂症等疾病在我们人生中的任何时间都可能发生，但往往首先出现于青年人身上。据了解，这些疾病的发展有很强的遗传影响，但科学家们尚未准确找到所涉及的分子过程。事实上，我们离理解大脑中基本化学过程的工作模式还差得很远。

对大脑老化影响的更好了解，将使我们能够更好地理解许多年龄相关疾病牵涉到的纤维蛋白积聚的作用。淀粉样蛋白积聚被公认为在阿尔茨海默氏病的发展中起着重要作用。它们也可能在包括帕金森氏症、II型糖尿病和淀粉样蛋白A（AA）的淀粉样变性等其他疾病中发挥了重要作用。

虽然淀粉样蛋白假说已经导致人们发展出以淀粉样蛋白和产生淀粉样蛋白的酶为靶标的治疗阿尔茨海默氏症的方法，但淀粉样蛋白在这些疾病中的确切作用仍只是一种理论说法。许多这类治疗方法至今一直不成功，淀粉样蛋白假说也和许多其他假说一样尚未得到证实。

化学家们通过帮助测试现有的生物假说和发展新的分子理论，将在更好地从分子水平上了解大脑和年龄相关疾病的进程中起到重要作用。这将导致开发出创新的、更有针对性的药物和疗法。

5生物过程分析

需要有新一代的测量和分析技术以更好地了解疾病。

化学家正在帮助整合许多生物学中的分析“组学”（如基因组学、糖组学和蛋白质组学）技术，通过基础化学原理的基本认识把它们联合起来。化学家们正把传统的检测技术和新技术相结合，以提供可以分析包括一个单一生物细胞的内容物在内的微小样本的尖端设备。

化学家正在开发具有出众分辨率和精度的在生物系统中定量测量分子和检测细胞内外生物活动的改进方法。揭示细胞内分子个体之间的相互作用将使我们能更详细地研究生物过程，并懂得如何解决疾病发展过程中出现的故障。

许多现有的检测在生物系统中化学活动和鉴定生物分子的方法都依赖于绑定到特定生物靶标的抗体。不幸的是，抗体较大的尺寸使其往往不足以研究细胞内的过程。化学家正在开发流线型的抗体样分子，它们小到足以接近细胞内的生物学过程，而同时又保留抗体的独特的特异性。新的分子探针将能够与包括特定的代谢产物、蛋白质和DNA链等的生物分子个体相互作用。

新的分析技术将使我们能够准确地测量细胞中蛋白质的浓度，实时检测发生在活体细胞中的蛋白质结构变化，并确定膜结合蛋白的结构，这是对现有的标准技术的一种挑战。

化学家正在用简单的原料构建复杂的生物分子，“体内”化学领域的蓬勃发展使特定的化学转化能在活体细胞内进行，并且总有一天将可以在整个生物体内进行。