《化学生物学》是依据分子生物学的中心法则组织编撰的，从有机化学原子、化学键、化学反应机理角度聚焦生物大分子的化学、结构特点以及与其他分子的相互作用关系。全书共9章，其中：第1章和第2章分别介绍了化学生物学的基本原理和生物体的化学起源；第3～8章依次讲述了人体细胞中的每一种生物分子DNA、RNA、蛋白质、聚糖、聚酮以及萜类物质；第9章解释了细胞调控生物分子产生的机制，通过对这章内容的学习，有助于加深学生对现代生物学、生理学以及医学的理解。本书内容丰富，能提供给学生一个化学-生物双培养的环境，更为读者提供了一个了解生物分子合成与功能的化学蓝图。

《化学生物学》可作为普通高等教育化学生物学专业、药学专业、生物技术专业、生物制药专业等生物医药相关专业的本科生及研究生教材，也可供化学生物学研究领域的人员参考。

译者前言

化学生物学是研究生命过程中化学基础的学科，更是一门新兴交叉学科。它通过外源化学手段，对生命体系中的分子进行精准地识别、阐释、修饰和调控，通过充分发挥化学和生物学、医学交叉的优势，揭示生物学新规律，促进新药、新靶标和新的作用机制的发现，为人类健康研究方向提供新策略、方法与分子工具，为人类社会发展服务。

当前，国内众多高校相继成立了化学生物学系或开设了化学生物学专业，旨在通过向学生传授化学与生物学相关的知识，给学生提供一个双培养的环境，使学生更好地理解现代化学和复杂生物学研究的密切关系。然而国内化学生物学教材版本太少，且已出版的图书大都为科技书专著形式，内容主要涉及当代先进的化学生物研究方法与技术，但是如何从本质上有效地以化学视角揭示生物学奥秘仍是难题。

这也正是《Introduction to Bioorganic Chemistry and Chemical Biology》（David Van Vranken, Gregory A. Weiss，2013）一书的亮点之处。这本教科书为读者提供了一个全面了解生物分子合成与功能的化学蓝图。原著遵从分子生物学的中心法则，以基因水平为起点，从有机化学角度聚焦生物分子DNA、RNA、蛋白质、聚糖、聚酮以及萜类，用有机化学思维从原子、化学键、化学反应机理视角，阐述生物体内众多分子的化学性质、结构特点以及分子间的相互作用关系。通过本书的学习，您会慢慢发现分子生物学中心法则之外的化学法则是生命起源的基础。本书内容全面，深浅适宜，特色鲜明，可以作为本科生与研究生学习化学生物学基础知识的教材，也可供对化学生物学有兴趣的研究人员参考。

本书的翻译工作得以顺利开展，要衷心感谢来自北京大学、清华大学、武汉大学、中国医学科学院&北京协和医学院药物研究所、中国科学院化学研究所的20位化学生物学教学与科研一线的专家们，是他们认真严谨的工作作风和科研态度保障了本书翻译内容的准确性；感谢国家自然科学基金委员会交叉科学部和化学科学部的前瞻性支持和重要引领，得以在短短一个月内将翻译队伍组织起来，赋予各位译者以激情；感谢张礼和院士为本书作序并担任本书的主审；感谢化学工业出版社优秀教材发展基金项目的支持，以及严谨的编校工作；感谢中国医学科学院&北京协和医学院研究生教学改革项目的资助。

合抱之木，生于毫末；九层之台，起于累土。希望本书能为我国化学生物学基础教育提供新的助力。

后，谨向广大读者朋友们致以美好的祝愿！



张艳、胡海宇、陈拥军

北京

2021年4月











原著前言

这本教科书为读者提供了一个了解生物分子合成与功能的化学蓝图。目前，化学生物学的研究领域在不断地深入和扩展，其中生物分子参与了包括细胞调控、信号转导以及生物合成在内的主要细胞功能，我们将主要从有机化学角度聚焦生物分子的研究进展。而学生们在学习此书时，要遵从分子生物学的中心法则，以基因水平为起点，再到每一种生物分子DNA、RNA、蛋白质、聚糖、聚酮以及萜类，我们将研究它们的化学、结构特点以及与其他分子的相互作用关系。随后，我们将学习如何通过化学方式控制基因的表达。值得一提的是，虽然在过去二十年中，大多数的相关教学活动都是基于生物模型的，但是我们的教学内容将尽可能地聚焦于人体细胞。

《Introduction to Bioorganic Chemistry and Chemical Biology》适用于学习过有机化学课程的高年级本科生和研究生，如果你对生物学有一些了解，将有利于学习这本书。同样，这本书也适合医学专业高年级学生的学习。我们目前在加州大学尔湾分校开设了一系列化学生物学课程，并以此为基础，撰写了这本教科书。虽然有机化学将是我们这门课程的主要语言，但目前还没有哪本教科书能够从原子、化学键、化学反应机理角度对细胞活动进行详细的描述。这本书将从基础性的概念开始，逐步建立复杂的章节体系。对于本科生教学，我们可以跳过一些高阶的教学内容，全书内容可以灵活地适应不同的课时和难度。

这本教科书是依据分子生物学的中心法则组织编撰的。其中，第1章和第2章分别介绍了化学生物学的基本原理和生物体的化学起源，此后的每一章（第3～8章）依次讲述了人体细胞中的每一类生物分子DNA、RNA、蛋白质、聚糖、聚酮以及萜类。在这本书里，我们没有讲述代谢与生物合成途径的内容，这些在生物化学相关课程中经常被介绍。第9章则引导学生跳出中心法则，去思考解释细胞调控生物分子合成的机制。而在后一章，我们将加深学生对现代生物学、生理学以及医学的理解。由于新技术的不断涌现和迭代，在这里本书将不再讨论仪器和实验性的技术方法。由于这本教材并没有全面涵盖化学生物学领域的所有知识，因此许多众所周知的实例和技术没有包含在这本书里。我们也非常期望老师们能够从这本教材中选择并额外补充学生迫切需求的知识，传授给学生。

我们知道，丰富生动的教学内容是产生学习乐趣的关键。在这本书中，每一章我们都以多罗西·克劳福特·霍奇金（Dorothy Crowfoot Hodgkins）、菲巴斯·利文（Phoebus Levene）和赫尔曼·埃米尔·费歇尔（Hermann Emil Fischer）等著名科学家们在这一领域的重大发现为开端。在本书中，我们将生物学的相关例子与丰富多彩的图像结合以吸引读者去理解生命的分子结构。我们对图例的颜色选择也是经过精心挑选的：一般来说，红色表示DNA，绿色表示RNA，蓝色表示蛋白质，紫色表示聚糖，棕色表示聚酮和萜类。当这些生物分子被抽象的形状表示时，形状的颜色将提供更多的生物化学信息。我们还将采用有机化学课程常用的现代有机化学结构及反应机理描述方式进行教学，展示生物大分子的二级结构并附带PDB ID，这样学生们可以使用蛋白质数据库进行方便的查询。在这本书中，提问式教学将贯穿于各章节，情景化的语言描述也将有利于学生对内容的理解。在每一章结束时，我们都会给出一定量的习题，以促使学生进行更深入的学习，并且我们已经把那些适合自学的问题标上了星号，学生可以通过登录相关网站探寻问题的答案。此外，每一章开头都列出了学习目标，结尾列出学习重点，以帮助学生理解本书重要的内容。



戴维·范·弗兰肯　格雷戈里·韦斯

第 1 章　 化学生物学基础（The Fundamentals of Chemical Biology） 1

1.1　 分子生物学中心法则（The Central Dogma of Molecular Biology） 2

1.2　基因（Genes） 3

1.3　基因组（Genomes） 5

1.4　 基因组以外的生物多样性来源（Sources of Diversity Beyond Genomes） 9

1.5　 组装产生的多样性（Combinatorial Assembly Generates Diversity） 11

1.6　 一些常见的化学生物学工具（Some Common Tools of Chemical Biology） 15

1.7　总结（Summary） 23



第 2 章　 生物体的化学起源（The Chemical Origins of Biology） 25

2.1　电子转移机理是分子轨道理论的一种表达形式（Mechanistic Arrow-Pushing is an Expression of Molecular Orbital Theory） 25

2.2　 氢键和质子转移（Hydrogen Bonds and Proton Transfers） 30

2.3　前生命化学（Prebiotic Chemistry） 34

2.4　 非键相互作用（Nonbonding Interactions） 39

2.5　 模块化设计的魅力（The Power of Modular Design） 44

2.6　总结（Summary） 48



第 3 章　 DNA 53

3.1　DNA的结构形式（Forms of DNA） 54

3.2　 DNA的核糖核酸亚基（The Ribonucleotide Subunits of DNA） 55

3.3　 DNA中的基本作用力（Elementary Forces in DNA） 59

3.4　DNA超结构（DNA Superstructure） 67

3.5　 聚合酶介导的DNA生物合成（The Biological Synthesis of DNA by Polymerase Enzymes） 72

3.6　 DNA的化学合成（The Chemical Synthesis of DNA） 76

3.7　 DNA分子的电泳分离（Separation of DNA Molecules by Electrophoresis） 85

3.8　 DNA重组技术（Recombinant DNA Technology） 90

3.9　 核酸光化学（Nucleic Acid Photochemistry） 95

3.10　 DNA作为细胞毒性药物的靶标（DNA as a Target for Cytotoxic Drugs） 97

3.11　总结（Summary） 113



第 4 章　 RNA 119

4.1　RNA的结构（RNA Structure） 120

4.2　RNA的合成（RNA Synthesis） 126

4.3　 转录调控（Transcriptional Control） 128

4.4　 真核生物的mRNA加工（mRNA Processing in Eukaryotes） 135

4.5　 RNA的受控降解（Controlled Degradation of RNA） 139

4.6　 mRNA被核糖体翻译成蛋白质（Ribosomal Translation of mRNA into Protein） 142

4.7　 从寡核苷酸库到蛋白质库（From Oligonucleotide Libraries to Protein Libraries） 156

4.8　总结（Summary） 159



第 5 章　 多肽和蛋白质的结构（Peptide and Protein Structure） 163

5.1　 氨基酸和多肽（Amino Acids and Peptides） 164

5.2　 固相多肽合成（Solid-Phase Peptide Synthesis） 169

5.3　 决定蛋白质二级结构的基本作用力（Fundamental Forces that Control Protein Secondary Structure） 181

5.4　 二硫键交联的化学（The Chemistry of Disulfide Crosslinks） 188

5.5　 蛋白质结构域的结构和功能（Protein Domains Have Structural and Functional Roles） 191

5.6　 更高层级的蛋白质结构（Higher Levels of Protein Structure） 200

5.7　总结（Summary） 201



第 6 章　 蛋白质功能（Protein Function） 209

6.1　 受体-配体相互作用（Receptor-Ligand Interactions） 210

6.2　 从定量角度认识酶功能（A Quantitative View of Enzyme Function） 216

6.3　 多步反应酶催化机制（A Mechanistic View of Enzymes that Catalyze Multistep Reactions） 219

6.4　 有机辅酶因子（Enzymes that Use Organic Cofactors） 240

6.5　 蛋白质工程改造（Engineering Improved Protein Function） 245

6.6　总结（Summary） 251



第 7 章　 糖生物学（Glycobiology） 255

7.1　结构（Structure） 255

7.2　 糖苷键的化学和酶学（The Chemistry and Enzymology of the Glycosidic Bond） 260

7.3　多糖（Polysaccharides） 269

7.4　糖蛋白（Glycoproteins） 272

7.5　糖脂（Glycolipids） 286

7.6　 细胞内的糖基化（Glycosylation in the Cytosol） 288

7.7　 寡糖的化学合成（Chemical Synthesis of Oligosaccharides） 290

7.8　 与糖配体结合的蛋白质（Proteins that Bind to Carbohydrate Ligands） 293

7.9　 葡萄糖稳态与糖尿病（Glucose Homeostasis and Diabetes） 301

7.10　总结（Summary） 306



第 8 章　 聚酮和萜类（Polyketides and Terpenes） 309

8.1　 聚酮生物合成中的克莱森反应（The Claisen Reaction in Polyketide Biosynthesis） 310

8.2　 聚酮生物合成范例：脂肪酸生物合成（The Biosynthesis of Fatty Acids is a Paradigm for Polyketides Biosynthesis） 312

8.3　 人源聚酮的生物学功能（The Biological Role of Human Polyketides） 317

8.4　 非人源聚酮类天然产物（Nonhuman Polyketides Natural Products） 330

8.5　 非核糖体肽合成酶（Nonribosomal Peptide Synthases） 337

8.6　人源萜类（Human Terpenes） 338

8.7　 非人源萜类天然产物（Nonhuman Terpene Natural Products） 351

8.8　小结（Summary） 358



第 9 章　 信号转导的化学调控（Chemical Control of Signal Transduction） 363

9.1　 信号转导（Singal Transduction） 365

9.2　 人体细胞中的信号通路概述（An Overview of Signal Transduction Pathways in Human Cells） 369

9.3　核受体（Nuclear Receptors） 372

9.4　与转录因子直接相互作用的细胞表面受体（Cell-Surface Receptors that Interact Directly with Transcription Factors） 380

9.5　 受体酪氨酸激酶（Receptor Tyrosine Kinases） 385

9.6　 G蛋白偶联受体（G Protein-Coupled Receptors，GPCR） 395

9.7　 离子通道受体（Ion Channel Receptors） 408

9.8　 三聚化死亡受体（Trimeric Death Receptors） 414

9.9　 气体小分子信号转导通路（Pathways Controlled by Small Diffusible Gas Molecules） 416

9.10　总结（Summary） 418