结构生物化学/细胞外

生物化学研究的发现不仅有助于更好地了解细胞，而且还影响了其他领域。

医学

我们的身体是数百万化学反应的发生地，这些反应使我们能够平稳而高效地运作。从构建更多组织到代谢食物，我们的身体不断地摄取反应物并产生产物。许多疾病可以追溯到蛋白质功能的问题。有些是遗传性的，有些则是随着时间推移而发展的。

镰状细胞与正常细胞

镰状细胞性贫血

镰状细胞性贫血是一种遗传性疾病，由一个氨基酸的突变引起；在β链中，第 6 位的谷氨酸被缬氨酸取代。这导致血红蛋白以“C”形而不是盘状的方式结合形成链状结构。这降低了它们在体内运输氧气的效率。它们在血管中的移动能力较差，并且倾向于形成团块。镰状细胞也比正常的血细胞更容易死亡，但骨髓无法快速弥补损失。

镰状细胞是一种隐性基因，这意味着该基因必须从父母双方遗传。但是，即使一个人只是携带这种特征，他们也只从一方父母遗传了这种特征，他们的血流会受到影响，但他们并没有患病。

囊性纤维化

囊性纤维化是另一种隐性遗传性疾病，由缺乏一种蛋白质引起。该疾病的特征是过量的粘液产生、咳嗽和频繁的胸部感染。 它是由缺乏 CFTR，即囊性纤维化跨膜传导调节剂，蛋白质引起的。它是一种离子通道，通常存在于产生唾液、粘液、汗液和消化酶的细胞膜中。细胞信号告诉通道转运氯离子，从而调节组织或渗透的水分运动。这维持了粘液等分泌物的流动性。

药理学

药理学是研究药物在体内的活性。药理学家研究不同药物或分子如何与细胞相互作用，以及如何操纵这种相互作用以获得预期效果。药物与身体之间的相互作用仅仅是化学反应，了解它们有助于创造更好的药物。大多数药物的目的是与酶相互作用，药理学面临的挑战之一是如何使分子具有足够的特异性，以便仅与所需的蛋白质相互作用。

分子与受体的相互作用可以将其描述为激动剂或拮抗剂。当激动剂到达受体时，它会告诉细胞做某事，从而产生细胞反应。拮抗剂的作用恰恰相反；它阻止某种作用的发生。药物可以充当激动剂或拮抗剂。许多药物用于控制过度活跃的反应，如高血压或心率加快。

结构的重要性

为了使药物发挥作用，它必须具有正确的结构。结构非常通用的分子会产生多种细胞反应，通常表现为副作用。这些药物可以与多种受体结合，因此会产生多种反应。这也降低了药物的预期效果。因此，结构生物化学对于改善药物至关重要。我们对特定蛋白质及其结构的了解越多，我们就能制造出越特定的药物，希望这种药物只与该特定蛋白质相互作用。

乙酰胆碱的结构

例子

箭毒

箭毒是一种拮抗药物，会导致肌肉麻痹。它从植物中提取，南美洲土著人民在狩猎动物时用它来毒害箭。箭毒通过阻断神经细胞和肌肉细胞之间的化学信号来麻痹肌肉。在正常情况下，神经细胞会释放乙酰胆碱，乙酰胆碱会被肌肉细胞上的受体检测到，告诉它们收缩。箭毒的化学结构与乙酰胆碱非常相似，能够进入肌肉受体，阻止乙酰胆碱进入受体，从而使肌肉麻痹。

MDR 转运蛋白

MDR 转运蛋白是位于某些细胞膜中的蛋白质。它们通常被视为细菌使用的防御系统。MDR 转运蛋白监控进入细胞的化学物质，并丢弃任何可能危及细菌的化学物质。这对无法杀死这些细菌的抗生素来说是一个问题。但这种转运蛋白不在大多数植物细胞中发现。植物对细菌有许多化学防御机制，其中之一是阻止细菌将 MDR 转运蛋白植入其中。科学家正在试图确定使用植物中的化学物质与抗生素结合是否能产生更强的抗菌药物。

但 MDR 转运蛋白也存在于正常细胞中，可以阻止药物发挥作用。但它们也执行着重要的功能，如调节激素。

MDR 转运蛋白

MDR 转运蛋白与癌症

在癌症治疗中，MDR 转运蛋白尤其棘手。在癌细胞中，MDR 转运蛋白会排出化疗药物分子，使这种有毒疗法比预期的效率低得多。癌细胞拥有的 MDR 转运蛋白越多，化疗的效果就越差。然而，化疗仍然会对患者自身的细胞造成伤害，尤其是那些几乎没有或根本没有 MDR 转运蛋白的细胞：骨髓中的干细胞。骨髓毒性是化疗的主要弊端/风险，因为没有 MDR 排出系统，骨髓干细胞非常容易受到化疗的伤害。减轻化疗对干细胞影响的一种可能方法是通过基因治疗。在这种情况下，基因治疗的预期结果是将编码 MDR 转运蛋白形成的基因引入骨髓干细胞的 DNA 中。如果被整合到干细胞 DNA 中，它将使骨髓干细胞配备 MDR 转运蛋白，并有望更好地抵御化疗。基因治疗过程如下

1：从患者身上提取干细胞（这些细胞不含 MDR 转运蛋白）

2：将包含对应于 MDR 的遗传密码的 RNA 片段置于逆转录病毒中

3: 将逆转录病毒引入患者获取的干细胞样本中

4: 逆转录病毒的 RNA 融入细胞

5: 通过逆转录酶，病毒遗传密码（包括 MDR 插入片段）融入干细胞的 DNA 中

6: 该细胞繁殖，MDR 密码传递给每个新的干细胞

7: 现在包含 MDR 泵的基因增强型干细胞被重新引入患者的骨髓，随着干细胞繁殖，包含 MDR 的细胞数量会增加，从而提高患者骨髓对化疗的抵抗力

具有危险高效 MDR 泵的细菌

革兰氏阴性菌（包括大肠杆菌）中的 MDR 泵，特别是金黄色葡萄球菌，非常善于保护自己免受抗菌皂和乳液的侵害。这会导致其对抗生素的耐药性增强，当然也会导致抗生素的效率降低，最终可能导致严重的感染。

另一种具有危险高效 MDR 泵的著名细菌是铜绿假单胞菌。这种细菌会导致一种危及生命的感染，称为败血症，它之所以如此危险，是因为它会排出几乎所有试图穿过其膜的物质。

药物开发

许多药理学的基础生化概念也适用于药物开发。过去药物开发被称为临床前开发，因为它涵盖了药物投入使用之前发生的一切；发现、开发和动物实验。在过去，大多数药物都是通过分析古老的疗法并找到导致所需效果的特定化学物质来发现的。如今，药物开发者试图在分子和生理水平上了解目标实体，并针对特定特性。

研究与发现过程

药物开发是一个包含多个阶段的过程，总共至少需要 12-15 年，通常更长。在药物研究的发现阶段，可能需要研究数千种化合物。这是一个劳动密集型过程，涉及个人和团队的研究和计划。大多数开发的化合物不会成为临床试验药物。有许多因素可能导致特定化合物的失败

不仅在研究阶段，潜在药物可能会被拒绝。有时，即使经过多年的开发和进展，药物也可能在临床试验中失败，或者在投入大量时间和资金后，可能会出现其他并发症。

在新药的早期临床前开发阶段，发起者的主要目标是确定该产品是否对最初在人体中使用是安全的，以及该化合物是否表现出足以证明商业开发的药理活性。当确定某产品是可行的进一步开发候选者时，发起者将重点收集数据和信息，以证明该产品在有限的早期临床研究中使用时不会使人类面临不合理的风险。在这一点上，该分子的法律地位在联邦食品、药品和化妆品法案下发生变化，成为受药物监管体系特定要求管辖的新的药物。研究者 IND（研究性新药）申请由同时启动和进行研究的医生提交，在该医生的直接指导下，研究性药物被给予或分配。

几十年来，美国对新药的监管和控制一直基于新药申请 (NDA)。自 1938 年以来，每种新药在在美国商业化之前都需要经过批准的 NDA。NDA 申请是药物发起者正式提议 FDA 批准新药在美国销售和营销的工具。在研究性新药 (IND) 的动物研究和人体临床试验过程中收集的数据将成为 NDA 的一部分。NDA 中要求的文档应该说明药物的全部故事，包括临床试验期间发生的情况、药物的成分、动物研究的结果、药物在体内的表现以及其制造、加工和包装方式。

化合物作为最终药物产品的成功是许多不同学科的许多科学家的跨学科努力。

例子

紫杉醇

紫杉醇的化学结构

紫杉醇是一种常见的化疗药物，常用于治疗白血病以及乳腺癌、卵巢癌、脑肿瘤和肺肿瘤。它具有非常独特的生物学相互作用。它的作用机制是通过与微管蛋白结合来抑制有丝分裂。它附着在组装好的微管上，阻止其分解并阻止细胞再生。其他药物通常阻止微管蛋白形成微管，虽然最终过程相同，即阻止细胞分裂，但科学家认为这在某些情况下可能更有效。1971 年，该分子从太平洋紫杉树的树皮中提取出来。该化合物的初步测试表明它是一种非常有效的抗癌药物。但一棵树的树皮只能产生足够的一剂药，而这种药供应非常短缺。作为解决方案，人们发现太平洋紫杉树的近亲，普通紫杉树，包含一种与紫杉醇非常相似的化合物。经过一些化学处理，该化合物可以转化为紫杉醇。

伟哥

最初，伟哥或西地那非被认为是一种高血压或心脏病药物。但这种药物在这两种情况下都证明无效，并具有诱发勃起副作用。这种药物的作用机制是释放一氧化氮，一氧化氮与鸟苷酸环化酶结合，鸟苷酸环化酶调节阴茎的血流量。这会导致 cGMP 水平升高，从而导致血流量增加。

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  人可溶性鸟苷酸环化酶 1 的催化结构域

法医学

凝胶电泳，在此用于分离不同的染料。

法医学，通常称为法医科学，是利用许多科学来协助法律体系。这可以从分析骨骼遗骸到分析 DNA 片段，将某人置于犯罪现场。

法医科学家经常使用一种叫做 DNA 指纹图谱的技术来识别嫌疑人。科学家会为该人创建 DNA 指纹图谱，该图谱使用加密的数字系统来表示该人的 DNA 构成，可用于识别个人。大约 99.9% 的人类基因组在每个人之间共享。因此，DNA 指纹图谱不会对整个基因组进行测序，而只会对对个人来说是唯一的片段进行测序。

该过程从寻找所需的 DNA 来源开始。首选的方法是通过口腔拭子，这可以降低污染的可能性，但其他方法包括来自牙刷、剃须刀或样本的唾液、头发或精液样本。然后可以使用各种不同的技术分析样本，例如 PCR，该技术可以扩增 DNA 的特定部分，单分子 DNA 测序，该技术可以对 DNA 链进行测序，或者凝胶电泳。然后将该样本与未知样本进行比对以进行匹配。