結構生物化學/細胞外

生物化學研究的發現不僅有助於更好地瞭解細胞，而且還影響了其他領域。

醫學

我們的身體是數百萬化學反應的發生地，這些反應使我們能夠平穩而高效地運作。從構建更多組織到代謝食物，我們的身體不斷地攝取反應物併產生產物。許多疾病可以追溯到蛋白質功能的問題。有些是遺傳性的，有些則是隨著時間推移而發展的。

鐮狀細胞與正常細胞

鐮狀細胞性貧血

鐮狀細胞性貧血是一種遺傳性疾病，由一個氨基酸的突變引起；在β鏈中，第 6 位的穀氨酸被纈氨酸取代。這導致血紅蛋白以“C”形而不是盤狀的方式結合形成鏈狀結構。這降低了它們在體內運輸氧氣的效率。它們在血管中的移動能力較差，並且傾向於形成團塊。鐮狀細胞也比正常的血細胞更容易死亡，但骨髓無法快速彌補損失。

鐮狀細胞是一種隱性基因，這意味著該基因必須從父母雙方遺傳。但是，即使一個人只是攜帶這種特徵，他們也只從一方父母遺傳了這種特徵，他們的血流會受到影響，但他們並沒有患病。

囊性纖維化

囊性纖維化是另一種隱性遺傳性疾病，由缺乏一種蛋白質引起。該疾病的特徵是過量的粘液產生、咳嗽和頻繁的胸部感染。 它是由缺乏 CFTR，即囊性纖維化跨膜傳導調節劑，蛋白質引起的。它是一種離子通道，通常存在於產生唾液、粘液、汗液和消化酶的細胞膜中。細胞訊號告訴通道轉運氯離子，從而調節組織或滲透的水分運動。這維持了粘液等分泌物的流動性。

藥理學

藥理學是研究藥物在體內的活性。藥理學家研究不同藥物或分子如何與細胞相互作用，以及如何操縱這種相互作用以獲得預期效果。藥物與身體之間的相互作用僅僅是化學反應，瞭解它們有助於創造更好的藥物。大多數藥物的目的是與酶相互作用，藥理學面臨的挑戰之一是如何使分子具有足夠的特異性，以便僅與所需的蛋白質相互作用。

分子與受體的相互作用可以將其描述為激動劑或拮抗劑。當激動劑到達受體時，它會告訴細胞做某事，從而產生細胞反應。拮抗劑的作用恰恰相反；它阻止某種作用的發生。藥物可以充當激動劑或拮抗劑。許多藥物用於控制過度活躍的反應，如高血壓或心率加快。

結構的重要性

為了使藥物發揮作用，它必須具有正確的結構。結構非常通用的分子會產生多種細胞反應，通常表現為副作用。這些藥物可以與多種受體結合，因此會產生多種反應。這也降低了藥物的預期效果。因此，結構生物化學對於改善藥物至關重要。我們對特定蛋白質及其結構的瞭解越多，我們就能製造出越特定的藥物，希望這種藥物只與該特定蛋白質相互作用。

乙醯膽鹼的結構

例子

箭毒

箭毒是一種拮抗藥物，會導致肌肉麻痺。它從植物中提取，南美洲土著人民在狩獵動物時用它來毒害箭。箭毒透過阻斷神經細胞和肌肉細胞之間的化學訊號來麻痺肌肉。在正常情況下，神經細胞會釋放乙醯膽鹼，乙醯膽鹼會被肌肉細胞上的受體檢測到，告訴它們收縮。箭毒的化學結構與乙醯膽鹼非常相似，能夠進入肌肉受體，阻止乙醯膽鹼進入受體，從而使肌肉麻痺。

MDR 轉運蛋白

MDR 轉運蛋白是位於某些細胞膜中的蛋白質。它們通常被視為細菌使用的防禦系統。MDR 轉運蛋白監控進入細胞的化學物質，並丟棄任何可能危及細菌的化學物質。這對無法殺死這些細菌的抗生素來說是一個問題。但這種轉運蛋白不在大多數植物細胞中發現。植物對細菌有許多化學防禦機制，其中之一是阻止細菌將 MDR 轉運蛋白植入其中。科學家正在試圖確定使用植物中的化學物質與抗生素結合是否能產生更強的抗菌藥物。

但 MDR 轉運蛋白也存在於正常細胞中，可以阻止藥物發揮作用。但它們也執行著重要的功能，如調節激素。

MDR 轉運蛋白

MDR 轉運蛋白與癌症

在癌症治療中，MDR 轉運蛋白尤其棘手。在癌細胞中，MDR 轉運蛋白會排出化療藥物分子，使這種有毒療法比預期的效率低得多。癌細胞擁有的 MDR 轉運蛋白越多，化療的效果就越差。然而，化療仍然會對患者自身的細胞造成傷害，尤其是那些幾乎沒有或根本沒有 MDR 轉運蛋白的細胞：骨髓中的幹細胞。骨髓毒性是化療的主要弊端/風險，因為沒有 MDR 排出系統，骨髓幹細胞非常容易受到化療的傷害。減輕化療對幹細胞影響的一種可能方法是透過基因治療。在這種情況下，基因治療的預期結果是將編碼 MDR 轉運蛋白形成的基因引入骨髓幹細胞的 DNA 中。如果被整合到幹細胞 DNA 中，它將使骨髓幹細胞配備 MDR 轉運蛋白，並有望更好地抵禦化療。基因治療過程如下

1：從患者身上提取幹細胞（這些細胞不含 MDR 轉運蛋白）

2：將包含對應於 MDR 的遺傳密碼的 RNA 片段置於逆轉錄病毒中

3: 將逆轉錄病毒引入患者獲取的幹細胞樣本中

4: 逆轉錄病毒的 RNA 融入細胞

5: 透過逆轉錄酶，病毒遺傳密碼（包括 MDR 插入片段）融入幹細胞的 DNA 中

6: 該細胞繁殖，MDR 密碼傳遞給每個新的幹細胞

7: 現在包含 MDR 泵的基因增強型幹細胞被重新引入患者的骨髓，隨著幹細胞繁殖，包含 MDR 的細胞數量會增加，從而提高患者骨髓對化療的抵抗力

具有危險高效 MDR 泵的細菌

革蘭氏陰性菌（包括大腸桿菌）中的 MDR 泵，特別是金黃色葡萄球菌，非常善於保護自己免受抗菌皂和乳液的侵害。這會導致其對抗生素的耐藥性增強，當然也會導致抗生素的效率降低，最終可能導致嚴重的感染。

另一種具有危險高效 MDR 泵的著名細菌是銅綠假單胞菌。這種細菌會導致一種危及生命的感染，稱為敗血症，它之所以如此危險，是因為它會排出幾乎所有試圖穿過其膜的物質。

藥物開發

許多藥理學的基礎生化概念也適用於藥物開發。過去藥物開發被稱為臨床前開發，因為它涵蓋了藥物投入使用之前發生的一切；發現、開發和動物實驗。在過去，大多數藥物都是透過分析古老的療法並找到導致所需效果的特定化學物質來發現的。如今，藥物開發者試圖在分子和生理水平上了解目標實體，並針對特定特性。

研究與發現過程

藥物開發是一個包含多個階段的過程，總共至少需要 12-15 年，通常更長。在藥物研究的發現階段，可能需要研究數千種化合物。這是一個勞動密集型過程，涉及個人和團隊的研究和計劃。大多數開發的化合物不會成為臨床試驗藥物。有許多因素可能導致特定化合物的失敗

不僅在研究階段，潛在藥物可能會被拒絕。有時，即使經過多年的開發和進展，藥物也可能在臨床試驗中失敗，或者在投入大量時間和資金後，可能會出現其他併發症。

在新藥的早期臨床前開發階段，發起者的主要目標是確定該產品是否對最初在人體中使用是安全的，以及該化合物是否表現出足以證明商業開發的藥理活性。當確定某產品是可行的進一步開發候選者時，發起者將重點收集資料和資訊，以證明該產品在有限的早期臨床研究中使用時不會使人類面臨不合理的風險。在這一點上，該分子的法律地位在聯邦食品、藥品和化妝品法案下發生變化，成為受藥物監管體系特定要求管轄的新的藥物。研究者 IND（研究性新藥）申請由同時啟動和進行研究的醫生提交，在該醫生的直接指導下，研究性藥物被給予或分配。

幾十年來，美國對新藥的監管和控制一直基於新藥申請 (NDA)。自 1938 年以來，每種新藥在在美國商業化之前都需要經過批准的 NDA。NDA 申請是藥物發起者正式提議 FDA 批准新藥在美國銷售和營銷的工具。在研究性新藥 (IND) 的動物研究和人體臨床試驗過程中收集的資料將成為 NDA 的一部分。NDA 中要求的文件應該說明藥物的全部故事，包括臨床試驗期間發生的情況、藥物的成分、動物研究的結果、藥物在體內的表現以及其製造、加工和包裝方式。

化合物作為最終藥物產品的成功是許多不同學科的許多科學家的跨學科努力。

例子

紫杉醇

紫杉醇的化學結構

紫杉醇是一種常見的化療藥物，常用於治療白血病以及乳腺癌、卵巢癌、腦腫瘤和肺腫瘤。它具有非常獨特的生物學相互作用。它的作用機制是透過與微管蛋白結合來抑制有絲分裂。它附著在組裝好的微管上，阻止其分解並阻止細胞再生。其他藥物通常阻止微管蛋白形成微管，雖然最終過程相同，即阻止細胞分裂，但科學家認為這在某些情況下可能更有效。1971 年，該分子從太平洋紫杉樹的樹皮中提取出來。該化合物的初步測試表明它是一種非常有效的抗癌藥物。但一棵樹的樹皮只能產生足夠的一劑藥，而這種藥供應非常短缺。作為解決方案，人們發現太平洋紫杉樹的近親，普通紫杉樹，包含一種與紫杉醇非常相似的化合物。經過一些化學處理，該化合物可以轉化為紫杉醇。

偉哥

最初，偉哥或西地那非被認為是一種高血壓或心臟病藥物。但這種藥物在這兩種情況下都證明無效，並具有誘發勃起副作用。這種藥物的作用機制是釋放一氧化氮，一氧化氮與鳥苷酸環化酶結合，鳥苷酸環化酶調節陰莖的血流量。這會導致 cGMP 水平升高，從而導致血流量增加。

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  人可溶性鳥苷酸環化酶 1 的催化結構域

法醫學

凝膠電泳，在此用於分離不同的染料。

法醫學，通常稱為法醫科學，是利用許多科學來協助法律體系。這可以從分析骨骼遺骸到分析 DNA 片段，將某人置於犯罪現場。

法醫科學家經常使用一種叫做 DNA 指紋圖譜的技術來識別嫌疑人。科學家會為該人建立 DNA 指紋圖譜，該圖譜使用加密的數字系統來表示該人的 DNA 構成，可用於識別個人。大約 99.9% 的人類基因組在每個人之間共享。因此，DNA 指紋圖譜不會對整個基因組進行測序，而只會對對個人來說是唯一的片段進行測序。

該過程從尋找所需的 DNA 來源開始。首選的方法是透過口腔拭子，這可以降低汙染的可能性，但其他方法包括來自牙刷、剃鬚刀或樣本的唾液、頭髮或精液樣本。然後可以使用各種不同的技術分析樣本，例如 PCR，該技術可以擴增 DNA 的特定部分，單分子 DNA 測序，該技術可以對 DNA 鏈進行測序，或者凝膠電泳。然後將該樣本與未知樣本進行比對以進行匹配。