1化学与生命.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,化学与生命,1,化学与生命,1.1,化学与社会,1.1.1,化学的发展,1.1.2,化学研究的领域,1.1.3,化学在社会发展中的作用,1.1.4,人们对化学的误区,1.2,化学与生命,1.2.1,人体中的化学元素,1.2.2,化学反应与生命过程,1.2.3,化学对生命健康的影响,1.1,化学与社会,化学是从原子、分子、离子等层次上研究物质组成、结构、性质极其变化规律的科学。,化学作为重要的一门基础科学，在整个自然科学中的关系和地位，正如,Pimentel G C,在,化学中的机会,今天和明天,一书中指出的,“,化学是一门中心科学，它与社会发展各方面的需要都有密切关系。,”,它不仅是化学工作者的专业知识，也是广大人民科学知识的组成部分，化学教育的普及是社会发展的需要，是提高公民文化素质的需要。,1.1.1,化学的发展,（,1,）萌芽时期,远古人类，经过千万年的摸索实践，逐渐学会了制陶、冶金、酿酒、染色等工艺。这时相关的化学知识还没有形成，这个时期属于化学的萌芽时期。,（,2,）炼丹术和医药化学时期：,公元前,1500,年到公元,1650,年，炼丹术士和炼金术士们，在皇宫、教堂、家里、深山，为求得长生不老仙丹，为求得荣华富贵黄金，开始了最早化学实验，记载与总结炼丹术的知识。积累了许多物质间化学变化，为化学发展准备了丰富素材。伴随炼丹术、炼金术的盛衰，化学方法在医药和冶金方面得到了发展。与此同时，在欧洲文艺复兴时期，一些有关化学的书籍开始出版。第一次有了“化学”名词，英语的,chemistry,起源于,alchemy,，即炼金术。,chemist,还保留相关含义“化学家”和“药剂师”。,（,3,）燃素化学时期,从,1650,年到,1775,年，随着冶金工业和实验室经验的积累，人们不断总结感性知识。如人们认为可燃物的燃烧是因为可燃物中含有燃素，燃烧的过程就是可燃物中燃素释放的过程，可燃物放出燃素后成为灰烬。,（,4,）近代化学时期,1775,年前后，拉瓦锡用定量化学实验阐述了燃烧的氧化学说。这时期建立化学基本定律，提出原子学说，发现元素周期律，发展有机结构理论等。属于近代化学时期。,（,5,）现代化学时期,二十世纪初，量子论的发展解决了化学上许多悬而未决的问题；同时，化学又向生物学和地质学等其他学科渗透，使蛋白质、酶的结构问题得到逐步的解决。,1.1.2,化学研究的领域,（,1,）分析化学,分析化学是研究获取物质化学组成和结构信息的分析方法及相关理论的科学，它的主要任务是鉴定物质的化学组成）、测定物质有关组分含量、确定物质结构（化学结构、晶体结构、空间分布）和存在形态（价态、配位态、结晶态）及其与物质性质之间的关系等。方法分化学分析法和仪器分析法。,（,2,）无机化学,无机化学是研究无机物质的组成、性质、结构和反应的科学。无机化学是以,19,世纪,60,年代元素周期律的发现为标志。,20,世纪,40,年代末，由于原子能工业和半导体材料工业的兴起，无机化学又取得了新的发展。从,20,世纪,70,年代以来，随着宇航、能源、催化及生化等研究领域的出现和发展，无机化学在实践、理论方面都取得新突破。无机化学的发展趋向主要是新型化合物的合成和应用，以及新研究,领域,的开辟和建立。,（,3,）有机化学,形成于,19,世纪下半叶，如,1861,年,Kekul,F A,提出碳的四价概念和,1874,年,Vant,Hoff,和,Lebel,的四面体学说。有机化学以碳氢化合物及其衍生物为研究对象。有机化学形成了许多分支边缘学科。比如生物有机化学、物理有机化学、量子有机化学、海洋有机化学等。,（,4,）物理化学,研究化学反应方向和限度（化学热力学）、化学反应速率和机理（化学动力学）以及物质微观结构与宏观性质间的关系（结构化学）等问题学科，是化学学科的理论核心。研究内容大致为三个方面。化学体系的宏观平衡性质：化学热力学、溶液、胶体和表面化学。化学体系的微观结构和性质：结构化学和量子化学。化学体系的动态性质：化学动力学、催化、光化学和电化学。,1.1.2,化学研究的领域,1.1.3,化学在社会发展中的作用,（,1,）日常生活离不开化学,色泽鲜艳的,衣料,需要经过化学处理和印染，丰富多彩的合成纤维更是化学的贡献。要装满粮袋子，丰富菜篮子，关键之一都是发展,化肥和农药,的生产。加工制造色、香、味俱佳的,食品,，离不开各种食品添加剂,(,甜味剂、防腐剂、香料、调味剂和色素等,),，它们大多是用化学合成方法或用化学分离方法，从天然产物中提取出来的。现代建筑所用的水泥、石灰、油漆、玻璃和塑料等材料都是,化工,产品。用以代步的各种现代,交通,工具，不仅需要汽油、柴油作动力，还需要各种汽油添加剂、防冻剂，以及机械部分的润滑剂，这些无一不是石油化工产品。此外，,药品、洗涤剂、美容品和化妆品等,日常用品也都是化学制剂。,（,2,）国民经济发展离不开化学,农业的增产，很大程度上依赖于化学科学的成就。比如化肥、农药、植物生长激素和除草剂等化学产品，不仅可以提高产量，而且也改进了耕作方法。高效、低污染的新农药的研制，长效、复合化肥的生产，农、副业产品的综合利用和合理贮运，也都需要应用化学知识。工业现代化和国防现代化方面也急需研制各种性能迥异的金属材料、非金属材料和高分子材料。在煤、石油和天然气的开发、炼制和综合利用中也包含着极为丰富的化学知识，并已形成煤化学、石油化学等专门领域。导弹的生产、人造卫星的发射，需要很多种具有特殊性能的化学产品，如高能燃料、高能电池、高敏胶片及耐高温、耐辐射的材料等。所以，化学在国民经济方面占有重要作用。,1.1.3,化学在社会发展中的作用,（,3,）科学技术发展也离不开化学,随着科学技术和生产水平的提高，化学与其他科学不断相互渗透，相互交叉，大大促进了基础科学和应用科学的发展和交叉学科的形成。如,环境保护、能源开发与利用、功能材料研制、生命过程奥秘探索,。在能源开发和利用方面，化学工作者为人类使用煤和石油曾做出了重大贡献，现在又在为开发新能源积极努力。利用太阳能和氢能源的研究工作都是化学科学研究的前沿课题。材料科学是以化学、物理和生物学等为基础的边缘科学，它主要是研究和开发具有电、磁、光和催化等各种性能的新材料，如高温超导体、非线性光学材料和功能性高分子合成材料等。生命过程充满化学反应，当今化学家和生物学家正在通力合作，探索生命现象的奥秘，从原子、分子水平上对生命过程做出化学的说明。,1.1.3,化学在社会发展中的作用,1.1.4,人们对化学的误区,（,1,）,化学知识使用不当给人类健康带来危害,化学与社会生活实际上有着广泛而紧密的联系，化学离不开生活，生活中也处处体现化学知识。虽然化学使我们的世界变得更加绚丽多彩，但如果化学使用不当，也会给人的身体健康带来危害。比如皮肤碰伤后，搽点碘酒或红药水，都能起杀菌的作用。但是如果将这两种药水同时使用，以为效果会更好，却不知这样做恰恰适得其反。这是因为碘酒中的碘如果和红药水中的汞相遇会发生化学反应，生成刺激性很强毒性很大的“碘化汞”。所以，化学知识一定要与社会实践相结合，从而避开生活中的化学误区，避免化学知识使用不当给人类健康带来危害。,（,2,）环境污染与化学,衣、食、住、行等离不开化学，人人都需要化学品。但化学品有毒、有味、污染环境事件也在人们心理产生阴影。不可否认化学工业生产与排放的化学品，确实给生态环境和人类带来严重影响。,如,1983,年印度,Seveso,农药厂异氰酸甲酯的泄漏事故造成的震惊全球的大惨剧。还有生产过程中长期积累性废物排放，以及有毒有害的化工产品在环境中残留和对环境的破坏。,广义地说，任何物质都是有毒的。但毒性是与物质“量”有关的。人们对于高毒物质倍加谨慎小心，但对于低毒物质对人类的伤害却常常掉以轻心，以致造成严重后果。,当前,我们已无法离开化学化工产品。不仅要开创美好生活而发展化学工业，而且更要不能让它的生产过程和它的产品破坏我们的环境。,1.1.4,人们对化学的误区,1.2,化学与生命,19,世纪下半叶，恩格斯首次科学地定义了生命，即“生命是蛋白体的存在方式”。这个存在方式的基本因素在于和它周围的外部自然界的不断地新陈代谢，而且这种新陈代谢一旦停止，生命就随之停止，结果便是蛋白质的分解。恩格斯的生命定义，在一定程度上揭示了生命的物质基础，即具有新陈代谢功能的蛋白体。所有这些都离不开化学元素的参与。地球上存在的,92,种天然元素中有,28,种元素在生物体内被发现。在这个物质世界中，最复杂、最完美和最奥妙的莫过于生命现象。化学与生命科学之间有着极其密切的关系。生命过程本身就是无数化学变化的综合表现。,1.2.1,人体中的化学元素,生命进程，从无机小分子物质生成有机小分子物质，从有机小分子物质形成有机高分子物质，从有机高分子物质组成多分子体系，从多分子体系演变为原始生命。,目前有,28,种元素（氢、硼、碳、氮、氧、氟、钠、镁、硅、磷、硫、氯、钾、钙、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、砷、硒、溴、钼、锡和碘）在生物体内被发现。,这些元素由于在人体中维持着正常的生物功能，称为,生物元素,。,（,1,）,元素的迁移与转化,元素迁移与转化,指元素及其化合物在环境中所发生的空间移动及存在形式与状态的变化，即元素及其化合物在环境空间位置的移动、转化以及因移动和转化所引起的富集、分散等,.,迁移方式：,机械迁移作用。水迁移、空气及重力机械迁移等。,物理,化学迁移作用。元素以简单离子、络合离子或可溶性分子等无机物形式在环境中通过一系列物理化学作用所实现的迁移。有机化合物可通过化学分解、光化学分解和生物分解等作用所实现的迁移。,生物迁移作用。通过生物体的吸收、代谢、生长发育、死亡、分解等过程所实现的元素迁移。生物的种属不同，元素的生物迁移能力也不同。,生物元素富集,:,生物体内金属元素最重要的迁移转化方式。生物在其生命活动中有选择地吸收、富集某些化学元素，死亡后通过矿化作用又将这些元素释放到自然环境中。,目前,H,、,Li,、,Be,、,B,、,C,、,N,、,O,、,Na,、,Mg,、,Al,、,Si,、,P,、,S,、,Cl,、,K,、,Ca,、,Ti,、,V,、,Cr,、,Mn,、,Fe,、,Co,、,Ni,、,Cu,、,Zn,、,Ge,、,Se,、,Sr,、,Mo,、,Ag,、,I,、,Au,、,Pb,、,Ra,、,U,等元素均可被生物富集。,例：对松花江附近居民调查发现，经常吃河鱼的渔民身体里积累了很多汞，甚至还出现了明显汞中毒症状。而同一条江水而很少吃河鱼的人，体内积累的汞却不多，而且也极少出现汞中毒症状。这主要是由于河鱼对汞的富集作用所致。,（,1,）,元素的迁移与转化,（,2,）,化学元素的相互作用,1,）协同作用,协同作用是指元素间联合作用的结果大于每个元素单独作用的总和。,例如，在人体中维生素,D,能协同钙的吸收，促进肠胃内钙、磷的吸收，维持血液中钙和磷的平衡，并促进钙在骨组织中沉积；钙和磷互相协同，对钙的吸收率影响较大的是磷的配比量，当钙和磷的比例在,1:11:2,时钙的吸收率最高。,同样，一些有毒有害元素的相互联合作用的毒性也会大于其中各个毒物成分单独作用的总和。即其中某一毒物成分能促进机体对其他毒物成分的吸收或使其降解受阻，排泄迟缓，蓄积增多或产生高毒物代谢等，使混合物的毒性增加。,（,2,）,化学元素的相互作用,2,）拮抗作用,拮抗作用是指生物体中一种元素对另一种元素的正常生理功能产生抑制或抵消作用。例如，单吃橙子有酸味，但如果与草莓同吃，则其酸味消失而有甜感。,实际上，许多元素之间存在着拮抗作用，如铜与钼，硒与汞，铜与锌，铊与硒，铜与镉，锌与镉，铁与镉等。例如镁是钙的拮抗剂，镁离子活化反应有时会受到钙离子的抑制；镁还是一些致癌物质的拮抗剂，能加速体内硝酸盐，亚硝酸盐的代谢，减少它们作为强致癌物亚硝酸胺的前体的潜在危害。,近年还发现硒对多环芳烃和偶氮化合物等有机致癌物也有抑制作用，因此硒的生物无机化学日益成为一个活跃的研究领域。,（,2,）,化学元素的相互作用,3,）配合作用,人体的必需微量元素大多属于过渡金属元素,它们结构相近，性质相似，易形成配合物。,生物配体主要有水分子等小分子和肽、氨基酸、蛋白质、糖、维生素、生物碱等生物大分子。有毒金属进入人体后,与蛋白质、核酸等生物大分子的配位基团结合,形成配合物。,解毒剂必须是一种更强的配位剂,才能把有毒金属从生物大分子的成键部位替换出来。因此,有效的解毒剂必需能与有毒金属形成稳定的配合物,即配合物具有足够高的稳定常数。,1.2.2,化学反应与生命过程,20,世纪以来，研究生命的有关科学相继进入分子水平。现代科学证明，在活的细胞中除去水分后，约有,90%,是蛋白质、核酸、糖、脂四类大分子，其中又以蛋白质和核酸最为重要。,生物体蛋白质由,20,种氨基酸组成。对核酸代谢的催化、新陈代谢的调节控制，以及高等动物的记忆、识别机能等起重要作用。核酸是由碱基、戊糖、磷酸组成。根据核酸中所含戊糖不同，可将核酸分成核糖核酸,(,RNA,),和脱氧核糖核酸,(,DNA,),。核酸控制蛋白质的合成，决定蛋白质的性质。,可以说，蛋白质和核酸两者互相依赖、互相作用，使生命体成为一个统一体。,（,1,）人体中的化学反应,1),氧化还原反应,人体内进行生物氧化需要人通过呼吸从空气中得到氧。平均每人每天大约需要,810,3,kJ,的能量来维持生命，这就需要,450L,氧气来氧化进食的食物。生物体在进化过程中发展氧载体。人体血红蛋白的活性部分是血红素含铁辅基,铁,(),在辅基中央,它可以与其他,6,个配位原子相结合，其中,4,个配位氮原子在血红素平面上。血红蛋白具有输送氧气的功能，人们通过呼吸把空气吸到肺部,血红素含,Fe(),辅基从肺气泡中把氧络合在,Fe(),上载走，然而输送给肌红蛋白分子和其他需要氧气的细胞和部位。氧分子又从,Fe(),上解离出来与生物有机分子发生生物氧化反应。血红蛋白载氧效率很高,室温下人体每,1L,血液可含氧,200cm,3,血液中氧的浓度达,9,10,-3,molL,-1,，相比之下血液载氧是水的,30,倍。,2,）催化反应与酶催化,人体中的化学反应大多都是在催化作用下完成的。,催化剂特点：,（,1,）能改变化学反应的速率,而不影响化学反应平衡。,（,2,）有选择性,一种催化剂只能催化某一种化学反应。酶就是一种特殊类型的催化剂，能促使反应加速进行。如果一个酶促反应,5,秒钟就可以完成，在无酶情况下则需要,1500,年，通过酶的这种巨大效应才使得生命过程正常进行。,人体内有数千种化学反应,科学家已经发现人体中有,2000,多种酶,每一种酶只能催化一种化学反应。酶是生物催化剂，生物体代谢过程中的化学反应几乎都在酶的催化下进行。,（,1,）人体中的化学反应,3),配位反应,微量元素作为配合物的中心原子，对生理代谢和生命过程起到调控作用。同时又具有化学反应特点。生物体系的化学反应因发生与生物体内而有其特殊性,使生物体内系成为活的体系。生物大分子的折叠卷曲使几个线性距离较远的特定的配位基团靠拢，与中心离子形成配合物，其构型是扭曲的，有“张力”的，而且这样的配合物具有小分子配体所没有的性质。,例如，铜蓝蛋白具有电子传递功能。此外，由于大分子的柔性使某些特征（如亲水性）的侧链位于分子的外表面，形成适应外环境的分子外壳，使得大分子配体与微量金属离子形成的配合物与另一螯合剂的作用比两种小分子配体间竞争金属离子的情况要复杂的多。,（,1,）人体中的化学反应,4),表面化学反应,比如各种软组织和硬组织的表面，细胞表面以及外源性的活性表面（如吸入的粉尘）和惰性表面（如植入的金属）上，都可能和与其接触的体内物质发生特殊反应。,例如，矿化是在生物体内常见的重要表面过程。另外，细胞膜（壁）表面配合物的形成也是一种特殊的生物表面反应，这种反应往往有很高的特异性。例如，铂嘧啶蓝可与癌细胞表面上某种物质发生特异性结合。柠檬酸铝对细胞膜有保护作用，能使细胞不易受损伤，这种作用可以用于矽肺的防治，其机制可能是铝与细胞内磷脂部分结合。,（,1,）人体中的化学反应,5),电化学反应,细胞膜特点是内外表面不对称，膜脂分子有亲水和亲油结构，细胞膜内表面吸附阴离子（磷酸根）多，外表面吸附阳离子（钠）多，因此产生,80mV,的膜电位。膜电位可通过两种方式变化，分别引起梯度电位和动作电位。梯度电位是指静止电位的波动，有兴奋性和抑制性两种情况，兴奋性使,Na,+,的膜渗透性增加，进入细胞内液，降低了膜内、外的离子浓度差别，使膜去极化；而抑制性使,Cl,-,进入细胞内，膜电位增加，可抵消或减弱兴奋状态；动作电位是指电位的突然和重大波动，此时由于,Na,+,突然渗入膜内而使极性倒转，继而,K,+,渗出膜外恢复静止电位，呈电脉冲，这个过程历时,5ms,，动作电位是扩散的，并且在扩散过程中强度，速率不变。,（,1,）人体中的化学反应,（,2,）化学反应与生命过程,人体所发生的化学变化必须相互协调才能维持生命活动。这种协调作用必须依靠神经系统，尤其是大脑皮质。大脑皮质通过神经和激素来影响器官的活动，而器官的活动基础是物质和能量的改变，也就是化学变化。所以，大脑皮质对器官的调节实际上就是调节其化学变化。生命的演变离不开化学变化。,人体中的化学反应广泛参与各种生命过程，如在人体内的物质输送、信息传递、生物催化和能量转换等方面都起着十分重要的作用。,实际上生命过程本身就是一个化学反应过程。没有化学变化就不会有生命，更不会有人类，人类的生存和繁衍更靠化学反应来维持,一旦通过化学反应的平衡状态被扰乱，人体的健康也就受到影响。,1.2.3,化学对生命健康的影响,从,20,世纪初开始，对糖、血红素、叶绿素、维生素等的化学结构与合成研究多次获得诺贝尔化学奖。,1)1955,年维尼奥因合成多肽激素催产素和加压素。,2)1958,年桑格因对蛋白质特别是牛胰岛素分子结构测定。,3)1960,年肯德鲁和佩鲁兹利用,x,射线衍射成功地测定了鲸肌红蛋白和马血红蛋白的空间结构,揭示了蛋白质分子的肽链螺旋区和非螺旋区之间还存在三维空间的不同排布方式,阐明了二硫键在形成这种三维排布方式中所起的作用，获得了,1962,年诺贝尔化学奖。,4)1980,年伯格、桑格和吉尔伯特因在,DNA,分裂和重组、,DNA,测序以及现代基因工程学。,5)1982,年克卢格因发明“像重组”技术和揭示病毒和细胞内遗传物质的结构。,6)1984,年梅里菲尔德因发明多肽固相合成技术。,1989,年切赫和奥尔特曼因发现核酶。,7)1993,年史密斯因发明寡核苷酸定点诱变法以及穆利斯因发明多聚酶链式反应技术。,8)1997,年斯科因发现了维持细胞中,Na,+,和,K,+,浓度平衡的酶及有关机理、博耶和沃克尔因揭示能量分子,ATP,形成过程。,（,1,）化学与生命科学,（,2,）化学与健康,20,世纪初，分子结构和药理作用的深入研究，药物化学迅速发展，并成为化学学科一个重要领域。,1909,年德国化学家艾里希合成出了治疗梅毒的特效药物。,20,世纪,30,年代以来化学家从染料出发，开发了系列药物，使许多细菌性传染病（肺炎、流行性脑炎、细菌性痢疾等）长期危害人类健康和生命的疾病得到控制。青霉素、链霉素、金霉素、氯霉素、头孢菌素等抗生素的发明，为人类的健康做出了巨大贡献。,据不完全统计，,20,世纪化学家通过合成、半合成或从动植物、微生物中提取而得到的临床有效的化学药物超过,2,万种，常用的就有,1000,余种，而且这个数目还在快速增加。,1.2.3,化学对生命健康的影响,（,2,）化学与健康,在医药方面外，化学还在其他方面与生命健康具有密切的联系。随着社会的快速发展，大量的化学用品正在以前所未有的速度进入人们的视野。化学品的使用不但促进了社会文明的进步，使人们的生活丰富多彩，而且也为人类预防疾病、保障健康发挥了重要作用。,如何预防人们因使用化学品而产生的健康危害，不仅是广大群众需要了解的知识，更是与化学研究有关的工作者深入探讨的课题。,1.2.3,化学对生命健康的影响,但是，我们也应该面对这样一个现实：,讨 论 题,1,、化学在社会发展中具有怎样的作用？,2,、人体中的化学反应有哪些？举例说明。,