生物学中的化学.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,化学是一门承上启下的中心科学。科学可按照它的研究对象由简单到复杂的程度分为上游、中游和下游。数学、物理学是上游,化学是中游,生命、材料、环境等朝阳科学是下游。上游科学研究的对象比较简单,但研究的深度很深。下游科学的研究对象比较复杂,除了用本门科学的方法以外,如果借用上游科学的理论和方法,往往可收事半功倍之效。化学是中心科学,是从上游到下游的必经之地,永远不会像有些人估计的那样将要在物理学与生物学的夹缝中逐渐消亡。,报刊上常说20世纪发明了六大技术:,包括无线电、半导体、芯片、集成电路、计算机、通讯和网络等的信息技术;基因重组、克隆和生物芯片等生物技术;核科学和核武器技术;航空航天和导弹技术;激光技术;纳米技术。,还有一个重要的技术：,化学合成(包括分离技术,化学与八大朝阳科学之间产生了许多重要的交叉学科,但化学家非常谦虚,在交叉学科中放弃冠名权。例如“生物化学”被称为“分子生物学”,“生物大分子的结构化学”被称为“结构生物学”,“生物大分子的物理化学”被称为“生物物理学”,“固体化学”被称为“凝聚态物理学”,溶液理论、胶体化学被称为“软物质物理学”,量子化学被称为“原子分子物理学”等。,21世纪生物学的重大难题和奋斗目标：,后基因组学和人类疾病的消除。,蛋白质组学。脑科学。生物如何进化？生命如何起源等。,这一切的发展离不开化学科学的发展与同行。,生命现象的化学机理,充分认识和彻底了解人类和生物的生命运动的化学机理，是21世纪化学亟待解决的重大难题。(1)研究配体小分子和受体生物大分子相互作用的机理，这是药物设计的基础。(2)化学遗传学为哈佛大学化学教授,Schreiber,所创建。他的小组合成某些小分子，使之与蛋白质结合，并改变蛋白质的功能，例如使某些蛋白酶的功能关闭。这些方法使得研究者们不通过改变产生某一蛋白质的基因密码就可以研究它们的功能，为开创化学蛋白质组学，化学基因组学(与生物学家以改变基因密码来研究的方法不同)奠定基础。(3)搞清楚光合作用、生物固氮作用，以及牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理，为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。,(4)人类的大脑是用“泛分子”组装成的最精巧的计算机。如何彻底了解大脑的结构和功能将是21世纪的脑科学、生物学、化学、物理学、信息和认知科学等交叉学科共同来解决的难题。(5)了解活体内信息分子的运动规律和生理调控的化学机理。(6)了解从化学进化到手性和生命起源的飞跃过程。(7)如何实现从生物分子(,biomolecules),到分子生命(,molecular life),的飞跃？如何制造活的分子(,Make life)，,跨越从化学进化到生物进化的鸿沟。(8)研究复杂、开放、非平衡的生命系统的热力学，耗散和混沌状态，分形现象等非线形科学问题。,课程考察,医学论文写作要求方法和体裁,1医学论文的基本要求,1,1,创新性医学论文的创新性是指文章要有新意，论文有无创新，选题是关键。,理论,创新：,理论,方面的选题应有创新见解；,应用创新：如李斯特运用了巴斯德关于微生物的发现提出了手术中的消毒措施，挽救了许多病人的生命。,方法创新：还包括研究方法方面的改进或突破；,1,2,科学,性医学论文是临床和医学科学研究工作的客观反映，其写作的具体,内容,应该是取材客观真实、主题揭示本质、科研设计合理、论证科学严谨、表达逻辑性强、经过实践检验。所以，严格遵守选题的科学性原则，是医学论文写作的生命。,1.3可行性所谓选题的可行性，是指能够充分发挥作者的综合条件和可以胜任及如期完成医学论文写作的把握程度。选题切忌好高鹜远，脱离实际，但也不应过低，影响主客观的正常发挥，降低了医学论文的水平。,1.4实用性撰写医学论文的目的是为了交流及应用。要从实际出发，选择够指导科研、指导临床、造福人类的主题，因此，选题的实用性尤为重要。,创新性,原则是灵魂，,科学性,原则是基础，,可行性,原则是保证。,2,科研如何创新,知识创新都有前因后果，来龙去脉。故而勤奋学习，建立知识框架，积累深厚基础；加上追根到底，万事逼问为什么的好奇心，就是创新的源泉。前者是学，后者是问。学而不问则殆，问而不学则茫。学而问，问而思，思而行，行而果，这就是创新。,如果你梦想要做一个科学家，那么勤奋学习就是实现你的梦想之“舟”。但舟有快如宇航飞机，慢如蜗牛。所以勤奋必须是高效率的勤奋，不要去做“磨擦生热”的“无用功”，更不要做“负功”。,在科学研究中常常会遇到“山穷水尽疑无路”时，粗心大意的人很容易放过这种机遇。只有具有敏锐眼光和扎实基础的科学家才能抓住它，取得重大的突破。,实际的学科基础是金字塔，有比较广的知识，但是又要有塔尖，有高度，也就是你的专业知识高度。但是一条竹竿是站不直的，所以你除了“高”，还要有一些“宽”。,3医学论文的一般体裁,3.1实验研究,3.2临床分析对临床上某种疾病病例（百例以上为佳）,3.3疗效观察,3.4病例报告,3.5病例（理）讨论,3.6调查报告,3.7文献综述以某一专题为中心，查阅、收集大量国内外近期的原始医学文献，经过理解、分析、归纳、整理而写出综述，以反映出该专题的历史、现状、最新进展及发展趋势等情况，并做出初步的评论和建议。,3.8专题讲座,作业,一、主题：在生物学与化学结合的领域，选取一个明确的主题，进行文献综述。,二、正文：最少2000字，增加一名作者，增加1000字，最多5000字，即4人合作。需要言之有理，自成体系。,三、参考资料：最少3篇，增加一名作者，增加一篇参考资料。,四、可使用百度、,Google,等搜索引擎进行主题搜索，进行综合。,五、使用,word,文档编辑。,六、时间：截止200,9,年12月30日,第一讲,元素、生物学中重要的小分子,第二讲,生物体内的一些金属,第三讲,化学热力学与动力学,第四讲,生物分离技术与分子鉴定,第五讲,生物分子的化学合成,第六讲,谱学,第一讲,元素、生物学中重要,的小分子,1.元素,1.1 元素周期律,原子结构：,原子由含质子和中子的原子核以及包围在原子核外的电子组成。,原子轨道：,围绕原子核运动的电子所占据的空间区域，如：1,s、2s、2p、3p、4d、5f；,字母表明轨道的形状，数字表示电子层。,周期性：,元素的性质如价态和电负性随原子序数的变化呈现规则性的变化。,1.2 电子排布,能量最低原理：,电子在原子或分子轨道上的排列叫做电子排布。应最先排满最低能量的轨道。,保里不相容原理：,每个轨道最多排布两个电子，且自旋相反。,洪特规则：,当电子层具有两个及以上简并轨道时，电子将分别占据轨道直到半充满轨道。,1.3 同位素,1.3.1 定义：,具有相同的质子数而中子数不同的原子互称同位素。,1.3.2 摩尔：,一摩尔任何元素或者化合物含有的基本单位数与12.0000克碳-12所含有的原子数目相等。,1.3.3 稳定同位素：,在通常条件下不转变为别的元素类型。,1.3.4 放射性同位素：,是易分解的原子，共有一千几百种，绝大多数为人工合成。,1.3.5,放射性,(,radioactivity)：,不稳定原子核自发发射出,、,和,射线的现象,。,可分为“天然放射性”和“人工放射性”,。,放射性在工业、农业和医疗方面的应用具有极重要的价值和广阔的前途,。1896年法国物理学家,H,贝可勒尔发现铀的放射性，以及1898年,M,居里和,P,居里发现钋和镭。,1.3.6,放射系(,radioactive series)：,自然界存在的放射性核素大多具有多代母子体衰变过程,，,它们经过多代子体放射性核素最后衰变生成稳定核素，这一过程中发生的一系列核反应被称之为放射系,。,自然界存在铀系、钍系和锕系三大天然放射系,。,1.3.7,衰变的位移定则：,衰变中，子核在元素周期表中的位置左移,2,格的反应。,1.3.8,衰变的位移定则：,衰变中，子核在元素周期表中的位置右移,1,格的反应。,1.3.9,衰变的位移定则：,射线经常伴随与天然放射性同位素,衰变放射,粒子、,粒子的同时产生。,射线没有质量和电荷,，因此，具有高穿透性和危害性，子核在元素周期表中的位置不变。,1.3.10,单位与测量,：,放射性活度,的,SI,单位是贝可（,Bq）,，,即每秒钟的衰变数（,dps）。,旧的放射性活度单位是居里（,Ci），1 Ci=3.7,10,10,Bq，,1 Ci,活度的样品非常强。一般用毫居里（,mCi,或,10,-3,Ci,）。该单位仍用于医疗服务和研究实验中。,辐射吸收剂量,的,SI,单位是戈瑞（,Gy）。1Gy,被定义为每,kg,组织吸收1焦耳能量。旧的单位是拉德（,rad），100rad=1Gy。,剂量计：,胶片剂量计、盖革计数器、闪烁计数器等都可以用于测定放射性。,胶片（感光）剂量计（,dosifilm）：,常用剂量计。其感光胶片因射线辐射而模糊，且模糊的程度与曝光量直接相关。,100%,的衰变无法检测，实际上每分钟衰变量是如下给出的：,dpm=cpm（counts per minute,次数分,）,效率百分数，,3,H,的效率百分数为35%，,14,C,为80%。,例：活度为,1Cimol,-1,的,3,H-,苯丙氨酸被用于合成一个蛋白质，闪烁计数器测出1,mg,蛋白质的数值为4500,cpm，,那么该蛋白质中含有的苯丙氨酸量可如下求得：,4500,cpm,35%=12857,dpm,12857,dpm 60=214 dps,214 dps,3.7,10,10,=5,.8,10,-9,Ci,活度=,1Cimol,-1,每毫克蛋白质中含有5,.8,10,-9,mol,3,H,标记的苯丙氨酸,盖革计数器：,含有一个装有两个电极的真空玻璃管，玻璃管内导入低压气体，进入管中的和有足够的能量使气体电离，然后测定形成的离子数。,闪烁计数器：,特定的物质如磷被离子化射线轰击时发出闪光，由闪光可得知接收的射线量，即放射性的计数。,1.3.11,射线危害和疾病,：,射线是有害的，它可以在生命体系中产生离子或自由基。它通过撞击原子中的电子而产生离子来实现这一过程，产生的离子和自由基能够和别的分子反应，如果这一反应是在细胞中，将导致基因突变以及随后的病变肿瘤生长。高能量的射线能够导致细胞死亡。,羟基的自由基,1.3.12,放射性同位素的用途,：,一、食品的放射性处理,许多国家允许在食品工业上使用离子化射线来延长易腐烂物品的保质期，低至1000,Gy,的辐射能够有效根除残留在作物上的任何昆虫并且减少储藏马铃薯发芽的倾向。,更强的辐射，如超过10000,Gy,的辐射可用于杀死肉和鱼类食品中的沙门氏菌，同样也可以用于防止软水果如山莓和草莓的发霉。,缺陷：费用、公众对食品上标有“放射化学保护”的介意。,二、生命科学中的分析工具,，原子示踪法的应用是显微镜发明以来医学史上最突出的成就，在医学科学中引起了划时代的变化，在现代临床诊断、治疗和基础医学研究中发挥重要作用,32,P：,用于,DNA,和,RNA,分子序列的常规分析。通过使用磷酸转移催化酶把,32,P,从原料分子转移到寡核苷酸链的3 或5端，,DNA,或,RNA,在另一种酶的作用下在特殊的位置被切割，所得的混合物通过聚丙烯酰胺凝胶电泳进行分析，利用自动凝胶发射检测装置对,32,P,标记的片段进行监测。照相底片对,射线的高敏感性意味只需要少量样品。,14,C：,半衰期是5730年，一般用于探测新陈代谢的途径和古化石的“年龄”。,三、放射性同位素在医学诊断上的用途,1、射线：,射线在医学诊断已有100多年。,X,射线可用于检查骨头和硬组织。另外一些放射性同位素也可应用于医学领域。锝-99是在医学上最常用的核素。,2、钴-60：,在20世纪50年代以前一直用作治疗癌症的放射源。它的半衰期是5.3年，放射出,射线和,射线。,3、碘-123：,用于检查甲状腺的功能，这也是碘在人体内的唯一应用。病人只要喝下含碘-123离子的水，在靠近甲状腺的皮肤上安装一个合适原监测器，就能测定到放射性核素所放射出的,射线，碘-123的半衰期为8天。目前它已被一种锝盐代替，锝盐的半衰期为6小时，使用起来更安全。,4、碘-131：,与碘-123相似，但在发射,射线的同时还放射出非常危险的,射线，因此只用于治疗甲状腺癌。,5、镓-67：,半衰期78小时，作为,射线源可用于诊断霍奇金病。,2.1,水,水是地球上数量最多的化合物之一，达,1.410,18,m,3,，水和人们的生活、动植物的生长以及工农业的生产关系极为密切，人们对水的结构极为关注，进行了大量的研究。,当温度升高冰融化为水时，冰的空旷的氢键体系瓦解，变为堆积密度较大的水，另一方面，热膨胀又使水的密度下降，所以在熔点附近温度改变时，两种相反的因素使密度发生变化，导致水在,4,时具有最大密度。,2.,生物学中重要的小分子,冰,氢键结构图,冰的升华热较高（,51kJ.mol,-1,），约五分之一是由于一般范德华力，其余部分体现氢键的破裂。,冰的熔化热较低（,6kJ.mol,-1,），氢键破裂少。,水的比热高，为,4.184J.mol.g,-1,.K,-1,。,水的蒸发热较高（,40.63kJ.mol,-1,）。,H,+,、,OH,-,的淌度为离子中最大，其可由,H,2,O,的替换接力方式进行迁移。,使之非常适合于维持生命体系。如高热容可为恒温器，许多生理过程易受温度的影响。高介电常数，可溶解许多盐、酸、碱，导致生命体内物质繁多。,2.2,磷酸和磷酸盐,磷酸是三元酸，同时三个羟基可以成酯反应，如三磷酸腺苷（,ATP,）和二磷酸腺苷（,ADP,），,ATP,失去一个磷酸得到,ADP,，同时释放出能量。,在生命体内，磷酸根以磷酸钙的形式存在于骨头和牙齿中，使它们坚固。,糖原代谢：,ATP,的合成与分解,存在于核酸之中，能够将核糖环连接在另一个核苷上,第二讲,生物体内的一些金属,在距今约40亿年前的海洋中出现了地球生物的祖先单细胞，这就是生命的起源。究其原因，我们不难发现构成单细胞的物质并不稀有罕见。最近，对于宇宙外层空间物质的研究结果表明，其特性与构成生命的物质有着很多共同点。但是，并不是说在宇宙的任何地方都可能出现生命，条件是要有水的存在，而且水中必须溶有多种金属元素如铁、铜、锌、镁、锰、铝、钠等等。它们在生命的起源及发展中发挥着不可忽视的作用。海水中的钠、钙等元素是构成生物体的重要成分，同时含量丰富的铁元素更是生命活动的催化剂，而汞、砷等有害物质则随着代谢排出体外。,日本学者曾做过一个有趣的实验，他按照海水中各种金属元素浓度比例的100倍制成人工海水，以加速反应速度。结果虽然没有得到真正意义上的生命体，却在人工海水中发现了构成生物体的,DNA、,蛋白质以及脂肪等基本物质,而且观察到了含有生命物质、附有外膜的微粒。但是，至于微粒如何象细胞一样分裂增殖则尚未有定论。,生物是离不开金属的，金属与生物究竞有着什么样的千丝万缕的关系，很多人都难以叙说清楚。可以这样说，生物对金属有着依赖作用，整个生命的新陈代谢作用是离不开金属参与的。生物通过含有金属的酶、激素、维生素进行系统的或部分的光合作用。,生物中所含金属，以陆地生物计，每年的金属周转量有70008000 万吨，其中包括3000 多万吨铁，30004000 吨锰，800 万吨锌，170 万吨铜，5000 吨铅，还有几万吨的铬、镍、钴、钼等金属元素。,人和其他生物都是离不开金属的，人身体内一旦金属供给过量或不足，都会造成很大的危害。比如人体中铅的含量过低，就会引起冠心病，硒的含量过低会使肝功能失调，小孩不愿吃食那一定是含锌过低的缘故。镉元素增多了会出现高血压，缺钼和硒会产生克山病等等，真是五花八门。而土壤也是一样，缺铜能引起农作物收成减少；饲料中缺钴会使家禽发病率上升，如此等等，不胜枚举。总之，金属与生物的关系是如胶似漆，互相依存，又是互相制约的，经常要调节金属在生物中间的平衡，倘若一旦失调就会引起麻烦。,金属元素在整个生命体系中起着重要的作用，已知25种元素为生命体所必需。金属离子与核酸、蛋白质等生物大分子的作用以及对神经系统不正常的影响可以直接或间接地损伤,DNA，,从而引起细胞的变异；同样金属配合物又可以用于治疗和诊断疾病,。,这无疑引起了众多化学家、生物学家和医学家的广泛兴趣。正因为如此，世界各国投入大量人力、物力来研究金属在生命过程、医学甚至环境中的作用。,必需元素：,O,、,C,、,H,、,N,、,Ca,、,P,、,S,、,K,、,Na,、,Cl,、,Mg,、,Fe,、,Zn,、,F,、,I,、,Mn,、,Ni,、,Cr,、,Sr,、,Mo,、,Co,、,V,、,Se,、,Cu,、,Sn,；,有益元素：,Rb,、,Si,、,B,、,As*,；,沾染元素：,Ba,、,Ti,、,Nb,、,Zr,、,La,、,Ru,、,Cs,；,有害元素：,Bi,、,Sb,、,Cd,、,Ti,、,Pb*,、,Hg*,、,U,。,1、2001年美国,NIH,特别设立一个“金属在医学中的应用(,metal in medicine)”,的大课题，其宗旨是鼓励无机化学家和分子生物学家的密切合作，也纠正在这方面的投资不足。,2、而欧共体更是联合欧洲的科学家在1996年即开始这一类综合性课题的研究，例如，金属在医学中的应用(,D8)；,镧系元素用于医疗诊断和治疗(,D18)；,金属化合物用于治疗癌症和病毒感染(,D20)；,金属酶和生物模拟(,D21)。,3、,日本政府也投入大量资金组织200余名科学家从事这方面的研究，其部分研究成果在生物无机化学杂志(,Journal of Inorganic Biochemistry),上以特刊登载。,金属在生命活动中的作用,金属最大的特征就是失去电子成为带正电荷的离子。因此存在于生物体液中的是各种形式的金属离子，它们能与生物分子产生各种键合作用，从而在生物体内承担各种各样的功能，如电子转移、载氧、酶的活性中心等。体内金属离子过多或过少都将导致人体正常生理功能的紊乱，从而引起各种各样的疾病。大量实验资料表明，铁、铜、锰、锌等过渡金属离子是重要的神经化学因子，它们不正常的代谢与神经系统的疾病紧密相关，如早期老年痴呆症,，,家族肌萎性脊髓侧索硬化症和疯牛病或克雅氏症。,无机化学和神经科学已密不可分。,Ashley Bush(,阿什利,布什,),所说，大脑是一个聚集了大量金属离子的器官，其中最为重要的就是铁、铜、锌和锰。他还指出，现在进入了一个奇妙的时代，神经科学家们要先学好基本的无机化学和氧化学知识，再结合分子生物学和蛋白质化学的知识去研究那些不正常的金属与蛋白质的相互作用，最终找到神经性疾病的起源。,1.,轻过渡金属,1.1,化学与物理性质,生命科学上具有重要意义在于其具有各种可变的氧化态和催化活性。,生成络合物：以六配体，围绕中心离子呈八面体。,多种氧化态：在电离中仅需要少量的电离能。,1.2,必需元素的相对丰度,必需金属有铁、钴、锌、铜、钒、铬、锰、镍和钼。,只有四种含量丰富但是与生命活动联系不太密切的元素：硅、铝、钛和锆。,钼丰度较低外，均为相对丰度较高的金属，说明地球上的生物已进化到利用相对丰富的元素。,例如：温泉水出口处，生命体能在含被过热水从周围岩石溶解下来的浓度极高的铁、铜和锌的环境中生存。,1.3,卟啉络合物,卟啉环是一个含四个吡咯环的大环体系，吡咯环彼此间由一个碳原子相连。,芳香性,四个氮原子参与金属的络合,能够接受两个氢原子形成二酸,失去两个氢原子形成二元阴离子，特别重要，因为所需要的金属离子一般带两个正电荷。,卟啉环中间的空穴恰好能够容纳所有的第一过渡系元素，镍原子太小，会使平面型的大环变形。如金属原子太大，它将位于环平面的上方，一般过渡元素生成六配体络合物，因此在卟啉环的上面和下面分别在一个配体。,2.,铁,人体正常含铁量为3-4,g，60%,以血红蛋白的形式存在，其余一般储存在细胞中。铁是血红蛋白、肌红蛋白和细胞色素的组成部分。铁在人体新陈代谢过程中起着非常重要的作用，它直接参与氧的运输与储存。缺铁将导致免疫功能下降，人体吸收的铁过量或铁平衡紊乱将使其沉积在肝脏、胰腺、心脏和皮肤从而引起血色病(血色素沉积)、肝功能异常、心肌损伤和糖尿病。,目前，铁在神经系统中的作用也引起人们的关注。如早期老年痴呆症(,AD),就是由于淀粉样蛋白的蛋白质聚合与具有氧化活性的铁离子(,Fe,3+,)(,也可为铜离子)发生不正常的反应，产生一些具有更高氧化活性的物质，造成蛋白质的氧化变性和沉淀，从而引起病变，尽管其机制仍是个谜。,2.1,铁蛋白,铁在三种氧化态，最稳定的是+3价。在生物体内以一种称之为铁蛋白的氢氧化铁颗粒形成储存。这些颗粒被一层蛋白质外壳包围，只有在需要时才被利用。,在高等动物体内由一种叫转铁蛋白的蛋白质通过血液运输。,在微生物中，铁的溶解和运输是由一种叫铁载体的低分子蛋白质来执行。,2.2,血红素蛋白,细胞色素,a、b、c：,血红素基团与一条多肽链相连并包裹，铁位于卟啉环中，第五、六个络合位点则被组氨酸的氮及半胱氨酸上的硫（来自多肽链）占据。,不同的细胞色素，分布在一个范围里，形成一个在光合作用和呼吸作用所需的特殊电子传递系统，由于电势不同，电子从,b,到,c,再到,a，,而后释放氧分子。,血红蛋白和肌红蛋白：,铁的价态为+2价,六个络合位点中卟啉环4个，蛋白链中组氨酸的氮1个，余下的可与氧、水、,CO、NO,结合,卟啉的吡咯环不与蛋白质相连,血红蛋白是四聚体，四个球蛋白的多肽链各有血红素基团，与氧的结合与释放协同进行,铁硫白：并非所有的含铁蛋白均为金属卟啉类，红氧还蛋白和铁氧还蛋白是存在于植物和光合细菌中的铁硫蛋白，其铁硫簇包括铁和半胱氨酸残基,（,a）,细菌红氧还蛋白；（,b）,光合作用铁氧还蛋白；（,c）,立方型铁氧还蛋白（,S，,无机硫）,空气中的氧气和水分遇到铁，就会进行氧化还原反应，使铁生锈。人体里也有氧和水，为什么身体中的铁不会生锈呢？,人体内的铁原子受到血红蛋白的保护，不会与氧发生反应而生锈。但是，当人体里的红血球细胞死亡后，铁原子失去了保护，也有生锈的机会。,人体里有一种抗锈蚀的蛋白质,铁朊。它们成束地聚集在一起，形成一只只空心的蛋白球，犹如一个小仓库，里面贮存着四五十个铁原子，不让这些铁原子与氧在一起。等到需要铁原子的进修，才让它出来，同其他成分一起，重新组成新的红血球细胞。铁朊蛋白在人体里的“防锈”作用很重要。一旦铁朊有了故障，肾脏有可能被铁锈阻塞，危及生命安全。科学家正研究“防锈”蛋白,铁朊，如果研究成功，就能帮助解决海水中的钢材腐蚀问题。,4.,镁和锰,4.1,叶绿素,a、b,一个修饰的卟啉环，空穴较小，容纳镁离子，吸收电磁波中可见光区域附近的光线。,光合作用有两个主要部分：光系统,和光系统,，叶绿素吸收光后，能量传递到光系统，产生一个很强的还原剂和一个比较强的氧化剂。在光系统中，能量传递产生一种更强的氧化剂（负责分子氧的生成）和一种较弱的还原剂,4.2,镁的生理作用,1,、镁是,200,多种酶的激活剂，主要存在于线粒体中。,糖酵解是生物体内广泛发生的一个生化反应，它包括葡萄糖转化为丙酮酸盐的一系列反应，同时伴随,ATP,的生成。,糖酵解的第一步是葡萄糖的磷酸化，在作为磷源的,ATP,和己糖激酶作用下，磷酸化得以进行，另一个必需条件是二价金属离子的存在，通常需要镁离子与三磷酸链上的氧作用，消弱磷氧键。,2,、镁对心血管的影响,镁具有兴奋心肌线粒体氧化磷酸化作用，并对心肌细胞中,ATP,酶具有激活作用，如在心肌纤维舒张过程中细胞膜对钾的主动摄入靠,ATP,释放的能量来维持，而促进能量释放的,ATP,酶靠镁来激活，故缺镁时由于,ATP,酶活性降低，影响钾的主动运转，导致心肌细胞内缺钾，结果钠钾泵作用明显减弱或钠钾交换中断，心肌或传导系统的膜静止电位升高，激动的差异传导成折返激动引起心律失常。,4.3,光全作用的锰,光系统中包含更强的氧化剂为,P680,+,，,其中,P,代表,Pigment（,色素），680是吸收光的波长（红光区，故植物为绿色），,+,为正电荷。,P680,+,与水裂解酶（,Z）,作用，从水分子中获取电子，产生氧气。水裂解酶含锰，锰体系起电荷收集器的作用，产生氧并避免生成有害的还原产物。,锰多以二价形式存在于各种金属蛋白和金属酶中，人体肝脏、骨骼和垂体中锰含量较高。锰与人体生化代谢有着密切的关系，人体缺锰主要表现为生长发育迟缓，体重减轻和低胆固醇症，并且可引起骨骼畸形。人体大量摄取锰后则表现为动作迟缓、食欲减退、平衡失调、运动障碍等症状。,5.,钴和钼,5.1,维生素,B,12,恶性贫血是因为肠壁不能吸收维生素,B,12,导致的疾病。能够发生一个或两个电子的还原反应，生成,Co（,）,和,Co（,）,。烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（,NADH）,和黄素腺嘌呤二核苷酸（,FAD）,可以完成这些还原反应。,5.2,钼与黄嘌呤氧化,在嘌呤代谢中，腺嘌呤与鸟嘌呤经黄嘌呤降解为尿酸，在黄嘌呤氧化酶的催化下完成，该酶很大，分子量约为300,k，,结构复杂，含有两个钼原子，四个,Fe,2,S,2,簇和两个黄素腺嘌呤二核苷酸（,FAD），,在氧化过程中，钼从+6价转变为+4价，电子传递从黄嘌呤到钼，再到,Fe,2,S,2,，,到,FAD，,然后传给分子氧。,5.3,钼与固氮,固氮酶是细菌固氮过程中的一种酶。由两条蛋白链组成，低分子量的蛋白包含一个,Fe,4,S,4,簇，另一个较大的蛋白本身是一个四聚体，它含有两个钼原子及大量的铁原子和硫离子。这两个蛋白都是必需的。尽管铁硫簇被认为是氧化还原中心，钼却是极其重要的，在氧化钨（,）存在下生长的细菌，由于摄入了钨而没有固氮能力。,6.铜,人体中铜的含量约为80,mg，,主要以铜一蛋白质复合物形式存在。铜可以影响铁的代谢及造血功能，影响中枢神经系统，并对骨骼及结缔组织代谢、能量代谢、心血管系统、毛发、皮肤和内分泌产生影响。铜缺乏可严重影响儿童大脑发育而导致门凯氏病(,Menkes disease)，,又名卷发综合症，其原因就是肠和肾上皮细胞对铜的吸收受到损害导致铜代谢紊乱而缺铜。而由铜积累引起的威尔逊病(,Wilson disease),则是由于铜在转运中铜中毒所致,。,大量的铜积累在肝脏和脑中，而胆汁排泄铜失调，使得铜最终积累在脑、肾、角膜等器官。患者表现出动作失调、进行性精神障碍和肝肾损害等症状。,近几年来风靡英国的疯牛病(,Prion disease),则是由于铜离子导致的神经毒性而引起的。,Prion,蛋白,(,朊病毒、朊蛋白、朊毒体、锯蛋白、朊粒等,),中重复出现的每一段序列(,PHGGGWGQ),是,螺旋结构,，,当它与铜离子结合后引起二级结构发生转变，成为,折叠片，因而聚集成,PrP,sc,。,PrP,sc,蛋白聚集引起病变并带有传染性。在机体中沉积至一定程度,即可引起人和动物的传染性海绵状脑病,(transmissible spongiform encephalopathy,，,TSE).,其主要的病理特点是：神经元变性、消解，形成脑实质多孔性泡化；星形胶质长纤维细胞增生，形成淀粉样斑块等。其发病机制至今尚未完全阐明。目前认为：铜离子在疯牛病的发病机理中扮演着至关重要的角色。铜离子及其它金属离子在蛋白质折叠中所起的作用以及某些情况下如何诱导蛋白质变性(淀粉样)和聚合是未来应予重视的研究领域。,7.锌,锌参与细胞的所有代谢过程，它与300多种酶的活性有关。锌离子为锌指蛋白(,zinc finger),提供分子结构框架，在细胞核内起调节基因的功能。锌有助于促进生长发育，还起着维持味觉和嗅觉、维持中枢神经系统功能、提高免疫功能、促进伤口和溃疡愈合等作用。锌缺乏可导致生长发育停滞，引起侏儒症、小儿厌食症、脑血管疾病、偏头痛、胃及十二指肠溃疡等一系列疾病，也是糖尿病的病因之一。当人体内锌过量则可引起头晕、呕吐、腹泻等症状。,8.,金属用于治疗各种疾病,由于金属离子起着维持人体正常生理功能的作用，是各种蛋白或酶的活性中心，过多或过少的金属离子都将打乱正常的生理平衡。因此，药物化学家们将精力主要集中在两个方面：一方面如何将偶然进入体内多余的有毒金属离子排出体外；另一方面又如何有效地把有益的金属离子(尽管这些离子可能是非必需的)引入体内，从而达到治疗和诊断疾病的目的。近几十年来，已有多种含金属离子的无机药物问世，对治疗各种疾病起到了良好的作用。,8.1,铂配合物抗癌药物,1965年,Rosenberg,偶然发现顺二氯二氨合铂(,cisDDP，,又称顺铂)对大肠杆菌的分裂有抑制作用，并于1969年首次报道了顺铂具有很强的抗癌活性。目前，顺铂以及第二代药物碳铂(,carboplatin),已成为重要的抗癌药物，广泛应用于各种癌症的治疗。研究表明，顺铂具有抗癌活性主要是由于它能够使癌细胞,DNA,复制发生障碍而抑制癌细胞的分裂,。,铂类配合物抗癌药物的成功用于临床治疗，也为非铂类抗癌药物的研究和发展提供了广阔前景，有效弥补了对抗铂肿瘤的治疗不足。其中最引人关注的就是含钛化合物氯化钛茂(,Cl,2,Cp,2,Ti，Cp,为环戊二烯)和钌的化合物(,trans,-,Ru()Cl,4,(DMSO)Im)。,顺铂在临床上的成功应用也大大促进了生物无机化学的迅猛发展。自1999年以来还有专门的书籍和几种著名刊物以特刊的形式来强调无机药物化学的重要性。,8.2 锂与抗抑郁药物,锂元素早在1817年就被人类发现，但作为药物为人类利用却是近5,0,年的事情。锂对人体中枢神经系统的作用是很明显的，锂盐对于改善和稳定情绪及防止精神分裂症是有效的，它还能改善幻觉和妄想等分裂症的阳性症状,。,锂不仅可以在脑细胞中活动，消除不良情绪，而且它可在病毒复制、细胞信号、细胞调节和免疫应答中起重要作用。目前，锂的碳酸盐(,Li,2,CO,3,),和柠檬酸盐已广泛应用于精神失常的预防和治疗。还有报道称锂对治疗病毒性疾病、梅毒、爱滋病等亦有效果。锂的作用机制的研究有赖于更灵敏的分析方法，从而可以测定锂在脑组织中的分布。,8.3 银用作严重烧伤时抗菌剂,银及其化合物作为抗菌剂已有很长的历史。在低浓度下银有很强的活性，并且具有低毒的性能。1965年，,Moyer,研究发现硝酸银溶液(最低浓度可至0.5%)对葡萄状球菌、链状球菌、假单胞菌等有抗菌活性。而用途最为广泛的当数磺胺嘧啶银,，,它作为一种抗菌剂被广泛用于严重烧伤时的抗菌消毒以防止细菌感染。为了抑制覆盖烧伤病人近5,0%,表面的阴性革兰氏菌，有人曾经尝试用磺胺嘧啶银和硝酸铈联合使用，但发现磺胺嘧啶银的抗菌效果仍然是最佳。有人认为磺胺嘧啶本身并不是一种有效的抗菌剂，而是协同银一起显示抗菌活性。磺胺嘧啶银的有效性表现在它可以不断地与血浆和其它含,NaC1,的体液反应而不断地在伤口缓慢释放出银离子。,8.4 砷化合物药物,砷是两性元素，它既是一种致癌物质，同时也是一种很好的抗癌药物。第一个真正的现代药物就是砷的化合物胂凡钠明(,arsenical salvarsan)，,俗称606，用来治疗梅毒和昏睡病(,sleeping sickness)，Paul Ehrlish,也因此获1908年的诺贝尔化学奖。砷也是中药中非常重要的矿物质，共有8种形式，中医临床几千年的历史证明它能够有效治疗各种疾病。最新研究发现，三氧化二砷是一种有效治疗白血病的药物,，,这也是从中医中的砷得到启发偶然发现的。临床试验表明，该药疗效极佳，对正常细胞影响较小，同时得到分子生物学的证实。该药已于2000年通过美国,FDA,的批准，随后也申请在欧洲使用。,砷作为端粒酶(,telomerase),的抑制剂可降低其活性从而染色体损伤，促使基因不稳定和致癌物质或细胞死亡,。,除砷以外，中药矿物中有很多金属离子，我们应当以此为鉴，有必要从分子和细胞水平上研究金属离子在中药及中药矿物中所起的作用，开发出更有效的药物。,8.5 金的药物,早在公元前2500年，我国就有以金作为各种药物和营养品的记载。但真正应用于临床却还是近7,O,年的事。目前，应用最广泛的是金的硫醇类化合物(如,Myocrisin),和含磷的金的口服药物用于治疗风湿性关节炎，它还被用于治疗牛皮癣和支气管炎,。,最新研究结果表明金的化合物具有抗癌和抗爱滋病的活性：,Au(damp)X,2,(X-C1，OAc,-,，,etc),显示出抗癌活性，,Au(CN),2,-,抑制,HIV,病毒的增殖等。同时也在开发治疗痢疾的新药(如,Au(pph,3,),-,CQ)。,这些势必成为今后最具有吸引力的领域。而对于金药物的作用机理还不十分清楚，主要是金在体内分布较分散，体内缺乏与金亲和力很强的作用靶点。,8.6 铋药物的新发展,铋的化合物被用作药物已近200年。1786年0,diet,最早记载内服铋用于治疗消化不良。1889年，,Balzer,发现铋可能是有用的抗梅毒药物，尤其是对付第三、四期梅毒特别有效。此外，它还可以用于治疗鼻黏膜炎以及高血压、皮肤病等。本世纪7,O,年代以后，铋药物在临床的应用得到迅猛发展。特别是发现了幽门螺杆菌(,Helicobacterpylori),以后，它是导致各种慢性胃炎、溃疡甚至胃癌的病原体，幽门螺杆菌基因组的测定为新型含铋药物的设计奠定了基础。,次水杨酸铋被用于治疗腹泻和消化不良。胶体次枸橼酸铋（丽珠得乐）被广泛应用于治疗胃溃疡和十二指肠溃疡，而且最近不断有新的铋剂用于临床。各种研究表明，铋剂治疗胃溃疡有两种机制：一是胶体次枸橼酸铋的高分子结构在胃中选择性地附着在溃疡表面可以形成一种保护性薄膜来阻止胃酸的侵蚀；二是部分在胃液中的铋可以进入幽门螺杆菌内抑制其生长，从而达到治疗的目的。,铋可以结合在蛋白质如铁传递蛋白和金属硫蛋白中铁或锌的位置，这些结合和其传输有关。此外，铋也可以用于放射性治疗，铋的化合物也可有效抑制癌细胞的生长。,第三讲,化学热力学与生物能学,3.1,新陈代谢的概念,生物大分子分解为,生物小分子,新陈代谢,合成代谢,（同化作用）,分解代谢,（异化作用）,生物小分子合成为,生物大分子,需要能量,释放能量,能量代谢,物质代谢,1.,由酶催化，反应条件温和。,2.,诸多反应有严格的顺序，彼此协调。,3.,对周围环境高度适应。,1.,活体内,(in vivo),与活体外实验,(in vitro),2.,同位素示踪,3.,代谢途径阻断,新陈代谢的研究方法,新陈代谢的共同特点：,一、,有关热力学的一些基本概念,（一）体系的概念、性质和状态,体系指的是在研究中所涉及的全部物质的总称。,环境是与体系直接相互作用的外界。,体系,环境,环境,+,体系,=“,宇宙”,3.2,生物能学,开放体系：,与环境进行物质交换和能量传递,封闭体系：,与环境有能量传递，无物质交换,隔离体系：,与环境无能量传递，无物质交换,体系的性质包括压力、体积、温度、组成、比热、表面张力等。,热力学用体系的性质描述一个体系所处的状态。,(二）能的两种形式-热与功,热是由于温差而产生的能量传递方式。热的传递伴随着质点的 无序运动。,功是体系与环境间另一种能量交换方式。任何一种功都伴随着体系质点的定向移动。这是一种有序的运动,。,热和功微观说明示意图,图（,a）,是某热力学体系在平衡态时的正常分布。,纵坐标,表示,能量,，若干水平线表示能级。,横坐标,表示,粒子数,，能级线段的长短表示粒子数的多少。,热和功微观说明示意图,当体系,吸热,时，高能级上的粒子数增多，低能级上粒子数减少，但能级未变，最后分布,如红线,所示。,体系,放热,时，情形刚好相反，,如兰线,所示。,热和功微观说明示意图,当,环境对体系作功,时，体系,能级升高,，而各能级上的粒子数未变，,如红线,所示，相当于分布图往上平移。,当,体系对外作功,时，则分布图将向下平移。,（三）内能和焓的概念,内能是体系内部质点能量的总和，用,U,或,E,表示。内能是体系状态的函数。,内能无法测量，内能的改变量可以测量。,焓也是体系的状态函数，用,H,表示。焓是一个体系的内能与其全部分子的压力和体积总变化之和。,焓变和内能变化之间