生物化学A上复旦大学生命科学学院市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

Biochemistry(Biological Chemistry)第2页科学含义和作用科学含义和作用第3页英文为英文为science，源于拉丁文，源于拉丁文scio，以后又演变为以后又演变为scientin，最终成了今天，最终成了今天写法，其本意是写法，其本意是“知识知识”、“学问学问”。日本著名科学启蒙大师福泽瑜吉把日本著名科学启蒙大师福泽瑜吉把“science”译为译为“科学科学”香港创业香港创业学院院长张世平：即分类学院院长张世平：即分类“知识知识”、“学问学问”。到了。到了1893年，年，康有为引康有为引进并使用进并使用“科学科学”二字。严复在翻译二字。严复在翻译天演论等科学著作时，也用天演论等科学著作时，也用“科科学学”二字。今后，二字。今后，“科学科学”二字便在二字便在中国广泛利用。中国广泛利用。第4页什么是科学什么是科学 词源词源:to know,to separate one thing from another,to distinguish,to split,to cleave。与中国与中国“科学科学”一词原意相一词原意相差甚远差甚远(科举之学科举之学,日本人借用日本人借用,意意为百科之学为百科之学,后中国留学生又从日本后中国留学生又从日本带回带回)。第5页 何谓科学何谓科学？工业先行者工业先行者,疾病征服者疾病征服者,农业推进者农业推进者,宇宙探索者宇宙探索者,自然定律解谜者自然定律解谜者，它它永远指明着真理方向永远指明着真理方向（美国科学院大厅（美国科学院大厅上口号）。上口号）。科学只不过是一套人们有计划地解释科学只不过是一套人们有计划地解释宇宙，含有内在一致性谎言（亚瑟宇宙，含有内在一致性谎言（亚瑟博克博克私人对话私人对话)。科学知识结构科学知识结构(科学概念、科学理论、科学概念、科学理论、科学定律科学定律)科学过程、方法科学过程、方法(提供探究科学知识方提供探究科学知识方法法)科学本质科学本质(科学知识性质科学知识性质)第6页科学内涵科学内涵观察观察/试验试验思思 维维方法方法/技术技术 理理 论论现象、数据现象、数据归纳、演绎归纳、演绎大大 脑脑解释解释Paradigm第7页Roles of ScienceTrue science is a method of studying nature.It is a set of rules that prevents scientists from lying to each other or to themselves.Hypotheses must be open to testing and must be revised in the face of contradictory evidence.All evidence must be considered and all alternative hypotheses must be explored.The rules of good science are nothing more than the rules of good thinking-that is,the rules of intellectual honesty.第8页Harold Varmus 说说(1989(1989年诺贝尔生理和医学奖取得者年诺贝尔生理和医学奖取得者年诺贝尔生理和医学奖取得者年诺贝尔生理和医学奖取得者)科学研究是一项艰辛工作，科学研究是一项艰辛工作，假如假如你不喜欢它，请选择其它领域你不喜欢它，请选择其它领域；只研究你感兴趣只研究你感兴趣和和你认为主要你认为主要问问题；题；尊敬尊敬你科学老前辈，但你科学老前辈，但不要完全不要完全相信相信他们所说、所写一切；他们所说、所写一切；请不要忘记科学只不过是人们生活请不要忘记科学只不过是人们生活一部分。一部分。第9页书本知识书本知识 学科发展史学科发展史研究方法论研究方法论 未来从事科学研究工作未来从事科学研究工作,现在读书须掌握三个要素：现在读书须掌握三个要素：第10页化学及其发展简史化学及其发展简史第11页化学发展史化学发展史-Chemistry词源词源 当代化学起源于炼金术(alchemy)。即炼金活动是化学前史。chemistry一词也来自alchemy,而alchemy=al(the)+chem,其中chem来自中国“金”古汉语发音。炼金术在各个古代文明中都占主要位置,并不是中国特有,普通而言都是怎样将铜,铅,锡这么卑金属变成金、银这么贵金属实用学问。在西方,炼金术从公元前几百年开始到17世纪为止,延续了；在中国也生存了差不多一样长时间。第12页化学发展史化学发展史-中国炼金术传到西方中国炼金术传到西方 中国炼金术除了从卑金属得到贵金属以外，还中国炼金术除了从卑金属得到贵金属以外，还致力于研制致力于研制长生不老之药长生不老之药“金丹金丹”。中国炼中国炼金术随丝绸之路传到了阿拉伯文化圈金术随丝绸之路传到了阿拉伯文化圈,所以有所以有了了alchemy这个行业。这个行业。西腊文明在欧州历史上曾一度失传西腊文明在欧州历史上曾一度失传,幸好阿拉幸好阿拉伯人继承了其精华伯人继承了其精华(714世纪世纪),1113世纪十字世纪十字军侵略将散落在阿拉伯文化中希腊文化又带回军侵略将散落在阿拉伯文化中希腊文化又带回了欧洲了欧洲,也也顺便将中国炼金术带进入了西方文顺便将中国炼金术带进入了西方文明明。今后，西方炼金术活动朝着独自方向发展，。今后，西方炼金术活动朝着独自方向发展，尤其是对酸、碱、尤其是对酸、碱、盐等物质化学性质有了相当盐等物质化学性质有了相当知识积累。知识积累。第13页化学发展史化学发展史-从炼金术到化学从炼金术到化学 17世纪，世纪，文艺复兴活动使文艺复兴活动使alchemy真正向当代真正向当代chemistry过渡过渡。当初化学家当初化学家,要么是贵族要么是贵族,要要么是业余兴趣。与英国么是业余兴趣。与英国Newton同时期贵族同时期贵族Robert Boyle(1627-1691)对气体和真空进行了对气体和真空进行了研究研究,写了写了“The Sceptical Chymist(1661)”一一书书,主张诀别带有神秘色彩炼金术主张诀别带有神秘色彩炼金术,而而以理性思以理性思索态度来研究化学索态度来研究化学。他发觉了。他发觉了波以尔法则波以尔法则 PV=Const,实际上就是当代物理化学起点。实际上就是当代物理化学起点。1662英国设置了英国设置了 Royal Society,1666年年 Paris Academia 分别设置分别设置,为科学研究和交流提供了为科学研究和交流提供了土壤，这是化学与炼金术诀别标志。土壤，这是化学与炼金术诀别标志。第14页化学发展史化学发展史-从气体元素到物质不灭定理从气体元素到物质不灭定理 1764 年年 CO2 (Black),1766 年年 H2 (Canvendish),1772年年O2(Scheele),1772年年N2(Ratherford),1774年年Cl2(Scheele)分别被发觉分别被发觉,空气中含有不一样成份事实被空气中含有不一样成份事实被揭示揭示。1774年年Lavoisier确立了确立了物质不灭定物质不灭定理理,1777年确立了年确立了燃烧理论燃烧理论。今后。今后化学反化学反应定百分比法则应定百分比法则(Joseph Louis Proust,1799)及及化学元素分析方法化学元素分析方法发展发展,为有机化为有机化学出现奠定了基础。学出现奠定了基础。第15页拉瓦锡拉瓦锡(ALLavoisier，17431794)是是18世纪法国著名化学家，被后人誉为世纪法国著名化学家，被后人誉为“近代化学之父近代化学之父”。他对化学第一个贡。他对化学第一个贡献是从试验角度验证并总结了献是从试验角度验证并总结了“质量守质量守恒定律恒定律”；他是；他是化学方程式创造者化学方程式创造者；他；他对化学最大贡献是揭示了对化学最大贡献是揭示了“燃烧燃烧”本质，本质，推翻了统治化学长达百年之久推翻了统治化学长达百年之久“燃素说燃素说”，建立了科学，建立了科学“氧化学说氧化学说”；他非常；他非常重视试验和观察，指出：重视试验和观察，指出：“在任何情况在任何情况下，都应该使我们推理受到试验检验下，都应该使我们推理受到试验检验，除了经过试验和观察自然道路去寻求真除了经过试验和观察自然道路去寻求真理以外，别无他途理以外，别无他途”；他对化学试验；他对化学试验从从定性向定量发展定性向定量发展，作出了主要贡献，所，作出了主要贡献，所以也被誉为以也被誉为“定量化学之父定量化学之父”、“近代近代化学奠基人化学奠基人”。1763，法学学士，法学学士1764，研究化学，研究化学1765，候补院士，候补院士1768，征税官，征税官1778，正教授，正教授1775，火药局长，火药局长1789，入狱，入狱1794，绞刑，绞刑第16页化学发展史化学发展史-有机化学发展有机化学发展 简单说简单说,有机化学就是有机化学就是C、H、O和和 N化化学。学。其发展是必定其发展是必定,因为人对生命物质兴因为人对生命物质兴趣要比对非生命物质更浓。化学分析伎俩趣要比对非生命物质更浓。化学分析伎俩发展后发展后,势必要用来研究有机物质。经过势必要用来研究有机物质。经过有机化学研究知道物质结构有机化学研究知道物质结构 成为生物化学成为生物化学研究起点研究起点。有机化学发展有机化学发展,能够从尿素合成开始。能够从尿素合成开始。第17页有机化学发展时间表有机化学发展时间表1828年年 Wohler(德德)从无机盐合成了尿素从无机盐合成了尿素1831年年 Liebig(德德)有机物元素分析定量法创造有机物元素分析定量法创造1840年年 有机基团有机基团(group)概念形成概念形成1848年年 Pasteur(法法)酒石酸光学异构体发觉酒石酸光学异构体发觉1858年年 Kekule(德德)C原子四价理论原子四价理论1865年年 Kekule(德德)Benzen环结构发觉环结构发觉（1869年年 元素周期表确实立元素周期表确实立)1874年年 vant Hoff(荷荷)C4正四面体结构正四面体结构1884年年 Fischer(德德)糖化学结构研究开始糖化学结构研究开始 第18页在在氰酸氰酸中加入中加入氨水氨水后蒸干得到白色晶体并不是铵盐，到后蒸干得到白色晶体并不是铵盐，到了了1828年他终于证实出这个试验产物是尿素。发觉了年他终于证实出这个试验产物是尿素。发觉了从从无机物合成有机物无机物合成有机物方法，而被认为是方法，而被认为是有机化学研究先锋有机化学研究先锋。在此之前，人们普遍认为：在此之前，人们普遍认为：有机物只能依靠一个生命力有机物只能依靠一个生命力在动物或植物体内产生在动物或植物体内产生；人工只能合成无机物而不能合人工只能合成无机物而不能合成有机物成有机物。维勒老师永斯。维勒老师永斯贝采利乌斯当初也支持贝采利乌斯当初也支持生命生命力论学说力论学说，他写信给维勒问他能不能在试验室里，他写信给维勒问他能不能在试验室里“制造制造出一个小孩来出一个小孩来”。以后，还发觉。以后，还发觉同分异构表达象同分异构表达象，发觉，发觉并并制备铝制备铝等元素单质。等元素单质。弗里德里希维勒（Friedrch Wohler，1800-1882），德国著名有机化学家。少年时代尤其喜爱搜集、研究矿物和做化学试验。18入马尔堡大学。1823年以对尿素研究取得医学博士学位，后又去贝采里乌斯留学一年。第19页李比希（李比希（Justus von Liebig,1803-1873），农业化学奠基人、生理化学），农业化学奠基人、生理化学及碳水化合物化学创始人之一。及碳水化合物化学创始人之一。1826在德国建立李比希试验室，首创在大在德国建立李比希试验室，首创在大学教授化学试验，创刊了学教授化学试验，创刊了“李比希刊李比希刊”。专著有机化学在生理学和病理。专著有机化学在生理学和病理学上应用。首次提出新陈代谢名词，学上应用。首次提出新陈代谢名词，研究土壤化合物，对脂肪、血液、胆研究土壤化合物，对脂肪、血液、胆汁和肌肉提取物进行研究。长久与维汁和肌肉提取物进行研究。长久与维勒一起工作勒一起工作第20页费歇尔（Emil Fischer 1852-1919），他发觉了苯肼，对糖类、嘌呤类有机化合物研究取得了突出成就，荣获19诺贝尔化学奖。他贡献主要有四个方面：他贡献主要有四个方面：对糖类研究对糖类研究1890,合成了合成了12个乙醛糖个乙醛糖；对嘌呤类化合物研究；对嘌呤类化合物研究；对蛋白质，主要是氨基酸、多肽研究；对蛋白质，主要是氨基酸、多肽研究；在化工生产和化学教育上贡献。在化工生产和化学教育上贡献。第21页生命化学生命化学第22页生命元素诞生生命元素诞生 150-200亿年前亿年前，宇宙发生了一次，宇宙发生了一次热富含能量亚原子颗热富含能量亚原子颗粒大爆炸粒大爆炸，几秒钟内，产生了最简单元素（，几秒钟内，产生了最简单元素（H和和He）。）。在宇宙膨大和冷却后，在重力作用下，物质浓缩形成在宇宙膨大和冷却后，在重力作用下，物质浓缩形成了星球。一些星球变得巨大无比，然后爆炸，释放能了星球。一些星球变得巨大无比，然后爆炸，释放能量使较为简单原子核融合为更为复杂元素。所以量使较为简单原子核融合为更为复杂元素。所以经过经过数十亿年形成了今天地球及地球上化学元素数十亿年形成了今天地球及地球上化学元素。约在约在40亿年前亿年前，生命出现了，生命出现了能从有机化合物或太阳获取能量能从有机化合物或太阳获取能量简单微生物简单微生物，利用这些能量，它们，利用这些能量，它们将地表简单元素和将地表简单元素和化合物结构成大量更为复杂生物分子化合物结构成大量更为复杂生物分子。生物化学回答。生物化学回答是成千上万种不一样生物分子是怎样相互作用来展示是成千上万种不一样生物分子是怎样相互作用来展示生命体显著生命特征。生命体显著生命特征。第23页组成生物分子元素组成生物分子元素 18世世纪纪后后期期，化化学学家家们们开开始始认认识识到到组组成成生生命命体体物物质质与与无无生生命命世世界界差差异异极极大大。Antoine Lavoisier（1743-1794）注注意意到到“矿矿物物世世界界”简简单单性性，并并与与复复杂杂“植植物物和和动动物物世世界界”进进行行了了比比较较，以以后后他他知知道道，生生物物组组成成份份子子富富含含碳碳、氧氧、氮和磷氮和磷。第24页生命元素丰度生命元素丰度 90各种天然元素中只有各种天然元素中只有30种之多元素对生命有种之多元素对生命有机体是必须机体是必须，大多数有机体组成元素原子序数相，大多数有机体组成元素原子序数相对地低，只有对地低，只有5种元素原子序数高于硒（种元素原子序数高于硒（34）。）。有机体中最丰富有机体中最丰富4种元素是种元素是C、H、O和和N，它们，它们总和超出了大多数细胞质量总和超出了大多数细胞质量99%，它们是最轻能，它们是最轻能够形成一个、二个、三个和四个价键元素，但够形成一个、二个、三个和四个价键元素，但最最轻元素形成最强价键轻元素形成最强价键。痕量元素（痕量元素（trace element)代表人体最轻重量，但代表人体最轻重量，但对生命却是必须对生命却是必须，通常因，通常因为它们对一些蛋白质，包含酶功效为必须。比如，为它们对一些蛋白质，包含酶功效为必须。比如，血红蛋白分子输送氧能力绝对依赖于只占总质量血红蛋白分子输送氧能力绝对依赖于只占总质量0.3%四个铁离子。四个铁离子。第25页组成生命元素丰度组成生命元素丰度第26页生命分子是碳化合物生命分子是碳化合物 生命有机体化学是围绕着碳被组织起来。生命有机体化学是围绕着碳被组织起来。C与与H能够形成单键连接能够形成单键连接，与与O和和N能够形成单键或能够形成单键或双键连接双键连接。生物学中。生物学中C与与C能够形成稳定单键能够形成稳定单键，一个碳原子能够与一个碳原子能够与一个、二个、三个或四个一个、二个、三个或四个其其它碳原子形成稳定单键，两个碳原子能够共享它碳原子形成稳定单键，两个碳原子能够共享两或三对电子，形成双键或三键两或三对电子，形成双键或三键。生物分子中共价连接碳原子能够形成生物分子中共价连接碳原子能够形成线状线状、分分支支或或环状环状结构。结构。第27页第28页功效基团决定了分子化学特征功效基团决定了分子化学特征 绝大多数生物分子能够看成是绝大多数生物分子能够看成是碳氢化合物衍生碳氢化合物衍生物物，碳氢化合物，碳氢化合物骨架非常稳定，骨架非常稳定，氢原子能够被氢原子能够被各类功效基团取代生成不一样有机化合物家族各类功效基团取代生成不一样有机化合物家族，经典有经典有醇、胺、醛和酮、羧酸等醇、胺、醛和酮、羧酸等。多数生物分子是多数生物分子是多功效多功效，含有两个或更多个不，含有两个或更多个不一样功效基团，每一个基团都有其本身特点和一样功效基团，每一个基团都有其本身特点和反应。化学词语中说某化合物反应。化学词语中说某化合物“个性、性质个性、性质”,如肾上腺素或乙酰辅酶如肾上腺素或乙酰辅酶A，就是由其功效基团性，就是由其功效基团性质和它们在三维空间中位置决定。质和它们在三维空间中位置决定。第29页一些常见生物分子功效基团一些常见生物分子功效基团第30页生物分子中一些常见功效基团生物分子中一些常见功效基团第31页生命物质基础生命物质基础 几乎全部生命有机体有机化合物，几乎全部生命有机体有机化合物，形成后都是形成后都是生物活性物质。生物活性物质。这些分子在生物进化过程为了适这些分子在生物进化过程为了适应特定生物化学和细胞学功效被选择下来。应特定生物化学和细胞学功效被选择下来。生物生物分子分子能够这么定义或了解：能够这么定义或了解：原子之间原子之间结合类型结合类型，包括包括结合形式和强度结合形式和强度、三维分子结构和化学活性三维分子结构和化学活性，三维结构三维结构在生物化学中尤其主要在生物化学中尤其主要。生物学作用如。生物学作用如酶与底物作用、抗体与抗原作用、激素和受体作酶与底物作用、抗体与抗原作用、激素和受体作用，都是用，都是高特异性高特异性。这种特异性靠分子之间。这种特异性靠分子之间立体立体互补和静电互补互补和静电互补来实现，显著是，来实现，显著是，维持三维结构维持三维结构作用力之中是非共价作用作用力之中是非共价作用，单个作用力弱，但有，单个作用力弱，但有显著累积效应。显著累积效应。第32页有机体与无生命物质区分有机体与无生命物质区分首首先先是是化化学学复复杂杂性性和和组组织织程程度度，成成千千上上万万种种不不一一样样分分子子组组成成一一个个复复杂杂细细胞胞结结构构，而而无无生生命命物物质质黏黏土土、沙沙子子、岩岩石石、海海水水，通通常常是是相相对对简简单一些化合物混合物。单一些化合物混合物。其其次次，生生命命有有机机体体从从它它们们环环境境吸吸收收、转转化化和和利利用用能能量量，通通常常是是化化学学营营养养物物或或太太阳阳光光能能，这这些些能能量量使使得得有有机机体体建建造造和和维维持持它它们们复复杂杂结结构构，并并作作机机械械、化化学学、渗渗透透和和其其它它形形式式功功。无无生生命命物物质质不不能能以以系系统统或或动动力力形形式式利利用用这这些些能能量量来来维维持持结构或作功。结构或作功。第33页有机体与无生命物质区分有机体与无生命物质区分 第三，生命有机体有精确自我复制或自我装配能力，是生命有机体精华特征。一个细菌放在无菌营养培养基中，二十四小时能够制造出十亿个一样“子代”细胞，每一个细胞含有成千上万种不一样分子，有些非常复杂，但每个细胞都是原始细胞一份真实拷贝。第四，有机体每一个成份都有一个或一个以上特定功能。第34页生物化学以生物化学以统一化学术语统一化学术语解释不一样生命形式解释不一样生命形式 有机体差异极大，但生物化学研究表明，有机体差异极大，但生物化学研究表明，全全部有机体在细胞和化学水平上是十分相同部有机体在细胞和化学水平上是十分相同。生。生物化学物化学用分子语言描述全部生命体结构、机制用分子语言描述全部生命体结构、机制和化学过程，提出各种生命变异形式下生命组和化学过程，提出各种生命变异形式下生命组织原理织原理-生命分子逻辑生命分子逻辑。即使生物化学。即使生物化学在医学、在医学、农业、营养和工业方面提供了主要前景和实际农业、营养和工业方面提供了主要前景和实际应用应用，但其，但其最终焦点还是关注对生命本身了解最终焦点还是关注对生命本身了解。第35页全部大分子都由简单化合物结构全部大分子都由简单化合物结构 大多数有机体系统分子由大多数有机体系统分子由C原子原子与其它碳与其它碳原子原子或者或者H原子、原子、O原子或原子或N原子共价连接原子共价连接而成，碳原子特殊结合特征允许形成一大而成，碳原子特殊结合特征允许形成一大类不一样分子，有机化合物分子量（也称类不一样分子，有机化合物分子量（也称相对分子质量）低于相对分子质量）低于500，如氨基酸、核苷，如氨基酸、核苷酸和单糖，被称为大分子如蛋白质、核酸酸和单糖，被称为大分子如蛋白质、核酸及多糖及多糖单体亚基单体亚基。一个单个蛋白质分子可。一个单个蛋白质分子可能含有能含有1000或更多个氨基酸残基，脱氧核或更多个氨基酸残基，脱氧核糖核酸（糖核酸（DNA）可能有数百万个核苷酸组）可能有数百万个核苷酸组成。成。第36页有限数量单体组成生命物质有限数量单体组成生命物质大大肠肠杆杆菌菌每每个个细细胞胞含含有有几几千千种种不不一一样样有有机机化化合合物物，包包含含一一千千种种不不一一样样蛋蛋白白质质，一一样样数数量量不不一一样样核核酸酸分分子子及及数数百百种种类类型型不不一一样样糖糖和和脂脂。在在人人体体内内，有有数数万万种种不不一一样样蛋蛋白白质质，各各种种类类型型多多糖糖和和脂脂及及各各种种其其它它低低分子量化合物。分子量化合物。DNA仅由四种不一样单体仅由四种不一样单体脱氧核糖核苷酸组成，脱氧核糖核苷酸组成，RNA也只有四种不一样核苷酸组成。蛋白质由也只有四种不一样核苷酸组成。蛋白质由20种种不一样氨基酸组成。不一样氨基酸组成。8种核苷酸组成了全部生物核酸，种核苷酸组成了全部生物核酸，20种氨基酸组成了全部生物蛋白质。种氨基酸组成了全部生物蛋白质。特殊单体亚基特殊单体亚基序列及大分子空间排列形成了大分子尤其生物学功序列及大分子空间排列形成了大分子尤其生物学功效效，如，如基因、催化剂、激素基因、催化剂、激素等等。等等。第37页Monomeric subunits in linear sequences can spell infinitely complex messages.The number of different sequences possible(S)depends on the number of different kinds of subunits(N)and the length of the linear sequence(L):S=NL.For an average-sized protein(L 400),S is 20400an astronomical number.第38页生命物质单体往往不止一个功效生命物质单体往往不止一个功效 组成生命体全部大分子组成生命体全部大分子单体亚基往往行单体亚基往往行使不止一个功效使不止一个功效，如，如核苷酸核苷酸，不但是，不但是组成组成核酸单体核酸单体，还是，还是能量载体分子能量载体分子、物质、物质活化活化分子及信号分子分子及信号分子；氨基酸氨基酸既是既是蛋白质组成蛋白质组成成份成份，还是，还是激素激素、神经递质神经递质、色素色素和和其它其它类型生物分子类型生物分子前体。前体。第39页生命活动离不开能量供给生命活动离不开能量供给 能量是生物化学一个中心主题，能量是生物化学一个中心主题，细胞和生命细胞和生命体依靠源源不停能量供给来抵抗无情以最低能体依靠源源不停能量供给来抵抗无情以最低能量状态衰减趋势量状态衰减趋势。信息储存和表示信息储存和表示需要消耗能需要消耗能量，没有能量，富含信息结构将不可防止变得量，没有能量，富含信息结构将不可防止变得无序和没有意义。与工厂里合成一样，细胞中无序和没有意义。与工厂里合成一样，细胞中发生发生合成反应合成反应需要能量输入。能量在一个细菌需要能量输入。能量在一个细菌运动运动、或者一个奥林匹克、或者一个奥林匹克赛跑选手赛跑选手、或者、或者萤火萤火虫发光虫发光、或者一个、或者一个鳗鲡放电鳗鲡放电中被消耗。细胞有中被消耗。细胞有一个有效机制能够偶联太阳或燃料能量来满足一个有效机制能够偶联太阳或燃料能量来满足生命需要。生命需要。第40页有机体与它们环境永远也不会平衡有机体与它们环境永远也不会平衡 生物进化中第一个形成细胞应该是生物进化中第一个形成细胞应该是油性膜包油性膜包裹裹原始细胞水溶性分子，使之隔离并允许累积原始细胞水溶性分子，使之隔离并允许累积相对高浓度，相对高浓度，有机体内所含分子和离子与其环有机体内所含分子和离子与其环境相比，在类型和浓度上不一样境相比，在类型和浓度上不一样。比如，淡水。比如，淡水鱼细胞与其所处水环境相比所含有无机离子浓鱼细胞与其所处水环境相比所含有无机离子浓度差异很大，蛋白质、核酸、糖和脂肪等存在度差异很大，蛋白质、核酸、糖和脂肪等存在于鱼体内，但环境介质中几乎不存在这些分子，于鱼体内，但环境介质中几乎不存在这些分子，而只含有比较简单分子如二氧化碳、分子氧和而只含有比较简单分子如二氧化碳、分子氧和水。水。只有经过不停地消耗能量，鱼才能够建立只有经过不停地消耗能量，鱼才能够建立和维持这种与环境浓度显著差异和维持这种与环境浓度显著差异，在鱼死后，在鱼死后，鱼组成份子才渐渐释放，与环境保持平衡。鱼组成份子才渐渐释放，与环境保持平衡。第41页生命有生命有机体与机体与它们所它们所处环境处环境不平衡，不平衡，死亡和死亡和腐烂才腐烂才回复平回复平衡衡第42页分子组成反应了一个动力学上恒稳态分子组成反应了一个动力学上恒稳态 即使即使一个生物体化学组成在整个时间内几乎是一个生物体化学组成在整个时间内几乎是恒定恒定，但一个细胞或生物体内分子群却远远不是，但一个细胞或生物体内分子群却远远不是恒稳态。分子经过不停化学反应被合成和分解，恒稳态。分子经过不停化学反应被合成和分解，需要不停地向系统输入物质和能量。现在从你肺需要不停地向系统输入物质和能量。现在从你肺中携带氧到你大脑中血红蛋白分子是上个月合成，中携带氧到你大脑中血红蛋白分子是上个月合成，到下个月，它们将会被降解，并由新血红蛋白分到下个月，它们将会被降解，并由新血红蛋白分子所取代。你刚才从你食物中摄取葡萄糖现在正子所取代。你刚才从你食物中摄取葡萄糖现在正在你血流中循环，在今天结束前，这些特定葡萄在你血流中循环，在今天结束前，这些特定葡萄糖分子将会被转化为其它分子如二氧化碳或脂肪，糖分子将会被转化为其它分子如二氧化碳或脂肪，将会被新起源葡萄糖分子所取代。血液中血红蛋将会被新起源葡萄糖分子所取代。血液中血红蛋白和葡萄糖数量几乎是一个恒量，因为白和葡萄糖数量几乎是一个恒量，因为合成或摄合成或摄入速度将会与其降解速度到达平衡入速度将会与其降解速度到达平衡。浓度上恒定。浓度上恒定是动力学恒态结果。是动力学恒态结果。第43页第44页生物从它们环境转化能量和物质生物从它们环境转化能量和物质 生生命命细细胞胞和和生生物物体体必必须须作作功功来来保保持持存存活活和和繁繁殖殖本本身身，细细胞胞成成份份不不停停合合成成需需要要化化学学能能、逆逆浓浓度度梯梯度度积积累累和和保保持持盐盐份份及及各各种种有有机机化化合合物物包包括括渗渗透透能能、肌肌肉肉收收缩缩或或细细菌菌鞭鞭毛毛运运动动需需要要机机械械能能，生生物物化化学学研研究究能能量量吸吸收收、转转运运和和消消耗耗过过程程，所所以需要建立了解生物能学基本原理。以需要建立了解生物能学基本原理。生物体是一个开放体系，与环境交换物质和能生物体是一个开放体系，与环境交换物质和能量，量，生物体经过两种策略由环境取得能量生物体经过两种策略由环境取得能量：由：由环境获取化学燃料并经过氧化得到能量、由太环境获取化学燃料并经过氧化得到能量、由太阳光能吸收能量。阳光能吸收能量。第45页第46页热力学第一定律适合用于生物体系热力学第一定律适合用于生物体系生物体利用燃料或太阳光能量构建和维生物体利用燃料或太阳光能量构建和维持它们复杂性，尤其是结构。持它们复杂性，尤其是结构。不论发生化学或物理任何改变，能量总不论发生化学或物理任何改变，能量总是守恒，但能量形式可能会变。是守恒，但能量形式可能会变。生命有机体细胞是在恒定温度下一个化生命有机体细胞是在恒定温度下一个化学引擎。学引擎。第47页电子流为生物体提供能量电子流为生物体提供能量 几乎全部生命有机体都直接或间接地从太阳光几乎全部生命有机体都直接或间接地从太阳光辐射能量取得能量辐射能量取得能量，这种光能发生于太阳中热，这种光能发生于太阳中热核聚变反应。光合作用细胞吸收光能，用于驱核聚变反应。光合作用细胞吸收光能，用于驱动水分子中电子到二氧化碳，生成能量丰富产动水分子中电子到二氧化碳，生成能量丰富产物如淀粉和蔗糖，并释放分子氧到大气中去。物如淀粉和蔗糖，并释放分子氧到大气中去。非光合作用细胞和有机体经过氧化光合作用产非光合作用细胞和有机体经过氧化光合作用产生能量丰富物质取得需要能量，并传递电子到生能量丰富物质取得需要能量，并传递电子到大气氧生成水、二氧化碳及其它终产物，在环大气氧生成水、二氧化碳及其它终产物，在环境中被再循环。境中被再循环。实实际际上上全全部部生生物物所所需需要要能能量量直直接接或或间间接接地地都都来来自自于于太太阳阳能能。在在氧氧化化还还原原反反应应中中，电电子子流流动动成成为生命细胞能量转换基础为生命细胞能量转换基础。第48页第49页生物化学研究内容生物化学研究内容及发展简史及发展简史第50页生物化学定义生物化学定义 生命化学生命化学，是硕士物体（微生物、植物、动物及人体，是硕士物体（微生物、植物、动物及人体等）等）化学组成、结构、功效、分离纯化方法；生命过程化学组成、结构、功效、分离纯化方法；生命过程中化学改变及遗传物质信息传递中化学改变及遗传物质信息传递一门科学。研究内容包一门科学。研究内容包含含:1.1.生物体生物体物质组成物质组成、物质结构物质结构、功效功效；物质；物质分离和分析分离和分析方法方法；从分子水平上看生物组成。；从分子水平上看生物组成。2.2.这些物质在生物体内发生这些物质在生物体内发生改变及改变过程改变及改变过程。3.3.分子水平上分子水平上物质物质结构、代谢结构、代谢与客观上与客观上生物功效及复杂生物功效及复杂生命现象之间关系生命现象之间关系。4.4.遗传物质信息传递及调控遗传物质信息传递及调控。第51页什么是生物化学什么是生物化学 生物化学研究对象生物化学研究对象,是生命体内各类物质结是生命体内各类物质结构构,功效和作用过程与机理。英语中有功效和作用过程与机理。英语中有Biochemistry 和和Biological chem-istry 两个术语。两个术语。生物化学有生物化学有三个源头三个源头：有机化学有机化学:氨基酸、蛋白质、糖、脂质、氨基酸、蛋白质、糖、脂质、核苷酸、核酸核苷酸、核酸 医学生理学：医学生理学：维生素、激素、辅酶维生素、激素、辅酶 发酵工业：发酵工业：酶学、物质代谢酶学、物质代谢生物化学于生命科学生物化学于生命科学,就象就象ABCABC于英语于英语第52页 德国医生霍佩-赛勒(Ernst Felix Hoppe-Seyler)（1825-1895）1877年为了将生理化学（即生物化学）建成一门独立学科，首次提出“Biochemie”，译为英语名词为Biochemistry或Biological Chemistry，即生物化学。他还首次取得纯卵磷脂及晶体状血红素。首创蛋白质(Proteide)一词。还研究过代谢、叶绿素和血液。他学生Friedrich Miescher（1844-1895）从脓细胞细胞核中分离出nuclein（脱氧核糖核蛋白）（1871）他另一位学生Albrecht Kossel（1853-1927）因对蛋白质、细胞及细胞核化学研究取得19诺贝尔生理学或医学奖，他分离到腺嘌呤、胸腺嘧啶、胸腺核苷酸，还分离出组氨酸。第53页 我们现在知道,生命体内主要物质是:蛋白质氨基酸，核酸核苷酸，糖类和脂类。还有一类所占百分比很小但功效很主要小分子维生素和激素。在这些分子中,对脂质研究最早,19世纪上半叶对其结构就有了较深入了解。对糖结构认识多半要归功于Emil Fischer从1884年开始研究工作。而发酵工业发展使酶学和代谢学有了发展,化学与医学、生理学结合则造成了维生素、激素、必需氨基酸、必需脂肪酸发觉。对核酸认识起步较晚,在1870左右才注意到其存在,19世纪末又是Emil Fischer对嘌啉进行了较深入研究,成为我们对核酸结构了解开幕。生物化学在19以后开始进入高速发展期。第54页发展简史（一）发展简史（一）当代生物化学从当代生物化学从18世纪下半叶，从拉瓦锡研究燃烧世纪下半叶，从拉瓦锡研究燃烧和呼吸开始；和呼吸开始；中间代谢产物首次发觉；中间代谢产物首次发觉；1835年，贝采利乌斯说明催化作用；年，贝采利乌斯说明催化作用；1848年，肌肉热能起源及肝脏生糖功效；年，肌肉热能起源及肝脏生糖功效；1859年，物种起源；年，物种起源；1865年，孟德尔豌豆杂交试验和遗传定律；年，孟德尔豌豆杂交试验和遗传定律；1877年，年，Biochemistry和和journal of biochemistry;国际生化研究中心变迁；国际生化研究中心变迁；生物化学发展趋势；生物化学发展趋势；19281928年年 德国德国 Whler NH4CNOCO(NH2)2第55页发展简史（二）：二十世纪前五十年发展简史（二）：二十世纪前五十年 2020世纪前世纪前3030年：生理学、化学。年：生理学、化学。营养学营养学真正黄金时代。真正黄金时代。代，1926年美国Sumner从刀豆中得到脲酶结晶。3030年代，年代，1933193319361936年年KrebsKrebs提出了著名提出了著名尿素循环和三羧酸循环。尿素循环和三羧酸循环。4040年代前后，能量代谢，年代前后，能量代谢，生物能学。生物能学。2020世纪中期生物化学成为一门独立和成熟学科世纪中期生物化学成为一门独立和成熟学科第56页发展简史（三）：分子生物学诞生发展简史（三）：分子生物学诞生 19501950年年 PaulingPauling（美国）等，蛋白质二级结构：（美国）等，蛋白质二级结构：-螺旋螺旋 19551955年年 SangerSanger（英国）胰岛素一级结构测定（英国）胰岛素一级结构测定 19531953年年 WatsonWatson（美国）和（美国）和CrickCrick（英国）（英国）DNA DNA双螺旋结构双螺旋结构 DNADNA双螺旋结构提出使生物化学发展到一个新阶双螺旋结构提出使生物化学发展到一个新阶段段分子生物学分子生物学阶段阶段 第57页核酸研究进展很快，在核酸一级结构测定和核酸研究进展很快，在核酸一级结构测定和核酸人工合成方面取得显著结果。核酸人工合成方面取得显著结果。60年代，年代，1961年法国年法国Jacob和和Monod 操纵子模型操纵子模型70年代，进入生物工程研究。年代，进入生物工程研究。基因工程、蛋白质工程、酶工程、细胞工程、发基因工程、蛋白质工程、酶工程、细胞工程、发酵工程等。第一个基因工程产物酵工程等。第一个基因工程产物somatostatin。90年代，年代，1990年开启了年开启了人类基因组计划人类基因组计划。20世纪末和二十一世纪初，随着人类基因组全序列测定基本完成，生命科学进入了后基因组时代，产生了功能基因组学、蛋白质组学、结构基因组学等。分子生物学快速发展分子生物学快速发展第58页生物化学与其它学科生物化学与其它学科关系及实践应用关系及实