生物化学A上复旦大学生命科学学院(课堂PPT)

1、1 Copyright 1999,2000,2001,2003,2004,Copyright 1999,2000,2001,2003,2004, 2005,2006,2007,2008,20092005,2006,2007,2008,2009 2 3 4 英文为英文为science，源于拉丁文的，源于拉丁文的scio， 后来又演变为后来又演变为scientin，最后成了今天，最后成了今天 的写法，其本意是的写法，其本意是“知识知识”、“学学 问问”。日本著名科学启蒙大师福泽瑜。日本著名科学启蒙大师福泽瑜 吉把吉把“science”译为译为“科学科学”香港创香港创 业学院院长张世平：即分类的业学

2、院院长张世平：即分类的“知知 识识”、“学问学问”。到了。到了1893年，年，康康 有为引进并使用有为引进并使用“科学科学”二字。严复二字。严复 在翻译在翻译天演论天演论等科学著作时，也等科学著作时，也 用用“科学科学”二字。此后，二字。此后，“科学科学”二二 字便在中国广泛运用。字便在中国广泛运用。 5 : to know, to separate one thing from another, to distinguish,to split, to cleave。与中国的与中国的“科学科学”一词的原一词的原 意相差甚远意相差甚远 ( (科举之学科举之学, , 日本人借用日本人借用, , 意

3、为百科之学意为百科之学, , 后中国留学生又从日后中国留学生又从日 本带回本带回) )。 6 何谓科学何谓科学？工业的先行者工业的先行者, , 疾病的征疾病的征 服者服者, ,农业的推进者农业的推进者, ,宇宙的探索者宇宙的探索者, ,自然自然 定律的解谜者定律的解谜者，它，它永远指明着真理的方永远指明着真理的方 向向（美国科学院大厅上的标语）。（美国科学院大厅上的标语）。 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，具有内在一致性的谎言（亚宇宙，具有内在一致性的谎言（亚 瑟瑟博克私人对话博克私人对话) )。 科学知识结构科学知识结构( (科学概念、科学理论、科学概

4、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( (提供探究科学知识提供探究科学知识 的方法的方法) ) 科学本质科学本质( (科学知识的性质科学知识的性质) ) 7 观察观察/实验实验 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 8 True science is a method of studying nature. It is a set of rules that prevents scientists from lying to each other or to themsel

5、ves. 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. 9

6、 科学研究是一项艰苦的工作，科学研究是一项艰苦的工作，如如 果你不喜欢它，请选择其他领域果你不喜欢它，请选择其他领域； 只研究你感兴趣的只研究你感兴趣的和和你认为重要你认为重要 的的问题；问题； 尊敬尊敬你的科学老前辈，但你的科学老前辈，但不要完不要完 全相信全相信他们所说、所写的一切；他们所说、所写的一切； 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 的一部分。的一部分。 10 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 11 12 现代化学起源于现代化学起源于炼金术炼金术(alchemy)。即炼金活。即炼金活 动是化学的前史。动是化学的前史。chemis

7、try一词也来自一词也来自alchemy, 而而alchemy = al (the) + chem, 其中的其中的chem来自中来自中 国的国的“ 金金” 的古汉语发音。炼金术在各个古代的古汉语发音。炼金术在各个古代 文明中都占重要位置文明中都占重要位置, 并不是中国特有并不是中国特有, 一般而一般而 言都是言都是如何将铜如何将铜, 铅铅, 锡这样的卑金属变成金、锡这样的卑金属变成金、 银这样的贵金属银这样的贵金属的实用学问。在西方的实用学问。在西方, 炼金术从炼金术从 公元前几百年开始到公元前几百年开始到17世纪为止世纪为止, 延续了延续了2000年；年； 在中国也生存了差不多同样长的时间在

8、中国也生存了差不多同样长的时间。 13 中国的炼金术除了从卑金属得到贵金属以外，中国的炼金术除了从卑金属得到贵金属以外， 还致力于研制还致力于研制长生不老之药长生不老之药“ 金丹金丹”。 中国中国 的炼金术随丝绸之路传到了阿拉伯文化圈的炼金术随丝绸之路传到了阿拉伯文化圈, 所所 以有了以有了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 军的侵略将散落在阿拉伯文化中的希腊文化又军的侵略将散落在阿拉伯文化中的希腊文化又 带回了欧洲带回了欧洲, 也也

9、顺便将中国的炼金术带进入了顺便将中国的炼金术带进入了 西方文明西方文明。此后，西方的炼金术活动朝着独自。此后，西方的炼金术活动朝着独自 的方向发展，特别是对酸、碱、的方向发展，特别是对酸、碱、 盐等物质的化盐等物质的化 学性质有了相当的知识积累。学性质有了相当的知识积累。 14 17世纪，世纪，文艺复兴活动使文艺复兴活动使alchemy真正向现代真正向现代 的的chemistry过渡过渡。 当时的化学家当时的化学家, 要么是贵族要么是贵族, 要么是业余爱好。与英国要么是业余爱好。与英国Newton同时期的贵族同时期的贵族 Robert Boyle (1627-1691) 对气体和真空进行了对气

10、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的炼金术主张诀别带有神秘色彩的炼金术, 而而以理性以理性 思考的态度来研究化学思考的态度来研究化学。他发现了。他发现了波以尔法则波以尔法则 PV=Const, 实际上就是现代物理化学的起点。实际上就是现代物理化学的起点。 1662英国设立了英国设立了 Royal Society, 1666年年 Paris Academia 分别设立分别设立, 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的标志。土壤，这是化学与炼金术诀别的标志。 15

11、 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)分别被发分别被发 现现, 空气中含有不同成分的事实被揭示空气中含有不同成分的事实被揭示。 1774年年Lavoisier确立了确立了物质不灭定理物质不灭定理, 1777 年确立了年确立了燃烧理论燃烧理论。此后的。此后的化学反应的定化学反应的定 比例法则比例法则 (Joseph Louis Proust, 1799) 及及化化 学元素分析方法学元素分析方法的发展的发展, 为有机化学

12、的出现为有机化学的出现 奠定了基础。奠定了基础。 16 拉瓦锡拉瓦锡(ALLavoisier，17431794) 是是18世纪法国著名的化学家，被后人誉世纪法国著名的化学家，被后人誉 为为“近代化学之父近代化学之父”。他对化学的第一。他对化学的第一 个贡献是从实验的角度验证并总结了个贡献是从实验的角度验证并总结了 “质量守恒定律质量守恒定律”；他是；他是化学方程式的化学方程式的 发明者发明者；他对化学的最大贡献是揭示了；他对化学的最大贡献是揭示了 “燃烧燃烧”的本质，推翻了统治化学长达的本质，推翻了统治化学长达 百年之久的百年之久的“燃素说燃素说”，建立了科学的，建立了科学的 “氧化学说氧化学

13、说”；他非常重视实验和观察，；他非常重视实验和观察， 指出：指出：“在任何情况下，都应该使我们在任何情况下，都应该使我们 的推理受到实验的检验的推理受到实验的检验，除了通过实验除了通过实验 和观察的自然道路去寻求真理以外，别和观察的自然道路去寻求真理以外，别 无他途无他途”；他对化学实验；他对化学实验从定性向定量从定性向定量 发展发展，作出了重要的贡献，因此也被誉，作出了重要的贡献，因此也被誉 为为“定量化学之父定量化学之父”、“近代化学奠基近代化学奠基 人人”。 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

14、授，正教授 1775，火药局长，火药局长 1789，入狱，入狱 1794，绞刑，绞刑 17 简单的说简单的说, 有机化学就是有机化学就是C、 H、 O和和 N 的化学。的化学。 其发展是必然的其发展是必然的, 因为人对生命因为人对生命 物质的兴趣要比对非生命物质更浓。化学物质的兴趣要比对非生命物质更浓。化学 分析的手段发展后分析的手段发展后, 势必要用来研究有机的势必要用来研究有机的 物质。通过有机化学研究知道的物质结构物质。通过有机化学研究知道的物质结构 成为生物化学研究的起点成为生物化学研究的起点。 有机化学的发展有机化学的发展, 可以从尿素的合成开始。可以从尿素的合成开始。 18 有机化

15、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的发明有机物元素分析定量法的发明 1840年年 有机基团有机基团 (group) 的概念的形成的概念的形成 1848年年 Pasteur (法法) 酒石酸光学异构体的发现酒石酸光学异构体的发现 1858年年 Kekule (德德) C原子的四价理论原子的四价理论 1865年年 Kekule (德德) Benzen环结构的发现环结构的发现 （1869年年 元素周期表的确立元素周期表的确立 ) 1874年年 vant Hoff (荷荷

16、) C4的正四面体结构的正四面体结构 1884年年 Fischer (德德) 糖的化学结构研究的开始糖的化学结构研究的开始 19 在在氰酸氰酸中加入中加入氨水氨水后蒸干得到的白色晶体并不是铵盐，后蒸干得到的白色晶体并不是铵盐， 到了到了1828年他终于证明出这个实验的产物是尿素。发现年他终于证明出这个实验的产物是尿素。发现 了了从无机物合成有机物从无机物合成有机物的方法，而被认为是的方法，而被认为是有机化学研有机化学研 究的先锋究的先锋。在此之前，人们普遍认为：。在此之前，人们普遍认为：有机物只能依靠有机物只能依靠 一种生命力在动物或植物体内产生一种生命力在动物或植物体内产生；人工只能合成无机

17、人工只能合成无机 物而不能合成有机物物而不能合成有机物。维勒的老师永斯。维勒的老师永斯贝采利乌斯当贝采利乌斯当 时也支持时也支持生命力论学说生命力论学说，他写信给维勒问他能不能在实，他写信给维勒问他能不能在实 验室里验室里“制造出一个小孩来制造出一个小孩来”。后来，还发现。后来，还发现同分异构同分异构 体现象体现象，发现并，发现并制备铝制备铝等元素单质。等元素单质。 弗里德里希弗里德里希维勒（维勒（Friedrch Wohler，1800- 1882） ，德国著名的有机化学家。少年时代特别，德国著名的有机化学家。少年时代特别 喜爱收集、研究矿物和做化学实验。喜爱收集、研究矿物和做化学实验。18

18、20年入马年入马 尔堡大学。尔堡大学。1823年以对尿素的研究获得医学博士年以对尿素的研究获得医学博士 学位，后又去贝采里乌斯留学一年。学位，后又去贝采里乌斯留学一年。 20 李比希（李比希（Justus von Liebig, 1803- 1873），农业化学的奠基人、生理化），农业化学的奠基人、生理化 学及碳水化合物化学的创始人之一。学及碳水化合物化学的创始人之一。 1826在德国建立李比希实验室，首创在德国建立李比希实验室，首创 在大学教授化学实验，创刊了在大学教授化学实验，创刊了“李比李比 希刊希刊”。专著。专著有机化学在生理学和有机化学在生理学和 病理学上的应用病理学上的应用。首次提

19、出新陈代。首次提出新陈代 谢名词，研究土壤化合物，对脂肪、谢名词，研究土壤化合物，对脂肪、 血液、胆汁和肌肉提取物进行研究。血液、胆汁和肌肉提取物进行研究。 长期与维勒一起工作长期与维勒一起工作 21 费歇尔（费歇尔（ Emil Fischer 1852- 1919），他发现了苯肼，对糖类、），他发现了苯肼，对糖类、 嘌呤类有机化合物的研究取得了嘌呤类有机化合物的研究取得了 突出的成就，荣获突出的成就，荣获1902年的诺贝年的诺贝 尔化学奖。尔化学奖。 他的贡献主要有四个方面：他的贡献主要有四个方面： 对糖类的研究对糖类的研究1890,合成了合成了12个乙醛糖个乙醛糖； 对嘌呤类化合物的研究；

20、对嘌呤类化合物的研究； 对蛋白质，主要是氨基酸、多肽的研究；对蛋白质，主要是氨基酸、多肽的研究； 在化工生产和化学教育上的贡献。在化工生产和化学教育上的贡献。 22 23 150-200亿年前亿年前，宇宙发生了一次，宇宙发生了一次热的富含能量的亚热的富含能量的亚 原子颗粒的大爆炸原子颗粒的大爆炸，几秒钟内，产生了最简单的元素，几秒钟内，产生了最简单的元素 （H和和He）。在宇宙膨大和冷却后，在重力的作用下，）。在宇宙膨大和冷却后，在重力的作用下， 物质浓缩形成了星球。一些星球变得巨大无比，然后物质浓缩形成了星球。一些星球变得巨大无比，然后 爆炸，释放能量使较为简单的原子核融合为更为复杂爆炸，释

21、放能量使较为简单的原子核融合为更为复杂 的元素。因此的元素。因此经过数十亿年形成了今天的地球及地球经过数十亿年形成了今天的地球及地球 上的化学元素上的化学元素。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能从有机 化合物或太阳获取能量的简单的微生物化合物或太阳获取能量的简单的微生物，利用这些能，利用这些能 量，它们量，它们将地表简单的元素和化合物构造成大量的更将地表简单的元素和化合物构造成大量的更 为复杂的生物分子为复杂的生物分子。生物化学回答的是成千上万种不。生物化学回答的是成千上万种不 同的生物分子是如何相互作用来展示生命体显著的生同的生物分子是如何相互作用来展示生命体显著的生

22、 命特征的。命特征的。 24 18世纪后期，化学家们开始认识到世纪后期，化学家们开始认识到组组 成生命体的物质与无生命的世界差异成生命体的物质与无生命的世界差异 极大极大。Antoine Lavoisier（1743-1794） 注意到注意到“矿物世界矿物世界”的简单性，并与的简单性，并与 复杂的复杂的“植物和动物世界植物和动物世界”进行了比进行了比 较，后来他知道，生物组成分子较，后来他知道，生物组成分子富含富含 碳、氧、氮和磷碳、氧、氮和磷。 25 90多种天然元素中只有多种天然元素中只有30种之多的元素对生命种之多的元素对生命 有机体是必须的有机体是必须的，大多数有机体的组成元素的原，大

23、多数有机体的组成元素的原 子序数相对地低，只有子序数相对地低，只有5种元素的原子序数高于种元素的原子序数高于 硒（硒（34）。）。有机体中最丰富的有机体中最丰富的4种元素是种元素是C、H、 O和和N，它们的总和超过了大多数细胞质量的，它们的总和超过了大多数细胞质量的 99%，它们是最轻的能够形成一个、二个、三个，它们是最轻的能够形成一个、二个、三个 和四个价键的元素，但和四个价键的元素，但最轻的元素形成最强的价最轻的元素形成最强的价 键键。痕量元素（痕量元素（trace element)代表人体最轻的代表人体最轻的 重量，但重量，但对生命却是必须对生命却是必须的，通常因为它们对一的，通常因为它

24、们对一 些蛋白质，包括酶的功能为必须。例如，血红蛋些蛋白质，包括酶的功能为必须。例如，血红蛋 白分子输送氧的能力绝对依赖于只占总质量白分子输送氧的能力绝对依赖于只占总质量 0.3%的四个铁离子。的四个铁离子。 26 27 生命有机体的化学是围绕着碳被组织起来的。生命有机体的化学是围绕着碳被组织起来的。 C与与H可以形成单键连接可以形成单键连接，与与O和和N可以形成单可以形成单 键或双键连接键或双键连接。生物学中。生物学中C与与C可以形成稳定的可以形成稳定的 单键单键，一个碳原子可以与一个碳原子可以与一个、二个、三个或一个、二个、三个或 四个四个其他碳原子形成稳定单键，两个碳原子可其他碳原子形成

25、稳定单键，两个碳原子可 以共享两或三对电子，形成双键或三键以共享两或三对电子，形成双键或三键。 生物分子中共价连接的碳原子可以形成生物分子中共价连接的碳原子可以形成线状的线状的、 分支的分支的或或环状的环状的结构。结构。 28 29 绝大多数生物分子可以看成是绝大多数生物分子可以看成是碳氢化合物的衍碳氢化合物的衍 生物生物，碳氢化合物的，碳氢化合物的骨架非常稳定，骨架非常稳定，氢原子可氢原子可 以被各类功能基团取代生成不同的有机化合物以被各类功能基团取代生成不同的有机化合物 家族家族，典型的有，典型的有醇、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能多功能的，

26、含有两个或更多个的，含有两个或更多个 不同的功能基团，每一种基团都有其自身的特不同的功能基团，每一种基团都有其自身的特 点和反应。化学词语中说某化合物的点和反应。化学词语中说某化合物的“个性、个性、 性质性质”,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，就是由其功 能基团的性质和它们在三维空间中的位置决定能基团的性质和它们在三维空间中的位置决定 的。的。 30 31 生物分子中一些常见的功能基团生物分子中一些常见的功能基团 32 几乎所有生命有机体的有机化合物，几乎所有生命有机体的有机化合物，形成后都形成后都 是生物活性物质。是生物活性物质。这些分子在生物进化过程为了这些分子在生

27、物进化过程为了 适应特定的生物化学和细胞学功能被选择下来。适应特定的生物化学和细胞学功能被选择下来。 生物分子生物分子可以这样定义或理解：可以这样定义或理解：原子之间的原子之间的结合结合 类型类型，涉及，涉及结合的形式和强度结合的形式和强度、三维分子结构和三维分子结构和 化学活性化学活性，在生物化学中特别重要在生物化学中特别重要。生。生 物学作用如酶与底物的作用、抗体与抗原的作用、物学作用如酶与底物的作用、抗体与抗原的作用、 激素和受体的作用，都是激素和受体的作用，都是高特异性高特异性的。这种特异的。这种特异 性靠分子之间的性靠分子之间的立体互补和静电互补立体互补和静电互补来实现，显来实现，显

28、 著的是，著的是，维持三维结构的作用力之中的是非共价维持三维结构的作用力之中的是非共价 作用作用，单个作用力弱，但有显著的累积效应。，单个作用力弱，但有显著的累积效应。 33 有机体与无生命物质的区别有机体与无生命物质的区别 首先是首先是化学复杂性和组织的程度化学复杂性和组织的程度，成千上万，成千上万 种不同的分子组成一个复杂的细胞结构，而种不同的分子组成一个复杂的细胞结构，而 无生命物质无生命物质黏土、沙子、岩石、海水，通黏土、沙子、岩石、海水，通 常是相对简单的一些化合物的混合物。常是相对简单的一些化合物的混合物。 其次，生命有机体其次，生命有机体从它们的环境吸收、转化从它们的环境吸收、转

29、化 和利用能量和利用能量，通常是，通常是化学营养物或太阳光能化学营养物或太阳光能， 这些能量使得有机体这些能量使得有机体建造和维持它们的复杂建造和维持它们的复杂 结构，并作机械、化学、渗透和其他形式的结构，并作机械、化学、渗透和其他形式的 功功。无生命物质不能以系统的或动力的形式。无生命物质不能以系统的或动力的形式 利用这些能量来维持结构或作功。利用这些能量来维持结构或作功。 34 第三，生命有机体第三，生命有机体有精确的自我复制或自我有精确的自我复制或自我 装配的能力装配的能力，是生命有机体的，是生命有机体的精华特征精华特征。一。一 个细菌放在无菌的营养培养基中，个细菌放在无菌的营养培养基中

30、，2424小时可小时可 以制造出十亿个一样的以制造出十亿个一样的“子代子代”细胞，每一细胞，每一 个细胞含有成千上万种不同的分子，有些非个细胞含有成千上万种不同的分子，有些非 常复杂，但每个细胞都是原始细胞的一份真常复杂，但每个细胞都是原始细胞的一份真 实拷贝。实拷贝。 第四，有机体的第四，有机体的每一个成分都有一种或一种每一个成分都有一种或一种 以上特定的功能以上特定的功能。 35 生物化学以生物化学以统一的化学术语统一的化学术语 解释不同的生命形式解释不同的生命形式 有机体的差别极大，但生物化学的研究表明，有机体的差别极大，但生物化学的研究表明， 所有有机体在细胞和化学水平上是十分相似的所

31、有有机体在细胞和化学水平上是十分相似的。 生物化学生物化学用分子的语言描述所有生命体的结构、用分子的语言描述所有生命体的结构、 机制和化学过程，提出各种生命变异形式下生机制和化学过程，提出各种生命变异形式下生 命的组织原理命的组织原理-生命的分子逻辑生命的分子逻辑。虽然生物化。虽然生物化 学学在医学、农业、营养和工业方面提供了重要在医学、农业、营养和工业方面提供了重要 的前景和实际应用的前景和实际应用，但其，但其最终的焦点还是关注最终的焦点还是关注 对生命自身的了解对生命自身的了解。 36 所有大分子都由简单的化合物构造所有大分子都由简单的化合物构造 大多数有机体系统的分子由大多数有机体系统的

32、分子由C原子原子与其他与其他 碳原子碳原子或者或者H原子、原子、O原子或原子或N原子共价连原子共价连 接而成，碳原子的特殊结合特性允许形成接而成，碳原子的特殊结合特性允许形成 一大类不同的分子，有机化合物的分子量一大类不同的分子，有机化合物的分子量 （也称相对分子质量）低于（也称相对分子质量）低于500，如氨基酸、，如氨基酸、 核苷酸和单糖，被称为大分子如蛋白质、核苷酸和单糖，被称为大分子如蛋白质、 核酸及多糖的核酸及多糖的单体亚基单体亚基。一个单个的蛋白。一个单个的蛋白 质分子可能含有质分子可能含有1000或更多个氨基酸残基，或更多个氨基酸残基， 脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA）可能有数

33、百万个核）可能有数百万个核 苷酸组成。苷酸组成。 37 大肠杆菌的每个细胞含有大肠杆菌的每个细胞含有几千种不同的有机化合物几千种不同的有机化合物， 包括包括一千种不同的蛋白质一千种不同的蛋白质，同样数量的不同的核酸同样数量的不同的核酸 分子分子及及数百种类型不同的糖和脂数百种类型不同的糖和脂。在人体内，有数。在人体内，有数 万种不同的蛋白质，多种类型的多糖和脂及多种其万种不同的蛋白质，多种类型的多糖和脂及多种其 他的低分子量化合物。他的低分子量化合物。 DNA仅由四种不同的单体仅由四种不同的单体脱氧核糖核苷酸组成，脱氧核糖核苷酸组成， RNA也只有四种不同的核苷酸组成。蛋白质由也只有四种不同的

34、核苷酸组成。蛋白质由20种种 不同的氨基酸组成。不同的氨基酸组成。8种核苷酸组成了所有生物的核种核苷酸组成了所有生物的核 酸，酸，20种氨基酸组成了所有生物的蛋白质。种氨基酸组成了所有生物的蛋白质。特殊的特殊的 单体亚基序列及大分子的空间排列形成了大分子特单体亚基序列及大分子的空间排列形成了大分子特 别的生物学功能别的生物学功能，如，如基因、催化剂、激素基因、催化剂、激素等等。等等。 38 Monomeric subunits in linear sequences can spell infinitely complex messages.The number of different se

35、quences 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. 39 组成生命体所有大分子的组成生命体所有大分子的单体亚基往往单体亚基往往 行使不止一种功能行使不止一种功能，如，如核苷酸核苷酸，不仅是，不仅是组组 成核酸的单体成核酸的单体，还是，还是能量载体分子能量载体分子、

36、物质、物质 活化分子及信号分子活化分子及信号分子；氨基酸氨基酸既是既是蛋白质蛋白质 的组成成分的组成成分，还是，还是激素激素、神经递质神经递质、色素色素 和和其他类型生物分子其他类型生物分子的前体。的前体。 40 能量是生物化学的一个中心主题，能量是生物化学的一个中心主题，细胞和生细胞和生 命体依靠源源不断的能量供应来抵抗无情的以命体依靠源源不断的能量供应来抵抗无情的以 最低能量状态的衰减趋势最低能量状态的衰减趋势。信息的储存和表达信息的储存和表达 需要消耗能量，没有能量，富含信息的结构将需要消耗能量，没有能量，富含信息的结构将 不可避免的变得无序和没有意义。与工厂里的不可避免的变得无序和没有

37、意义。与工厂里的 合成一样，细胞中发生的合成一样，细胞中发生的合成反应合成反应需要能量的需要能量的 输入。能量在一个细菌的输入。能量在一个细菌的运动运动、或者一个奥林、或者一个奥林 匹克匹克赛跑选手赛跑选手、或者、或者萤火虫的发光萤火虫的发光、或者一个、或者一个 鳗鲡的放电鳗鲡的放电中被消耗。细胞有一种有效机制可中被消耗。细胞有一种有效机制可 以偶联太阳或燃料的能量来满足生命的需要。以偶联太阳或燃料的能量来满足生命的需要。 41 生物进化中第一个形成的细胞应该是生物进化中第一个形成的细胞应该是油性膜油性膜 包裹的包裹的原始细胞的水溶性分子，使之隔离并允原始细胞的水溶性分子，使之隔离并允 许累积

38、相对高的浓度，许累积相对高的浓度，有机体内所含的分子和有机体内所含的分子和 离子与其环境相比，在类型和浓度上不同离子与其环境相比，在类型和浓度上不同。例。例 如，淡水鱼的细胞与其所处水环境相比所含有如，淡水鱼的细胞与其所处水环境相比所含有 的无机离子的浓度差别很大，蛋白质、核酸、的无机离子的浓度差别很大，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，而只含有比较简单的分子如不存在这些分子，而只含有比较简单的分子如 二氧化碳、分子氧和水。二氧化碳、分子氧和水。只有通过不断地消耗只有通过不断地消耗 能量，鱼才能够建立和维持这种与环

39、境浓度的能量，鱼才能够建立和维持这种与环境浓度的 明显差异明显差异，在鱼死后，鱼的组成分子才渐渐释，在鱼死后，鱼的组成分子才渐渐释 放，与环境保持平衡。放，与环境保持平衡。 42 生命有生命有 机体与机体与 它们所它们所 处的环处的环 境不平境不平 衡，死衡，死 亡和腐亡和腐 烂才回烂才回 复平衡复平衡 43 虽然虽然一个生物体的化学组成在整个时间内几乎一个生物体的化学组成在整个时间内几乎 是恒定的是恒定的，但一个细胞或生物体内的分子群却远，但一个细胞或生物体内的分子群却远 远不是恒稳态。分子通过不断的化学反应被合成远不是恒稳态。分子通过不断的化学反应被合成 和分解，需要不断地向系统输入物质和

40、能量。现和分解，需要不断地向系统输入物质和能量。现 在从你的肺中携带氧到你大脑中的血红蛋白分子在从你的肺中携带氧到你大脑中的血红蛋白分子 是上个月合成的，到下个月，它们将会被降解，是上个月合成的，到下个月，它们将会被降解， 并由新的血红蛋白分子所取代。你刚刚从你食物并由新的血红蛋白分子所取代。你刚刚从你食物 中摄取的葡萄糖现在正在你的血流中循环，在今中摄取的葡萄糖现在正在你的血流中循环，在今 天结束前，这些特定的葡萄糖分子将会被转化为天结束前，这些特定的葡萄糖分子将会被转化为 其他的分子如二氧化碳或脂肪，将会被新来源的其他的分子如二氧化碳或脂肪，将会被新来源的 葡萄糖分子所取代。血液中血红蛋白

41、和葡萄糖的葡萄糖分子所取代。血液中血红蛋白和葡萄糖的 数量几乎是一个恒量，因为数量几乎是一个恒量，因为合成或摄入的速度将合成或摄入的速度将 会与其降解的速度达到平衡会与其降解的速度达到平衡。浓度上的恒定是动。浓度上的恒定是动 力学恒态的结果。力学恒态的结果。 44 45 生命细胞和生物体必须生命细胞和生物体必须作功来保持存活和繁作功来保持存活和繁 殖自身殖自身，细胞成分的不断细胞成分的不断合成合成需要化学能、需要化学能、 逆浓度梯度积累逆浓度梯度积累和和保持盐份保持盐份及各种有机化合及各种有机化合 物涉及物涉及渗透能、肌肉收缩或细菌鞭毛的运动渗透能、肌肉收缩或细菌鞭毛的运动 需要机械能，需要机

42、械能，生物化学研究能量的吸收、转生物化学研究能量的吸收、转 运和消耗过程运和消耗过程，因此需要建立了解生物能学，因此需要建立了解生物能学 的基本原理。的基本原理。 生物体是一个开放体系，与环境交换物质和生物体是一个开放体系，与环境交换物质和 能量，能量，生物体通过两种策略由环境获得能量生物体通过两种策略由环境获得能量： 由环境获取化学燃料并通过氧化得到能量、由环境获取化学燃料并通过氧化得到能量、 由太阳光能吸收能量。由太阳光能吸收能量。 46 47 生物体利用燃料或太阳光的能量构建和生物体利用燃料或太阳光的能量构建和 维持它们的复杂性，特别是结构。维持它们的复杂性，特别是结构。 不论发生化学或

43、物理的任何改变，能量不论发生化学或物理的任何改变，能量 总的是守恒的，但能量的形式可能会变。总的是守恒的，但能量的形式可能会变。 生命有机体的细胞是在恒定的温度下的生命有机体的细胞是在恒定的温度下的 一种化学引擎。一种化学引擎。 48 几乎所有生命有机体都直接或间接地从太阳光几乎所有生命有机体都直接或间接地从太阳光 的辐射能量获得能量的辐射能量获得能量，这种光能发生于太阳中，这种光能发生于太阳中 的热核聚变反应。光合作用细胞吸收光能，用的热核聚变反应。光合作用细胞吸收光能，用 于驱动水分子中的电子到二氧化碳，生成能量于驱动水分子中的电子到二氧化碳，生成能量 丰富的产物如淀粉和蔗糖，并释放分子氧

44、到大丰富的产物如淀粉和蔗糖，并释放分子氧到大 气中去。非光合作用细胞和有机体通过氧化光气中去。非光合作用细胞和有机体通过氧化光 合作用产生的能量丰富的物质获得需要的能量，合作用产生的能量丰富的物质获得需要的能量， 并传递电子到大气氧生成水、二氧化碳及其他并传递电子到大气氧生成水、二氧化碳及其他 终产物，在环境中被再循环。终产物，在环境中被再循环。 事实上事实上所有生物所需要的能量直接或间接地都所有生物所需要的能量直接或间接地都 来自于太阳能来自于太阳能。在氧化还原反应中，。在氧化还原反应中，电子的流电子的流 动成为生命细胞能量转换的基础动成为生命细胞能量转换的基础 。 49 50 51 生命的

45、化学生命的化学，是研究生物体（微生物、植物、动物及，是研究生物体（微生物、植物、动物及 人体等）人体等）化学组成、结构、功能、分离纯化方法；生命化学组成、结构、功能、分离纯化方法；生命 过程中的化学变化及遗传物质信息传递过程中的化学变化及遗传物质信息传递的一门科学。研的一门科学。研 究内容包括究内容包括: : 生物体的生物体的物质组成物质组成、物质的结构物质的结构、功能功能；物质的；物质的分离分离 和分析方法和分析方法；从分子水平上看生物的组成。；从分子水平上看生物的组成。 这些物质在生物体内发生的这些物质在生物体内发生的变化及变化的过程变化及变化的过程。 分子水平上分子水平上的物质的的物质的

46、结构、代谢结构、代谢与客观上的与客观上的生物功能生物功能 及复杂的生命现象之间的关系及复杂的生命现象之间的关系。 1.1.4.4.遗传物质的信息传递及调控遗传物质的信息传递及调控。 52 什么是生物化学什么是生物化学 生物化学的研究对象生物化学的研究对象, , 是生命体内的各类物是生命体内的各类物 质的结构质的结构, , 功能和作用过程与机理。英语中有功能和作用过程与机理。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： 53 德国医生霍佩德国医生霍佩-赛勒赛勒(Ernst Felix Hoppe

47、-Seyler) （1825-1895）1877年为了将生理化学（即生物化学）年为了将生理化学（即生物化学） 建成一门独立的学科，首次提出建成一门独立的学科，首次提出“Biochemie”，译为，译为 英语名词为英语名词为Biochemistry或或Biological Chemistry，即，即 生物化学。他还首次获得纯的卵磷脂及晶体状的血红生物化学。他还首次获得纯的卵磷脂及晶体状的血红 素。首创蛋白质素。首创蛋白质(Proteide)一词。还研究过代谢、叶绿一词。还研究过代谢、叶绿 素和血液。素和血液。 他的学生他的学生Friedrich Miescher（1844-1895）从脓）从脓

48、细胞的细胞核中分离出细胞的细胞核中分离出nuclein（脱氧核糖核蛋白）（脱氧核糖核蛋白） （1871） 他的另一位学生他的另一位学生Albrecht Kossel（1853-1927）因）因 对蛋白质、细胞及细胞核化学的研究获得对蛋白质、细胞及细胞核化学的研究获得1910年诺贝年诺贝 尔生理学或医学奖，他分离到腺嘌呤、胸腺嘧啶、胸尔生理学或医学奖，他分离到腺嘌呤、胸腺嘧啶、胸 腺核苷酸，还分离出组氨酸。腺核苷酸，还分离出组氨酸。 54 我们现在知道我们现在知道, 生命体内的主要物质是生命体内的主要物质是: 蛋白质氨基蛋白质氨基 酸，核酸酸，核酸核苷酸核苷酸，糖类，糖类和和脂类脂类。 还有一类

49、所占比例还有一类所占比例 很小但功能很重要的小分子很小但功能很重要的小分子维生素维生素和和激素激素。在这些分。在这些分 子中子中, 对脂质的研究最早对脂质的研究最早, 19世纪上半叶对其结构就有了世纪上半叶对其结构就有了 较深入的理解。对较深入的理解。对糖糖的结构的认识多半要归功于的结构的认识多半要归功于Emil Fischer从从1884年开始的研究工作。而发酵工业的发展使年开始的研究工作。而发酵工业的发展使 酶学和代谢学有了发展酶学和代谢学有了发展, 化学与医学、生理学的结合则化学与医学、生理学的结合则 导致了导致了维生素维生素、激素激素、必需氨基酸必需氨基酸、必需脂肪酸必需脂肪酸的发现。

50、的发现。 对核酸的认识起步较晚对核酸的认识起步较晚, 在在1870左右才注意到其存在左右才注意到其存在, 19 世纪末又是世纪末又是Emil Fischer对嘌啉进行了较深入的研究对嘌啉进行了较深入的研究, 成成 为我们对核酸结构的理解的开幕。为我们对核酸结构的理解的开幕。 生物化学在生物化学在1920年以后开始进入高速发展期。年以后开始进入高速发展期。 55 现代生物化学从现代生物化学从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； 中间代谢产物的首次发现；中间代谢产物的首次发现； 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； 18

51、48年，肌肉热能来源及肝脏的生糖功能；年，肌肉热能来源及肝脏的生糖功能； 1859年，年，物种起源物种起源； 1865年，孟德尔的豌豆杂交实验和遗传定律；年，孟德尔的豌豆杂交实验和遗传定律； 1877年，年，Biochemistry和和journal of biochemistry; 国际生化研究中心的变迁；国际生化研究中心的变迁； 生物化学的发展趋势；生物化学的发展趋势； 19281928年年 德国德国 Whler NH4CNOCO(NH2)2 56 发展简史（二）：二十世纪的前五十年发展简史（二）：二十世纪的前五十年 2020世纪的前世纪的前3030年：生理学、化学。年：生理学、化学。 营

52、养学营养学的真正的黄金时代。的真正的黄金时代。 2020年代，年代，19261926年美国年美国SumnerSumner从刀豆中得从刀豆中得 到到脲酶的结晶。脲酶的结晶。 3030年代，年代，1933193319361936年年KrebsKrebs提出了著名提出了著名 的的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的学科世纪中期生物化学成为一门独立和成熟的学科 57 发展简史（三）：分子生物学的诞生发展简史（三）：分子生物学的诞生 19501950年年 PaulingPaulin

53、g（美国）等，蛋白质的二级结（美国）等，蛋白质的二级结 构：构： - -螺旋螺旋 19551955年年 SangerSanger（英国）胰岛素一级结构的测定（英国）胰岛素一级结构的测定 19531953年年 WatsonWatson（美国）和（美国）和CrickCrick（英国）（英国） DNADNA双螺旋结构双螺旋结构 DNADNA双螺旋结构的提出使生物化学发展到一个新双螺旋结构的提出使生物化学发展到一个新 的阶段的阶段分子生物学分子生物学阶段阶段 58 核酸的研究进展很快，在核酸一级结构测定和核酸的研究进展很快，在核酸一级结构测定和 核酸人工合成方面取得显著成果。核酸人工合成方面取得显著成

54、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，进入生物工程的研究。年代，进入生物工程的研究。 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年启动了年启动了人类基因组计划人类基因组计划。 20世纪末和世纪末和21世纪初，随着人类基因组全序世纪初，随着人类基因组全序 列测定的基本完成，生命科学进入了列测定的基本完成，生命科学进入了后基因组后基因组 时代时代，产生了，产生了功能基因组学、蛋白质组学、

55、结功能基因组学、蛋白质组学、结 构基因组学构基因组学等。等。 59 60 工业方面：工业方面： 纺织工业纺织工业 制革工业制革工业 食品工业食品工业 石油工业石油工业 发酵工业发酵工业 61 62 63 64 生物化学重大发展年代表生物化学重大发展年代表 1897年年 Buchner 发现酵母细胞质能使糖发酵发现酵母细胞质能使糖发酵 1902年年 Fischer 肽键理论肽键理论 1926年年 Sumner结晶得到了脲酶结晶得到了脲酶,证明酶就是蛋白质证明酶就是蛋白质 1935年年 Schneider将同位素应用于代谢的研究将同位素应用于代谢的研究 1944年年 Avery等人证明遗传信息在核

56、酸上等人证明遗传信息在核酸上 1953年年 Sanger的胰岛素氨基酸序列测定的胰岛素氨基酸序列测定 Waston-Crick提出提出DNA 双螺旋模型双螺旋模型 1958年年 Perutz等解明肌红蛋白的立体结构等解明肌红蛋白的立体结构 1970年年 发现了发现了DNA限制性内切酶限制性内切酶 1972年年 DNA重组技术的建立重组技术的建立 1978年年 DNA双脱氧测序法的成功双脱氧测序法的成功 1990年年 人类基因组计划的实施人类基因组计划的实施,2001年完成年完成,进入进入 后基因组时代后基因组时代 65 比色比色 （colorimetry) (19世纪世纪30-40年代年代)。 电泳电泳(electrophoresis)(1923） 生物大分子的分生物大分子的分 离、分析。离、分析。 超离心超离心(Ultracentrifugation)(1925）蛋白质、）蛋白质、 细胞亚器官的细胞亚器官的 分离；分子量的确定分离；分子量的确定 同位素标记同位素标记(isotope labelling)（1934）物质代）物质代 谢途径、生物大分子结构测定谢途径、生物大分子结构测定 层析层析(chromatography)（1944 ） 生物大分子生物大分子 的分离纯化的分离纯化 X-光衍射、光衍射、NMR 生物大分子结构测定生物大分子结构测定 66 一、一、