复旦大学课件-生物化学序论

1、Copyright 1999-2011主要内容主要内容 科学的含义及作用科学的含义及作用 化学及其发展简史化学及其发展简史 生命的化学特征生命的化学特征 生物化学及其发展简史生物化学及其发展简史 课程介绍课程介绍古希腊时代的智者们也不知道古希腊时代的智者们也不知道“科学科学”是什么，他们把人类对自然是什么，他们把人类对自然的认知体系叫做的认知体系叫做Philosophia（哲学），（哲学），表明他们是一些不爱美女表明他们是一些不爱美女爱爱（Philo）智慧智慧(sophia)的一族。中国先哲也不知的一族。中国先哲也不知道道“科学科学”是何方圣教，他们把对自是何方圣教，他们把对自然的认识过程叫做

2、然的认识过程叫做“格物格物”，把他们，把他们格出来的东西叫做格出来的东西叫做“大道大道”或或“天天理理”，“存天理灭人欲存天理灭人欲”，就是多去就是多去格物而少爱美女的意思。格物而少爱美女的意思。 科学的英文为科学的英文为science，源于拉丁文，源于拉丁文的的scio，后来又演变为，后来又演变为scientia，本意是，本意是对自然的认识对自然的认识，最后成了今天的写法，最后成了今天的写法，表示表示“知识知识”、“学问学问”。日本著名。日本著名科学启蒙大师科学启蒙大师福泽谕吉福泽谕吉把把“science”译译为为“科学科学”（分科之学），香港创业（分科之学），香港创业学院院长张世平：即分类

3、的学院院长张世平：即分类的“知识知识”、“学问学问”。到了。到了1893年，年，康有为康有为引进引进并使用并使用“科学科学”二字。二字。严复严复在翻译在翻译天演论天演论等科学著作时，也用等科学著作时，也用“科科学学”二字。此后，二字。此后，“科学科学”二字便在二字便在中国广泛运用。中国广泛运用。 : 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( (那时在中国指那时在中国指科举之学科举之学, , 日本人借用日本人借

4、用, , 意为百科之学意为百科之学, , 后中国后中国留学生又从日本带回留学生又从日本带回) )。 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, ,自然定自然定律的解谜者律的解谜者，它，它永远指明着真理的方向永远指明着真理的方向（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科学只不过是一套人们有计划地解释宇有计划地解释宇宙，具有内在一致性的谎言宙，具有内在一致性的谎言（亚瑟（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、

5、科学理论、科学定律科学定律) ) 科学过程、方法科学过程、方法( (提供探究科学知识的提供探究科学知识的方法方法) ) 科学本质科学本质( (科学知识的性质科学知识的性质) ) 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ParadigmTrue 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

6、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. “科学科学”一词的含义可以从以下几

7、个方面加以概括：一词的含义可以从以下几个方面加以概括：一、从科学的本意上讲，一、从科学的本意上讲，科学就是知识，知识就是科科学就是知识，知识就是科学学。二、从福泽瑜吉首创科学一词的意思上讲，科学。二、从福泽瑜吉首创科学一词的意思上讲，科学是是分门别类之学分门别类之学。三、按照苗力田的说法，。三、按照苗力田的说法，“科学是科学是目的不是手段目的不是手段”，是，是“关于永恒和必然的认识关于永恒和必然的认识”。这。这与严复关于与严复关于“学者，考自然之理，立必然之例，术者，学者，考自然之理，立必然之例，术者，据已知之理，求可成之功据已知之理，求可成之功”之说相近。这是之说相近。这是近代中国近代中国人

8、对科学最准确的解释人对科学最准确的解释，也是对科学与技术这两个词，也是对科学与技术这两个词最恰当的界定。四、综合以上意思，再结合英国人罗最恰当的界定。四、综合以上意思，再结合英国人罗素关于科学是素关于科学是“确切的知识体系确切的知识体系”之说，科学的定义之说，科学的定义或解释应当是：科学就是或解释应当是：科学就是确切的、系统的、分门别类确切的、系统的、分门别类的、理论性的知识体系的、理论性的知识体系。 科学研究是一项艰苦的工作，科学研究是一项艰苦的工作，如果你如果你不喜欢它，请选择其他领域不喜欢它，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的你认为重要的问问题；题； 尊敬

9、尊敬你的科学老前辈，但你的科学老前辈，但不要完全相不要完全相信信他们所说、所写的一切；他们所说、所写的一切； 请不要忘记科学请不要忘记科学只不过是人们生活的只不过是人们生活的一部分一部分。1939.12.18日出生于纽约，他的第日出生于纽约，他的第一个抱负是一个抱负是文学文学，他从，他从Amherst学学院和哈佛大学获得院和哈佛大学获得A.B.学位和学位和M.A.学位，在哈佛大学，他学的是学位，在哈佛大学，他学的是古诗古诗词和玄学派诗歌词和玄学派诗歌。他曾经打算将文。他曾经打算将文学作为自己一生的职业，但下面这学作为自己一生的职业，但下面这种想法使他改变了初衷：英语教授种想法使他改变了初衷：英

10、语教授缺课时，学生们多半会感到如释重缺课时，学生们多半会感到如释重负，而医生不能如约诊病，病人会负，而医生不能如约诊病，病人会非常不安。非常不安。1966年，他从哥伦比亚年，他从哥伦比亚医学院获得医学博士学位，当阅读医学院获得医学博士学位，当阅读了了Jacque Monod 和和Francois Jacob有关细菌的基因控有关细菌的基因控制论文后，制论文后，Varmus知道，基础研知道，基础研究才是自己的未来。究才是自己的未来。Varmus与长期的合作伙伴与长期的合作伙伴J. Michael Bishop共同提共同提出了一种癌症发生的新理论：出了一种癌症发生的新理论：癌症这种疾病的产生是由于癌

11、症这种疾病的产生是由于我们人体正常基因中的某些我们人体正常基因中的某些基因发生了变异的结果，这基因发生了变异的结果，这些变异或者由外来致癌因子些变异或者由外来致癌因子引起，或者是因人体细胞在引起，或者是因人体细胞在分裂和分裂和DNA复制过程中出复制过程中出现的差错所致。现的差错所致。 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 现代化学起源于现代化学起源于炼金术炼金术(alchemy)，炼金活动，炼金活动是化学的前史。是化学的前史。chemistry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

12、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、铅、如何将铜、铅、 锡等卑金属变成金、银锡等卑金属变成金、银等贵金属等贵金属的实用学问。在西方的实用学问。在西方, 炼金术从公元前炼金术从公元前几百年开始到几百年开始到17世纪为止世纪为止, 延续了延续了2000年，在中年，在中国也生存了差不多同样长的时间国也生存了差不多同样长的时间。中国的炼丹术中国的炼丹术，中国由奴隶社会转入封建社会，生产普，中国由奴隶社会转入封建社会，生产普遍获得了发展，其中酿造、制陶、采矿

13、、冶金等工业都遍获得了发展，其中酿造、制陶、采矿、冶金等工业都迅速发展起来。由于生产的发展，统治阶级不仅希望提迅速发展起来。由于生产的发展，统治阶级不仅希望提高物质享受，而且希望高物质享受，而且希望。炼丹术就应运而生。炼丹术就应运而生。秦始皇秦始皇统一六国之后，曾派人到海上统一六国之后，曾派人到海上求仙人不死求仙人不死之药。之药。汉武帝汉武帝本人就热衷于本人就热衷于神仙和长生不死神仙和长生不死之药。这时炼丹术之药。这时炼丹术兴起来了，不仅是兴起来了，不仅是寻找寻找自然界的长生不死之药，而且要自然界的长生不死之药，而且要炼制炼制长生不死之药。到了长生不死之药。到了东汉东汉炼丹术得到进一步发展，炼

14、丹术得到进一步发展，出现了著名的炼丹术家出现了著名的炼丹术家魏伯阳魏伯阳，著书，著书周易参同契周易参同契以以阐明长生不死之说。晋代炼丹述家阐明长生不死之说。晋代炼丹述家陶弘景陶弘景著书著书真诰真诰。唐代，炼丹术跟道教结合起来而进入全盛时期，炼丹术唐代，炼丹术跟道教结合起来而进入全盛时期，炼丹术家家孙思邈孙思邈，著作，著作丹房诀要丹房诀要。这些炼丹术著作都有不。这些炼丹术著作都有不少化学知识，据统计共有少化学知识，据统计共有化学药物六十多种化学药物六十多种，还有许多，还有许多关于化学变化的记载。在炼丹中已经出现了关于化学变化的记载。在炼丹中已经出现了分解反应、分解反应、化合反应和置换反应化合反应

15、和置换反应。 中国的炼金术除了从中国的炼金术除了从卑金属得到贵金属卑金属得到贵金属以外，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”-炼丹术。炼丹术。 中国的炼金术随丝绸之路传到了中国的炼金术随丝绸之路传到了阿拉伯阿拉伯文化圈文化圈, 所以有了所以有了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, 也也顺便将中国的炼金术带进

16、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。 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体和真空进行了研究研究, 写了写了“

17、The Sceptical Chymist (1661)” 一书一书, 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, 而而以理性思考以理性思考的态度来研究化学的态度来研究化学。他发现了。他发现了波义耳法则波义耳法则 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土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。壤，这是化学与炼金术诀别的标志。 罗伯特罗伯特波义耳（波义耳（Robert Boyle

18、，1627.1.251691.12.30），爱尔兰自然哲），爱尔兰自然哲学家，在化学和物理学研究学家，在化学和物理学研究上都有杰出贡献。虽然他的上都有杰出贡献。虽然他的化学研究仍然带有炼金术色化学研究仍然带有炼金术色彩，他的彩，他的怀疑派的化学家怀疑派的化学家一书仍然被视作化学史上的一书仍然被视作化学史上的里程碑。他曾研究过里程碑。他曾研究过气体物气体物理学、气象、热学、光学、理学、气象、热学、光学、电和磁、无机化学、分析化电和磁、无机化学、分析化学、化学、工艺、物质结构学、化学、工艺、物质结构理论以及哲学、神学理论以及哲学、神学。其中。其中成就突出的主要是成就突出的主要是化学化学。 1764

19、 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, 为有机化学的出现为有机化学的出

20、现奠定了基础。奠定了基础。 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“氧化学说氧化学说”；他非常重视实验和观察，；他非常重视实验

21、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，正教授，正教授1775，火药局长，火药局长1789，入狱，入狱1794，

22、绞刑，绞刑 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, 可以从可以从尿素的合成尿素的合成开始。开始。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

23、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) 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

24、的开始 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

25、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（Friedrich 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。1820年入马年入马尔堡大学。尔堡大学。1828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，后又去学位，后又去贝采里乌斯贝采里乌

26、斯留学一年。留学一年。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在德国建立在德国建立李比希实验室李比希实验室，首创，首创在大学教授化学实验在大学教授化学实验，创刊了，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。首次提出。首次提出新陈代新陈代谢谢名词，研究土壤化合物，对脂肪、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

27、工作长期与维勒一起工作费歇尔（费歇尔（ Emil Fischer 1852-1919），他发现了），他发现了苯肼苯肼，对，对糖酶、糖酶、氨基酸、嘌呤、蛋白质氨基酸、嘌呤、蛋白质的研究取的研究取得了突出的成就，荣获得了突出的成就，荣获1902年的年的诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。他的贡献主要有四个方面：他的贡献主要有四个方面：对对糖类糖类的研究的研究1890，合成了，合成了12个己醛糖个己醛糖 对对嘌呤嘌呤类化合物的研究类化合物的研究 对对蛋白质蛋白质，主要是，主要是氨基酸、多肽氨基酸、多肽的研究的研究 在在化工生产和化学教育化工生产和化学教育上的贡献上的贡献1852年年10月月9日，费歇尔生于德

28、国波恩附近的奥斯吉城镇日，费歇尔生于德国波恩附近的奥斯吉城镇商人家商人家庭庭，1869年春以全班第一名的成绩中学毕业。酷爱数学和物理学。年春以全班第一名的成绩中学毕业。酷爱数学和物理学。父亲的评价：父亲的评价：“这孩子这孩子太笨太笨，不是经商做买卖的料不是经商做买卖的料，还是继续读，还是继续读书吧书吧” 。父亲对我和堂弟奥托。父亲对我和堂弟奥托费歇尔的职业选择起了决定性作费歇尔的职业选择起了决定性作用用” 。 1871年春进入波恩大学年春进入波恩大学(著名有机化学家著名有机化学家凯库勒凯库勒任化学教任化学教授）。授）。1872年秋，二人转学到古老的斯特拉斯堡大学年秋，二人转学到古老的斯特拉斯堡

29、大学 ，遇上了良，遇上了良师益友师益友拜耳拜耳(A.Von Baeyer)。 1874年在拜耳的指导下完成论文年在拜耳的指导下完成论文“有色物质的荧光和苔黑素有色物质的荧光和苔黑素”，获博士学位，获博士学位(该校有史以来该校有史以来最年轻最年轻的博士的博士)。毕业后留校任助教，不久发现。毕业后留校任助教，不久发现苯肼苯肼。1892年年(40岁岁)，受，受聘柏林大学化学教授聘柏林大学化学教授 （教育部提议凯库勒、拜耳和费歇尔为霍夫（教育部提议凯库勒、拜耳和费歇尔为霍夫曼继任候选人曼继任候选人 ）。在柏林大学继续从事）。在柏林大学继续从事糖和嘌呤糖和嘌呤的研究，并开始的研究，并开始转向新的研究领域

30、转向新的研究领域蛋白质和酶化学，蛋白质和酶化学，奠定了现代蛋白质和酶化奠定了现代蛋白质和酶化学的基础学的基础。1902年，费歇尔因研究嘌呤和糖的卓越成就获诺贝尔年，费歇尔因研究嘌呤和糖的卓越成就获诺贝尔化学奖。四次任德国化学会主席，八次任副主席之职，是普鲁士化学奖。四次任德国化学会主席，八次任副主席之职，是普鲁士科学院院士。科学院院士。 1914年第一次世界大战爆发，被政府任命为煤焦油年第一次世界大战爆发，被政府任命为煤焦油产品生产委员会主席和氮肥增产委员会主席。产品生产委员会主席和氮肥增产委员会主席。1919年年7月月15日，日，一代科学伟人在柏林自己的寓所里服下一代科学伟人在柏林自己的寓所

31、里服下氢氰酸自杀身亡氢氰酸自杀身亡，终年，终年66岁。岁。 自我复制（自我复制（self-replication） 自我装配（自我装配（self-assemble） 自我调节（自我调节（self-regulation）The main features of the living matters1. A high degree of chemical complexity andmicroscopic organization.2. Metabolize-extract, transform, and use nutrients and energy from their environmen

32、t3. Respond (adapt and survive) by finding energy and raw materials through interacting with their surroundings4. Self replicate and self assembly (reproduce and perpetuate)5. Evolve and diversify(a) microscopiccomplexity(b) energy comsumption,food chain(c) reproduction捕蝇草可以在捕蝇草可以在0.5秒的时间内捕获昆虫，秒的时间内

33、捕获昆虫， 并分泌消化酶消化并分泌消化酶消化昆虫以获得营养。昆虫以获得营养。含羞草羽状的叶片，轻触和摇动可使叶片很快合拢和下垂。含羞草羽状的叶片，轻触和摇动可使叶片很快合拢和下垂。Garden of Eden (diversity and unity) 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

34、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

35、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命特征的。命特征的。 The origin of the universe 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。 90多种天然元素中只有多种天然元素中只有30种之多的

36、元素对生命种之多的元素对生命有机体是必需的有机体是必需的，大多数有机体的组成元素的原，大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

37、，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。 生命有机体的化学是生命有机体的化学是围绕着碳被组织围绕着碳被组织起来的。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

38、他碳原子形成稳定单键，两个碳原子可其他碳原子形成稳定单键，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。 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

39、生物分子是多功能多功能的，含有两个或更多个的，含有两个或更多个不同的功能基团，不同的功能基团，每一种基团都有其自身的特每一种基团都有其自身的特点和反应点和反应。化学词语中说某化合物的。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，就是由其功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。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 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物进化

40、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，显著的是，著的是，维持

41、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。 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粘土、沙子、岩石、海水，通粘土、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、转化和利用能量和利用能量，通常是，通常

42、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。 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，24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

43、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。 生物化学以生物化学以统一的化学术语言统一的化学术语言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

44、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。 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分子由C原子原子与其与其他他C原子原子或者或者H原子、原子、O原子或原子或N原子共价原子共价连

45、接而成，碳原子的特殊结合特性允许形连接而成，碳原子的特殊结合特性允许形成一大类不同的分子，有机化合物的分子成一大类不同的分子，有机化合物的分子量（也称相对分子质量）低于量（也称相对分子质量）低于500，如氨基，如氨基酸、核苷酸和单糖，被称为大分子如蛋白酸、核苷酸和单糖，被称为大分子如蛋白质、核酸及多糖的质、核酸及多糖的单体亚基单体亚基。一个单个的。一个单个的蛋白质分子可能含有蛋白质分子可能含有1000或更多个氨基酸或更多个氨基酸残基，脱氧核糖核酸（残基，脱氧核糖核酸（DNA）可能有数百）可能有数百万个核苷酸组成。万个核苷酸组成。 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

46、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仅由仅由四种四种不同的单体不同的单体脱氧核糖核苷酸脱氧核糖核苷酸组成，组成，RNA也只有也只有四种四种不同的不同的核苷酸核苷酸组成。组成。蛋白质蛋白质由由20种种不同的不同的氨基酸氨基酸组成。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

47、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单体亚基序列序列及大分子的及大分子的空间排列空间排列形成了大分子特形成了大分子特别的别的生物学功能生物学功能，如，如基因、催化剂、激素基因、催化剂、激素等等。等等。 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

48、(N) and the length of the linear sequence(L): S=NL. For an average-sized protein(L 400), S is 20400an astronomical number. 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、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

49、其他类型生物分子其他类型生物分子的前体。的前体。 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命体依靠源源不断的能量供应源源不断的能量供应来来抵抗无情的以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。能量在一个输入。能量在一个细菌的运动细菌的运动、或者一个奥林、或者一个

50、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以来满足生命的需要。来满足生命的需要。 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，原始细胞的水溶性分子，使之隔离并允使之隔离并允许累积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

51、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。 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

52、亡和腐烂才回烂才回复平衡复平衡 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。远不是恒稳态。分子通过不断的化学反应被合成分子通过不断的化学反应被合成和分解和分解，需要，需要不断地向系统输入物质和能量不断地向系统输入物质和能量。现。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

53、。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。 生命细胞和生物体必须生命细胞和生物体必须作功来

54、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

55、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。 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。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

56、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

57、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 。 生命的化学生命的化学，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；生命物质的结构、功能及分离纯化化学组成；生命物质的结构、功能及分离纯化方法；生命过程中的化学及能量变化；遗传物质的信息方法；生命过程中的化学及能量变化；遗传物质的信息传递及调控传递及调控的一门科学。研究内容包括的一门科学。研究内容包括: :生物体的生物体的物质组成物质组成、物质的结构物质的

58、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。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

59、有Biochemistry 和和Biological chemistry 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： 1903年年Neuberg提出提出“ “生物化学生物化学” ”一词一词 静态生物化学静态生物化学 动态生物化学动态生物化学 机能生物化学机能生物化学Chemistry 1877年，德国医生年，德国医生霍佩霍佩-赛勒赛勒(Ernst Felix Hoppe-Seyler)（1825-1895）为了将）为了将生理化学生理化学建成一门独立的建成一门独立的学科，首次提出学科，首次提出“Biochemie”，译为英语名词为，译为英语名词为Biochemistry或或Bio

60、logical Chemistry，即生物化学。，即生物化学。他还首次获得纯的他还首次获得纯的卵磷脂卵磷脂及晶体状的及晶体状的血红素血红素。首创。首创蛋蛋白质白质(Proteide)一词。还研究过代谢、叶绿素和血液。一词。还研究过代谢、叶绿素和血液。 他的学生他的学生Friedrich Miescher（1844-1895）从脓）从脓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1