生物化学化学史

生物化学化学史第1页/共42页从化学观点研究植物生理生物化学早期的知识积累阶段生理化学阶段生物化学诞生并从整体水平上研究的阶段分子水平阶段从化学观点研究动物和人体的生理现象对生物体中一些重要物质的发现第2页/共42页公元4世纪，晋朝的葛洪已经用海藻治疗瘿病（甲状腺肿）。公元6世纪，北魏贾思勰记载了在制曲中利用曲的滤液进行酿造，表明对酶的作用已有初步认识。公元7世纪，唐朝孙思邈已知道脚气病是吃精粮的病症，还知道用猪肝治疗夜盲症。公元11世纪，北宋沈括记载了从人尿中提取性激素的方法。至十三四世纪，有用“丹曲”治疗痢疾的方剂。早期的知识积累第3页/共42页

葛洪是东晋道教学者、著名炼丹家、医药学家。医学著作《肘后备急方》，收集了大量救急用的方子。第一次记载了两种传染病：天花和恙虫病。他在炼制水银的过程中，发现了化学反应的可逆性。

人物介绍海藻治疗瘿病第4页/共42页

贾思勰是中国古代杰出农学家，他出生在一个世代务农的书香门第，其祖上就很喜欢读书、学习，尤其重视农业生产技术知识的学习和研究。他将自己积累的许多古书上的农业技术资料、询问老农获得的丰富经验、以及他自己的亲身实践，加以分析、整理、总结，写成农业科学技术巨作《齐民要术》一书。

人物介绍用曲的滤液酿造第5页/共42页

孙思邈是著名的医师与道士，是中国乃至世界史上伟大的医学家和药物学家，被后人誉为“药王”。由于幼年多病，十八岁立志学医，二十岁即为乡邻治病。医德高尚。他认为，医生须以解除病人痛苦为唯一职责，其它则“无欲无求”，对病人一视同仁“皆如至尊”。为我国医药学贡献了24个第一。他在《备急千金要方》中说是他在一百多岁时写的。

人物介绍脚气病吃精粮第6页/共42页

海尔蒙特把食物经过人体时的发酵过程分成六个步骤：一、消化是胃脾产生的酸液起作用；二、消化是胆汁中和；三、消化是胆囊向肠系膜输送已制备好的流体；四、消化在心中产生，其中血液因加入生命精气而变黄；五、消化在脑中把动脉血液转变成生命精气；六、消化在身体各部分用各种酵素从血液中转变成营养素。

在外国，也有了很早对人体内部发生的变化及根据这些变化说明人体机能的观念。如柏拉图的《蒂迈欧篇》和亚里士多德的《气象学》第四卷对生理学、化学、物理学都同等重视。早期的知识积累阶段第7页/共42页

西尔威乌斯认为，生命机体的功能主要由化学活性，特别是体液的酸性或碱性的特征所决定。其中某一个组分过量，就会使身体内的化学过程紊乱，除去过量部分或补足所缺部分就可治愈疾病。

这些是17世纪的化学家或者医疗化学家的观点解释生命现象，所获取的某些成就。但是他们的工作疏浅零散，还谈不上构成生物化学的基本原理。因历史条件所限，不可能有更深入的发展。早期的知识积累阶段第8页/共42页

一、从化学过程研究植物生理

普利斯特里在实验和观察过程中得出一个结论：“这么多动物的呼吸使空气不断受污染，……至少一部分为植物的创造所弥补。”

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摘自柏廷顿著，胡作玄译，《化学简史》124页，商务印书馆，1979年。

1779年英根—霍兹说明绿色植物在阳光作用下放出氧气。

1782年塞纳比尔证明植物在这一过程中吸入二氧化碳。

1845年J.R.迈尔指出植物把太阳光的能量贮存起来，成为向人类提供所需要能量的源泉，找到了能量与光合作用的关系。著名化学家李比希研究出农作物及施肥理论的极为重要的植物营养规律的结论。生理化学第9页/共42页

1824年普劳特指出胃酸就是盐酸。这一观点并没有立刻为人们所接受，因为许多生理学家认为它是乳酸。到1852年经弗.比德尔和卡尔.施密特仔细分析后，证明胃酸的确是盐酸。

1827年英国医生威廉.普劳特发现食物中含有糖、脂肪、蛋白质三种养料。以后，布特列洛夫第一个合成了生命物质之一的糖，切夫留尔分离出脂肪，其后贝特罗合成了脂肪。

二、从化学观点研究动物和人体的生理现象生理化学阶段胃液中的分泌盐酸第10页/共42页1对酶的了解2糖元的发现及气体对动物体的关系3人体与气体氧的关系4维生素的发现5对腺体的初步认识6从激素到胰岛素的发现7抗生素的发现三、对生物体中一些重要物质的发现生理化学阶段第11页/共42页维生素的发现

在什么是标准饮食的问题上，各种观点像现在一样极不相同。曾有人认为几乎不变的单一型饮食对健康最为有利。威廉·斯塔克（公元1740-1770年）指出这种见解不能全部接受。他曾听从本杰明·富兰克林的劝告，只靠面包和水生活了两个月，结果患了严重的坏血症。他改用混合型食物后，症状即告消失。此后不久，他又重做了一次试验，终于引起了致命的后果。生理化学阶段第12页/共42页维生素的发现

公元1816年，法国生理学家弗兰西斯·马根迪

用动物做了这种试验。生理化学阶段蒸馏水+糖蒸馏水+奶油小狗全部死亡一个月一个月他的结论：生命离不开含氮物质第13页/共42页维生素的发现

1881年已发现单纯用高纯度的糖类、脂肪和蛋白质是不适宜的，不久在爪哇发现鸡能患与人的脚气病相似的病，这是由于喂养精米的结果，如果在饲料中加入米糠，症状会减轻。

C.艾克曼认为米糠中含有某种有效的成分。

1901年盖.格里金斯首先指出脚气病是一种营养缺乏病。生理化学阶段第14页/共42页豚鼠（荷兰猪）

到1907年霍尔斯特和弗罗利希证明豚鼠也能得坏血病，这种实验使营养缺乏病的概念从脚气病发展到坏血病。生理化学阶段维生素的发现第15页/共42页

维生素的发现

生理化学阶段

1912年卡西米尔.丰克提出脚气病、坏血病、糙皮病等病症的防治，均需要在食物中补充一些含氮碱的有机化合物。这种胺类是维持生命所必需的药物，他建议叫“维生素”，从此这个名称便流行开来。

1915年美国农艺化学家麦考伦证明鼠类食物至少需要“脂溶素A”和“水溶素B”。

德拉孟特把这种命名与维生素结合起来叫维生素A和维生素B；把抗坏血病的物质叫维生素C，抗佝偻病的物质叫维生素D。第16页/共42页

生理化学阶段

这个阶段的生物化学，实际上是用化学的观点研究生物的生理问题。在探索过程中，从多方面进行工作，分别取得了不少成果。但是还没有从化学的本质上给予系统的解释，仅仅是对生物体中的一些重要化学物质及其作用有了一定的认识和研究，为20世纪前期形成生物化学这门独立的学科奠定了基础。第17页/共42页

20世纪以前的生物化学主要是从生理和病理的角度进行研究，实际上是生理化学。20世纪以来，成为名副其实的生物化学，逐渐从整体水平上的描述性生物化学发展到细胞和亚细胞水平。化学方法的进步对于确定生物体的化学成分,性质和结构的认识起到了很大的推动作用。同时由于各种物理方法的发展和应用，在生物体物质代谢的研究上获得广泛应用，大大促进了生物化学的诞生和发展。生物化学的诞生第18页/共42页生物化学进展的重要标志蛋白质和核酸的研究

蛋白质约占人体干重的一半，是建造细胞或组成器官的基本材料。蛋白质的代谢和功能是生命过程中的重要环节，而核酸则是生命的发育，繁殖和遗传的关键物质。蛋白质的发现核酸的化学发展第19页/共42页

蛋白质的发现蛋白质比核酸的发现早30年，19世纪已发现组成蛋白质的13种氨基酸，其余7种氨基酸是20世纪中期发现的，至此组成蛋白质的20种氨基酸全部被人类所知。

20世纪初化学家E.费歇尔在蛋白质的化学结构研究中做出了杰出贡献。他从1899年开始研究氨基酸及其缩合反应，并称这些缩合产物为多肽。1902年，他提出蛋白质分子是许多氨基酸有肽键相连而成的高分子化合物。1907年他又在实验室合成了含有18个氨基酸的长链。虽然这个肽链中只有两种氨基酸，但是却正确地反映了蛋白质的基本结构。第20页/共42页肽键第21页/共42页赫尔曼·埃米尔·费歇尔德国有机化学家。他合成了苯肼，引入肼类作为研究糖类结构的有力手段,并合成了多种糖类,在理论上搞清了葡萄糖的结构，总结阐述了糖类普遍具有的立体异构现象，用费歇尔投影式描述之。他开拓了对蛋白质的研究，确定了氨基酸通过肽键形成多肽，并成功合成了多肽。1902年费歇尔因对嘌呤和糖类的合成研究被授予诺贝尔化学奖。人物介绍第22页/共42页核酸的化学发展证实核酸是遗传物质核酸的发现遗传因子的研究第23页/共42页核酸的发现1868年，瑞士科学家米歇尔首先从浓细胞核中提取出富含氮和磷的酸性物质。1879—1909年，科赛尔、列文等分析出核酸的4种碱基和两种核糖。经后来研究发现有五种碱基而不是四种。1925—1930年，科赛尔弄清了单核苷酸的结构并证明是它核酸的组成单位。1929年，列文发现核酸有脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）之分。核酸的分子量比较大，一般由几千到几十万个原子组成，分子量可以达11万至几百万以上，是一种生物大分子。第24页/共42页“遗传因子”的研究1、1928年格里菲思（F.Griffith，1877－1941）肺炎双球菌的转化实验肺炎双球菌：R型（无多糖类的荚膜;无毒性;菌落粗糙）

S型（有多糖类的荚膜;有毒性;菌落光滑）R型菌（菌落粗糙、无毒性）S型菌（菌落光滑、有毒性）多糖类荚膜第25页/共42页2、1944年，艾弗里等报告肺炎双球菌的转化实验，证明转化因子是DNA而不是蛋白质。实验过程：（实验.SWF）第26页/共42页艾弗里

1944年，66岁的艾弗里发表了一篇令人信服的DNA论文，代表了他学术生涯的最高水平。艾弗里等人的实验不仅揭开了“格里菲思之谜”，并且在世界上第一次证明遗传基因就在DNA上。但当时遗传学界的主流观点是蛋白质承担着遗传信息载体的作用，大多数人并不接受艾弗里的发现。第27页/共42页20世纪30年代末到50年代初，德尔伯吕克发现噬菌体比细菌还小，只有蛋白质外壳和DNA,构造简单，繁殖快，是研究基因自我复制的最好材料1952年赫希尔和蔡斯用同位素示踪法，用32P标记DNA,35S标记蛋白质外壳，有力的证明了遗传物质是DNA。DNA组成元素:CHONP蛋白质主要元素:CHON,还有S证明核酸是遗传物质第28页/共42页

20世纪前半期的生物化学在形成后迅速得到发展，并且在一些重要的化学物质方面取得成果，特别是对蛋白质与核酸的认识，开始接触到生命的化学本质。

20世纪50年代初期，科学文献上出现了“分子生物化学”的名词，生物化学进入分子水平阶段是以20世纪50年代初肯定DNA双螺旋结构为标志的。

分子水平的生物化学第29页/共42页1.前奏曲1951年底，女物理学家富兰克林拍到了一张十分清晰的DNA的X射线衍射照片。1951年，波林(1954年诺贝尔化学奖得主)，发现蛋白质肽链的螺旋结构。1952年，美国化学家鲍林发表了关于DNA三链模型的研究报告，这种模型被称为α螺旋模型。当时已经知道DNA的化学成分：脱氧核糖(D)，磷酸(P)和四种有机碱：腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)和胞嘧啶(C)。

20世纪50年代初，英国科学家威尔金斯等用X射线衍射技术对DNA结构进行潜心研究，意识到DNA是一种螺旋结构。知识的积累DNA结构的发现第30页/共42页2.一次学术讨论会

1952年，在意大利的一次学术讨论会上威尔金斯、富兰克林与沃森等讨论了鲍林的模型。威尔金斯出示了富兰克林(女)在一年前拍下的DNAX射线衍射照片。

沃森看到DNA的内部的螺旋形的结构后，他立即产生了一种新概念：DNA不是三链结构而应该是双链结构。他们继续循着这个思路深入探讨，极力将有关这方面的研究成果集中起来。第31页/共42页

3.志同道合从事研究这次会后，沃森和好朋友克里克根据各方面对DNA研究信息的分析和他们自己的研究结果，得出一个共识：DNA是一种双链螺旋结构。这真是一个激动人心的发现！

沃森和克里克立即行动，马上在实验室中联手开始搭建DNA双螺旋模型。从1953年2月22日起开始奋战，他们夜以继日，废寝忘食，终于在同年3月7日，将他们想像中的DNA模型搭建成功了。随即确定了DNA的双螺旋结构，并因此而获得诺贝尔生理学或医学奖。沃森克里克第32页/共42页DNA模型第33页/共42页蛋白质与核酸的合成蛋白质的合成：1.英国化学家桑格（1918-）等人从1946年开始蛋白质合成的研究，至1955年终于搞清胰岛素内51个氨基酸的排列顺序，确定了胰岛素的分子结构。桑格因此获得1958年诺贝尔化学奖。2.20世纪50年代后又分离出生物体内起免疫作用的γ-球蛋白等20多种蛋白质。3.1958年，我国科学工作者着手合成蛋白质的工作，经过7年不懈努力，于1965年9月在世界上首次人工合成了结晶牛胰岛素。英国化学家桑格（1918-）第34页/共42页核酸的合成：1.1955年英国科学家托德确定核苷酸的结构，合成了低分子的核苷酸，因此而获得1957年诺贝尔化学奖。2.美籍印度科学家霍拉纳从1958年开始研究核酸的化学合成，至1972年成功地合成了酵母菌丙氨酸的tRN的基因，1976年他们有合成了第一个具有生物活性的基因-大肠杆菌络氨酸tRNA前提基因。

第35页/共42页那么蛋白质的合成与核酸的结构有什么关系呢？第36页/共42页遗传密码自从发现了DNA的结构，科学家便开始致力于研究有关制造蛋白质的秘密。1956年伽莫夫指出需要以三个核酸一组才能为20个氨基酸编码。1961年，美国国家卫生院的马太与马歇尔·沃伦·尼伦伯格破解了首个密码子（UUU->Phe）。同年，雅各布，莫诺提