生命科学引论：数学、物理、化学知识对生命科学工作者的重要性

1数学、物理、化学知识对生命科学工作者的重要性生命科学引论第二讲医疗农业食品环境养殖制药生物化工遗传与变异个体发育系统发育生物化学分子生物学细胞生物学组织/解剖学动/植物生理学发育生物学免疫学遗传学微生物学植物学动物学进化生物学生态学其他…解决生命科学基本问题的知识架构提纲化学对生命科学的重要性物理对生命科学的重要性数学对生命科学的重要性总结，数理化综合素养的重要性liuofu个体氨基酸、单糖、核苷酸、脂肪酸、甘油等多糖、蛋白质、核酸、脂等超分子复合物细胞器细胞组织器官C,H,O,N,P,S...1.化学对生命科学的重要性是天然的生物体是一架高度组织有序的分子机器；分子间相互作用的复杂性比任何人工机器都高得多；研究构成生物体的分子种类、结构、性质以及这些分子是如何组织成生物体的，仍然是我们理解生命奥秘的基础。liuofu1941～现代生物化学1891～1940酶学时代1840～1890生理化学1800～1839有机化学1772~1799化学革命生物化学酶学哲学生理学化学生理化学有机化学物理学现代生物化学2.看看生物化学(有机化学)是怎样诞生的？liuofuEraof‘ChemicalRevolution’JosephPriestley(普里斯特利，1733～1804)：英国化学家，他的重大贡献在于发现氧和其他气体。1772年发现了CO2，并证明植物可以利用动物的呼吸气体生长。对生物化学作出重要贡献的科学家<1>liuofuEraof‘ChemicalRevolution’Antoine-LaurentLavoisier(拉瓦锡,1743～1794)：法国化学家，1772对燃烧的研究引发所谓的“化学革命”；1777，拉瓦锡认为呼吸是燃烧的一种形式，并观察到阳光下的“greenmatters”在去除燃素的空气中产生气泡。

对生物化学作出重要贡献的科学家<2>liuofuEraof‘ChemicalRevolution’CarlWilhelmScheele(舍勒,1742～1786):瑞典化学家,1784从柠檬汁中发现柠檬酸。其他有机化合物有：酒石酸(1770)、草酸(1776)、乳酸和尿酸(1780)、苹果酸（1785）、没食子酸和焦性没食子酸(1786)、甘油(1783)等对生物化学作出重要贡献的科学家<3>liuofuEraof‘ChemicalRevolution’JanIngenhousz

(英根豪茨1730~1799):荷兰科学家，在英国继续了普里斯特利的实验，发现植物只有在日光下才能放氧，而且仅限于绿色部分，在黑暗中则放出二氧化碳。1796年提出碳酸＋光→有机物＋氧气对生物化学作出重要贡献的科学家<4>liuofuEraofOrganicChemistryFriedrichWöhler

(维勒，1800～1882):德国化学家,1828第一次由无机物氰酸铵合成有机物尿素，第一次冲击了传统的生命力学说。这种学说认为尿素纯粹是动物的产物，由生命力控制产生的，不可能由无机物合成。对生物化学作出重要贡献的科学家<5>liuofuEraofOrganicChemistryTheodorSchwann(施旺

1810-1882)：德国生理学家，细胞学说的创立者之一。1838年提出发酵和腐败是由空气中微小的生物引起的。1839，施旺提出许多疾病与细胞的生理和化学方面有关，首次提出'metabolicphenomena'.

对生物化学作出重要贡献的科学家<6>liuofuEraofOrganicChemistryGerardusJohannesMulder

(穆尔德,1802~1880):荷兰化学家，1839研究了一批蛋白，如卵清白蛋白、血清白蛋白等，得出基本通式：C40H62O12N10。根据瑞典著名化学家贝采里乌斯提议，将这种物质命名为蛋白质。对生物化学作出重要贡献的科学家<7>liuofuEraofPhysiologicalChemistryJuctusvonLiebig

(李比希,1803～1873)：德国化学家，首先提出机体中物质建设和破坏的化学过程称为代谢的定义；出版类似生物化学的专著：DieorganischeChemieinihrerAnwendungaufAgriculturundPhysiologie(有机化学在农业和生理学上的应用,1840);对生物化学作出重要贡献的科学家<8>DieThierchemieoderdieorganischeChemieinihrerAnwendungaufPhysiologieundPathologie(动物化学或有机化学在生理学及病理学上的应用,1842)liuofu诺贝尔生理医学奖和化学奖中的生物化学100次101次38次62次38次63次生物化学生物化学1901～20093.从诺贝尔奖看化学对生命科学的重要性liuofu生物化学领域诺贝尔奖获得者的教育背景1901～2009（共129人/62次）（共64人/38次）12人12人34人41人83人11人提纲化学对生命科学的重要性物理对生命科学的重要性数学对生命科学的重要性总结，数理化综合素养的重要性生物化学领域诺贝尔奖获得者的教育背景1901～2009（共129人/62次）（共64人/38次）12人12人34人41人83人11人1.从诺贝尔奖看化学对生命科学的重要性静态结构晶体衍射X-ray衍射中子衍射电子衍射透射电镜核磁共振(NMR)……..结构变化园二色光谱(CD)红外/拉曼光谱荧光光谱差示量然分析(DSC)电子顺磁共振(EPR)核磁共振(NMR)原子力显微镜(AFM)………2.物理为生命科学研究提供了技术平台看看分子结构研究的技术1953,揭示DNA双螺旋结构1962年Nobel生理医学奖FrancisCrick（1916-2004学物理出身）JamesWatson（1928-学生物出身）MauriceWilkins（1916-2004学物理出身）Franklin’sX-raypictureforDNA22MaxFerdinandPerutz（1914-2002,学物理出身）JohnCowderyKendrew（1917-1997,学物理出身）1958,揭示肌红蛋白的高分辨结构1962年Nobel化学奖2317,699daltons243.物理为深刻理解生命现象提供基础看你对这个问题的理解有多深：被动运输是指物质顺着浓度梯度跨越生物膜的转运方式，包括自由扩散和协助扩散（图左），细胞对葡萄糖的吸收属于协助扩散。“被动”之意是说这种运输没有消耗（额外）能量（ATP等），其实正象拦河水坝上下游的水位落差储存了重力势能一样（图右），物质的跨膜浓度梯度本身也是一种能量储存，但被动运输和通过水坝的水流具有本质的不同。请回答：（1）这种本质的不同是什么？（2）假定我们有办法将一个葡萄糖分子标记为A（图左），那么一段时间后，你在细胞外找到葡萄糖分子A的机会和细胞内找到葡萄糖分子A的机会是否相同？为什么？提纲化学对生命科学的重要性物理对生命科学的重要性数学对生命科学的重要性总结，数理化综合素养的重要性（1）人类的任何知识依靠逻辑形成体系（2）逻辑表达的两种语言描述语言：自然语言，如英语、汉语等定量语言：数学语言（3）生命科学知识不是凌乱的，也有逻辑性逻辑思维能力训练的需要生物信息学等对数学的天然依赖生物统计学生物信息学系统生物学……1822-1884GregorMendel1822年生于奥地利1851～1853年在维也纳大学进修物理和数学1856～1864年开展豌豆杂交实验1865年2月宣读《植物的杂交实验》:分离定律和自由组合定律1900年荷兰的德弗里斯、德国的柯仑斯和奥地利的丘歇马克分别用不同的植物证实了孟德尔的发现为什么孟德尔能发现遗传规律？为什么他的发现被埋没35年？在遗传成为研究热点，植物杂交风行，以豌豆为杂交实验材料不乏其人的背景下，我们自然会问。数学在发现和传播遗传规律中的关键作用流行方法孟德尔方法生命科学研究的典型方式：归纳法，以定性描述为主借鉴物理学、数学：演绎法，现象→假设→推论→验证→理论信奉融合性遗传：遗传因素在子代融合表现提出颗粒性遗传：遗传因素在子代的显、隐性在遗传研究上只对世代性状进行定性的“整体性”描述；不注意同一代群体的个体性状差异，更谈不上对这些差异的定量研究。注意同一代群体的个体性状差异，并对这些差异做定量研究。答案对孟德尔遗传定律的“错误直觉”按照孟德尔的定律，生物的每一个形状，比如说眼睛的颜色，都是由一对基因来控制的。这一对基因中的每一个，可能是显性，也可能是隐性。比如说褐色眼睛是显性的，由基因Ｂ控制，而蓝色眼睛是隐性的，由基因ｂ控制。假如有一对夫妇，一个是褐色眼睛，基因型是ＢＢ，一个是蓝色眼睛，基因型是ｂｂ，那么他们的子女的基因型是杂合体，为Ｂｂ，由于Ｂ是显性，表现为褐色，也就是他们的子女全部为褐色眼。又假定他们的子女自交，则其孙子的基因型分布是一个ＢＢ，两个Ｂｂ，一个ｂｂ，表现型则是三个褐色眼，一个蓝色眼。如此下去，他们的后代中褐色眼的岂不越来越多，蓝色眼的越来越少，最后只剩下褐色眼了？可是现在在西方人口中蓝色眼也不见得就比褐色眼少多少啊？因此孟德尔定律的反对者认为这是荒唐的。一个群体在理想情况（不受特定的干扰因素影响，如非随机交配、选择、迁移、突变或群体大小有限），经过多个世代，基因频率与基因型频率会保持恒定并处于稳定的平衡状态。答案：卡斯特-哈代-温伯格定律假定一对等位基因A和a，基因频率p(A)=x，p(a)=y，x+y＝1，则雌性A(x)a(y)雄性A(x)AA(x2)Aa(xy)a(y)Aa(xy)aa(y2)x2+2xy+y2=(x+y)2=x+y=134生物基因组包装中的数学真核生物的染色体35原核生物（细菌）liguofu36

线性双链DNA（dsDNA）病毒，包括噬菌体、腺病毒、痘病毒、疱疹病毒等，在成熟过程中都有一个将自己的基因组DNA转运到蛋白质衣壳（procapsid）中的包装机制。这一包装机制由ATP驱动的DNA包装马达完成，可以将DNA压缩到接近晶体的密度。目前研究的最深入和最广泛的是Phi29噬菌体的DNA包装马达病毒liguofu37liguofu38liguofu39liguofu40liguofu41数学在哪里？你为什么不问“为什么生物选择螺旋和超螺旋的形式来包装它们的基因组？”42答案提纲化学对生命科学的重要性物理对生命科学的重要性数学对生命科学的重要性总结，数理化综合素养的重要性liguofu44理科数学物理化学生物…………自然科学实验方法、手段定量的逻辑语言小结：理科中的生物学ProteinStructure二级结构