Biochemistry (Biological Chemistry)

1. Biochemistry (Biological Chemistry)

2. 科学的含义和作用

3. 英文为science，源于拉丁文的scio，后来又演变为scientin，最后成了今天的写法，其本意是“知识”、“学问”。日本著名科学启蒙大师福泽瑜吉把“science”译为“科学”［香港创业学院院长张世平：即分类的“知识”、“学问”］。到了1893年，康有为引进并使用“科学”二字。严复在翻译《天演论》等科学著作时，也用“科学”二字。此后，“科学”二字便在中国广泛运用。

4. 什么是科学 词源: to know, to separate one thing from another, to distinguish,to split, to cleave。与中国的“科学”一词的原意相差甚远 (科举之学, 日本人借用, 意为百科之学, 后中国留学生又从日本带回)。

5. 何谓科学？工业的先行者, 疾病的征服者,农业的推进者,宇宙的探索者,自然定律的解谜者，它永远指明着真理的方向（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宇宙，具有内在一致性的谎言（亚瑟·博克私人对话)。 科学知识结构(科学概念、科学理论、科学定律)科学过程、方法(提供探究科学知识的方法)科学本质(科学知识的性质)

6. 科学的内涵 理 论 解释 归纳、演绎 现象、数据 方法/技术 Paradigm 思 维 观察/实验 大 脑

7. Roles of Science True science is amethod of studying nature. Itis a set of rules thatprevents scientists from lying to each other or to themselves. Hypothesesmust be open to testing andmust be revisedin 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 ofintellectual honesty.

8. Harold Varmus 说(1989年诺贝尔生理和医学奖获得者) 科学研究是一项艰苦的工作，如果你不喜欢它，请选择其他领域； 只研究你感兴趣的和你认为重要的问题； 尊敬你的科学老前辈，但不要完全相信他们所说、所写的一切； 请不要忘记科学只不过是人们生活的一部分。

9. 将来从事科学研究工作, 现在读书须掌握三个要素： 书本知识 学科发展史研究方法论

10. 化学及其发展简史

11. 化学发展史-Chemistry的词源 现代化学起源于炼金术(alchemy)。即炼金活动是化学的前史。chemistry一词也来自alchemy, 而alchemy = al (the) + chem, 其中的chem来自中国的“ 金” 的古汉语发音。炼金术在各个古代文明中都占重要位置, 并不是中国特有, 一般而言都是如何将铜, 铅, 锡这样的卑金属变成金、银这样的贵金属的实用学问。在西方, 炼金术从公元前几百年开始到17世纪为止, 延续了2000年；在中国也生存了差不多同样长的时间。

12. 化学发展史-中国的炼金术传到西方 中国的炼金术除了从卑金属得到贵金属以外，还致力于研制长生不老之药“ 金丹”。中国的炼金术随丝绸之路传到了阿拉伯文化圈, 所以有了alchemy这个行业。 西腊文明在欧州历史上曾一度失传, 幸好阿拉伯人继承了其精华(7~14世纪), 11~13世纪十字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, 也顺便将中国的炼金术带进入了西方文明。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、 盐等物质的化学性质有了相当的知识积累。

13. 化学发展史-从炼金术到化学 17世纪，文艺复兴活动使alchemy真正向现代的chemistry过渡。 当时的化学家, 要么是贵族, 要么是业余爱好。与英国Newton同时期的贵族Robert Boyle (1627-1691) 对气体和真空进行了研究, 写了“ The Sceptical Chymist (1661)” 一书,主张诀别带有神秘色彩的炼金术, 而以理性思考的态度来研究化学。他发现了波以尔法则 PV=Const, 实际上就是现代物理化学的起点。1662英国设立了 Royal Society, 1666年 Paris Academia 分别设立, 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。

14. 化学发展史-从气体元素到物质不灭定理 1764 年 CO2 (Black), 1766 年 H2 (Canvendish), 1772年O2(Scheele), 1772年N2 (Ratherford) , 1774年Cl2 (Scheele)分别被发现,空气中含有不同成分的事实被揭示。1774年Lavoisier确立了物质不灭定理, 1777年确立了燃烧理论。此后的化学反应的定比例法则(Joseph Louis Proust, 1799) 及化学元素分析方法的发展, 为有机化学的出现奠定了基础。

15. 拉瓦锡(A．L．Lavoisier，1743—1794)是18世纪法国著名的化学家，被后人誉为“近代化学之父”。他对化学的第一个贡献是从实验的角度验证并总结了“质量守恒定律”；他是化学方程式的发明者；他对化学的最大贡献是揭示了“燃烧”的本质，推翻了统治化学长达百年之久的“燃素说”，建立了科学的“氧化学说”；他非常重视实验和观察，指出：“在任何情况下，都应该使我们的推理受到实验的检验，除了通过实验和观察的自然道路去寻求真理以外，别无他途”；他对化学实验从定性向定量发展，作出了重要的贡献，因此也被誉为“定量化学之父”、“近代化学奠基人”。拉瓦锡(A．L．Lavoisier，1743—1794)是18世纪法国著名的化学家，被后人誉为“近代化学之父”。他对化学的第一个贡献是从实验的角度验证并总结了“质量守恒定律”；他是化学方程式的发明者；他对化学的最大贡献是揭示了“燃烧”的本质，推翻了统治化学长达百年之久的“燃素说”，建立了科学的“氧化学说”；他非常重视实验和观察，指出：“在任何情况下，都应该使我们的推理受到实验的检验，除了通过实验和观察的自然道路去寻求真理以外，别无他途”；他对化学实验从定性向定量发展，作出了重要的贡献，因此也被誉为“定量化学之父”、“近代化学奠基人”。 1763，法学学士 1764，研究化学 1765，候补院士 1768，征税官 1778，正教授 1775，火药局长 1789，入狱 1794，绞刑

16. 化学发展史-有机化学的发展 简单的说, 有机化学就是C、 H、 O和 N的化学。 其发展是必然的, 因为人对生命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, 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成为生物化学研究的起点。 有机化学的发展, 可以从尿素的合成开始。

17. 有机化学发展时间表 1828年 Wohler (德) 从无机盐合成了尿素 1831年 Liebig (德) 有机物元素分析定量法的发明 1840年 有机基团 (group) 的概念的形成 1848年 Pasteur (法) 酒石酸光学异构体的发现 1858年 Kekule (德) C原子的四价理论 1865年 Kekule (德) Benzen环结构的发现 （1869年 元素周期表的确立 ) 1874年 van‘t Hoff (荷) C4的正四面体结构 1884年 Fischer (德) 糖的化学结构研究的开始

18. 弗里德里希·维勒（Friedrch Wohler，1800-1882） ，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。1820年入马尔堡大学。1823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。 在氰酸中加入氨水后蒸干得到的白色晶体并不是铵盐，到了1828年他终于证明出这个实验的产物是尿素。发现了从无机物合成有机物的方法，而被认为是有机化学研究的先锋。在此之前，人们普遍认为：有机物只能依靠一种生命力在动物或植物体内产生；人工只能合成无机物而不能合成有机物。维勒的老师永斯·贝采利乌斯当时也支持生命力论学说，他写信给维勒问他能不能在实验室里“制造出一个小孩来”。后来，还发现同分异构体现象，发现并制备铝等元素单质。

19. 李比希（Justus von Liebig, 1803-1873），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。1826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“李比希刊”。专著《有机化学在生理学和病理学上的应用》。首次提出新陈代谢名词，研究土壤化合物，对脂肪、血液、胆汁和肌肉提取物进行研究。长期与维勒一起工作

20. 费歇尔（ Emil Fischer 1852-1919），他发现了苯肼，对糖类、嘌呤类有机化合物的研究取得了突出的成就，荣获1902年的诺贝尔化学奖。 他的贡献主要有四个方面： 对糖类的研究[1890,合成了12个乙醛糖]； 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； 在化工生产和化学教育上的贡献。

21. 生命的化学

22. 生命元素的诞生 150-200亿年前，宇宙发生了一次热的富含能量的亚原子颗粒的大爆炸，几秒钟内，产生了最简单的元素（H和He）。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。因此经过数十亿年形成了今天的地球及地球上的化学元素。约在40亿年前，生命出现了能从有机化合物或太阳获取能量的简单的微生物，利用这些能量，它们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。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命特征的。

23. 组成生物分子的元素 18世纪后期，化学家们开始认识到组成生命体的物质与无生命的世界差异极大。Antoine Lavoisier（1743-1794）注意到“矿物世界”的简单性，并与复杂的“植物和动物世界”进行了比较，后来他知道，生物组成分子富含碳、氧、氮和磷。

24. 生命元素的丰度 90多种天然元素中只有30种之多的元素对生命有机体是必须的，大多数有机体的组成元素的原子序数相对地低，只有5种元素的原子序数高于硒（34）。有机体中最丰富的4种元素是C、H、O和N，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、三个和四个价键的元素，但最轻的元素形成最强的价键。痕量元素（trace element)代表人体最轻的重量，但对生命却是必须的，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。

25. 组成生命的元素的丰度

26. 生命分子是碳的化合物 生命有机体的化学是围绕着碳被组织起来的。C与H可以形成单键连接，与O和N可以形成单键或双键连接。生物学中C与C可以形成稳定的单键，一个碳原子可以与一个、二个、三个或四个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。 生物分子中共价连接的碳原子可以形成线状的、分支的或环状的结构。

28. 功能基团决定了分子的化学特性 绝大多数生物分子可以看成是碳氢化合物的衍生物，碳氢化合物的骨架非常稳定，氢原子可以被各类功能基团取代生成不同的有机化合物家族，典型的有醇、胺、醛和酮、羧酸等。 多数生物分子是多功能的，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点和反应。化学词语中说某化合物的“个性、性质”,如肾上腺素或乙酰辅酶A，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的。

29. 一些常见的生物分子的功能基团

30. 生物分子中一些常见的功能基团

31. 生命的物质基础 几乎所有生命有机体的有机化合物，形成后都是生物活性物质。这些分子在生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。生物分子可以这样定义或理解：原子之间的结合类型，涉及结合的形式和强度、三维分子结构和化学活性，三维结构在生物化学中特别重要。生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，都是高特异性的。这种特异性靠分子之间的立体互补和静电互补来实现，显著的是，维持三维结构的作用力之中的是非共价作用，单个作用力弱，但有显著的累积效应。

32. 有机体与无生命物质的区别 • 首先是化学复杂性和组织的程度，成千上万种不同的分子组成一个复杂的细胞结构，而无生命物质—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。 • 其次，生命有机体从它们的环境吸收、转化和利用能量，通常是化学营养物或太阳光能，这些能量使得有机体建造和维持它们的复杂结构，并作机械、化学、渗透和其他形式的功。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。

33. 有机体与无生命物质的区别 • 第三，生命有机体有精确的自我复制或自我装配的能力，是生命有机体的精华特征。一个细菌放在无菌的营养培养基中，24小时可以制造出十亿个一样的“子代”细胞，每一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实拷贝。 • 第四，有机体的每一个成分都有一种或一种以上特定的功能。

34. 生物化学以统一的化学术语解释不同的生命形式生物化学以统一的化学术语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，所有有机体在细胞和化学水平上是十分相似的。生物化学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命的组织原理--生命的分子逻辑。虽然生物化学在医学、农业、营养和工业方面提供了重要的前景和实际应用，但其最终的焦点还是关注对生命自身的了解。

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

36. 有限数量的单体组成生命物质 • 大肠杆菌的每个细胞含有几千种不同的有机化合物，包括一千种不同的蛋白质，同样数量的不同的核酸分子及数百种类型不同的糖和脂。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他的低分子量化合物。 • DNA仅由四种不同的单体—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20种不同的氨基酸组成。8种核苷酸组成了所有生物的核酸，20种氨基酸组成了所有生物的蛋白质。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别的生物学功能，如基因、催化剂、激素等等。

37. 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. Foran average-sized protein(L400), S is 20400—an astronomical number.

38. 生命物质单体往往不止一种功能 组成生命体所有大分子的单体亚基往往行使不止一种功能，如核苷酸，不仅是组成核酸的单体，还是能量载体分子、物质活化分子及信号分子；氨基酸既是蛋白质的组成成分，还是激素、神经递质、色素和其他类型生物分子的前体。

39. 生命活动离不开能量供应 能量是生物化学的一个中心主题，细胞和生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。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，细胞中发生的合成反应需要能量的输入。能量在一个细菌的运动、或者一个奥林匹克赛跑选手、或者萤火虫的发光、或者一个鳗鲡的放电中被消耗。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。

40. 有机体与它们的环境永远也不会平衡 生物进化中第一个形成的细胞应该是油性膜包裹的原始细胞的水溶性分子，使之隔离并允许累积相对高的浓度，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。例如，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、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二氧化碳、分子氧和水。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明显差异，在鱼死后，鱼的组成分子才渐渐释放，与环境保持平衡。

41. 生命有机体与它们所处的环境不平衡，死亡和腐烂才回复平衡生命有机体与它们所处的环境不平衡，死亡和腐烂才回复平衡

42. 分子组成反映了一种动力学上的恒稳态 虽然一个生物体的化学组成在整个时间内几乎是恒定的，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数量几乎是一个恒量，因为合成或摄入的速度将会与其降解的速度达到平衡。浓度上的恒定是动力学恒态的结果。

44. 生物从它们的环境转化能量和物质 • 生命细胞和生物体必须作功来保持存活和繁殖自身，细胞成分的不断合成需要化学能、逆浓度梯度积累和保持盐份及各种有机化合物涉及渗透能、肌肉收缩或细菌鞭毛的运动需要机械能，生物化学研究能量的吸收、转运和消耗过程，因此需要建立了解生物能学的基本原理。 • 生物体是一个开放体系，与环境交换物质和能量，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、由太阳光能吸收能量。

46. 热力学第一定律适用于生物体系 • 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。 • 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。 • 生命有机体的细胞是在恒定的温度下的一种化学引擎。

47. 电子流为生物体提供能量 • 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，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，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。 • 事实上所有生物所需要的能量直接或间接地都来自于太阳能。在氧化还原反应中，电子的流动成为生命细胞能量转换的基础 。

49. 生物化学的研究内容 及发展简史

50. 生物化学的定义 生命的化学，是研究生物体（微生物、植物、动物及人体等）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的一门科学。研究内容包括: • 生物体的物质组成、物质的结构、功能；物质的分离和分析方法；从分子水平上看生物的组成。 • 这些物质在生物体内发生的变化及变化的过程。 • 分子水平上的物质的结构、代谢与客观上的生物功能及复杂的生命现象之间的关系。 4.遗传物质的信息传递及调控。