生物学中的化学课件

1、生物学中的化学主讲人：朱修援 副教授办公室：学校科研处（黄金校区行政楼311室）电 话13979794515E- mail： 化学是一门承上启下的中心科学。科学可按照它的研究对象由简单到复杂的程度分为上游、中游和下游。数学、物理学是上游,化学是中游,生命、材料、环境等朝阳科学是下游。上游科学研究的对象比较简单,但研究的深度很深。下游科学的研究对象比较复杂,除了用本门科学的方法以外,如果借用上游科学的理论和方法,往往可收事半功倍之效。化学是中心科学,是从上游到下游的必经之地,永远不会像有些人估计的那样将要在物理学与生物学的夹缝中逐渐消亡。 报刊上常说20世纪发明了六大

2、技术: 包括无线电、半导体、芯片、集成电路、计算机、通讯和网络等的信息技术; 基因重组、克隆和生物芯片等生物技术; 核科学和核武器技术; 航空航天和导弹技术; 激光技术; 纳米技术。还有一个重要的技术：化学合成(包括分离技术 化学与八大朝阳科学之间产生了许多重要的交叉学科,但化学家非常谦虚,在交叉学科中放弃冠名权。例如“生物化学”被称为“分子生物学”,“生物大分子的结构化学”被称为“结构生物学”,“生物大分子的物理化学”被称为“生物物理学”,“固体化学”被称为“凝聚态物理学”,溶液理论、胶体化学被称为“软物质物理学”,量子化学被称为“原子分子物理学”等。 人类基因计划的主要内容之一实际上是基因

3、测序的分析化学和凝胶色层等分离化学,但社会上只知道基因学,看不到化学家在其中有什么作用。再如分子晶体管、分子芯片、分子马达、分子导线、分子计算机等都是化学家开始研究的,但开创这方面研究的化学家却不提出“化学器件学”这一新名词,而微电子学专家马上看出这些研究的发展远景,并称之为“分子电子学”。 21世纪生物学的重大难题和奋斗目标： 后基因组学和人类疾病的消除。 蛋白质组学。 脑科学。 生物如何进化？生命如何起源等。这一切的发展离不开化学科学的发展与同行。生命现象的化学机理 充分认识和彻底了解人类和生物的生命运动的化学机理，是21世纪化学亟待解决的重大难题。 (1)研究配体小分子和受体生物大分子相

4、互作用的机理，这是药物设计的基础。(2)化学遗传学为哈佛大学化学教授Schreiber所创建。他的小组合成某些小分子，使之与蛋白质结合，并改变蛋白质的功能，例如使某些蛋白酶的功能关闭。这些方法使得研究者们不通过改变产生某一蛋白质的基因密码就可以研究它们的功能，为开创化学蛋白质组学，化学基因组学(与生物学家以改变基因密码来研究的方法不同)奠定基础。(3)搞清楚光合作用、生物固氮作用，以及牛、羊等食草动物胃内酶分子如何把植物纤维分解为小分子的反应机理，为充分利用自然界丰富的植物纤维资源打下基础。课程考察医学论文写作要求方法和体裁1医学论文的基本要求11创新性医学论文的创新性是指文章要有新意，论文有

5、无创新，选题是关键。 理论创新：理论方面的选题应有创新见解； 应用创新：如李斯特运用了巴斯德关于微生物的发现提出了手术中的消毒措施，挽救了许多病人的生命。 方法创新：还包括研究方法方面的改进或突破；12科学性医学论文是临床和医学科学研究工作的客观反映，其写作的具体内容应该是取材客观真实、主题揭示本质、科研设计合理、论证科学严谨、表达逻辑性强、经过实践检验。所以，严格遵守选题的科学性原则，是医学论文写作的生命。1.3可行性所谓选题的可行性，是指能够充分发挥作者的综合条件和可以胜任及如期完成医学论文写作的把握程度。选题切忌好高鹜远，脱离实际，但也不应过低，影响主客观的正常发挥，降低了医学论文的水平

6、。 1.4实用性撰写医学论文的目的是为了交流及应用。要从实际出发，选择够指导科研、指导临床、造福人类的主题，因此，选题的实用性尤为重要。创新性原则是灵魂，科学性原则是基础，可行性原则是保证。 2 科研如何创新知识创新都有前因后果，来龙去脉。故而勤奋学习，建立知识框架，积累深厚基础；加上追根到底，万事逼问为什么的好奇心，就是创新的源泉。前者是学，后者是问。学而不问则殆，问而不学则茫。学而问，问而思，思而行，行而果，这就是创新。如果你梦想要做一个科学家，那么勤奋学习就是实现你的梦想之“舟”。但舟有快如宇航飞机，慢如蜗牛。所以勤奋必须是高效率的勤奋，不要去做“磨擦生热”的“无用功”，更不要做“负功”

7、。在科学研究中常常会遇到“山穷水尽疑无路”时，粗心大意的人很容易放过这种机遇。只有具有敏锐眼光和扎实基础的科学家才能抓住它，取得重大的突破。实际的学科基础是金字塔，有比较广的知识，但是又要有塔尖，有高度，也就是你的专业知识高度。但是一条竹竿是站不直的，所以你除了“高”，还要有一些“宽”。 作业一、主题：在生物学与化学结合的领域，选取一个明确的主题，进行文献综述。二、正文：最少2000字，增加一名作者，增加1000字，最多5000字，即4人合作。需要言之有理，自成体系。三、参考资料：最少3篇，增加一名作者，增加一篇参考资料。四、可使用百度、Google等搜索引擎进行主题搜索，进行综合。五、使用w

8、ord文档编辑。六、时间：截止2009年12月30日第一讲 元素、生物学中重要的小分子第二讲 生物体内的一些金属第三讲 化学热力学与动力学第四讲 生物分离技术与分子鉴定第五讲 生物分子的化学合成第六讲 谱学1. 元素1.1 元素周期律原子结构：原子由含质子和中子的原子核以及包围在原子核外的电子组成。原子轨道：围绕原子核运动的电子所占据的空间区域，如：1s、2s、2p、3p、4d、5f；字母表明轨道的形状，数字表示电子层。周期性：元素的性质如价态和电负性随原子序数的变化呈现规则性的变化。1.2 电子排布能量最低原理：电子在原子或分子轨道上的排列叫做电子排布。应最先排满最低能量的轨道。保里不相容原

9、理：每个轨道最多排布两个电子，且自旋相反。洪特规则：当电子层具有两个及以上简并轨道时，电子将分别占据轨道直到半充满轨道。1.3 同位素1.3.1 定义：具有相同的质子数而中子数不同的原子互称同位素。1.3.2 摩尔：一摩尔任何元素或者化合物含有的基本单位数与12.0000克碳-12所含有的原子数目相等。1.3.3 稳定同位素：在通常条件下不转变为别的元素类型。1.3.4 放射性同位素：是易分解的原子，共有一千几百种，绝大多数为人工合成。1.3.5 放射性 (radioactivity)：不稳定原子核自发发射出、 和射线的现象。可分为“天然放射性”和“人工放射性”。放射性在工业、农业和医疗方面的

10、应用具有极重要的价值和广阔的前途。1896年法国物理学家H贝可勒尔发现铀的放射性，以及1898年M居里和P居里发现钋和镭。1.3.6 放射系 (radioactive series)：自然界存在的放射性核素大多具有多代母子体衰变过程，它们经过多代子体放射性核素最后衰变生成稳定核素，这一过程中发生的一系列核反应被称之为放射系。自然界存在铀系、钍系和锕系三大天然放射系。1.3.7 衰变的位移定则：衰变中，子核在元素周期表中的位置左移2 格的反应。1.3.8 衰变的位移定则：衰变中，子核在元素周期表中的位置右移1 格的反应。 1.3.9 衰变的位移定则：射线经常伴随与天然放射性同位素衰变放射粒子、粒

11、子的同时产生。射线没有质量和电荷，因此，具有高穿透性和危害性，子核在元素周期表中的位置不变。1.3.10 单位与测量：放射性活度的SI单位是贝可（Bq），即每秒钟的衰变数（dps）。旧的放射性活度单位是居里（Ci），1 Ci=3.71010 Bq，1 Ci活度的样品非常强。一般用毫居里（mCi 或10-3Ci）。该单位仍用于医疗服务和研究实验中。辐射吸收剂量的SI单位是戈瑞（Gy）。1Gy被定义为每kg组织吸收1焦耳能量。旧的单位是拉德（rad），100rad=1Gy。剂量计：胶片剂量计、盖革计数器、闪烁计数器等都可以用于测定放射性。盖革计数器：含有一个装有两个电极的真空玻璃管，玻璃管内导入低

12、压气体，进入管中的和有足够的能量使气体电离，然后测定形成的离子数。闪烁计数器：特定的物质如磷被离子化射线轰击时发出闪光，由闪光可得知接收的射线量，即放射性的计数。1.3.11 射线危害和疾病：射线是有害的，它可以在生命体系中产生离子或自由基。它通过撞击原子中的电子而产生离子来实现这一过程，产生的离子和自由基能够和别的分子反应，如果这一反应是在细胞中，将导致基因突变以及随后的病变肿瘤生长。高能量的射线能够导致细胞死亡。羟基的自由基二、生命科学中的分析工具，原子示踪法的应用是显微镜发明以来医学史上最突出的成就，在医学科学中引起了划时代的变化，在现代临床诊断、治疗和基础医学研究中发挥重要作用32P：

13、用于DNA和RNA分子序列的常规分析。通过使用磷酸转移催化酶把32P从原料分子转移到寡核苷酸链的3 或5端，DNA或RNA在另一种酶的作用下在特殊的位置被切割，所得的混合物通过聚丙烯酰胺凝胶电泳进行分析，利用自动凝胶发射检测装置对32P标记的片段进行监测。照相底片对射线的高敏感性意味只需要少量样品。14C：半衰期是5730年，一般用于探测新陈代谢的途径和古化石的“年龄”。三、放射性同位素在医学诊断上的用途1、射线：射线在医学诊断已有100多年。X射线可用于检查骨头和硬组织。另外一些放射性同位素也可应用于医学领域。锝-99是在医学上最常用的核素。2、钴-60：在20世纪50年代以前一直用作治疗癌

14、症的放射源。它的半衰期是5.3年，放射出射线和射线。3、碘-123：用于检查甲状腺的功能，这也是碘在人体内的唯一应用。病人只要喝下含碘-123离子的水，在靠近甲状腺的皮肤上安装一个合适原监测器，就能测定到放射性核素所放射出的射线，碘-123的半衰期为8天。目前它已被一种锝盐代替，锝盐的半衰期为6小时，使用起来更安全。4、碘-131：与碘-123相似，但在发射射线的同时还放射出非常危险的射线，因此只用于治疗甲状腺癌。5、镓-67：半衰期78小时，作为射线源可用于诊断霍奇金病。2.1 水水是地球上数量最多的化合物之一，达1.41018m3，水和人们的生活、动植物的生长以及工农业的生产关系极为密切，

15、人们对水的结构极为关注，进行了大量的研究。当温度升高冰融化为水时，冰的空旷的氢键体系瓦解，变为堆积密度较大的水，另一方面，热膨胀又使水的密度下降，所以在熔点附近温度改变时，两种相反的因素使密度发生变化，导致水在4时具有最大密度。2. 生物学中重要的小分子冰氢键结构图冰的升华热较高（51kJ.mol-1），约五分之一是由于一般范德华力，其余部分体现氢键的破裂。冰的熔化热较低（6kJ.mol-1），氢键破裂少。水的比热高，为4.184J.mol.g-1.K-1。水的蒸发热较高（40.63kJ.mol-1 ）。H+、OH-的淌度为离子中最大，其可由H2O的替换接力方式进行迁移。使之非常适合于维持生命

16、体系。如高热容可为恒温器，许多生理过程易受温度的影响。高介电常数，可溶解许多盐、酸、碱，导致生命体内物质繁多。2.2 磷酸和磷酸盐磷酸是三元酸，同时三个羟基可以成酯反应，如三磷酸腺苷（ATP）和二磷酸腺苷（ADP），ATP失去一个磷酸得到ADP，同时释放出能量。在生命体内，磷酸根以磷酸钙的形式存在于骨头和牙齿中，使它们坚固。糖原代谢：ATP的合成与分解存在于核酸之中，能够将核糖环连接在另一个核苷上第二讲生物体内的一些金属 在距今约40亿年前的海洋中出现了地球生物的祖先单细胞，这就是生命的起源。究其原因，我们不难发现构成单细胞的物质并不稀有罕见。最近，对于宇宙外层空间物质的研究结果表明，其特性与

17、构成生命的物质有着很多共同点。但是，并不是说在宇宙的任何地方都可能出现生命，条件是要有水的存在，而且水中必须溶有多种金属元素如铁、铜、锌、镁、锰、铝、钠等等。它们在生命的起源及发展中发挥着不可忽视的作用。海水中的钠、钙等元素是构成生物体的重要成分，同时含量丰富的铁元素更是生命活动的催化剂，而汞、砷等有害物质则随着代谢排出体外。 日本学者曾做过一个有趣的实验，他按照海水中各种金属元素浓度比例的100倍制成人工海水，以加速反应速度。结果虽然没有得到真正意义上的生命体，却在人工海水中发现了构成生物体的DNA、蛋白质以及脂肪等基本物质, 而且观察到了含有生命物质、附有外膜的微粒。但是，至于微粒如何象细

18、胞一样分裂增殖则尚未有定论。 生物是离不开金属的，金属与生物究竞有着什么样的千丝万缕的关系，很多人都难以叙说清楚。可以这样说，生物对金属有着依赖作用，整个生命的新陈代谢作用是离不开金属参与的。生物通过含有金属的酶、激素、维生素进行系统的或部分的光合作用。 生物中所含金属，以陆地生物计，每年的金属周转量有70008000 万吨，其中包括3000 多万吨铁，30004000 吨锰，800 万吨锌，170 万吨铜，5000 吨铅，还有几万吨的铬、镍、钴、钼等金属元素。 人和其他生物都是离不开金属的，人身体内一旦金属供给过量或不足，都会造成很大的危害。比如人体中铅的含量过低，就会引起冠心病，硒的含量过

19、低会使肝功能失调，小孩不愿吃食那一定是含锌过低的缘故。镉元素增多了会出现高血压，缺钼和硒会产生克山病等等，真是五花八门。而土壤也是一样，缺铜能引起农作物收成减少；饲料中缺钴会使家禽发病率上升，如此等等，不胜枚举。总之，金属与生物的关系是如胶似漆，互相依存，又是互相制约的，经常要调节金属在生物中间的平衡，倘若一旦失调就会引起麻烦。 金属元素在整个生命体系中起着重要的作用，已知25种元素为生命体所必需。金属离子与核酸、蛋白质等生物大分子的作用以及对神经系统不正常的影响可以直接或间接地损伤DNA，从而引起细胞的变异；同样金属配合物又可以用于治疗和诊断疾病。这无疑引起了众多化学家、生物学家和医学家的广

20、泛兴趣。正因为如此，世界各国投入大量人力、物力来研究金属在生命过程、医学甚至环境中的作用。必需元素：O、C、H、N、Ca、P、S、K、Na、Cl、Mg、Fe、Zn、F、I、Mn、Ni、Cr、Sr、Mo、Co、V、Se、Cu、Sn；有益元素：Rb、Si、B、As*；沾染元素：Ba、Ti、Nb、Zr、La、Ru、Cs；有害元素：Bi、Sb、Cd、Ti、Pb*、Hg*、U。 1、2001年美国NIH 特别设立一个“金属在医学中的应用(metal in medicine)”的大课题，其宗旨是鼓励无机化学家和分子生物学家的密切合作，也纠正在这方面的投资不足。 2、而欧共体更是联合欧洲的科学家在1996年

21、即开始这一类综合性课题的研究，例如，金属在医学中的应用(D8)；镧系元素用于医疗诊断和治疗(D18)；金属化合物用于治疗癌症和病毒感染(D20)；金属酶和生物模拟(D21)。 3、日本政府也投入大量资金组织200余名科学家从事这方面的研究，其部分研究成果在生物无机化学杂志(Journal of Inorganic Biochemistry)上以特刊登载 。金属在生命活动中的作用 金属最大的特征就是失去电子成为带正电荷的离子。因此存在于生物体液中的是各种形式的金属离子，它们能与生物分子产生各种键合作用，从而在生物体内承担各种各样的功能，如电子转移、载氧、酶的活性中心等。体内金属离子过多或过少都将

22、导致人体正常生理功能的紊乱，从而引起各种各样的疾病。大量实验资料表明，铁、铜、锰、锌等过渡金属离子是重要的神经化学因子，它们不正常的代谢与神经系统的疾病紧密相关，如早期老年痴呆症，家族肌萎性脊髓侧索硬化症和疯牛病或克雅氏症。 无机化学和神经科学已密不可分。Ashley Bush(阿什利布什) 所说，大脑是一个聚集了大量金属离子的器官，其中最为重要的就是铁、铜、锌和锰。他还指出，现在进入了一个奇妙的时代，神经科学家们要先学好基本的无机化学和氧化学知识，再结合分子生物学和蛋白质化学的知识去研究那些不正常的金属与蛋白质的相互作用，最终找到神经性疾病的起源。1. 轻过渡金属1.1 化学与物理性质生命科

23、学上具有重要意义在于其具有各种可变的氧化态和催化活性。生成络合物：以六配体，围绕中心离子呈八面体。多种氧化态：在电离中仅需要少量的电离能。1.2 必需元素的相对丰度必需金属有铁、钴、锌、铜、钒、铬、锰、镍和钼。只有四种含量丰富但是与生命活动联系不太密切的元素：硅、铝、钛和锆。钼丰度较低外，均为相对丰度较高的金属，说明地球上的生物已进化到利用相对丰富的元素。例如：温泉水出口处，生命体能在含被过热水从周围岩石溶解下来的浓度极高的铁、铜和锌的环境中生存。1.3 卟啉络合物卟啉环是一个含四个吡咯环的大环体系，吡咯环彼此间由一个碳原子相连。芳香性四个氮原子参与金属的络合能够接受两个氢原子形成二酸失去两个

24、氢原子形成二元阴离子，特别重要，因为所需要的金属离子一般带两个正电荷。卟啉环中间的空穴恰好能够容纳所有的第一过渡系元素，镍原子太小，会使平面型的大环变形。如金属原子太大，它将位于环平面的上方，一般过渡元素生成六配体络合物，因此在卟啉环的上面和下面分别在一个配体。2. 铁 人体正常含铁量为3-4g，60%以血红蛋白的形式存在，其余一般储存在细胞中。铁是血红蛋白、肌红蛋白和细胞色素的组成部分。铁在人体新陈代谢过程中起着非常重要的作用，它直接参与氧的运输与储存。缺铁将导致免疫功能下降，人体吸收的铁过量或铁平衡紊乱将使其沉积在肝脏、胰腺、心脏和皮肤从而引起血色病(血色素沉积)、肝功能异常、心肌损伤和糖

25、尿病。 目前，铁在神经系统中的作用也引起人们的关注。如早期老年痴呆症(AD)就是由于淀粉样蛋白的蛋白质聚合与具有氧化活性的铁离子(Fe3+)(也可为铜离子)发生不正常的反应，产生一些具有更高氧化活性的物质，造成蛋白质的氧化变性和沉淀，从而引起病变，尽管其机制仍是个谜。2.1 铁蛋白铁在三种氧化态，最稳定的是+3价。在生物体内以一种称之为铁蛋白的氢氧化铁颗粒形成储存。这些颗粒被一层蛋白质外壳包围，只有在需要时才被利用。在高等动物体内由一种叫转铁蛋白的蛋白质通过血液运输。在微生物中，铁的溶解和运输是由一种叫铁载体的低分子蛋白质来执行。2.2 血红素蛋白细胞色素a、b、c：血红素基团与一条多肽链相连

26、并包裹，铁位于卟啉环中，第五、六个络合位点则被组氨酸的氮及半胱氨酸上的硫（来自多肽链）占据。不同的细胞色素，分布在一个范围里，形成一个在光合作用和呼吸作用所需的特殊电子传递系统，由于电势不同，电子从b到c再到a，而后释放氧分子。血红蛋白和肌红蛋白：铁的价态为+2价六个络合位点中卟啉环4个，蛋白链中组氨酸的氮1个，余下的可与氧、水、CO、NO结合卟啉的吡咯环不与蛋白质相连血红蛋白是四聚体，四个球蛋白的多肽链各有血红素基团，与氧的结合与释放协同进行铁硫白：并非所有的含铁蛋白均为金属卟啉类，红氧还蛋白和铁氧还蛋白是存在于植物和光合细菌中的铁硫蛋白，其铁硫簇包括铁和半胱氨酸残基（a）细菌红氧还蛋白；（

27、b）光合作用铁氧还蛋白；（c）立方型铁氧还蛋白（S，无机硫） 空气中的氧气和水分遇到铁，就会进行氧化还原反应，使铁生锈。人体里也有氧和水，为什么身体中的铁不会生锈呢？ 人体内的铁原子受到血红蛋白的保护，不会与氧发生反应而生锈。 但是，当人体里的红血球细胞死亡后，铁原子失去了保护，也有生锈的机会。 人体里有一种抗锈蚀的蛋白质铁朊。它们成束地聚集在一起，形成一只只空心的蛋白球，犹如一个小仓库，里面贮存着四五十个铁原子，不让这些铁原子与氧在一起。等到需要铁原子的进修，才让它出来，同其他成分一起，重新组成新的红血球细胞。 铁朊蛋白在人体里的“防锈”作用很重要。一旦铁朊有了故障，肾脏有可能被铁锈阻塞，危

28、及生命安全。科学家正研究“防锈”蛋白铁朊，如果研究成功，就能帮助解决海水中的钢材腐蚀问题。 4. 镁和锰4.1 叶绿素a、b一个修饰的卟啉环，空穴较小，容纳镁离子，吸收电磁波中可见光区域附近的光线。光合作用有两个主要部分：光系统和光系统，叶绿素吸收光后，能量传递到光系统，产生一个很强的还原剂和一个比较强的氧化剂。在光系统中，能量传递产生一种更强的氧化剂（负责分子氧的生成）和一种较弱的还原剂4.2 镁的生理作用1、镁是200多种酶的激活剂，主要存在于线粒体中。糖酵解是生物体内广泛发生的一个生化反应，它包括葡萄糖转化为丙酮酸盐的一系列反应，同时伴随ATP的生成。糖酵解的第一步是葡萄糖的磷酸化，在作

29、为磷源的ATP和己糖激酶作用下，磷酸化得以进行，另一个必需条件是二价金属离子的存在，通常需要镁离子与三磷酸链上的氧作用，消弱磷氧键。2、镁对心血管的影响镁具有兴奋心肌线粒体氧化磷酸化作用，并对心肌细胞中ATP酶具有激活作用，如在心肌纤维舒张过程中细胞膜对钾的主动摄入靠ATP释放的能量来维持，而促进能量释放的ATP酶靠镁来激活，故缺镁时由于ATP酶活性降低，影响钾的主动运转，导致心肌细胞内缺钾，结果钠钾泵作用明显减弱或钠钾交换中断，心肌或传导系统的膜静止电位升高，激动的差异传导成折返激动引起心律失常。4.3 光全作用的锰光系统中包含更强的氧化剂为P680+，其中P代表Pigment（色素），68

30、0是吸收光的波长（红光区，故植物为绿色），+为正电荷。 P680+与水裂解酶（Z）作用，从水分子中获取电子，产生氧气。水裂解酶含锰，锰体系起电荷收集器的作用，产生氧并避免生成有害的还原产物。 锰多以二价形式存在于各种金属蛋白和金属酶中，人体肝脏、骨骼和垂体中锰含量较高。锰与人体生化代谢有着密切的关系，人体缺锰主要表现为生长发育迟缓，体重减轻和低胆固醇症，并且可引起骨骼畸形。人体大量摄取锰后则表现为动作迟缓、食欲减退、平衡失调、运动障碍等症状。5. 钴和钼5.1 维生素B12恶性贫血是因为肠壁不能吸收维生素B12导致的疾病。能够发生一个或两个电子的还原反应，生成Co（）和Co（）。烟酰胺腺嘌呤二

31、核苷酸（NADH）和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）可以完成这些还原反应。5.2 钼与黄嘌呤氧化在嘌呤代谢中，腺嘌呤与鸟嘌呤经黄嘌呤降解为尿酸，在黄嘌呤氧化酶的催化下完成，该酶很大，分子量约为300k，结构复杂，含有两个钼原子，四个Fe2S2簇和两个黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD），在氧化过程中，钼从+6价转变为+4价，电子传递从黄嘌呤到钼，再到Fe2S2，到FAD，然后传给分子氧。5.3 钼与固氮固氮酶是细菌固氮过程中的一种酶。由两条蛋白链组成，低分子量的蛋白包含一个Fe4S4簇，另一个较大的蛋白本身是一个四聚体，它含有两个钼原子及大量的铁原子和硫离子。这两个蛋白都是必需的。尽管铁硫簇被认为是氧化还

32、原中心，钼却是极其重要的，在氧化钨（）存在下生长的细菌，由于摄入了钨而没有固氮能力。6. 铜 人体中铜的含量约为80 mg，主要以铜一蛋白质复合物形式存在。铜可以影响铁的代谢及造血功能，影响中枢神经系统，并对骨骼及结缔组织代谢、能量代谢、心血管系统、毛发、皮肤和内分泌产生影响。铜缺乏可严重影响儿童大脑发育而导致门凯氏病(Menkes disease)，又名卷发综合症，其原因就是肠和肾上皮细胞对铜的吸收受到损害导致铜代谢紊乱而缺铜。而由铜积累引起的威尔逊病(Wilson disease)则是由于铜在转运中铜中毒所致。大量的铜积累在肝脏和脑中，而胆汁排泄铜失调，使得铜最终积累在脑、肾、角膜等器官。

33、患者表现出动作失调、进行性精神障碍和肝肾损害等症状。 近几年来风靡英国的疯牛病(Prion disease)则是由于铜离子导致的神经毒性而引起的。Prion蛋白(朊病毒、朊蛋白、朊毒体、锯蛋白、朊粒等 )中重复出现的每一段序列(PHGGGWGQ)是螺旋结构，当它与铜离子结合后引起二级结构发生转变，成为折叠片，因而聚集成PrPsc。 PrPsc蛋白聚集引起病变并带有传染性。在机体中沉积至一定程度,即可引起人和动物的传染性海绵状脑病(transmissible spongiform encephalopathy，TSE). 其主要的病理特点是：神经元变性、消解，形成脑实质多孔性泡化；星形胶质长纤维

34、细胞增生，形成淀粉样斑块等。其发病机制至今尚未完全阐明。目前认为：铜离子在疯牛病的发病机理中扮演着至关重要的角色。铜离子及其它金属离子在蛋白质折叠中所起的作用以及某些情况下如何诱导蛋白质变性(淀粉样)和聚合是未来应予重视的研究领域。7. 锌 锌参与细胞的所有代谢过程，它与300多种酶的活性有关。锌离子为锌指蛋白(zinc finger)提供分子结构框架，在细胞核内起调节基因的功能。锌有助于促进生长发育，还起着维持味觉和嗅觉、维持中枢神经系统功能、提高免疫功能、促进伤口和溃疡愈合等作用。锌缺乏可导致生长发育停滞，引起侏儒症、小儿厌食症、脑血管疾病、偏头痛、胃及十二指肠溃疡等一系列疾病，也是糖尿病

35、的病因之一。当人体内锌过量则可引起头晕、呕吐、腹泻等症状。8. 金属用于治疗各种疾病 由于金属离子起着维持人体正常生理功能的作用，是各种蛋白或酶的活性中心，过多或过少的金属离子都将打乱正常的生理平衡。因此，药物化学家们将精力主要集中在两个方面：一方面如何将偶然进入体内多余的有毒金属离子排出体外；另一方面又如何有效地把有益的金属离子(尽管这些离子可能是非必需的)引入体内，从而达到治疗和诊断疾病的目的 。近几十年来，已有多种含金属离子的无机药物问世，对治疗各种疾病起到了良好的作用。8.1 铂配合物抗癌药物 1965年Rosenberg偶然发现顺二氯二氨合铂(cisDDP，又称顺铂)对大肠杆菌的分裂

36、有抑制作用，并于1969年首次报道了顺铂具有很强的抗癌活性。目前，顺铂以及第二代药物碳铂(carboplatin)已成为重要的抗癌药物，广泛应用于各种癌症的治疗。研究表明，顺铂具有抗癌活性主要是由于它能够使癌细胞DNA复制发生障碍而抑制癌细胞的分裂。 铂类配合物抗癌药物的成功用于临床治疗，也为非铂类抗癌药物的研究和发展提供了广阔前景，有效弥补了对抗铂肿瘤的治疗不足。其中最引人关注的就是含钛化合物氯化钛茂(Cl2Cp2Ti，Cp为环戊二烯) 和钌的化合物(trans-Ru()Cl4(DMSO)Im )。顺铂在临床上的成功应用也大大促进了生物无机化学的迅猛发展。自1999年以来还有专门的书籍和几种

37、著名刊物以特刊的形式来强调无机药物化学的重要性。8.2 锂与抗抑郁药物 锂元素早在1817年就被人类发现，但作为药物为人类利用却是近50年的事情。锂对人体中枢神经系统的作用是很明显的，锂盐对于改善和稳定情绪及防止精神分裂症是有效的，它还能改善幻觉和妄想等分裂症的阳性症状。锂不仅可以在脑细胞中活动，消除不良情绪，而且它可在病毒复制、细胞信号、细胞调节和免疫应答中起重要作用。目前，锂的碳酸盐(Li2CO3)和柠檬酸盐已广泛应用于精神失常的预防和治疗。还有报道称锂对治疗病毒性疾病、梅毒、爱滋病等亦有效果。锂的作用机制的研究有赖于更灵敏的分析方法，从而可以测定锂在脑组织中的分布。8.3 银用作严重烧伤

38、时抗菌剂 银及其化合物作为抗菌剂已有很长的历史。在低浓度下银有很强的活性，并且具有低毒的性能。1965年，Moyer研究发现硝酸银溶液(最低浓度可至0.5%)对葡萄状球菌、链状球菌、假单胞菌等有抗菌活性。而用途最为广泛的当数磺胺嘧啶银，它作为一种抗菌剂被广泛用于严重烧伤时的抗菌消毒以防止细菌感染。为了抑制覆盖烧伤病人近50 %表面的阴性革兰氏菌，有人曾经尝试用磺胺嘧啶银和硝酸铈联合使用，但发现磺胺嘧啶银的抗菌效果仍然是最佳。有人认为磺胺嘧啶本身并不是一种有效的抗菌剂，而是协同银一起显示抗菌活性。磺胺嘧啶银的有效性表现在它可以不断地与血浆和其它含NaC1的体液反应而不断地在伤口缓慢释放出银离子。

39、8.4 砷化合物药物 砷是两性元素，它既是一种致癌物质，同时也是一种很好的抗癌药物。第一个真正的现代药物就是砷的化合物胂凡钠明(arsenical salvarsan)，俗称606，用来治疗梅毒和昏睡病(sleeping sickness)，Paul Ehrlish也因此获1908年的诺贝尔化学奖。砷也是中药中非常重要的矿物质，共有8种形式，中医临床几千年的历史证明它能够有效治疗各种疾病。最新研究发现，三氧化二砷是一种有效治疗白血病的药物，这也是从中医中的砷得到启发偶然发现的 。临床试验表明，该药疗效极佳，对正常细胞影响较小，同时得到分子生物学的证实。该药已于2000年通过美国FDA 的批准，

40、随后也申请在欧洲使用。 砷作为端粒酶(telomerase)的抑制剂可降低其活性从而染色体损伤，促使基因不稳定和致癌物质或细胞死亡。除砷以外，中药矿物中有很多金属离子，我们应当以此为鉴，有必要从分子和细胞水平上研究金属离子在中药及中药矿物中所起的作用，开发出更有效的药物。8.5 金的药物 早在公元前2500年，我国就有以金作为各种药物和营养品的记载。但真正应用于临床却还是近7O年的事。目前，应用最广泛的是金的硫醇类化合物(如Myocrisin)和含磷的金的口服药物用于治疗风湿性关节炎，它还被用于治疗牛皮癣和支气管炎。最新研究结果表明金的化合物具有抗癌和抗爱滋病的活性：Au(damp)X2(X-

41、C1 ，OAc-，etc)显示出抗癌活性 ，Au(CN)2-抑制HIV病毒的增殖等。同时也在开发治疗痢疾的新药(如Au(pph3)-CQ)。这些势必成为今后最具有吸引力的领域。而对于金药物的作用机理还不十分清楚，主要是金在体内分布较分散，体内缺乏与金亲和力很强的作用靶点。8.6 铋药物的新发展 铋的化合物被用作药物已近200年。1786年0diet最早记载内服铋用于治疗消化不良。1889年，Balzer发现铋可能是有用的抗梅毒药物，尤其是对付第三、四期梅毒特别有效。此外，它还可以用于治疗鼻黏膜炎以及高血压、皮肤病等。本世纪7O年代以后，铋药物在临床的应用得到迅猛发展。特别是发现了幽门螺杆菌(H

42、elicobacterpylori)以后，它是导致各种慢性胃炎、溃疡甚至胃癌的病原体，幽门螺杆菌基因组的测定为新型含铋药物的设计奠定了基础。 次水杨酸铋被用于治疗腹泻和消化不良。胶体次枸橼酸铋（丽珠得乐）被广泛应用于治疗胃溃疡和十二指肠溃疡，而且最近不断有新的铋剂用于临床。各种研究表明，铋剂治疗胃溃疡有两种机制：一是胶体次枸橼酸铋的高分子结构在胃中选择性地附着在溃疡表面可以形成一种保护性薄膜来阻止胃酸的侵蚀；二是部分在胃液中的铋可以进入幽门螺杆菌内抑制其生长，从而达到治疗的目的。 铋可以结合在蛋白质如铁传递蛋白和金属硫蛋白中铁或锌的位置，这些结合和其传输有关。此外，铋也可以用于放射性治疗，铋的

43、化合物也可有效抑制癌细胞的生长。第三讲化学热力学与生物能学3.1 新陈代谢的概念生物大分子分解为生物小分子新陈代谢 合成代谢（同化作用） 分解代谢（异化作用）生物小分子合成为生物大分子需要能量释放能量能量代谢物质代谢1. 由酶催化，反应条件温和。2. 诸多反应有严格的顺序，彼此协调。3. 对周围环境高度适应。 1. 活体内(in vivo)与活体外实验(in vitro) 2. 同位素示踪 3. 代谢途径阻断 新陈代谢的研究方法新陈代谢的共同特点：一、有关热力学的一些基本概念（一）体系的概念、性质和状态体系指的是在研究中所涉及的全部物质的总称。环境是与体系直接相互作用的外界。 体系环境 环境+

44、体系=“宇宙”3.2 生物能学开放体系：与环境进行物质交换和能量传递封闭体系：与环境有能量传递，无物质交换隔离体系：与环境无能量传递，无物质交换体系的性质包括压力、体积、温度、组成、比热、表面张力等。热力学用体系的性质描述一个体系所处的状态。(二）能的两种形式热与功热是由于温差而产生的能量传递方式。热的传递伴随着质点的 无序运动。功是体系与环境间另一种能量交换方式。任何一种功都伴随着体系质点的定向移动。这是一种有序的运动。热和功微观说明示意图 图（a）是某热力学体系在平衡态时的正常分布。 纵坐标表示能量，若干水平线表示能级。 横坐标表示粒子数，能级线段的长短表示粒子数的多少。热和功微观说明示意

45、图 当体系吸热时，高能级上的粒子数增多，低能级上粒子数减少，但能级未变，最后分布如红线所示。 体系放热时，情形刚好相反，如兰线所示。热和功微观说明示意图 当环境对体系作功时，体系能级升高，而各能级上的粒子数未变，如红线所示，相当于分布图往上平移。 当体系对外作功时，则分布图将向下平移。（三）内能和焓的概念内能是体系内部质点能量的总和，用U或E表示。内能是体系状态的函数。内能无法测量，内能的改变量可以测量。焓也是体系的状态函数，用H表示。焓是一个体系的内能与其全部分子的压力和体积总变化之和。焓变和内能变化之间的关系可用下式表示： H= U+ PV（四）热力学第一定律热力学第一定律称为能量守恒定律

46、。热力学第一定律的数学表达式为：U=Q - W 体系内能的微小变化表达为dU=dQ dW体系焓的微小变化可用下式表示：dH=dU+PdV+VdP生物化学过程近似地恒压恒容H U(五）热力学第二定律和熵的概念热力学第二定律指出：热的传导只能由高温物体传至低温物体。自发过程的共同特征就是这些过程都向能量分散程度增大的方向进行。代表体系能量分散程度的状态函数称为熵，用 S表示。任何自发的过程总是增加整体的熵。（六）自由能的概念自由能是Josiah Gibbs在1878年提出。能够用以做功的能量称为自由能。自由能是一个状态函数，与热力学第一、第二定律相关。G= H - TSG0 过程吸能G=0 体系达

47、到平衡（七）标准自由能变化标准自由能变化是在规定的标准条件下的自由能的变化。用G0表示。标准状态被规定在25oC,1大气压，所有溶质的浓度是1mol的反应。一个反应的自由能变化是与这反应的平衡常数相关。一个反应A+B=C+D 平衡常数Keq=CD/AB自由能变化G与标准自由能变化G0以下面的方程相关。 G= G0 +2.303RTlgCD/AB如果反应达到平衡， G=0 G0 =-2.303RTlgCD/AB=-2.303RTlgKeq 因为大多数生化反应发生在或接近pH7,这pH值已被设计为生物能学中的标准pH。在pH7的标准自由能变化用G0 表示,以区别于G0 。然而一个反应的自发性严格说

48、是G（0），不是G0 。 （八）偶联反应有机体内许多化学反应有正的G0 值，幸而，在任何反应顺序中自由能值是加和的。A+B C+D G0 反应1 （1） G0 =+5kcal/mol C+E F+G G0 反应2 （2） G0 = - 8kcal/mol A+B+E D+F+G G0 总反应（3）= G0 反应1 + G0 反应2 这反应（1）和反应（2）有一个共同的中间体C, G0 总是负值，形成产物F和G是一个放能过程，容易进行。 这样一个热力学上不能进行的反应，可以由与它偶联的热力学上容易进行的反应驱动，这种情况在生物化学反应中是很多的。（九）能量学用于生物化学反应中的一些规定1、在稀的

49、水溶液系统中，如果有水作为反应物或产物时，水的浓度（近似的即活度）为1.0。2、生物体标准状况的pH规定为7.0。3、 G是 pH为7.0时的标准状况下的的标准自由能。4、根据国际单位制(Le Systeme international Unut ，简称SI单位)，热和能量的单位用焦耳/摩尔(Joules/mol)。二、高能磷酸化合物1、高能磷酸化合物的概念：机体内有许多磷酸化合物，当其磷酰基水解时，释放出大量的自由能。这类化合物称为高能磷酸化合物。高能键：一般将水解时能放出5000cal(20.92kJ ) /mol以上自由能的键视为高能键。2、高能磷酸化合物及其他高能化合的类型（1）磷氧键

50、型（-o-p-） 腺嘌呤核苷三磷酸 1，3-二磷酸甘油酸 氨甲酰磷酸 焦磷酸 磷酸烯醇式丙酮酸（2） 氮磷键型 磷酸肌酸 肌酸激酶 磷酸肌酸+ ATP 肌酸+ADP 磷酸精氨酸3、ATP在能量转运的地位和作用ATP磷酸烯醇式丙酮酸1，3二磷酸甘油酸-磷酸肌酸葡萄糖-6-磷酸甘油-3-磷酸PPPPP磷酸基团转移势能4、ATP系统的动态平衡生活细胞的生命活动无时无刻不需要能量供应。因此ATP必须不断地产生。ATP的周转是十分迅速的。细胞所处的能量状态可用ATP 、ADP和AMP的关系来表示，称为能荷。 ATP+1/2ADP能荷=- ATP+ADP+AMP 当细胞内的ATP全部转变为AMP时，能荷值

51、为“0”；当AMP全部转变为ATP时，能荷为“1”。大多数细胞的能荷在0.800.95之间。 三、生物体内能量的载体ATPATP是主要的高能化合物生物体一切活动所需的能量，主要来自糖、脂肪的分解代谢。但物质氧化产生的能量必须先转变成ATP等含有的高能键形式才能利用。ATP是生物细胞最主要的直接能源，所以常把ATP比作细胞内能量的“通用货币”。物质代谢时必定伴有能量代谢，而能量的转移通常都以产生或消耗ATP形式体现，通过ATP/ADP循环联系能量的释放，储存和利用。有机物O2氧化CO2,H2O等ATPADP+Pi合成生物大分子代谢反应物质运输肌肉收缩信息传递能量能量ATP中的，磷酸基水解时放能3

52、0.5kJ/mol一般将水解时释放的自由能在20.92kJ/mol以上的化学键称为高能键，以表示。ATP经受水解的趋向(称为它的磷酸基团转移势)不是最好的。多种生物分子能转移磷酸基团到其他化合物，具有高G0 水解值的磷酸盐化合物比具有较低值的磷酸盐化合物有较高的磷酸基团转移势，因为ATP有一个中间的磷酸基团转移势，它能够是一个从高能化合物到低能化合物的磷酸基团的一个中间载体。磷酸烯醇丙酮酸+ADP丙酮酸+ATPG+ATPG-6-P +ADPATP是生命体系的能量货币。3.3 “热寂说” “热寂说”是热力学第二定律的宇宙学推论，这一推论是否正确，引起了科学界和哲学界一百多年持续不断的争论。由于涉

53、及到宇宙未来、人类命运等重大问题，因而它所波及和影响的范围已经远远超出了科学界和哲学界，成了近代史上一桩最令人懊恼的文化疑案。 1、“热寂说”是谁提出来的？ “热寂说”是热力学第二定律的提出者提出的。热力学第二定律的提出者有两人，一位是英国的开尔文勋爵(Lord Kelvin)（即威廉汤姆逊，W.Thomson），另一位是德国的克劳修斯(R.Clausius)。 那么，谁是“热寂说”的提出者呢？国内学术界大多数人都认为，“热寂说”的提出者是克劳修斯。持此说的人一般都以恩格斯自然辩证法中反复提到的“克劳修斯的第二原理”的说法作为根据。另外一条根据则是，“熵”的概念是由克劳修斯提出来的，而“热寂说

54、”是反映宇宙中熵不断增大的一种极限状态，所以“热寂说”是由克劳修斯提出的。但不确切。 1852年4月19日，开尔文在爱丁堡皇家学会议事录上发表的论自然界中机械能散逸的普遍趋势一文指出从卡诺定理可以得出一个明显的结果，即当热从热的物体传到比较冷的物体时，就存在着机械能不可能完全恢复的耗散现象。在自然界中普遍存在的这种不可逆转的机械能的耗散趋向，必然造成宇宙中热量的不断增加。其直接后果是，地球必将“不适合人类像目前这样居住下去”。显然，开尔文在这里对宇宙热寂的思想作了充分的暗示。 开尔文原文如下：“热力学第二个伟大定律孕含着自然的某种不可逆作用原理，这个原理表明虽然机械能不可灭，却会有一种普遍的耗

55、散趋向，这种耗散在物质的宇宙中会造成热量逐渐增加和扩散，以及势的枯竭。如果宇宙有限并服从现有的定律，那么结果将不可避免地出现宇宙静止和死亡状态。但是，对宇宙中的物质广延设想一个界限是不可能的”。在这里，开尔文十分明确地提出了宇宙“热寂说”。但必须注意的是，从这段话可以清楚地看出，开尔文提出“热寂说”时是十分谨慎的，他做了一个基本假设-宇宙是有限的，在这个有限的系统里，热力学第二定律是正确的，宇宙才会不可避免地出现热寂状态。但是他又认为，把物质广延的宇宙看成是一个有限的体系是不可能的。因此，在开尔文的心中，他实际上并不能肯定热力学第二定律是否可以推广到他并不真正了解的整个宇宙，并由此得出宇宙“热

56、寂说”的推论。 第二个提出“热寂说”的人才是克劳修斯。他于1865年4月24日在苏黎世自然科学家联合会上作了一篇题为关于热动力理论主要方程各种应用的方便形式的演讲，该文同年发表于德国物理和化学年鉴。克劳修斯在这篇文章中第一次引进了“熵”的概念，证明了熵在绝热过程中的增加，并将热力学定律表述为“宇宙的能量保持不变，宇宙的熵趋于极大值”这样两个宇宙的基本定律。他指出，当宇宙中的一切状态改变都向着一个方向时，全宇宙必然要不断地趋近于一个极限状态。实际上，这里所说的“极限”状态就是指“宇宙热寂状态”。克劳修斯正式提出“热寂说”则是在1867年9月23日。当时，他在法兰克福举行的第41次德国自然科学家和

57、医生的集会上作了一篇题为“关于热力学第二定律”的演说。 克劳修斯将热力学第二定律不适当地外推提出了著名的热寂论，这一悲观的退化箭头与达尔文进化论所指明的乐观进化箭头是尖锐矛盾的，这一矛盾困扰人类一个半世纪，正是由于这些困扰和学说间的交锋，才诞生了普里高京提出的耗散结构理论。耗散结构理论统一了两种世界图象、两种箭头和两种文化，扩展了热力学的领域，使平衡态化学热力学、统计热力学和非平衡热力学形成了完整的热力学框架。 2、问题的反驳 首先对“热寂说”提出诘难的是麦克斯韦(J.Maxwell)。1871年，他在热理论一书的末章热力学第二定律的限制中，设计了一个假想的存在物-“麦克斯韦妖”。 洛歇密(L

58、oschmid)提出的“可逆佯谬”和赛密罗(E.Zermelo)提出的“再出现佯谬”等都对单向不可逆性和热力学第二定律提出了挑战，实际上也是对“热寂说”提出了挑战。 波尔兹曼(L.Boltzmann)的“涨落说”。波尔兹曼在对气体分子运动的研究中，最先对熵增加进行了统计解释。按照这种解释，热平衡态附近总存在着偶然的“涨落”现象，这种涨落现象并不遵从热力学第二定律。 恩格斯就在1869年3月21日致马克思的信中指出，“这种理论认为，世界愈来愈冷却，宇宙中的温度愈来愈平均化，因此，最后将出现一个一切生命都不能生存的时刻，整个世界将由一个围着一个转的冰冻的球体所组成。我现在预料神父们将抓住这种理论，

59、把它当作唯物主义的最新成就”，用来作为“必须设想有上帝存在”的论证，而这种论证实质上是与辩证唯物论背道而驰的。 “克劳修斯的第二原理等等，无论以什么形式提出来，都不外乎是说：能消失了，如果不是在量上，那也是在质上消失了。熵不可能用自然的方法消灭，但可以创造出来。宇宙钟必须上紧发条，然后才走动起来，一直达到平衡状态，而要使它从平衡状态再走动起来，那只有奇迹才行。上紧发条时所耗费的能消失了，至少是在质上消失了，而且只有靠外来的推动才能恢复”。 在批评“热寂说”的各种观点中，有两种观点影响最大，也最普遍。一种观点认为，热力学第二定律是从有限世界得来的，因而不能应用到无限的宇宙上。如丹皮尔(W.Dam

60、pier)在其科学史及其与哲学和宗教的关系一书中就认为，“把热力学原理应用于宇宙理论，其有效性是可疑的。把从这样有限的例证中推出来的结果，应用到宇宙上去，是没有道理的，即令过去利用这些结果去预言有限的独立的或等温体系的情况很有成效”.。 另一种观点则直接否认宇宙是一个“孤立系”。这两种观点本身是相互关联的，都预先设定了宇宙是一个“无限的”“非孤立系”的前提。并且一再企图证明，宇宙是漫无边际的物质，各个部分都是相互联系的，宇宙之外还有宇宙，因而不存在孤立部分。 何祚庥认为，这些论证都不能证明人们永远不能把无限宇宙当作一个统一整体来把握。况且，今天的科学还不能证明宇宙是否无限。因此，这种说法并不能