生命科學(xué)引論：數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)知識(shí)對(duì)生命科學(xué)工作者的重要性

1數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)知識(shí)對(duì)生命科學(xué)工作者的重要性生命科學(xué)引論第二講醫(yī)療農(nóng)業(yè)食品環(huán)境養(yǎng)殖制藥生物化工遺傳與變異個(gè)體發(fā)育系統(tǒng)發(fā)育生物化學(xué)分子生物學(xué)細(xì)胞生物學(xué)組織/解剖學(xué)動(dòng)/植物生理學(xué)發(fā)育生物學(xué)免疫學(xué)遺傳學(xué)微生物學(xué)植物學(xué)動(dòng)物學(xué)進(jìn)化生物學(xué)生態(tài)學(xué)其他…解決生命科學(xué)基本問(wèn)題的知識(shí)架構(gòu)提綱化學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性物理對(duì)生命科學(xué)的重要性數(shù)學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性總結(jié)，數(shù)理化綜合素養(yǎng)的重要性liuofu個(gè)體氨基酸、單糖、核苷酸、脂肪酸、甘油等多糖、蛋白質(zhì)、核酸、脂等超分子復(fù)合物細(xì)胞器細(xì)胞組織器官C,H,O,N,P,S...1.化學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性是天然的生物體是一架高度組織有序的分子機(jī)器；分子間相互作用的復(fù)雜性比任何人工機(jī)器都高得多；研究構(gòu)成生物體的分子種類、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)以及這些分子是如何組織成生物體的，仍然是我們理解生命奧秘的基礎(chǔ)。liuofu1941～現(xiàn)代生物化學(xué)1891～1940酶學(xué)時(shí)代1840～1890生理化學(xué)1800～1839有機(jī)化學(xué)1772~1799化學(xué)革命生物化學(xué)酶學(xué)哲學(xué)生理學(xué)化學(xué)生理化學(xué)有機(jī)化學(xué)物理學(xué)現(xiàn)代生物化學(xué)2.看看生物化學(xué)(有機(jī)化學(xué))是怎樣誕生的？liuofuEraof‘ChemicalRevolution’JosephPriestley(普里斯特利，1733～1804)：英國(guó)化學(xué)家，他的重大貢獻(xiàn)在于發(fā)現(xiàn)氧和其他氣體。1772年發(fā)現(xiàn)了CO2，并證明植物可以利用動(dòng)物的呼吸氣體生長(zhǎng)。對(duì)生物化學(xué)作出重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家<1>liuofuEraof‘ChemicalRevolution’Antoine-LaurentLavoisier(拉瓦錫,1743～1794)：法國(guó)化學(xué)家，1772對(duì)燃燒的研究引發(fā)所謂的“化學(xué)革命”；1777，拉瓦錫認(rèn)為呼吸是燃燒的一種形式，并觀察到陽(yáng)光下的“greenmatters”在去除燃素的空氣中產(chǎn)生氣泡。

對(duì)生物化學(xué)作出重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家<2>liuofuEraof‘ChemicalRevolution’CarlWilhelmScheele(舍勒,1742～1786):瑞典化學(xué)家,1784從檸檬汁中發(fā)現(xiàn)檸檬酸。其他有機(jī)化合物有：酒石酸(1770)、草酸(1776)、乳酸和尿酸(1780)、蘋果酸（1785）、沒(méi)食子酸和焦性沒(méi)食子酸(1786)、甘油(1783)等對(duì)生物化學(xué)作出重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家<3>liuofuEraof‘ChemicalRevolution’JanIngenhousz

(英根豪茨1730~1799):荷蘭科學(xué)家，在英國(guó)繼續(xù)了普里斯特利的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)植物只有在日光下才能放氧，而且僅限于綠色部分，在黑暗中則放出二氧化碳。1796年提出碳酸＋光→有機(jī)物＋氧氣對(duì)生物化學(xué)作出重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家<4>liuofuEraofOrganicChemistryFriedrichW?hler

(維勒，1800～1882):德國(guó)化學(xué)家,1828第一次由無(wú)機(jī)物氰酸銨合成有機(jī)物尿素，第一次沖擊了傳統(tǒng)的生命力學(xué)說(shuō)。這種學(xué)說(shuō)認(rèn)為尿素純粹是動(dòng)物的產(chǎn)物，由生命力控制產(chǎn)生的，不可能由無(wú)機(jī)物合成。對(duì)生物化學(xué)作出重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家<5>liuofuEraofOrganicChemistryTheodorSchwann(施旺

1810-1882)：德國(guó)生理學(xué)家，細(xì)胞學(xué)說(shuō)的創(chuàng)立者之一。1838年提出發(fā)酵和腐敗是由空氣中微小的生物引起的。1839，施旺提出許多疾病與細(xì)胞的生理和化學(xué)方面有關(guān)，首次提出'metabolicphenomena'.

對(duì)生物化學(xué)作出重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家<6>liuofuEraofOrganicChemistryGerardusJohannesMulder

(穆?tīng)柕?1802~1880):荷蘭化學(xué)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。根據(jù)瑞典著名化學(xué)家貝采里烏斯提議，將這種物質(zhì)命名為蛋白質(zhì)。對(duì)生物化學(xué)作出重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家<7>liuofuEraofPhysiologicalChemistryJuctusvonLiebig

(李比希,1803～1873)：德國(guó)化學(xué)家，首先提出機(jī)體中物質(zhì)建設(shè)和破壞的化學(xué)過(guò)程稱為代謝的定義；出版類似生物化學(xué)的專著：DieorganischeChemieinihrerAnwendungaufAgriculturundPhysiologie(有機(jī)化學(xué)在農(nóng)業(yè)和生理學(xué)上的應(yīng)用,1840);對(duì)生物化學(xué)作出重要貢獻(xiàn)的科學(xué)家<8>DieThierchemieoderdieorganischeChemieinihrerAnwendungaufPhysiologieundPathologie(動(dòng)物化學(xué)或有機(jī)化學(xué)在生理學(xué)及病理學(xué)上的應(yīng)用,1842)liuofu諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)和化學(xué)獎(jiǎng)中的生物化學(xué)100次101次38次62次38次63次生物化學(xué)生物化學(xué)1901～20093.從諾貝爾獎(jiǎng)看化學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性liuofu生物化學(xué)領(lǐng)域諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的教育背景1901～2009（共129人/62次）（共64人/38次）12人12人34人41人83人11人提綱化學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性物理對(duì)生命科學(xué)的重要性數(shù)學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性總結(jié)，數(shù)理化綜合素養(yǎng)的重要性生物化學(xué)領(lǐng)域諾貝爾獎(jiǎng)獲得者的教育背景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.從諾貝爾獎(jiǎng)看化學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性靜態(tài)結(jié)構(gòu)晶體衍射X-ray衍射中子衍射電子衍射透射電鏡核磁共振(NMR)……..結(jié)構(gòu)變化園二色光譜(CD)紅外/拉曼光譜熒光光譜差示量然分析(DSC)電子順磁共振(EPR)核磁共振(NMR)原子力顯微鏡(AFM)………2.物理為生命科學(xué)研究提供了技術(shù)平臺(tái)看看分子結(jié)構(gòu)研究的技術(shù)1953,揭示DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)1962年Nobel生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)FrancisCrick（1916-2004學(xué)物理出身）JamesWatson（1928-學(xué)生物出身）MauriceWilkins（1916-2004學(xué)物理出身）Franklin’sX-raypictureforDNA22MaxFerdinandPerutz（1914-2002,學(xué)物理出身）JohnCowderyKendrew（1917-1997,學(xué)物理出身）1958,揭示肌紅蛋白的高分辨結(jié)構(gòu)1962年Nobel化學(xué)獎(jiǎng)2317,699daltons243.物理為深刻理解生命現(xiàn)象提供基礎(chǔ)看你對(duì)這個(gè)問(wèn)題的理解有多深：被動(dòng)運(yùn)輸是指物質(zhì)順著濃度梯度跨越生物膜的轉(zhuǎn)運(yùn)方式，包括自由擴(kuò)散和協(xié)助擴(kuò)散（圖左），細(xì)胞對(duì)葡萄糖的吸收屬于協(xié)助擴(kuò)散?！氨粍?dòng)”之意是說(shuō)這種運(yùn)輸沒(méi)有消耗（額外）能量（ATP等），其實(shí)正象攔河水壩上下游的水位落差儲(chǔ)存了重力勢(shì)能一樣（圖右），物質(zhì)的跨膜濃度梯度本身也是一種能量?jī)?chǔ)存，但被動(dòng)運(yùn)輸和通過(guò)水壩的水流具有本質(zhì)的不同。請(qǐng)回答：（1）這種本質(zhì)的不同是什么？（2）假定我們有辦法將一個(gè)葡萄糖分子標(biāo)記為A（圖左），那么一段時(shí)間后，你在細(xì)胞外找到葡萄糖分子A的機(jī)會(huì)和細(xì)胞內(nèi)找到葡萄糖分子A的機(jī)會(huì)是否相同？為什么？提綱化學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性物理對(duì)生命科學(xué)的重要性數(shù)學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性總結(jié)，數(shù)理化綜合素養(yǎng)的重要性（1）人類的任何知識(shí)依靠邏輯形成體系（2）邏輯表達(dá)的兩種語(yǔ)言描述語(yǔ)言：自然語(yǔ)言，如英語(yǔ)、漢語(yǔ)等定量語(yǔ)言：數(shù)學(xué)語(yǔ)言（3）生命科學(xué)知識(shí)不是凌亂的，也有邏輯性邏輯思維能力訓(xùn)練的需要生物信息學(xué)等對(duì)數(shù)學(xué)的天然依賴生物統(tǒng)計(jì)學(xué)生物信息學(xué)系統(tǒng)生物學(xué)……1822-1884GregorMendel1822年生于奧地利1851～1853年在維也納大學(xué)進(jìn)修物理和數(shù)學(xué)1856～1864年開(kāi)展豌豆雜交實(shí)驗(yàn)1865年2月宣讀《植物的雜交實(shí)驗(yàn)》:分離定律和自由組合定律1900年荷蘭的德弗里斯、德國(guó)的柯侖斯和奧地利的丘歇馬克分別用不同的植物證實(shí)了孟德?tīng)柕陌l(fā)現(xiàn)為什么孟德?tīng)柲馨l(fā)現(xiàn)遺傳規(guī)律？為什么他的發(fā)現(xiàn)被埋沒(méi)35年？在遺傳成為研究熱點(diǎn)，植物雜交風(fēng)行，以豌豆為雜交實(shí)驗(yàn)材料不乏其人的背景下，我們自然會(huì)問(wèn)。數(shù)學(xué)在發(fā)現(xiàn)和傳播遺傳規(guī)律中的關(guān)鍵作用流行方法孟德?tīng)柗椒ㄉ茖W(xué)研究的典型方式：歸納法，以定性描述為主借鑒物理學(xué)、數(shù)學(xué)：演繹法，現(xiàn)象→假設(shè)→推論→驗(yàn)證→理論信奉融合性遺傳：遺傳因素在子代融合表現(xiàn)提出顆粒性遺傳：遺傳因素在子代的顯、隱性在遺傳研究上只對(duì)世代性狀進(jìn)行定性的“整體性”描述；不注意同一代群體的個(gè)體性狀差異，更談不上對(duì)這些差異的定量研究。注意同一代群體的個(gè)體性狀差異，并對(duì)這些差異做定量研究。答案對(duì)孟德?tīng)栠z傳定律的“錯(cuò)誤直覺(jué)”按照孟德?tīng)柕亩?，生物的每一個(gè)形狀，比如說(shuō)眼睛的顏色，都是由一對(duì)基因來(lái)控制的。這一對(duì)基因中的每一個(gè)，可能是顯性，也可能是隱性。比如說(shuō)褐色眼睛是顯性的，由基因Ｂ控制，而藍(lán)色眼睛是隱性的，由基因ｂ控制。假如有一對(duì)夫婦，一個(gè)是褐色眼睛，基因型是ＢＢ，一個(gè)是藍(lán)色眼睛，基因型是ｂｂ，那么他們的子女的基因型是雜合體，為Ｂｂ，由于Ｂ是顯性，表現(xiàn)為褐色，也就是他們的子女全部為褐色眼。又假定他們的子女自交，則其孫子的基因型分布是一個(gè)ＢＢ，兩個(gè)Ｂｂ，一個(gè)ｂｂ，表現(xiàn)型則是三個(gè)褐色眼，一個(gè)藍(lán)色眼。如此下去，他們的后代中褐色眼的豈不越來(lái)越多，藍(lán)色眼的越來(lái)越少，最后只剩下褐色眼了？可是現(xiàn)在在西方人口中藍(lán)色眼也不見(jiàn)得就比褐色眼少多少??？因此孟德?tīng)柖傻姆磳?duì)者認(rèn)為這是荒唐的。一個(gè)群體在理想情況（不受特定的干擾因素影響，如非隨機(jī)交配、選擇、遷移、突變或群體大小有限），經(jīng)過(guò)多個(gè)世代，基因頻率與基因型頻率會(huì)保持恒定并處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。答案：卡斯特-哈代-溫伯格定律假定一對(duì)等位基因A和a，基因頻率p(A)=x，p(a)=y，x+y＝1，則雌性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生物基因組包裝中的數(shù)學(xué)真核生物的染色體35原核生物（細(xì)菌）liguofu36

線性雙鏈DNA（dsDNA）病毒，包括噬菌體、腺病毒、痘病毒、皰疹病毒等，在成熟過(guò)程中都有一個(gè)將自己的基因組DNA轉(zhuǎn)運(yùn)到蛋白質(zhì)衣殼（procapsid）中的包裝機(jī)制。這一包裝機(jī)制由ATP驅(qū)動(dòng)的DNA包裝馬達(dá)完成，可以將DNA壓縮到接近晶體的密度。目前研究的最深入和最廣泛的是Phi29噬菌體的DNA包裝馬達(dá)病毒liguofu37liguofu38liguofu39liguofu40liguofu41數(shù)學(xué)在哪里？你為什么不問(wèn)“為什么生物選擇螺旋和超螺旋的形式來(lái)包裝它們的基因組？”42答案提綱化學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性物理對(duì)生命科學(xué)的重要性數(shù)學(xué)對(duì)生命科學(xué)的重要性總結(jié)，數(shù)理化綜合素養(yǎng)的重要性liguofu44理科數(shù)學(xué)物理化學(xué)生物…………自然科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法、手段定量的邏輯語(yǔ)言小結(jié)：理科中的生物學(xué)ProteinStructure二級(jí)結(jié)構(gòu)