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绪论
化学与生物学
第一章绪论
为什么要学习化学与生物学？
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科技发展需要及时代主题
国家自然科学基金委员会（NaturalScienceFoundationofChina）20世纪80年代初，为推动中国科技体制改革，变革科研经费拨款方式，中国科学院89位院士建议设立面向全国的自然科学基金。
国务院于1986年2月14日批准成立国家自然科学基金委员会（简称“自然科学基金委”，NSFC）。
国家自然科学基金委员会（NaturalScienceFoundationofChina）数理科学部工程与材料科学部化学科学部信息科学部生命科学部管理科学部地球科学部医学科学部
研究项目系列
一、面上项目
二、重点项目
三、重大项目
四、重大研究计划
五、联合基金项目
六、国际（地区）合作研究项目人才项目系列
一、青年科学基金
二、国家杰出青年科学基金（包括外籍）
三、创新研究群体科学基金
四、国家基础科学人才培养基金
五、地区科学基金
环境条件项目系列
一、国际合作交流项目
二、科学仪器基础研究专款项目
三、重点学术期刊专项
四、科普、青少年科技活动等专项
诺贝尔奖
科技成就上的最高荣誉，衡量国家科技水平和实力的重要标志。
根据19世纪末瑞典化学家阿尔弗雷得·诺贝尔遗愿，以其经营炸药生产和油田所得的财产作为基金而设置，于1901年开始颁奖，每年一次。
宗旨是要授予那些为全人类作出巨大贡献的人。
诺贝尔奖在最初设立时共分为5个奖项：
物理学奖、化学奖、生理学奖或医学奖、文学奖、和平事业奖。
1968年又增设了一项经济学奖，由瑞典国家银行提供奖金；
近10年诺贝尔化学奖2003彼得·阿格雷、罗德里克·麦金农；在细胞膜通道蛋白2004阿龙-西查诺瓦、阿弗拉姆-赫尔什科、伊尔温-罗斯；泛素调控蛋白降解2005伊夫·肖万、罗伯特·格拉布、理查德·施罗克，烯烃复分解反应；2006罗杰·科恩伯格；真核转录的分子基础2007格哈德·埃特尔；表面化学2008钱永健、马丁·沙尔菲、下村修；绿色荧光蛋白（GFP）2009文卡特拉曼·拉马克里希南、托马斯·施泰茨、阿达·约纳特；核糖体结构和功能2010理查德·赫克、根岸英一、铃木章；钯催化交叉偶联反应2011丹尼尔·舍特曼；新形态的二十面体相分子结构（准晶体）2012罗伯特·莱夫科维茨和布莱恩·克比尔卡因；G蛋白偶联受体研究
近10年诺贝尔生理学奖或医学奖
2001.勒兰德-哈特韦尔、保罗-诺斯、蒂莫希-亨特；控制细胞循环2002.罗伯特-霍维茨、悉尼-布雷内、约翰-苏尔斯顿；器官发育和细胞死亡的基因规则2003.保罗-劳特布尔、彼得-曼斯菲尔德；核磁共振成像技术2004.理查德-阿克塞尔、琳达-巴克；气味受体和嗅觉系统组织方式2005.巴里·马歇尔、罗宾·沃伦；发现了导致胃炎和胃溃疡的幽门螺杆菌2006.安德鲁·法尔、克雷格·梅洛；RNA（核糖核酸）干扰机制2007.马里奥-卡佩奇和奥利弗-史密西斯、马丁-埃文斯；干细胞研究2008.哈拉尔德·楚尔·豪森、弗朗索瓦丝·巴尔－西诺西、吕克·蒙塔尼；发现了人乳头状瘤病毒和艾滋病病毒2009.伊丽莎白·布莱克本、卡罗尔-格雷德（CarolGreider）、杰克·绍斯塔克、霍华德休斯医学研究所，端粒和端粒酶保护染色体的机理2010.罗伯特·爱德华兹；试管婴儿2011.布鲁斯·博伊特勒、朱尔斯·霍夫曼、拉尔夫·斯坦曼；免疫系统研究2012.长山中伸弥与约翰•戈登；细胞核重新编程研究
为什么要学习化学与生物学？
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化学与生物学学科性质
化学是中心学科
化学是中心学科20世纪以来，化学发展的趋势可以归纳为：
由宏观向微观、由定性向定量、由稳定态向稳态发展，由经验逐渐上升到理论，再用于指导设计和开创新的研究。
一方面，为生产和技术部门提供尽可能多的新物质、新材料；另一方面，在与其他自然科学相互渗透的进程中不断产生新学科，并向探索生命科学和宇宙起源的方向发展。
精细化工：
牙膏，化妆品，洗衣粉等的研发均属于这个范围。
很多大型企业，如高露洁，强生，联合利华，宝洁，欧莱雅，杜邦等都很愿意选择化学专业的同学。
生物领域：
生命科学的本质是化学。
如今的生物已经从宏观深入到微观，如何了解在分子层次发生的反应成为我们深入认知生命现象的关键，因为化学研究的对象就是分子和化学反应，所以化学在其中是中坚力量。
具有良好化学背景的人可以在生物领域游刃有余。
医药领域：
开发新的药物是化学工作者的责任。
随着有机化学的高速发展，人们在合成方面的技术大大提高，已能有效地使合成反应在化学选择性、区域选择性和立体选择性下完成，这些都为新药物的研究提供了机会。
材料领域：
功能材料的发展。
无机、有机或无机复合有机都有大显身手的机遇。
尤其在制备特定用途的材料过程中，化学更将显示其强大的合成能力。
环境领域：
环境问题是当今世界的一大重要课题，环境监测和控制的人才备受重视，而这其中应用的核心技术则是分析化学。
通过各种分析化学的手段（如色谱分离技术）了解环境问题的原因，同时提出解决方案。
化学人在这个领域会有更多的发展空间。
生物学包罗万象•动物学、植物学、微生物学（细菌、真菌、病毒）
•组织生物学、细胞生物学、形态生物学、发育生物学、神经生物学、个体生物学、种群生物学
•遗传学、生理学、解剖学、胚胎学、种子学、生态学
•生物化学、生物数学、生物物理学、生物地理学、生物医学、分子生物学
农业、林业、牧业、水产业、医药业
如今的生物学发展，已分为微观和宏观两个方向。
微观方面主要以生物工程（基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程）为代表，从分子水平去探索生命的本质。
宏观方面主要以生态学为代表，解决全球性的资源和环境等方面的问题。
不管生物学如何发展，他都是在研究全人类（包含所有生物）的生存与发展，研究人类与自然的和谐相处，研究资源的可持续利用。
这些研究为人类作出了巨大的贡献。
化学与生物学的交融
为什么要学习化学与生物学？
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人类社会面临各种挑战
现代生物技术作为高科技领域之一，对解决人类面临的重大问题如：
粮食、健康、环境和能源等将开辟广阔的前景，日益成为影响国计民生的科学技术支柱和21世纪高新技术产业的先导。
生态系统的破坏
DDT:
二对氯苯基三氯乙烷
1942年投放市场；1948年，瑞士化学家米勒（P.H.Muller）,获生理学医学奖。
为白色晶体，不溶于水，溶于煤油，可制成乳剂，是有效的杀虫剂。
为20世纪上半叶防止农业病虫害，减轻疟疾伤寒等蚊蝇传播的疾病危害起到了不小的作用。
优点：
对杀灭多种害虫有效，效力持久，无刺激性，稳定性好害处：
1.扩散范围广，害虫的天敌被消灭，害虫却产生抗药性。
2.污染，即使暴晒和高温也很难使其挥发和分解。
土壤-水，大气-动物和人-中枢和肝脏-痉挛或死亡
DDT在环境中非常难降解，并可在动物脂肪内蓄积，甚至在南极企鹅的血液中也检测出DDT，鸟类体内含滴滴涕会导致产软壳蛋而不能孵化，尤其是处于食物链顶极的食肉鸟如美国国鸟白头海雕几乎因此而灭绝。
1962年，美国科学家卡尔松在其著作《寂静的春天》中怀疑，DDT进入食物链，是导致一些食肉和食鱼的鸟接近灭绝的主要原因。
因此从70年代后滴滴涕逐渐被世界各国明令禁止生产和使用。
世界环境中已积存了10亿磅的DTT！
世界上有近30万种昆虫，只有3000种是有毒的。
DTT的毒杀范围却囊括了多种益虫；而且很有可能害虫的天敌被消灭了，害虫却未灭迹。
一些害虫产生抗药性，如传播斑疹伤寒的体虱。
因此，人类迫切需要一种新的无污染的物质来控制害虫，这便促进了生物制剂的发展。
昆虫的变态
昆虫从幼期状态变为成虫状态的变化过程称为变态。
不完全变态：
幼虫和成虫很相似，所以又叫“若虫”，经过几次蜕皮，每蜕一次，翅芽就增大一次，最后变为成虫。
蜻蜓和蝗虫。
完全变态：
幼卵孵化成毛虫（能活动的幼虫），经过不活动的蛹期变为迥然不同的成虫。
1936年，英国生物学家威格尔斯.沃斯。
在昆虫幼虫脑后，发现有一个能制造使昆虫保持幼年形态的激素---保幼激素的细小腺体。
蜕皮激素：
前胸腺分泌，调节昆虫蜕皮。
哈佛大学的威廉斯发现一种叫赛大蚕蛾的昆虫体内含有大量保幼激素。
模拟合成保幼激素、蜕皮激素。
干扰昆虫体内的激素平衡，破坏其正常生长发育、变态和生殖，且对高等动物毒性小，不污染环境——第3代杀虫剂。
几丁质酶在病害防治中的应用
昆虫几丁质是昆虫表皮和围食膜的重要组成成分，在昆虫生长、发育的各个时期都需要一定量的几丁质。
几丁质代谢随昆虫不同生长发育阶段而变化，对昆虫的正常生长发育起着至关重要的作用。
高等植物和高等动物体内则不含几丁质。
选择几丁质酶来破坏昆虫几丁质结构或几丁质代谢的平衡来防治害虫，具有极大的发展潜力。
更多的几丁质酶基因被克隆，并进一步应用于转基因作物或微生物杀虫剂的增效等生物防治手段，都取得了很好的增效杀虫效果。
为什么要学习化学与生物学？
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化学与生物学与我们生活息息相关
化学、生命科学是与我们日常生活息息相关的学科，我们的衣、食、住、行、医药、保健等都离不开。
衣
不是天然胜似天然
----人造纤维
纤维分为天然纤维和化学纤维。
化学纤维又分为人造纤维和合成纤维，其中人造纤维指以材等天然纤维为原料，经化学加工处理的纤维，如人造丝，人造棉，硝化纤维，醋酸纤维，黏质纤维等；合成纤维指用石油，天然气，煤和农副产品作原料加工制得单体，经聚合反应制成的纤维，如涤纶，锦纶，腈纶，丙纶，维纶和氨纶，统称“六大纶”。
17世纪以前，人们穿着的衣物都是由天然纤维制成的；18世纪法国化学家雷.欧米尔预见人造纤维的可能性；
19世纪瑞士化学家安德曼发明溶解木浆和其它物质并使其沉淀的方法生产出人造丝：
原料是木材、芦苇、稻草。
20世纪30年代，杜邦化学公司卡罗瑟斯了合成纤维。
乙二醇+癸二酸→聚酯纤维（涤纶）：
抗皱、保型、易洗、快干；不吸水、透气性差、不柔软：
毛涤、涤棉。
己二胺+己二酸→聚酰胺纤维（尼龙66）：
强度、弹性、耐磨性强；忌强酸、强光。
——降落伞、宇航服。
丙烯腈→聚丙烯腈（腈纶、合成羊毛）：
膨松柔软、抗湿保暖、轻、强度高、耐碱耐酸；耐磨性差、电阻率大。
聚乙烯醇缩甲醛（维纶、合成棉花）：
吸湿性好；皱褶不易消失、染色困难。
芳香聚酰胺（芳纶）：
结晶、取向程度极高；高强度、高耐热性——飞机机身、火箭发动机外壳、车体、替代钢筋、防弹衣、游艇、滑雪板、钓鱼竿、高尔夫球杆。
服装面料选择
o人造棉、人造丝织物具有手感柔软、穿着透气舒适、染色鲜艳等特点。
o人造纤维织物具有很好的吸湿性能，其吸湿性在化纤中最佳。
但织物缩水率较大，因此在裁剪前应预先缩水为好。
o普通粘胶织物具有悬垂性好，刚度、回弹性及抗皱性差的特点，因此其服装保形性差，容易产生折皱。
o粘胶纤维织品的耐酸碱性、耐日光性及耐其它药品性能均较好。
食
转基因食品的是与非
不粘锅与铁锅
特氟隆（Teflon；全氟辛酸铵）杜邦公司使用在一系列氟聚合物产品的总称。
耐热（180℃-260℃）、耐低温（-200℃）；抗酸抗碱、抗各种有机溶剂，几乎不溶于所有的溶剂；摩擦系数极低，可起润滑作用。
不粘锅，衣物、家居、医疗、宇航产品中也有广泛应用。
每一片夹层玻璃均乃采用杜邦Butacite®0.76mm厚度的胶膜。
不用润滑油的轴承灵活、轻巧，发热量小，不必再添加润滑油；在－200℃～350℃的温度范围内能很好使用；转动时不发出噪音，杜绝了噪音污染，保护了环境。
人体器官的替代品
改造后，具有“生物相容性”；加工方便，容易制成所需的形状；各种人体医疗器具（如胃镜、钳、导管）和人体器管的替代品（如心脏补片、人造动脉血管、人工气管等）。
美国环保局评估致癌风险：
•对人类致癌•对人类可能致癌
•对人类有致癌潜在作用的证据
•信息不足以评估致癌作用
•不大可能致癌
2004年7月8日《华尔街日报》揭出聚四氟乙烯产品可能对人体造成危害，到2005年12月，美国环境保护署状告杜邦公司隐瞒聚四氟乙烯危险性一案结束，最终杜邦公司同意支付1025万美元罚款，并出资625万美元用于相关保护项目。
美国环保署下属的科学顾问委员会2006年2月15日得出一致结论：
产生Teflon等品牌不粘和防锈产品的关键化工原料——全氟辛酸铵（PFOA）“对人类很可能致癌”。
不粘锅使用条件不粘锅使用条件除了温度限制在250℃以下外，还不能用来制作酸性食物。
据调查，目前市场上所出售的不粘锅，并未标注这一限制性使用条件。
在2010年要削减95%的PFOA使用量到2015年要全面禁用。
韩国一家公司推出了一种FineCeramic精细陶瓷涂层技术不粘锅，代替了旧有的PTFE涂层，既延续了不粘特性，又完全避免了PTFE可能带来的健康风险。
美国“阿克苏诺贝尔”公司发明一种健康材料代替了“特氟龙”，已经运用到美国顶级厨具calphalon（卡福莱）的产品上。
住
家中的隐形杀手——甲醛、氨气和放射性污染
甲醛的危害：
我国有毒化学品优先控制名单上位居第二；
致癌致畸；长期接触低剂量甲醛可引起慢性呼吸道疾病，引起鼻咽癌、结肠癌、脑瘤、新生儿染色体异常和白血病；
儿童孕妇对甲醛尤其敏感，危害更大；食用含有甲醛的食品会导致肺水肿、肝肾充血及血管周围充血、肾衰竭、癌症。
甲醛无处不在！
装修材料、家具：
是合成树脂、油漆、塑料、人造纤维的原料；是人造板（胶合板、中密度纤维板、刨花板）制造所用的脲醛树脂胶（UF）、酚醛树脂胶重要原料；
UF泡沫做的防热御寒的绝缘材料；
用甲醛做防腐剂的涂料、化纤地毯、化妆品；
新买皮革或新干洗的皮革；
食物。
装修材料的选择
复合地板、家具、橱具的背板、面板等使用的是密度板—尿醛胶，甲醛含量较高；
大芯板、三合板、五合板等由于使用的胶合剂以醋丙乙烯为主，甲醛含量相对较低。
严格测量花岗岩和大理石的放射性值是否超标;使用保健抗菌建材：
灭菌玻璃，防菌瓷砖；使用无污染pvc环保型墙纸或优质绿色环保涂料；使用天然树脂漆（大漆）、水性木器清漆、磁漆涂饰建筑物门、窗表面。
日用洗涤剂与人类健
康
行
氟里昂的功与过
卤代烃类化合物的商品名称。
主要是氟（F）原子和氯（Cl）原子取代甲烷（CH4）或乙烷（C2H5）中的氢（H）原子所生成的化合物。
加压时易变成液体，如果压力释放又会变回气体状态。
并且，性能稳定，热容量高。
卤代烃类化合物
第一类是H原子被完全取代了的含氯氟烃，它的编号冠以CFC，第一个C代表氯元素，F为氟元素，后面的C是碳元素。
第二类是H原子没有被完全取代的氢氯氟烃，它的编号冠以HCFC。
第三类是H原子没有被完全取代，但不含氯的氢氟烃，它在编号前冠以HFC。
臭氧是一种依附在地球表面6-30英里内的气体，它能有效地保护人们免受太阳光中紫外线的直接照射。
实际上，如果没有臭氧层的保护，地球上也不会有生命的存在。
平流层臭氧减少万分之一，全球白内障的发病率将增加0.6-0.8%，即意味着因此引起失明的人数将增加1万到1.5万人。
1985，南极上空就出现了一个相当于欧洲面积大小的臭氧空洞，北极地区的臭氧层也变得很稀薄，使更多的太阳光紫外线辐射到地球危害人体健康。
水中微生物，品种锐减
国际社会于1987年9月在加拿大缔结了《蒙特利尔协议书》，明确规定禁用CFC-12的期限为2000年。
但由于臭氧层的破坏不断加剧，国际社会把CFC-12的完全禁用期提前到1995年，发展中国家则可推迟10年。
美国杜邦（DuPont）公司开发出新的制冷剂HFC-134a。
主要特点是：
不含氯原子，对大气臭氧层不起破坏作用；具有良好的安全性能（不易燃、不爆炸、无毒、无刺激性和无腐蚀性）；
物理性能与CFC-12比较接近，所以制冷系统的改型比较容易；传热性能比CFC-12好，因此制冷剂的用量可大大减少。
但是HFC134a与现有矿物质的冷冻机油不溶合，因此不得不为之寻找新的压缩机油。
现已开发出两种与HFC-134a溶合的油，它们的代号为PAG及ESTER，而PAG油应用较为普遍。
①存放HFC-134a的容器标识为浅蓝色，而存放CFC-12的容器为白色；
②HFC-134a制冷系统连接软管是用橡胶和尼龙特制而成的，并且在其外部有汽车工程学会的印记（SAE#J2196）；而CFU12制冷系统连接软管常用一般橡胶管。
VOC（VolatileOrganicCompound；挥发性有机化合物）
中苯、甲苯、乙苯、苯乙烯、甲醛、乙醛、丙烯醛等。
头痛、恶心，严重时出现抽搐会伤害到人的肝脏、肾脏、大脑和神经系统。
医药、保健
青霉素的发明
青霉素的发现，是20世纪最引人注目的单项医学成就，是抗生素纪元的开始。
1945年，弗莱明、弗洛里和钱恩因“发现青霉素及其临床效用”而共同荣获了诺贝尔生理学或医学奖。
miRNAs在疾病治疗中的作用
MicroRNAs（miRNAs）是在真核生物中发现的一类内源性的具有调控功能的非编码RNA，其大小约20~25个核苷酸。
成熟的miRNAs是由较长的初级转录物经过一系列核酸酶的剪切加工而产生的，随后组装进RNA诱导的沉默复合体，通过碱基互补配对的方式识别靶mRNA，并根据互补程度的不同指导沉默复合体降解靶mRNA或者阻遏靶mRNA的翻译。
miRNA参与各种各样的调节途径，包括发育、病毒防御、造血过程、器官形成、细胞增殖和凋亡、脂肪代谢等等。
miRNAs调节着大约30%的人类基因；许多miRNA在很多疾病中特异性的表达。
肿瘤心血管疾病神经系统疾病
传染病
免疫系统疾病
破译参与疾病过程的miRNA，阐明miRNA表达谱，不但可以带来新的药物靶标，还有助于建立基于miRNA的有效新疗法。
用光诱导剂调控生命体的新陈代谢活动
Naturemethods（IF：
20.7）发表了华东理工大学杨弋课题组论文《利用一个光调控的基因表达系统在空间和时间上调控基因的表达》。
该系统由一种光调控的转录因子和含有目的基因的转录单元构成。
在蓝光存在的情况下，转录因子能够迅速被激活，从而启动目的基因的转录与表达，进而调控生命体的各种新陈代谢活动。
相对于传统的化学小分子诱导剂来说，光诱导剂成本低廉容易获取；能够在时间和空间上精确调控；可逆地控制目标基因的表达水平；没有污染、没有残留物，绿色环保。
课题组利用该系统在小鼠活体内进行实验，实现了红色荧光蛋白在小鼠肝脏的指定区域的光控表达；用光来控制胰岛素的表达与分泌，也成功地将患有I型糖尿病小鼠的血糖降到较低水平。
在基因治疗方面，该系统可以精确地定位、定量、定时控制治疗性基因的表达，能避免治疗不足或者治疗过度，这是传统方法做不到的。
可广泛应用于生命科学领域研究，为复杂生物学的问题解析提供有力的研究工具；还将为糖尿病等人类疾病提供一种在时间和剂量上精确控制的基因治疗新途径。
化学基因组学
是利用小分子化合物作为探针，研究基因组的功能以及发现新的药物作用靶标、途径和网络的学科。
通过小分子化合物探针与靶蛋白之间的特异性相互作用，在基因的转录、加工和翻译等水平上对细胞的某一特定生命过程进行调控，从而研究靶蛋白及相关目的基因的结构与功能，同时发现和确认新的药物作用靶点及药物先导化合物。
以全新的方式大规模的快速寻找和发现新基因和功能蛋白质，并研究其功能和调控网络，因此它不仅是研究功能基因组学的一条捷径，而且也是药物发现的有效手段。
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