序言

“化学”一词，若单是从字面解释就是“变化的科学”。它如同物理一样皆为自然科学的基础学科，化学是一门以实验为基础的自然科学。它在分子、原子层次上研究物质的组成、性质、结构与变化规律并且创造新物质。它是一门历史悠久而又富有活力的学科，它的成就是社会文明的重要标志。从开始用火的原始社会，到使用各种人造物质的现代社会，人类都在享用化学成果。人类的生活能够不断提高和改善，化学在其中起了重要的作用。

化学家们通过对各种星体的化学成分的分析，得出了元素分布的规律，发现了星际空间有简单化合物的存在，为天体演化和现代宇宙学提供了实验数据，还丰富了自然辩证法的内容。很早以前我们的祖先学会钻木取火，充分利用燃烧时的发光发热现象驱赶猛兽，烘烤食物，促进了生产力的发展。之后人们又学会了制陶、冶炼、酿造、染色。之后化学的发展又经历了丹药时期和燃素时期，再在之后的发展时期之中拉瓦锡用定量化学实验阐述了燃烧的氧化学说，道尔顿提出了近代原子学说，门捷列夫发现了元素周期表，还有许多创世纪的发现。

        当今化学内容一般分为生物化学、有机化学、高分子化学、应用化学和化学工程学、物理化学、无机化学等七大类共80项，实际包括了七大分支学科。目前世界上很多国家已把“绿色化学”作为新世纪化学进展的主要方向之一。

前沿科技

        今年诺贝尔化学奖一半颁给弗兰西斯·阿诺德，奖励她实现了酶的定向演化；另一半颁发给乔治·史密斯和格里高利·温特，奖励他们实现了多肽和抗体的噬菌体呈现技术。

        你可能听人这样说过，达尔文的进化论都是错的！我们今天不去评论对错，因为已经有人把进化论的思想，成功地运用到了现实生活中。

        在我们生活的地球上，有一支名为“进化”的强大力量。自37亿年前地球上出现首批生命以来，几乎每寸地表中都填满了不断对环境做出适应的生命体：比如生长在贫瘠山脊上的地衣，在热泉中顽强生存的藻类，干燥沙漠中浑身披甲的爬行动物，以及在黑暗的深海中闪闪发光的水母。

我们在生物课上都学过这些生物，但现在让我们转变一下视角，从化学家的角度看待它们。地球上的生物之所以能存活下去，是因为进化帮它们解决了无数复杂的化学问题。所有生物都能从周边环境中提取可用的物质和能量，用它们合成自己所需的独特化学成分。鱼的血液中含有防冻蛋白质，因此它们在极地冰洋中也能畅游无阻；贝类能分泌一种水下分子胶，因此可以牢牢粘附在岩石上。

这些化学反应的绝妙之处在于，它们已经被编写进了我们的基因中，能够代代相传、不断演变。基因如果发生了一点儿意外变化，就会改变这种化学反应。有时这会削弱生物体的生存能力，有时则会让该生物变得更加强大。随着新的化学反应逐渐出现，地球上的生命也变得愈加复杂。蛋白酶可以催化化学反应。可是，如何才能造出效果拔群的蛋白酶呢？进化论的解决办法很简单：“物竞天择，适者生存”。当然，我们得把“天择”改成通过生活的多样性来控制物种的进化，2018年诺贝尔化学奖获得者控制了进化，并将其用于给人类带来最大利益。通过定向进化产生的酶用于制造从生物燃料到药物的所有物质。使用称为噬菌体展示的方法进化的抗体可以对抗自身免疫疾病，并且在一些情况下治愈转移性癌症。自从生命的第一颗种子出现在大约37亿年前，地球上几乎每个缝隙都充满了不同的生物。生命已经蔓延到温泉，深海和干燥的沙漠，这一切都是因为进化已经解决了许多化学问题。生命的化学工具 “蛋白质 ”已经过优化，改变和更新，创造了令人难以置信的多样性。今年的诺贝尔化学奖获得者受到进化力量的启发，并使用相同的原理遗传变化和选择来开发解决人类化学问题的蛋白质。今年诺贝尔化学奖的一半奖授予Frances H. Arnold。 1993年，她进行了酶的第一次定向进化，这是一种催化化学反应的蛋白质。从那时起，她已经改进了现在常用于开发新催化剂的方法。 Frances Arnold酶的用途包括更环保的化学物质制造，如药品，以及为更环保的运输部门生产可再生燃料。今年一半的诺贝尔化学奖由George P. Smith和Sir Gregory P. Winter共同分享。研究人员一直希望研究出能够阻断体内各种疾病过程并起到药物作用的抗体，抗体药物的发展也历经了多次进化：从最初的鼠源抗体，二代人鼠嵌合抗体；三代人源化抗体，再到四代的全人源抗体。人源抗体是基于噬菌体抗体库的技术手段而得到的抗体。

        噬菌体抗体库技术主要方法是将B淋巴细胞轻链和重链基因库扩增，再融合到噬菌体衣壳蛋白中，经噬菌体表面展示系统表达后形成的噬菌体抗体库。这类抗体库含有丰度较高的抗原特异性抗体，能够产生更多更好的抗体，而且这些抗体经过了免疫系统的亲和力成熟过程，因此可从这种免疫抗体库中筛选出对靶标亲和性高的抗体。

        噬菌体抗体库的优点是直接将蛋白质与其基因联系在一起，再利用配体的特异性亲和力，最终将不同的蛋白或多肽挑选出来。这相对于传统的筛选技术，在时间周期、抗体类型、筛选范围、经济成本等方面有着突出的优势。通过噬菌体展示技术获得的抗体，不仅去除了鼠源抗体的免疫源性，而且免去了人源化操作，其筛选过程简单、高效，能在较短时间内获取亲和力较强的全人源抗体。

        格雷格·温特建立了一个噬菌体库，其表面上有数十亿种抗体。从这个库中，他找到了附着在不同靶蛋白上的抗体。然后，他在定向进化抗体的帮助下升级了新的库，在这个库中的抗体与靶标的附着力更强。

 1985年，乔治史密斯开发了一种称为噬菌体展示的优雅方法，其中噬菌体（一种感染细菌的病毒）可用于进化新蛋白质。 Gregory Winter使用噬菌体展示进行抗体的定向进化，目的是生产新的药物。第一种基于这种方法的阿达木单抗于2002年获得批准，用于治疗类风湿性关节炎，牛皮癣和炎症性肠病。

        从那时起，噬菌体展示产生了可以中和毒素，抵抗自身免疫疾病和治愈转移性癌症的抗体。“阿达木单抗”的成功在制药行业掀起波澜，噬菌体展示技术被很快应用于生产癌症抗体和其他药物，其中有一种药物能够释放人体杀手细胞，以便后者去对肿瘤细胞发起攻击。肿瘤细胞的生长将被迟滞，甚至在某些案例中，成功治愈了患有转移性肿瘤的患者，这在肿瘤治疗史上是一项重要的成就。另一种已经被批准的抗体药物则可以被用于中和引发炭疽的细菌性毒素，还有一种药物可以缓解某些自身免疫疾病，如狼疮，还有更多的类似药物正处于临床实验阶段，其中包括对抗阿尔兹海默症的药物。

我们处于直接进化革命的早期阶段，它以多种不同的方式带来并将为人类带来最大的利益。人择：因让蛋白酶像活学活用进化论，且研究出用细菌和噬菌体生产蛋白，造福人类的方法。

三位诺贝尔化学奖得主简介

        George P. Smith,乔治·史密斯1941出生于康涅狄格Norwalk。1970年获得哈佛大学细菌学和免疫学博士学位。1975年在堪萨斯大学担任助理教授，此后晋升为教授。他发表的论文包括抗体结构和进化，重复DNA序列、基因组学和生物学的进化丝状噬菌体。1985年George P Smith第一次将外源基因插入丝状噬菌体f1的基因Ⅲ，使目的基因编码的多肽以融合蛋白的形式展示在噬菌体表面，从而创建了噬菌体展示技术。该技术的主要特点是将特定分子的基因型和表现型统一在同一病毒颗粒内，即在噬菌体表面展示特定蛋白质，而在噬菌体核心DNA中则含有该蛋白的结构基因。另外，这项技术把基因表达产物与亲和筛选结合起来，可以利用靶蛋白将目的蛋白或多肽挑选出来。

        Sir Gregory P. Winter, 格雷戈里·温特英国生物化学家，治疗性单克隆抗体的先驱。他发明了“拟人化”和全拟人化的噬菌体展示技术，以及用于治疗用途的抗体的相关技术。他任职于英国剑桥大学分子生物学实验室（LMB）。温特最重要的成就之一是他成功地在试管中直接开发“人源”抗体，而不需要杂交瘤和实验动物免疫等实验过程。他体外生产抗体的新技术为开发新的诊断程序和治疗方案铺平了道路，并且沿着这些路线已经开始了若干成功的临床试验。噬菌体展示技术(phage display technology)是将外源蛋白或多肽的DNA序列插入到噬菌体外壳蛋白结构基因的适当位置，使外源基因随外壳蛋白的表达而表达，同时这项技术可以让外源蛋白随噬菌体的重新组装而展示到噬菌体表面。

        Frances H. Arnold,弗朗西丝·阿诺德是美国加州理工学院化学工程系教授，她开创了定向进化的方法，以创造有用的生物系统，包括酶，代谢途径，基因调控回路和生物体。她的定向进化（directed evolution）是一种用于蛋白质工程的方法，它通过模拟自然选择过程，使蛋白质或核酸按照我们希望的方式进化。其步骤包括使基因经历诱变（产生变体）、选择和扩增。它可以在活细胞体内或是体外（在溶液或微滴中）进行。 定向进化既可以作为一种设计修饰蛋白质的替代方法用于蛋白质工程，也能够用于在受控的实验室环境中对基本进化原理的研究。定向进化主要作用有：提高高温或苛刻条件溶剂中的蛋白质稳定性、提高治疗性抗体的结合亲和力和新设计酶的活性、改变现有酶的底物特异性，也是目前改善蛋白质性能最有前途的方法。

                                                  （摘自化学加及网络）

趣味化学

可爱的元素

记得以前读初中高中的时候，化学老师总是会要求我们将化学元素周期表大片大片地背下来，并且还要掌握其中的规律和排列，最终消耗了大量的脑细胞终于才把它们背下来，但是对于一些同学，一些化学元素的特性、规律还是背得很吃力的。最近，有网友制作了一个萌萌的元素周期表，他将化学拟人化，画成一个个生动有趣的漫画人物，让原本枯燥无味的化学学习变成了一个很有趣的一个过程。接下来赶紧来看看有哪些可爱的元素吧！

        氢是由英国化学家卡文迪许在1766 年发现，称之为可燃空气，并证明它在空气中燃烧生成水。1787 年法国化学家拉瓦锡证明氢是一种单质并命名。氢在地壳中的丰度很高，按原子组成占 15.4%，但重量仅占 1%。在宇宙中，氢是最丰富的元素。在地球上氢主要以化和态存在于水和有机物中。

        碳是一种非金属元素，也是一种常见的元素，它以多种形式广泛存在于大气和地壳和生物之中。碳单质很早就被人认识和利用，碳的一系列化合物——有机物更是生命的根本。碳是铁、熟铁和钢的成分之一。 碳能在化学上自我结合而形成大量化合物，在生物上和商业上是重要的分子。

         氮元素是构成蛋白质的重要元素，占蛋白质分子重量的 16%~18%。蛋白质是构成细胞膜、细胞核、各种细胞器的主要成分。动植物体内的酶也是由蛋白质组成。此外，它也是构成核酸、脑磷脂、卵磷脂、叶绿素、植物激素、维生素的重要成分。

        氧元素占整个地壳质量48.6%，是地壳中含量最多的元素，它在地壳中基本上是以氧化合物的形式存的。每一千克的海水中溶解有2.8毫克的氧气，而海水中的氧元素差不多达到了89%。就整个地球而言，氧的质量分数为15.2%。无论是人、动物还是植物，他们的细胞都有类似的组成，其中氧元素占到65%的质量。在空气中，氧的体积占20.9%。

        氖是无色、无臭、无味的气体，熔点－248.67℃，沸点－245.9℃，气体密度0.9002克/升，在水中的溶解度10.5微升/千克水。在一般情况下，氖不生成化合物。氖可由液态空气 分馏产物经低温选择吸附法制取。氖在放电时发出橘红色的光，用于制造霓虹灯，还大量用于高能物理研究。

        镁是一种银白色的轻质碱土金属，化学性质活泼，能与酸反应生成氢气，具有一定的延展性和热消散性。镁元素在自然界广泛分布，是人体的必需元素之一。而且镁是还原剂，制造闪光粉，轻质合金原料。冶金脱硫剂和脱氧剂，光学镜，制造镁盐，制备格氏试剂、光谱分析。

        铝是银白色的金属，有延展性铝 商品常制成棒状、片状、箔状、粉状、带状和丝状。在潮湿空气中能形成一层防止腐蚀的氧化膜。铝粉在空气中加热能猛烈燃烧，并发出眩目的白色火焰。及其合金制造的结构件不仅在航空航天工业中非常关键而且在交通和结构材料领域也非常重要。

        硅有无定形硅和晶体硅两种同素异形体，也是极为常见的一种元素。然而它极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。硅在宇宙中的储量排在第八位。

        磷有白磷、红磷、黑磷三种同素异构体。白磷又叫黄磷为白色至黄色蜡性固体，熔点44.1°C，沸点280°C，白磷活性很高，必须储存在水里，人吸入0.1克白磷就会中毒死亡。白磷在没有空气的条件下，加热到250°C或在光照下就会转变成红磷。红磷无毒，加热到400°C以上才着火

        硫原子序数16，原子量32.066，俗称硫磺，硫为黄色晶状固体，主要的硫变体是正交硫和单斜硫。其熔点分别是112.8°C(正交硫)和119°C(单斜硫)，沸点444.674°C，密度2.07克/厘米3(正交硫)和1.96克/厘米3(单斜硫)。固体硫具有多种晶型，正交硫是室温下唯一稳定的硫的存在形式。

        钾属于碱金属，在自然界没有单质形态存在，钾元素以盐的形式广泛的分布于陆地和海洋中，也是人体肌肉组织和神经组织中的重要成分之一。钾的化学性质比钠还要活泼，仅比钫、铯、铷活动性差。暴露在空气中，表面覆盖一层   氧化钾和碳酸钾，使它失去金属光泽，因此金属钾应保存在煤油中以防止氧化。

        钙是一种金属元素，常温下呈银白色晶体。动物的骨骼、蛤壳、蛋壳都含有碳酸钙。可用于合金的脱氧剂、油类的脱水剂、冶金的还原剂、铁和铁合金的脱硫与脱碳剂以及电子管中的吸气剂等。它的化合物在工业上、建筑工程上和医药上用途很大。

                                                         (图文摘自化学加）