生物化學-1-生命

1、 1生命 主講教師：王強、童微星v 使用教材：使用教材： 生物化學生物化學 主編主編 王鏡巖等王鏡巖等 高等教育出版社出高等教育出版社出版版v 參考書目：參考書目： 生物化學教程生物化學教程 主編主編 張洪淵張洪淵 浙江大學出版社出浙江大學出版社出版版 生物化學生物化學 主編主編 古練權等古練權等 高等教育出版社出高等教育出版社出版版Biochemistry (the molecular basis of life) Trudy Mckee, James R. Mckee (third)第一章 生 命 我們所處在的地球充滿著無數(shù)的生物，從最簡單的病毒、類病毒到菌藻樹草，從魚蟲鳥獸到最復雜的人類

2、，處處都可以發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡，覺察到生命的活動。地球上的生物形形色色，千姿百態(tài)。不同的生物，其形態(tài)、生理特征和對環(huán)境的適應能力各不相同，都經(jīng)歷著生長、發(fā)育、衰老、死亡的變化，都具有繁殖后代的能力。生命的根本特性是什么？千百年來，人們以許多不同的觀點闡述自己對此的看法。 19世紀下半葉，恩格斯對生命下了一個定義：“生命是蛋白體的存在方式，這個存在方式的基本因素在于和它周圍的外部自然界的不斷地新陳代謝，而且這種新陳代謝一停止，生命就隨之停止，結果便是蛋白質的分解?！倍鞲袼沟纳x在一定程度上揭示了生命的物質基礎，即具有新陳代謝功能的蛋白體。100年來，這個定義一直指導人們認識生命的思想武器。生命是

3、一個很難下的定義（1）生理學定義 例如把生命定義為具有進食、代謝、排泄、呼吸、運動、生長、生殖和反應性等功能的系統(tǒng)。但某些細菌卻不呼吸。（2）新陳代謝定義 生命系統(tǒng)具有界面，與外界經(jīng)常交換物質但不改變其自身性質。（3）生物化學定義 生命系統(tǒng)包含儲藏遺傳信息的核酸和調節(jié)代謝的酶蛋白。但是已知某種病毒樣生物卻無核酸。（4）遺傳學定義 通過基因復制、突變和自然選擇而進化的系統(tǒng)。（5）熱力學定義 生命是個開放系統(tǒng)，它通過能量流動和物質循環(huán)而不斷增加內部秩序。Korzeniewski認為一個蟻群即是一個活著的系統(tǒng)。Koreniski說：“部分只有在一個大系統(tǒng)中才可以稱為活著，比如蟻群中的一只螞蟻，動物體

4、內的心臟等?！眴蝹€螞蟻可能是一個很復雜的系統(tǒng)，但復雜性并不是生命所獨有的正如電腦一樣。類似地，病毒、癌癥和寄生性DNA通過各種各樣的方式使自己得以傳種接代，所有這一切都很像“活著”，但是類病毒（導致疾病、小于病毒的RNA微粒）沒有這種能力，因而不能被認為活著。具有復制的能力具有催化的能力具有突變的能力 19世紀30年代，德國植物學家施萊登首先指出，所有植物體都是由細胞構成的。他的這個觀點被德國動物學家施旺在動物組織和細胞研究中證實，所有動物也也是由細胞構成的是由細胞構成的。 施旺指出：“細胞是有機體，整個動物或植物體乃是細胞的集合體。它們依照一定的規(guī)律排列在動物體內?！痹诖嘶A上他們創(chuàng)立了細胞

5、學說。 細胞是組成生物體的基本結構單元，是生物體進行代謝、能量轉換、遺傳以及其它生理活動的基本場所。 恩格斯把細胞學說、能量守恒和轉換定律、達爾文進化論一起譽之為19世紀自然科學的三大發(fā)現(xiàn)。 由于細胞的發(fā)現(xiàn)，我們不僅知道一切高等有機體都是按照一個共同規(guī)律發(fā)育和生長的，而且通過細胞的變異，能改變自己，向更高的發(fā)育道路邁進。 所有的生物都是由細胞組成的，只是不同的生物體細胞的大小和形狀有所不同。 有的細胞人的眼睛可以看得見，如鳥類的蛋，最大的直徑近10厘米（鴕鳥蛋）。 有的細胞直徑只有0.1微米，要用高倍顯微鏡才能看到，如原始的細菌。大多數(shù)細胞的直徑是10-100微米，用低倍顯微鏡就能看到。 細胞

6、的大小，即使在同一生物體的相同組織中也不一樣。同一個細胞，處在不同發(fā)育階段，它的大小也是會改變的。 細胞的形狀多種多樣，有球體、多面體、紡錘體和柱狀體等。由于細胞內在的結構和自身表面張力，以及外部的機械壓力，各種細胞總是保持自己的一定形狀。 細胞的形狀和功能之間有密切關系。例如，神經(jīng)細胞會伸展幾米，這是因為伸長的神經(jīng)細胞有利于傳導外界的刺激信息。 高大的樹木為什么能郁郁蔥蔥，這是因為植物內的導管、篩管細胞是管狀的，有利于水分和營養(yǎng)的運輸。 根據(jù)生物的進化程度，細胞可以分為兩大類： 原核細胞(Prokaryote cell) 真核細胞(Eukaryote cell)。 原核細胞是一類進化程度低，

7、結構最簡單的一類細胞。屬于原核細胞的有細菌(Bacteria)和藍藻(blue-green algae)等。 原核細胞的外層是細胞壁和細胞膜（質膜），內部為細胞質。 細胞質的結構非常簡單，沒有明顯的細胞器（由封閉的生物膜包裹的固體質粒），只有原始的細胞核（無核膜和核仁）和其它一些核糖核蛋白體等。 真核細胞是高等植物和動物的基本組織單位。 真核細胞的外層為細胞膜（植物細胞還有一層細胞壁），內部為細胞質。 細胞質的結構非常復雜，含有許多細胞器，主要有：細胞核、線粒體、核糖核蛋白體、高爾基體和溶酶體等。 植物細胞中還含有質體、葉綠體和液泡等。 各個細胞器具有不同的生物功能，它們之間協(xié)調運作，使細胞內

8、的代謝和各種生理活動能夠有條不紊地進行。 細胞的細胞膜、細胞質和細胞器是細胞的功能機構。 生命現(xiàn)象中的許多重要過程，例如細胞的進化，遺傳信息的傳遞，生物的生殖、發(fā)育和衰老，生物代謝和調節(jié)，能量的產生和轉換，激素的作用機制，神經(jīng)信息的傳遞等，都與生物膜和細胞器功能密切相關。 細胞膜是真核細胞表層的一層薄膜，是活細胞的重要組成部分。 它具有保護細胞、進行物質交換、傳遞信息、能量轉換、運動和免疫等生理功能。 細胞質是非常復雜的生物膠體。 細胞質所含的有形物質為各種細胞器，細胞器之間為胞液。 細胞胞液主要由酶、激素、脂類、糖類以及多種無機鹽和水組成。 胞液是細胞內各種細胞器之間相互聯(lián)系的介質。 細胞質

9、內含有一些具有獨立形態(tài)的結構，稱為細胞器。 細胞器通過膜（細胞內膜）與周圍環(huán)境分開，具有特定的生理功能。 原核細胞的原始核無核膜和核仁，沒有固定的形狀，只有一個含有DNA遺傳信息的區(qū)域。 真核細胞含有固定形狀的細胞核，它有核膜、核仁和組蛋白等，主要成分是DNA、 RNA和有關的合成酶。 細胞核具有遺傳信息的存儲、復制和轉錄等功能。 原核細胞不含線粒體，大多數(shù)動植物真核細胞都含有線粒體。 線粒體為棒狀小粒，由內外膜和基質組成。 外膜包圍著內膜，內膜部分曲折伸入基質使內外膜之間形成孔穴。 內膜為半透膜，只有部分小分子物質可以通過。外膜通透性較大，分子量小于一萬的分子都可以通過。 線粒體含有多種酶系

10、。 主要是呼吸鏈電子傳遞酶系、糖類分解氧化酶系、脂酸的氧化酶系、氧化磷酸化酶系、核酸合成酶系和蛋白質合成酶系等。 線粒體是進行生物代謝和能量轉換最重要的場所。 核糖核蛋白體又稱為核糖體，由核糖核酸與多種結合蛋白構成。 是蛋白質生物合成的主要場所。 內質網(wǎng)是由細胞膜引伸形成的小管和小胞構成的網(wǎng)狀結構。 原核細胞無內質網(wǎng)，而所有的真核細胞都有內質網(wǎng)。不同細胞的內質網(wǎng)的大小、形狀和數(shù)目都不相同。 內質網(wǎng)上附著有核糖核蛋白體的部分，表面粗糙，稱為粗面內質網(wǎng)。不附有核糖核蛋白體的部分，表面光滑，稱為滑面內質網(wǎng)。 內質網(wǎng)上含有多種重要酶系，參與有關蛋白質、甘油酯和磷脂的合成及解毒等。內質網(wǎng)的結構 高爾基體

11、是 真核細胞內 一種由網(wǎng)狀 小管或泡組 成的復雜結 構。 其功能可能與 細胞內物質的轉運和細胞膜更新有關 溶酶體是由 30-40種水解 酶和膜基質 組成的一種 細胞器。 溶酶體主要含 有RNA水解酶、 DNA水解酶、 蛋白酶、酸性 糖苷酶、酸性磷酸酯酶、脂酶和磷脂酶等。 是細胞內代謝物質的分解、清除的主要場所。 葉綠體存在于 綠色植物和藻 類的細胞中。 葉綠體主要含 有葉綠素，是 進行光合作用 的場所。 自然界所有的生命物體都由三類物質組成水、無機離子和生物分子 組成生命體的物質是極其復雜的。但在地球上存在的92種天然元素中，只有28種元素在生物體內被發(fā)現(xiàn) 第一類元素：包括C、H、O和N四種元

12、素，是組成生命體最基本的元素。這四種元素約占了生物體總質量的99%以上。 第二類元素：包括S、P、Cl、Ca、K、Na和Mg。這類元素也是組成生命體的基本元素。 第三類元素：包括Fe、Cu、Co、Mn和Zn。是生物體內存在的主要少量元素。 第四類元素：包括Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Se、Si等。 生物分子是生物體和生命現(xiàn)象的結構基礎和功能基礎，是生物化學研究的基本對象。 生物分子的主要類型包括： 糖、脂、核酸和蛋白質等生物大分子 維生素、輔酶、激素、核苷酸和氨基酸等。 生物分子中最重要的是糖、酯、核酸和蛋白質四類物質，分子量一般都很大，所以又稱為生物大分子。 生物大分子具

13、有如下特征： （1）由結構比較簡單的小分子結構單元分子所組成。 最重要的結構單元分子主要有以下幾類: 構成蛋白質的結構單元分子 20種基本氨基酸：甘油、脂肪酸和膽堿單糖單糖 生物大分子的結構可分為兩型種類： 生物大分子的一級結構：構成生物分子的結構單元分子按不同的排列組合，形成數(shù)量龐大，結構復雜的線性分子或環(huán)狀分子。通常將只涉及結構單元的排列順序的結構類型稱為一級結構。 生物大分子在 線性或環(huán)狀結 構基礎上，通 過分子內或分 子之間的基團 （包括極性、非 極性和帶電荷 基團）相互作 用，可以進一 步形成非常復雜的立體結構。例如盤繞成螺旋形，折疊成片層狀。有的以線狀存在，而有的則形成球狀等。 構

14、成生物大分子的結構單元分子大多構成生物大分子的結構單元分子大多數(shù)都是手性分子。數(shù)都是手性分子。例如，構成蛋白質的氨基酸都是 L型， 構成多糖的葡萄糖都是 D型。 生物化學主要是應用化學的理論和方法來研究生命現(xiàn)象，闡明生命現(xiàn)象的化學本質。 生物化學的基本內容包括： 發(fā)現(xiàn)和闡明構成生命物體的分子基礎生物分子的化學組成、結構和性質； 研究生物分子的結構、功能與生命現(xiàn)象的關系； 生物分子在生物機體中的相互作用及其變化規(guī)律?；瘜W化學有機化學有機化學物理化學物理化學無機化學無機化學分析化學分析化學高分子化學高分子化學 化學生物學是利用化學的理論、研究方法和手段來探索生物、醫(yī)學問題的科學。這種理解與生物化學

15、和分子生物學的含義有較大的重疊，它強調的是化學與生物學的交叉與融合。 化學生物學研究一般都是從對生物體的生理或病理過程具有調控作用的小分子生物活性物質開始，研究其結構； 發(fā)現(xiàn)其在生物體中的靶分子，研究這些物質與生物體靶分子的相互作用，進一步采用化學方法改造其結構，創(chuàng)制具有某種特異性質的新穎生物活性物質，探討其結構與活性關系和作用機制； 闡明生理或病理過程的發(fā)生、發(fā)展與調控機制，揭示生命過程的秘密，并進一步從中發(fā)展出新的診斷與治療方法或藥物。 它結合傳統(tǒng)的天然產物化學、生物有機化學、生物無機化學、生物化學、藥物化學、晶體化學、波譜學和計算機化學等學科的部分研究方法，從而大大拓寬了研究領域。 v生

16、物有機化學生物有機化學v生物無機化學生物無機化學v生物物理化學生物物理化學v生物分析化學生物分析化學v生物高分子化學生物高分子化學相互作用、組裝和過程相互作用、組裝和過程生物催化劑和生物轉化生物催化劑和生物轉化組合化學組合化學生物模擬生物模擬分析技術分析技術生物大分子生物大分子 1緩沖溶液 緩沖溶液是一種特殊的水溶液系統(tǒng)。當少量的酸（H+）或堿(OH-)加入到緩沖溶液中時，溶液的pH變化很小。 緩沖溶液系統(tǒng)由弱酸（H+供體）和它的共軛堿（H+受體）組成。例如，等摩爾的醋酸（弱酸）和醋酸離子（共軛堿）混合物的水溶液是典型的緩沖溶液。不同的緩沖溶液體系有不同的緩沖區(qū)。 CH3COOH/CH3COO

17、- 溶液的緩沖區(qū)在pH4.76 1(pKa = 4.76) H2PO4-/HPO42- 溶液緩沖區(qū)在pH 6.68 1 (pKa = 6.68)； NH4+ /NH3 溶液的緩沖區(qū)在pH 9.25 1 (pKa = 9.25)。磷酸緩沖液的滴定曲線乙酸緩沖液的滴定曲線 緩沖溶液的濃度（弱酸和它的共軛堿濃度）與溶液的pH以及弱酸的pKa的定量關系可以用方程來描述。 此式即為Henderson -Hasselbalch 方程。 定量描述了緩沖溶液的濃度( HA 和 A-)與pH 及pKa 的關系。 在滴定中點（等當點）時，由于HA = A-，方程可寫成： pH = pKa + log 1 = pKa + 0 = pKa 說明緩沖溶液滴定中點的pH 即為弱酸的pKa 。 定量描述了緩沖溶液的濃度與緩沖能力之間的關系。 生物體內發(fā)生的生物化學過程幾乎都與pH 變化有關。生物體系pH的微小變化將影響許多生物化學反應的速度和方向。 生物體，特別是人及高等動物體，是一個大的緩沖體系，例如人體緩沖體系pH-7.4。細胞的胞液、血液等都是緩沖溶液。 生物體的緩沖體系主要由存在于體內的各種弱酸及其共軛堿組成。例如：