中山大學生物化學第一章生命課件

Biochemistry參考書目使用教材：生物化學主編古練權(quán)等，高等教育出版社出版,2000年參考書目：生物化學教程主編張洪淵四川大學出版社出版生物化學主編沈同王鏡巖高等教育出版社出版聯(lián)系地點：化學南樓三樓309室

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E-mail:cedc43@第一章生命1.1生命的定義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(jié)果便是蛋白質(zhì)的分解?！倍鞲袼沟纳x在一定程度上揭示了生命的物質(zhì)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。生命是一個很難下定義

（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(zhì)但不改變其自身性質(zhì)。（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(diào)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(zhì)循環(huán)而不斷增加內(nèi)部秩序?！笆裁词腔钪?/p>

Korzeniewski認為一個蟻群卻是一個活著的系統(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，動物體內(nèi)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棗正如電腦一樣。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。1.2生命的構(gòu)成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(gòu)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，所有動物也是由細胞構(gòu)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(nèi)?！痹诖嘶A上他們創(chuàng)立了細胞學說。細胞是生物體的基本結(jié)構(gòu)單元

細胞是組成生物體的基本結(jié)構(gòu)單元，是生物體進行代謝、能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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。1.2.1細胞的分類和結(jié)構(gòu)

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米微米，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。細胞的大小細胞的形狀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(nèi)在的結(jié)構(gòu)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(nèi)的導管、篩管細胞是管狀的，有利于水分和營養(yǎng)的運輸。某

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形狀細胞的分類根據(jù)生物的進化程度，細胞可以分為兩大類：原核細胞(Prokaryotecell)和真核細胞(Eukaryotecell)。1．原核細胞原核細胞是一類進化程度低，結(jié)構(gòu)最簡單的一類細胞。屬于原核細胞的有細菌(Bacteria)和藍藻(blue-greenalgae)等。原核細胞的結(jié)構(gòu)原核細胞的特點原核細胞的外層是細胞壁和細胞膜（質(zhì)膜），內(nèi)部為細胞質(zhì)。細胞質(zhì)的結(jié)構(gòu)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(zhì)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。構(gòu)成細胞質(zhì)的結(jié)構(gòu)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(zhì)體、葉綠體和液泡等。各個細胞器具有不同的生物功能，它們之間的協(xié)調(diào)運作，使細胞內(nèi)的代謝和各種生理活動能夠有條不紊地進行。真核細胞的結(jié)構(gòu)植物細胞的結(jié)構(gòu)1.2.2細胞的功能細胞的細胞膜、細胞質(zhì)和細胞器是細胞的功能機構(gòu)。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(diào)節(jié)，能量的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)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。1．細胞膜

Cellmembrane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(zhì)交換、傳遞信息、能量轉(zhuǎn)換、運動和免疫等生理功能。（1）細胞核cellnucleus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(zhuǎn)錄等功能。細胞核的結(jié)構(gòu)（2）線粒體

mitochondrion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(nèi)外膜和基質(zhì)組成。外膜包圍著內(nèi)膜，內(nèi)膜部分曲折伸入基質(zhì)使內(nèi)外膜之間形成孔穴。內(nèi)膜為半透膜，只有部分小分子物質(zhì)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。線粒體功能線粒體含有多種酶系。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(zhì)合成酶系等。線粒體是進行生物代謝和能量轉(zhuǎn)換最重要的場所。（3）核糖核蛋白體ribosomes核糖核蛋白體又稱為核糖體，由核糖核酸與多種結(jié)合蛋白構(gòu)成。是蛋白質(zhì)生物合成的主要場所。（4）內(nèi)質(zhì)網(wǎng)

endoplasmicreticulum內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是由細胞膜引伸形成的小管和小胞構(gòu)成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。原核細胞無內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，而所有的真核細胞都有內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。不同細胞的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的大小、形狀和數(shù)目都不相同。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上附著有核糖核蛋白體的部分，表面粗糙，稱為粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。不附有核糖核蛋白體的部分，表面光滑，稱為滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上含有多種重要酶系，參與有關蛋白質(zhì)、甘油酯和磷脂的合成及解毒等。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)（5）高爾基體

Golgi高爾基體是真核細胞內(nèi)一種由網(wǎng)狀小管或泡組成的復雜結(jié)構(gòu)。其功能可能與細胞內(nèi)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運和細胞膜更新有關（6）溶酶體Lysosomes溶酶體是由30-40種水解酶和膜基質(zhì)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(nèi)代謝物質(zhì)的分解、清除的主要場所。（7）葉綠體

Chloroplast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。細

胞

的

基

本

構(gòu)

成1.3生物體的化學組成自然界所有的生命物體都由三類物質(zhì)組成水、無機離子和生物分子生命體的元素組成組成生命體的物質(zhì)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(nèi)被發(fā)現(xiàn)第一類元素：包括C、H、O和N四種元素，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(zhì)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(nèi)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。生物分子生物分子是生物體和生命現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)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(zhì)等生物大分子維生素、輔酶、激素、核苷酸和氨基酸等。2.生物大分子基本特征生物分子中最重要的是糖、酯、核酸和蛋白質(zhì)四類物質(zhì)，分子量一般都很大，所以又稱為生物大分子。生物大分子具有如下特征：（1）由結(jié)構(gòu)比較簡單的小分子結(jié)構(gòu)單元分子所組成.最重要的結(jié)構(gòu)單元分子主要有以下幾類:構(gòu)成蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)單元分子20種基本氨基酸疏水性氨基酸特殊氨基酸極性氨基酸構(gòu)成核酸的結(jié)構(gòu)單元分子構(gòu)成脂的結(jié)構(gòu)單元分子甘油、脂肪酸和膽堿構(gòu)成糖的結(jié)構(gòu)單元分子單糖（2）具有非常復雜的結(jié)構(gòu)生物大分子的結(jié)構(gòu)可分為兩型種類：生物大分子的一級結(jié)構(gòu)：構(gòu)成生物分子的結(jié)構(gòu)單元分子按不同的排列組合，形成數(shù)量龐大，結(jié)構(gòu)復雜的線性分子或環(huán)狀分子。通常將只涉及結(jié)構(gòu)單元的排列順序的結(jié)構(gòu)類型稱為一級結(jié)構(gòu)。生物大分子的立體結(jié)構(gòu)生物大分子在線性或環(huán)狀結(jié)構(gòu)基礎上，通過分子內(nèi)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(jié)構(gòu)。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。（3）生物分子的手性構(gòu)成生物大分子的結(jié)構(gòu)單元分子大多數(shù)都是手性分子。例如，構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸都是L－型，構(gòu)成多糖的葡萄糖都是D－型。1.4生物化學和化學生物學的概念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(zhì)。生物化學的基本內(nèi)容包括：發(fā)現(xiàn)和闡明構(gòu)成生命物體的分子基礎生物分子的化學組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)；生物分子的結(jié)構(gòu)、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有機化學物理化學無機化學分析化學高分子化學生物學動物學植物學微生物學化學生物學生物化學化學生物學研究內(nèi)容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(diào)控作用的小分子生物活性物質(zhì)開始，研究其結(jié)構(gòu)；發(fā)現(xiàn)其在生物體中的靶分子，研究這些物質(zhì)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(jié)構(gòu)，創(chuàng)制具有某種特異性質(zhì)的新穎生物活性物質(zhì)，探討其結(jié)構(gòu)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(diào)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(jié)合傳統(tǒng)的天然產(chǎn)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。

化學生物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和分子生物學的含義有較大的重疊，它強調(diào)的是化學與生物學的交叉與融合。

化學生物學生物有機化學生物無機化學生物物理化學生物分析化學生物高分子化學相互作用、組裝和過程生物催化劑和生物轉(zhuǎn)化組合化學生物模擬分析技術(shù)生物大分子生物工程基因工程發(fā)酵工程酶工程發(fā)酵工程細胞工程遺傳工程抗體工程蛋白質(zhì)工程1.5緩沖溶液及生物體的緩沖體系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-

溶液的緩沖區(qū)在pH4.761(pKa=4.76)H2PO4-/HPO42-溶液緩沖區(qū)在pH6.681(pKa=6.68)；NH4+/NH3溶液的緩沖區(qū)在pH9.251(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與pH關系緩沖溶液的濃度（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。Henderson-Hasselbalch方程的意義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+log1=pKa+0=pKa

說明緩沖溶液滴定中點的pH即為弱酸