生物化学第一章(序论Ⅱ)生命系统特征

1、生物化学导论生物化学导论 ()()所有生物都共有几个最基本的特征：所有生物都共有几个最基本的特征：生长发育和新陈代谢生长发育和新陈代谢繁殖和遗传繁殖和遗传应激性和运动应激性和运动适应和体内平衡（内稳态）适应和体内平衡（内稳态）1 1 生命对化学元素的选择生命对化学元素的选择2 2 生命系统的环境生命系统的环境3 3 生命系统的结构基础生命系统的结构基础细胞细胞4 4 常见的生命科学研究系统常见的生命科学研究系统1. 1. 生命对化学元素的选择生命对化学元素的选择l 构成生物体的主要元素构成生物体的主要元素l 元素的存在形式元素的存在形式l 生物体内的微量元素生物体内的微量元素构成生物体的主要元

2、素：构成生物体的主要元素：基本元素：基本元素：C C、H H、O O、N N、P P、S S、CaCa、K K、NaNa、MgMg和和ClCl微量元素：微量元素：Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Se、I、Cr、Si、V、F、B、Mo、Sn、Ni和和Br(1)(1)构成生物体的元素都是环境中存在的，且丰度较高。构成生物体的元素都是环境中存在的，且丰度较高。(2)(2)绝大多数为轻元素。绝大多数为轻元素。(3)(3)生物体所必须的微量元素大多为过渡元素。生物体所必须的微量元素大多为过渡元素。 (4)(4)碳、氢、氧、氮具有易形成共价键的特点。碳、氢、氧、氮具有易形成共价键的特点。(5)(5)碳原子还

3、可以和氧、氢、氮、磷和硫形成共价结合并碳原子还可以和氧、氢、氮、磷和硫形成共价结合并把不同种类的功能基引入有机物分子结构中来。把不同种类的功能基引入有机物分子结构中来。(6)(6)碳、氢、氧等形成的许多有机化合物在生理温度碳、氢、氧等形成的许多有机化合物在生理温度(0(040)40)下具有流动性。下具有流动性。构成生物体的元素具有下列特点构成生物体的元素具有下列特点: :元素元素成人成人苜蓿苜蓿碳碳48.4345.37氧氧23.7041.04氮氮12.853.30氢氢6.605.54钙钙3.452.31硫硫1.600.44磷磷1.580.28钠钠0.650.16钾钾0.550.91氯氯0.45

4、0.28镁镁0.100.33总计总计99.9699.96l 元素存在于无机物：水和无机盐。元素存在于无机物：水和无机盐。l 元素存在于有机物：存在于糖类、脂质、蛋元素存在于有机物：存在于糖类、脂质、蛋白质和核酸等生物分子中。白质和核酸等生物分子中。元素的存在形式：元素的存在形式： 是生物体中含量极低但为生命活动所必需的元素，是是生物体中含量极低但为生命活动所必需的元素，是酶的激活剂或是酶的辅因子酶的激活剂或是酶的辅因子微量元素：微量元素： 固氮酶尿素酶谷胱甘肽过氧化物酶丙酮酸激酶己糖激酶钼碳酸酐酶精氨酸酶，核苷酸还原酶细胞色素氧化酶过氧化氢酶，过氧（化）物酶硒 2. 2. 生命系统的环境生命系

5、统的环境l 水是生命系统的环境基础水是生命系统的环境基础l 生命系统是一个缓冲系统生命系统是一个缓冲系统l 水在生物体的分布及存在形式水在生物体的分布及存在形式l 水在生物体内的作用水在生物体内的作用 水是生命系统的环境基础：水是生命系统的环境基础：自由水自由水结合水结合水以自由的形式存在，这部分水能自由流动所以是较以自由的形式存在，这部分水能自由流动所以是较好的溶剂和运输工具好的溶剂和运输工具与体内的蛋白质、粘多糖相结合，因而比较难流动与体内的蛋白质、粘多糖相结合，因而比较难流动器官器官含水量含水量骨髓骨髓22%肌肉肌肉76%脑脑7484%心脏心脏79%肝脏肝脏70%皮肤皮肤72血液血液83

6、水是一种良好的溶剂，生物体内许多物质都能溶于水。水是一种良好的溶剂，生物体内许多物质都能溶于水。水能直接参加水解、氧化还原反应。水能直接参加水解、氧化还原反应。水能在体内起运输物质的作用。水能在体内起运输物质的作用。水对于维持机体温度的稳定起很大作用。水对于维持机体温度的稳定起很大作用。水分还起润滑作用。水分还起润滑作用。对植物来说，水分能保持植物的固有姿态对植物来说，水分能保持植物的固有姿态水在生物体中的作用水在生物体中的作用生命系统是一个缓冲系统：生命系统是一个缓冲系统： l 缓冲溶液缓冲溶液l生物化学中常用的缓冲溶液生物化学中常用的缓冲溶液lpH和生命和生命缓冲溶液缓冲溶液 缓冲溶液是一

7、种能在加入酸或碱时抵抗缓冲溶液是一种能在加入酸或碱时抵抗pH值改变的值改变的溶液。溶液。 缓冲溶液用于许多需要准确控制缓冲溶液用于许多需要准确控制pH值的生化实验中。值的生化实验中。 缓冲溶液的缓冲溶液的pH值取决于溶液的值取决于溶液的pKa值及盐和酸的比值及盐和酸的比例。例。 缓冲溶液的缓冲范围在其缓冲溶液的缓冲范围在其pKa两侧两侧1个个pH单位单位生物化学中常用的缓冲液生物化学中常用的缓冲液酸或碱酸或碱pKa1pKa2pKa3磷酸磷酸2.17.212.3柠檬酸柠檬酸3.14.85.4碳酸碳酸6.410.3 甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸3.18.1 醋酸醋酸4.8 巴比妥酸巴比妥酸3.4 Tr

8、is8.3 pHpH与生命与生命- -生物体中主要的缓冲体系生物体中主要的缓冲体系蛋白质蛋白质碳酸氢盐碳酸氢盐磷酸盐磷酸盐系统系统解离反应解离反应pKapKaHPr HHPr H + + PrPr 7.47.4H H2 2COCO3 3 H H + + HCOHCO 3 36.16.1H H2 2POPO 4 4 H H HPOHPO 2 24 4 7.27.2生物分子与细胞生物分子与细胞细胞的两大类细胞的两大类: : 原核细胞原核细胞 真核细胞真核细胞主要细胞器简介主要细胞器简介3. 3. 生命系统的结构基础生命系统的结构基础细胞细胞生物分子与细胞：生物分子与细胞： 它的外部是一层起保护作用

9、的细胞壁它的外部是一层起保护作用的细胞壁(cell walls)(cell walls)在在细胞壁内是一层细胞膜，也称为质膜。细胞膜内包裹着细细胞壁内是一层细胞膜，也称为质膜。细胞膜内包裹着细胞质以及核也称为核质或拟核胞质以及核也称为核质或拟核原核细胞原核细胞(prokaryotic cells):(prokaryotic cells):是最简单、最小的细胞，如细菌。是最简单、最小的细胞，如细菌。原核细胞原核细胞 真核细胞真核细胞(eukaryotic cells)(eukaryotic cells)真核细胞区别于原核细真核细胞区别于原核细胞的最主要特征是它们具有被双层膜所包裹的、有固定形胞的

10、最主要特征是它们具有被双层膜所包裹的、有固定形状的、结构复杂的细胞核。它比原核细胞大得多，也复杂状的、结构复杂的细胞核。它比原核细胞大得多，也复杂得多。它存在于所有植物、动物以及真菌之中。得多。它存在于所有植物、动物以及真菌之中。 动物、植物和真菌都是真核细胞构成的生物，简称真动物、植物和真菌都是真核细胞构成的生物，简称真核生物。植物细胞动物细胞核生物。植物细胞动物细胞 真核细胞与原核细胞的另一区别是它们具有被内部膜真核细胞与原核细胞的另一区别是它们具有被内部膜所包裹的细胞器所包裹的细胞器 真核细胞真核细胞动物细胞与植物细胞示意图l真核细胞的核真核细胞的核 l线粒体线粒体l内质网内质网l高尔基

11、体高尔基体l溶酶体溶酶体l叶绿体叶绿体l微管和微丝微管和微丝l胞浆胞浆l细胞膜细胞膜 主要细胞器简介：主要细胞器简介：真核细胞的核中包含了几真核细胞的核中包含了几乎所有的细胞乎所有的细胞DNADNA动物和植物细胞中，细胞动物和植物细胞中，细胞核都被中间有一层狭窄空核都被中间有一层狭窄空间的双层膜所包裹。两层间的双层膜所包裹。两层膜上有许多核膜孔膜上有许多核膜孔, ,通过这通过这些小孔，各种物质可以在些小孔，各种物质可以在核与细胞质之间穿过核与细胞质之间穿过在核的内部是核仁在核的内部是核仁(nucleoli)(nucleoli)核的其他部分含有染色质核的其他部分含有染色质(chromatin)(

12、chromatin)核内进行核内进行DNADNA复制、复制、RNARNA转录等生物化学反应转录等生物化学反应细胞核细胞核嵴嵴(crista)(crista)核糖体（核糖体（RibosomesRibosomes）基质基质(matrix)(matrix)线粒体是三羧酸循环、生物氧化、氧化磷酸线粒体是三羧酸循环、生物氧化、氧化磷酸化等生物化学反应的场所化等生物化学反应的场所线粒体线粒体粗糙内质网粗糙内质网滑面内质网滑面内质网膜上散布着核蛋白体，蛋白质在结合内质网上膜上散布着核蛋白体，蛋白质在结合内质网上的核蛋白体中合成之后，可通过膜进入液泡的的核蛋白体中合成之后，可通过膜进入液泡的空间，有些暂时贮存

13、在细胞内，有些则最后输空间，有些暂时贮存在细胞内，有些则最后输送到细胞外送到细胞外在代谢和解毒上有重要作用在代谢和解毒上有重要作用内质网内质网高尔基体的形态高尔基体的形态有所不同，不过有所不同，不过它们大多数是一它们大多数是一群由平滑的单层群由平滑的单层膜包裹的小泡膜包裹的小泡高尔基体具有聚高尔基体具有聚集、浓缩和储存集、浓缩和储存蛋白质的作用蛋白质的作用高尔基体高尔基体 是细胞中由膜包裹的球状小泡，它们大小不是细胞中由膜包裹的球状小泡，它们大小不一，内含许多不同的酶，它们能水解消化细胞中一，内含许多不同的酶，它们能水解消化细胞中不再需要的蛋白质、多糖和脂。由于这些酶对细不再需要的蛋白质、多糖

14、和脂。由于这些酶对细胞的其他部分有损害，所以它们被隔离在溶酶体胞的其他部分有损害，所以它们被隔离在溶酶体中。蛋白质和其他物质能选择性地进入溶酶体，中。蛋白质和其他物质能选择性地进入溶酶体，再水解为组成它们的氨基酸等小分子化合物，然再水解为组成它们的氨基酸等小分子化合物，然后又重新释放回细胞质后又重新释放回细胞质溶酶体溶酶体(lysosome)(lysosome) 存在于藻类和绿色植物的细胞中，存在于藻类和绿色植物的细胞中，是光合作用的场所。是光合作用的场所。叶绿体叶绿体 微管是由微管蛋白构成的长纤维，它们微管是由微管蛋白构成的长纤维，它们的功能是起细胞的骨架作用，可维持细胞的的功能是起细胞的骨

15、架作用，可维持细胞的形状。纤毛、鞭毛和纺锤体中均有微管存在，形状。纤毛、鞭毛和纺锤体中均有微管存在，它们主要起到运动作用。它们主要起到运动作用。 微丝是细胞中细长的蛋白质纤维，其功微丝是细胞中细长的蛋白质纤维，其功能不仅由于收缩作用使细胞质组分有方向性能不仅由于收缩作用使细胞质组分有方向性的运动，还能与微管组成细胞骨架并与质膜的运动，还能与微管组成细胞骨架并与质膜内表面的蛋白质结合而影响质膜的流动内表面的蛋白质结合而影响质膜的流动微管和微丝微管和微丝 是蛋白质、核酸、糖类及其它代谢物组是蛋白质、核酸、糖类及其它代谢物组成的胶体溶液。许多代谢反应如糖酵解、氨成的胶体溶液。许多代谢反应如糖酵解、氨

16、基酸活化和脂肪酸合成在胞浆中进行基酸活化和脂肪酸合成在胞浆中进行胞浆胞浆含大量脂类、蛋白质的双分子层结构含大量脂类、蛋白质的双分子层结构使细胞成型，有通透、屏蔽等作用使细胞成型，有通透、屏蔽等作用细胞膜细胞膜4. 4. 常见的生命科学研究系统常见的生命科学研究系统病毒病毒细菌细菌酵母茵酵母茵四膜虫四膜虫线虫线虫果蝇果蝇转基因动物转基因动物 病毒可提供一个简便的研究真核基因组的结构与调病毒可提供一个简便的研究真核基因组的结构与调控原理的模型控原理的模型 对病毒基因结构和表达的研究阐明了真核基因表达对病毒基因结构和表达的研究阐明了真核基因表达调控的某些原理，如基因重叠、内含子的发现、转录后调控的某

17、些原理，如基因重叠、内含子的发现、转录后剪修、重复序列和增强子的存在等等，大大丰富了分子剪修、重复序列和增强子的存在等等，大大丰富了分子生物学的内容生物学的内容 多种病毒载体的出现，也为研究真核细胞基因表达多种病毒载体的出现，也为研究真核细胞基因表达提供了一个重要手段提供了一个重要手段病毒病毒(virus)(virus)细菌是自由生活的单细胞生物，具有如下特点：细菌是自由生活的单细胞生物，具有如下特点：生长快，个体小生长快，个体小易培养，易操作易培养，易操作代谢作用旺盛代谢作用旺盛基因结构比较清楚基因结构比较清楚具有游离的质粒具有游离的质粒具有转座子能受噬菌体的侵袭具有转座子能受噬菌体的侵袭细

18、菌（细菌（bacteriabacteria） 酵母菌与细菌具有很多相似之处，如个体小，生长快，酵母菌与细菌具有很多相似之处，如个体小，生长快，易培养，易操作，对人体没有毒害作用等特点；它的基因结易培养，易操作，对人体没有毒害作用等特点；它的基因结构也研究得比较清楚，仅次于大肠杆菌，是继续深入工作有构也研究得比较清楚，仅次于大肠杆菌，是继续深入工作有用的信息库。用的信息库。 酵母菌的基因缺陷型也很容易筛选，几乎是应有尽有。酵母菌的基因缺陷型也很容易筛选，几乎是应有尽有。 另外酵母菌也有自身的转座子和游离的质粒，是基因另外酵母菌也有自身的转座子和游离的质粒，是基因工程的良好受体菌工程的良好受体菌

19、酵母菌作为一种低等真核生物，具有许多特殊的酵母菌作为一种低等真核生物，具有许多特殊的性性质质，使之具有理论研究和实际应用的广泛前景，使之具有理论研究和实际应用的广泛前景酵母（酵母（YeastYeast） 四膜虫、果蝇等染色体的端粒结构可以在酵母中发挥功能。四膜虫、果蝇等染色体的端粒结构可以在酵母中发挥功能。 染色体着丝粒基因结构的研究已在酵母中取得了很大的进展，染色体着丝粒基因结构的研究已在酵母中取得了很大的进展，这这 为研究高等生物的染色体结构打下了基础，也大大加快了为研究高等生物的染色体结构打下了基础，也大大加快了人类基因组计划的研究速度人类基因组计划的研究速度 酵母中有几个分泌系统，其基

20、因在改造后接上外源片段就酵母中有几个分泌系统，其基因在改造后接上外源片段就可使产物分泌到细胞外。这在生物工程中有很大的应用价值可使产物分泌到细胞外。这在生物工程中有很大的应用价值。此外，许多高等动植物的分泌信号也能在酵母中发挥作用。此外，许多高等动植物的分泌信号也能在酵母中发挥作用 酵母中某些基因含有内含子，因而具有真核生物特有的转录酵母中某些基因含有内含子，因而具有真核生物特有的转录后加工系统。后加工系统。 酵母中含有类似于致癌基因的结构酵母中含有类似于致癌基因的结构 这是最近发现与高等生这是最近发现与高等生物非常类似的地方，故酵母菌将是研究癌基因的简单模型。物非常类似的地方，故酵母菌将是研

21、究癌基因的简单模型。酵母具有糖基化酶系统，具有翻译后加工系统。酵母具有糖基化酶系统，具有翻译后加工系统。四膜虫（四膜虫（tetrahymenatetrahymena） RNARNA催化功能的发现催化功能的发现 19811981年，年，CechCech等发现，四膜虫等发现，四膜虫rRNArRNA可可以精确地将一段内含子切除，并将两侧以精确地将一段内含子切除，并将两侧RNARNA拼结起来。这段内拼结起来。这段内含子具有催化加工特定序列的功能，被称为类酶含子具有催化加工特定序列的功能，被称为类酶RNARNA（RibozymeRibozyme）。这是对生物酶认识的一次重大突破。）。这是对生物酶认识的一

22、次重大突破。染色体端粒结构及其复制机制的阐明：研究端粒的结构和功染色体端粒结构及其复制机制的阐明：研究端粒的结构和功能对于解释真核生物线性能对于解释真核生物线性DNADNA的完整复制有重要意义。的完整复制有重要意义。19781978年年BlackburnBlackburn发现四膜虫发现四膜虫rDNArDNA的末端为的末端为(C4A2)n(C4A2)n，后来又发现一，后来又发现一种具有端粒特异性的端粒酶种具有端粒特异性的端粒酶(telemerase)(telemerase)，含有反转录酶和，含有反转录酶和一段一段RNARNA序列，其中包含序列，其中包含CAACCCCAACAACCCCAA序列。端

23、粒延伸反应很可序列。端粒延伸反应很可能是以能是以RNARNA为模板合成为模板合成DNADNA的一种反转录反应。的一种反转录反应。 四膜虫是单细胞的原生动物，利用四膜虫的优越条件四膜虫是单细胞的原生动物，利用四膜虫的优越条件获得了分子生物学的几项重大发现：获得了分子生物学的几项重大发现：线虫线虫(nemathelminth)(nemathelminth) 常用的线虫是秀丽隐杆线虫常用的线虫是秀丽隐杆线虫(Caenrhabditis elegans)(Caenrhabditis elegans)，这是一种以细菌为食的自由生活的小线虫，它具有如下特点：这是一种以细菌为食的自由生活的小线虫，它具有如下

24、特点：容易培养和保存。容易培养和保存。生活周期短，做一次杂交仅需生活周期短，做一次杂交仅需3 3天时间。天时间。实验操作简单，结果稳定，受环境因素的影响小。实验操作简单，结果稳定，受环境因素的影响小。突变体性状特征明显，其变异一般可在显微镜下从形突变体性状特征明显，其变异一般可在显微镜下从形态上加以判断。态上加以判断。有性别的分化有性别的分化: :雌体和雌雄两性体，二者从形态上可以雌体和雌雄两性体，二者从形态上可以区别。区别。这给遗传分析带来极大的方便。这给遗传分析带来极大的方便。成虫个体的细胞数量严格一定（雄虫有成虫个体的细胞数量严格一定（雄虫有10311031个细胞，个细胞，两性虫有两性虫有959959个细胞）。个细胞）。 果蝇对生命科学的发展起了不可估量的作用，这是因为它具有果蝇对生命科学的发展起了不可估量的作用，这是因为它具有许多优点：许多优点：世代周期短，一般在世代周期短，一般在25,1025,101212天。天。体小容易饲养，培养费用低廉。体小容易饲养，培养费用低廉。繁殖力强，有大量的后代可供考察和统计。繁殖力强，有大量的后代可供考察和统计。分布广泛，许多种类都是世界性的。分布广