第一章化学与生命

1、第三章 生命的起源 据统计，现在已知的生物大约有据统计，现在已知的生物大约有200多万多万种。（植物种。（植物40多万多万种、动物种、动物150多万多万种、微生种、微生物物 10多万多万种）种） 生命是如何形成的？什么是生命？ 什么时候开始形成生命？ 对生命起源的思考,就象对宇宙起源的思考一样, 构成人类理性思维中最富有挑战性,亦最有吸引力的问题之一。 自古以来, 杰出的思想家、哲学家和科学家，都试着提出回答这些问题。 什么是生命? 什么是生命？初看起来, 这是一个常识问题。仔细推敲，却很难用一、二句话说清楚。1 1、从物理学角度的定义、从物理学角度的定义 “负熵负熵” 生命的演化过程总是朝着

2、熵减少的方向进行，生命的演化过程总是朝着熵减少的方向进行，一旦负熵的增加趋近于零，生命将趋向终结，一旦负熵的增加趋近于零，生命将趋向终结，走向死亡。走向死亡。2、从生物学角度的定义 生命是由核酸和蛋白质等物质组成的多分子体系，它具有不断自我更新、繁殖后代以及对外界产生反应的能力。用相关特征来表征生命 以细胞为基本单位 会新陈代谢 会生长和发育 能自我繁殖 存在遗传和变异 有应激反应 地球上的所有生物，从最简单的类病毒到最复杂、最高等的人类，尽管它们的形态结构互不相同，但它们却有着相同的物质基础。 第一节 生命起源的化学基础一、生命的基本元素一、生命的基本元素 构成生物的元素近构成生物的元素近6

3、0种，主要有种，主要有C、H、O、N、P、S，其次是，其次是Ca、Mg、Na和和Cl等元素它们等元素它们普遍存在于普遍存在于无机自然界无机自然界，可见作为生命并不存在，可见作为生命并不存在特有的元素。特有的元素。 96%这些基本元素怎么组成生命体？二、组成生命的有机质二、组成生命的有机质 组成生命的有机质是组成生命的有机质是蛋白质、核酸、蛋白质、核酸、脂肪和糖脂肪和糖四大类四大类 遗传信息的表达者遗传信息的表达者蛋白质蛋白质 遗传信息的存储和传递者遗传信息的存储和传递者核酸核酸 生命体的重要构件和储能物质生命体的重要构件和储能物质脂类脂类 生命过程的碳源和能源生命过程的碳源和能源糖类糖类1、蛋

4、白质 遗传信息的表达者 蛋白质的功能蛋白质的功能 蛋白质的组成单位蛋白质的组成单位-氨基酸氨基酸 蛋白质的结构蛋白质的结构蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。分布广分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各 个部分都含有蛋白质。含量高含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人 体干重的45.1） 蛋白质的主要种类和功能 结构蛋白 伸缩蛋白 贮存蛋白 保护蛋白 运输蛋白 激素蛋白 信号蛋白 酶和辅酶H甘氨酸甘氨酸CH3丙氨酸丙氨酸L-L-氨基酸的通式氨基酸的通式RC+NH3COO-H 2）蛋白质的组成

5、单位）蛋白质的组成单位 常见氨基酸有常见氨基酸有20种，种，R不同不同，组成的氨基酸就不同，组成的氨基酸就不同一级结构二级结构四级结构三级结构3）蛋白质的结构）蛋白质的结构牛核糖核酸酶牛核糖核酸酶一级结构NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH2-CH-CHOOH甘甘氨氨酸酸NH-CH-CHOHO OH甘甘氨氨酸酸+-HOH甘氨酰甘氨酸甘氨酰甘氨酸肽键NH2-CH-C-N-CH-COOHHHHONH2-CH-C-N-CH-COOHHHHO两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽酸缩合则形成三肽由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽，由十个以内氨基酸

6、相连而成的肽称为寡肽，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽。由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽。2、遗传 信息的存储和传递者 核酸的化学结构核酸的化学结构 核酸的分类核酸的分类 DNA的结构的结构 RNA的结构的结构 碱基 + 戊糖 核苷 + 磷酸 核苷酸 聚合 核酸 (核苷酸之间通过3,5-磷酸二脂键连接)1）核酸的化学结构碱 基腺嘌呤A尿嘧啶U胞嘧啶C鸟嘌呤G胸腺嘧啶T戊糖2）核酸的分类 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNA) : 含含G、A、C、T四种碱基四种碱基 和和脱氧核糖脱氧核糖 核糖核酸核糖核酸( RNA) : 含含G、A、C、U四种碱基四种碱基 和和核糖核糖DNA一级结构5 -磷酸磷酸3

7、 -羟基羟基碱基碱基脱氧核糖脱氧核糖55端端3端端CGA核酸中核苷酸的排核酸中核苷酸的排列顺序。列顺序。由于核苷酸间的差由于核苷酸间的差异主要是碱基不同，所异主要是碱基不同，所以也称为以也称为碱基序列碱基序列。3）DNA的结构DNA的二级结构(双螺旋) 1953年，年，Watson 和和 Crick 提出提出的的DNA双螺双螺旋结构旋结构小沟大沟4、RNA分类 信使信使RNA(mRNA) 转运转运RNA(tRNA) 核糖核糖体RNA(rRNA)信使信使RNA-蛋白质合成的模板蛋白质合成的模板hnRNA 内含子内含子( (intron) )mRNA 外显外显子子( (exon) )目目 录录转运

8、转运RNA的的-转运氨转运氨基酸基酸 氨基酸臂氨基酸臂 DHU环环 反密码环反密码环 额外环额外环 TC环环氨基酸氨基酸臂臂额外环额外环核糖体核糖体RNA-蛋白质合成场所蛋白质合成场所* rRNA的种类（根据沉降系数）的种类（根据沉降系数）真核生物真核生物5S rRNA28S rRNA5.8S rRNA18S rRNA原核生物原核生物5S rRNA23S rRNA16S rRNA3、糖类 生命过程的碳源和能源 单糖单糖: 丙糖丙糖、 戊糖戊糖 、己糖己糖 寡糖寡糖：麦芽糖麦芽糖、蔗糖蔗糖、乳糖、乳糖 多糖多糖：淀粉淀粉 糖原糖原 纤维素纤维素 单糖主要包括五碳糖和六碳糖单糖主要包括五碳糖和六碳

9、糖。 葡萄糖、果糖和半乳糖是六碳糖葡萄糖、果糖和半乳糖是六碳糖； 核糖和脱氧核糖为五碳糖。核糖和脱氧核糖为五碳糖。 1 1）单糖单糖重要的二糖包括蔗糖、麦芽糖、乳糖等由两个单糖分子通过羟基失水缩聚而成由两个单糖分子通过羟基失水缩聚而成麦芽糖由两分子葡萄糖单体脱水缩合形成蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖缩合形成乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖缩合而成由多个单糖分子缩聚而成由多个单糖分子缩聚而成 重要的多糖有淀粉、糖原、纤维素等4、脂类 生命体的重要构件和储能物质 脂肪脂肪：由甘油和脂肪酸组成：由甘油和脂肪酸组成 类脂类脂 磷脂磷脂 糖脂糖脂 固醇固醇 萜类萜类 第第二节二节 生命起源的假说生命起源

10、的假说1、神造论上帝耶和华用了六天来创造世界上帝耶和华用了六天来创造世界 第一天第一天创造了天和地，分出了白天和黑夜创造了天和地，分出了白天和黑夜 第二天第二天创造了天空、白云、江河和雨水创造了天空、白云、江河和雨水 第三天第三天创造了陆地、海洋、花草树木创造了陆地、海洋、花草树木 第四天第四天创造了太阳、月亮，分出月份、季节创造了太阳、月亮，分出月份、季节 第五天第五天创造了水生动物和飞鸟创造了水生动物和飞鸟 第六天第六天创造了牲畜、爬虫等陆生动物创造了牲畜、爬虫等陆生动物 然后，上帝按照他自己的样子，造出了一个然后，上帝按照他自己的样子，造出了一个男人，取名男人，取名，上帝让亚当掌管大地上

11、的，上帝让亚当掌管大地上的万物。后来，上帝又用亚当的一条肋骨，造万物。后来，上帝又用亚当的一条肋骨，造了一个女人了一个女人，做亚当的妻子，夏娃是人，做亚当的妻子，夏娃是人类的母亲，亚当夏娃的子孙后代不断繁衍，类的母亲，亚当夏娃的子孙后代不断繁衍，慢慢地住满了地球。慢慢地住满了地球。 盘古开天地盘古开天地 神仙用神斧把一团混沌的气劈成两半，轻的气慢慢向上升就成了天；重的慢慢往下沉就成了地。盘古死后，他的身体变成了日月、星辰、高山、河流和草木。 女娲造人女娲造人 神女用黄河中的泥土捏了许多男人和女人，这些泥人放在地上，泥人慢慢都活了，从此有了人类。女娲被中国人尊为人类之祖。 古代人类认为，不同的部

12、落是由不同的动物变来的。崇拜鱼，把鱼作为本部落图腾的人们，认为他们的祖先就是鱼。崇拜鹿的部落，认为鹿是他们的祖先。他们把这些动物当作神来膜拜，叫做“图腾崇拜”。2、自然发生论 生物是从非生物环境中自然发生出来的 腐草化萤 腐肉生蛆 淤泥生鼠 17 世纪意大利医生F. Redi 用实验证明腐肉不能生出苍蝇腐肉生蛆试验自然发生说的终结自然发生说的终结巴斯德的鹅颈瓶实验巴斯德的鹅颈瓶实验 根据实验的结果，根据实验的结果，PasteurPasteur指出，是瓶外空气指出，是瓶外空气中的微生物植入了烧瓶，才使肉汤中产生和繁中的微生物植入了烧瓶，才使肉汤中产生和繁殖出大量的新的微生物，而接上细长弯曲的玻殖

13、出大量的新的微生物，而接上细长弯曲的玻璃管，烧瓶外的微生物在数天内很难到达烧瓶璃管，烧瓶外的微生物在数天内很难到达烧瓶的肉汤中。的肉汤中。 PasteurPasteur由此得出结论：由此得出结论：“所有生物只能来源所有生物只能来源于生物于生物”。 4、宇生论地球上生命来自宇宙空间别的星球。 仍留下问题：“别的星球上生命如何起源”。5、化学进化说 由简单小分子到生命1. 无机小分子生成生物有机小分子2. 生物有机小分子聚合为生物大分子3. 生物大分子形成多分子体系4. 多分子体系形成原始细胞生命的形成生命起源发生在什么时候？生命起源发生在什么时候？ 天文学家估计地球形成于约 45亿年前。 迄今找

14、到的最早的化石记录了35 亿年前的原核生物。 所以，生命起源大约发生在距今 4535 亿年 间。35亿年前的兰细菌化石第三节 生命起源的条件 1、地球的诞生影像2、原始大气 原始大气主要成分：CO2、CH4、N2、水蒸气、H2S、和NH3、CO、HCN 等（没有O2），这些新产生的气体很快冷却，并被保留在地球的外围，形成一个新的大气层。 此时的大气没有游离的氧，所以是还原性的。3、早期能源4、原始海洋的诞生CH4、H2、水蒸气和NH3 氨基酸、单糖、脂类、嘌呤、嘧啶等等第五节第五节 化学进化假说化学进化假说1、从无机分子生成有机从无机分子生成有机小小分子分子 （氨基酸、单（氨基酸、单糖、糖、脂

15、类、嘌呤、嘧啶等）脂类、嘌呤、嘧啶等）提供能量 太阳辐射 紫外线 闪电 放射性 火山爆发 1953年芝加哥大学研究生米勒的模拟实验。 1942年阿贝尔松模拟实验。 1969 年澳州 Muchison 地方落下一块陨石，从碎片成份分析中找到氨基酸、嘧啶、脂酸。1）氨基酸的形成Stanley Miller 用电击提供能量，从简无机分子可得到简有机小分子。米勒的实验装置 米勒模拟实验得到的有机物 （共计20多种） 有机物 产量 mol 甲醛 2330 脲（尿素） 20 乳酸 310 琥珀酸 40 甘氨酸 6 谷氨酸阿贝尔松的实验装置CO2、CO、N2 、O2 后来别人的实验，使用其他能源，紫外线、高

16、温、 射线等，还得到氨基酸 2）糖的形成 与生命起源有直接关系的糖是DNA中的脱氧核糖和RNA中的核糖。 1962年，加贝尔将甲醛溶液和高岭土一起加热、从反应物中分离出多种糖类，也包括核糖。3）嘌呤、嘧啶的形成1971奥罗将氰化氢溶解到过剩的氨水中，100加热数天，从产物中分离到腺嘌呤。1961年，福克斯将苹果酸、尿素、聚磷酸混合，加热到100，获得尿嘧啶。1968年。菲里斯将氰酸钾水溶液和氰基乙炔放在100加热1天，可得到胞嘧啶。4）脂肪酸的形成 1960年勒布证实，通过放电，由潮湿的CO2形成了甲酸、甲醛、过氧化氢、一氧化碳。 1960麦克库西克 用高能电子照射到碳氢化合物和二氧化碳的混合

17、物中，可形成脂肪酸。2 2、从有机小分子到有机大分子、从有机小分子到有机大分子 （蛋白质、核酸蛋白质、核酸、高分子量的碳氢化合物）、高分子量的碳氢化合物） 在原始海洋的岸边, 岩石, 沙土的表层, 有机小分子沉积, 吸收能量, 聚集成大分子聚合物。福克斯实验 （1）把氨基酸混合物倾倒在160 oC200 oC 热沙土上，水分蒸发，氨基酸浓集并化合生成蛋白质样大分子。 （2 2）这样得到的蛋白质分子具有 肽链结构； 蛋白质特有的显色反应； 可被蛋白酶水解， 产生氨基酸； 微弱的酶活性。后来的类似实验 HCN + NH3 类似肽的化合物 50oC-60oC单核苷酸 多核苷酸 “蛋鸡悖论蛋鸡悖论”

18、蛋白质起源说蛋白质起源说 核酸起源说核酸起源说 蛋白质蛋白质- -核酸共同起源说核酸共同起源说蛋白质起源说蛋白质起源说 福克斯微球体学说，强调蛋白质在生命起源中福克斯微球体学说，强调蛋白质在生命起源中的重要作用的重要作用 实验证据：用干燥的氨基酸粉末混合加热后在水实验证据：用干燥的氨基酸粉末混合加热后在水中形成中形成“类蛋白微球体类蛋白微球体”，认为是原始细胞的模型。，认为是原始细胞的模型。 核酸起源说核酸起源说 RNA world：认为认为RNA在进化上早于在进化上早于DNA，由于由于RNARNA酶活酶活性的存在而启动了早期以核酸为主体的原始生命系统的出现，性的存在而启动了早期以核酸为主体的

19、原始生命系统的出现，而而RNARNA又通过反向转录的途径建立了又通过反向转录的途径建立了DNADNA系统，以后蛋白质介入系统，以后蛋白质介入加速了这一系统的发育，导致了生命加速了这一系统的发育，导致了生命DNA-RNA-DNA-RNA-蛋白质系统的诞蛋白质系统的诞生。生。基于基于RNA的系统的系统RNA复制复制基于基于RNA和蛋白质和蛋白质的系统的系统RNA到蛋白质到蛋白质现代细胞现代细胞DNARNA蛋白质蛋白质 核酸与蛋白共同起源说核酸与蛋白共同起源说 两个无生命物质磷和氨基酸结合后形成两个无生命物质磷和氨基酸结合后形成磷酰化氨基酸磷酰化氨基酸； 磷酰化氨基酸是生命的最小单元，换言之，它是核

20、酸最磷酰化氨基酸是生命的最小单元，换言之，它是核酸最小单元和蛋白最小单元的结合体；小单元和蛋白最小单元的结合体； 磷酰化氨基酸作为生命最小单元的原理是：当磷酰化氨磷酰化氨基酸作为生命最小单元的原理是：当磷酰化氨基酸与氨基酸结合时形成肽，释放出磷酸；当磷酰化氨基酸与氨基酸结合时形成肽，释放出磷酸；当磷酰化氨基酸与核苷作用时，磷酸和核苷装配成核苷酸，释放出基酸与核苷作用时，磷酸和核苷装配成核苷酸，释放出氨基酸；装配核苷酸释放出来的氨基酸又与成肽反应释氨基酸；装配核苷酸释放出来的氨基酸又与成肽反应释放出来的磷酸结合，形成磷酰化氨基酸放出来的磷酸结合，形成磷酰化氨基酸 如此循环如此循环反复，所形成的肽

21、链和核苷酸链越来越长，分子量越来反复，所形成的肽链和核苷酸链越来越长，分子量越来越大，最终形成核酸和蛋白，这便是核酸和蛋白共同起越大，最终形成核酸和蛋白，这便是核酸和蛋白共同起源与进化的机制。源与进化的机制。 磷磷氨基酸氨基酸二肽二肽+ +氨基酸氨基酸+ +核苷核苷二核苷酸二核苷酸磷酰化氨基酸磷酰化氨基酸三肽三肽三核苷酸三核苷酸核酸核酸磷酸磷酸多核苷酸多核苷酸多肽多肽磷酸磷酸氨基酸氨基酸+n+n氨基酸氨基酸+ +核苷核苷+ +氨基酸氨基酸蛋白蛋白+n+n核苷核苷n n氨基酸氨基酸氨基酸氨基酸n n磷酸磷酸核酸与蛋白质共同起源的动力学模型核酸与蛋白质共同起源的动力学模型 针对原始地球上，蛋白质和

22、核酸的起源条件和针对原始地球上，蛋白质和核酸的起源条件和地点的不同分为：地点的不同分为：陆相起源说、海相起源说、深陆相起源说、海相起源说、深海烟囱起源说海烟囱起源说 关于核酸和蛋白质起源的三大分支学说关于核酸和蛋白质起源的三大分支学说 陆相起源说陆相起源说： 起源于大陆火山附近，那里起源于大陆火山附近，那里由于火山活动而造成地球表面由于火山活动而造成地球表面的局部高温区，火山的高温条的局部高温区，火山的高温条件是解决氨基酸或核苷缩合理件是解决氨基酸或核苷缩合理想场所，大陆无氧干燥的环境想场所，大陆无氧干燥的环境也是脱水缩合的良好条件。也是脱水缩合的良好条件。 海相起源说海相起源说： 认为在原始

23、海洋中，小分子认为在原始海洋中，小分子量氨基酸和核苷酸可以被吸附量氨基酸和核苷酸可以被吸附在黏土、蒙脱石等物质的活性在黏土、蒙脱石等物质的活性表面，在适当的缩合剂存在时，表面，在适当的缩合剂存在时，可以发生脱水，缩合成高分子可以发生脱水，缩合成高分子量的聚合物，产生团聚体和原量的聚合物，产生团聚体和原始细胞。始细胞。 深海烟囱起源说深海烟囱起源说：深海海底有超过：深海海底有超过300300的海底热液，海底热液带出大的海底热液，海底热液带出大量硫化物，遇水冷却后形成巨大的量硫化物，遇水冷却后形成巨大的“黑烟囱黑烟囱”。附近生物链的基础是。附近生物链的基础是细菌，细菌通过化学作用吸取地热细菌，细菌通过化学作用吸取地热带出来的能量，形成各级生物链的带出来的能量，形成各级生物链的营养源。黑烟囱附近生物链的生存营养源。黑烟囱附近生物链的生存环境，与太古代生命起源时期类似，环境，与太古代生命起源时期类似，没有绿色植物，没有光合作用产生没有绿色植物，没