3三 黎明前的黑暗.ppt

第三章黎明前的黑暗 生命起源的细胞前阶段 各章概要 第一章绪论 生命的基本特征第二章迟来的胜利 达尔文的生物进化论第三章黎明前的黑暗 生命的物质基础 逆向思维 本章主要内容 生命起源与宇宙演化寻求生命起源的轨迹生命组成的物质基础有关天外生命问题的探讨 150亿年前 宇宙大爆炸45亿年前 太阳系形成 地球形成35亿年前 化石记录生命起源于45 35亿年之间 3 1生命起源与宇宙演化 3 1 1宇宙大爆炸 大爆炸理论 伽莫夫 1946 宇宙是广漠空间和其中各种天体以及弥漫物质的总称 通常认定 宇宙是150亿年前一次大爆炸形成的 爆炸发生前 宇宙内的所存物质和能量都聚集到了一起 浓缩成很小的体积 大爆炸使物质四散 宇宙空间不断膨胀 温度也相应下降 相继出现强作用力 弱作用力 电磁力和引力 作用力出现时 夸克 重子 轻子 原子 分子相继出现 在引力的作用下 宇宙中相继出现所有星系 恒星 行星 在温度降至摄氏100度时 地球上出现生命 太阳系形成 宇宙大爆炸形成尘埃云 尘埃云收缩集合 旋转运动形成扁平的星云 其中密度最大的形成太阳 星云物质之间互相碰撞 吸引 聚合 形成包括地球在内的太阳系行星 地球的形成 原始地球是一个炽热的球体 火山爆发频繁 原始大气中含有甲烷 二氧化碳 氨 氢 水蒸气等 没有游离氧 同位素测得地球年龄为50 60亿年 现公认为46 6亿年 3 1 2太阳系形成 地球的形成 3 1 3生命起源的条件和场所 原始海洋 美国霍普金斯大学斯坦利 1985 提出 深海烟囱与温度高达1000 的炽热岩浆直接连通 冒出的滚滚浓烟里富含金属 硫化物 热水中富含CO2 NH3 CH4和H2S 这是一个既有能量又有生命起源所必需的物质的还原环境 原始海洋 鉴于现代深海还存在硫细菌的事实 斯坦利推想 生命化学合成的一系列反应就在那里发生 在紫外线 闪电 辐射下 生物有机高分子在那里缩合而成 最后原始生命就在那里诞生 1953年 米勒的模拟实验用无机物 如氨 甲烷 氢气等 制造出11种氨基酸 其他研究者陆续又用不同配方的原始大气混合物 合成了所有20种氨基酸 以及嘌呤 嘧啶 脱氧核糖 脂肪酸等 若加磷 ATP也能产生 米勒的试验开辟了生命起源研究的新途径 生命形态出现在38亿年前 细胞出现在32亿年前 3 2寻求生命起源的轨迹 生物演化过程中 遵循下列规则选择元素 丰度和生物利用度 人体内常量 微量元素都是与海水中元素浓度成正相关性 如 构成骨骼材料的Ca 在海水中有较高的钙丰度 基本适宜性 一种无机元素 通常为金属元素 若被选择 它就具有某一特定的功能 有效性和特异性的进化规则 生物体选择较有效的化合物加以利用 例如 选择铁作为人体的氧载体 血红蛋白 与此蛋白的演化有关 这一特定结构保证了活性或特异性 3 2 1元素的自然选择 海水中元素与人体必需元素含量的关系 1 106nmol L 组成人体必需常量元素碳 氢 氧 氮 硫 钾 钠 钙 镁 氯等 2 102 106nmol L 组成人体若干必需微量元素磷 硅 氟 碘 溴 硼 锶 锂 铷 钡等 3 5 102nmol L 组成人体若干必需微量元素铬 锰 铁 钴 镍 铜 锌 锡 硒 钼 钒 钛 铝 4 5nmol L 其它元素 无机盐 生物体内的元素一般都以离子形式存在 主要有阳离子 Na K Ga2 Mg2 Fe2 Fe3 阴离子 Cl SO42 HPO42 HCO3 pH值对健康的影响HCO3 和HPO42 构成机体中最重要的缓冲系统 维持酸碱平衡 pH值在7 35 7 45之间 人体处于正常的酸碱平衡状态 pH值 7 35时 身体处于健康和疾病之间的亚健康状态 pH值 7时 产生重大疾病 pH值 6 9时 变成植物人 pH值在6 8 6 7之间 人就会死亡 锌几十种酶的组成成分 鲜鱼和牡蛎锌的含量高达100mg 100g 硒参加谷胱甘肽过氧化物酶的组成 清除自由基 抗氧化 延长寿命 增强机体抵抗力 低硒与肿瘤发生率上升有关 缺硒可造成心脏严重损伤 铜参与合成各种酶 对维护神经系统正常功能和保护细胞免受毒性有重要作用 缺铜是易患冠心病的重要因素之一 而恶性肿瘤患者的铜含量肯定增高 可作为肿瘤活性的标志 铬 3价的铬在人体和动物体内必不可少 6价的铬对人体有剧毒 可致肿瘤或致死 缺铬会引起糖尿病或动脉硬化等疾病 锗是一种免疫刺激剂 有明显的抗肿瘤活性 锗也是一种细胞生长促进剂 能控制寄生虫 细菌和真菌引起的各种疾病 微量元素在人体生理上的功能 同位素 原子核内质子数相同 中子数不同 原子质量不同但是这些原子化学性质相同 仍属于同一种元素 在元素周期表中占有同样的位置根据放射性有无 分为放射性同位素和稳定同位素 放射性同位素不稳定 会不间断地 自发地放射出射线 直至变成另一种稳定同位素 这就是所谓 核衰变 核衰变的时候 可放射出 射线 射线 射线和电子俘获等等 但并不是同时放射出这几种射线 核衰变的速度不受温度 压力 电磁场等外界条件的影响 也不受元素所处状态的影响 只和时间有关 衰变的快慢 通常用 半衰期 来表示 是一种特征常数 半衰期是指一定数量放射性同位素原子数目减少到其初始值一半时所需要的时间 不同的放射性同位素有不同的半衰期 衰变的时候放射出射线的种类和数量也不同 如32P的半衰期是14 3天 14C是5730年 238U是45亿年 两种H原子是制造氢弹的材料 12C是作为确定原子量标准的原子 铀是制造原子弹的材料和核反应堆的原料 碘 131 I 131 治疗甲状腺疾病 钴 60治疗癌症和肿瘤 14C标记鉴定化石年代 用来测定距今6万年左右的化石 1 从无机小分子生成有机小分子1828年 维勒 氧化铅 铵 尿素碳氢化合物含氮衍生物的生成 如氨基酸 核苷酸的生成卟啉的生成2 从有机小分子生成生物大分子蛋白质和核酸的起源 代谢与复制谁在前 还是共同起源 3 由生物大分子形成多分子体系奥巴林假说 蛋白质 白明胶 和多糖 阿拉伯胶 混合成团聚体类蛋白遇冷 微球体学说 具选择性渗透外膜 4 由多分子体系发展成原始生命原始膜和开放系统 3 2 2生命起源的化学演化阶段 卟啉化合物 是一种有色物质 能吸收太阳光能 进行光化学反应 有了卟啉就有了自养营养 现代生物中的叶绿素 血红素及各种细胞色素中均含有卟啉 原始生命靠 原始汤 中的有机物获得能量最早的生物 水生 单细胞原核生物 厌氧 异养 垫藻岩 岩石上面有35亿年前原核生物的踪迹 发现于澳洲西部的35亿年前的蓝细菌化石 光合作用 1 大气中有了氧 不再是还原性环境 2 大气上层有了臭氧层 挡住紫外线 利于生命的进化 卟啉出现的意义 有氧呼吸是生命进化的一大飞跃 极大提高了生物获取能量的效率 无氧呼吸 1分子葡萄糖只产生2个ATP 有氧呼吸产生36个ATP 给生命世界带来了第一次大繁荣 出现了多细胞生物 动物 植物 血红素 核酸只有在蛋白质 酶 的作用下才能合成 而蛋白质也只有在其相应的核苷酸顺序指导下才能合成 问题 什么样的化学过程才能形成核酸和蛋白质相互依赖的多分子体系呢 蛋鸡悖论 Cech的假说 20世纪80年代 RNA可能是最早出现的生命活性物质 遗传学家Muller 20年代 提出 裸基因说 nakedgenetheory 生命发生从基因开始T Cech 80年代 发现具有催化活性的RNA ribozymeH F Noller 1992 发现纯化的rRNA有催化肽链合成的功能 RNA世界假说 RNAworldtheory RNA既能储存信息 也能催化化学反应 1 RNA初始序列作为互补序列模板 2 互补序列作为模板 合成具初始序列RNA分子 RNA在进化上早于DNA RNAworld如何转化为DNAworld 生物大分子的化学分工与进化 DNA较RNA稳定 有利于遗传稳定性 蛋白质多样性大于RNA 有利于反应复杂性的进化 四膜虫的前体rRNA的非功能片段具有如下功能 1 催化合成多聚核苷酸链 2 切割降解多聚核苷酸链 3 携带遗传信息具有催化活性的RNA 包括rRNA和tRNA 完成多种功能 自我剪接 催化剪切 多肽合成 催化核苷酸的合成等 1 具有脂双层膜围成的与周围环境隔开的含水囊泡 2 囊泡内有多种核酸 蛋白质 糖类大分子 3 能选择性地从周围环境中吸纳 食物 4 利用 食物 的分解 复制自身一部分起核心作用的大分子 5 囊泡因大分子增多而 生长 和 繁殖 多分子体系具有下列性质 就成为原始生命 3 2 3遗传密码的起源 遗传密码无疑起源于RNA世界 从原始生命开始 后来 由于蛋白质的介入 使负责操作的RNA分子逐渐被蛋白质所取代 分子间的相互作用变得精确起来 遗传密码也完成了由简到繁的分步进化 最后 DNA彻底取代了负责信息遗传的RNA 生命完成在组成元素上的升华 遗传密码才被固定下来 中心法则 rRNAmRNAtRNA 核糖体 rRNA 蛋白质 反密码子 mRNA tRNA 氨基酸 新生肽链 密码进化的方向1966年 克里克提出摆动假说 如果第三个碱基发生变化 仍可被携带同一种氨基酸的tRNA的反密码子识别 避免了多肽链中氨基酸的替代 密码子向着减少错误的方向进化 密码进化的过程A U的含量随进化增加GNC GNY C U R G A NY RNN NNN 遗传密码字典 遗传密码的简并性遗传密码使用4种碱基 A U C G 构成三联体形式 共有64个 分别对应20个氨基酸或翻译起始和终止信号 一种氨基酸会有多个密码子编码 遗传密码的偏爱性编码同一种氨基酸的密码子互称同义密码子 虽然一种氨基酸有几种密码子 但密码子的使用频率是不均等的 各种生物编码某种氨基酸往往较多地采用其中的一种 3 3 1生命的活动之本 水 3 3生命组成的物质基础 3 3 2生命多样性基础 蛋白质 食品中蛋白质的含量 蛋白质的基本组成单位 氨基酸 氨基酸的结构通式 氨基酸的分类 依据R侧链基团分类 脂肪族 芳香族和杂环族三类按R基团的极性性质 非极性R基氨基酸不带电荷的极性R基氨基酸带正电荷的R基氨基酸带负电荷的R基氨基酸按营养价值分类 必需氨基酸和非必需氨基酸 氨基酸的连接方式 相邻的两个氨基酸分子脱水缩合形成肽键 开始翻译 延长 结束 蛋白质的生物合成 蛋白质合成的抑制剂 氯霉素 结合70S核糖体 只抑制原核细胞的转译 对人的毒性可能与线粒体蛋白质合成受到抑制有关链霉素 新霉素 卡那霉素与原核细胞30S核糖体结合 可引起密码错读 不作用于真核细胞白喉毒素 可抑制肽链的移位作用 几微克足以致人死 蛋白质的结构一级结构多肽链的氨基酸顺序 决定蛋白质的性质和功能 二级结构多肽链借助氢键按一维方向形成具有周期性结构的构象 主要有 螺旋 折叠 三级结构多肽链借助各种次级键 非共价键 盘绕成具有特定肽链走向的紧密球状构象 在三级结构基础上 寡聚蛋白质各亚基间空间上的相互关系或结合称为四级结构 二 三 四级结构是蛋白质的高级结构 直接关系着蛋白质的生物活性 高级结构是由一级结构决定的 Quaternarystructure Primarystructure Secondarystructure Tertiarystructure Assembledsubunits Aminoacids Helix Polypeptidechain 蛋白质的四级结构 例 血红蛋白 蛋白质高级结构的稳定性 盐键 离子键 氢键 二硫键 疏水键 氢键 氢键 疏水键 根据氨基酸组成可分为 1 完全蛋白质 种类齐全 数量充足 氨基酸与人体相似 2 半完全蛋白质3 不完全蛋白质蛋白质的功能构成机体 修补组织 构成酶和激素 调节生理 肌肉收缩 氧的运输 免疫 维护皮肤弹性韧性等 蛋白质的种类和功能 完全蛋白质 乳清蛋白 在牛奶中含量为0 7 含有高浓度 比例恰当的必需氨基酸 还含有新生儿必须的半胱氨酸 还含有免疫因子 易被消化 生物利用度高 酪蛋白 在牛奶中的含量是乳清蛋白的4倍 含有丰富的必需氨基酸 难以消化 蛋类中的卵白蛋白和卵黄磷蛋白鱼 肉类中的白蛋白和肌蛋白大豆中的大豆球蛋白小麦中的麦谷蛋白 玉米中的谷蛋白等 如何评价一种食物蛋白质的营养价值 食物中蛋白质的含量多少 必需氨基酸的含量和比例 还应考虑机体对该食物蛋白质的消化 利用程度 食物经过烹调 一般可以提高蛋白质的消化率 酶 1 酶是细胞的产物 酶的本质是蛋白质 2 辅酶 有些酶需结合非蛋白质部分 才表现出酶活性 如需一些有机小分子 金属离子或维生素的配合 这些成分常常被称为辅酶 3 全酶 由酶蛋白与辅酶结合后形成的复合物 黄色圆球是Zn2 羧基肽酶 酶能降低反应活化能 加快反应速度 使底物靠拢 使底物分子产生应力 使底物分子电荷变化 抑制剂对酶反应的影响 竞争性抑制剂在结构上与底物相似 对氨基苯甲酸 细菌生长因子 对氨基苯磺酸 磺胺药 磺胺类药物竞争性抑制细菌生长 蛋白质含量测定与纯度鉴定 蛋白质分析的重要性 1 生物活性测定与食品科学与营养有关 2 功能性质调查不同种类食品中的蛋白质都有其独特的食品功能性质 例如小麦面粉中的麦醇溶蛋白和麦谷蛋白具有成面团性 牛乳中的酪蛋白在干酪制作中具有凝结作用 而鸡蛋卵清蛋白具有起泡能力 3 营养标签 总蛋白质含量 氨基酸组成 混合物中的特定蛋白质的含量 蛋白质分离纯化过程中的蛋白质含量 非蛋白氮 来自非蛋白质组分 蛋白质的营养价值 目前 已建立和完善了大量蛋白质含量测定方法 即利用蛋白质共性 如含氮量 肽键和折射率等测定蛋白质含量 或者是利用蛋白质中特定氨基酸残基 酸性或碱性基团以及芳香基团等测定蛋白质含量 常用的方法为凯氏定氮法 粗蛋白质测定 此外双缩脲法 染料结合法 酚试剂法 NIR法等也因其方法简便快速 多用于生产单位质量控制分析 蛋白质纯度鉴定方法有电泳分析 沉降分析 扩散分析等 氨基酸总量测定通常采用酸碱滴定法 目前HPLC 氨基酸分析仪也已得到广泛使用 蛋白质含量测定仪 优点 可用于所有食品的蛋白质分析 操作相对比较简单 实验费用较低 结果准确 是一种测定蛋白质的经典方法 用改进的微量凯氏定氮法可测定样品中微量的蛋白质 缺点 最终测定的是总有机氮 而不只是蛋白质氮 实验时间长 至少需要2h才能完成 精度差 精度低于双缩脲法 所用试剂有腐蚀性 三聚氰胺是何种物质 为何会出现在奶粉中 三聚氰胺 Melamine 无色至白色晶体 分子式C3H6N6 三聚氰胺在机体内属于不活泼代谢或惰性代谢 即它不会迅速发生任何类型的代谢变化 单胃动物以原体形式或同系物形式排出三聚氰胺 而不是代谢产物的形式 三聚氰胺有三种同系物 分别为三聚氰酸 三聚氰酸一酰胺和三聚氰酸二酰胺 有实验表明 三聚氰胺和三种同系物具有同等的毒性效应 三聚氰胺的全部不致死的最大剂量5kg kg 参考国家药物急性毒性分级标准 LD50 5kg kg 可以初步认定为微毒或基本无毒 推断三聚氰胺长期饲喂可能引起肾衰竭 蛋白质主要由氨基酸组成 目前 奶粉中蛋白质含量的测定主要采用 凯氏定氮法 其含氮量一般不超过30 而三聚氰胺的含氮量为66 左右 由于 凯氏定氮法 只能测出含氮量 并不能鉴定饲料中有无违规化学物质 所以 添加三聚氰胺的饲料理论上可以测出较高的蛋白质含量 同时三聚氰胺物理性状为白色单斜晶体 无味 这与蛋白粉相仿 而且易于购买和生产 成本很低 故被不良商贩恶意添加在奶粉中增加含氮量 2 蛋白质纯度测定 1 聚丙烯酰胺凝胶电泳 PAGE polyacrylamidegelelectrophoresis PAGE SDS聚丙烯酰胺凝胶电泳 SDS PAGE 原理蛋白质 SDS复合物 1g 1 4g 呈长椭圆棒形掩盖了蛋白质原有电荷差别迁移率是分子量的函数分子筛效应 考马斯亮蓝染色 3 3 3生命的遗传物质 核酸 1868年 发现核素 1944年 证明DNA是遗传物质 1950年 发现A的数目等于T的数目 G等于C 1953年 提出DNA双螺旋结构 1973年 完成体外重组DNA 开始基因工程时代 核苷酸 核苷酸 核苷 碱基 戊糖 磷酸 RNA的分子结构 t RNA的二级结构 t RNA的三级结构 RNA的二级结构 3 3 4生命能量的货币 糖 单糖葡萄糖 CH2O 6或C6H12O6 六碳醛糖有16种同分异构体 以第五碳为准 OH写在右侧的被称为D型糖 共8种 OH写在左侧的被称为L型糖 共8种 天然单糖大多数是D型糖 葡萄糖甘露糖半乳糖 核糖 寡糖 蔗糖 乳糖 麦芽糖 葡萄糖 果糖 多糖 多糖是由多个单糖分子缩合失水而成的 结构较为复杂 多糖链上有很多分支 常见的多糖有淀粉 几丁质 纤维素 琼脂 糖原 透明质酸等 多糖的生物学功能有 能量储备 节约蛋白质 维持神经系统的功能与解毒 参与生命活动 糖蛋白 等 目前主要开发应用于免疫增强 农药和医药方面 膳食纤维 是木质素与不能被人体消化道分泌的消化酶所消化的多糖的总称 包括纤维素 半纤维素 果胶等 功能 1 吸水通便 2 改善菌群 防止肠道病变 3 降低血清胆固醇 4 利于减肥 5 利于胰岛素分泌 来源 植物性食物 如谷类 豆类 蔬菜 水果 米糠 麸皮 苹果 梨 菠萝 花生壳等 3 3 5生命的能源储备 脂类 1 脂酰甘油类 油和脂肪 饱和脂肪酸的碳氢链上没有双键 分子链可以伸直 紧密并列如晶体状 需较多热能才能使之散开 故熔点高 在室温下为固态 动物脂肪大多富含饱和脂肪酸 不饱和脂肪酸的碳氢链上至少有一个双键 双键部分扭曲成小弯 分子不能紧密排列 易于散开 熔点低 室温下为液态 哺乳动物体内不能合成含两个以上双键的不饱和脂肪酸 所以亚油酸 亚麻酸和花生四烯酸被称为人体必需脂肪酸 脂肪酸分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸 DHA和ARA DHA 二十二碳六烯酸 高度不饱和脂肪酸 占大脑总脂肪量的30 45 对脑神经传导和突触的生长发育极为有利 增强记忆与思维能力 提高智力等作用显著 此外 视网膜磷脂中50 都是DHA 支持视力系统发育 ARA 花生四烯酸 长链多不饱和脂肪酸 可由亚油酸衍生而来 帮助脑部发育 提高