中山大学生物化学第一章生命.ppt

生物化学 主讲教师 马林教授 Biochemistry 参考书目 使用教材 生物化学主编古练权等 高等教育出版社出版 2000年参考书目 生物化学教程主编张洪渊四川大学出版社出版生物化学主编沈同王镜岩高等教育出版社出版联系地点 化学南楼三楼309室电话 84113690E mail cedc43 第一章 生命 我们所处在的地球充满着无数的生物 从最简单的病毒 类病毒到菌藻树草 从鱼虫鸟兽到最复杂的人类 处处都可以发现它们的踪迹 觉察到生命的活动 地球上的生物形形色色 千姿百态 不同的生物 其形态 生理特征和对环境的适应能力各不相同 都经历着生长 发育 衰老 死亡的变化 都具有繁殖后代的能力 1 1生命的定义 生命的根本特性是什么 千百年来 人们以许多不同的观点阐述自己对此的看法 19世纪下半叶 恩格斯对生命下了一个定义 生命是蛋白体的存在方式 这个存在方式的基本因素在于和它周围的外部自然界的不断地新陈代谢 而且这种新陈代谢一停止 生命就随之停止 结果便是蛋白质的分解 恩格斯的生命定义在一定程度上揭示了生命的物质基础 即具有新陈代谢功能的蛋白体 100年来 这个定义一直指导人们认识生命的思想武器 生命是一个很难下定义 1 生理学定义例如把生命定义为具有进食 代谢 排泄 呼吸 运动 生长 生殖和反应性等功能的系统 但某些细菌却不呼吸 2 新陈代谢定义生命系统具有界面 与外界经常交换物质但不改变其自身性质 3 生物化学定义生命系统包含储藏遗传信息的核酸和调节代谢的酶蛋白 但是已知某种病毒样生物却无核酸 4 遗传学定义通过基因复制 突变和自然选择而进化的系统 5 热力学定义生命是个开放系统 它通过能量流动和物质循环而不断增加内部秩序 什么是活着 Korzeniewski认为一个蚁群却是一个活着的系统 Koreniski说 部分只有在一个大系统中才可以称为 活着 比如蚁群中的一只蚂蚁 动物体内的心脏等 单个蚂蚁可能是一个很复杂的系统 但复杂性并不是生命所独有的棗正如电脑一样 类似地 病毒 癌症和寄生性DNA通过各种各样的方式使自己得以传种接代 所有 这一切都很像 活着 但是类病毒 导致疾病 小于病毒的RNA微粒 没有这种能力 因而不能被认为活着 Horowitz观点 具有复制的能力具有催化的能力具有突变的能力 1 2生命的构成 19世纪30年代 德国植物学家施莱登首先指出 所有植物体都是由细胞构成的 他的这个观点被德国动物学家施旺在动物组织和细胞研究中证实 所有动物也是由细胞构成的 施旺指出 细胞是有机体 整个动物或植物体乃是细胞的集合体 它们依照一定的规律排列在动物体内 在此基础上他们创立了细胞学说 细胞是生物体的基本结构单元 细胞是组成生物体的基本结构单元 是生物体进行代谢 能量转换 遗传以及其它生理活动的基本场所 恩格斯把细胞学说 能量守恒和转换定律 达尔文进化论一起誉之为19世纪自然科学的三大发现 由于细胞的发现 我们不仅知道一切高等有机体都是按照一个共同规律发育和生长的 而且通过细胞的变异 能改变自己 向更高的发育道路迈进 1 2 1细胞的分类和结构 所有的生物都是由细胞组成的 只是不同的生物体细胞的大小和形状有所不同 有的细胞人的眼睛可以看得见 如鸟类的蛋 最大的直径近10厘米 鸵鸟蛋 有的细胞直径只有0 1米微米 要用高倍显微镜才能看到 如原始的细菌 大多数细胞的直径是10 100微米 用低倍显微镜就能看到 细胞的大小 即使在同一生物体的相同组织中也不一样 同一个细胞 处在不同发育阶段 它的大小也是会改变的 细胞的大小 细胞的大小 细胞的形状 细胞的形状多种多样 有球体 多面体 纺锤体和柱状体等 由于细胞内在的结构和自身表面张力 以及外部的机械压力 各种细胞总是保持自己的一定形状 细胞的形状和功能之间有密切关系 例如 神经细胞会伸展几米 这是因为伸长的神经细胞有利于传导外界的刺激信息 高大的树木为什么能郁郁葱葱 这是因为植物内的导管 筛管细胞是管状的 有利于水分和营养的运输 某些原核细胞的形状 烟草mosaic病毒 细胞的分类 根据生物的进化程度 细胞可以分为两大类 原核细胞 Prokaryotecell 和真核细胞 Eukaryotecell 1 原核细胞 原核细胞是一类进化程度低 结构最简单的一类细胞 属于原核细胞的有细菌 Bacteria 和蓝藻 blue greenalgae 等 原核细胞的结构 原核细胞的特点 原核细胞的外层是细胞壁和细胞膜 质膜 内部为细胞质 细胞质的结构非常简单 没有明显的细胞器 由封闭的生物膜包裹的固体质粒 只有原始的细胞核 无核膜和核仁 和其它一些核糖核蛋白体等 2 真核细胞 真核细胞是高等植物和动物的基本组织单位 真核细胞的外层为细胞膜 植物细胞还有一层细胞壁 内部为细胞质 构成 细胞质的结构非常复杂 含有许多细胞器 主要有 细胞核 线粒体 核糖核蛋白体 高尔基体和溶酶体等 植物细胞中还含有质体 叶绿体和液泡等 各个细胞器具有不同的生物功能 它们之间的协调运作 使细胞内的代谢和各种生理活动能够有条不紊地进行 真核细胞的结构 植物细胞的结构 细胞的三维结构图形 1 2 2细胞的功能 细胞的细胞膜 细胞质和细胞器是细胞的功能机构 生命现象中的许多重要过程 例如细胞的进化 遗传信息的传递 生物的生殖 发育和衰老 生物代谢和调节 能量的产生和转换 激素的作用机制 神经信息的传递等 都与生物膜和细胞器功能密切相关 1 细胞膜Cellmembrane 细胞膜是真核细胞表层的一层薄膜 是活细胞的重要组成部分 它具有保护细胞 进行物质交换 传递信息 能量转换 运动和免疫等生理功能 2 细胞质cellplasma 细胞质是非常复杂的生物胶体 细胞质所含的有形物质为各种细胞器 细胞器之间为胞液 细胞胞液主要由酶 激素 脂类 糖类以及多种无机盐和水组成 胞液是细胞内各种细胞器之间相互联系的介质 3 细胞器 细胞质内含有一些具有独立形态的结构 称为细胞器 细胞器通过膜 细胞内膜 与周围环境分开 具有特定的生理功能 1 细胞核cellnucleus 原核细胞的原始核无核膜和核仁 没有固定的形状 只有一个含有DNA遗传信息的区域 真核细胞含有固定形状的细胞核 它有核膜 核仁和组蛋白等 主要成分是DNA RNA和有关的合成酶 细胞核具有遗传信息的存储 复制和转录等功能 细胞核的结构 2 线粒体mitochondrion 原核细胞不含线粒体 大多数动植物真核细胞都含有线粒体 线粒体为棒状小粒 由内外膜和基质组成 外膜包围着内膜 内膜部分曲折伸入基质使内外膜之间形成孔穴 内膜为半透膜 只有部分小分子物质可以通过 外膜通透性较大 分子量小于一万的分子都可以通过 线粒体功能 线粒体含有多种酶系 主要是呼吸链电子传递酶系 糖类分解氧化酶系 脂酸的氧化酶系 氧化磷酸化酶系 核酸合成酶系和蛋白质合成酶系等 线粒体是进行生物代谢和能量转换最重要的场所 3 核糖核蛋白体ribosomes 核糖核蛋白体又称为核糖体 由核糖核酸与多种结合蛋白构成 是蛋白质生物合成的主要场所 4 内质网endoplasmicreticulum 内质网是由细胞膜引伸形成的小管和小胞构成的网状结构 原核细胞无内质网 而所有的真核细胞都有内质网 不同细胞的内质网的大小 形状和数目都不相同 内质网上附着有核糖核蛋白体的部分 表面粗糙 称为粗面内质网 不附有核糖核蛋白体的部分 表面光滑 称为滑面内质网 内质网上含有多种重要酶系 参与有关蛋白质 甘油酯和磷脂的合成及解毒等 内质网的结构 5 高尔基体Golgi 高尔基体是真核细胞内一种由网状小管或泡组成的复杂结构 其功能可能与细胞内物质的转运和细胞膜更新有关 6 溶酶体Lysosomes 溶酶体是由30 40种水解酶和膜基质组成的一种细胞器 溶酶体主要含有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 是细胞内代谢物质的分解 清除的主要场所 7 叶绿体Chloroplast 叶绿体存在于绿色植物和藻类的细胞中 叶绿体主要含有叶绿素 是进行光合作用的场所 细胞的基本构成 1 3生物体的化学组成 自然界所有的生命物体都由三类物质组成水 无机离子和生物分子 生命体的元素组成 组成生命体的物质是极其复杂的 但在地球上存在的92种天然元素中 只有28种元素在生物体内被发现第一类元素 包括C H O和N四种元素 是组成生命体最基本的元素 这四种元素约占了生物体总质量的99 以上 第二类元素 包括S P Cl Ca K Na和Mg 这类元素也是组成生命体的基本元素 第三类元素 包括Fe Cu Co Mn和Zn 是生物体内存在的主要少量元素 第四类元素 包括Al As B Br Cr F Ga I Mo Se Si等 生物分子 生物分子是生物体和生命现象的结构基础和功能基础 是生物化学研究的基本对象 生物分子的主要类型包括 糖 脂 核酸和蛋白质等生物大分子维生素 辅酶 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 核酸和蛋白质四类物质 分子量一般都很大 所以又称为生物大分子 生物大分子具有如下特征 1 由结构比较简单的小分子 结构单元分子所组成 最重要的结构单元分子主要有以下几类 构成蛋白质的结构单元分子 20种基本氨基酸 疏水性氨基酸 特殊氨基酸 极性氨基酸 构成核酸的结构单元分子 构成脂的结构单元分子 甘油 脂肪酸和胆碱 构成糖的结构单元分子 单糖 2 具有非常复杂的结构 生物大分子的结构可分为两型种类 生物大分子的一级结构 构成生物分子的结构单元分子按不同的排列组合 形成数量庞大 结构复杂的线性分子或环状分子 通常将只涉及结构单元的排列顺序的结构类型称为一级结构 生物大分子的立体结构 生物大分子在线性或环状结构基础上 通过分子内或分子之间的基团 包括极性 非极性和带电荷基团 相互作用 可以进一步形成非常复杂的立体结构 例如盘绕成螺旋形 折叠成片层状 有的以线状存在 而有的则形成球状等 3 生物分子的手性 构成生物大分子的结构单元分子大多数都是手性分子 例如 构成蛋白质的氨基酸都是L 型 构成多糖的葡萄糖都是D 型 1 4生物化学和化学生物学的概念 生物化学主要是应用化学的理论和方法来研究生命现象 阐明生命现象的化学本质 生物化学的基本内容包括 发现和阐明构成生命物体的分子基础 生物分子的化学组成 结构和性质 生物分子的结构 功能与生命现象的关系 生物分子在生物机体中的相互作用及其变化规律 化学 有机化学 物理化学 无机化学 分析化学 高分子化学 生物学 动物学 植物学 微生物学 化学 生物学 生物化学 化学生物学研究内容 化学生物学研究一般都是从对生物体的生理或病理过程具有调控作用的小分子生物活性物质开始 研究其结构 发现其在生物体中的靶分子 研究这些物质与生物体靶分子的相互作用 进一步采用化学方法改造其结构 创制具有某种特异性质的新颖生物活性物质 探讨其结构与活性关系和作用机制 阐明生理或病理过程的发生 发展与调控机制 揭示生命过程的秘密 并进一步从中发展出新的诊断与治疗方法或药物 它结合传统的天然产物化学 生物有机化学 生物无机化学 生物化学 药物化学 晶体化学 波谱学和计算机化学等学科的部分研究方法 从而大大拓宽了研究领域 化学生物学 化学生物学是利用化学的理论 研究方法和手段来探索生物 医学问题的科学 这种理解与生物化学和分子生物学的含义有较大的重叠 它强调的是化学与生物学的交叉与融合 化学生物学 生物有机化学生物无机化学生物物理化学生物分析化学生物高分子化学 相互作用 组装和过程生物催化剂和生物转化组合化学生物模拟分析技术生物大分子 生物工程 基因工程发酵工程酶工程发酵工程 细胞工程遗传工程抗体工程蛋白质工程 1 5缓冲溶液及生物体的缓冲体系 1 缓冲溶液缓冲溶液是一种特殊的水溶液系统 当少量的酸 H 或碱 OH 加入到缓冲溶液中时 溶液的pH变化很小 缓冲溶液系统由弱酸 H 供体 和它的共轭碱 H 受体 组成 例如 等摩尔的醋酸 弱酸 和醋酸离子 共轭碱 混合物的水溶液是典型的缓冲溶液 不同的缓冲溶液体系有不同的缓冲区 CH3COOH CH3COO 溶液的缓冲区在pH4 76 1 pKa 4 76 H2PO4 HPO42 溶液缓冲区在pH6 68 1 pKa 6 68 NH4 NH3溶液的缓冲区在pH9 25 1 pKa 9 25 磷酸缓冲液的滴定曲线 乙酸缓冲液的滴定曲线 缓冲溶液的浓度与pH关系 缓冲溶液的浓度 弱酸和它的共轭碱浓度 与溶液的pH以及弱酸的pKa的定量关系可以用方程来描述 此式即为Henderson Hasselbalch方程 Henderson Hasselbalch方程的意义 定量描述了缓冲溶液的浓度 HA和A 与pH及pKa的关系 在滴定中点 等当点 时 由于 HA A 方程可写成 pH pKa log1 pKa 0 pKa说明缓冲溶液滴定中点的pH即为弱酸的pKa 定量描述了缓冲溶液的浓度与缓冲能力之间的关系 3 生物体的缓冲体系 生物体内发生的生物化学过程几乎都与pH变化有关 生物体系pH的微小变化将影响许多生物化学反应的速度和方向 生物体 特别是人及高等动物体 是一个大的缓冲体系 例如人体缓冲体系pH 7 4