1、生物化學(xué),第一章 生命系統(tǒng)的特征,第一章 生命系統(tǒng)的特征,1.1 生命對化學(xué)元素的選擇,1.2 生命系統(tǒng)的環(huán)境,1.3 生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)細(xì)胞,1.4 常見的生命科學(xué)研究系統(tǒng),小結(jié)與思考題,返回,1.1 生命對化學(xué)元素的選擇,構(gòu)成生物體的主要元素:C、H、O、N、P、S、Ca、K、Na、Mg和Cl。 物體內(nèi)的微量元素(是生物體中含量極低但為生命活動所必需的元素，是酶的激活劑或是酶的輔因子): Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Se、I、Cr、Si、V、F、B、Mo、Sn、Ni和Br。,元素的存在形式,一、元素存在于無機(jī)物：水和無機(jī)鹽。 二、元素存在于有機(jī)物：存在于糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸等生物分子

2、中。,構(gòu)成生物體的元素具有下列特點(diǎn):,(1)構(gòu)成生物體的元素都是環(huán)境中存在的，且豐度較高。 (2)絕大多數(shù)為輕元素。 (3)生物體所必須的微量元素大多為過渡元素。 (4)碳、氫、氧、氮具有易形成共價(jià)鍵的特點(diǎn)。 (5)碳原子還可以和氧、氫、氮、磷和硫形成共價(jià)結(jié)合并把不同種類的功能基引入有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)中來。 (6)碳、氫、氧等形成的許多有機(jī)化合物在生理溫度(040)下具有流動性。,1.2 生命系統(tǒng)的環(huán)境,水是生命系統(tǒng)的環(huán)境基礎(chǔ) 生命系統(tǒng)是一個(gè)緩沖系統(tǒng),(一) 水在生物體的分布及存在形式,（二）水在生物體內(nèi)的作用,返回,章首,水是生命系統(tǒng)的環(huán)境基礎(chǔ),自由水：以自由的形式存在，這部分水能自由流 動所以

3、是較好的溶劑和運(yùn)輸工具。 結(jié)合水：與體內(nèi)的蛋白質(zhì)、粘多糖等物質(zhì)相結(jié) 合，因而比較難流動。,水在生物體中的作用,一、水是一種良好的溶劑，生物體內(nèi)許多物質(zhì)都能溶于水。 二、水能直接參加水解、氧化還原反應(yīng)。 三、水能在體內(nèi)起運(yùn)輸物質(zhì)的作用。 四、水對于維持機(jī)體溫度的穩(wěn)定起很大作用。 五、水分還起潤滑作用。 六、對植物來說，水分能保持植物的固有姿態(tài)。,（二）生物化學(xué)中常用的緩沖溶液,（三）pH和生命,（一）緩沖溶液,章首,生命系統(tǒng)是一個(gè)緩沖系統(tǒng),返回,（一）緩沖溶液,緩沖溶液是一種能在加入酸或堿時(shí)抵抗pH值改變的溶液。 緩沖溶液用于許多需要準(zhǔn)確控制pH值的生化實(shí)驗(yàn)中。 緩沖溶液的pH值取決于溶液的pK

4、a值及鹽和酸的比例。 緩沖溶液的緩沖范圍在其pKa兩側(cè)1個(gè)pH單位,返回,返回,章首,（二）生物化學(xué)中常用的緩沖液,章首,返回,（三）pH與生命,生物體中主要的緩沖體系,蛋白質(zhì),碳酸氫鹽,磷酸鹽,章首,返回,一、生物分子與細(xì)胞,二、細(xì)胞的兩大類,原核細(xì)胞,真核細(xì)胞,返回,章首,1.3生命系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)細(xì)胞,1.真核細(xì)胞的核,2.線粒體,3.內(nèi)質(zhì)網(wǎng),4.高爾基體,5.溶酶體,6.葉綠體,7.微管和微絲,8.胞漿,9.細(xì)胞膜,返回,章首,章首,返回,它的外部是一層起保護(hù)作用的細(xì)胞壁(cell walls)在細(xì)胞壁內(nèi)是一層細(xì)胞膜，也稱為質(zhì)膜。細(xì)胞膜內(nèi)包裹著細(xì)胞質(zhì)以及核也稱為核質(zhì)或擬核,原核細(xì)胞(pr

5、okaryotic cells)是最簡單、最小的細(xì)胞，如細(xì)菌。,章首,返回,真核細(xì)胞(eukaryotic cells)真核細(xì)胞區(qū)別于原核細(xì)胞的最主要特征是它們具有被雙層膜所包裹的、有固定形狀的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的細(xì)胞核。它比原核細(xì)胞大得多，也復(fù)雜得多。它存在于所有植物、動物以及真菌之中。,動物、植物和真菌都是真核細(xì)胞構(gòu)成的生物，簡稱真核生物。,植物細(xì)胞,動物細(xì)胞,章首,返回,真核細(xì)胞與原核細(xì)胞的另一區(qū)別是它們具有被內(nèi)部膜所包裹的細(xì)胞器,返回,章首,返回,章首,動物細(xì)胞與植物細(xì)胞示意圖,章首,返回,真核細(xì)胞的核中包含了幾乎所有的細(xì)胞DNA,動物和植物細(xì)胞中，細(xì)胞核都被中間有一層狹窄空間的雙層膜所包裹。

6、兩層膜上有許多核膜孔,通過這些小孔，各種物質(zhì)可以在核與細(xì)胞質(zhì)之間穿過,在核的內(nèi)部是核仁(nucleoli),核的其他部分含有染色質(zhì)(chromatin) 核內(nèi)進(jìn)行DNA復(fù)制、DNA轉(zhuǎn)錄等生物化學(xué)反應(yīng),返回,章首,細(xì)胞核,嵴(crista),核糖體（Ribosomes）,基質(zhì)(matrix),線粒體是三羧酸循環(huán)、生物氧化、氧化磷酸化等生物化學(xué)反應(yīng)的場所，,返回,章首,線粒體,粗糙內(nèi)質(zhì)網(wǎng),滑面內(nèi)質(zhì)網(wǎng),膜上散布著核蛋白體，蛋白質(zhì)在結(jié)合內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核蛋白體中合成之后，可通過膜進(jìn)入液泡的空間，有些暫時(shí)貯存在細(xì)胞內(nèi)，有些則最后輸送到細(xì)胞外,在代謝和解毒上有重要作用,返回,章首,內(nèi)質(zhì)網(wǎng),高爾基體的形態(tài)有所不同

7、，不過它們大多數(shù)是一群由平滑的單層膜包裹的小泡,高爾基體具有聚集、濃縮和儲存蛋白質(zhì)的作用,返回,章首,高爾基體,是細(xì)胞中由膜包裹的球狀小泡，它們大小不一，內(nèi)含許多不同的酶，它們能水解消化細(xì)胞中不再需要的蛋白質(zhì)、多糖和脂。由于這些酶對細(xì)胞的其他部分有損害，所以它們被隔離在溶酶體中。蛋白質(zhì)和其他物質(zhì)能選擇性地進(jìn)入溶酶體，再水解為組成它們的氨基酸等小分子化合物，然后又重新釋放回細(xì)胞質(zhì)。,返回,章首,溶酶體(lysosome),存在于藻類和綠色植物的細(xì)胞中，是光合作用的場所。,返回,章首,葉綠體,微管是由微管蛋白構(gòu)成的長纖維，它們的功能是起細(xì)胞的骨架作用，可維持細(xì)胞的形狀。纖毛、鞭毛和紡錘體中均有微管

8、存在，它們主要起到運(yùn)動作用。 微絲是細(xì)胞中細(xì)長的蛋白質(zhì)纖維，其功能不僅由于收縮作用使細(xì)胞質(zhì)組分有方向性的運(yùn)動，還能與微管組成細(xì)胞骨架并與質(zhì)膜內(nèi)表面的蛋白質(zhì)結(jié)合而影響質(zhì)膜的流動,返回,章首,微管和微絲,是蛋白質(zhì)、核酸、糖類及其它代謝物組成的膠體溶液。許多代謝反應(yīng)如糖酵解、氨基酸活化和脂肪酸合成在胞漿中進(jìn)行。,返回,章首,胞漿(細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)）,含大量脂類、蛋白質(zhì)的雙分子層結(jié)構(gòu)使細(xì)胞成型，有通透、屏蔽等作用。,返回,章首,細(xì)胞膜,1.4常見的生命科學(xué)研究系統(tǒng),一、病毒 二、細(xì)菌 三、酵母茵 四、四膜蟲 五、線蟲 六、果蠅 七、轉(zhuǎn)基因動物,病毒可提供一個(gè)簡便的研究真核基因組的結(jié)構(gòu)與調(diào)控原理的模型。,對病

9、毒基因結(jié)構(gòu)和表達(dá)的研究闡明了真核基因表達(dá)調(diào)控的某些原理，如基因重疊、內(nèi)含子的發(fā)現(xiàn)、轉(zhuǎn)錄后剪修、重復(fù)序列和增強(qiáng)子的存在等等，大大豐富了分子生物學(xué)的內(nèi)容。,多種病毒載體的出現(xiàn)，也為研究真核細(xì)胞基因表達(dá)提供了一個(gè)重要手段。,返回,章首,病毒(virus),細(xì)菌是自由生活的單細(xì)胞生物，具有如下特點(diǎn)：,1.生長快，個(gè)體小。,2.易培養(yǎng)，易操作。,3.代謝作用旺盛。,4.基因結(jié)構(gòu)比較清楚。,5.具有游離的質(zhì)粒。,6.具有轉(zhuǎn)座子。,7.能受噬菌體的侵襲。,返回,章首,細(xì)菌（bacteria）,酵母菌與細(xì)菌具有很多相似之處，如個(gè)體小，生長快，易培養(yǎng)，易操作，對人體沒有毒害作用等特點(diǎn)；它的基因結(jié)構(gòu)也研究得比較清

10、楚，僅次于大腸桿菌，是繼續(xù)深入工作有用的信息庫。,酵母菌的基因缺陷型也很容易篩選，幾乎是應(yīng)有盡有。,另外酵母菌也有自身的轉(zhuǎn)座子和游離的質(zhì)粒，是基因工程的良好受體菌。,酵母菌作為一種低等真核生物，具有許多特殊的性質(zhì)，使之具有理論研究和實(shí)際應(yīng)用的廣泛前景。,返回,章首,酵母（Yeast）,1.四膜蟲、果蠅等染色體的端粒結(jié)構(gòu)可以在酵母中發(fā)揮功能。,2.染色體著絲?；蚪Y(jié)構(gòu)的研究已在酵母中取得了很大的進(jìn)展，這為研究高等生物的染色體結(jié)構(gòu)打下了基礎(chǔ)，也大大加快了人類基因組計(jì)劃的研究速度。,3.酵母中有幾個(gè)分泌系統(tǒng)，其基因在改造后接上外源片段就可使產(chǎn)物分泌到細(xì)胞外。這在生物工程中有很大的應(yīng)用價(jià)值。此外，許多

11、高等動植物的分泌信號也能在酵母中發(fā)揮作用。 4.酵母具有糖基化酶系統(tǒng)，具有翻譯后加工系統(tǒng)。,5.酵母中某些基因含有內(nèi)含子，因而具有真核生物特有的轉(zhuǎn)錄后加工系統(tǒng)。,6.酵母中含有類似于致癌基因的結(jié)構(gòu) 這是最近發(fā)現(xiàn)與高等生物非常類似的地方，故酵母菌將是研究癌基因的簡單模型。,返回,章首,四膜蟲（tetrahymena）,人們利用四膜蟲的優(yōu)越條件獲得了分子生物學(xué)的幾項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)：,l.RNA催化功能的發(fā)現(xiàn) 1981年，Cech等發(fā)現(xiàn)，四膜蟲rRNA可以精確地將一段內(nèi)含子切除，并將兩側(cè)RNA拼結(jié)起來。這段內(nèi)含子具有催化加工特定序列的功能，被稱為核糖核酸酶RNA（Ribozyme）。這是對生物酶認(rèn)識的一次

12、重大突破。,2染色體端粒結(jié)構(gòu)及其復(fù)制機(jī)制的闡明：研究端粒的結(jié)構(gòu)和功能對于解釋真核生物線性DNA的完整復(fù)制有重要意義。1978年Blackburn發(fā)現(xiàn)四膜蟲rDNA的末端為(C4A2)n，后來又發(fā)現(xiàn)一種具有端粒特異性的端粒酶(telemerase)，含有反轉(zhuǎn)錄酶和一段RNA序列，其中包含CAACCCCAA序列。端粒延伸反應(yīng)很可能是以RNA為模板合成DNA的一種反轉(zhuǎn)錄反應(yīng)。,返回,章首,四膜蟲是單細(xì)胞的原生動物。,線蟲(nemathelminth) 常用的線蟲是秀麗隱桿線蟲(Caenrhabditis elegans)，這是一種以細(xì)菌為食的自由生活的小線蟲，它具有如下特點(diǎn)：,1.容易培養(yǎng)和保存。,

13、2.生活周期短，做一次雜交僅需3天時(shí)間。,3.實(shí)驗(yàn)操作簡單，結(jié)果穩(wěn)定，受環(huán)境因素的影響小。,4.突變體性狀特征明顯，其變異一般可在顯微鏡下從形態(tài)上加以判斷。,5.有性別的分化:雌體和雌雄兩性體，二者從形態(tài)上可以區(qū)別。這給遺傳分析帶來極大的方便。,6.成蟲個(gè)體的細(xì)胞數(shù)量嚴(yán)格一定（雄蟲有1031個(gè)細(xì)胞，兩性蟲有959個(gè)細(xì)胞）。,返回,章首,果蠅對生命科學(xué)的發(fā)展起了不可估量的作用，這是因?yàn)樗哂性S多優(yōu)點(diǎn)：,1世代周期短，一般在25,1012天。,2體小容易飼養(yǎng)，培養(yǎng)費(fèi)用低廉。,3繁殖力強(qiáng)，有大量的后代可供考察和統(tǒng)計(jì)。,4分布廣泛，許多種類都是世界性的。,5染色體數(shù)目少，特別便于研究染色體結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。,

14、6易于獲得突變型，這一優(yōu)點(diǎn)是其它動物所沒有的,7果蠅也有復(fù)雜的神經(jīng)中樞，但解析起來較容易，故低級的果蠅是比人類本身更好的遺傳模型。,返回,章首,果蠅（Drosophila）,轉(zhuǎn)基因動物是指那些在其基因組內(nèi)穩(wěn)定地整合，以實(shí)驗(yàn)方法導(dǎo)入的外源基因，并能遺傳給后代的一類動物，主要應(yīng)用于下列研究：,1基因表達(dá)與調(diào)控研究,2腫瘤研究,3免疫學(xué)研究,4在某些動植物遺傳育種及某些重要蛋白質(zhì)獲得上的應(yīng)用,5研究人類疾病的基因治療,返回,章首,轉(zhuǎn)基因動物(transgenic animals),生命的特征小結(jié),以細(xì)胞為基本結(jié)構(gòu)單位：除病毒等少數(shù)種類以外，生物體都是由細(xì)胞構(gòu)成的。 相同的化學(xué)成分：所有細(xì)胞的主要成分都是水，并都含有四類有機(jī)大分子，即糖