解放军文职招聘考试第六讲 生命与化学

 第六讲  生命与化学
引言：
·人体和化学的关系非常密切，首先生命和人类的演变过程离不开化学，要是没有化学变化，地球上就不会有生命，更不会有人类，而人类的生存和繁衍更是靠化学反应来维持的。
·生物进化是生命科学中的一个重大理论课题，如生命的起源就是其中的一个重要领域。化学能够通过分析、研究有关物质和化学变化现象，并通过化学模拟来揭示生命起源之谜。
6-1、生命的起源
一、地球上最早出现的生命物质是什么？
1.米勒的研究发现（1953年），实验设计：
CH4、NH3、N2、H2O等封闭在石英管内         模拟原始地球大气环境          加热放电8天8夜         生成了多种氨基酸、有机酸和尿素等
·按上述同样的方法也获得了诸如嘌呤、嘧啶、核糖核苷酸、脱氧核糖核苷酸、脂肪酸等重要的生物分子。
2.澳大利亚炭质陨石（1959年9月），经分析发现了多种氨基酸和有机酸，震动了当时整个的科学界。
3.人们的认识与推论——目前一个普遍被人们接受的观点：

                            宇宙的发展阶段
                                           物质粒子→元素
宇宙的诞生阶段        物理和化学进化     →星际分子→
（150亿年前的大爆炸）  物质的形态逐渐演变  生物小分子→
生物大分子
       
宇宙的生命生化阶段
二、先有鸡还是先有蛋？——古老的生物学话题
1.蛋白质起源学——蛋白质在生命起源中的关键作用
·美国的Fox（60年代）
·中科院赵玉芬院士
2.核酸起源学——强调核酸在编码蛋白质系列中的重要作用。（诺贝尔化学奖1989）
·Cech和Altmon等学者，提出原始生命可能发生于核酸工程的首先启动，认为小分子RNA是原始生命系统的主体，具有酸的活性，而RNA又可作为模板来合成DNA，并在蛋白质的介入下，加速了DNA，→RNA→蛋白质系统的诞生。
3.手性分子起源学
·自然界中发现的氨基酸绝大多数是L—构型、绝大多数单糖是D—构型等都是手性生物分子。
·DNA双螺旋也是右手螺旋分子等。
·手性生物分子的某种对映体在生物体中占有绝对优势。
4.谁是谁非，是先有鸡还是先有蛋，迄今尚未定论。
6—2、构成生命的最基本物质——蛋白质与核酸
一、蛋白质——生命活动的主要承担者
·在所有生物分子中结构最具多样性，功能最具多样性，一切生命活动无不与蛋白质有关，其主要特征是：
1.蛋白质的组成特征——氨基酸单元（残基）
·蛋白质是由各种不同的氨基酸构成的生物大分子，其主要组成元素是C、N、H、0，其次含有S、P、Fe、Cu等。
·蛋白质中的氨基酸有20种，其组成与结构的共同特征
（1）都含有碱性基团氨基（-NH2）和酸性基团羧基（-CooH）而且氨基均连在羧基相邻的α—碳上，故称α—氨基酸，结构通式：
H
丨
                NH2 — C— COOH  (R为特征基团)
丨
R
α—氨基酸结构通式
·20种天然氨基酸的名称和结构
（2）氨基酸是手性分子（手性中心为α—碳原子），不是平面的，而是立体的，其立体构型有L—构型和D—构型两种，并互为对映关系，（如同左、右手关系），具有旋光异构现象。
2.蛋白质的化学键特征——肽键（或酰胺键）
·什么是肽键？——蛋白质分子中氨基酸连接的基本方式，一般式为：

图：肽键与二肽的形成
·定义？——分子氨基酸的 羧基（-CooH）与另一分子氨基酸的氨基（-NH2）通过缩合脱水形成酰胺键（-C-NH2-），所新生成的化合物称为肽，肽分子中的酰胺键称为肽键。
·Gly- Gly二肽键是由最简单的二分子甘氨酸缩含脱水而形成，其它肽分别为二肽、三肽、四肽、五肽等，依次类推，称为多肽，所形成链称多肽链。
·生命世界为什么丰富多彩？——氨基酸不同的连接方式：
2种不同的氨基酸       2肽
3种不同的氨基酸       6肽
4种不同的氨基酸       24肽
20种不同的氨基酸      20100、或10130
·但实际上有生理活性的蛋白质种类约1010～10112数量级
3.蛋白质的结构特征——四级结构层次
·一级结构：肽链中氨基酸（残基）的数目、种类和连接顺序。决定了蛋白质的功能和生理活性，只要有一个发生变化，整个蛋白质分子就会破坏。如牛催产素、牛加压素、牛胰岛素等均为一级结构。
·二级结构：是指蛋白质分子中多肽链本身的折叠方式，并形成α-螺旋和β折叠结构两种构型
·三级结构：是指二级结构再次折叠卷曲形成的高级结构，如球蛋白结构

·四级结构：是指几个蛋白质分子（称亚基）聚集而形成的更高级结构。通常只有那些具有高级结构的蛋白质才有生物活性。
4.蛋白质的性质特征——生物功能最具多样性。
·正是由于上述特征和广泛多变的功能，才决定了蛋白质在生理上的重要性，所以被誉为生命活动的主要承担者。如：
·在新陈代谢活动的作用：生物的生长、运动、呼吸、免疫、消化、光合作用，对外环境变化及感觉并作出的反应等。
 ·在核酸遗传信息中的作用。
·酶蛋白质的催化作用。
·具有强的吸水性，不会透出细胞膜和血管壁（分子极大的原因）。
·蛋白质的结构与合成研究获多项诺贝尔化学奖
5.蛋白质的基本变型——三大类
   ·白蛋白
 （1）简单蛋白质       ·球蛋白
                     ·硬蛋白

                     ·核蛋白
（2）复合蛋白质      ·血红蛋白
                     ·糖蛋白
                     ·酪蛋白
（3）衍生蛋白质：水解或变性蛋白质
二、核酸——遗传信息的携带者与传递者（DNA和RNA）
1.核酸的组成定义（见如下表）
两类核酸的基本化学组成比较
 DNA RNA 说明
嘌呤碱 腺嘌呤（A）
乌嘌呤（G） 腺嘌呤（A）
乌嘌呤（G） 均含4种碱基，并有三种相同
嘧啶碱 胞嘧啶（T）
胸腺嘧啶（C不同） 胞嘧啶（T）
尿嘧啶（U不同） 
戊糖 D-2-胞氧核糖（不同） D-核糖（不同） 戊糖类型不同
酸 磷酸 磷酸 
·如何定义？有何区别与联系？
2.核酸的结构——一级和双螺旋结构
（1）DNA的一级结构——由数量极其庞大的四种脱氧核糖核酸所组成。即由脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧乌嘌呤核苷酸、脱氧腺嘧啶核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸所组成。RNA的一级结构与DNA相似。如DNA分子中核苷酸链的一个片段。
·因为生物的遗传贮存于DNA的核苷酸序列中，生物界物种的多样性即寓于DNA分子四种核苷酸千变万化的不同排列之中。
（2）DNA的双螺旋结构模型——碱基互补配对原则

A：DNA分子片段    B：DNA的双股链    C:DNA双螺旋
·DNA以双股核苷酸链的形式存在，在双链之间存在着根据其碱基性质的严格的两两配对关系，并通过氢键（H）配对。此即称为碱基互补配对原则。
·DNA双螺旋结构的发现是生命科学发展的一个里程碑，奠定了当今分子生物学的基础。
6—3、分子遗传学的化学基础
一、基因及其本质——DNA（RNA）
·基因是分子遗传学中一个重要的概念
·基因是染色体上呈直线排列的遗传单位或一个特定的DNA片段。
·一个基因通常有1000—5000个碱基对，一个DNA分子可以含有多达上万个基因。
·人体内有46条染色体，大约含有30亿个碱基对，相当于有100万个基因。
二、DNA是如何复制的？——半保留式复制
·DNA是遗传物质的载体，故亲代的DNA必须以自身分子为模板准确地复制成两个拷贝，并分配到两个子细胞中去，完成其遗传信息载体的使命。DNA的双螺旋结构对于维持这类遗传物质的稳定性和复制的准确性都极为重要。
三、从DNA到蛋白质——基因的表达、转录与调控。
1.什么是基因表达？
·染色体中的DNA分子用来储存和维持一般有机体的生命所必需的信息，诸如在什么部位（如手、臂、耳、翅、叶、花等）形成什么样的结构，什么样的酶应该被制造出来以控制像呼吸和消化这样的功能等，这些遗传信息完全取决于DNA分子两条链上的碱基的排列顺序，犹如用汉字所表达的信息编码在电文的数字串上一样。在后代的生长发育过程中，遗传信息自DNA转录给RNA，然后翻译成特异的蛋白质，以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状，这就是所谓的基因表达。
2.什么是基因的转录？——从DNA到RNA的过程。
·基因表达的第一步是以DNA分子为模板合成出与DNA分子碱基互补的RNA分子，这种分子也就具有了从DNA传递而来的信息。由于DNA和RNA都是由四种核苷酸（字母）组成的，好像同一种文字的两种写法，因此从DNA和RNA的过程，叫做基因的转录。
3.遗传密码表——密码字典
·什么是遗传密码？——三联体密码
·作为生命活动主要承担者的蛋白质是怎样接收（DNA）遗传信息的？
·研究发现，蛋白质结构与核酸结构虽然完全没有相似之处，但在核酸中的核苷酸序列与蛋白质中的氨基酸序列之间存在着以“三个核苷酸”按一定的顺序决定“一种氨基酸”的对应关系，这就是三联体遗传密码或密码子。 
·遗传密码表（或称密码字典）
第一位
核苷酸 第二位核苷酸 第三位
核苷酸
 U C A G 
U 苯丙氨酸
苯丙氨酸
亮氨酸
亮氨酸 丝氨酸
丝氨酸
丝氨酸
丝氨酸 酪氨酸
酪氨酸
终止号
终止号 半胱氨酸
半胱氨酸
终止号
色氨酸 U
C
A
G
C     U
C
A
G
A     U
C
A
G
G     U
C
A
G
·如何使用这个密码表？例如
·表中U、C、A、G分别代表四种核苷酸，左边的第一个字母代表第一个核苷酸，顶部的四个字母代表第二个核苷酸，右边的字母代表第三个核苷酸：例如
UUU代表苯丙氨酸（1960年首次实验确定，震动科学界），而UAA、UAG、UGA为终止号，不编码任何氨基酸。
4.中心法则——翻译→复制→转录
·从RNA到蛋白质的的过程，是由于两者由不同种类的字母（核苷酸与氨基酸）构成，好像是从一种语言翻译成另一种语言，因此称翻译。
·DNA通过自我复制以保存其遗传信息，通过转录生成RNA，进而翻译成蛋白质的过程来控制生命现象，这在生物学称为“中心法则”如下图所示
DNA          转录         DNA
自我复制       逆转录     自我复制         蛋白质（氨基酸）
5.化学对基因工程的贡献
（1）基因工程——DNA重组技术
（2）应用
·马铃薯品种改造转基因鼠、猪、牛、羊、兔、鱼等
·克隆羊“多利”诞生（1997）
·开始研究克隆大熊猫等
·特别珍贵的药用蛋白质
·生产疫苗（热点）
·应用领域包括分子生物学、神经生物学、脑科学、人类基因组计划临床诊断和治疗等
6-4、生物催化与仿生化学——化学新的研究领域
一、生物催化剂——酶
1.组成定义：酶是一类由生物细胞产生的且以蛋白质为主要成分的，具有催化活性的生物大分子（多数为球形蛋白）
2.显著特点
·反应快速，比一般的化学催化剂快1010倍以上

·高效率、专一性（即像一把钥匙开一把锁一样，2000余种）如，尿素（人体内）  脲酶   CO2+NH3
·在常温（35℃～40℃），常压（1atm），接近中性（PH=6～8）的生理条件进行反应。
二、生物催化与仿生化学
·化学家不仅研究生物催化的机理，而且利用酶或模拟酶进行生物转化或生物合成来制备有用的化学物质，这种模拟生命过程的化学被称为“仿生化学”。
三、生物固氮与化学模拟固氮
·化学反应：N2(g)+3H2(g)  高温高压  2NH3(g)(工艺复杂)
                        化学催化剂
·空气中约78%N2，仅自然界中有些细菌和藻类能吸收氮并转化生成氨，如大豆、三叶草和紫花苜蓿等豆种植物中的根瘤菌具有固氮作用
·目前的化学模拟固氮：利用铜、铁等配合物以及铜、铁和硫的原子簇化合物作为模拟固氮酶（活性部分）
四、光合作用——地球上最重要的化学反应
1.光合作用机理？
          还原作用
6CO2+12H20  叶绿素   C6H1206+6H20+CO2
                   氧化作用
①CO2被还原成糖（获电子过程）
②H20被氧化称O2(失电子过程)
③光能被固定并转化成化学能（核心问题）
在光合作用中叶绿素是核心化合物，含有无机磷酸盐，参与合成
三磷酸腺苷（ATP）形式。
2.ATP——生物体内的能量使者
·什么是ATP？——三磷酸腺苷（核苷酸）英文名称的缩写，是由一分子腺嘌呤，一分子核糖和三分子磷酸化合连接而成。ATP是推动生化过程的化学能源。
·叶绿素因含有无机磷酸盐，参与合成ATP形成高能键，在酶催化剂的作用下，ATP经过水解提供能量促进化学反应的产生。因各种生物活动都有ATP参与，所以ATP被称为生物体内的能量使者。