生物化学

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。
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，物质的代谢和调节，能量的产 生和转换，激素的作用机制，神经的信息 传递等过程都与生物膜和细胞器功能密切 相关。
1．细胞膜
（4）内质网 endoplasmic reticulum
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。
线粒体功能
线粒体含有多种酶系，是催化生物体内物质发生 生物化学反应的基础。 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。
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
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。
细胞的大小示意图
细胞的大小示意图
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。
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。
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。
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： 细菌 原核细胞(Prokaryote cell) 篮藻 动物细胞 真核细胞(Eukaryote cell) 植物细胞
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(bluegreen algae) 等。
Horowitz 观点
一个完整的生命应该具备以下三个方面的 特征: 1. 具有复制的能力—遗传信息的传递 2. 具有催化的能力—新陈代谢的能力 3. 具有突变的能力—适应环境的能力
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。 伟大的细胞学奠基人施旺指出：“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。
有机化学
无机化学
化学
物理化学 高分子化学 分析化学
动 物 学
生物学
植 物 学
微生物学
化学
生 物 化 学
生 物 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。
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。
细胞膜是真核 细胞Hale Waihona Puke Baidu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。
Cell membrane
2．细胞质 cell plasma
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。
很难给生命是下一个精确的定义
（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。
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。
（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
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。
“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,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。
生物化学 Biochemistry
主讲教师：李师翁 教授
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：84113690 E-mail: cedc43@zsu.edu.cn
原核细胞的结构
原核细胞的特征
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,在 细胞质中具有完整功能的各种细胞器, 其中包括细胞核,在胞核中有明显的核 仁存在.
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。
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、核酸和蛋白质等四类生物大分子。 此外，还有一定量的维生素、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：
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。
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。
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cell nucleus
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。
（6）溶酶体 Lysosomes
（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
真核细胞的构成
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。
真核细胞的结构模型图
植物细胞的结构模型图