第三章 生命与化学

第三章生命与化学

——活起来的分子和原子

按现代物理学观点，即在整个生命过程中，贯穿着物质、能量和信息这三者的变化和协调统—。这三个量有组织，有秩序的变动，即是生命运动的基础。

生命与非生命的最根本区别近在于：生命物质(如蛋白质、核酸等)能不断的自我更新，能自组织及非线性发展，而不像无机世界矿物晶体的线性生长。

生命是指物体所具有的通过复制或者依据信息模板（核酸）来制造新的生命物质（包括蛋白质、核酸、糖类和脂类等）的能力。

生命起源

特创论：认为生命是由超物质力量的神所创造，或者是一种超越物质的先验所决定的，最初有多少种，现在就有多少种，各种生物之间没有任何的亲缘关系。

无生源论：认为生命是自然发生的

生源论：生命由亲代生物和孢子产生，即生命不可能自然而然地产生。

宇宙胚种论：地球生命来源于别的星球或宇宙的“胚种”。

化学进化论（主张从物质的运动变化规律来研究生命的起源）：“地球上具有生命的有机体，是起源于非生命物质，但是，并不是非生命物质一下子变成了有生命的有机物，而是通过变成蛋白质，过渡到生命体。”

3.1 生命的物质基础

生物是多种多样的，无奇不有，但从作为生命的化学物质而言又有高度的一致性。表现在：

C、H、O、N、P和S——构成生命的基本元素

蛋白质——生物的基本构成的物质都是蛋白质；

核酸——遗传信息传递的物质都是核酸；

三磷酸腺苷（ATP），一磷酸腺苷AMP，二磷酸腺苷ADP——用作能量转化的物质。

酶—— 生物催化作用；

生命的摇篮——氨基酸

米勒(S. L. Miller)的实验

石英管内得到的产物:

11种氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸、

谷氨酸、天冬氨酸4种是天然蛋白

质含有的）、有机酸和尿素。

同样的方法又获得了嘌呤、嘧

啶、核糖核苷酸、脱氧核糖核苷酸、

脂肪酸等多种重要的生物分子。

这些都充分地证明，在地球上，生命原始阶段的无机物质向有机物质的化学进化过程是完全成立的。

3.1.1 氨基酸

氨基酸（amino acid）：是含有一个碱性氨基和一个酸性羧基的有机化合物。

如：H2N-CH(R)-COOH α-氨基酸

H2N-CH(R2)-CH(R1)-COOH β-氨基酸

H2N-CH(R3)-CH(R2)-CH(R1)-COOH γ-氨基酸

················

已发现的氨基酸总共有200多种。组成蛋白质的氨基酸是a型的氨基酸，通常共有20种。

20种天然氨基酸中，8种氨基酸为人类必需氨基酸（指人体不能合成或合成速度远不适应机体的需要，必需由食物蛋白供给）：亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸、苏氨酸和色氨酸；其它为人体非必需的氨基酸（指人体能由简单的前体合成，不需要从食物中获得的氨基酸。）

氨基酸的理化性质

两性解离性质

氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。

氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。

氨基酸的合成：

发酵法——利用微生物的发酵菌；

酶法——利用相应氨基酸的酶；

化学法

化学合成的氨基酸大多是无光学活性的消旋体, 其中L 体和D 体各占一半, 需用某些手段将它们分离才可得光学活性的对映体,这就是光学拆分。拆分方法有物理法、化学法和酶法。

3.1.2 蛋白质

蛋白质(protein)：蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。

蛋白质的元素组成主要有C、H、O、N和S，有些蛋白质还含有少量磷或金属元素铁、

铜、锌、锰、钴、钼，有些蛋白质还含有碘。

构成蛋白质的氨基酸的结构特点:

α-碳原子为不对称碳原子或手性碳原子，呈L-氨基酸(甘氨酸除外)

在α－碳原子上均连有一个氨基，为α-氨基酸(脯氨酸除外)

氨基酸是怎样形成蛋白质的？

二肽：由2个氨基酸连接成的肽，2个不同的氨基酸可形成2种不同的二肽。

三肽：由3个氨基酸连接成的肽，3个不同的氨基酸可形成6种不同的三肽。

多肽链具备一定的数目和空间结构后即为蛋白质。

多肽和蛋白质的区别：

多肽中氨基酸残基数较蛋白质少，一般少于50个，而蛋白质大多由100个以上氨基酸残基组成

多肽一般没有严密并相对稳定的空间结构，即其空间结构比较易变具有可塑性，而蛋白质分子则具有相对严密、比较稳定的空间结构，

一般将胰岛素划归为蛋白质。但有些书上也还不严格地称胰岛素为多肽，因其分子量较小。但多肽和蛋白质都是氨基酸的多聚缩合物，而多肽也是蛋白质不完全水解的产物。

蛋白质的结构（一、二、三、四级结构）

——只有具有高级结构的蛋白质才有生物活性。

一级结构：肽链中氨基酸的数目、种类和连接顺序、肽链的数目。二硫键的位置。（一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础。）

二级结构：多肽链本身的盘旋蜷曲或折叠的空间结构，二级结构有重要两种：α-螺旋，β-折叠。

三级结构：肽链在二级结构的基础上进一步沿着多个方向盘绕成近似球状结构。（肽链中所有原子在三维空间的排布位置）

四级结构：由两条或两条以具有特定构象的肽链（称为蛋白质的亚基）组成的蛋白质分子中各亚基以非共价键相连而形成的空间排布及相互接触关系。

二级结构中肽单元（肽键平面、酰胺平面）

最早人工合成的蛋白质——牛胰岛素

1965年我国的上百位化学工作者经过6年多坚持不懈的努力，获得了人工全合成牛胰岛素晶体。这是世界上第一个人工合成的蛋白质。

蛋白质的性质：两性及等电点、胶体性质与沉淀作用、蛋白质的变性作用。

蛋白质在一定条件下，共价键不变，但构象发生变化而丧失生物活性的过程成为蛋白质的变性作用。

物理因素：干燥、加热、高压、振荡或搅拌、紫外线、X射线、超声等等。

化学因素：强酸、强碱、尿素、重金属盐、生物碱试剂（三氯乙酸、乙醇等等）。

变性后的特点：

①丧失生物活性②溶解度降低③易被水解（对水解酶的抵抗力减弱）

变性作用的利用：①消毒、杀菌、点豆腐等；②排毒（重金属盐中毒的急救）；③肿瘤的治疗（放疗杀死癌细胞）；

变性作用的防治：①种子的贮存②人体衰老（缓慢变性

③防止紫外光灼伤皮肤。

3.1.3 核酸——生命的遗传基础

核酸的类型和组成