哈理工生命科学导论复习资料.docx
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哈理工生命科学导论复习资料
第一讲序论
一、为什么要上《生命科学导论》课
二、21世纪将是生命科学的世纪
三、生命科学向我们每个人走来
四、生命的元素组成
吴庆余主编.《基础生命科学》，高等教育出版社，2006
张惟杰主编.《生命科学导论》,高等教育出版社，1999
一为什么要开设《现代生物学导论》课？
1．高等教育的目标
哈佛大学教学计划说明
“everyHarvardgraduateshouldbebroadlyeducatedaswellastrainedinaparticularacademicspecialtyorconcentration.”
每一个哈佛毕业生应该受到广博教育并且还应在专门的学科方面得到一定的培训
哈佛大学核心课程主要包括六大门类
1.各国文化2.历史研究
3.文学美术4.道德伦理
5.科学:
数学，生命科学6.社会分析
人格的养成—
从历史及文化角度理解人类社会发展，
认识个人与社会联系，
养成历史感和责任感。
v思辨能力和思维习惯的养成----
准确地认识和把握事物，
慎密的分析和综合，
冷静的归结和对策
2、“公共基础”由哪些板块组成？
1980s以来，世界著名大学如MIT等，纷纷把生物类课程列为全校必修课。
1995年以后，国内重点大学陆续把生物类课程列为全校非生物类专业大学生的限选或必修课程。
这是因为人们意识到，21世纪将是生命科学的世纪，面向21世纪的大学生应有生命科学基础，而不应该成为“生物盲”。
二、21世纪将是生命科学的世纪
1．带头学科
近300年来（17-20世纪）：
物理学一直作为带头学科
17世纪中叶牛顿经典力学
18世纪中叶（蒸汽机）工业革命
19世纪中后电气革命
20世纪初量子论、相对论和核物理标志着物理学革命性飞跃。
20世纪上半叶被称为“现代物理学黄金半世纪”
物理学主导着工业革命和经济发展
带领着天文、地质、气象、化学等学科发展
❑ 薛定谔（ErwinSchrodinger,1887-1961）
是一位近代物理学家，他试着跨越物理世界/生命世界之间难以逾越的鸿沟。
他所写的小册子《生命是什么》是一个伟大尝试。
❑面对复杂系统的许多问题，科学界把目光转向生命科学，寻求
新的概念，
新的观点，
新的思路。
2、从传统生物学到现代生命科学
——生命科学能够迎接21世纪的挑战
生物学经历了三个发展阶段：
Ø描述生物学阶段（19世纪中叶以前）
（1）描述生物学阶段（19世纪中叶以前）
主要从外部形态特征观察、描述、记载各种类型生物，寻找他们之间的异同和进化脉络
达尔文《物种起源》（1859）
（2）实验生物学阶段（19世纪中到20世纪中）
利用各种仪器工具，通过实验过程，探索生命活动的内在规律
（3）创造生物学阶段（20世纪中叶以后）
3、生命科学如何发挥它的重要作用？
v生命科学必须和物理科学、工程科学等其他学科相结合
（1）从我国科学发展规划看生命科学的重要性
（2）生命科学必须和物理科学、工程科学等其他学科相结合
21世纪是生物的世纪，但生物学要有大突破必须寻求物理学科等其他学科的支持。
v普林斯顿大学以发育生物学家谢利•蒂夫曼为首，集中12名资深教授（生物学、物理学、化学、数学、工程）成立崭新的研究中心
v 斯坦福大学朱棣文（物理学）和詹姆斯•斯布迪许（生物学）等建立一个研究中心，50名成员。
（Bio-X计划）
三生命科学向我们每个人走来
1． 生存与健康
2． 交叉学科和边缘领域同时提供机会与挑战
3.生命科学渴求各个领域优秀人才的参与
1、生存与健康
❑另一方面人类面临一批新型疾病的威胁：
心血管病
糖尿病
艾滋病
癌症
新传染病
2、交叉学科和边缘领域同时提供机会与挑战
3、生命科学渴求各个领域优秀人才的参与
四、生命的元素组成
在生物学和其他学科交叉的边缘学科中,生物化学在过去的几十年中发展特别快。
研究生物体的化学组成和研究生命过程中的化学变化，所得到的丰硕成果，构成分子生物学和生物技术发展的重要基础。
这里先介绍生命的元素组成，主要为后面第二讲（构造生物的基本元件）和第三讲（生物体的新陈代谢）做准备。
1．哪些元素参与生物体的组成？
参与生物体组成的元素总共约二、三十种，他们在元素周期表中的分布如图所示
用实验动物的饲养实验来研究各种元素成份在营养学上的必要性。
要证明某一种微量元素在营养学上是必不可少的，至少需要做下面三个方面的实验：
让实验动物摄入缺少某一种元素的膳食,观察是否出现特有的病症。
向膳食中添加该元素后，实验动物的上述特有病症是否消失。
进一步阐明该种元素在身体中起作用的代谢机理。
只有上述三条都弄清楚，才能确定某种元素是否为营养上必需的元素。
常量元素的重要性比较容易认识。
微量元素的营养学研究困难大得多。
所以，一些微量元素在1950s或1970s以后才确证为人体必需微量元素。
3.元素营养方面的几个例子
例一、钙
1．人每天需要摄入多少钙？
2、钙参加几乎每一种生理代谢过程
婴、幼、少儿------佝偻病
老年人------骨质疏松症
上海地区骨质疏松症患者男20.1%女48.1%
其中60岁以上男24.9%女75.5%
上海地区老年人骨折发生率城区16.5%
农村6.9%
影响钙吸收的因素
维生素D
甲状旁腺素（PTH）
•促小肠吸收钙
•促骨骼释放钙
•促肾细胞回收钙
•抑骨骼释放钙
•抑肾细胞回收钙
例三铬
例四硒
第二讲构造生物体的基本元件
一、生物小分子与生物大分子的关系
二、生物小分子简介
三、生物大分子的形成
四、生物大分子的高级结构
一、生物小分子和生物大分子的关系
小分子大分子复合大分子
单糖多糖糖蛋白
氨基酸蛋白质糖脂
核苷酸核酸脂蛋白
脂类
二、生物小分子简介
1、水
水影响生命活动的例子：
2、氨基酸
（1）α－碳原子
（2）具有α－氨基和α－羧基是各种氨基酸的共性
（3）各种氨基酸的区别在侧链基团—R
20种天然氨基酸除甘氨酸外，都带一个不对称碳原子—α碳原子，都有光学异构体（镜映体）。
氨基酸的功能：
（1）作为组建蛋白质的元件
（2）有的氨基酸或其衍生物具有生物活性（代谢调节、信号传递等）
3、单糖——
（1）C2----C5均为不对称碳原子。
六碳糖有16种同分异构体。
（2）天然单糖在C5位上羟基有固定结构方向，天然单糖大多数是D-型糖。
（3）在水溶液中葡萄糖在C1---C5之间脱水通过氧桥相联成环状－吡喃型
（4）各个C上羟基位于环上或环下
（5）C1上羟基位置不同出现α-，β-两种构型
4、核苷酸
DNA分子的基本单位：
核苷酸
参加大分子核酸组成的共有8种核苷酸
DNA水解液中RNA水解液中
腺脱氧核苷酸（dAMP）腺苷酸（AMP）
鸟脱氧核苷酸（dGMP）鸟苷酸（GMP）
胞脱氧核苷酸（dCMP）胞苷酸（CMP）
胸腺脱氧核苷酸（dTMP）尿苷酸（UMP）
另外还有一些重要的具有生物活性的核苷酸
cAMP，cGMP参与细胞信号传递
5、脂类
脂类是指生物体内不溶于水而溶于有机溶剂的各种小分子。
葡萄糖－－－水溶性的
油脂－－－脂溶性的
脂类种类很多，分子结构相差较大
A、油脂：
甘油三脂
B、磷脂和鞘脂
C、固醇
Tay-Sachs症，儿童的悲剧
所有的人类遗传病中，Tay-Sachs遗传病是最为悲惨的疾病之一。
带有导致该病的突变基因的纯合子婴儿在出生时表现正常；然而，数月之后他们表现为对噪音的极度敏感，眼睛视网膜上出现一个樱桃红的小点。
这些早期症状往往被父母和医生所忽略。
在出生后半年到一年，患儿出现的进行性的神经退化导致精神障碍、眼盲、耳聋以及身体控制机能的丧失。
在两岁时通常已经完全瘫痪，并出现呼吸性感染。
一般在三至四岁时患儿就死亡了。
关于此病的唯一好消息就是它在大多数人群中就十分罕见的；然而在中欧地区的德裔犹太人及其后裔中，此病的发病率达到了儿童的1/3600，并且大约1/30的成人带缺陷基因。
如果两人都是缺陷基因携带者，通常他们小孩就有四分之一的可能是这种缺陷基因的纯合子并最终会发展成为Tay-Sachs症。
•导致Tay-Sachs症的突变位于HEXA基因，它的编码产物是己糖胺酶A。
该酶作用于神经节苷脂GM2并将它分解。
•神经节苷脂GM2的功能是覆盖于神经细胞，使神经细胞与相邻的细胞分隔开，从而加速神经冲动的传递。
如果该酶不存在，神经节苷脂GM2会累积并窒息神经细胞，最终导致神经系统功能丧失和瘫痪。
三、生物大分子的形成
生物大分子主要有三大类：
蛋白质
核酸
多糖
它们都是由生物小分子单体通过特有的共价键联结而成。
1、氨基酸通过肽键联成肽链
结构蛋白
2、单糖通过糖苷键联成多糖链
（3）注意：
多糖链也有方向性，有还原端和非还原端
一条多糖链的两端有不同结构和性质：
一端的糖基有游离的半缩醛羟基，称还原端；
另一端的糖基没有游离的半缩醛羟基，称非还原端。
3、核苷酸通过磷酸二酯键联成核酸
四、生物大分子的高级结构
1、蛋白质的高级结构
由生物小分子到生物大分子，分子增大，出现新的性质。
其中最主要的特点是：
生物大分子有独特的立体结构、空间构型和分子整体形状。
❑蛋白质的四级结构是指各条肽链之间的位置和结构。
所以，四级结构只存在于由两条肽链以上组成的蛋白质。
2、维持生物大分子高级结构的重要因素－－非共价键
C＝OH－O
C－NH
C－OH3N－
非共价键的键强度很小，所以
注意：
双硫键也在维持蛋白质高级结构中起重要作用。
3、核酸的高级结构
DNA的双螺旋结构
3、核酸的高级结构
（1）DNA双螺旋：
A、两条反向平行的核苷酸链共同盘绕形成双螺旋，糖－磷酸－糖构成螺旋主链
B、两条链的碱基都位于中间，碱基平面与螺旋轴垂直
C、两条链对应碱基呈配对关系A＝TG≡C
D、螺旋直径20A，螺距34A，每一螺距中含10bp
DNA双螺旋可以看作是DNA的二级结构，
DNA的三级结构的形成需要蛋白质帮助。
碱基之间的氢键：
GC间有三个氢键，AT间有两个氢键
（2）RNA为单链盘绕，局部形成碱基配对。
例如：
转运RNA（tRNA）的三叶草结构
4、多糖链的高级结构
不同高级结构带来不同的生物学性能
淀粉形成螺旋状能源贮存
纤维素呈长纤维状结构支架
第三讲生物的新陈代谢
一、酶是生物催化剂
二、生命世界的能量源泉是太阳能
三、生物体主要从有机分子的氧化取得能量
四、生物体内有一个复杂的代谢网络
生命活动的原动力在于生物体内一刻不停的新陈代谢。
通过新陈代谢不断把太阳能或食物中贮存的能量，转化为可供生命活动利用的能量，不断制造出各种大、小分子以供生命活动所需要。
体内的新陈代谢过程又都是在生物催化剂----酶的催化下进行的。
这一讲先介绍酶的性质，然后着重介绍生命活动所需的能量，从何而来。
至于新陈代谢中产生的大、小生物分子，种类甚多，这里仅介绍蛋白质大分子是如何合成的。
一、酶是生物催化剂
1、酶的催化特点
催化剂可以加快化学反应的速度，酶是生物催化剂，它的突出优点是：
催化效率高
专一性质
可以调节
用简单的实验证明酶的催化效率：
2、酶的化学本质是蛋白质，有的酶仅仅由蛋白质组成，如：
核糖核酸酶。
有的酶除了主要由蛋白质组成外，还有一些金属离子或小分子参与。
这些金属离子或小分子是酶活性所必须的，称为辅酶/辅基或辅助因子。
如：
羧基肽酶以二价锌离子（Zn2+）为辅助因子
又如：
过氧化氢酶以铁卟啉环为辅助因子
3、酶催化作用的机理是降低活化能
•催化剂只能催化原来可以进行的反应，加快其反应速度。
•即使对可以进行的反应来说，反应物分子应越过一个活化能才能发生反应。
•酶作为催化剂的作用是降低活化能。
酶是如何降低活化能的呢?
首先，需要酶与底物分子结合，酶蛋白结构中有底物结合中心/活性中心。
然后，酶蛋白分子以各种方式，作用于底物分子，使底物分子活化起来。
酶与底物的专一结合，又是酶促反应专一性的体现。
底物分子结合在酶的底物结合中心
4、酶的活性可以调控
1）在代谢途径中调节酶活性
几个酶或十几个酶前后配合，完成一系列代谢反应，形成一条代谢途径。
在一条代谢途径中，常常是前一个酶促反应的底物，便是下一个酶促反应的底物。
一条代谢途径的终产物，有时可与该代谢途径的第一步反应的酶相结合，结合的结果使这个酶活性下降，从而使整条代谢途径的反应速度慢起来。
这种情况称为“反馈抑制”。
值得注意的是，发生反馈抑制时，代谢终产物与酶结合时，是非共价结合，是可逆的。
❑共价调节
有时候，酶蛋白分子可以和一个基团形成共价结合，结合的结果，使酶蛋白分子结构发生改变，使酶活性发生改变。
这种调节酶活性的情况称为酶的共价调节。
例如，酶与磷酸根的结合。
❑竞争性抑制
有的酶在遇到一些化学结构与底物相似的分子时，这些分子与底物竞争结合酶的活性中心，亦会表现出酶活性的降低（抑制）。
这种情况称为酶的竞争性抑制。
二、生命世界的能量源泉是太阳能
1、生物体的代谢反应分为物质代谢和能量代谢两个侧面。
每一个反应都有两个侧面：
物质代谢――由底物分子变成产物分子
能量代谢――消耗能量或释放能量
n氨基酸+能量蛋白质
2丙酮酸+能量葡萄糖
从小分子合成大分子需要消耗能量。
葡萄糖2丙酮酸+能量
从大分子分解为小分子会释放能量。
2、ATP是生物体能量流通的货币
ATP：
三磷酸腺苷的缩写，全称可以是腺嘌呤核苷三磷酸。
ATP的作用：
一个代谢反应释出的能量贮入ATP，ATP所贮能量供另一个代谢反应消耗能量时使用。
3、生物体把能量用在生命活动的各个方面
4、太阳能是整个生命世界的能量源泉
绿色植物和光合细菌把太阳能转变为化学能，利用太阳能合成有机物；除了维持自身的生存还为其他生物提供食物。
食物链
绿色植物和光合细菌利用太阳能的过程称为光合作用。
光合作用是如何进行的？
叶绿体中的叶绿素是进行光合作用必不可少的成份。
在叶绿体中进行的光合作用，又可以分为两个步骤：
光反应：
在叶绿素参与下，把光能用来劈开水分子，放出O2，同时造成两种高能化合物ATP和NADPH。
暗反应：
把ATP和NADPH中的能量，用于固定CO2，生成糖类化合物。
这个过程不需要光。
三、生物体主要靠有机分子的氧化取得能量
1、有机物氧化释放能量
一支火柴的燃烧是纤维素氧化
（C6H12O6）n+O2nCO2+nH2O+能量
纤维素氧温度、光和热
（可燃物）
生物体也进行类似的反应
（C6H12O6）n+O2nCO2+nH2O+能量
淀粉氧酶ATP
（氧化底物）
把火柴燃烧和生物体内氧化相比，基本原则是相似的――有机物氧化释放出能量。
把火柴燃烧和生物体内氧化相比，基本原则是相似的――有机物氧化释放出能量。
有哪些不同？
A、生物体内氧化比燃烧过程缓慢的多，不是猛然地发出光和热。
B、生物体内氧化在水环境中进行。
C、生物体内的氧化由酶催化。
D、生物体内氧化分步骤进行，产生能量贮存在ATP中。
2、生物体内氧化分步骤进行
3、与葡萄糖氧化分解产生能量有关的三条代谢途径
A、 糖酵解途径
六个碳的葡萄糖分解为两个三碳的丙酮酸，净得两个ATP，同时还产生NADH。
发酵：
糖酵解途径可以在无氧情况下进行，但是要解决NADH变回到NAD＋问题。
B、 三羧酸循环
三羧酸循环一定需要氧才能进行。
在三羧酸循环中脱下的氢，形成NADH和FADH2，然后再逐步传递给氧。
C、 呼吸链
脱下的氢可以看作是电子加上质子
2H＝2e＋2H＋
在呼吸链起端，电子处在高能水平，传递到O2时，处于低能水平。
传递过程中释出的能量，用于产生ATP。
总之，一个葡萄糖分子经过：
无氧糖酵解途径丙酮酸2个ATP
有氧糖酵解途径、三羧酸循环途径、呼吸链完全氧化38个ATPCO2和H2O
生物体可利用各种有机分子作燃料
除了葡萄糖，其他生物分子，包括脂类、氨基酸、核苷酸等，都可以通过三羧酸循环途径，彻底氧化为CO2和H2O，同时产生能量。
对于人体来说，最适宜的燃料是葡萄糖。
四、生物体内存在着复杂的代谢网络
1、已介绍三条代谢途径：
糖酵解途径、三羧酸循环和呼吸链，都与分解代谢，产生能量有关。
生物体内还有许许多多其他分解代谢途径，和合成代谢途径，形成错综复杂的代谢网络。
这些代谢途径分布于生活细胞的不同部位。
2、蛋白质合成也就是基因表达
决定合成什么样的蛋白质的遗传信息，贮存在细胞内的DNA大分子中，体现为DNA大分子中核苷酸排列次序，最终表达为蛋白质大分子中的氨基酸序列。
蛋白质合成的第一步，由DNA指导mRNA（信使RNA）的合成。
DNA中的遗传信息通过转录体现在mRNA分子中核苷酸排列次序中。
蛋白质合成的第二步，由mRNA指导蛋白质合成。
mRNA中携带的遗传信息通过翻译转而体现为蛋白质大分子中氨基酸的排列次序。
3、蛋白质合成的第一步是mRNA的合成
mRNA合成需要：
以四种三磷酸核苷为原料ATP、GTP、UTP、CTP；
以DNA（大分子中的一段）为模板；
由RNA聚合酶催化。
mRNA的合成在细胞核内进行；
然后，mRNA从核内移至细胞质中。
4、遗传密码和转运RNA
mRNA分子中每三个相邻核苷酸序列决定一个氨基酸，这就是通常所说的三联密码子。
与遗传密码子相对应的反密码子在转运RNA（tRNA）分子中。
tRNA的二级结构呈三叶草形，它的任务是搬运氨基酸。
在tRNA分子中，一方面联接着被搬运的氨基酸，另一方面通过反密码子把氨基酸安置到合适的位置上去。
5、蛋白质合成的第二步由mRNA指导蛋白质合成,需依托核糖体
核糖体由蛋白质和RNA组成，后者称为核糖体RNA（rRNA）。
在细胞质中，mRNA先与核糖体结合
第一个tRNA把一个氨基酸放在肽链起始位置上；另一个tRNA带来第二个氨基酸。
第一个氨基酸以羧基联到第二个氨基酸上，形成肽键。
核糖体向右移三个核苷酸位置，第一个tRNA脱落，准备好位置迎接第三个tRNA及其所带的氨基酸。
直到在mRNA上出现休止符号的密码子。
于是，不再有新的tRNA上来，肽链合成结束。
核糖体与mRNA脱开。
蛋白质合成中还有其他加工步骤
包括：
A、蛋白质大分子折叠；
B、糖基和其他基团的修饰；
C、蛋白质分子向细胞各部位的运送等等。
第四讲细胞—生物体的基本结构单位
一、细胞学说的建立
1、细胞学说的主要的内容
17世纪中叶，显微镜被用于生物学研究，用显微镜观察来自树皮的木栓，看到一个个“小室”结构，称之谓“Cell”（细胞）。
人们用显微镜观察各种生物，包括微生物和动、植物的细微构造，到处都看到细胞结构。
逐渐形成一个观念：
各种生物都是由细胞组成的。
19世纪初，两位德国生物学家施莱登和施旺正式明确提出：
细胞是植物体和动物体的基本结构单位。
这个观点，经过后来的丰富和发展，形成公认的细胞学说：
（1）细胞是所有动、植物的基本结构单位。
（2）每个细胞相对独立，一个生物体内各细胞之间协同配合。
（3）新细胞由老细胞繁殖产生。
2、细胞学说的科学意义：
细胞学说的提出先于进化论约20年，它与进化论一起，奠定了生物科学的基础。
细胞学说使生命世界有机结构多样性的统一，从哲学推断走向自然科学论证。
细胞学说被认为是19世纪自然科学的重大发现之一。
值得注意的是，从两篇经典的论文看来，细胞学说不但关系到生物体的构造，也关系到生物体的生长与发育。
最初提出细胞学说观点的两篇论文是：
德国植物学家施莱登1838年发表的论文：
『论植物发现』;
德国动物学家施旺1839年发表的论文：
『动植物结构与生长相似性的显微研究』。
有没有非细胞生命？
19世纪末，人们逐渐发现比细菌还小的“传染性的活性成份”，称为病毒。
1930s－1940s期间弄清病毒的化学本质和电镜结构：
病毒是一类不具细胞结构的生命形态。
最简单的病毒仅由核酸大分子和蛋白质大分子组成。
但是，病毒颗粒必需进入寄主活细胞才能表现出生命的各方面特性。
SARS病毒为冠状病毒
二、细胞的结构和功能
1、动物细胞的典型结构
细胞膜和生物膜
磷脂和鞘脂分子具有一个共同的特征――一个极性的头两个非极性的尾巴。
在水环境中，这类分子会自发形成脂双层微囊。
细胞膜的框架，就是脂双层，还有蛋白质“镶嵌”其中。
1970s提出的流动镶嵌学说,强调了生物膜中脂分子和蛋白质分子的运动。
这样的膜结构不但用以组成细胞膜，还用以分割形成各种细胞器，所以，统称生物膜。
•古生菌除脂双层结构外，也有脂单层结构，脂单层结构难被剥离，所以广泛存在于嗜热古生菌中
细胞核由两层生物膜围成，遗传信息贮藏在核内，是DNA复制和RNA合成场所。
内质网由单层生物膜围成。
是蛋白质合成、修饰和分泌；脂类合成的场所。
真核生物的信息传递：
从细胞核内到细胞核外；从DNA到RNA再到蛋白质
高尔基体由单层生物膜围成，与蛋白质修饰和分泌有关。
溶酶体由单层生物膜围成，是生物大分子分解的场所。
线粒体由双层生物膜围成，是生物氧化、产生能量的场所。
细胞质有多种蛋白质和酶，是糖酶解和糖元合成等反应的场所。
细胞骨架由蛋白质亚基组装成，和细胞形状、迁移、信息传导等有关。
核糖体由RNA和蛋白质形成的大颗粒，是蛋白质合成的场所。
2、植物细胞的典型结构
与动物细胞相比，有几点不同：
植物细胞动物细胞
有细胞壁没有细胞壁
有叶绿体没有叶绿体
有中央液泡没有中央液泡
3、真核细胞和原核细胞
细菌细胞结构与动、植物细胞不同，要简单的多。
最主要的差别是细菌没有细胞核结构，核物质－DNA还是有的，形成核区（又称拟核）。
并且细菌细胞也没有其他各种细胞器。
依据有无细胞核，整个生命世界可以区分为两大类：
原核生物真核生物
细菌植物
古生菌动物
等等真菌（霉菌、酵母）
原生动物
藻类
三、细胞分裂和细胞周期
1、为什么会有细胞分裂？
随着细胞生长，细胞体积增大，而细胞表面积和体积之比（表面积/体积）却在变小。
活细胞不断进行新陈代谢，细胞表面担负着输入养分，排出废物的重任。
表面积/体积比值的下降，意味着代谢速率的受限和下降。
所以，细胞分裂是细胞生长过程中保持足够表面积，维持一定的生长速率的重要措施。
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