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1、高级生物化学概要高级生物化学备考资料绪论部分生命诞生之谜-物质孕育生命的一瞬间什么是生命？ 生命能够按照自己的样子制造出子子孙孙-自我复制 非生命和生命的区别： 非生命会随着实践流逝而毁灭； 生命也会随着实践流逝而毁灭，但它能够在毁灭之前增殖，因而从外部看没有毁灭。 不仅如此，生命还具有维持“个体”的能力-新陈代谢 同化作用：生命能够利用所得到的能量，将简单的化合物合成自身成分的过程； 异化作用：生命将复杂的有机物分解为比较简单的化合物而获得能量的过程。 探索生命的起源，其实质就是探索生命的两大功能-自我复制以及新陈代谢是如何出现的。构成生命的复杂分子 复杂而巧妙的细胞真的是自然产生出来的吗？

2、 生原说（宇宙胚种论）：瑞典化学家斯文特.阿伦尼亚斯（1859-1927）正式提出； Crick（1916-2004）也认为：“自然界合成DNA和蛋白质的概率太低，生命很有可能是在地球之外宇宙的其他地方产生出来，后来才来到地球上”。大多数科学家都不同意生源说，而认为“生命是在地球的某个地方通过一系列化学反应的积累产生出来的”。化学进化说 1924年，俄国生物化学家奥巴林（1894-1980）认为，生命的诞生经历了三个阶段： 第一阶段，大气中的甲烷和氨发生反应，生成氨基酸和碱基等分子； 第二阶段，生成蛋白质和核酸，这些物质溶解在海水中，形成“原始汤”； 第三阶段，生成包裹着蛋白质和核酸的原始细胞

3、-最初的生命。那以后才开始有了复杂的代谢反应。 然而，奥巴林得假说并没有立即为人们所接受。米勒实验 1953年，美国加利福尼亚大学的米勒将甲烷、氨气和水蒸气充满烧瓶，并将水蒸气循环通过其中，然后在其中反复放电，在烧瓶中再现原始地球的大气，用放电来模拟原始大气中的雷电。导致生命诞生的能量来自宇宙射线？ 现在认为原始大气的主要成分是N2和CO等不容易发生反应的分子。 日本横滨国立大学小林宪正教授等用质子束模拟宇宙射线照射N2和CO混合气体，得到若干种氨基酸等有机分子。氨基酸等有机物也来自宇宙空间 作为构成生命材料的氨基酸和碱基很可能不单是通过原始地球大气自然合成这一途径形成； 在宇宙中也能产生有机

4、物，并通过陨石和彗星把有机物带到地球上；陨石和彗星把有机物带到地球上 1969年坠落在澳大利亚的默奇森陨石上检测到了氨基酸、碱基、羧酸等有机物； 1986年用太空探测器在哈雷彗星上探测到了芳香族有机物； 2006年NASA发射的“星尘号”探测器带回的“怀尔德2号”彗星样品检测到多种有机物。宇宙中的有机物是怎么形成的？ 暗星云内的温度非常低，其中的水、CO和氨等成分只能以冰块的形式存在。这些冰块受到宇宙射线和紫外线的照射，获得能量，很有可能产生出包括氨基酸在内的有机物。 日本横滨国立大学小林宪正教授等用实验已予证实。最初的生命诞生在哪里? 在海洋的400热水中诞生？ 细胞的成分与海水成分相近；

5、热水本身就是一种能源； 海底热泉喷口喷出的热水中包含有丰富的甲烷和氨等；最初的生命诞生在哪里? 海底热泉喷口温度374、压力218P，处于超临界水的状态； 氨基酸在超临界水的作用下有可能发生聚合反应，形成肽或多肽； 海底热泉喷口附近，Fe、Mn离子十分丰富，它们是促进化学反应的催化剂，能够促进生命诞生。“膜囊”的出现-生命诞生的关键 俄国生物化学家奥巴林认为：必须要有一种能够把生物体与外界隔离开来的“膜囊”，才有可能形成生命。 这种膜囊能够把构成生命的分子封闭在内部，无法扩散；浓度较高，化学反应才有可能比较活跃。最初的细胞膜是由什么分子形成的？ 细胞膜是由“磷脂”组成的； 没有催化剂，磷脂很难

6、在自然状态下形成 最初的细胞膜就是磷脂膜； 最初的细胞膜是蛋白质膜。没有膜，在矿物表面也能诞生生命？ 德国冈特.瓦赫特绍泽博士认为：对于生命诞生十分重要的化合物可能在黄铁矿的表面因吸附而浓缩，促进生成有机物的那些化学反应。 黄铁矿表面浓缩假说：无需细胞膜也能够诞生生命。先有DNA还是先有蛋白质？ DNA和蛋白质之间就像是“鸡和蛋”之间的关系： DNA是蛋白质的设计蓝图； 合成蛋白质少不了DNA； 蛋白质是“催化”装置； DNA的复制需要蛋白质。生命开始于DNA的主流假说 20世纪80年代初，美国科罗拉多大学的托马斯.切赫博士和耶鲁大学的西德尼.奥尔特曼博士发现了具有自我催化功能的RNA-“核酶

7、（ribozyme）”。 这相当于发现了同时兼有鸡和蛋二者功能的“生命的万能分子”。RNA世界假说 基于核酶的发现，美国哈佛大学的沃尔特.吉尔伯特博士提出了关于生命起源的“RNA世界假说”： 1.出现具有自我复制功能的RNA； 2.出现细胞膜； 出现了能够促进合成出磷脂化学反应的核酶，产生出包裹RNA的细胞膜。 3.出现蛋白质； 细胞内除了有RNA，开始出现蛋白质，而且出现了一些能够促进核酶无能为力的那些化学反应的蛋白质，使细胞内发生的化学反应变得更加复杂和多样化。 4.出现DNA； 细胞依靠促进核酶和蛋白质的反应合成DNA； RNA将其保持遗传信息的功能传递给了更加稳定的DNA。核酶和“试管

8、内进化” 认为生命开始于RNA，关键是要证明确实能够自然出现具有各种各样功能的核酶。 自上世纪90年代以来，许多研究者都在通过实验，采用了在“试管内进化”的方法来检验这种可能性。 这项实验是把随机得到的RNA放入试管，人为引起突变，以加速RNA的进化。核酶和“试管内进化” 实验证明，由随机的RNA的确有可能得到具有各种各样功能的核酶。 例如：已经得到的核酶，有的能够促进合成出RNA短链的反应；有的能够促氨基酸与tRNA结合；有的能够促进氧化还原反应等等。 现在，研究者仍在继续实验，希望能够在试管内得到能够完成自我复制的核酶等等。生命开始于蛋白质的另一种假说 对RNA假说的质疑： RNA是一种非

9、常精致的分子，如此精致的分子十分复杂，自然可以产生令人难以置信。 到目前为止，不仅未在米勒实验或类似的实验中发现过自然合成的核糖核苷酸，甚至在陨石中也没能找到核糖核苷酸。 因此，在RNA之前，也许出现过一个仅仅以4种氨基酸为材料构成的“蛋白质世界”。GADV假说 日本奈良女子大学的池原健二教授提出“蛋白质世界假说”： 1.在原始大气中或者在海底热泉喷口附近由无机物合成出了4种氨基酸（甘氨酸、丙氨酸、天门冬氨酸和纈氨酸）； 2.海浪使氨基酸互相连接起来； 含有4种氨基酸的海水反复蒸发，使其中的各个氨基酸得以连接起来。 3.蛋白质一旦出现，就开始了“类复制”； 4种氨基酸随机相互结合，能够偶然形成

10、GADV蛋白质； 尽管GADV蛋白质还不能正确复制自身，却可以开始“类复制”，制造出同自己相似的分子。 5.出现细胞膜； 天门冬氨酸是一种亲水性很强的氨基酸，纈氨酸是一种疏水性很强的氨基酸； 包含这两种氨基酸的GADV蛋白质像磷脂一样，可能成为原始的细胞膜材料。 6.出现RNA； 一旦出现了具有各种各样功能的GADV蛋白质，就有可能合成出RNA等核酸； 以后，就出现了能够根据RNA所携带的遗传信息来合成高级蛋白质的系统。遗传密码的起源：GNC假说 决定蛋白质形状和功能的密码是怎样出现的？ 1.最初的遗传密码只有4种； 最初的生命仅限于使用结构比较简单的4种氨基酸（Gly、Ala、Asp、Val

11、），以后依次出现了RNA、第一个符号为G与其他符号组合的4种遗传密码。 2.遗传密码增加到16种； 生命以后逐渐进化使用比较复杂的另外6种，共10种aa，可供选择碱基的自由度加大，遗传密码增加到16种。 3.遗传密码最终达到64种； 生命继续进化，使可以使用的aa数量增加到20种，可供选择碱基的自由度又有增加，遗传密码最终达到64种。从最初的生命到现在的生命 探索生命起源的研究仍任重而道远 池原教授认为：探索生命起源有两条路线； 1.研究无机物如何通过化学进化而生成有机物，然后如何产生出生命体； 2.追溯现有生物的祖先，寻找共同的祖先，直至最原始的生命形式。 这两条路线在某处碰头，就等于揭开了

12、生命起源之谜。 怎样解开生命起源之谜？ 1.在实验室制造出“人工生命”，找到生命起源所必需的条件。 2.到地球以外的宇宙中去寻找生命：找到生命或只是找到处在生命快要诞生之前的某种状态，意义非常重大。 目前人类只知道地球上这么一种生命，只有知道了更多不同类型的生命，才能真正懂得什么是生命。从最初的生命到现在的生命 最初的生命究竟是哪一种分子，目前尚无定论； 多数研究者认为：最初的生命一定是在进化到某个阶段以后才同时具备了利用RNA和蛋白质两种分子的； 在某个时间诞生了一种同时利用DNA、RNA和蛋白质三者的“共同祖先”； （Commonote或Last Universal Cellular An

13、cestor/LUCA） 经过40亿年的进化，共同的祖先早已经分化，形成了多样化的生物世界。从最初的生命到现在的生命 1924年，俄国生物化学家奥巴林（1894-1980）认为，生命的诞生经历了三个阶段： 第一阶段，大气中的甲烷和氨发生反应，生成氨基酸和碱基等分子； 第二阶段，生成蛋白质和核酸，这些物质溶解在海水中，形成“原始汤”； 第三阶段，生成包裹着蛋白质和核酸的原始细胞-最初的生命。那以后才开始有了复杂的代谢反应。生命可能产生于原始汤里？ 生命可能产生于“垃圾袋世界”里？ 2008年9月12日讯，据美国连线杂志报道，一支生物学家和化学家小组正在将无生气的物质变成活生生的生命。 由美国哈佛

14、大学医学院分子生物学家杰克斯卓斯泰克（Jack Szostak）领导的这支小组正在构造一种单细胞模型，这种模型能够自我复制和进化，已经具备了“生命”的基本特征，几乎可以被称作生命。这表明科学家们已经可以将没有生命的物质合成为新的生命形态。 这是科学家在意大利佛罗伦萨举行的第15届生命起源国际研讨会上公布的消息。这一消息听起来好象是天方夜谭，但是科学家们正在为此而努力。 他们建造的原型细胞由脂肪分子构成。脂肪分子可以捕获一些核酸，而核酸中含有可以复制的原始遗传代码。 当然，这种复制功能并非是完全自动的，因此它还不是彻底的人造生命，但它已经非常接近将化学物质变成生物有机体的过程。 通过太阳或化学反

15、应提供外来能量，这些原型细胞可以形成一个自我复制、自我进化的生命系统，从而获得满意的生命环境。 这种生命并不像我们地球上的生命，但他们是一种生命的代表，可以在宇宙的任意空间里形成和存在。 原型细胞研究比人造生命其他领域的研究都要激进，甚至有科学家用构成生命所需的最少基因制造了人造细菌。 而原型细胞研究人员正在设计一种完全创新的生命形态，是人们从来没有看见过甚至可能从来没有存在过的生命形态。 他们一直认为他们的研究并不仅仅只是一种思想，并坚信他们将是人造生命的创始人，并且将很快实现这一目标。最基本功能的生命有三个基本构成 大多数研究人员认同最基本功能的生命得有三个基本构成：容器(即细胞膜)、获取

16、能量的方式和生命信息携带者，如RNA或核酸。 斯卓斯泰克前期工作已经表明容器可以由一层脂肪酸构成，通过与水反应可以自我装配。因为脂肪酸的一头是亲水的，意味着它可以吸引水，而另一头则是疏水的。当研究人员将大量的脂肪酸分子集合一起时，它们形成一个封闭的环来抵挡水的入侵。 在某种情况下，这些脂肪酸膜可以让核酸通过，并包在此膜中开始复制。斯卓斯泰克表明特殊的脂肪酸膜能在不同温度下稳定存在，且可以操纵DNA分子。 且核酸能够在原型细胞中复制。是否会危及地球现有生物？ 一些参与此项研究的科学家认为，人造生命形式有朝一日将提供解决各类问题的可能性，但人类首先需要考虑的却是合成生命可能带来的危险，目前最令我们

17、担忧的是如何去阻止一种极具毒性的人造生命体吞噬地球上已有的生物。 有专家指出，地球上存在的每种植物、动物、菌类和原生动物都渴望成为“世界的统治者”。 甚至一些居心不良的人可能会利用相应的仪器设备和技术，让消亡的病毒通过人工合成使其死灰复燃，比如天花病毒。 问题1：什么是生物化学研究中的前沿理论？ 生物化学研究中的前沿理论是指在某一研究领域中由于其发生发展规律没有被发现，因此限制了该领域科学研究的进展，当其发生发展规律一但被发现，将促进该领域的研究出现革命性的进展，而这种被发现的发生发展规律就称为前沿理论，如DNA双螺旋模型的发现和证实。 问题2：什么是生物化学研究中的高技术？ 生物化学研究中的

18、高技术是指在某一领域中所取得的技术成果能促进该领域的技术进步，取得巨大的经济效益和社会效益，如DNA重组技术及应用。 问题3：什么是生物技术？ 生物技术(biotechnology)，有时也称生物工程(bioengineering)，是指人们： 以现代生命科学为基础； 结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理； 按照预先的设计改造生物体或加工生物原料； 为人类生产出所需产品或达到某种目的。 现代生命科学 ？ 包括了微生物学、生物化学、细胞生物学、免疫学、育种技术等几乎所有与生命科学有关的学科，特别是现代分子生物学的最新理论成就更是生物技术发展的基础。 现代生命科学的发展已在分子、亚细胞、

19、细胞、组织和个体等不同层次上，揭示了生物的结构和功能的相互关系，从而使人们得以应用其研究成就对生物体进行不同层次的设计、控制、改造或模拟，并产生出巨大的生产能力。 先进的工程技术手段 ？ 指基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程等新技术。 改造生物体 ？ 获得优良品质的动物、植物或微生物品系 生物原料 ？ 生物体的某一部分或生物生长过程所能利用的物质，如淀粉、糖蜜、纤维素等有机物，也包括一些无机化学品，甚至某些矿石 。为人类生产出所需的产品？ 粮食、医药、食品、化工原料、能源、金属等各种产品。 达到某种目的 ？ 疾病的预防、诊断与治疗、环境污染的检测和治理等 。什么是生物技术？ 生物

20、技术(biotechnology)，有时也称生物工程(bioengineering)，是指人们： 以现代生命科学为基础； 结合先进的工程技术手段和其他基础学科的科学原理； 按照预先的设计改造生物体或加工生物原料； 为人类生产出所需产品或达到某种目的。 生物技术包括传统生物技术和现代生物技术两部分。 传统的生物技术是指旧有的制造酱、醋、酒、面包、奶酪、酸奶及其他食品的传统工艺 。 现代生物技术则是指70年代末80年代初发展起来的，以现代生物学研究成果为基础，以基因工程为核心的新兴学科。 当前所称的生物技术基本上都是指现代生物技术。 生物技术被世界各国视为项高新技术，它对于提高国力，迎接人类所面临

21、的食品短缺、健康问题、环境问题及经济问题的挑战是至关重要的，所以许多国家都将生物技术确定为增强国力和经济实力的关键性技术之。 问题4：生物技术为什么会引起世界各国普遍的关注和重视？ 首先，生物技术是解决全球性经济问题的关键技术。在迎接人口、资源、能源、食物和环境等五大危机的挑战中将大显身手。 其次，生物技术广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工、食品、化工和能源等领域，促进传统产业的技术改造和新兴产业的形成，对人类社会生活将产生深远的革命性的影响。 生物技术将是21世纪高技术革命的核心内容，生物技术产业将是21世纪的支柱产业。问题5：生物技术的主要内容有哪些？ 基因工程(gene engineer

22、ing) 细胞工程(cell engineering) 酶工程(enzyme engineering) 发酵工程(fermentation engineering) 蛋白质工程(protein engineering)基因工程 70年代以后兴起的一门新技术，其主要原理是应用人工方法把生物的遗传物质，通常是脱氧核糖核酸(DNA)分离出来，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组了的DNA导入某种宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传品性；有时还使新的遗传信息在新的宿主细胞或个体中大量表达，以获得基因产物(多肽或蛋白质)。这种创造新生物并给予新生物以特殊功能的过程就称为基因工程，也称DNA重组技术。 细

23、胞工程 细胞工程是指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖，或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种，加速繁育动、植物个体，或获得某种有用的物质的过程。所以细胞工程应包括动、植物细胞的体外培养技术、细胞融合技术(也称细胞杂交技术)、细胞器移植技术等。 酶工程 利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。它包括酶的固定化技术、细胞的固定化技术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等技术。 发酵工程 利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊等特点，在合适条件下，通过现代化

24、工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出入类所需的产品称为发酵工程，有时也称微生物工程。 蛋白质工程 在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等多学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造等手段，从而达到对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质。 基因工程、发酵工程、酶工程、蛋白质工程和细胞工程之间的关系问题6：生物技术的基本特征是什么？ 高效益，可带来高额利润 ； 高智力，具有创造性和突破性； 高投入，前期研究及开发需要大量的资金投入 ； 高竞争，时效性的竞争非常激烈； 高风险，由于竞争的激烈，必然带来高风险； 高势能，对国家的政治、经济、文化和社

25、会发展有很大的影响，具有很强的渗透性和扩散性，有着很高的态势和潜在的能量。 生物技术广阔的应用前景 医药：用于控制人类疾病的医药产品，包括抗生素、生物药品、基因治疗、临床检测与诊断等； 农业、林业、畜牧业：新的农作物或动物，肥料，杀虫剂、农牧业检测等； 食品： 扩大食品、饮料及营养素的来源、食品检测等 ； 化工：酶、DNARNA及特殊化学品等； 环境保护：废物处理、生物净化、环境检测等； 采矿冶金：微生物富矿等； 材料：人工器官等； 能源：生物化学能源等。生物技术对经济社会发展的影响 (1)改善农业生产、解决食品短缺 提高农作物产量及其品质 、培育抗逆的作物优良品系 、植物种苗的工厂化生产 、

26、提高粮食品质 、生物固氮，减少化肥使用量 发展畜牧业生产 、动物的大量快速无性繁殖 、培育动物的优良品系 (2)提高生命质量，延长人类寿命 开发制造奇特而又贵重的新型药品 疾病的预防和诊断 基因治疗 人类基因组计划(HGP) （3）解决能源危机、治理环境污染 解决能源危机 环境保护（4）制造工业原料、生产贵重金属 制造工业原料 生产贵重金属 问题7：生物化学在生物技术中所处的地位？ 以分子生物学、细胞生物学、微生物学、免疫生物学、人体生理学、动物生理学、植物生理学、微生物生理学、生物化学、生物物理学、遗传学等几乎所有生物科学的次级学科为支撑； 结合化学、化学工程学、数学、微电子技术、计算机科学

27、等生物学领域之外的尖端基础学科； 从而形成门多学科互相渗透的综合性学科； 其中又以生命科学领域的重大理论和技术的突破为基础。问题8：为什么生物化学是生物科学的基础？ 生物化学是一门研究生命现象化学本质的学科。 其目标是在分子水平上探讨构成生物体的基本物质(如糖、脂、蛋白质、核酸、酶、维生素和激素等)的结构、性质和功能，这些物质在生物体内的代谢规律及其与复杂的生命现象如生长、生殖、衰老、运动、免疫等之间的关系。 19世纪末和20世纪初，在有机化学和生理学研究的基础上，生物化学才逐渐发展成为一门独立的学科。虽然，生物化学与有机化学、生理学、物理化学、分析化学等有着密切的联系，但是作为一门独立的学科

28、，生物化学本身具有独特的研究对象和研究方法。 生物化学既是各门生物学科的基础，又是现代生物学中发展最快的一门前沿学科。细胞生物学、遗传学、微生物学、免疫学、病毒学、进化论甚至分类学的研究都离不开生物化学的理论和方法。生物化学又是临床医学、药学与制药工程、食品和营养等学科的基础。它与人类的健康，疾病的诊断与治疗，工农业生产及国防建设等密切相关。 1953年，Watson和Crick建立了DNA分子的双螺旋结构模型，从此生命科学揭开历史新的一页。DNA的复制与修复、RNA和蛋白质的生物合成、遗传密码的破译等知识极大地丰富了生物化学的理论和实践。同时，人们也不断依靠对生物大分子-蛋白质、核酸和酶的结

29、构与功能关系的新的认识来充实和促进生物化学的发展；而生物化学研究成果的不断积累，又为分子生物学的发展奠定了坚实的基础。一个最明显的例子是分子生物学的关键技术-重组DNA技术就是在两个关键的工具酶，DNA限制性内切酶和DNA连接酶的发现之后诞生的。由于DNA重组技术的出现，使生命科学出现了革命性变化，从此生命现象和生命过程的研究开始全面进入分子水平。 经典生物化学一般是从分离纯化一种生物物质开始，进而研究这种物质的结构和功能。它很难准确了解这些物质在整个机体中的作用。高级生物化学则借助分子生物学的理论和手段，从基因水平全面了解蛋白质的结构，确定它们在生物体的生长发育、生殖、衰老等过程中的作用。使

30、生物化学研究变得更加彻底、更加多元化、更加丰富多彩了。 由于人类基因组工程的接近完成，一批模型生物基因组DNA序列的完全了解，生命科学已进入后基因组时代，即功能基因组时代或蛋白质组(protemome)时代，一个生命过程的网络结构正逐渐清晰地呈现在人们面前。生物化学的发展将为21世纪生命科学及其相关学科的发展奠定坚实的基础理论和应用基础。 第一章 膜结构和被膜细胞器 细胞是生命的基本单位，需要膜(membrane)结构维持其存在。 如质膜确定细胞的边界，产生和维持胞内胞外截然不同的电化学环境。膜结构包裹着真核生物的某些细胞器或形成了某些胞内区室。 膜结构还是一个阻挡可溶性分子扩散的屏障。 作为膜组成成分的蛋白质还承担了一系列功能：跨膜的分子运输和信号传递，酶促加工脂类分子，组装糖蛋白和多糖，还为细胞质和细胞壁复合物之间提供联系。1.1 细胞膜的共性和遗传性1.1.1 细胞膜结构和功能上的共性所有的细胞膜都由脂双分子层以及与脂双分子层结合的蛋白质组成。在含水的环境中，双层脂分子的烃链尾部由于疏