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1、生物化学,第一章 生命系统的特征,第一章 生命系统的特征,1.1 生命对化学元素的选择,1.2 生命系统的环境,1.3 生命系统的结构基础细胞,1.4 常见的生命科学研究系统,小结与思考题,1.1 生命对化学元素的选择,构成生物体的主要元素:C、H、O、N、P、S、Ca、K、Na、Mg和Cl。物体内的微量元素(是生物体中含量极低但为生命活动所必需的元素，是酶的激活剂或是酶的辅因子):Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Se、I、Cr、Si、V、F、B、Mo、Sn、Ni和Br。,元素的存在形式,一、元素存在于无机物：水和无机盐。二、元素存在于有机物：存在于糖类、脂质、蛋白质和核酸等生物分子中。,构成生
2、物体的元素具有下列特点:,(1)构成生物体的元素都是环境中存在的，且丰度较高。(2)绝大多数为轻元素。(3)生物体所必须的微量元素大多为过渡元素。(4)碳、氢、氧、氮具有易形成共价键的特点。(5)碳原子还可以和氧、氢、氮、磷和硫形成共价结合并把不同种类的功能基引入有机物分子结构中来。(6)碳、氢、氧等形成的许多有机化合物在生理温度(040)下具有流动性。,1.2 生命系统的环境,水是生命系统的环境基础生命系统是一个缓冲系统,(一)水在生物体的分布及存在形式,（二）水在生物体内的作用,返回,章首,水是生命系统的环境基础,自由水：以自由的形式存在，这部分水能自由流 动所以是较好的溶剂和运输工具。结
3、合水：与体内的蛋白质、粘多糖等物质相结 合，因而比较难流动。,水在生物体中的作用,一、水是一种良好的溶剂，生物体内许多物质都能溶于 水。二、水能直接参加水解、氧化还原反应。三、水能在体内起运输物质的作用。四、水对于维持机体温度的稳定起很大作用。五、水分还起润滑作用。六、对植物来说，水分能保持植物的固有姿态。,（二）生物化学中常用的缓冲溶液,（三）pH和生命,（一）缓冲溶液,生命系统是一个缓冲系统,（一）缓冲溶液,缓冲溶液是一种能在加入酸或碱时抵抗pH值改变的溶液。缓冲溶液用于许多需要准确控制pH值的生化实验中。缓冲溶液的pH值取决于溶液的pKa值及盐和酸的比例。缓冲溶液的缓冲范围在其pKa两侧
4、1个pH单位,（二）生物化学中常用的缓冲液,（三）pH与生命,生物体中主要的缓冲体系,蛋白质,碳酸氢盐,磷酸盐,一、生物分子与细胞,二、细胞的两大类,原核细胞,真核细胞,1.3生命系统的结构基础细胞,1.真核细胞的核,2.线粒体,3.内质网,4.高尔基体,5.溶酶体,6.叶绿体,7.微管和微丝,8.胞浆,9.细胞膜,它的外部是一层起保护作用的细胞壁(cell walls)在细胞壁内是一层细胞膜，也称为质膜。细胞膜内包裹着细胞质以及核也称为核质或拟核,原核细胞(prokaryotic cells)是最简单、最小的细胞，如细菌。,真核细胞(eukaryotic cells)真核细胞区别于原核细胞的
5、最主要特征是它们具有被双层膜所包裹的、有固定形状的、结构复杂的细胞核。它比原核细胞大得多，也复杂得多。它存在于所有植物、动物以及真菌之中。,动物、植物和真菌都是真核细胞构成的生物，简称真核生物。,植物细胞,动物细胞,真核细胞与原核细胞的另一区别是它们具有被内部膜所包裹的细胞器,动物细胞与植物细胞示意图,真核细胞的核中包含了几乎所有的细胞DNA,动物和植物细胞中，细胞核都被中间有一层狭窄空间的双层膜所包裹。两层膜上有许多核膜孔,通过这些小孔，各种物质可以在核与细胞质之间穿过,在核的内部是核仁(nucleoli),核的其他部分含有染色质(chromatin)核内进行DNA复制、DNA转录等生物化学
6、反应,细胞核,嵴(crista),核糖体（Ribosomes）,基质(matrix),线粒体是三羧酸循环、生物氧化、氧化磷酸化等生物化学反应的场所，,线粒体,粗糙内质网,滑面内质网,膜上散布着核蛋白体，蛋白质在结合内质网上的核蛋白体中合成之后，可通过膜进入液泡的空间，有些暂时贮存在细胞内，有些则最后输送到细胞外,在代谢和解毒上有重要作用,内质网,高尔基体的形态有所不同，不过它们大多数是一群由平滑的单层膜包裹的小泡,高尔基体具有聚集、浓缩和储存蛋白质的作用,高尔基体,是细胞中由膜包裹的球状小泡，它们大小不一，内含许多不同的酶，它们能水解消化细胞中不再需要的蛋白质、多糖和脂。由于这些酶对细胞的其他
7、部分有损害，所以它们被隔离在溶酶体中。蛋白质和其他物质能选择性地进入溶酶体，再水解为组成它们的氨基酸等小分子化合物，然后又重新释放回细胞质。,溶酶体(lysosome),存在于藻类和绿色植物的细胞中，是光合作用的场所。,叶绿体,微管是由微管蛋白构成的长纤维，它们的功能是起细胞的骨架作用，可维持细胞的形状。纤毛、鞭毛和纺锤体中均有微管存在，它们主要起到运动作用。微丝是细胞中细长的蛋白质纤维，其功能不仅由于收缩作用使细胞质组分有方向性的运动，还能与微管组成细胞骨架并与质膜内表面的蛋白质结合而影响质膜的流动,微管和微丝,是蛋白质、核酸、糖类及其它代谢物组成的胶体溶液。许多代谢反应如糖酵解、氨基酸活化
8、和脂肪酸合成在胞浆中进行。,胞浆(细胞质基质）,含大量脂类、蛋白质的双分子层结构使细胞成型，有通透、屏蔽等作用。,细胞膜,1.4常见的生命科学研究系统,一、病毒二、细菌三、酵母茵四、四膜虫五、线虫六、果蝇七、转基因动物,病毒可提供一个简便的研究真核基因组的结构与调控原理的模型。,对病毒基因结构和表达的研究阐明了真核基因表达调控的某些原理，如基因重叠、内含子的发现、转录后剪修、重复序列和增强子的存在等等，大大丰富了分子生物学的内容。,多种病毒载体的出现，也为研究真核细胞基因表达提供了一个重要手段。,病毒(virus),细菌是自由生活的单细胞生物，具有如下特点：,1.生长快，个体小。,2.易培养，
9、易操作。,3.代谢作用旺盛。,4.基因结构比较楚。,5.具有游离的质粒。,6.具有转座子。,7.能受噬菌体的袭。,细菌（bacteria）,酵母菌与细菌具有很多相似之处，如个体小，生长快，易培养，易操作，对人体没有毒害作用等特点；它的基因结构也研究得比较清楚，仅次于大肠杆菌，是继续深入工作有用的信息库。,酵母菌的基因缺陷型也很容易筛选，几乎是应有尽有。,另外酵母菌也有自身的转座子和游离的质粒，是基因工程的良好受体菌。,酵母菌作为一种低等真核生物，具有许多特殊的性质，使之具有理论研究和实际应用的广泛前景。,酵母（Yeast）,1.四膜虫、果蝇等染色体的端粒结构可以在酵母中发挥功能。,2.染色体着
10、丝粒基因结构的研究已在酵母中取得了很大的进展，这为研究高等生物的染色体结构打下了基础，也大大加快了人类基因组计划的研究速度。,3.酵母中有几个分泌系统，其基因在改造后接上外源片段就可使产物分泌到细胞外。这在生物工程中有很大的应用价值。此外，许多高等动植物的分泌信号也能在酵母中发挥作用。4.酵母具有糖基化酶系统，具有翻译后加工系统。,5.酵母中某些基因含有内含子，因而具有真核生物特有的转录后加工系统。,6.酵母中含有类似于致癌基因的结构 这是最近发现与高等生物非常类似的地方，故酵母菌将是研究癌基因的简单模型,四膜虫（tetrahymena）,人们利用四膜虫的优越条件获得了分子生物学的几项重大发现
11、：,l.RNA催化功能的发现 1981年，Cech等发现，四膜虫rRNA可以精确地将一段内含子切除，并将两侧RNA拼结起来。这段内含子具有催化加工特定序列的功能，被称为核糖核酸酶RNA（Ribozyme）。这是对生物酶认识的一次重大突破。,2染色体端粒结构及其复制机制的阐明：研究端粒的结构和功能对于解释真核生物线性DNA的完整复制有重要意义。1978年Blackburn发现四膜虫rDNA的末端为(C4A2)n，后来又发现一种具有端粒特异性的端粒酶(telemerase)，含有反转录酶和一段RNA序列，其中包含CAACCCCAA序列。端粒延伸反应很可能是以RNA为模板合成DNA的一种反转录反应。
12、,四膜虫是单细胞的原生动物。,线虫(nemathelminth)常用的线虫是秀丽隐杆线虫(Caenrhabditis elegans)，这 是一种以细菌为食的自由生活的小线虫，它具有如下特点：,1.容易培养和保存。,2.生活周期短，做一次杂交仅需3天时间。,3.实验操作简单，结果稳定，受环境因素的影响小。,4.突变体性状特征明显，其变异一般可在显微镜下从形态上加以判断。,5.有性别的分化:雌体和雌雄两性体，二者从形态上可以区别。这给遗传分析带来极大的方便。,6.成虫个体的细胞数量严格一定（雄虫有1031个细胞，两性虫有959个细胞）。,果蝇对生命科学的发展起了不可估量的作用，这是因为它具有许多
13、优点：,1世代周期短，一般在25,1012天。,2体小容易饲养，培养费用低廉。,3繁殖力强，有大量的后代可供考察和统计。,4分布广泛，许多种类都是世界性的。,5染色体数目少，特别便于研究染色体结构细节。,6易于获得突变型，这一优点是其它动物所没有的,7果蝇也有复杂的神经中枢，但解析起来较容易，故低级的果蝇是比人类本身更好的遗传模型。,果蝇（Drosophila）,转基因动物是指那些在其基因组内稳定地整合，以实验方法导入的外源基因，并能遗传给后代的一类动物，主要应用于下列研究：,1基因表达与调控研究,2肿瘤研究,3免疫学研究,4在某些动植物遗传育种及某些重要蛋白质获得上的应用,5研究人类疾病的基
14、因治疗,转基因动物(transgenic animals),生命的特征小结,以细胞为基本结构单位：除病毒等少数种类以外，生物体都是由细胞构成的。相同的化学成分：所有细胞的主要成分都是水，并都含有四类有机大分子，即糖类、脂类、蛋白质和核酸新陈代谢：物质代谢与能量代谢。生殖与遗传：在生殖过程中生物体将自身的性状传给后代，产生与亲代相似的子代。进化：生物体通过遗传、变异和自然选择逐渐由简单到复杂，由低级到高级。,1.生物体中的必需元素有那些?哪些是结构元素?哪些是微量元素?为什么说生物体中存在大量无机元素是必然的?,2.水在生物体中的形式及作用是什么？,3.简述原核细胞和真核细胞在结构上的异同？,4.简述生命科学的研究系统？,
