《材料化学》第4讲 生命化学

第4讲生命化学 生命化学( Life Chemistry)是运用化学原理和方法研究生命现象,阐明 生命现象的化学本质,探讨其发生和发展规律的学科。 美国医学家, Nobel奖得主科恩伯格提出“把生命理解为化学”,这一著 名的论断向人们昭示揭开生命过程的奥秘有赖于医学与化学在高层次的整 合。利用化学的原理和方法研究基体各组织、亚细胞的结构和功能、物质代 谢和能量变化等基本生命过程,有助于人们深入了解人体正常的生理变化和 异常的病理现象,寻求与疾病作斗争的有效手段,实现医学保障人类健康的 目的 本讲将简单介绍生命化学的基础知识,部分现代生命化学的研究成果。 生◆化学基础 早在19世纪初,科学家们已经认识到,虽然生物有机体种类繁多,形态 各异,但其组成的基本单位都是细胞。而构成细胞的,则是由化学元素组成 的若干种生物大分子,如:蛋白质、碳水化合物、类脂体、核酸等。了解 掌握这些生物大分子的性质对认识、保护和改善人类自身的生活,改良、创 造新生物品种有着极其重要的意义。 由于蛋白质和核酸是生命的最基本物质,因此下面简要介绍蛋白质、核 酸的基本性质。 1蛋白质( Protein) 蛋白质是氨基酸( amino acid构成的聚合物 具有生物活性的蛋白质是含碳、氢、氧、氮和硫的化合物。在生物体内 蛋白质约占细胞干物质的50%。据估计在人体中蛋白质的种类高达30万种 而整个生物界约有100~102种蛋白质 构成蛋白质的氨基酸共有20种(见表1)。虽然氨基酸的种类有限,但是

第 4 讲 生命化学 生命化学（Life Chemistry ）是运用化学原理和方法研究生命现象，阐明 生命现象的化学本质，探讨其发生和发展规律的学科。 美国医学家，Nobel 奖得主科恩伯格提出“把生命理解为化学”，这一著 名的论断向人们昭示揭开生命过程的奥秘有赖于医学与化学在高层次的整 合。利用化学的原理和方法研究基体各组织、亚细胞的结构和功能、物质代 谢和能量变化等基本生命过程，有助于人们深入了解人体正常的生理变化和 异常的病理现象，寻求与疾病作斗争的有效手段，实现医学保障人类健康的 目的 本讲将简单介绍生命化学的基础知识，部分现代生命化学的研究成果。 1．生命化学基础 早在 19 世纪初，科学家们已经认识到，虽然生物有机体种类繁多，形态 各异，但其组成的基本单位都是细胞。而构成细胞的，则是由化学元素组成 的若干种生物大分子，如：蛋白质、碳水化合物、类脂体、核酸等。了解、 掌握这些生物大分子的性质对认识、保护和改善人类自身的生活，改良、创 造新生物品种有着极其重要的意义。 由于蛋白质和核酸是生命的最基本物质，因此下面简要介绍蛋白质、核 酸的基本性质。 1．1 蛋白质(Protein) 蛋白质是氨基酸(amino acid)构成的聚合物。 具有生物活性的蛋白质是含碳、氢、氧、氮和硫的化合物。在生物体内 蛋白质约占细胞干物质的 50%。据估计在人体中蛋白质的种类高达 30 万种， 而整个生物界约有 1010 ~ 1012 种蛋白质。 构成蛋白质的氨基酸共有 20 种（见表 1）。虽然氨基酸的种类有限，但是

328· 第8章现代化学的研究进展 由于氨基酸在蛋白质中的连接顺序及数目、种类的不同,可以构成远远大于 102种的蛋白质。蛋白质的性质与功能则由其所含氨基酸的组成、排列顺序、 结构决定。 蛋白质依其在生物体内所起的作用可分为5大类 1酶蛋白 能对生物体内的化学反应起催化作用的蛋白质生物催化剂称为酶蛋白。 在酶蛋白的作用下,生物体内的化学反应速度很快,往往是体外速度的 几百倍甚至上千倍。 2运载蛋白 运载蛋白是能携带小分子从一处到另一处的一类特异蛋白质。 运载蛋白通过细胞膜在血液中循环,在不同组织间载运代谢物。运载蛋 白在生物的物质代谢中起着重要的作用 表120种氨基酸的中文名称及简写符号 中文名称 英文名称 字母缩写 单字母缩写 甘氨酸 丙氨酸 颉氨酸 GAv 亮氨酸 异亮氨酸 脯氨酸 苯丙氨酸 酪氨酸 Tyrosine 色氨酸 Tryptophan 丝氨酸 苏氨酸 Thr 半胱氨酸 Cystine 蛋氨酸 Methionine 天冬酰胺 Asparagine 谷氨酰胺 Glutamine 天冬氨酸 谷氨酸 Glutamic acid sTcMNQDEKR 赖氨酸 Lysine 精氨酸 组氨酸 His

·328· 第 8 章 现代化学的研究进展 由于氨基酸在蛋白质中的连接顺序及数目、种类的不同，可以构成远远大于 1012 种的蛋白质。蛋白质的性质与功能则由其所含氨基酸的组成、排列顺序、 结构决定。 蛋白质依其在生物体内所起的作用可分为 5 大类： 1 酶蛋白 能对生物体内的化学反应起催化作用的蛋白质生物催化剂称为酶蛋白。 在酶蛋白的作用下，生物体内的化学反应速度很快，往往是体外速度的 几百倍甚至上千倍。 2 运载蛋白 运载蛋白是能携带小分子从一处到另一处的一类特异蛋白质。 运载蛋白通过细胞膜在血液中循环，在不同组织间载运代谢物。运载蛋 白在生物的物质代谢中起着重要的作用。 表 1 20 种氨基酸的中文名称及简写符号 中文名称 英文名称 三字母缩写 单字母缩写 甘氨酸 Glycine Gly G 丙氨酸 Alanine Ala A 颉氨酸 Valine Val V 亮氨酸 Leucine Leu L 异亮氨酸 Isoleucine Ile I 脯氨酸 Proline Pro P 苯丙氨酸 Phenylalanine Phe F 酪氨酸 Tyrosine Tyr Y 色氨酸 Tryptophan Trp W 丝氨酸 Serine Ser S 苏氨酸 Threonine Thr T 半胱氨酸 Cystine Cys C 蛋氨酸 Methionine Met M 天冬酰胺 Asparagine Asn N 谷氨酰胺 Glutamine Gln Q 天冬氨酸 Aspartic acid Asp D 谷氨酸 Glutamic acid Glu E 赖氨酸 Lysine Lys K 精氨酸 Arginine Arg R 组氨酸 Histidine His H

第4讲生命化学 329 3结构蛋白 结构蛋白是参与细胞结构建成的一类蛋白质。 生物体的细胞结构上含有大量由结构蛋白组成的亚基,形成了细胞的框 架结构。 4抗体 具有免疫、防御功能的特异蛋白质被称为抗体。 当外界的病原体入侵生物体时,生物体便产生一种特异蛋白质一抗体。 抗体能与病原体对抗,使其解体。抗体在高等动物机体免疫机制中起着重要 5激素 激素是一种具有调节功能的特异蛋白质。它是由生物体内某部分产生的 通过循环能调节生物体内其他部分的生命活动。 蛋白质还可依其分子形状或分子组成的简单、复杂程度分类 从蛋白质在生物体内所起的作用可知,蛋白质是一切生命活动调节控制 的主要承担者。蛋白质的人工合成成功,为研究生命现象的本质和活动规律 奠定了理论基础,使人们认清了生命现象并不神秘。 2核酸( Nucleic acid 核酸是由核苷酸( Nucleotide构成的酸性聚合物。 1869年,瑞士科学家米歇尔(F. Miesher,1844-1895)在研究细胞核 的化学成分时发现细胞核主要由含磷物质构成。19世纪末,科学家们发现构 成细胞核的含磷物质具有强酸性,他们将其命名为核酸。其后德国科学家柯 塞尔将核酸水解,又发现核酸中含有三种物质:核糖、有机碱基和磷酸。其 中核糖和有机碱基组成核苷,而核苷和磷酸组成核苷酸,若干个核苷酸聚合 即为核酸。有机碱基是含氮的杂环化合物,因呈碱性故称为碱基。组成核苷 的碱基共有5种:腺嘌呤(用字母A表示)、鸟嘌呤(用字母G表示)、胞嘧 啶(用字母C表示)、尿嘧啶(用字母U表示)、胸腺嘧啶(用字母T表示)。 其后,柯塞尔的学生,美国化学家莱文(P.A. Levene,1869-1940)发现

第 4 讲 生命化学 ·329· 3 结构蛋白 结构蛋白是参与细胞结构建成的一类蛋白质。 生物体的细胞结构上含有大量由结构蛋白组成的亚基，形成了细胞的框 架结构。 4 抗体 具有免疫、防御功能的特异蛋白质被称为抗体。 当外界的病原体入侵生物体时，生物体便产生一种特异蛋白质—抗体。 抗体能与病原体对抗，使其解体。抗体在高等动物机体免疫机制中起着重要 的作用。 5 激素 激素是一种具有调节功能的特异蛋白质。它是由生物体内某部分产生的。 通过循环能调节生物体内其他部分的生命活动。 蛋白质还可依其分子形状或分子组成的简单、复杂程度分类。 从蛋白质在生物体内所起的作用可知，蛋白质是一切生命活动调节控制 的主要承担者。蛋白质的人工合成成功，为研究生命现象的本质和活动规律 奠定了理论基础，使人们认清了生命现象并不神秘。 1．2 核酸(Nucleic acid) 核酸是由核苷酸(Nucleotide)构成的酸性聚合物。 1869 年，瑞士科学家米歇尔（F．Miesher，1844－1895）在研究细胞核 的化学成分时发现细胞核主要由含磷物质构成。19 世纪末，科学家们发现构 成细胞核的含磷物质具有强酸性，他们将其命名为核酸。其后德国科学家柯 塞尔将核酸水解，又发现核酸中含有三种物质：核糖、有机碱基和磷酸。其 中核糖和有机碱基组成核苷，而核苷和磷酸组成核苷酸，若干个核苷酸聚合 即为核酸。有机碱基是含氮的杂环化合物，因呈碱性故称为碱基。组成核苷 的碱基共有 5 种：腺嘌呤（用字母 A 表示）、鸟嘌呤（用字母 G 表示）、胞嘧 啶（用字母 C 表示）、尿嘧啶（用字母 U 表示）、胸腺嘧啶（用字母 T 表示）。 其后，柯塞尔的学生，美国化学家莱文（P.A.Levene,1869-1940）发现

330· 第8章现代化学的研究进展 核糖分子比普通糖少一个碳原子,为戊糖。有些核糖分子中少一个氧原子, 则将其命名为脱氧核糖。因此核糖有两种类型:核糖与脱氧核糖。核酸可依 含有核糖的类型不同分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类。 二者的组成、结构见表2。 核酸的生物功能是多方面的。DNA是遗传的物质基础,负责遗传信息的 贮存、发布。遗传基因就是DNA链上的若干核苷酸所组成的片段。决定人类 生命的因素只有2种,一是DNA的遗传结果,二是环境因素使DNA发生的 演变或异变。RNA负责遗传信息的表达,它转录DNA所发布的遗传信息, 并将之翻译给蛋白质,使生命机体的生长、繁殖、遗传能继续进行。 表2核糖核酸、脱氧核糖核酸的组成、结构 核糖核酸RNA 脱氧核糖核酸DNA 戊糖 核糖 脱氧核糖 腺嘌呤A鸟嘌呤G 腺嘌呤A鸟嘌呤G 胞嘧啶C尿嘧啶U 胞嘧啶C胸腺嘧啶T 磷 Pi(磷酸二脂键) 单链、部分碱基互补、三叶草形双链、碱基互补、双螺旋 生物功 遗传信息表达 遗传信息贮存、发布 944年,艾弗里(O.T. Avery,1877~1955)等的重要发现,首次严 密地证实了DNA就是遗传物质的事实。随后,一些研究逐步肯定了核酸作 为遗传物质在生物界的普遍意义。20世纪50年代初,已经对DNA和RNA 中的化学成分,碱基的比例关系及核苷酸之间的连接键等重要问题有了明确 的认识。在此背景下,研究者们面临着一个揭示生 命奥秘的十分关键且诱人的命题:作为遗传载体的 DNA分子,应该具有怎样的结构?1953年,沃森和 克里克以非凡的洞察力,得出了正确的答案。他们 以立体化学上的最适构型建立了一个与DNA的X 射线衍射资料相符的分子模型一DNA双螺旋结构 模型(如图)。这是一个能够在分子水平上阐述遗 传(基因复制)的基本特征的DNA二级结构。它 使长期以来神秘的基因成为了真实的分子实体,是 DNA双螺旋结构

·330· 第 8 章 现代化学的研究进展 核糖分子比普通糖少一个碳原子，为戊糖。有些核糖分子中少一个氧原子， 则将其命名为脱氧核糖。因此核糖有两种类型：核糖与脱氧核糖。核酸可依 含有核糖的类型不同分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）两大类。 二者的组成、结构见表 2。 核酸的生物功能是多方面的。DNA 是遗传的物质基础，负责遗传信息的 贮存、发布。遗传基因就是 DNA 链上的若干核苷酸所组成的片段。决定人类 生命的因素只有 2 种，一是 DNA 的遗传结果，二是环境因素使 DNA 发生的 演变或异变。RNA 负责遗传信息的表达，它转录 DNA 所发布的遗传信息， 并将之翻译给蛋白质，使生命机体的生长、繁殖、遗传能继续进行。 表 2 核糖核酸、脱氧核糖核酸的组成、结构 核糖核酸 RNA 脱氧核糖核酸 DNA 戊 糖 核 糖 脱 氧 核 糖 碱 基 腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G 胞嘧啶 C 尿嘧啶 U 腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G 胞嘧啶 C 胸腺嘧啶 T 组 成 磷 酸 Pi （磷酸二脂键） 结 构 单链、部分碱基互补、三叶草形 双链、碱基互补、双螺旋形 生物功能 遗传信息表达 遗传信息贮存、发布 1944 年，艾弗里（O．T．Avery，1877～1955）等的重要发现，首次严 密地证实了 DNA 就是遗传物质的事实。 随后，一些研究逐步肯定了核酸作 为遗传物质在生物界的普遍意义。20 世纪 50 年代初，已经对 DNA 和 RNA 中的化学成分， 碱基的比例关系及核苷酸之间的连接键等重要问题有了明确 的认识。在此背景下，研究者们面临着一个揭示生 命奥秘的十分关键且诱人的命题：作为遗传载体的 DNA 分子，应该具有怎样的结构？1953 年，沃森和 克里克以非凡的洞察力，得出了正确的答案。 他们 以立体化学上的最适构型建立了一个与 DNA 的 X 射线衍射资料相符的分子模型—DNA 双螺旋结构 模型（如图）。 这是一个能够在分子水平上阐述遗 传（基因复制）的基本特征的 DNA 二级结构。 它 使长期以来神秘的基因成为了真实的分子实体，是 DNA 双螺旋结构

第4讲生命化学 331· 分子遗传学诞生的标志,并且开拓了分子生物学发展的未来。 双螺旋结构模型的成功之处除与ⅹ射线衍射图谱及核酸化学的硏究资料 相符外,另一个重要方面是它能够圆满地解释作为遗传功能分子的DNA是如 何进行复制的。沃森和克里克这样设想DNA结构中的2条链看成是1对互补 的模板(亲本),复制时碱基对间的氢键断开,2条链分开,每条链都作为模板 指导合成与自身互补的新链(复本),最后从原有的两条链得到两对链而完成 复制。在严格碱基配对基础上的互补合成保证了复制的高度保真性,也就是 将亲链的碱基序列复制给了子链。因为复制得到的每对链中只有一条链是亲 链,即保留了一半亲链,故这种复制方式又称为半保留复制( semI-conservative replication)。双螺旋结构建立时,复制原理只是设想,不久这一设想被实验证 实是正确的。现已明确:半保留复制是生物体遗传信息传递的最基本方式。 50年来,核酸研究的进展日新月异,所积累的知识几年就要更新。其影 响面之大,几乎涉及生命科学的各个领域,现代分子生物学的发展使人类对 生命本质的认识进入了一个崭新的天地。双螺旋结构创始人之一的克里克于 1958年提出的分子遗传中心法则 centraldogma揭示了核酸与蛋白质间的内在 关系,以及RNA作为遗传信息传递者的生物学功能。并指出了信息在复制、 传递及表达过程中的一般规律,即DNA→RNA→蛋白质。遗传信息以核苷酸 顺序的形式贮存在DNA分子中,它们以功能单位在染色体上占据一定的位置 构成基因。因此,搞清DNA顺序无疑是非常重要的。 2.生◆化学进長 2.1基因(Gene)工程 基因是染色体上DNA双螺旋链的具有遗传效应的特定核苷酸序列的总 称,是生物性状遗传的基本功能单位 基因一词是1909年丹麦生物学家约翰逊(W. Johannsen,1857~1927) 根据希腊文“给予生命”之意创造的。生物体的一切生命活动,从出生、成 长、到出现疾病、衰老直至死亡都与基因有关。基因调控着细胞的各种功能:

第 4 讲 生命化学 ·331· 分子遗传学诞生的标志，并且开拓了分子生物学发展的未来。 双螺旋结构模型的成功之处除与 X 射线衍射图谱及核酸化学的研究资料 相符外，另一个重要方面是它能够圆满地解释作为遗传功能分子的 DNA 是如 何进行复制的。沃森和克里克这样设想 DNA 结构中的 2 条链看成是 1 对互补 的模板(亲本)，复制时碱基对间的氢键断开，2 条链分开，每条链都作为模板 指导合成与自身互补的新链（复本），最后从原有的两条链得到两对链而完成 复制。在严格碱基配对基础上的互补合成保证了复制的高度保真性，也就是 将亲链的碱基序列复制给了子链。因为复制得到的每对链中只有一条链是亲 链，即保留了一半亲链，故这种复制方式又称为半保留复制(semi-conservative replication)。双螺旋结构建立时，复制原理只是设想，不久这一设想被实验证 实是正确的。现已明确：半保留复制是生物体遗传信息传递的最基本方式。 50 年来，核酸研究的进展日新月异，所积累的知识几年就要更新。其影 响面之大，几乎涉及生命科学的各个领域，现代分子生物学的发展使人类对 生命本质的认识进入了一个崭新的天地。双螺旋结构创始人之一的克里克于 1958 年提出的分子遗传中心法则(centraldogma)揭示了核酸与蛋白质间的内在 关系，以及 RNA 作为遗传信息传递者的生物学功能。并指出了信息在复制、 传递及表达过程中的一般规律，即 DNA→RNA→蛋白质。遗传信息以核苷酸 顺序的形式贮存在 DNA 分子中，它们以功能单位在染色体上占据一定的位置 构成基因。因此，搞清 DNA 顺序无疑是非常重要的。 2．生命化学进展 2．1 基因（Gene）工程 基因是染色体上 DNA 双螺旋链的具有遗传效应的特定核苷酸序列的总 称，是生物性状遗传的基本功能单位。 基因一词是 1909 年丹麦生物学家约翰逊（W．Johannsen，1857~1927） 根据希腊文“给予生命”之意创造的。生物体的一切生命活动，从出生、成 长、到出现疾病、衰老直至死亡都与基因有关。基因调控着细胞的各种功能：