第三章--生物学

第三章生物学生物化学经历了三个发展阶段（1）从19世纪中叶到1897年，E.布希纳（1860-1917）从活细胞中分离出酶以前，是生物化学发展的第一阶段。这一阶段的主要成就就是了解生命物质的组成成分和初步探讨了发酵等代谢作用。生物化学经历了三个发展阶段（2）20世纪上半叶是生物化学发展的第二阶段。由于生物催化剂酶从活细胞中分离提取成功，生物化学进入了以研究生物体内新陈代谢为中心内容的阶段。因为代谢反应的每一步骤几乎都需要专一性很强的酶的催化，同时伴随着吸收或释放能量的过程，因此在阐明代谢过程的同时，酶和生物能研究也得到发展。由于着方面的成就，有15位科学家获得了诺贝尔奖，其中以德国、英国、美国的科学家贡献最多。生物化学经历了三个发展阶段(3)50年代分子生物学兴起以来是生物化学发展的第三个阶段。这个时期的中心内容是研究生物大分子的结构及其与功能之间的关系，并与遗传学相结合以及遗传的分子基础，与细胞学结合研究膜、线粒体、染色体等的超微结构及其功能的关系。值得注意的是，这个时期由于物理学家的参加，带来了一些全新的概念和方法，有助于深入探讨生命的基本规律。40年来成果辉煌，特别是遗传奥妙的揭示，是整个生物科学的一个有划时代意义的突破。第一节生命物质组成成分的研究一、关于蛋白质的研究蛋白质这一名称是1836年瑞典化学家柏尔采留斯提出的。19世纪末20世纪初，对蛋白质化学作出杰出贡献的是德国的有机化学家费舍尔（1852-1919），他发现了3种氨基酸。他同另一位德国化学家霍迈斯特（1850-1922）差不多同时提出了蛋白质的肽键理论。H-CH-COOH（甘氨酸）CH3-CH-COOHllNH2NH2(丙氨酸)关于蛋白质的研究CH3|CH-CH2-CH-COOH（亮氨酸）||CH3NH2O||—C—N–（肽键）|H关于蛋白质的研究关于蛋白质大分子结构是许多科学家经历了约30年的奋斗，才得到阐明。1936年，美国化学家米尔斯基和鲍林等提出了，在蛋白质大分子的结构中，除了结合力较强的肽键外，还存在着一种较强的氢键，氢键能够维持缠绕着的长肽链的稳定构象，氢键的破坏会引起蛋白质的变性。1950年鲍林又提出由于氢键的作用，蛋白质大分子的总外貌呈α-螺旋状。二、关于核酸的研究核酸是另一种重要的生命物质，它的发现比蛋白质约晚30年。从19世纪末到20世纪初科赛尔（1853-1927）领导一个实验组证明了核酸普遍存在于细胞中，但不同种的细胞含量不同，还证明了核酸主要由四种不同的碱基以及磷酸和糖组成。碱基是含氮的杂环化合物嘌呤或嘧啶的衍生物，因呈碱性，故称碱基。1929年科赛尔的学生列文（1869-1940）等发现有的核酸分子中的核糖失去一个氧原子，这是首次发现脱氧核糖核酸，因此，核酸就有脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RAN）之分。关于核酸的研究核苷酸可分为：╭核糖核苷酸：是RNA的构件分子╰脱氧核糖核苷酸：是DNA构件分子。核苷酸由：╭核苷（nucleoside）╰磷酸核苷由：╭碱基（base）╰戊糖碱基（base）三、淀粉和纤维素等糖类的研究19世纪中叶发现不论是淀粉还是纤维水解后的产物都是葡萄糖。它们的化学成分都是由碳、氢、氧组成，其中氢氧之比同水分子一样，所以长期以来称这类化合物为碳水化合物。淀粉淀粉是一种多糖，分子式为(C6H10O5)n，是白色颗粒状的固体，其颗粒大小，形状及水溶性因其来源和结构不同而异。纤维素纤维素，分子式也表示为(C6H10O5)n不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。第二节生命起源的探索一、从无机物合成有机小分子美国著名化学家尤里(H．C，Urey)在20世纪50年代初首先提出了原始地球的大气主要由甲烷、氨气、氢气和水蒸气等成分构成的假说，根据这一假说进一步提出：在原始地球的原始大气条件下，碳氢化合物有可能通过化学途径合成。1、米勒的实验他在实验室安装了一个密闭的循环装置，其中充以甲烷、氨、氢气和水蒸气来模拟原始大气，在密闭系统的烧瓶中加上水来模拟原始海洋，然后给烧瓶加热使水变成水蒸气并使水蒸气在密闭系统中循环，同时在装置中通人电火花模拟闪电，使密闭系统中的气体发生反应。氨基酸生成的可能机理米勒在火花放电的头125小时内，不断打开“U”形管的活塞抽样，进行分析，发现首先合成了大量的氰化物和醛类；以后它们的合成速度逐渐下降，而在整个实验期间，均以近乎恒定的速度合成氨基酸，其反应过程大致如下：2、陨石中的发现1959年，坠落于澳大利亚的一颗陨石上被发现带有多种氨基酸和有机物，这些氨基酸的构成与目前地球上所存在的不同，而这些有机物却与米勒实验中得到的有机物在种类和数量上都有着惊人的相似。这一巧合给米勒等人的设想提供了有力的证据。陨石中的发现1969年9月28日，一颗碳质球粒陨石（carbonaceouschondrite）堕落在澳大利亚的麦启逊（Murchison）镇，经克文沃（K．A．Kvenvolden）等化验，发现含有18种氨基酸，其中有6种（甘、丙、缬、脯、谷、天冬）是生物所含有的，其种类与含量同米勒放电实验生成的颇为相似。二、生物大分子的合成在米勒实验之后，研究原始地球条件下有机小分子如何进化到生物大分子便成为生命起源研究中的新的实验课题。在这一研究过程中，相继形成生命的海相起源和陆相起源两个不同学派。海相起源派海相起源派学者如美国生化学家卡尔（M.Calvin）和卡恰尔斯基（A.Katchalsky）等认为在生物小分子在氰化氢等的作用之下可以在潮湿的环境中脱水而聚合生成生物大分子，并于1972年用脱水剂进行氨基酸聚合实验获得含有50个氨基酸的肽链，使海相起源论得到初步证实。有许多实验可以证明，在人工模拟原始地球的条件下，也可以制造出核酸和蛋白质。陆相起源派陆相起源派重要代表人物美国人福克斯(FFox)(1958)模拟原始地球的条件，将一些氨基酸溶液混合后倒人1600C一2000C的热沙或粘土中，使水分蒸发、氨基酸浓缩，经过0.5小时至3小时后就产生一种琥珀色的透明物质，它具有蛋白质的部分特性，因此被称为类蛋白质。三、多分子体系的原始生命的出现生物大分子还不是生命，它们只有形成了多分子体系，才能显示出某些生命现象。因此，多分子体系的出现就是原始生命的萌芽。1、奥巴林的团聚体假说奥巴林通过实验表明，将蛋白质、多肽、核酸和多糖等放在合适的溶液中，它们能自动地浓缩聚集为分散的球状小滴，这些小滴就是团聚体。这种多分子体系表现出一定的生命现象。团聚体团聚体具有类似于膜那样的边界，其内部的化学特征显著地区别于外部的溶液环境。团聚体能从外部溶液中吸入某些分子作为反应物，还能在酶的催化作用下发生特定的生化反应，反应的产物也能从团聚体中释放出去。2、福克斯的微球体学说福克斯提出以蛋白质为主体可以形成微球体，他将于燥的氨基酸粉末混合加热后在水中形成了类蛋白微球体。微球体的许多性质与前述团聚体相似。20世纪前叶生物化学的主要成就一、糖酵解的研究糖是供给生物能量的重要物质之一。糖在体内代谢途径的阐明，在整个新陈代谢问题的研究中占有极为重要的地位。葡萄糖变为乳酸或酒精和二氧化碳，是不需氧的过程，也称糖酵解。糖酵解后再进入三磷酸循环产生二氧化碳和水，是需氧氧换过程，在这个过程中放出大量供体内生理生化过程直接应用的能量。糖酵解途径糖酵解途径是指细胞在细胞质中分解葡萄糖生成丙酮酸的过程，此过程中伴有少量ATP的生成。这一过程是在细胞质中进行，不需要氧气，每一反应步骤基本都由特异的酶催化。在缺氧条件下丙酮酸被还原为乳酸，有氧条件下丙酮酸可进一步氧化分解生成乙酰CoA进入三羧酸循环，生成CO2和H2O。糖酵解总共包括10个连续步骤，均由对应的酶催化。总反应为：葡萄糖+2ATP+2ADP+2Pi+2NAD+——2丙酮酸+4ATP+2NADH+2H++2H2O二、糖原的生物合成20世纪40年代研究表明，糖原是由葡萄糖连接成高度支链的大分子，分子量在30万到80万之间。由于过去化学分析的结果都证明葡萄糖是糖原水解的产物，因此，不少人认为糖原肯定是由葡萄糖失水缩合而成的，随着代谢研究的深入，逐渐了解糖原的生物合成并非如此简单。美国化学家科里夫妇对此进行了研究。50年代以来，糖原的生物合成研究又有重要发展，磷酸化酶被确定为主要是糖原降解的生物催化剂，而糖原合成则是经过葡萄糖-1-磷酸同三磷酸尿苷的作用，产生尿苷二磷酸葡萄糖，再经糖原合成酶的作用，进行糖原的生物合成。三、脂肪和蛋白质的代谢脂肪代谢的研究主要阐明脂肪酸代谢的途径。19世纪中叶已经了解脂肪在体内经脂肪酶水解产生甘油和脂肪酸。甘油可以进入上述糖酵解的途径。脂肪酸的代谢是1904年德国化学家努普（1875-1946）阐明的。他概括出了脂肪酸的β氧化理论，即体内脂肪酸在离羧基端第二个碳原子位置上氧化，产生一个比原来脂肪酸少两个碳原子的新脂肪酸，再按此方法继续氧化下去，直至全部变为两个碳原子的化合物为止。脂肪和蛋白质的代谢关于蛋白质的代谢，19世纪已经明确，经各种蛋白酶的作用可以水解为各种氨基酸。一般说来，氨基酸同脂肪酸的区别主要在于氨基的存在。因此研究氨基在体内变化的途径就成为阐明蛋白质代谢的关键。1930年尼达姆提出了“转氨”的概念，即氨基不是直接变为氨，而是转移到另一个酮或醛的化合物上，不需要形成间体氨。四、三羧酸循环的阐明乙酰CoA进入由一连串反应构成的循环体系，被氧化生成H2O和CO2。由于这个循环反应开始于乙酰CoA（辅酶A）与草酰乙酸缩合生成的含有三个羧基的柠檬酸，因此称之为三羧酸循环或柠檬酸循环(citricacidcycle)。这一学说是由克雷布斯（Krebs）1937年正式提出，故又称为Krebs循环。第三节遗传的产生和发展一、现代遗传的产生现代遗传的创始人孟德尔是奥地利人，天主教布隆修道院的修士。在寂寞无闻的寺院里从1856年到1863年进行了8年的豌豆杂交实验。孟德尔豌豆实验孟德尔从多种豌豆品种中选出稳定保持本身性状的20个品种作为研究材料，通过反复杂交，并用数学统计方法处理实验资料，对其研究结果做出了以下解释和结论。孟德尔遗传学规律（1）每一性状都由一对因子所决定，其中一个来自父方，一个来自母放。这对因子可以是相同的，也可以是不相同的。它们在性细胞中单个出现，而在体细胞中成对出现。（2）当双亲都把自己的因子传给杂交第一代时，一个因子会压抑或遮盖另一因子的作用，使受压抑或被遮盖的因子表面上隐蔽起来，但并未消失。前着称为显性因子，后者称为隐性因子（3）杂交第二代发生性状分离，这时雌雄配偶子中所携带的单个因子随机结合，又相互分开，分配到不同的个体，但从表面看，显性和隐性个体的比例是3：1孟德尔遗传学规律（4）如果是两对性状杂交，即双亲各带有两对遗传因子时，在杂交第二代中不同因子独立分配，互不干扰，不但出现了双亲所具有的两种组合性状，而且还会出现亲本所没有的两种组合性状，其分离的比例是9∶3∶3∶1。即按比例来说，两对不同性状均呈显性者为9/16，两对中一对呈显性另一对呈隐性者分别为3/16，两对性状都呈隐性者只占1/16。孟德尔的上述结论20世纪初经过验证，研究者替他概括为三条定律，即显性定律（显性支配隐性），分离定律和独立分配定律。1、分离定律孟德尔假定，高茎豌豆的茎所以是高的，是因为受一种高茎的遗传因子（DD）来控制。同样，矮茎豌豆的矮茎受一种矮茎遗传因子(dd)来控制。杂交后，子1代的因子是Dd。因为D为显性因子，d为隐性因子，故子1代都表现为高茎。子1代自交后，雌雄配子的D，d是随机组合的，因此子1代在理论上应有大体相同数量的4种结合类型：DD，Dd，dD，dd。由于显性隐性关系，于是形成了高、矮3：1的比例。孟德尔根据这些事实得出结论：不同遗传因子虽然在细胞里是互相结合的，但并不互相掺混，是各自独立可以互相分离的。后人把这一发现，称为分离定律。2、自由组合定律对于具有两种相对性状的豌豆之间的杂交，也可以用上述原则来解释。如设黄圆种子的因子为YY和RR，绿皱种子的因子为yy和rr。两种配子杂交后，子1代为YyRr，因Y，R为显性，y，r为隐性，故子1