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生命的化学
生命是一种神秘的现象，它是一种复杂的过程，其中包括许多不同种类的化学反应。
从每个生物个体到每个生命系统，每一种生命都是由一系列复杂的化学反应所组成的，这些反应实际上构成了生命的基础。
从最基本的原子分子开始，生命的化学过程包括氧化还原反应，以及将这些分子组合成更复杂的分子，如蛋白质，脂肪，糖类等。
同时，还有一系列复杂的化学反应，例如糖类代谢，细胞分裂，蛋白质合成等，它们在细胞内进行，用于维持生物体的正常功能。
另一方面，生命的化学过程不仅仅发生在单个细胞内，它还发生在更大的生命系统中，比如环境，生物群落，生物圈等，这些都是由一系列复杂的化学反应所组成的，不仅仅涉及到某个具体的生物个体，而是涉及到整个生命系统的稳定性。
在环境中，每一种生命形式都是由一系列复杂的化学反应所组成的。
比如水，它是由水分子（H2O）组成的，其中氢原子与氧原子之间的化学键构成了水分子的形状。
此外，水是一种稳定的化学物质，它不仅仅与植物的生长有关，而且还与动物的生存相关。
另一方面，大气中的氧气也是由一系列复杂的化学反应形成的。
这一过程涉及到空气中的氧气分子（O2），以及地球上的植物和微生物。
植物和微生物吸收空气中的氧气，然后进行光合作用，将氧气分解成水和二氧化碳，而二氧化碳则被植物和动物所吸收。
总而言之，生命的化学反应不仅仅发生在单个细胞内，它还发生在更大的生命系统中，而这些反应实际上构成了生命的基础。
从原子分子到生物的社会结构，每一种生命都是由一系列复杂的化学反应所组成的，这些反应在每个生物个体和整个生命系统中起着重要的作用，确保生物的正常生长和发育。
生命的化学基础复习笔记一、原子和分子1．生命需要多种元素（1）概念①元素元素是具有相同核电荷数的一类原子的总称。
②原子原子是化学变化中的最小粒子，半径约为（2～3）×10-8cm，由质子、电子和中子组成。
质子带正电荷，电子带负电荷，质子与电子的电荷大小相等，符号相反；中子则不带电荷，中子的质量与质子的相等。
③同位素同位素是指质子数和电子数都相同，但中子数不同的原子，它们在周期表中的位置相同。
利用放射性同位素显示某种原子在生物体内的来踪去迹的技术称为同位素示踪。
（2）人体必需的25种元素①主要元素（大量元素）C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg，共占99.35%，其中C、H、O、N占96.3%.②微量元素含量少于0.01%，见表2-1。
并非所有生物所需要的元素都是相同的，植物所需要的元素只有17种。
表2-1人体必需的元素2．化合物由元素组成（1）化学键原子之间发生反应形成化合物的关键在于电子的共用或得失，即化学键的形成。
化学键基本上有两类：离子键和共价键。
（2）离子键离子键是两个电荷符号相反的离子彼此吸引形成的，所形成的化合物是电中性的。
盐都是由离子键形成的化合物，在自然界中通常以晶体的形式存在。
（2）共价键共价键是由两个原子间共用一对或多对电子而形成的。
这种由共价键连接起来的两个或多个原子是分子，如H2，共价键包括单键、双键等。
3．水是细胞中不可缺少的物质水有许多特性：（1）水是极性分子；（2）水分子之间会形成氢键；（3）液态水中的水分子具有内聚力；（4）水分子之间的氢键使水能缓和温度的变化；（5）冰比水轻；（6）水是极好的溶剂；（7）水能够电离。
4．化学反应使原子重组化学反应并不能创造或破坏原子，它只能将原子重新组合，所以化学反应是破坏已有的化学键，形成新的化学键。
二、组成细胞的生物大分子1．碳是组成细胞中各种大分子的基础（1）碳的重要性①细胞所合成的几乎所有分子都含有碳，活的生物体内含碳化合物的量仅次于水；②除一氧化碳、二氧化碳和碳酸盐等少数简单化合物外，含碳化合物统称为有机化合物。
生命化学的基本原理和现实应用生命化学，作为生命科学的一个重要分支，研究生命体内各种元素、化合物的结构、功能和相互作用，解析生命现象和机理，为人类提供新药物、新材料和生物工程等重要技术支持。
本文将从基本的生命化学原理入手，介绍其在现实应用中的广泛应用。
1. 生命化学的基本原理生命化学的研究内容主要包括生命体内大分子的结构、代谢和功能，以及各种小分子化合物的相互作用，其基本原理如下：1.1 大分子的结构和功能生命体内最常见的大分子是蛋白质、核酸、多糖和脂质，它们在细胞内发挥着重要的功能，如催化化学反应、传递遗传信息、维护细胞结构和生物膜的稳定性等。
这些大分子具有复杂的三维结构，一般由若干个简单的单体构成，通过各种化学键相互连接而成。
这些结构不仅决定了大分子的功能，还能影响配体的结合方式和亲和性等。
例如，蛋白质的结构主要由肽链组成，通过多种化学键如氢键、离子键、范德华力等相互作用形成复杂的三维结构。
该结构中的各个氨基酸残基位置和性质的变化，会导致蛋白质的结构和功能发生改变，如蛋白质变性、解离、失活等。
因此，生命化学家通过研究蛋白质的结构和功能关系，探索制备可控的同源或异源蛋白，寻找新型药物和材料等。
1.2 小分子的代谢和相互作用小分子化合物指的是体积较小的化合物，如氨基酸、核苷酸、糖类、酯等，它们是生命体的基本组成成分和能量来源。
这些小分子之间也存在着复杂的代谢途径和相互作用，这些反应是维持人体正常代谢所必需的。
如氨基酸通过肝脏合成凝血因子、免疫球蛋白等，也可以被转化为葡萄糖、脂肪酸等。
这些代谢产物能够延长能量供应，维持人体正常代谢。
而小分子之间的相互作用主要是指生物分子之间的互相识别，进而形成特定的生物大分子和信号传递等。
例如核苷酸通过互补配对可以形成DNA，RNA，进而完成基因转录和翻译等功能。
2. 生命化学的现实应用生命化学在医学、食品、农业和能源等领域具有广泛的应用价值，为我们的生活和经济发展带来了不可忽略的作用。
镉与高血压高血压是美国和其他一些国家最常见的慢性病之一。
他在体内能够引起三种病变：心脏扩大，肾动脉发生病变及动脉硬化发展加快。
患有肾病的人常常会得高血压症。
人们从下列实验发现：镉与高血压发病有关。
给100个大鼠喂以下的金属化合物：钒、铬、镍、锗、砷、硒、锆、铌、钼、镉、锡、碲、锑和铅。
只有给镉的那些动物出现了与人类高血压完全一样的症状，如心脏扩大、血压升高等。
镉积聚在人和鼠的肾脏、动脉和肝脏内，在这些组织中镉干扰着某些需要吸收锌的酶系统、镉对肾组织比锌有更大的亲和力/因而能置换锌，这样就改变了依靠锌的那些反应。
经过大量研究。
得出了以下的结论，肾脏内镉含量对锌含量的对比关系的变化是引起高血压的一个原因，在锌镉比低的地区里，高血压的发病率就高，反之依然。
人体镉天然来源是食物，水和空气。
由于现代工业生产活动，工业烟尘。
煤和石油产品的燃烧。
空气是人体一个重要镉源，同时食物在加工，贮藏等过程中可能被镉污染，这样人体内肾脏中累积镉随年龄增长就越来越多从而也是随着年龄增大，患高血压病的人数也越来越多的原因。
生命需要他——磷对于生命来说，缺磷是不可想象的。
人的大脑里含有磷脂。
磷，因此被称为“生活和思维的元素”。
支撑人体的骨骼，化学成分便是磷酸盐。
人和动物非常需要磷，植物也非常需要磷。
磷肥能够帮助庄稼的幼芽与幼根的生长，促进幼苗的发育，促进开花结实，使庄稼早成熟，籽粒饱满，结的果实又大又甜。
人体内的磷参与许多重要生理功能，如糖和脂肪的吸收以及代谢都需要磷。
另外，对能量的转移和酸碱平衡的维持有重要作用。
磷的名字却有一段有趣的来历。
金星比我们的地球更靠近太阳。
当金星在太阳以西时，早晨金星比太阳早到达东方的地平线。
当太阳出山时，他已闪耀在东方的上空。
那时他就是“晨星”，在希腊语中为Phosphoros。
意为“光亮”。
当炼金术士从尿中分离能在暗处发光的物质时，称该物质为phophorus,他一度曾是那棵晨星的名字现在却成了磷这种元素的名字。
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 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 中文名称 甘氨酸 丙氨酸 颉氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 脯氨酸 苯丙氨酸 酪氨酸 色氨酸 丝氨酸 苏氨酸 半胱氨酸 蛋氨酸 天冬酰胺 谷氨酰胺 天冬氨酸 谷氨酸 赖氨酸 精氨酸 组氨酸 20 种氨基酸的中文名称及简写符号 英文名称 Glycine Alanine Valine Leucine Isoleucine Proline Phenylalanine Tyrosine Tryptophan Serine Threonine Cystine Methionine Asparagine Glutamine Aspartic acid Glutamic acid Lysine Arginine Histidine 三字母缩写 Gly Ala Val Leu Ile Pro Phe Tyr Trp Ser Thr Cys Met Asn Gln Asp Glu Lys Arg His 单字母缩写 G A V L I P F Y W S T C M N Q D E K R 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—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 戊 糖 组 成 磷 酸 结 构 生物功能 核 糖 脱氧核糖核酸 DNA 脱 氧 核 糖 腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G 胞嘧啶 C 胸腺嘧啶 T腺嘌呤 A 鸟嘌呤 G 碱 基 胞嘧啶 C 尿嘧啶 UPi （磷酸二脂键） 单链、部分碱基互补、三叶草形 遗传信息表达 双链、碱基互补、双螺旋形 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：·332·第8章现代化学的研究进展生长、分化、老化、死亡。
每个人有 23 对共 46 条染色体，一半来自父亲，一半来自母亲。
1 个染色 体是由 1 个 DNA 分子组成的，基因就是 DNA 的 1 段，由 4 种碱基通过不同 的排列组合而成，它可能很长，也可能很短。
基因不仅可以通过复制把遗传 信息传递给下一代，还可以使遗传信息得到表达。
不同人种间之所以头发、 肤色乃至性格等不同，就是基因差异所造成的。
科学家推测，人的细胞中大约有 6～10 万个基因，组成这些基因即核苷 酸的数量有 30 亿个。
科学家认为，找到人类基因组 30 亿个碱基对的排列序 列，必将大大促进生物信息学、生物功能基因组和蛋白质等生命科学前沿领 域的发展，也将为基因资源开发利用，医药 卫生、农业等生物高技术产业的 发展开辟更加广阔的前景。
2．1．1 人类基因组计划（Human Genome ProjectHGP）人类基因组计划是当前国际生命科学研究的热点之一，这是由美国科学 家于 1985 年率先提出的。
美国、英国、法国、德国、日本和我国的科学家共 同参与了人类基因组计划的工作。
