2013年現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)第三章

1、第3章 生命的本質(zhì)與人類智力的起源地球上有100多萬(wàn)種動(dòng)物，30多萬(wàn)種植物和10多萬(wàn)種微生物。從生命物質(zhì)的微觀構(gòu)成的一致性上去尋求生命的定義。生命是由核酸與蛋白質(zhì)組成的具有自我更新和自我復(fù)制能力的多分子體系。細(xì)胞是生命的基石；生命的物質(zhì)基礎(chǔ)是蛋白質(zhì)與核酸。1、 細(xì)胞細(xì)胞是生命的基石。細(xì)胞是生命體的基本結(jié)構(gòu)單位，復(fù)雜的高等動(dòng)物和植物是由很多細(xì)胞構(gòu)成的，而簡(jiǎn)單的低級(jí)動(dòng)物和植物則由單個(gè)細(xì)胞構(gòu)成。細(xì)胞還是生命體的基本功能單位，生命體的一切生命現(xiàn)象都是通過(guò)細(xì)胞來(lái)體現(xiàn)的。生命的新陳代謝是細(xì)胞中物質(zhì)的交換和能量的轉(zhuǎn)化構(gòu)成的，細(xì)胞的生長(zhǎng)、繁殖和分化導(dǎo)致了生命體的生長(zhǎng)發(fā)育。核酸（核苷酸）細(xì)胞是由分子構(gòu)成的。細(xì)胞

2、中有核酸和蛋白質(zhì)兩種生物分子，這兩種生物分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分子量巨大，通常被稱為生物大分子。它們決定了細(xì)胞的基本特性，是生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。各種生命活動(dòng)的進(jìn)行，各種生命特征的體現(xiàn)，都與核酸和蛋白質(zhì)的功能密切相關(guān)。細(xì)胞蛋白質(zhì)（氨基酸）2、 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)是一種復(fù)雜的、分子量巨大的高分子有機(jī)化合物，它的組成成分主要為氨基酸，它是生物體活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，具有催化作用的酶、免疫功能的抗體，其運(yùn)輸作用的血液蛋白，有運(yùn)動(dòng)功能的肌肉蛋白、生物模蛋白、某些激素和毒素等都是蛋白質(zhì)。蛋白質(zhì)由一個(gè)或幾個(gè)多肽鏈組成。每個(gè)多肽鏈?zhǔn)且粋€(gè)聚合體。蛋白質(zhì)的順序就存在于核酸分子的這些核苷酸的順序中。蛋白質(zhì)具有極其多樣性的特點(diǎn)，能擔(dān)負(fù)各種各

3、樣的功能，形成千差萬(wàn)別的生物。1. 蛋白質(zhì)的分子組成蛋白質(zhì)是維持生命過(guò)程的重要物質(zhì)，組成蛋白質(zhì)的化學(xué)元素有碳、氫氧、氮、硫等，有的蛋白質(zhì)還含有微量的鐵和碘。蛋白質(zhì)的組成成分主要為氨基酸，因此，氨基酸是組成蛋白質(zhì)的基本單位。氨基酸主要是由碳、氫、氧、氮四種元素所組成，個(gè)別的還含有硫。組成蛋白質(zhì)的氨基酸有20多種。但共同點(diǎn)都是含氨基的有機(jī)酸。氨基酸是兩性化合物。由氨基酸構(gòu)成的蛋白質(zhì)也呈兩極化合物的性質(zhì)。氨基酸又一重要性質(zhì)是氨基酸分子中的氨基（NH）在機(jī)體內(nèi)經(jīng)酶的作用，可以變?yōu)榘保∟H），這是氨基酸在體內(nèi)代謝作用的第一步。多種氨基酸中，有種是人體不能制造的，非得從食物中補(bǔ)充不可，稱為必需氨基酸。它們

4、是蘇氨酸、苯丙氨酸、賴氨酸、色氨酸、氨酸、甲硫氨酸（蛋氨酸）、亮氨酸和異亮氨酸。必需氨基酸對(duì)人體的生命活動(dòng)來(lái)說(shuō)，是重要的生活物質(zhì)。. 蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子是由大量氨基酸組成的大分子。. 蛋白質(zhì)的種類及其基本生理功能蛋白質(zhì)的種類按照組成成分分為單純蛋白（如清蛋白、球蛋白、組蛋白）和組合蛋白。結(jié)合蛋白是其蛋白質(zhì)分子中除了含有氨基酸這一成分外，還有輔基。輔基可以是糖類、脂類、磷類、核酸等。輔基為脂類的結(jié)合蛋白稱為脂蛋白；輔基為色素的結(jié)合蛋白稱色蛋白；輔基為磷酸的稱磷蛋白；輔基為核酸的稱核蛋白。生物體中的蛋白質(zhì)大都屬于結(jié)合蛋白，而結(jié)合蛋白中核蛋白最為重要，在生物體生命活動(dòng)中起著極其重要的作用，細(xì)

5、胞核內(nèi)含量最多。蛋白質(zhì)是重要的生命活動(dòng)物質(zhì)，除了它是組成生物的主要成分以外，還有一些基本的生理功能。作為特殊的蛋白質(zhì)的酶，可以催化生物體內(nèi)各種復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。（葉綠蛋白、血紅蛋白、肌紅蛋白、肌動(dòng)蛋白、肌球蛋白、激素屬于蛋白質(zhì)、抗體、受體、膠元纖維蛋白）球蛋白（分子似球形，較易溶解血液的血紅蛋白、豆類球形蛋白）根據(jù)蛋白質(zhì)分子的形狀，將蛋白質(zhì)分為球蛋白和纖維蛋白。蛋白質(zhì)纖維蛋白（形狀似纖維，不溶于水，如角蛋白、絲蛋白和膠原蛋白）3、 核酸核酸是一種復(fù)雜的、分子量巨大的高分子有機(jī)化合物，它的組成成分主要為核苷酸，它是生物體遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。它對(duì)生物的生長(zhǎng)、遺傳、變異等現(xiàn)象起著重要的決定作用。核酸可分為

6、脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）兩類。DNA的核苷酸上的堿基是：腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）RNA的核苷酸上的堿基是：腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、尿嘧啶（U）、胞嘧啶（C）最早揭示DNA分子結(jié)構(gòu)的是沃森和克里克。. 核算的組成成分核酸是一種復(fù)雜的高分子有機(jī)化合物，核酸是單核苷酸的聚合物，組成核酸的單核苷酸是由五碳單糖、堿基和磷酸三部分組成。五碳糖有核糖和脫氧核糖兩種。堿基分嘌呤和嘧啶兩大類，嘌呤是雙環(huán)化合物，嘧啶是單環(huán)化合物。嘌呤中有腺嘌呤和鳥嘌呤；嘧啶中有胞嘧啶、胸腺嘧啶和尿嘧啶。組成核糖核酸（RNA）的核苷酸有四種，即腺嘌呤核苷酸（ANP）、鳥嘌呤核苷

7、酸（CMP）、胞嘧啶核苷酸（CMP）和尿嘧啶核苷酸（UMP）。同樣，組成脫氧核糖核酸（DNA）的核苷酸也有四種，即腺嘌呤脫氧核苷酸（DAMP）、鳥嘌呤脫氧核苷酸（DGMP）、胞嘧啶脫氧核苷酸（DCMP）和胸腺嘧啶脫氧核苷酸（DTMP）。一個(gè)核酸分子是由許多核苷酸（單體）通過(guò)一個(gè)核苷酸的戊糖與另一個(gè)核苷酸的磷酸聚合串聯(lián)成為長(zhǎng)鏈。所以核酸的分子又稱為多核苷酸。核苷酸之間借C和C間的磷酸二酯鍵連接起來(lái)的高分子化合物就是核酸。. DNA的分子結(jié)構(gòu)遺傳信息就蘊(yùn)藏在DNA分子上許多堿基排列的順序中。一個(gè)DNA分子上部分結(jié)構(gòu)發(fā)生不變化，就意味遺傳信息的改變。DNA分布與細(xì)胞中的位置，可以因生物的種類而不同，

8、病毒（包含噬菌體）位于病毒的核心部分；細(xì)菌位于分散的染色體中；動(dòng)、植物細(xì)胞均位于細(xì)胞核中；線粒體和葉綠體含有少量的DNA。3. RNA的種類及其功能RNA有三種，它們基本上是單鏈，一種叫信使核糖核酸（MRNA）、一種叫轉(zhuǎn)移核糖核酸（TRNA）和另一種叫核糖體核糖核酸（RRNA）。信使核糖核酸（MRNA）是攜帶DNA分子給予的遺傳信息（堿基的不同排列次序）來(lái)排列細(xì)胞之中的RNA，是作為蛋白質(zhì)合成的模版。轉(zhuǎn)移核糖核酸（TRNA）的功能是擔(dān)負(fù)著蛋白質(zhì)合成過(guò)程中氨基酸運(yùn)輸功能，不同的轉(zhuǎn)移核糖核酸（TRNA）可以運(yùn)輸不同的氨基酸。核糖體核糖核酸（RRNA）不能單獨(dú)存在，而是和蛋白質(zhì)結(jié)合形成核糖體。核糖體

9、又稱核糖核蛋白體，是蛋白質(zhì)合成的場(chǎng)所。核酸和蛋白質(zhì)同是最重要的生命物質(zhì)，它們都是細(xì)胞內(nèi)的生命物質(zhì)體系的主體，核酸（DNA）是細(xì)胞和的分子基礎(chǔ)。原生質(zhì)作為生命的分子基礎(chǔ)，就是糖類、脂類和無(wú)機(jī)物（無(wú)機(jī)鹽和水），成為“生活物質(zhì)”。第2節(jié) 生命的本質(zhì)20世紀(jì)50年代，沃森和克里克提出了DNA的雙螺旋模型，宣告了一個(gè)富有生命力的新學(xué)科分子生物學(xué)的誕生。生命現(xiàn)象的本質(zhì)特征是核酸和蛋白質(zhì)化學(xué)成分的自我更新，生命現(xiàn)象最本質(zhì)的內(nèi)容是生物大分子的自我復(fù)制和生命體的自我組織。生物體內(nèi)化學(xué)組成的自我更新，即生物體的新陳代謝，它包括同化作用與異化作用兩個(gè)過(guò)程。同化作用：生物體從食物中攝取養(yǎng)料轉(zhuǎn)化成自身的組織物質(zhì)，是貯存

10、能量的過(guò)程，稱為同化作用（或稱“組成代謝”）。異化作用：生物體將自身的組成物質(zhì)分解以釋放能量或排出體外，成為異化作用（或稱“分解代謝”）。生物體內(nèi)部大分子的自我復(fù)制是生命物質(zhì)另一個(gè)重要特征。在生物體內(nèi)，有一個(gè)DNA的復(fù)制酶系統(tǒng)，在它的作用下，以一條DNA的正鏈作為模板，以脫氧核苷三磷酸為原料，根據(jù)堿基配對(duì)規(guī)律，在模版上面聚合成與正鏈互補(bǔ)的負(fù)鏈；同樣以一條負(fù)鏈為模版合成了正鏈。這樣一個(gè)DNA分子就變成兩個(gè)一模一樣的DNA分子。這種自我復(fù)制的特點(diǎn)是從分子水平上考察的。從細(xì)胞水平來(lái)看，表現(xiàn)為細(xì)胞分裂；從個(gè)體水平來(lái)看，表現(xiàn)為個(gè)體增值。因此，以所有的生物共同具有的“自我復(fù)制”來(lái)標(biāo)志這一特征，具有更一般的

11、意義。1、 生物大分子的自我復(fù)制. DNA的復(fù)制遺傳物質(zhì)DNA一方面通過(guò)自我復(fù)制傳遞遺傳信息，另一方面在后代的個(gè)體發(fā)育中，使遺傳信息得以表達(dá)，從而使后代表現(xiàn)出與親代相似的形狀（形態(tài)特征和生理特性等）。生物大分子DNA的自我復(fù)制機(jī)制是世紀(jì)最令人振奮的科學(xué)發(fā)現(xiàn)之一。DNA分子的復(fù)制是指以親代DNA分子為樣板（生物學(xué)上稱“模板”）來(lái)合成子代DNA的過(guò)程。DNA分子是邊解旋邊復(fù)制的。DNA分子利用細(xì)胞提供的能量，在解旋酶的作用下，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，合成出與母鏈互補(bǔ)的子鏈。新合成的子鏈不斷地延伸，同時(shí)每條子鏈與對(duì)應(yīng)的母鏈相互盤繞成螺旋結(jié)構(gòu)，形成一個(gè)新的DNA分子。這樣，一個(gè)DNA分子就變成兩個(gè)完全相

12、同的DNA分子。由此可見，DNA復(fù)制時(shí)需要模版、原料、能量和酶等基本條件。從復(fù)制過(guò)程還可以看出，DNA分子獨(dú)特的雙螺旋結(jié)構(gòu)為復(fù)制DNA提供了精確的模版，而堿基互補(bǔ)配對(duì)能力保證了復(fù)制能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地完成。遺傳信息，就是依靠DNA的復(fù)制過(guò)程進(jìn)行傳遞的。2. 基因與人類基因組基因在遺傳過(guò)程中決定著特定蛋白質(zhì)的化學(xué)組成，即基因的功能是對(duì)蛋白質(zhì)編碼。每個(gè)DNA分子含有很多基因，這些基因按一定順序排列，就成為制造蛋白質(zhì)的圖紙和指揮復(fù)制的命令?，F(xiàn)代遺傳學(xué)認(rèn)為，基因是控制生物性壯的遺傳物質(zhì)的功能單位和結(jié)構(gòu)單位，是有遺傳效應(yīng)的DNA片段，每個(gè)基因中可以含有成百上千個(gè)脫氧核苷酸。一種生命體的生長(zhǎng)基因叫做這種生命體的

13、基因組，人類基因組（即編碼在螺旋形DNA里的全部遺傳信息）大約由30億個(gè)核苷酸組成，其信息量約為120億比特，可以編碼20萬(wàn)種蛋白質(zhì)。不同的基因，堿基排列順序不同。人類的基因組數(shù)目約為3.4萬(wàn)至3.5萬(wàn)個(gè)，2003年，由美、英、日、法、德和中國(guó)科學(xué)家共同完成了人類基因組序列圖繪制工作?；蛞辉~來(lái)自希臘語(yǔ)，意思為“生”。（遺傳因子）是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，是指攜帶有遺傳信息的DNA序列，是控制性狀的基本遺傳單位亦即一段具有功能性的DNA序列。基因通過(guò)指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成來(lái)表達(dá)自己所攜帶的遺傳信息，從而控制生物個(gè)體的性狀表現(xiàn)。3.蛋白質(zhì)合成的控制基因控制蛋白質(zhì)合成的過(guò)程，包括“轉(zhuǎn)錄”和“翻譯”兩個(gè)重要步驟：

14、轉(zhuǎn)錄過(guò)程是在細(xì)胞核內(nèi)進(jìn)行的，它是以DNA的一條鏈為模版，按照堿基互補(bǔ)配對(duì)原則，合襯RNA的過(guò)程。由于RNA沒有堿基T（胸腺嘧啶），而有堿基U（尿嘧啶），因此在合成RNA時(shí)，就以U（尿嘧啶）代替T（胸腺嘧啶）與A（腺嘌呤）配對(duì)。轉(zhuǎn)錄的方法可以表示如下：DNA的核苷酸上的堿基是：腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）RNA的核苷酸上的堿基是：腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、尿嘧啶（U）、胞嘧啶（C）可見，通過(guò)轉(zhuǎn)錄，DNA的遺傳信息就傳遞到RNA上，這種RNA叫做信使RNA（MRNA）。翻譯是在細(xì)胞質(zhì)中進(jìn)行的，它是指以信使RNA為模版，合成具有一定氨基酸順序的蛋白質(zhì)的過(guò)程。信使RNA形

15、成以后，就從細(xì)胞核中出來(lái)，進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，與核糖體結(jié)合起來(lái)。核糖體是細(xì)胞內(nèi)將氨基酸合成蛋白質(zhì)的場(chǎng)所。氨基酸是通過(guò)轉(zhuǎn)移RNA（TRNA）被送到核糖體中的信使RNA上去的。每種轉(zhuǎn)移RNA的一端都有三個(gè)堿基，這三個(gè)堿基能與信使RNA的堿基相配對(duì)。轉(zhuǎn)移RNA的另一端是攜帶氨基酸的部位，一種轉(zhuǎn)移RNA只能運(yùn)轉(zhuǎn)一種特定的氨基酸。當(dāng)轉(zhuǎn)移RNA運(yùn)載著氨基酸進(jìn)入核糖體以后，就以信使RNA為模版，把氨基酸一個(gè)個(gè)連接起來(lái)，合成為具有一定氨基酸順序的蛋白質(zhì)。在細(xì)胞核內(nèi)，子代以DNA為模版合成信使RNA。通過(guò)轉(zhuǎn)錄，DNA的遺傳信息就傳遞到了信使RNA上，信使RNA從細(xì)胞核進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，在細(xì)胞質(zhì)中再以信使RNA為模版，以轉(zhuǎn)移R

16、NA為運(yùn)載工具，使氨基酸在核糖體中按照一定的順序排列起來(lái)，合成了與親代一樣的蛋白質(zhì)，從而顯示出與親代一樣的性狀，完成了遺傳過(guò)程。這種遺傳信息從DNA傳遞給RNA，再?gòu)腞NA傳遞給蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)錄和翻譯的過(guò)程，以及遺傳信息從DNA傳遞給DNA的復(fù)制過(guò)程，就叫“中心法則”。RNA在這里起一種載體作用，它把DNA攜帶的遺傳信息從細(xì)胞核傳遞到細(xì)胞質(zhì)中去。. 遺傳密碼遺傳密碼是大自然最偉大的創(chuàng)造之一。在中心法則里，DNA決定RNA的性質(zhì)是遵循著堿基互補(bǔ)配對(duì)原則的。RNA如何決定蛋白質(zhì)性質(zhì)：RNA再編碼核糖體對(duì)信使RNA所做的重新解釋被命名RNA再編碼。RNA的核苷酸上的堿基是：腺嘌呤（A）、鳥嘌呤（G）、尿

17、嘧啶（U）、胞嘧啶（C）2、 生命世界的自組織核酸和蛋白質(zhì)等生命物質(zhì)構(gòu)成細(xì)胞，各種細(xì)胞構(gòu)成不同的組織，組織構(gòu)成器官，器官構(gòu)成系統(tǒng)，系統(tǒng)構(gòu)成整個(gè)生命體，這些層次結(jié)構(gòu)都是按照特定規(guī)律和方式自發(fā)組織而成的有序結(jié)構(gòu)。生命現(xiàn)象是個(gè)維持高度有序結(jié)構(gòu)的過(guò)程。這種自發(fā)組織形成的有序結(jié)構(gòu)的過(guò)程叫做“自組織”。自組織是自然界普遍存在的現(xiàn)象，宇宙起源、天體形成與演化、元素起源、分子構(gòu)成、生命起源、物種形成乃至生物的系統(tǒng)發(fā)育，基本上都是自組織過(guò)程。自組織是生命世界的一個(gè)重要特征。一切生命物質(zhì)在一定空間和時(shí)間內(nèi)有一定的穩(wěn)定性，但隨著環(huán)境條件變化會(huì)變得不穩(wěn)定，不過(guò)隨著物質(zhì)的重調(diào)整分配又會(huì)建立新的平衡態(tài)。這個(gè)過(guò)程本省的實(shí)際進(jìn)展也是自組織過(guò)程。這種自組織過(guò)程在生命世界是普遍存在的。達(dá)爾文在1859年發(fā)表了震動(dòng)科學(xué)界和整個(gè)社會(huì)的