第一章生物化学属于进化科学 q31.2 专 Chapter 1 Opener Biochemistry,Sixth Edition 2007 W.H.Freeman and Company 疾病和基因组。人类基因组研究能揭示病因和其它的生物化学奥秘。左边是人类染色体，含有构成 人类基因组的DNA分子。染色体显色图谱用于鉴定染色体特定区域。右边是人类7号染色体图谱， 用箭头标出了q312条带。该区域编码的蛋白质功能异常将导致囊性纤维化疾病有关[左图来自 Alfred Pasieka/Peter Arnold] 生物化学是研究生命过程的化学。自从1928年发现无机物能够合成生命分子如尿素以来，科 学家们对生命的化学进行了深入研究。这些研究解决了生命物质如何在生物化学水平上发挥作用的 大多数基本问题。但是还有很多未解之谜。常常是解决一个问题后又引入了很多新的问题。我们正 处在应用生物化学的丰富知识解决医学、牙医、农学、法医、人类学、环境科学、以及其它相关领 域问题这个充满巨大机遇的时代。本书开篇将介绍过去一百年来最重大的发现之一：各种生物体在 生物化学水平上是同一的。 1.1生命多样性的背后是生物化学的一致性 生物世界多种多样。动物世界小到显微镜才能观察的昆虫，大到象和鲸鱼(whales)这样的庞 然大物。植物界的情况与此相似，小的相对简单的藻类，大的如巨杉(giant sequoias)。动物需要吃 东西才能生存，但植物能利用太阳能将二氧化碳转化成生物组织。当我们进入显微世界，就会发现 更为广泛的生物多样性。单细胞生物如原生动物、酵母和细菌的生存环境差异很大。有些生物甚至 生存于极端环境如温泉和冰川(glaciers)。 显微镜观测解释了各式各样生物的一个共同特征。单细胞微生物一样，大的生物个体与也是由 细胞组成的，提示这些多种多样的生物实际上具有更多的共性。随着生物化学研究的进展，越来越
第一章 生物化学属于进化科学 疾病和基因组。人类基因组研究能揭示病因和其它的生物化学奥秘。左边是人类染色体，含有构成 人类基因组的 DNA 分子。染色体显色图谱用于鉴定染色体特定区域。右边是人类 7 号染色体图谱， 用箭头标出了 q31.2 条带。该区域编码的蛋白质功能异常将导致囊性纤维化疾病有关[左图来自 Alfred Pasieka/Peter Arnold]。 生物化学是研究生命过程的化学。自从 1928 年发现无机物能够合成生命分子如尿素以来，科 学家们对生命的化学进行了深入研究。这些研究解决了生命物质如何在生物化学水平上发挥作用的 大多数基本问题。但是还有很多未解之谜。常常是解决一个问题后又引入了很多新的问题。我们正 处在应用生物化学的丰富知识解决医学、牙医、农学、法医、人类学、环境科学、以及其它相关领 域问题这个充满巨大机遇的时代。本书开篇将介绍过去一百年来最重大的发现之一：各种生物体在 生物化学水平上是同一的。 1.1 生命多样性的背后是生物化学的一致性 生物世界多种多样。动物世界小到显微镜才能观察的昆虫，大到象和鲸鱼（whales）这样的庞 然大物。植物界的情况与此相似，小的相对简单的藻类，大的如巨杉(giant sequoias)。动物需要吃 东西才能生存，但植物能利用太阳能将二氧化碳转化成生物组织。当我们进入显微世界，就会发现 更为广泛的生物多样性。单细胞生物如原生动物、酵母和细菌的生存环境差异很大。有些生物甚至 生存于极端环境如温泉和冰川(glaciers)。 显微镜观测解释了各式各样生物的一个共同特征。单细胞微生物一样，大的生物个体与也是由 细胞组成的，提示这些多种多样的生物实际上具有更多的共性。随着生物化学研究的进展，越来越
多的事实支持了这个想法。在生物化学水平，所有生物的共性很多（图11）。 Sulfolobus acidicaldarius Arabidopsis thaliana Homo sapiens th on 2007W.H.Freeman and Company 图1.1生物化学的多样性和共同性。经过千百年的进化，不同物种之间的基因表达调节蛋白质 (TATA-box结合蛋白)外形是相似的[Left)Dr.T.J.Beveridge/Visuals Unlimited;(middle)Holt Studios/Photo Researchers;(right)Time Life Pictures/Getty Images.] 如早先说过的，生物化学是研究生命过程的化学。这些生物命过程涉及两类分子。一类是像蛋 白质和核酸的生物大分子，另一类像葡萄糖和甘油的小分子，也称为代谢物。这些物质参与生物命 过程的化学转化。所有生物都有这两类物质。在不同生物之间，这两类物质差异不大。例如所有生 物都用DNA储存遗传信息。蛋白质是所有生物过程的关键执行者，但是不同生物的蛋白质合成原 料都是相同的20种氨基酸。不同生物体内执行相似功能的蛋白质，其三维结构也非常相似（图1.1）。 所有生物的关键代谢过程也是相同的。例如，简单细菌（如大肠杆菌）到人类都有相同的代谢过程， 能够将葡萄糖和氧气转化成二氧化碳和水。即使有些生物过程似乎差异很大，但是从生物化学角度 看也有很多共同特征。植物将太阳能转化成可利用的能量形式与动物断裂葡萄糖获取能量的化学反 应也非常相似。 这些结果强烈暗示，地球上所有生命的祖先是共同的，即现代生物都是从这个共同祖先进化而 成的。基于地质学和生物化学发现，有人提出了生物进化的时间表（图1.2)。 看 急at3re Oxygen sanesou! s6uaq uewnH forming 4.5 4.0 3.5 3.0 2.52.0 1.5 1.0 0.5 0.0 Billions of years 品a 图1.2生物进化可能的时间节点。图中标出了一些关键事件。注意地球生命在35亿年前就已经产 生，而人类在最近才出现
多的事实支持了这个想法。在生物化学水平，所有生物的共性很多（图 1.1）。 图 1.1 生物化学的多样性和共同性。经过千百年的进化，不同物种之间的基因表达调节蛋白质 （TATA-box 结合蛋白）外形是相似的[(Left) Dr. T. J. Beveridge / Visuals Unlimited; (middle) Holt Studios / Photo Researchers; (right) Time Life Pictures / Getty Images.] 如早先说过的，生物化学是研究生命过程的化学。这些生物命过程涉及两类分子。一类是像蛋 白质和核酸的生物大分子，另一类像葡萄糖和甘油的小分子，也称为代谢物。这些物质参与生物命 过程的化学转化。所有生物都有这两类物质。在不同生物之间，这两类物质差异不大。例如所有生 物都用 DNA 储存遗传信息。蛋白质是所有生物过程的关键执行者，但是不同生物的蛋白质合成原 料都是相同的 20 种氨基酸。不同生物体内执行相似功能的蛋白质，其三维结构也非常相似(图 1.1）。 所有生物的关键代谢过程也是相同的。例如，简单细菌（如大肠杆菌）到人类都有相同的代谢过程， 能够将葡萄糖和氧气转化成二氧化碳和水。即使有些生物过程似乎差异很大，但是从生物化学角度 看也有很多共同特征。植物将太阳能转化成可利用的能量形式与动物断裂葡萄糖获取能量的化学反 应也非常相似。 这些结果强烈暗示，地球上所有生命的祖先是共同的，即现代生物都是从这个共同祖先进化而 成的。基于地质学和生物化学发现，有人提出了生物进化的时间表（图 1.2）。 图 1.2 生物进化可能的时间节点。图中标出了一些关键事件。注意地球生命在 35 亿年前就已经产 生，而人类在最近才出现
基于生物化学特征，可以将现代生物分为三大类，即真核生物、细菌、和古生菌。真核生物包 括所有多细胞生物（如人类）和像酵母一样的单细胞生物。真核生物的显著特征是每个细胞都有一 个明显的细胞核。细菌没有这样的核，因此叫原核生物(prokaryotes)。I9T7年Carl Woese发现有些 原核生物在生物化学上与细菌差异很大，因此又将原核生物分成两类，即细菌和古生菌。古生菌在 进化早期就与细菌分离。基于生物化学研究的成果，人们推测出同一祖先生物进化成现代生物的的 可能途径（图1.3)。 BACTERIA EUKARYA ARCHAEA 巴 g 品 图1.3生命树。从35亿年前的共同祖先（树的底部)进化成现代生物（树的顶部）的可能途径。 本书大部分篇幅介绍了所有生物共有的生物过程，以及参与这些生物过程的生物大分子和代谢 物质。由于各种各样生物具有共同的生物化学基础，因此我们能够以这种方式介绍生物化学。应该 指出，不同生物的生物化学也有相应的独特性。这些独特性取决于生物体生存和进化的小环境。比 较不同生物生化途径的独特性，能够了解生物克服生存挑战的生化机制。多数情况下，生物体不是 重新进化制造出全新的生物分子，而是用现成生物分子解决新问题。 有些生物分子结构简单，有些生物分子结构非常复杂。现代生物化学技术能精确测定生物大分 子的三维结构。阐明生物大分子结构有助于了解生物大分子的功能。下面以遗传物质DNA的结构 来阐述结构与功能的关系。 1.2DNA结构与功能 所有具有细胞形态的生物都用DNA储存遗传信息。1940年代用细菌进行的研究首先证实DNA 是遗传的关键。I953年，Watson和Crick确定了DNA的三维结构。这一结构的阐明，标志着全新 生物化学时代的开始。 DNA分子的组分是四种核苷酸。这些核苷酸线性聚合的产物就是DNA分子（图1.4)。将共 价连接的糖-磷酸单位重复视为DNA骨架的话，所有DNA分子的骨架都是相同的，只是凸出于骨 架外的取代基团（即碱基）不同。这些碱基是腺嘌呤(A),胞嘧啶(C),鸟嘌呤(G),和胸腺嘧啶(T)。 它们具有平面结构。DNA骨架的糖基是脱氧核糖，有两个不同位点的C-原子分别与两个磷酸相连。 在DNA骨架链中，各个核糖的排列方向都是相同的，所以DNA链有极性（即两个末端是不同的）
基于生物化学特征，可以将现代生物分为三大类，即真核生物、细菌、和古生菌。真核生物包 括所有多细胞生物(如人类）和像酵母一样的单细胞生物。真核生物的显著特征是每个细胞都有一 个明显的细胞核。细菌没有这样的核，因此叫原核生物(prokaryotes)。1977 年 Carl Woese 发现有些 原核生物在生物化学上与细菌差异很大，因此又将原核生物分成两类，即细菌和古生菌。古生菌在 进化早期就与细菌分离。基于生物化学研究的成果，人们推测出同一祖先生物进化成现代生物的的 可能途径（图 1.3）。 图 1.3 生命树。从 35 亿年前的共同祖先（树的底部）进化成现代生物（树的顶部）的可能途径。 本书大部分篇幅介绍了所有生物共有的生物过程，以及参与这些生物过程的生物大分子和代谢 物质。由于各种各样生物具有共同的生物化学基础，因此我们能够以这种方式介绍生物化学。应该 指出，不同生物的生物化学也有相应的独特性。这些独特性取决于生物体生存和进化的小环境。比 较不同生物生化途径的独特性，能够了解生物克服生存挑战的生化机制。多数情况下，生物体不是 重新进化制造出全新的生物分子，而是用现成生物分子解决新问题。 有些生物分子结构简单，有些生物分子结构非常复杂。现代生物化学技术能精确测定生物大分 子的三维结构。阐明生物大分子结构有助于了解生物大分子的功能。下面以遗传物质 DNA 的结构 来阐述结构与功能的关系。 1.2 DNA 结构与功能 所有具有细胞形态的生物都用 DNA 储存遗传信息。1940 年代用细菌进行的研究首先证实 DNA 是遗传的关键。1953 年，Watson 和 Crick 确定了 DNA 的三维结构。这一结构的阐明，标志着全新 生物化学时代的开始。 DNA 分子的组分是四种核苷酸。这些核苷酸线性聚合的产物就是 DNA 分子（图 1.4）。将共 价连接的糖-磷酸单位重复视为 DNA 骨架的话，所有 DNA 分子的骨架都是相同的，只是凸出于骨 架外的取代基团（即碱基）不同。这些碱基是腺嘌呤(A)，胞嘧啶(C)，鸟嘌呤(G)，和胸腺嘧啶(T)。 它们具有平面结构。DNA 骨架的糖基是脱氧核糖，有两个不同位点的 C-原子分别与两个磷酸相连。 在 DNA 骨架链中，各个核糖的排列方向都是相同的，所以 DNA 链有极性（即两个末端是不同的）
Adenine (A) Cytosine (C) Guanine (G) Thymine (T) base1 base2 base3 Sugar Phosphate ocemSn o2007 W.H.Freeman and Company 图1.4DNA的共价结构。DNA链的每个单位有一个脱氧核糖、一个磷酸、和一个碱基（这些碱基 凸出于糖磷酸骨架之外)。 用共价（即糖苷键)将碱基和DNA骨架的糖连接起来（图1.4的黑线）。这四种碱基都是平 面结构，但相互间在其它方面有很大的差异。因此DNA单体含有一个核糖磷酸单位和与糖连接的 碱基。遗传信息就储存在沿DNA链骨架排列的碱基序列中。 两个DNA单链结合形成双螺旋分子 大多数DNA分子是双链（而不是单链)。I953年James Watson和Francis Crick推测出DNA 链的排列，提出了DNA分子的双螺旋结构。两条DNA链相互缠绕，糖磷酸骨架处于螺旋外侧、 碱基处于螺旋内部（图1.5)。这个结构的关键是特异的碱基之间产生氢键，形成碱基对(13节)： 腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T),鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)(图1.6)。氢键的结合力比共价键低很多，但是这 种很弱的相互作用力却是相关生化系统的关键所在。碱基对之间的氢键结合力相当弱，因此能够可 逆断裂这些氢键。另一方面，DNA双链分子碱基对之间氢键数量大，产生的结合能量能够维持双 螺旋结构的稳定。 w.e... 图1.5双螺旋结构。James Watson和Francis Crick于1953年提出的DNA双螺旋结构。DNA的骨 架链分别用红色和蓝色表示，四种碱基分别用绿色、紫色、桔色、和黄色棒标出。两条链反向（用 箭头标出)平行，围绕双螺旋轴相互缠绕
图 1.4 DNA 的共价结构。DNA 链的每个单位有一个脱氧核糖、一个磷酸、和一个碱基（这些碱基 凸出于糖-磷酸骨架之外）。 用共价（即糖苷键）将碱基和 DNA 骨架的糖连接起来（图 1.4 的黑线）。这四种碱基都是平 面结构，但相互间在其它方面有很大的差异。因此 DNA 单体含有一个核糖-磷酸单位和与糖连接的 碱基。遗传信息就储存在沿 DNA 链骨架排列的碱基序列中。 两个 DNA 单链结合形成双螺旋分子 大多数 DNA 分子是双链（而不是单链）。1953 年 James Watson 和 Francis Crick 推测出 DNA 链的排列，提出了 DNA 分子的双螺旋结构。两条 DNA 链相互缠绕，糖磷酸骨架处于螺旋外侧、 碱基处于螺旋内部（图 1.5）。这个结构的关键是特异的碱基之间产生氢键，形成碱基对（1.3 节）： 腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)，鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)(图 1.6）。氢键的结合力比共价键低很多，但是这 种很弱的相互作用力却是相关生化系统的关键所在。碱基对之间的氢键结合力相当弱，因此能够可 逆断裂这些氢键。另一方面， DNA 双链分子碱基对之间氢键数量大，产生的结合能量能够维持双 螺旋结构的稳定。 图 1.5 双螺旋结构。James Watson 和 Francis Crick 于 1953 年提出的 DNA 双螺旋结构。DNA 的骨 架链分别用红色和蓝色表示，四种碱基分别用绿色、紫色、桔色、和黄色棒标出。两条链反向（用 箭头标出）平行，围绕双螺旋轴相互缠绕
H Adenine (A) Thymine(T) Guanine (G) Cytosine(C) 图1.6 Watson-Crick碱基对。腺嘌呤与胸腺嘧啶形成A-T碱基对，鸟嘌呤与胞嘧啶形成G-C碱基对。 虚线表示氢键。 DNA结构能解释遗传信息的储存与遗传 Watson和Crick提出的DNA双螺旅结构有两个重要特性使DNA分子适于充当遗传物质。第 一，配对碱基的外形几乎相同（图1.6），因此双螺旋结构适于任何核苷酸序列（即双螺旋结构对 核苷酸序列没有限定)。在这种情况下，DNA分子能有效地存储信息。实际上遗传信息就是存储 在DNA链的碱基序列中。DNA序列决定RNA序列和蛋白质分子，而蛋白质分子执行细胞大多数 功能。第二，由于碱基配对，一条DNA链的碱基序列能决定双螺旋另一条链的碱基序列。当初 Watson和Crick就指出，“碱基配对提示遗传物质复制的可能机制。”如果DNA双螺旋分成两条 DNA单链，那么每条DNA单链都可以作为模板，通过碱基配对的方式指导另一条链的合成（图 1.7)。DNA双螺旋结构很漂亮地解释了分子结构与功能的关系。 Newly synthesized strands 品 图1.7DNA复制。如果DNA分子分成两条链，每条链可以作为模板指导互补链的合成。 1.3解释生物分子性质的化学概念 我们已经知道化学概念（即DNA碱基之间氢键形成能力）对于了解生物过程（遗传与复制） 的关键作用。为了给后续学习打下坚实基础，在此我们将考察一些化学概念，指出这些化学概念在 生物系统的应用。这些化学概念包括化学键种类、水分子（大多数生物反应的溶剂)结构、热力学 第一定律和第二定律、酸-碱定义。用这些化学概念进一步考察两个DNA单链形成DNA双螺旅的
图 1.6 Watson-Crick 碱基对。腺嘌呤与胸腺嘧啶形成 A-T 碱基对，鸟嘌呤与胞嘧啶形成 G-C 碱基对。 虚线表示氢键。 DNA 结构能解释遗传信息的储存与遗传 Watson 和 Crick 提出的 DNA 双螺旋结构有两个重要特性使 DNA 分子适于充当遗传物质。第 一，配对碱基的外形几乎相同（图 1.6），因此双螺旋结构适于任何核苷酸序列（即双螺旋结构对 核苷酸序列没有限定）。在这种情况下， DNA 分子能有效地存储信息。实际上遗传信息就是存储 在 DNA 链的碱基序列中。DNA 序列决定 RNA 序列和蛋白质分子，而蛋白质分子执行细胞大多数 功能。第二，由于碱基配对，一条 DNA 链的碱基序列能决定双螺旋另一条链的碱基序列。当初 Watson 和 Crick 就指出，“碱基配对提示遗传物质复制的可能机制。”如果 DNA 双螺旋分成两条 DNA 单链，那么每条 DNA 单链都可以作为模板，通过碱基配对的方式指导另一条链的合成（图 1.7）。DNA 双螺旋结构很漂亮地解释了分子结构与功能的关系。 图 1.7 DNA 复制。如果 DNA 分子分成两条链，每条链可以作为模板指导互补链的合成。 1.3 解释生物分子性质的化学概念 我们已经知道化学概念（即 DNA 碱基之间氢键形成能力）对于了解生物过程（遗传与复制） 的关键作用。为了给后续学习打下坚实基础，在此我们将考察一些化学概念，指出这些化学概念在 生物系统的应用。这些化学概念包括化学键种类、水分子（大多数生物反应的溶剂）结构、热力学 第一定律和第二定律、酸-碱定义。用这些化学概念进一步考察两个 DNA 单链形成 DNA 双螺旋的