化学与生命

化学与生命

摘要：生命的存在就是由一个又一个化学反应的积累而产生和发展的。可以说没有这么多丰富的化学反应，就没有现在如此丰富的物种和如此生机勃勃的地球！分别假定生命起源于地球的还原环境, 是由简单的化合物开始, 按照进化顺序, 经过漫长的地质年代,逐渐地形成复杂的有机物, 最后导致生命的产生。现在这种理论不仅在实验室里已模拟成功, 而且通过对地球和球外物体的检验得到了证实。下面本论文从植物、动物、微生物生命活动中的新陈代谢等化学反应，来阐述化学对于生命的重要性！ 关键词： 新陈代谢 动物 植物 微生物 化学反应 一、

化学与动物

[1]

生命中的新陈代谢，新陈代谢是生物体内全部有序化学变化的总称。它包括物质代谢和能量代谢两个方面。

物质代谢：是指生物体与外界环境之间物质的交换和生物体内物质的转变过程。可细分为：

从外界摄取营养物质并转变为自身物质。（同化作用） 自身的部分物质被氧化分解并排出代谢废物。（异化作用）

能量代谢：是指生物体与外界环境之间能量的交换和生物体内能量的转变过程。 可细分为：

储存能量（同化作用） 释放能量（异化作用）

在新陈代谢过程中，既有同化作用，又有异化作用。

同化作用：又叫做合成代谢)是指生物体把从外界环境中获取的营养物质转变成自身的组成物质，并且储存能量的变化过程。

异化作用：(又叫做分解代谢)是指生物体能够把自身的一部分组成物质加以分解，释放出其中的能量，并且把分解的终产物排出体外的变化过程。 1、 有氧呼吸

第一阶段：

在细胞质的基质中，一个分子的葡萄糖分解成两个分子的丙酮酸，同时脱下4个[H](活化氢)；在葡萄糖分解的过程中释放出少量的能量，其中一部分能量用于合成ATP，产生少量的ATP。这一阶段不需要氧的参与，是在细胞质基质中进行的。反应式：C6H12O6酶→2C3H4O3(丙酮酸)+4[H]+少量能量 (2ATP)

B、第二阶段：

丙酮酸进入线粒体的基质中，两分子丙酮酸和6个水分子中的氢全部脱下，共脱

下20个[H]，丙酮被氧化分解成二氧化碳；在此过程释放少量的能量，其中一部分用于合成ATP，产生少量的能量。这一阶段也不需要氧的参与，是在线粒体基质中进行的。反应式：2C3H4O3(丙酮酸)+6H2O酶→20[H]+6CO2+少量能量 (2ATP)

C、第三阶段：

在线粒体的内膜上，前两阶段脱下的共24个[H]与从外界吸收或叶绿体光合作用产生的6个O2结合成水；在此过程中释放大量的能量，其中一部分能量用于合成ATP，产生大量的能量。这一阶段需要氧的参与，是在线粒体内膜上进行的。反应式：24[H]+6O2酶→12H2O+大量能量(34ATP)。[H]是一种十分简化的表示方式。这一过程中实际上是氧化型辅酶Ⅰ（NAD+）转化成还原性辅酶Ⅰ（NADH）。

有氧呼吸的方程式

第一阶段 C6H12O6酶→细胞质基质=2丙酮酸（C3H4O3)+4[H]+能量（2ATP） 第二阶段 2丙酮酸（C3H4O3)+6H2O酶→线粒体基质=6CO2+20[H]+能量（2ATP） 第三阶段 24[H]+6O2酶→线粒体内膜=12H2O+能量（34ATP） 总反应式 C6H12O6+6H2O+6O2酶→6CO2+12H2O+大量能量（38ATP）

从中我们看出动物的有氧呼吸类似一种缓和的燃烧反应，把有机物中储存的大量能量缓和的持续的释放出来，以供给动物的各种活动时所需的能量。这是化学对生命的重大贡献，同时也是生命经过长期的选择最终找到了最适合的化学反应，从而使化学反应为生命在地球上的繁衍作出了巨大的贡献！ 2、动物体中蛋白质的合成

氨基酸

在进行合成多肽链之前,必须先经过活化,然后再与其特异的tRNA结合,带到mRNA相应的位置上,这个过程靠

tRNA合成催化剂,此酶催化特定的氨基酸与特异的tRNA相结合,生成各种氨基酰tRNA.每种氨基酸都靠其特有合成酶催化,使之和相对应的tRNA结合,在氨基酰tRNA合成酶催化下,利用ATP供能, 在氨基酸羧基上进行活化,形成氨基酰-AMP,再与氨基酰tRNA合成酶结合形成三联复合物,此复合物再与特异的tRNA作用,将氨基酰转移到tRNA的 氨基酸臂(即3'-末端CCA-OH)上。原核细胞中起始氨基酸活化后，还要甲酰化，形成甲酰蛋氨酸tRNA，由N10甲酰四氢叶酸提供甲酰基。 而真核细胞没有此过程。前面讲过运载同一种氨基酸的一组不同tRNA称为同功tRNA。一组同功tRNA由同一种氨酰基tRNA合成酶催化。氨基酰 tRNA合成酶对tRNA和氨基酸两者具有专一性，它对氨基酸的识别特异性很高，而对tRNA识别的特异性较低。氨基酰tRNA合成酶是如何选择正确的氨 基酸和tRNA呢？按照一般原理，酶和底物的正确结合是由二者相嵌的几何形状所决定的，只有适合的氨基酸和适合的tRNA进入合成酶的相应位点，才能合成 正确的氨酰基tRNA。现在已经知道合成酶与L形tRNA的内

侧面结合，结合点包括接近臂，DHU臂和反密码子臂。氨基酰－tRNA合成酶与 tRNA的相互作用，可见氨酸接受柄、乍看起来，反密码子似乎应该与氨基酸的正确负载有关，对于某些tRNA也确实如此，然而对于大多数tRNA来说，情 况并非如此，人们早就知道，当某些tRNA上的反密码子突变后，但它们所携带的氨工酸却没有改变。1988年，候稚明和Schimmel的实验证明丙氨酸 tRNA酸分子的氨基酸臂上G3：U70这两个碱基发生突变时则影响到丙氨酰tRNA合成酶的正确识别，说明G3：U70是丙氨酸tRNA分子决定其本质 的主要因素。tRNA分子上决定其携带氨基酸的区域叫做副密码子。一种氨基酰tRNA合成酶可以识别以一组同功

tRNA，这说明它们具有共同特征。例如三 种丙氨酸

tRNA

（tRNAAlm/CUA,tRNAAim/GGC,tRNAAin/UGC都具有G3：U70副密码子。）但没有充分的证据说明其它氨 基酰tRNA合成酶也识别同功tRNA组中相同的副密码子。另外副密码子也没有固定的位置，也可能并不止一个碱基对。

多肽链的合成

核蛋白体大小亚基，mRNA起始tRNA和起始因子共同参与肽链合成的起始。1、大肠杆菌细胞翻译起始复合物形成的过程：1）核糖体30S小亚基附着于mRNA起始信号部位：原核生物中每一个mRNA都具有其核糖体结合位点，它是位于AUG上游8-13个核苷酸处的一个短片段叫做SD序列。这段序列正好与30S小亚基中的16S rRNA3’端一部分序列互补，因此SD序列也叫做核糖体结合序列，这种互补就意味着核糖体能 选择mRNA上AUG的正确位置来起始肽链的合成，该结合反应由起始因子3（IF-3）介导，另外IF-1促进IF-3与小亚基的结合，故先形成 IF3-30S亚基-mRNA三元复合物。（2）30S前起始复合物的形成：在起始因子2作用下，甲酰蛋氨酰起 始tRNA与mRNA分子中的AUG相结合，即密码子与反密码子配对，同时IF3从三元复合物中脱落，形成30S前起始复合物，即IF2-3S亚基 -mRNA-fMet-tRNAfmet复合物，此步需要GTP 和Mg2+参与。（3）70S起始复合物的形成：50S亚基上述的30S前起始复合物结合，同时IF2脱落，形成70S起始复合物，即30S亚基 -mRNA-50S亚基-mRNA-fMet-tRNAfmet复合物。此时fMet-tRNAfmet占据着50S亚基的肽酰位。而A位则空着有待于对 应mRNA中第二个密码的相应氨基酰tRNA进入，从而进入延长阶段，以上过程见图3和图4。2、真核细胞蛋白质合成的起始真核细胞蛋白质合成起始复合物 的形成中需要更多的起始因子参与，因此起始过程也更复杂。（1）需要特异的起始tRNA即，-tRNAfmet，并且不需要N端甲酰化。已发现的真核起始因子有近10种（eukaryote Initiation factor,eIF）（2）起始复合物形成在mRNA5’端AUG上游的帽子结构，（除某些病毒mRNA外）（3）ATP水解为ADP供给mRNA结合所需要的能量。 真核细胞起始复合物的形成过程是：翻译起始也是由eIF-3结合在40S小亚基上而促进80S核糖体解离出60S大亚基开始，同时eIF-2在辅eIF- 2作用下，与Met-tRNAfmet及GTP结合，再通过eIF-3及eIF-4C的作用，先结合到40S小亚基，然后再与mRNA结合。mRNA结合 到40S小亚基时，除了eIF-3参加外，还需要eIF-1、eIF-4A及eIF-4B并由ATP小解为ADP及Pi来供能，通

过帽结合因子与mRNA 的帽结合而转移到小亚基上。但是在mRNA5’端并未发现能与小亚基18SRNA配对的S-D序列。目前认为通过帽结合后，mRNA在小亚基上向下游移动 而进行扫描，可使mRNA上的起始密码AUG在Met-tRNAfmet的反密码位置固定下来，进行翻译起始。

肽链的延长、终止和释放

多肽链的延长在多肽链上每增加一个氨基酸都需要经过进位，转肽和移位三个步骤。（1）为密码子所特定的氨基酸tRNA结合到核蛋白体的A位，称为进位。氨基酰tRNA在进位前需要有三种延长因子的 作用，即，热不稳定的E（Unstable temperature,EF）EF-Tu,热稳定的EF(stable temperature EF,EF-Ts)以及依赖GTP的转位因子。EF-Tu首先与GTP结合，然后再与氨基酰tRNA结合成三元复合物，这样的三元复合物才能进入A位。此 时GTP水解成GDP，EF-Tu和GDP与结合在A位上的氨基酰tRNA分离。

多肽链合成后的加工修饰

1．一级结构的加工修饰：

⑴N端甲酰蛋氨酸或蛋氨酸的切除：N端甲酰蛋氨酸是多肽链合成的起始氨基酸，必须在多肽链折迭成一定的空间结构之前被切除。其过程是：① 去甲酰化；② 去蛋氨酰基。

⑵氨基酸的修饰：由专一性的酶催化进行修饰，包括糖基化、羟基化、磷酸化、甲酰化等。

⑶二硫键的形成：由专一性的氧化酶催化，将-SH氧化为-S-S-。 ⑷肽段的切除：由专一性的蛋白酶催化，将部分肽段切除。 2．高级结构的形成：

⑴构象的形成：在分子内伴侣、辅助酶及分子伴侣的协助下，形成特定的空间构象。 ⑵亚基的聚合。 ⑶辅基的连接。

3．靶向输送：蛋白质合成后，定向地被输送到其执行功能的场所称为靶向输送。大多数情况下，被 输送的蛋白质分子需穿过膜性结构，才能到达特定的地点。因此，在这些蛋白质分子的氨基端，一般都带有一段疏水的肽段，称为信号肽。分泌型蛋白质的定向输 送，就是靠信号肽与胞浆中的信号肽识别粒子（SRP）识别并特异结合，然后再通过SRP与膜上的对接蛋白（DP）识别并结合后，将所携带的蛋白质送出细 胞。

信号肽假说：信号肽位于新合成的分泌蛋白N端。对分泌蛋白的靶向运输起决定作用。①细胞内的信号肽识别颗粒（SRP）识别信号肽，使肽链合成暂时停止，SRP引导核蛋白体结合粗面内质网膜；②SRP识别、结合内质网膜上的对接蛋白,水解GTP使SRP分离，多肽链继续延长；③信号肽引导延长多肽进入内质网腔后，经信号肽酶切除。分泌蛋白在高尔基体包装成分泌颗粒出胞。

蛋白质对于动物体的生长、发育和繁殖都具有至关重要的的作用，可以说没有蛋白质就没有生命。简单的此类化学反应可以产生如此多种的反应物质---蛋白质。而各种蛋白质有

的直接通过反应组成动物体的组织器官，有的参与动物体的反应。 二、

化学与植物

在这里仅以植物的光合作用为例阐述化学反应对植物的重要作用！ 光合作用可分为光反应和碳反应（旧称暗反应）两个阶段 卡尔文循环 2.1 光反应

条件：光照、光合色素、光反应酶。 场所：叶绿体的类囊体薄膜。(色素） 光合作用的发现：

水(原料)+二氧化碳 （原料） 光（条件）&叶绿体（场所）=氧气（产物）+有机物（产物）

过程：①水的光解：2H2O→4[H]+O2(在光和叶绿体中的色素的催化下）。②ATP的合成：ADP+Pi+能量→ATP（在光、酶和叶绿体中的色素的催化下）。

影响因素：光照强度、CO2浓度、水分供给、温度、酸碱度、矿质元素等。 意义：①光解水，产生氧气。②将光能转变成化学能，产生ATP，为碳反应提供能量。③利用水光解的产物氢离子，合成NADPH（还原型辅酶Ⅱ），为碳反应提供还原剂NADPH（还原型辅酶Ⅱ），NADPH（还原型辅酶Ⅱ）同样可以为碳反应提供能量。 详细过程如下:

系统由多种色素组成，如叶绿素a(Chlorophyll a)、叶绿素b(Chlorophyll b)、类胡萝卜素(Carotenoids)等组成。既拓宽了光合作用的作用光谱，其他的色素也能吸收过度的强光而产生所谓的光保护作用(Photoprotection)。在此系统里，当光子打到系统里的色素分子时，会如图片所示一般，电子会在分子之间移转，直到反应中心为止。反应中心有两种，光系统一吸收光谱于700nm达到高峰，系统二则是680nm为高峰。反应中心是由叶绿素a及特定蛋白质所组成(这边的叶绿素a是因为位置而非结构特殊)，蛋白质的种类决定了反应中心吸收之波长。反应中心吸收了特定波长的光线后，叶绿素a激发出了一个电子，而旁边的酵素使水裂解成氢离子和氧原子，多余的电子去补叶绿素a分子上的缺。然后叶绿素a透过如图所示的过程，生产ATP与NADPH（还原型辅酶）分子，过程称之为电子传递链(Electron Transport Chain)。

2.2 碳反应

碳反应的实质是一系列的酶促反应。 条件：碳反应酶。 场所：叶绿体基质。

影响因素：温度、CO2浓度、酸碱度等。

过程：不同的植物，碳反应的过程不一样，而且叶片的解剖结构也不相同。这是植物对

环境的适应的结果。碳反应可分为C3、C4和CAM三种类型。三种类型是因二氧化碳的固定这一过程的不同而划分的。对于最常见的C3的反应类型，植物通过气孔将CO2由外界吸入细胞内，通过自由扩散进入叶绿体。叶绿体中含有C5。起到将CO2固定成为C3的作用。C3再与NADPH在ATP供能的条件下反应，生成糖类（CH2O）并还原出C5。被还原出的C5继续参与暗反应。

光合作用的实质是把CO2和H2O转变为有机物（物质变化）和把光能转变成ATP中活跃的化学能再转变成有机物中的稳定的化学能（能量变化）。

CO2+H2O（ 光照、酶、 叶绿体）==(CH2O)+O2 （CH2O）表示糖类

三、

化学与微生物

在微生物体内有着各种各样的化学反应在时时刻刻的进行着，有些对于人类有着革命性的意义，例如青霉菌产生青霉素。

并且有些微生物体内有着不同于动物、植物的化学反应，使其能够在特殊的环境条件下生存繁衍。以硝化细菌的硝化作用为例。

硝化作用是指氨在微生物作用下氧化为硝酸的过程。硝化细菌将氨氧化为硝酸的过程。 第一阶段

第一阶段为亚硝化，即氨氧化为亚硝酸的阶段。参与这个阶段活动的亚硝化作用过程

第二阶段

第二阶段为硝化，即亚硝酸氧化为硝酸的阶段。

异养型硝化微生物的硝化能力虽弱，但在土壤中的数量却十分庞大，因而在硝化作用中也有相当意义。

以上我仅从动物、植物和微生物方面介绍化学反应在生命中的重要所用！其实化学反应在生命活动中的各个方面，没有如此丰富的重要的化学反应就没有生命的生生不息，就没有地球的生机勃勃。由此可见化学与生命有着密切的联系，化学是生命更加丰富多彩，而生命又赋予化学更重要更神圣的意义。 参考文献

【1】阎佐鹏 胡成一地球化学与生命起源 China Academic Journal Electronic Publishing House.1994-2010.1

环境的适应的结果。碳反应可分为C3、C4和CAM三种类型。三种类型是因二氧化碳的固定这一过程的不同而划分的。对于最常见的C3的反应类型，植物通过气孔将CO2由外界吸入细胞内，通过自由扩散进入叶绿体。叶绿体中含有C5。起到将CO2固定成为C3的作用。C3再与NADPH在ATP供能的条件下反应，生成糖类（CH2O）并还原出C5。被还原出的C5继续参与暗反应。

光合作用的实质是把CO2和H2O转变为有机物（物质变化）和把光能转变成ATP中活跃的化学能再转变成有机物中的稳定的化学能（能量变化）。

CO2+H2O（ 光照、酶、 叶绿体）==(CH2O)+O2 （CH2O）表示糖类

三、

化学与微生物

在微生物体内有着各种各样的化学反应在时时刻刻的进行着，有些对于人类有着革命性的意义，例如青霉菌产生青霉素。

并且有些微生物体内有着不同于动物、植物的化学反应，使其能够在特殊的环境条件下生存繁衍。以硝化细菌的硝化作用为例。

硝化作用是指氨在微生物作用下氧化为硝酸的过程。硝化细菌将氨氧化为硝酸的过程。 第一阶段

第一阶段为亚硝化，即氨氧化为亚硝酸的阶段。参与这个阶段活动的亚硝化作用过程

第二阶段

第二阶段为硝化，即亚硝酸氧化为硝酸的阶段。

异养型硝化微生物的硝化能力虽弱，但在土壤中的数量却十分庞大，因而在硝化作用中也有相当意义。

以上我仅从动物、植物和微生物方面介绍化学反应在生命中的重要所用！其实化学反应在生命活动中的各个方面，没有如此丰富的重要的化学反应就没有生命的生生不息，就没有地球的生机勃勃。由此可见化学与生命有着密切的联系，化学是生命更加丰富多彩，而生命又赋予化学更重要更神圣的意义。 参考文献

【1】阎佐鹏 胡成一地球化学与生命起源 China Academic Journal Electronic Publishing House.1994-2010.1

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/p6w7.html