生物化学 · 原理精讲 · 中英对照

第一章 绪论 生命的分子基础

《Lehninger 生物化学原理》第八版 — 第1章 生物化学的基础

Lehninger Principles of Biochemistry, Eighth Edition — Chapter 1 The Foundations of Biochemistry · David L. Nelson; Michael M. Cox · 62 段教材原文 · 15 幅插图
← 目录
彩色背诵 →
From the textbook

Biochemistry asks how the remarkable properties of living organisms arise from thousands of different biomolecules. When these molecules are isolated and examined individually, they conform to all the physical and chemical laws that describe the behavior of inanimate matter — as do all the processes occurring in living organisms. The study of biochemistry shows how the collections of inanimate molecules that constitute living organisms interact to maintain and perpetuate life governed solely by the same physical and chemical laws that govern the nonliving universe.

开篇导读

生物化学要追问的是:生物体那些非凡的性质,是如何从成千上万种不同的生物分子中产生的。当把这些分子分离出来、单个地加以考察时,它们完全遵从描述无生命物质行为的一切物理和化学定律——发生在生物体内的一切过程也同样如此。生物化学的研究表明:构成生物体的这些无生命分子的集合,是如何相互作用以维持并延续生命的,而这一切仅仅受支配着无生命宇宙的那些相同的物理和化学定律所支配。

生物化学是什么:本章的五大基础What Biochemistry Is, and the Five Foundations of This Chapter

考点一:生物化学简介
Original text

Biochemistry describes in molecular terms the structures, mechanisms, and chemical processes shared by all organisms and provides organizing principles that underlie life in all its diverse forms. Although biochemistry provides important insights and practical applications in medicine, agriculture, nutrition, and industry, its ultimate concern is with the wonder of life itself.

中文翻译

生物化学用分子的语言来描述一切生物体所共有的结构、机制和化学过程,并提供支撑生命一切多样形式的组织性原理。尽管生物化学在医学、农业、营养学和工业中提供了重要的洞见与实际应用,但它最终关心的仍然是生命本身的奇妙。

§第1章 引言 · 教材 p. 101
Original text

In this introductory chapter we give an overview of the cellular, chemical, physical, and genetic backgrounds of biochemistry and the overarching principle of evolution — how life emerged and evolved into the diversity of organisms we see today.

中文翻译

在这一导论性的章节中,我们将概述生物化学的细胞基础、化学基础、物理基础和遗传基础,以及贯穿其中的进化这一总原则——即生命是如何产生、又是如何演化成我们今天所见的形形色色的生物体的。

§第1章 引言 · 教材 p. 101
Original text

In each chapter of this book, we organize our discussion around central principles or issues in biochemistry. In this chapter, we consider the features that define a living organism, and we develop these principles: Cells are the fundamental unit of life. Although they vary in complexity and can be highly specialized for their environment or function within a multicellular organism, they share remarkable similarities.

中文翻译

在本书的每一章里,我们都围绕生物化学中的核心原理或核心问题来组织讨论。在本章中,我们考察那些界定「生物体」的特征,并展开以下这些原理:细胞是生命的基本单位。尽管细胞在复杂程度上各不相同,并且可以为适应其环境、或为在多细胞生物体内行使某种功能而高度特化,但它们彼此之间仍具有非凡的相似性。

§第1章 引言 · 教材 p. 99–100
Original text

Cells use a relatively small set of carbon-based metabolites to create polymeric machines, supramolecular structures, and information repositories. The chemical structure of these components defines their cellular function. The collection of molecules carries out a program, the end result of which is reproduction of the program and selfperpetuation of that collection of molecules — in short, life. Living organisms exist in a dynamic steady state, never at equilibrium with their surroundings. Following the laws of thermodynamics, living organisms extract energy from their surroundings and employ it to maintain homeostasis and do useful work. Essentially all of the energy obtained by a cell comes from the flow of electrons, driven by sunlight or by metabolic redox reactions.

中文翻译

细胞利用一套相对很小的、以碳为骨架的代谢物集合,来造出聚合物机器、超分子结构和信息储存库。这些组件的化学结构决定了它们在细胞中的功能。这一组分子执行着一套程序,其最终结果是该程序被复制、并且这一组分子实现自我延续——一句话,这就是生命。生物体处于一种动态稳态之中,从不与其环境处于平衡状态。遵循热力学定律,生物体从其环境中提取能量,并利用这些能量来维持内稳态、做有用功。细胞所获得的能量,本质上全部来自电子的流动,而电子流动由阳光或代谢性氧化还原反应所驱动。

§第1章 引言 · 教材 p. 100
Original text

Cells have the capacity for precise self-replication and self-assembly using chemical information stored in the genome. A single bacterial cell placed in a sterile nutrient medium can give rise to a billion identical “daughter” cells in 24 hours. Each cell is a faithful copy of the original, its construction directed entirely by information contained in the genetic material of the original cell. On a larger scale, the progeny of vertebrate animals share a striking resemblance to their parents, also the result of their inheritance of parental genes.

中文翻译

细胞能够利用储存在基因组中的化学信息,进行精确的自我复制与自我组装。把一个细菌细胞放入无菌的营养培养基中,24 小时内就能产生十亿个完全相同的「子」细胞。每一个细胞都是原细胞的忠实拷贝,其构建完全由原细胞遗传物质中所含的信息所指导。在更大的尺度上,脊椎动物的后代与其亲代惊人地相似,这同样是它们继承了亲本基因的结果。

§第1章 引言 · 教材 p. 100
Original text

Biochemistry aims to explain biological form and function in chemical terms. During the first half of the twentieth century, parallel biochemical investigations of glucose breakdown in yeast and in animal muscle cells revealed remarkable chemical similarities between these two apparently very different cell types; for example, the breakdown of glucose in yeast and in muscle cells involved the same 10 chemical intermediates and the same 10 enzymes. Subsequent studies of many other biochemical processes in many different organisms have confirmed the generality of this observation, neatly summarized in 1954 by the biochemist Jacques Monod: “What is true of E. coli is true of the elephant.”

中文翻译

生物化学的目标,是用化学的语言来解释生物的形态与功能。20 世纪上半叶,人们对酵母和动物肌细胞中葡萄糖分解过程分别进行的生化研究表明,这两类表面上差异极大的细胞之间存在着显著的化学相似性:例如,葡萄糖在酵母中和在肌细胞中的分解,都要经过同样的 10 个化学中间物、由同样的 10 种酶催化。此后对许多不同生物体中许多其他生化过程的研究,进一步证实了这一观察的普遍性;1954 年,生物化学家 Jacques Monod 把它精辟地概括为:「对大肠杆菌成立的,对大象也成立。」

§1.2 化学基础 开篇 · 教材 p. 127
原理解读

把 Lehninger 的这几段和笔记「考点一」放在一起读,就能看清中文笔记为什么要那样分模块。笔记说生物化学发展分三阶段(静态阶段—酶、维生素、激素的发现;动态阶段—代谢途径、呼吸、光合作用;现代阶段—DNA 结构、中心法则、操纵子学说、DNA 重组技术、RNA 具有酶的功能),这三个阶段其实正好对应 Lehninger 第 1 章的三条主线:静态阶段回答「生命由什么物质组成」(对应 1.2 化学基础),动态阶段回答「这些物质怎样流动和转化、能量从哪来」(对应 1.3 物理基础),现代阶段回答「信息如何储存、传递和演化」(对应 1.4 遗传基础与 1.5 进化基础)。Lehninger 全章的骨架是五大基础:Cellular(细胞基础)、Chemical(化学基础)、Physical(物理基础)、Genetic(遗传基础)、Evolutionary(进化基础)。理解这个骨架,考场上遇到「生物化学研究什么」这类名词解释或简答,你就能答得既有定义又有层次,而不是只背一句「研究生命现象的化学本质」。

原理解读

关于笔记里的人物与年代(J. B. Sumner 1926 年制得世界上第一个结晶酶——脲酶并证明其为蛋白质;Sanger 1955 年确定牛胰岛素化学结构、1958 年获诺贝尔化学奖、又因设计测定 DNA 核苷酸序列的方法获 1980 年诺贝尔化学奖;吴宪开创我国生化学科;王应睐是我国生物化学奠基人之一,创办上海生物化学研究所,1965 年人工合成结晶牛胰岛素,1983 年用有机合成与酶促合成结合法合成酵母丙氨酸转移核糖核酸)——这些史实来源是《27生化高分笔记》第 4 页考点一,Lehninger 第 8 版第 1 章并未逐条叙述,因此本页不给出对应英文原文引用。这里只作出处说明,不作任何推测性补充:请以笔记原文为准背诵,它们是填空题的直接考点。

术语对照
  • 生物化学biochemistry用化学的语言描述一切生物体共有的结构、机制与化学过程的学科。
  • 生化统一性biochemical unity不同生物体使用同一套化学中间物与化学转化,是共同祖先的证据之一。
  • 代谢物metabolite细胞内参与代谢途径的小分子中间物。
  • 动态稳态dynamic steady state组成基本恒定但物质与能量持续流过的状态,远离平衡。
  • 内稳态homeostasis生物体维持内部环境相对恒定的能力。

1.1 细胞基础:生命的基本单位——细胞1.1 Cellular Foundations

考点一:生物化学简介(生命的基本单位——细胞)
Original text

The unity and diversity of organisms become apparent even at the cellular level. The smallest organisms consist of single cells and are microscopic. Larger, multicellular organisms contain many different types of cells, which vary in size, shape, and specialized function. Despite these obvious differences, all cells of the simplest and most complex organisms share certain fundamental properties, which can be seen at the biochemical level.

中文翻译

生物体的统一性与多样性,甚至在细胞水平上就已经显现出来。最小的生物体由单个细胞组成,且是显微镜下才能看见的。较大的多细胞生物体则含有许多不同类型的细胞,它们在大小、形状和特化功能上各不相同。尽管存在这些显而易见的差异,最简单的生物体和最复杂的生物体的所有细胞,都共有某些基本属性,而这些属性在生化水平上可以被观察到。

§1.1 细胞是一切生物体的结构与功能单位 · 教材 p. 103
Original text

Cells of all kinds share certain structural features (Fig. 1-1). The plasma membrane defines the periphery of the cell, separating its contents from the surroundings. It is composed of lipid and protein molecules that form a thin, tough, pliable, hydrophobic barrier around the cell. The membrane is a barrier to the free passage of inorganic ions and most other charged or polar molecules. Transport proteins in the plasma membrane allow the passage of certain ions and molecules, receptor proteins transmit signals into the cell, and membrane enzymes participate in some reaction pathways. Because the individual lipids and proteins of the plasma membrane are not covalently linked, the entire structure is remarkably flexible, allowing changes in the shape and size of the cell.

中文翻译

各种各样的细胞都共有某些结构特征(图 1-1)。质膜界定了细胞的边界,把细胞的内容物与周围环境隔开。它由脂质分子和蛋白质分子组成,这些分子在细胞周围形成一层薄的、坚韧的、柔韧可变的疏水屏障。这层膜是无机离子和大多数其他带电分子或极性分子自由通过的屏障。质膜中的转运蛋白允许某些离子和分子通过,受体蛋白把信号传递进细胞内,膜酶则参与某些反应途径。由于质膜中的各个脂质分子与蛋白质分子之间并不是共价连接的,整个结构非常柔韧,从而允许细胞的形状和大小发生改变。

§1.1 细胞是一切生物体的结构与功能单位 · 教材 p. 103
Original text

All cells have, for at least some part of their life, either a nucleoid or a nucleus, in which the genome — the complete set of genes, composed of DNA (deoxyribonucleic acid) — is replicated and stored, with its associated proteins. The nucleoid, in bacteria and archaea, is not separated from the cytoplasm by a membrane; the nucleus, in eukaryotes, is enclosed within a double membrane, the nuclear envelope. Cells with nuclear envelopes make up the large domain Eukarya (Greek eu, “true,” and karyon, “nucleus”). Microorganisms without nuclear membranes, formerly grouped together as prokaryotes (Greek pro, “before”), are now recognized as comprising two very distinct groups: the domains Bacteria and Archaea, described below.

中文翻译

所有细胞在其生命过程中至少某个阶段,都拥有一个拟核或一个细胞核,基因组——即由 DNA(脱氧核糖核酸)组成的全套基因——连同与之结合的蛋白质,就在其中被复制和储存。细菌和古菌中的拟核并不被膜与细胞质分隔开;而真核生物中的细胞核则被一层双层膜即核被膜所包被。具有核被膜的细胞构成了「真核生物域」这一大类群(希腊文 eu 意为「真的」,karyon 意为「核」)。没有核膜的微生物过去被笼统地归为原核生物(希腊文 pro 意为「在……之前」),现在则被认识到包含两个非常不同的类群:细菌域和古菌域,下文将加以叙述。

§1.1 细胞的大小受扩散限制 · 教材 p. 105
图 1-1 活细胞的普遍特征。所有细胞都拥有含有其 DNA 的细胞核或拟核、一层质膜以及细胞质。真核细胞还含有多种由膜包被的细胞器(包括线粒体和叶绿体)和大颗粒(例如核糖体)。
图注 · 图 1-1 活细胞的普遍特征。所有细胞都拥有含有其 DNA 的细胞核或拟核、一层质膜以及细胞质。真核细胞还含有多种由膜包被的细胞器(包括线粒体和叶绿体)和大颗粒(例如核糖体)。
Caption · FIGURE 1-1 The universal features of living cells. All cells have a nucleus or nucleoid containing their DNA, a plasma membrane, and cytoplasm. Eukaryotic cells contain a variety of membrane-bounded organelles (including mitochondria and chloroplasts) and large particles (ribosomes, for example).
怎么看 · 核心是「原核 vs 真核」的尺度与结构对比:细菌只有拟核、无核膜、无膜细胞器,直径约 1 μm;动物细胞有真正的核膜包被细胞核和各种膜细胞器,直径 20–50 μm(体积相差上千倍)。考研常考的正是「拟核 nucleoid ≠ 细胞核 nucleus」以及有无膜细胞器这两点。
讲解 · 这张图是「细胞的同一性」最直接的图示:不论细菌、植物还是动物细胞,都可以拆成同样的三件套——遗传物质所在的核/拟核、把内外隔开的质膜、以及进行代谢的细胞质。差别只在真核细胞多出了一整套膜包被的细胞器。考名词解释「细胞」或简答「细胞的共同特征」时,按这三件套答,再补一句真核多细胞器,逻辑最清楚。
图内标注中英对照 · 11 条
English中文
1 μm1 μm(细菌细胞直径标尺)
Cytoplasm细胞质
Plasma membrane质膜(细胞膜)
Ribosomes核糖体
Nucleus细胞核
Nucleoid拟核(类核)
Nuclear membrane核膜
Membrane-bounded organelles膜结合细胞器(有膜细胞器)
20–50 μm20–50 μm(动物细胞直径标尺)
Bacterial cell细菌细胞
Animal cell动物细胞
Original text

The upper limit of cell size is probably set by the rate of transport of nutrients into the cell and waste products out. As the size of a cell increases, its surface-to-volume ratio decreases. For a spherical cell, the surface area is a function of the square of the radius (r2), whereas its volume is a function of r3. A bacterial cell the size of Eschericia coli is so small, and the ratio of its surface area to its volume is so large, that every part of its cytoplasm is easily reached by nutrients moving across the membrane and into the cell. With increasing cell size, surface-to-volume ratio decreases, until metabolism consumes nutrients faster than transmembrane carriers can supply them.

中文翻译

细胞大小的上限,很可能是由营养物质运入细胞、废物运出细胞的速率所决定的。随着细胞体积增大,其表面积与体积之比减小。对一个球形细胞而言,表面积是半径平方(r²)的函数,而体积则是 r³ 的函数。像大肠杆菌那样大小的细菌细胞非常小,其表面积与体积之比非常大,以至于跨膜进入细胞的营养物质很容易到达其细胞质的每一个部分。随着细胞体积增大,表面积与体积之比减小,直到代谢消耗营养物质的速度快于跨膜载体供应它们的速度为止。

§1.1 细胞的大小受扩散限制 · 教材 p. 106
Original text

In one interpretation of sequence similarities, all living organisms fall into one of three large groups (domains) that define three branches of the evolutionary tree of life originating from a common progenitor (Fig. 1-3). Two large groups of single-celled microorganisms can be distinguished on genetic and biochemical grounds: Bacteria and Archaea. Bacteria inhabit soils, surface waters, and the tissues of other living or decaying organisms. Many of the Archaea, recognized as a distinct domain by the microbiologist Carl Woese in the 1980s, inhabit extreme environments — salt lakes, hot springs, highly acidic bogs, and the ocean depths. The available evidence suggests that the Archaea and Bacteria diverged early in evolution. All eukaryotic organisms, which make up the third domain, Eukarya, evolved from the same branch that gave rise to the Archaea; eukaryotes are therefore more closely related to archaea than to bacteria.

中文翻译

按照对序列相似性的一种解释,所有生物都可归入三大类群(域)之一,它们代表了源自共同祖先的生命进化树上的三个分支(图 1-3)。其中两大类单细胞微生物可以在遗传学与生物化学的基础上加以区分:细菌(Bacteria)与古菌(Archaea)。细菌栖居于土壤、地表水以及其他活的或正在腐败的生物的组织中。古菌是微生物学家 Carl Woese 在 20 世纪 80 年代确认为一个独立域的类群,其中许多成员栖居于极端环境——盐湖、温泉、强酸性沼泽以及深海。现有证据提示,古菌与细菌在进化的早期就已分道扬镳。所有真核生物构成第三个域,即真核域(Eukarya),它们由产生古菌的同一分支演化而来;因此真核生物与古菌的亲缘关系比与细菌更近。

§1.1 生物体分属三个不同的生命域 · 教材 p. 108
图 1-3 三个生命域的系统发生。系统发生关系常常用这一类「family tree(谱系树)」来图示。这棵树的依据,是各类群核糖体 RNA 核苷酸序列之间的相似性。[信息来自 C. R. Woese, Microbiol. Rev. 51:221, 1987, 图 4。]
图注 · 图 1-3 三个生命域的系统发生。系统发生关系常常用这一类「family tree(谱系树)」来图示。这棵树的依据,是各类群核糖体 RNA 核苷酸序列之间的相似性。[信息来自 C. R. Woese, Microbiol. Rev. 51:221, 1987, 图 4。]
Caption · FIGURE 1-3 Phylogeny of the three domains of life. Phylogenetic relationships are often illustrated by a “family tree” of this type. The basis for this tree is the similarity in nucleotide sequences of the ribosomal RNAs of each group. [Information from C. R. Woese, Microbiol. Rev. 51:221, 1987, Fig. 4.]
怎么看 · 这是基于 16S rRNA 序列构建的「三域系统发生树」,重点看树根处的 LUCA 分出三大分支:Bacteria、Archaea、Eukarya,并注意古菌与真核生物在树上更接近(共同分支后才分开),这是判断亲缘关系的高频考点。分支上的具体属名只需知道古菌多为产甲烷菌、嗜热菌、嗜盐菌等极端环境类群。
讲解 · 注意这棵树是用 rRNA 序列建起来的,这正是 Woese 在 1980 年代把古菌单列为一个域的核心证据。看图时要抓住两点:一是三域共有一个根(共同祖先),这是「生化统一性」的进化解释;二是真核生物的分支从古菌一侧分出,所以「真核比细菌更接近古菌」。这一点在细胞生物学绪论里也会考,可与细胞学部分互相印证。
图内标注中英对照 · 27 条
English中文
Bacteria细菌域
Flavobacteria黄杆菌类
Cyanobacteria蓝细菌(蓝藻)
Proteobacteria (Purple bacteria)变形菌门(紫细菌)
Gram-positive bacteria革兰氏阳性细菌
Green nonsulfur bacteria绿色非硫细菌
Thermotogales热袍菌目(嗜热厌氧菌)
Archaea古菌域
Pyrodictium火网菌属(超嗜热古菌)
Thermoproteus热变形菌属
Thermococcus热球菌属
Methanococcus甲烷球菌属
Methanobacterium甲烷杆菌属
Methanosarcina甲烷八叠球菌属
Halophiles嗜盐菌(嗜盐古菌)
Eukarya真核生物域
Entamoebae内阿米巴(变形虫类)
Slime molds黏菌
Animals动物
Fungi真菌
Plants植物
Ciliates纤毛虫
Flagellates鞭毛虫
Trichomonads毛滴虫类
Microsporidia微孢子虫
Diplomonads双滴虫类
Last universal common ancestor最后的共同祖先(LUCA,末祖)
Original text

Macromolecules and their monomeric subunits differ greatly in size. An alanine molecule is less than 0.5 nm long. A molecule of hemoglobin, the oxygen-carrying protein of erythrocytes (red blood cells), consists of nearly 600 amino acid subunits in four long chains, folded into globular shapes and associated in a structure 5.5 nm in diameter. In turn, proteins are much smaller than ribosomes (about 20 nm in diameter), which are much smaller than organelles such as mitochondria, typically 1 μm in diameter. It is a long jump from simple biomolecules to cellular structures that can be seen with the light microscope. Figure 1-9 illustrates the structural hierarchy in cellular organization.

中文翻译

大分子与其单体亚基在大小上差别极大。一个丙氨酸分子的长度不到 0.5 nm。血红蛋白——红细胞中的携氧蛋白——的一个分子由分布在四条长肽链中的近 600 个氨基酸亚基组成,折叠成球状并缔合成一个直径 5.5 nm 的结构。反过来,蛋白质又比核糖体(直径约 20 nm)小得多,而核糖体又比线粒体这类细胞器(典型直径 1 μm)小得多。从简单的生物分子跨越到光学显微镜下可见的细胞结构,是一次很大的跃迁。图 1-9 图示了细胞组织中的结构层次。

§1.1 细胞建造超分子结构 · 教材 p. 122
图 1-9 细胞分子组织中的结构层次。细胞器以及细胞中其他相对较大的组分,由超分子复合体构成;超分子复合体又由更小的大分子、乃至更小的分子亚基构成。例如,这个植物细胞的细胞核中含有染色质,这是一种由 DNA 和碱性蛋白质(组蛋白)组成的超分子复合体。DNA 由简单的单体亚基(核苷酸)构成,蛋白质也一样(由氨基酸构成)。[信息来自 W. M. Becker 与 D. W. Deamer, The World of the Cell, 第 2 版, 图 2-15, Benjamin/Cummings 出版公司, 1991。]
图注 · 图 1-9 细胞分子组织中的结构层次。细胞器以及细胞中其他相对较大的组分,由超分子复合体构成;超分子复合体又由更小的大分子、乃至更小的分子亚基构成。例如,这个植物细胞的细胞核中含有染色质,这是一种由 DNA 和碱性蛋白质(组蛋白)组成的超分子复合体。DNA 由简单的单体亚基(核苷酸)构成,蛋白质也一样(由氨基酸构成)。[信息来自 W. M. Becker 与 D. W. Deamer, The World of the Cell, 第 2 版, 图 2-15, Benjamin/Cummings 出版公司, 1991。]
Caption · FIGURE 1-9 Structural hierarchy in the molecular organization of cells. The organelles and other relatively large components of cells are composed of supramolecular complexes, which in turn are composed of smaller macromolecules and even smaller molecular subunits. For example, the nucleus of this plant cell contains chromatin, a supramolecular complex that consists of DNA and basic proteins (histones). DNA is made up of simple monomeric subunits (nucleotides), as are proteins (amino acids). [Information from W. M. Becker and D. W. Deamer, The World of the Cell, 2nd edn, Fig. 2-15, Benjamin/Cummings Publishing Company, 1991.]
怎么看 · 从左到右是「细胞结构的层次拆解」:细胞器 → 超分子复合物 → 大分子 → 单体,重点掌握三条对应主线——染色质→DNA→核苷酸、质膜→蛋白质→氨基酸、细胞壁→纤维素→单糖。考研要能反向复述:单体经共价缩合成大分子,大分子靠非共价力组装成超分子复合物。
讲解 · 这张图是全章的「组织原则」总纲:小分子前体 → 单体亚基 → 大分子 → 超分子复合体 → 细胞器 → 细胞。要特别记住层级之间的连接方式不同:大分子内部(如肽键、磷酸二酯键)靠共价键,而超分子复合体这一层主要靠非共价相互作用维系——这正是笔记考点三「非共价键在维持生物大分子三维结构上的作用」在教材中的位置。答题时把这条层级链画出来,就是一个满分的框架。
图内标注中英对照 · 15 条
English中文
The cell and its organelles细胞及其细胞器
Supramolecular complexes超分子复合物
Macromolecules生物大分子
Monomeric units单体单位(构件分子)
Chromatin染色质
DNADNA(脱氧核糖核酸)
Nucleotides核苷酸
Plasma membrane质膜
Protein蛋白质
Amino acids氨基酸
Cell wall细胞壁
Cellulose纤维素
Sugars糖(单糖)
COO⁻ / H₃N⁺—C—H / CH₃(丙氨酸的结构式,不译)
CH₂OH / OH / HO / H(葡萄糖的结构式,不译)
原理解读

为什么细胞不能无限大?因为表面积按 r² 增长而体积按 r³ 增长,细胞长大一倍,「进货口」只增大四倍,而「消耗量」增大八倍,物质交换迟早跟不上代谢。理解了这一条,就能顺带解释很多现象:动物细胞表面高度折叠(增大表面积)、大细胞往往靠胞内的膜系统把体积再分隔成小区室、以及为什么原核细胞普遍很小。这类「为什么」在细胞生物学的简答题里出现频率远高于生化,但两科可以共用同一套解释。

术语对照
  • 质膜plasma membrane由脂质与蛋白质构成的疏水屏障,界定细胞边界。
  • 细胞质/胞质溶胶cytoplasm / cytosol细胞质是质膜内的全部内含物;胞质溶胶是其中离心后不沉降的可溶部分。
  • 拟核nucleoid细菌与古菌中不被膜包被的基因组所在区域。
  • domain生命的最高分类阶元:细菌域、古菌域、真核生物域。
  • 超分子复合体supramolecular complex由多个大分子借非共价相互作用装配成的功能单位,如核糖体、染色质。
  • 表面积与体积之比surface-to-volume ratio限制细胞体积上限的关键几何量。

1.2 化学基础:碳、官能团与生命物质的化学组成1.2 Chemical Foundations: Carbon, Functional Groups, and the Chemical Composition of Living Matter

考点一:生物化学简介(生命物质的化学组成)
Original text

Fewer than 30 of the more than 90 naturally occurring chemical elements are known to be essential to organisms. Most of the elements in living matter have a relatively low atomic number; only three have an atomic number above that of selenium, 34 (Fig. 1-11). The four most abundant elements in living organisms, in terms of percentage of total number of atoms, are hydrogen, oxygen, nitrogen, and carbon, which together make up more than 99% of the mass of most cells. They are the lightest elements capable of efficiently forming one, two, three, and four bonds, respectively; in general, the lightest elements form the strongest bonds.

中文翻译

在 90 多种天然存在的化学元素中,已知对生物体必需的不到 30 种。生命物质中的大多数元素原子序数相对较低;只有三种元素的原子序数高于硒(34 号)(图 1-11)。若按原子总数的百分比计,生物体中含量最丰富的四种元素是氢、氧、氮和碳,它们合起来占大多数细胞质量的 99% 以上。它们分别是能够有效地形成一个、两个、三个和四个化学键的最轻的元素;一般而言,最轻的元素形成最强的键。

§1.2 化学基础 · 教材 p. 127
Original text

Of greatest significance in biology is the ability of carbon atoms to form very stable single bonds with up to four other carbon atoms. Two carbon atoms also can share two (or three) electron pairs, thus forming double (or triple) bonds.

中文翻译

在生物学上意义最重大的,是碳原子能够与多达四个其他碳原子形成非常稳定的单键这一能力。两个碳原子之间也可以共享两对(或三对)电子,从而形成双键(或三键)。

§1.2 生物分子是带有各种官能团的碳的化合物 · 教材 p. 129
Original text

The four single bonds that can be formed by a carbon atom project from the nucleus to the four apices of a tetrahedron (Fig. 1-13), with an angle of about 109.5° between any two bonds and an average bond length of 0.154 nm. There is free rotation around each single bond, unless very large or highly charged groups are attached to both carbon atoms, in which case rotation may be restricted. A double bond is shorter (about 0.134 nm) and rigid, and it allows only limited rotation about its axis.

中文翻译

一个碳原子所能形成的四个单键,从原子核指向一个四面体的四个顶点(图 1-13),任意两个键之间的夹角约为 109.5°,平均键长为 0.154 nm。围绕每一个单键都存在自由旋转,除非在两个碳原子上都连接着非常大的基团或高度带电的基团,在那种情况下旋转可能会受到限制。双键较短(约 0.134 nm)而且是刚性的,它只允许围绕其轴线作有限的旋转。

§1.2 生物分子是带有各种官能团的碳的化合物 · 教材 p. 129
图 1-13 碳成键的几何构型。(a) 碳原子的四个单键呈特征性的四面体排布。(b) 碳—碳单键具有旋转自由度,如化合物乙烷(CH3—CH3)所示。(c) 双键较短且不允许自由旋转。两个以双键相连的碳原子以及标记为 A、B、X、Y 的原子都位于同一个刚性平面内。
图注 · 图 1-13 碳成键的几何构型。(a) 碳原子的四个单键呈特征性的四面体排布。(b) 碳—碳单键具有旋转自由度,如化合物乙烷(CH3—CH3)所示。(c) 双键较短且不允许自由旋转。两个以双键相连的碳原子以及标记为 A、B、X、Y 的原子都位于同一个刚性平面内。
Caption · FIGURE 1-13 Geometry of carbon bonding. (a) Carbon atoms have a characteristic tetrahedral arrangement of their four single bonds. (b) Carbon–carbon single bonds have freedom of rotation, as shown for the compound ethane (CH3—CH3). (c) Double bonds are shorter and do not allow free rotation. The two doubly bonded carbons and the atoms designated A, B, X, and Y all lie in the same rigid plane.
怎么看 · 三幅小图分别对应碳骨架的三条几何规则:(a) sp³ 碳呈四面体、键角 109.5°;(b) C—C 单键可绕轴自由旋转,因此产生多种构象;(c) C=C 双键不能旋转、四个取代基共平面、键角 120°,这正是顺反异构(几何异构)的结构基础。考试常由 (b)(c) 区分「构象」与「构型」。
讲解 · 这张图是理解考点二的物理前提,务必先看懂它再去背构型和构象的定义。(b) 单键可自由旋转 → 旋转产生的不同空间形态就是「构象」,不需要断键;(c) 双键不能自由旋转、四个取代基被锁在同一刚性平面上 → 于是就出现顺式和反式两种固定的空间排列,这就是「构型」的一种来源。一句话:单键的自由旋转造就构象,双键的旋转受限(以及手性中心)造就构型。
图内标注中英对照 · 10 条
English中文
(a)(a) 甲烷型四面体碳
CC(碳原子)
109.5°109.5°(四面体键角)
(b)(b) 单键可自由旋转
(c)(c) 双键使键角为 120° 且构型固定
AA(取代基 A)
BB(取代基 B)
XX(取代基 X)
YY(取代基 Y)
120°120°(双键碳的键角)
Original text

Most biomolecules can be regarded as derivatives of hydrocarbons, with hydrogen atoms replaced by a variety of functional groups that confer specific chemical properties on the molecule, forming various families of organic compounds. Typical of these are alcohols, which have one or more hydroxyl groups; amines, with amino groups; aldehydes and ketones, with carbonyl groups; and carboxylic acids, with carboxyl groups (Fig. 1-14). Many biomolecules are polyfunctional, containing two or more types of functional groups (Fig. 1-15), each with its own chemical characteristics and reactions.

中文翻译

大多数生物分子都可以看作烃的衍生物:其中的氢原子被各种官能团所取代,这些官能团赋予分子特定的化学性质,从而形成了有机化合物的各个族。典型的例子有:醇,带有一个或多个羟基;胺,带有氨基;醛和酮,带有羰基;羧酸,带有羧基(图 1-14)。许多生物分子是多官能团的,含有两种或两种以上类型的官能团(图 1-15),每一种官能团都有其自身的化学特性和反应。

§1.2 生物分子是带有各种官能团的碳的化合物 · 教材 p. 130
图 1-14 生物分子的一些常见官能团。各官能团用通常代表其特征元素的颜色加以底纹标示:碳为灰色,氧为红色,氮为蓝色,硫为黄色,磷为橙色。在本图以及全书中,我们用 R 表示「任意取代基」。它可以简单到只是一个氢原子,但通常是一个含碳的基团。当一个分子中标示了两个或更多取代基时,我们把它们记作 R1、R2,以此类推。
图注 · 图 1-14 生物分子的一些常见官能团。各官能团用通常代表其特征元素的颜色加以底纹标示:碳为灰色,氧为红色,氮为蓝色,硫为黄色,磷为橙色。在本图以及全书中,我们用 R 表示「任意取代基」。它可以简单到只是一个氢原子,但通常是一个含碳的基团。当一个分子中标示了两个或更多取代基时,我们把它们记作 R1、R2,以此类推。
Caption · FIGURE 1-14 Some common functional groups of biomolecules. Functional groups are screened with a color typically used to represent the element that characterizes the group: gray for C, red for O, blue for N, yellow for S, and orange for P. In this figure and throughout the book, we use R to represent “any substituent.” It may be as simple as a hydrogen atom, but typically it is a carbon-containing group. When two or more substituents are shown in a molecule, we designate them R1, R2, and so forth.
怎么看 · 这是生物分子常见官能团总表,按底色分类记忆最省力:灰色为烃基、粉红为含氧(羰基/羧基/羟基/酯)、蓝色为含氮(氨基/酰胺/亚胺/胍/咪唑)、黄色为含硫(巯基/二硫/硫酯)、橙色为含磷(磷酰/磷酸酐/酰基磷酸)。考研重点是能画出并识别羧基、氨基、羟基、巯基、磷酸酐和硫酯,其中磷酸酐与硫酯是后续「高能键」的结构来源。
讲解 · 官能团表值得反复看,因为后面所有章节的反应本质上都是官能团之间的反应:羟基与羧基缩合成酯,氨基与羧基缩合成肽键,磷酸与羟基成磷酸酯、两个磷酸成磷酸酐(ATP 的高能键就在这里)。复习时把这张表当成「化学词汇表」,遇到不认识的结构式先找官能团,再判断它可能参与什么反应,比死背结构式高效得多。
图内标注中英对照 · 25 条
English中文
Methyl甲基
Ethyl乙基
Phenyl苯基
Carbonyl (aldehyde)羰基(醛基)
Carbonyl (ketone)羰基(酮基)
Carboxyl羧基
Hydroxyl (alcohol)羟基(醇)
Enol烯醇
Ether
Ester
Acetyl乙酰基
Anhydride (two carboxylic acids)酸酐(由两分子羧酸形成)
Amino (protonated)氨基(质子化形式)
Amido酰胺基
Imine亚胺
N-Substituted imine (Schiff base)N-取代亚胺(席夫碱)
Guanidinium胍基(胍鎓离子)
Imidazole咪唑基
Sulfhydryl巯基
Disulfide二硫键(二硫化物)
Thioester硫酯
Phosphoryl磷酰基
Phosphoanhydride磷酸酐
Mixed anhydride (carboxylic acid and phosphoric acid; also called acyl phosphate)混合酸酐(羧酸与磷酸形成;又称酰基磷酸)
R, R¹, R², R³R、R¹、R²、R³(代表任意取代基,不译)
Original text

Dissolved in the aqueous phase (cytosol) of all cells is a collection of perhaps several thousand different small organic molecules (Mr~100 to ~500), with intracellular concentrations ranging from nanomolar to > 10 mM (see Fig. 13-31). (See Box 1-1 for an explanation of the various ways of referring to molecular weight.) These are the central metabolites in the major pathways occurring in nearly every cell — the metabolites and pathways that have been conserved throughout the course of evolution.

中文翻译

溶解在所有细胞水相(胞质溶胶)中的,是一套大约数千种不同的小分子有机物(相对分子质量约 100 至约 500),其胞内浓度从纳摩尔级到 10 mM 以上不等(见图 13-31)。(关于表示分子量的几种不同方式,见专栏 1-1。)这些小分子正是几乎每一个细胞中主要代谢途径的核心代谢物——也就是在整个进化历程中被保留下来的那些代谢物与代谢途径。

§1.2 细胞含有一套普遍存在的小分子 · 教材 p. 132
Original text

Many biological molecules are macromolecules, polymers with molecular weights above ~5,000 that are assembled from relatively simple precursors (Fig. 1-16). Shorter polymers are called oligomers (Greek oligos, “few”). Proteins, nucleic acids, and polysaccharides are macromolecules composed of monomers with molecular weights of 500 or less. Synthesis of macromolecules is a major energy-consuming activity of cells. Macromolecules themselves may be further assembled into supramolecular complexes, forming functional units such as ribosomes.

中文翻译

许多生物分子是大分子,即相对分子质量在约 5000 以上、由相对简单的前体装配而成的聚合物(图 1-16)。较短的聚合物称为寡聚物(希腊文 oligos,意为「少」)。蛋白质、核酸和多糖都是由相对分子质量在 500 或以下的单体组成的大分子。大分子的合成是细胞中一项主要的耗能活动。大分子本身还可以进一步装配成超分子复合体,形成像核糖体那样的功能单位。

§1.2 大分子是细胞的主要成分 · 教材 p. 135
Original text

The nucleic acids, DNA and RNA, are polymers of nucleotides. They store and transmit genetic information, and some RNA molecules have structural and catalytic roles in supramolecular complexes. The genome is the entire sequence of a cell’s DNA (or in the case of RNA viruses, its RNA), and genomics is the characterization of the structure, function, evolution, and mapping of genomes. The polysaccharides, polymers of simple sugars such as glucose, have three major functions: as energy-rich fuel stores, as rigid structural components of cell walls (in plants and bacteria), and as extracellular recognition elements that bind to proteins on other cells. Shorter polymers of sugars (oligosaccharides) attached to proteins or lipids at the cell surface serve as specific cellular signals. A cell’s glycome is its entire complement of carbohydrate-containing molecules. The lipids, water-insoluble hydrocarbon derivatives, serve as structural components of membranes, energy-rich fuel stores, pigments, and intracellular signals. The lipid-containing molecules in a cell constitute its lipidome.

中文翻译

核酸(DNA 与 RNA)是核苷酸的聚合物。它们储存并传递遗传信息,而且某些 RNA 分子在超分子复合物中还承担结构和催化的角色。基因组是一个细胞全部 DNA(对 RNA 病毒而言则是其 RNA)的完整序列;基因组学则是研究基因组的结构、功能、进化与图谱绘制的学科。多糖是葡萄糖等简单糖类的聚合物,具有三大功能:作为富含能量的燃料储备,作为细胞壁(在植物和细菌中)的刚性结构组分,以及作为能与其他细胞表面蛋白质结合的胞外识别元件。较短的糖聚合物(寡糖)连接在细胞表面的蛋白质或脂质上,充当特异的细胞信号。一个细胞的糖组,即其全部含碳水化合物分子的总和。脂质是不溶于水的烃类衍生物,充当膜的结构组分、富含能量的燃料储备、色素以及胞内信号分子。一个细胞中含脂分子的总和构成它的脂质组。

§1.2 大分子是细胞的主要成分 · 教材 p. 137
原理解读

笔记「生命物质的化学组成」这一条,在 Lehninger 里是分三层讲的,答题时也应分三层:第一层是元素(H、O、N、C 四种占细胞质量 99% 以上,另加 P、S 及各种微量元素);第二层是小分子(约数千种普遍存在的中心代谢物:氨基酸、核苷酸、单糖及其磷酸酯、羧酸);第三层是大分子(蛋白质、核酸、多糖,加上不算大分子但能非共价聚集成巨大结构的脂质)。教材还特意指出「大分子」的操作性定义是相对分子质量约 5000 以上、由简单前体聚合而成——这正是笔记里提示的「生物大分子的定义」这个小题考点,注意脂质通常不列为大分子(Mr 750~1500),但膜是脂质与蛋白质的巨大非共价聚集体。

术语对照
  • 大量元素/微量元素bulk elements / trace elements前者是细胞与组织的结构成分,需以克计摄入;后者需要量极小但同样必需。
  • 官能团functional group取代烃中氢原子、赋予分子特定化学性质的基团。
  • 大分子macromolecule由简单前体聚合而成、相对分子质量约 5000 以上的聚合物。
  • 寡聚物oligomer较短的聚合物。
  • 代谢组metabolome某一细胞在特定条件下全部小分子的总和。
  • 信息大分子informational macromolecule亚基序列富含信息的大分子,指蛋白质和核酸。

构型:立体异构体、顺反异构与手性中心Configuration: Stereoisomers, Geometric Isomers, and Chiral Centers

考点二:构型和构象概念
Original text

The covalent bonds and functional groups of a biomolecule are, of course, central to its function, but so also is the arrangement of the molecule’s constituent atoms in three-dimensional space — its stereochemistry. Carbon-containing compounds commonly exist as stereoisomers, molecules with the same chemical bonds and same chemical formula but different configuration, the fixed spatial arrangement of atoms. Interactions between biomolecules are typically stereospecific, requiring specific configurations in the interacting molecules.

中文翻译

一个生物分子的共价键和官能团,当然对其功能至关重要,但该分子各组成原子在三维空间中的排布——即它的立体化学——同样重要。含碳化合物通常以立体异构体的形式存在,所谓立体异构体,是指化学键相同、化学式也相同,但构型不同的分子;而构型指的是原子的固定的空间排列方式。生物分子之间的相互作用通常是立体专一性的,要求相互作用的分子具有特定的构型。

§1.2 三维结构由构型和构象来描述 · 教材 p. 138
Original text

In space-filling models, the radius of each “atom” is proportional to its van der Waals radius, and the contours of the model define the space occupied by the molecule (the volume of space from which atoms of other molecules are excluded).

中文翻译

在空间填充模型中,每个「原子」的半径与其范德华半径成正比,模型的轮廓则界定了该分子所占据的空间(即其他分子的原子被排除在外的那一部分空间体积)。

§1.2 三维结构由构型和构象来描述 · 教材 p. 139
图 1-17 分子的表示方法。表示氨基酸丙氨酸结构的三种方式(这里所示为在中性 pH 下存在的离子形式)。(a) 透视形式的结构式:实心楔形表示这样一个键,其宽端的原子伸出纸面、朝向读者;虚线楔形表示向纸面后方延伸的键。(b) 球棍模型,显示键角和相对键长。(c) 空间填充模型,其中每个原子按其正确的相对范德华半径绘出。
图注 · 图 1-17 分子的表示方法。表示氨基酸丙氨酸结构的三种方式(这里所示为在中性 pH 下存在的离子形式)。(a) 透视形式的结构式:实心楔形表示这样一个键,其宽端的原子伸出纸面、朝向读者;虚线楔形表示向纸面后方延伸的键。(b) 球棍模型,显示键角和相对键长。(c) 空间填充模型,其中每个原子按其正确的相对范德华半径绘出。
Caption · FIGURE 1-17 Representations of molecules. Three ways to represent the structure of the amino acid alanine (shown here in the ionic form found at neutral pH). (a) Structural formula in perspective form: a solid wedge represents a bond in which the atom at the wide end projects out of the plane of the paper, toward the reader; a dashed wedge represents a bond extending behind the plane of the paper. (b) Ball-and-stick model, showing bond angles and relative bond lengths. (c) Space-filling model, in which each atom is shown with its correct relative van der Waals radius.
怎么看 · 同一分子(丙氨酸)用三种模型表示:(a) 结构式看清成键关系与电荷(注意 —NH₃⁺ 和 —COO⁻ 的两性离子形式);(b) 球棍模型看键长键角与立体排布;(c) 空间填充模型看范德华半径和分子真实占据的体积。考研要点是知道各模型「能看出什么、看不出什么」,空间填充模型最能反映位阻与识别。
讲解 · 三种画法各有各的用处,考试画结构式时要会选:写立体构型(如 D/L、R/S)必须用透视式(楔形式),因为只有它能无歧义地标出「谁朝前、谁朝后」;讨论键角、键长用球棍模型;讨论分子占多大空间、能不能塞进酶的口袋,则用空间填充模型(其半径就是范德华半径——这个概念在考点三的范德华力里还会再出现)。
图内标注中英对照 · 4 条
English中文
(a)(a) 结构式(平面投影式)
(b)(b) 球棍模型
(c)(c) 空间填充模型
H₃N⁺ / COO⁻ / C / H / O⁻ / O(丙氨酸两性离子的原子标注,化学式不译)
Original text

Configuration is conferred by the presence of either (1) double bonds, around which there is little or no freedom of rotation, or (2) chiral centers, around which substituent groups are arranged in a specific orientation.

中文翻译

构型是由下列两者之一所赋予的:(1) 双键,围绕双键几乎没有或完全没有旋转自由度;或者 (2) 手性中心,取代基围绕手性中心按特定的取向排列。

§1.2 三维结构由构型和构象来描述 · 教材 p. 139
Original text

Figure 1-18a shows the configurations of maleic acid and its isomer, fumaric acid. These compounds are geometric isomers, or cis-trans isomers; they differ in the arrangement of their substituent groups with respect to the nonrotating double bond (Latin cis, “on this side” — groups on the same side of the double bond; trans, “across” — groups on opposite sides). Maleic acid (maleate at the neutral pH of cytoplasm) is the cis isomer, and fumaric acid (fumarate) is the trans isomer; each is a well-defined compound that can be separated from the other, and each has its own unique chemical properties. A binding site (on an enzyme, for example) that is complementary to one of these molecules would not be complementary to the other, which explains why the two compounds have distinct biological roles despite their similar chemical makeup.

中文翻译

图 1-18a 展示了马来酸及其异构体富马酸的构型。这两个化合物是几何异构体,也就是顺反异构体;它们的差别在于取代基相对于不能旋转的双键的排布方式(拉丁文 cis 意为「在这一侧」——两个基团位于双键的同一侧;trans 意为「跨过」——两个基团位于双键的相对两侧)。马来酸(在细胞质的中性 pH 下为马来酸根)是顺式异构体,富马酸(富马酸根)是反式异构体;每一个都是界定明确、可以彼此分离的化合物,并且各自具有自己独特的化学性质。一个(例如酶上的)与其中一个分子互补的结合部位,将不会与另一个分子互补,这就解释了为什么这两个化合物尽管化学组成相似,却具有截然不同的生物学作用。

§1.2 三维结构由构型和构象来描述 · 教材 p. 140
图 1-18 几何异构体的构型。(a) 像马来酸(pH 7 时为马来酸根)和富马酸(富马酸根)这样的异构体,若不断裂共价键就无法相互转变,而断键所需要输入的能量远远高于生理温度下分子的平均动能。(b) 在脊椎动物视网膜中,光检测的起始事件是 11-顺式视黄醛对可见光的吸收。所吸收的光的能量(约 250 kJ/mol)把 11-顺式视黄醛转变为全反式视黄醛,触发视网膜细胞中的电学变化,进而导致神经冲动。(注意视黄醛的球棍模型中省略了氢原子。)
图注 · 图 1-18 几何异构体的构型。(a) 像马来酸(pH 7 时为马来酸根)和富马酸(富马酸根)这样的异构体,若不断裂共价键就无法相互转变,而断键所需要输入的能量远远高于生理温度下分子的平均动能。(b) 在脊椎动物视网膜中,光检测的起始事件是 11-顺式视黄醛对可见光的吸收。所吸收的光的能量(约 250 kJ/mol)把 11-顺式视黄醛转变为全反式视黄醛,触发视网膜细胞中的电学变化,进而导致神经冲动。(注意视黄醛的球棍模型中省略了氢原子。)
Caption · FIGURE 1-18 Configurations of geometric isomers. (a) Isomers such as maleic acid (maleate at pH 7) and fumaric acid (fumarate) cannot be interconverted without breaking covalent bonds, which requires the input of much more energy than the average kinetic energy of molecules at physiological temperatures. (b) In the vertebrate retina, the initial event in light detection is the absorption of visible light by 11-cis-retinal. The energy of the absorbed light (about 250 kJ/mol) converts 11-cis-retinal to all-trans-retinal, triggering electrical changes in the retinal cell that lead to a nerve impulse. (Note that the hydrogen atoms are omitted from the ball-and-stick models of the retinals.)
怎么看 · (a) 说明双键不能旋转导致同分异构:马来酸(顺式)与延胡索酸(反式)分子式相同但性质与生物活性完全不同(体内只用反式的延胡索酸,为 TCA 循环中间物)。(b) 是顺反异构的生理意义典范:视紫红质中的 11-顺-视黄醛吸收光子后异构成全反式,构象改变引发视觉信号传导——这是最常被考到的「结构决定功能」实例。
讲解 · 这张图把「构型改变必须断共价键」讲得非常具体:顺反异构体之间的互变需要约 250 kJ/mol 量级的能量,而生理温度下分子的平均动能远远达不到,所以常温下它们是两个可以分离、可以分别称量的独立化合物。(b) 视觉过程正是靠一个光子提供这份能量,才把 11-顺式视黄醛掰成全反式。答「构型与构象的区别」时,这就是最有说服力的例证:构型改变需要外来能量断键,构象改变靠常温热运动就能完成。
图内标注中英对照 · 11 条
English中文
(a)(a) 顺反异构(几何异构)示例
Maleic acid (cis)马来酸(顺丁烯二酸,顺式)
Fumaric acid (trans)延胡索酸(反丁烯二酸,反式)
HOOC / COOH / H / C=C(羧基与双键的化学式,不译)
(b)(b) 视黄醛的光致顺反异构化
11-cis-Retinal11-顺-视黄醛
light光(光照)
All-trans-Retinal全反-视黄醛
CH₃CH₃(甲基,不译)
9, 10, 11, 129、10、11、12(碳原子编号)
O / H(醛基的 O、H,不译)
Original text

A molecule with only one chiral carbon can have two stereoisomers; when two or more (n) chiral carbons are present, there can be 2n stereoisomers. Stereoisomers that are mirror images of each other are called enantiomers (Fig. 1-19). Pairs of stereoisomers that are not mirror images of each other are called diastereomers (Fig. 1-20).

中文翻译

只含一个手性碳的分子可以有两个立体异构体;当存在两个或更多(n 个)手性碳时,立体异构体可以有 2n 个。彼此互为镜像的立体异构体称为对映体(图 1-19)。彼此不构成镜像关系的立体异构体对,则称为非对映体(图 1-20)。

§1.2 三维结构由构型和构象来描述 · 教材 p. 142
图 1-19 分子的不对称性:手性分子与非手性分子。(a) 当一个碳原子带有四个不同的取代基(A、B、X、Y)时,它们可以按两种方式排布,这两种排布互为不可重叠的镜像(即对映体)。这个不对称碳原子称为手性原子或手性中心。(b) 当一个四面体碳只带有三种不同的基团时(也就是同一种基团出现了两次),只可能有一种构型,分子是对称的,即非手性的。在这种情况下,分子与其镜像可以重叠:左边的分子可以逆时针旋转(沿从 A 到 C 的竖直键往下看),从而变成镜中的那个分子。
图注 · 图 1-19 分子的不对称性:手性分子与非手性分子。(a) 当一个碳原子带有四个不同的取代基(A、B、X、Y)时,它们可以按两种方式排布,这两种排布互为不可重叠的镜像(即对映体)。这个不对称碳原子称为手性原子或手性中心。(b) 当一个四面体碳只带有三种不同的基团时(也就是同一种基团出现了两次),只可能有一种构型,分子是对称的,即非手性的。在这种情况下,分子与其镜像可以重叠:左边的分子可以逆时针旋转(沿从 A 到 C 的竖直键往下看),从而变成镜中的那个分子。
Caption · FIGURE 1-19 Molecular asymmetry: chiral and achiral molecules. (a) When a carbon atom has four different substituent groups (A, B, X, Y), they can be arranged in two ways that represent nonsuperposable mirror images of each other (enantiomers). This asymmetric carbon atom is called a chiral atom or chiral center. (b) When a tetrahedral carbon has only three dissimilar groups (that is, the same group occurs twice), only one configuration is possible and the molecule is symmetric, or achiral. In this case, the molecule is superposable on its mirror image: the molecule on the left can be rotated counterclockwise (when looking down the vertical bond from A to C) to create the molecule in the mirror.
怎么看 · 对比 (a) 与 (b) 只差一处:(a) 中心碳连接 A、B、X、Y 四个「互不相同」的基团,故为手性碳(不对称碳),其镜像为对映体、无论怎样旋转都无法重合;(b) 有两个相同的 X,因此可与镜像重叠。考研要能一眼判断手性碳并理解「四个取代基各不相同」这一判据,以及酶对对映体的立体专一性。
讲解 · 判断手性只有一条硬标准:这个四面体碳上的四个取代基是不是彼此都不相同。只要有两个相同,分子就与自己的镜像可重叠,是非手性的。这就是名词解释「手性中心」的答题核心:连有四个各不相同的原子或基团的碳原子(不对称碳原子)。顺便记住计数规则:n 个手性碳最多有 2ⁿ 个立体异构体(分子内部存在对称面时会更少,那种情况会出现内消旋体)。
图内标注中英对照 · 7 条
English中文
(a)(a) 手性分子
Mirror image of original molecule原分子的镜像
Chiral molecule: Rotated molecule cannot be superposed on its mirror image手性分子:旋转后的分子不能与其镜像重叠
Original molecule原分子
A / B / X / Y / CA、B、X、Y(四个取代基)、C(中心碳原子)
(b)(b) 非手性分子
Achiral molecule: Rotated molecule can be superposed on its mirror image非手性分子:旋转后的分子可与其镜像重叠
图 1-20 对映体与非对映体。2,3-二取代丁烷有四种不同的立体异构体(n = 2 个不对称碳,因此 2ⁿ = 4 个立体异构体)。每一个都在一个方框中以透视式和球棍模型的形式给出,球棍模型经过旋转以便显示出全部基团。其中有两对立体异构体互为镜像,即对映体。其余所有可能的配对都不是镜像关系,因而都是非对映体。[信息来自 F. Carroll, Perspectives on Structure and Mechanism in Organic Chemistry, 第 63 页, Brooks/Cole 出版公司, 1998。]
图注 · 图 1-20 对映体与非对映体。2,3-二取代丁烷有四种不同的立体异构体(n = 2 个不对称碳,因此 2ⁿ = 4 个立体异构体)。每一个都在一个方框中以透视式和球棍模型的形式给出,球棍模型经过旋转以便显示出全部基团。其中有两对立体异构体互为镜像,即对映体。其余所有可能的配对都不是镜像关系,因而都是非对映体。[信息来自 F. Carroll, Perspectives on Structure and Mechanism in Organic Chemistry, 第 63 页, Brooks/Cole 出版公司, 1998。]
Caption · FIGURE 1-20 Enantiomers and diastereomers. There are four different stereoisomers of 2,3-disubstituted butane (n = 2 asymmetric carbons, hence 2n = 4 stereoisomers). Each is shown in a box as a perspective formula and a ball-and-stick model, which has been rotated to show all of the groups. Two pairs of stereoisomers are mirror images of each other, or enantiomers. All other possible pairs are not mirror images, and so are diastereomers. [Information from F. Carroll, Perspectives on Structure and Mechanism in Organic Chemistry, p. 63, Brooks/Cole Publishing Co., 1998.]
怎么看 · 看的是 2,3-二取代丁烷:有 2 个手性碳,故立体异构体共 2ⁿ = 4 个,图中四个方框各为一个异构体(左侧为透视结构式,右侧为可旋转的球棍模型)。上方两个花括号圈出的两对是「互为镜像」的对映体,而跨对的其他组合互为非对映体(diastereomer)。考研必背公式 2ⁿ,并能区分对映体(镜像、理化性质相同)与非对映体(非镜像、理化性质不同)。
讲解 · 这张图是区分对映体与非对映体的标准范例:两个手性碳给出 4 个立体异构体,其中只有 2 对是镜像关系(对映体),其余的配对都是非对映体。记忆要点:对映体只在一个手性中心以外的「全部」手性中心上同时相反(即所有手性中心都反过来),物理化学性质几乎相同,只有旋光方向相反、以及与手性环境(酶、受体)作用不同;非对映体只有部分手性中心相反,是真正不同的化合物,熔点、溶解度、旋光度都可以不一样。名词解释常连着考「对映体」和「手性中心」。
图内标注中英对照 · 7 条
English中文
Enantiomers (mirror images)对映异构体(互为镜像)——左侧一对
Enantiomers (mirror images)对映异构体(互为镜像)——右侧一对
CH₃CH₃(甲基,不译)
XX(取代基 X,粉色底纹标注)
YY(取代基 Y,紫色底纹标注)
CC(手性碳原子)
HH(氢原子,不译)
Original text

As the biologist, microbiologist, and chemist Louis Pasteur first observed in 1843 (Box 1-2), enantiomers have nearly identical chemical reactivities but differ in a characteristic physical property: optical activity. In separate solutions, two enantiomers rotate the plane of plane-polarized light in opposite directions, but an equimolar solution of the two enantiomers (a racemic mixture) shows no optical rotation. Compounds without chiral centers do not rotate the plane of plane-polarized light.

中文翻译

正如生物学家、微生物学家和化学家 Louis Pasteur 在 1843 年首次观察到的那样(专栏 1-2),对映体具有几乎完全相同的化学反应性,但在一项特征性的物理性质上有差别:旋光性。在各自单独的溶液中,两个对映体使平面偏振光的偏振面向相反的方向旋转;但两个对映体等摩尔混合的溶液(外消旋混合物)则不表现出旋光。不含手性中心的化合物不会使平面偏振光的偏振面发生旋转。

§1.2 三维结构由构型和构象来描述 · 教材 p. 143
Original text

In this way, each chiral carbon is designated either (R) or (S), and the inclusion of these designations in the name of the compound provides an unambiguous description of the stereochemistry at each chiral center. Another naming system for stereoisomers, the D and L system, is described in Chapter 3. A molecule with a single chiral center can be named unambiguously by either system, as shown here. The two naming systems are based on different criteria, so no general correlation can be made between, say, the L isomer and the (S) isomer seen in this example.

中文翻译

这样,每一个手性碳都被指定为 (R) 或 (S);把这些标记写入化合物的名称,就能对每一个手性中心的立体化学作出无歧义的描述。立体异构体的另一套命名系统是 D 和 L 系统,将在第 3 章介绍。对于只有单一手性中心的分子,用其中任何一套系统都可以无歧义地命名,如本例所示。这两套命名系统所依据的判据不同,因此不能在二者之间建立普遍的对应关系——例如不能认为本例中的 L 型异构体就一定是 (S) 型异构体。

§1.2 KEY CONVENTION(关键约定) · 教材 p. 146
原理解读

笔记考点二说「构型的改变往往使分子的光学活性发生变化」,教材给出的是更精确的说法:对映体在旋光性上表现为等量反向旋转,等摩尔混合即为外消旋体、无净旋光;没有手性中心的化合物根本不旋光。另外要特别提醒一个高频易错点:D/L 系统与 R/S 系统的判据完全不同(D/L 以甘油醛为参照比较构型,R/S 按取代基优先顺序判断),二者之间没有普遍的对应关系——不能想当然地认为 L 就是 (S)。笔记里「常见的有顺反异构和 D-、L-构型」这句话,指的正是产生构型差异的两个来源:双键(顺反)与手性中心(D/L 或 R/S)。

术语对照
  • 立体化学stereochemistry研究分子中原子在三维空间中排布的化学分支。
  • 构型configuration分子中各原子或基团在空间的固定排列方式;改变必须断裂并重新形成共价键。
  • 立体异构体stereoisomer化学键与化学式相同、构型不同的分子。
  • 几何异构体(顺反异构体)geometric (cis-trans) isomer取代基相对于不能旋转的双键处于同侧(顺)或异侧(反)。
  • 手性中心/不对称碳原子chiral center / asymmetric carbon连有四个各不相同取代基的碳原子。
  • 对映体enantiomer互为不可重叠镜像的一对立体异构体。
  • 非对映体diastereomer不互为镜像的立体异构体对。
  • 旋光性(光学活性)optical activity使平面偏振光偏振面发生旋转的性质。
  • 外消旋混合物racemic mixture两种对映体等摩尔混合,净旋光为零。

构象与立体专一性Conformation and Stereospecificity

考点二:构型和构象概念
Original text

Distinct from configuration is molecular conformation, the spatial arrangement of substituent groups that, without breaking any bonds, are free to assume different positions in space because of the freedom of rotation about single bonds. In the simple hydrocarbon ethane, for example, there is nearly complete freedom of rotation around the C— C bond. Many different, interconvertible conformations of ethane are possible, depending on the degree of rotation (Fig. 1-21). Two conformations are of special interest: the staggered, which is more stable than all others and thus predominates, and the eclipsed, which is the least stable. We cannot isolate either of these conformational forms, because they are freely interconvertible. However, when one or more of the hydrogen atoms on each carbon is replaced by a functional group that is either very large or electrically charged, freedom of rotation around the C— C bond is hindered. This limits the number of stable conformations of the ethane derivative.

中文翻译

与构型不同的是分子构象,它指的是取代基的空间排布方式;由于围绕单键的旋转自由度,这些取代基无需断裂任何化学键就可以自由地在空间中取不同的位置。例如在简单的烃类乙烷中,围绕 C—C 键几乎存在完全的旋转自由度。取决于旋转的程度,乙烷可以有许多种不同的、可以相互转变的构象(图 1-21)。其中有两种构象特别值得注意:交叉式(重叠交错式),它比其他所有构象都更稳定因而占优势;以及重叠式,它是最不稳定的。我们无法把这两种构象形式中的任何一种分离出来,因为它们可以自由地相互转变。然而,当每个碳上的一个或多个氢原子被非常大的基团或带电的官能团取代时,围绕 C—C 键的旋转自由度就会受到阻碍。这就限制了该乙烷衍生物稳定构象的数目。

§1.2 三维结构由构型和构象来描述 · 教材 p. 147
图 1-21 构象。由于围绕 C—C 键的旋转自由度,乙烷可以有许多种构象。在球棍模型中,当(在读者看来位于)前方的碳原子连同其上连接的三个氢原子相对于后方的碳原子发生旋转时,分子的势能在完全重叠式构象(扭转角 0°、120°,依此类推)时升到最大值,随后在完全交叉式构象(扭转角 60°、180°,依此类推)时降到最小值。由于这一能量差小到足以让两种形式迅速相互转变(每秒数百万次),重叠式和交叉式无法被分别分离出来。
图注 · 图 1-21 构象。由于围绕 C—C 键的旋转自由度,乙烷可以有许多种构象。在球棍模型中,当(在读者看来位于)前方的碳原子连同其上连接的三个氢原子相对于后方的碳原子发生旋转时,分子的势能在完全重叠式构象(扭转角 0°、120°,依此类推)时升到最大值,随后在完全交叉式构象(扭转角 60°、180°,依此类推)时降到最小值。由于这一能量差小到足以让两种形式迅速相互转变(每秒数百万次),重叠式和交叉式无法被分别分离出来。
Caption · FIGURE 1-21 Conformations. Many conformations of ethane are possible because of freedom of rotation around the C— C bond. In the ball-and-stick model, when the front carbon atom (as viewed by the reader) with its three attached hydrogens is rotated relative to the rear carbon atom, the potential energy of the molecule rises to a maximum in the fully eclipsed conformation (torsion angle 0°, 120°, and so on), then falls to a minimum in the fully staggered conformation (torsion angle 60°, 180°, and so on). Because the energy differences are small enough to allow rapid interconversion of the two forms (millions of times per second), the eclipsed and staggered forms cannot be separately isolated.
怎么看 · 这是乙烷绕 C—C 单键旋转的势能曲线:波峰(扭转角 0°、120°、240°、360°)为全重叠式、势能最高;波谷(60°、180°、300°)为全交叉式、势能最低,两者相差仅 12.1 kJ/mol。要点是这个能垒太小,室温下每秒可互变上百万次,因此不同构象无法分离——这正是「构象(可自由互变)」区别于「构型(须断共价键才能改变)」的关键考点。
讲解 · 这张图给出了「构象为什么不需要断键」的量化图景:构象之间的能垒只有几个 kJ/mol,室温热运动就足以让分子每秒翻转数百万次,因此任何一种构象都无法被单独分离出来;而构型异构体之间的转变要断共价键,需要数百 kJ/mol。把图 1-21(构象,能垒极低、可自由互变)和图 1-18(构型,必须断键、可分离)并排记,构型与构象的对比大题就答稳了。另外注意笔记补充的研究方法:X 射线晶体学和核磁共振(NMR)波谱学——正是用来测定生物大分子实际构象的两大手段。
图内标注中英对照 · 7 条
English中文
Potential energy (kJ/mol)势能(kJ/mol)——纵坐标
0, 4, 8, 120、4、8、12(纵轴刻度,kJ/mol)
Fully eclipsed conformation全重叠式构象(顺叠式)
12.1 kJ/mol12.1 kJ/mol(重叠式与交叉式之间的能垒)
Fully staggered conformation全交叉式构象(对位交叉式)
Torsion angle (degrees)扭转角(二面角,度)——横坐标
0, 60, 120, 180, 240, 300, 3600、60、120、180、240、300、360(扭转角刻度,度)
Original text

The study of biomolecular stereochemistry, with precise physical methods, is an important part of modern research on cell structure and biochemical function.

中文翻译

用精确的物理学方法研究生物分子的立体化学,是现代细胞结构与生化功能研究中的一个重要组成部分。

§1.2 生物分子之间的相互作用是立体专一性的 · 教材 p. 149
图 1-22 大分子与小分子之间的互补契合。一个葡萄糖分子嵌入己糖激酶表面的一个口袋中,并借助蛋白质与该糖之间的若干非共价相互作用被固定在这一取向上。这幅己糖激酶分子的图示,是用能够计算大分子外表面形状的软件绘制的;该外表面既可以由分子中所有原子的范德华半径来界定,也可以由「溶剂排斥体积」——即水分子无法穿入的那部分体积——来界定。[数据来自 PDB ID 3B8A, P. Kuser 等, Proteins 72:731, 2008。]
图注 · 图 1-22 大分子与小分子之间的互补契合。一个葡萄糖分子嵌入己糖激酶表面的一个口袋中,并借助蛋白质与该糖之间的若干非共价相互作用被固定在这一取向上。这幅己糖激酶分子的图示,是用能够计算大分子外表面形状的软件绘制的;该外表面既可以由分子中所有原子的范德华半径来界定,也可以由「溶剂排斥体积」——即水分子无法穿入的那部分体积——来界定。[数据来自 PDB ID 3B8A, P. Kuser 等, Proteins 72:731, 2008。]
Caption · FIGURE 1-22 Complementary fit between a macromolecule and a small molecule. A glucose molecule fits into a pocket on the surface of the enzyme hexokinase and is held in this orientation by several noncovalent interactions between the protein and the sugar. This representation of the hexokinase molecule is produced with software that can calculate the shape of the outer surface of a macromolecule, defined either by the van der Waals radii of all the atoms in the molecule or by the “solvent exclusion volume,” the volume that a water molecule cannot penetrate. [Data from PDB ID 3B8A, P. Kuser et al., Proteins 72:731, 2008.]
怎么看 · 重点看方框放大的部分:葡萄糖分子(黑红棒状模型)恰好嵌进己糖激酶表面的一个「口袋」里,靠若干非共价相互作用(氢键、范德华力等)被固定成特定取向。这是「大分子与小分子形状互补 + 非共价作用 = 特异性识别」的经典图示,也是后面讲酶的底物专一性、诱导契合的图形化基础。分子外表面按所有原子的范德华半径(或溶剂排除体积)绘出。
讲解 · 这张图把考点二和考点三串在了一起:底物之所以能被酶「认出来」,一是形状互补(这是构型 + 构象的三维结构问题),二是靠若干非共价相互作用把它固定在正确取向上(这是考点三)。注意教材原文说的是「several noncovalent interactions」——单个非共价键很弱,但多个同时形成才有足够的结合能与专一性。这也是「诱导契合」「锁钥模型」等后续内容的物理基础。
图内标注中英对照 · 1 条
English中文
(本图为分子表面渲染图,图内无英文标注文字)图中无英文文字:左为己糖激酶(hexokinase)分子表面全貌,方框区域经放大后显示右侧的葡萄糖结合口袋;黑色代表碳原子、红色代表氧原子
Original text

In living organisms, chiral molecules are usually present in only one of their chiral forms. For example, the amino acids in proteins occur only as their L isomers; glucose occurs only as its D isomer. (The conventions for naming stereoisomers of the amino acids are described in Chapter 3; those for sugars, in Chapter 7. The RS system, described above, is the most useful for some biomolecules.) In contrast, when a compound with an asymmetric carbon atom is chemically synthesized in the laboratory, the reaction usually produces both possible chiral forms: a mixture of the D and L forms, for example.

中文翻译

在生物体内,手性分子通常只以其手性形式中的一种存在。例如,蛋白质中的氨基酸只以其 L 型异构体的形式出现,葡萄糖只以其 D 型异构体的形式出现。(氨基酸立体异构体的命名规则见第 3 章,糖类的命名规则见第 7 章;上文介绍的 RS 系统对某些生物分子最为适用。)与此相反,当在实验室中用化学方法合成一个含不对称碳原子的化合物时,反应通常会同时生成两种可能的手性形式,例如生成 D 型与 L 型的混合物。

§1.2 生物分子之间的相互作用是立体专一性的 · 教材 p. 150
Original text

Living cells produce only one chiral form of a biomolecule because the enzymes that synthesize that molecule are also chiral. Stereospecificity, the ability to distinguish between stereoisomers, is a property of enzymes and other proteins and a characteristic feature of biochemical interactions.

中文翻译

活细胞之所以只生成生物分子的一种手性形式,是因为合成该分子的酶本身也是手性的。立体专一性,即区分立体异构体的能力,是酶和其他蛋白质所具有的一种性质,也是生化相互作用的一个特征性表现。

§1.2 生物分子之间的相互作用是立体专一性的 · 教材 p. 150
图 1-23 立体异构体在人体内产生不同的效应。(a) 阿斯巴甜,即以商品名 Nutra-Sweet 出售的人工甜味剂,很容易被味觉受体与其味苦的立体异构体区分开来,尽管这两者仅仅在两个手性碳原子中的一个的构型上有差别。(b) 抗抑郁药西酞普兰(商品名 Celexa)是一种选择性 5-羟色胺再摄取抑制剂,它是这两种立体异构体的外消旋混合物,但只有 (S)-西酞普兰具有治疗效果。立体化学上纯的 (S)-西酞普兰制剂(草酸艾司西酞普兰)以商品名 Lexapro 出售。正如你可能预料到的那样,Lexapro 的有效剂量是 Celexa 有效剂量的一半。
图注 · 图 1-23 立体异构体在人体内产生不同的效应。(a) 阿斯巴甜,即以商品名 Nutra-Sweet 出售的人工甜味剂,很容易被味觉受体与其味苦的立体异构体区分开来,尽管这两者仅仅在两个手性碳原子中的一个的构型上有差别。(b) 抗抑郁药西酞普兰(商品名 Celexa)是一种选择性 5-羟色胺再摄取抑制剂,它是这两种立体异构体的外消旋混合物,但只有 (S)-西酞普兰具有治疗效果。立体化学上纯的 (S)-西酞普兰制剂(草酸艾司西酞普兰)以商品名 Lexapro 出售。正如你可能预料到的那样,Lexapro 的有效剂量是 Celexa 有效剂量的一半。
Caption · FIGURE 1-23 Stereoisomers have different effects in humans. (a) Aspartame, the artificial sweetener sold under the trade name Nutra-Sweet, is easily distinguishable by taste receptors from its bitter-tasting stereoisomer, although the two differ only in the configuration at one of the two chiral carbon atoms. (b) The antidepressant medication citalopram (trade name Celexa), a selective serotonin reuptake inhibitor, is a racemic mixture of these two stereoisomers, but only (S)-citalopram has the therapeutic effect. A stereochemically pure preparation of (S)-citalopram (escitalopram oxalate) is sold under the trade name Lexapro. As you might predict, the effective dose of Lexapro is one-half the effective dose of Celexa.
怎么看 · 两组图讲同一件事:立体异构体在人体内效应截然不同。(a) 阿斯巴甜只在一个手性碳的构型上与苦味异构体不同,味觉受体却能分辨出甜与苦;(b) 西酞普兰(商品名 Celexa)是外消旋混合物,只有 (S)-型有效,故纯 (S)-制剂(艾司西酞普兰,Lexapro)的有效剂量只需一半。答题时用这两例说明「生物受体/酶具有立体专一性」即可。
讲解 · 这两个例子把「立体专一性」从抽象定义变成了可感知的事实:同一个分子只翻转一个手性中心,甜的就变成苦的;外消旋药物中只有一半分子有效,所以纯化后的单一对映体用量正好减半。答「为什么生物体内的手性分子只有一种构型」时,可以按因果链答:合成它们的酶本身是手性的 → 只产生单一构型 → 识别它们的蛋白结合部位也只与那一种构型互补 → 表现为立体专一性。
图内标注中英对照 · 8 条
English中文
(a)(a) 阿斯巴甜及其立体异构体的味觉差异
L-Aspartyl-L-phenylalanine methyl ester (aspartame) (sweet)L-天冬氨酰-L-苯丙氨酸甲酯(阿斯巴甜)(甜味)
L-Aspartyl-D-phenylalanine methyl ester (bitter)L-天冬氨酰-D-苯丙氨酸甲酯(苦味)
⁻OOC / ⁺NH₃ / CH₂ / OCH₃ / HC / CH / C / O / N / H(结构式中的原子与基团符号,不译)
(b)(b) 抗抑郁药西酞普兰的对映体活性差异
(S)-Citalopram (therapeutically active)(S)-西酞普兰(有治疗活性)
(R)-Citalopram (therapeutically inactive)(R)-西酞普兰(无治疗活性)
F / N / O(氟、氮、氧原子符号,不译)
Original text

Molecular configuration can be changed only by breaking and re-forming covalent bonds. For a carbon atom with four different substituents (a chiral carbon), the substituent groups can be arranged in two different ways, generating stereoisomers with distinct properties. Only one stereoisomer is biologically active. Molecular conformation is the position of atoms in space that can be changed by rotation about single bonds, without covalent bonds being broken.

中文翻译

分子构型只有通过断裂并重新形成共价键才能改变。对于带有四个不同取代基的碳原子(手性碳)而言,这些取代基可以按两种不同的方式排布,从而产生性质各异的立体异构体。其中只有一种立体异构体具有生物学活性。分子构象则是原子在空间中的位置,它可以通过围绕单键的旋转而改变,无需断裂共价键。

§1.2 小结(SUMMARY 1.2 Chemical Foundations) · 教材 p. 152
原理解读

构型 vs 构象是本章唯一的大题级考点,建议按五个维度背成一张表:①定义——构型是各原子或基团在空间的固定排列方式,构象是分子在空间所采取的特定形态、反映某一瞬间各原子的实际相对位置;②产生原因——构型来自双键的旋转受限或手性中心的存在,构象来自单键的自由旋转;③转变条件——构型改变必须断裂并重新形成共价键,构象改变不需要断键;④能量与可分离性——构型异构体能垒高(约 250 kJ/mol 量级)、可以分离并分别研究,构象异构体能垒低、室温下每秒互变数百万次、无法分离;⑤表现与研究方法——构型改变常伴随旋光性等性质变化、举例有顺反异构与 D/L 构型,构象研究靠 X 射线晶体学和核磁共振(NMR)波谱学。最后再加一句总括:生物分子的三维结构 = 构型 + 构象,二者共同决定其生物学相互作用的立体专一性。

术语对照
  • 构象conformation因单键自由旋转而产生的、无需断键即可互变的空间排布。
  • 交叉式构象staggered conformation乙烷中能量最低、最占优势的构象。
  • 重叠式构象eclipsed conformation乙烷中能量最高、最不稳定的构象。
  • 扭转角(二面角)torsion angle描述围绕单键旋转程度的角度。
  • 立体专一性stereospecificity酶与蛋白质区分立体异构体的能力。
  • 互补性complementarity相互作用分子之间形状与化学基团的匹配。
  • 天然构象native conformation蛋白质行使功能所必需的精确三维结构。

水溶液体系中的非共价(弱)相互作用Noncovalent (Weak) Interactions in Aqueous Systems

考点三:非共价相互作用
Original text

The monomeric subunits of proteins, nucleic acids, and polysaccharides are joined by covalent bonds. In supramolecular complexes, however, macromolecules are held together largely by noncovalent interactions — much weaker, individually, than covalent bonds. Among these noncovalent interactions are hydrogen bonds; ionic interactions (between charged groups); and aggregations of nonpolar groups in aqueous solution, brought about by van der Waals interactions (also called London forces) and by the hydrophobic effect — all of which have energies much smaller than those of covalent bonds. (These noncovalent interactions are described in Chapter 2.) The large numbers of weak interactions between macromolecules in supramolecular complexes stabilize these assemblies, producing their unique structures.

中文翻译

蛋白质、核酸和多糖的单体亚基之间是由共价键连接的。然而在超分子复合体中,大分子之间主要是靠非共价相互作用维系在一起的——就单个而言,它们比共价键弱得多。这些非共价相互作用包括氢键;离子相互作用(发生在带电基团之间);以及在水溶液中非极性基团的聚集,后者是由范德华相互作用(也称伦敦力)和疏水效应所导致的——所有这些相互作用的能量都远小于共价键的能量。(这些非共价相互作用将在第 2 章中加以叙述。)超分子复合体中大分子之间大量的弱相互作用,稳定了这些装配体,产生出它们独特的结构。

§1.1 细胞建造超分子结构 · 教材 p. 123
Original text

Polar biomolecules dissolve readily in water because they can replace water-water interactions with energetically favorable water-solute interactions. In contrast, nonpolar biomolecules are poorly soluble in water because they interfere with water-water interactions but are unable to form water-solute interactions. In aqueous solutions, nonpolar molecules tend to cluster together. Hydrogen bonds and ionic, hydrophobic (from the Greek, meaning “water-fearing”), and van der Waals interactions are individually weak, but collectively they have a very significant influence on the three-dimensional structures of proteins, nucleic acids, polysaccharides, and membrane lipids.

中文翻译

极性生物分子容易溶于水,因为它们能够用在能量上有利的「水—溶质」相互作用来取代原有的「水—水」相互作用。与此相反,非极性生物分子在水中溶解性很差,因为它们干扰了水—水之间的相互作用,却又无法形成水—溶质相互作用。在水溶液中,非极性分子倾向于聚集在一起。氢键以及离子相互作用、疏水相互作用(hydrophobic 一词来自希腊文,意为「怕水的」)和范德华相互作用,就单个而言都是弱的,但它们合起来对蛋白质、核酸、多糖和膜脂的三维结构具有非常显著的影响。

§2.1 水溶液体系中的弱相互作用(第2章) · 教材 p. 253
Original text

The result of this unequal electron sharing is two electric dipoles in the water molecule, one along each of the H—O bonds; each hydrogen atom bears a partial positive charge (δ+), and the oxygen atom bears a partial negative charge equal in magnitude to the sum of the two partial positives (2δ−). As a result, there is an electrostatic attraction between the oxygen atom of one water molecule and the hydrogen of another (Fig. 2-1b), called a hydrogen bond. Throughout this book, we represent hydrogen bonds with three parallel blue lines, as in Figure 2-1b.

中文翻译

这种电子共享的不均等,其结果是在水分子中形成两个电偶极,分别沿着两条 H—O 键分布:每个氢原子带有部分正电荷(δ+),氧原子则带有与两个部分正电荷之和大小相等的部分负电荷(2δ−)。由此,一个水分子的氧原子与另一个水分子的氢原子之间就产生了静电吸引(图 2-1b),这种作用称为氢键。本书通篇用三条平行的蓝线来表示氢键,如图 2-1b 所示。

§2.1 氢键赋予水以不寻常的性质(第2章) · 教材 p. 255
Original text

Hydrogen bonds are relatively weak. Those in liquid water have a bond dissociation energy (the energy required to break a bond) of about 23 kJ/mol, compared with 470 kJ/mol for the covalent O—H bond in water or 350 kJ/mol for a covalent C—C bond. The hydrogen bond is about 10% covalent, due to overlaps in the bonding orbitals, and about 90% electrostatic.

中文翻译

氢键相对较弱。液态水中氢键的键解离能(断裂一个键所需的能量)约为 23 kJ/mol,相比之下水中共价 O—H 键为 470 kJ/mol,共价 C—C 键为 350 kJ/mol。由于成键轨道之间存在重叠,氢键约有 10% 是共价性的,约 90% 是静电性的。

§2.1 氢键赋予水以不寻常的性质(第2章) · 教材 p. 255
Original text

Hydrogen bonds are not unique to water. They readily form between an electronegative atom (the hydrogen acceptor, usually oxygen or nitrogen) and a hydrogen atom covalently bonded to another electronegative atom (the hydrogen donor) in the same or another molecule (Fig. 2-3). Hydrogen atoms covalently bonded to carbon atoms do not participate in hydrogen bonding, because carbon is only slightly more electronegative than hydrogen and thus the C—H bond is only very weakly polar.

中文翻译

氢键并不是水所独有的。氢键很容易在一个电负性原子(氢受体,通常是氧或氮)与另一个共价连接在电负性原子(氢供体)上的氢原子之间形成,这两者可以位于同一分子内,也可以位于不同分子中(图 2-3)。共价连接在碳原子上的氢原子不参与氢键形成,因为碳的电负性只比氢略大,因此 C—H 键的极性非常弱。

§2.1 水与极性溶质形成氢键(第2章) · 教材 p. 259
Original text

Hydrogen bonds are strongest when the bonded molecules are oriented to maximize electrostatic interaction, which occurs when the hydrogen atom and the two atoms that share it are in a straight line—that is, when the acceptor atom is in line with the covalent bond between the donor atom and H (Fig. 2-5). This arrangement puts the positive charge of the hydrogen ion directly between the two partial negative charges. Hydrogen bonds are thus highly directional and capable of holding two hydrogen-bonded molecules or groups in a specific geometric arrangement.

中文翻译

当成键的两个分子取向使静电相互作用达到最大时,氢键最强;这种情形出现在氢原子与共享该氢原子的两个原子处于一条直线上的时候——也就是受体原子与「供体原子—H」共价键处于同一直线上(图 2-5)。这样的排列使氢离子的正电荷正好处在两个部分负电荷之间。因此氢键具有高度的方向性,能够把两个以氢键相连的分子或基团固定在特定的几何排布上。

§2.1 水与极性溶质形成氢键(第2章) · 教材 p. 261
Original text

Water dissolves salts such as NaCl by hydrating and stabilizing the Na+ and Cl− ions, weakening the electrostatic interactions between them and thus counteracting their tendency to associate in a crystalline lattice (Fig. 2-6). Water also readily dissolves charged biomolecules, including compounds with functional groups such as ionized carboxylic acids (—COO−), protonated amines (—NH+3), and phosphate esters or anhydrides. Water replaces the solute-solute hydrogen bonds linking these biomolecules to each other with solute-water hydrogen bonds, thus screening the electrostatic interactions between solute molecules.

中文翻译

水通过水合并稳定 Na+ 和 Cl− 离子来溶解像 NaCl 这样的盐,从而削弱它们之间的静电相互作用,进而抵消它们缔合成晶格的倾向(图 2-6)。水也很容易溶解带电的生物分子,包括含有诸如电离的羧酸基(—COO−)、质子化的胺基(—NH3+)以及磷酸酯或磷酸酐等官能团的化合物。水用「溶质—水」氢键取代了把这些生物分子彼此连接起来的「溶质—溶质」氢键,从而屏蔽了溶质分子之间的静电相互作用。

§2.1 水与带电溶质发生静电相互作用(第2章) · 教材 p. 263
Original text

Ionic interactions between dissolved ions are much stronger in less polar environments, because there is less screening of charges by the nonpolar solvent. Water is effective in screening the electrostatic interactions between dissolved ions because it has a high dielectric constant, a physical property that reflects the number of dipoles in a solvent.

中文翻译

在极性较弱的环境中,溶解的离子之间的离子相互作用要强得多,因为非极性溶剂对电荷的屏蔽作用较弱。水之所以能有效屏蔽溶解离子之间的静电相互作用,是因为它具有很高的介电常数——这一物理性质反映了溶剂中偶极的数目。

§2.1 水与带电溶质发生静电相互作用(第2章) · 教材 p. 264
Original text

When water is mixed with benzene or hexane, two phases form; neither liquid is soluble in the other. Nonpolar compounds such as benzene and hexane are hydrophobic—they are unable to undergo energetically favorable interactions with water molecules, and they interfere with the hydrogen bonding among water molecules. All molecules or ions in aqueous solution interfere with the hydrogen bonding of some water molecules in their immediate vicinity, but polar or charged solutes (such as NaCl) compensate for lost water-water hydrogen bonds by forming new solute-water interactions. The net change in enthalpy (ΔH) for dissolving these solutes is generally small.

中文翻译

当水与苯或己烷混合时,会形成两相,两种液体彼此互不相溶。苯和己烷这类非极性化合物是疏水的——它们无法与水分子发生在能量上有利的相互作用,还会干扰水分子之间的氢键。水溶液中所有的分子或离子都会干扰其紧邻处部分水分子之间的氢键,但极性或带电的溶质(例如 NaCl)会通过形成新的「溶质—水」相互作用,来补偿失去的「水—水」氢键。溶解这类溶质时的净焓变(ΔH)通常很小。

§2.1 非极性化合物迫使水的结构发生能量上不利的改变(第2章) · 教材 p. 267
Original text

In addition to requiring this input of energy, dissolving hydrophobic compounds in water produces a measurable decrease in entropy. Water molecules in the immediate vicinity of a nonpolar solute are constrained in their possible orientations, as they form a highly ordered cagelike shell around each solute molecule to maximize solvent-solvent hydrogen bonding. These water molecules are not as highly oriented as those in clathrates, crystalline compounds of nonpolar solutes and water, but the effect is the same in both cases: the ordering of water molecules reduces entropy. The number of ordered water molecules, and therefore the magnitude of the entropy decrease, is proportional to the surface area of the hydrophobic solute enclosed within the cage of water molecules. The free-energy change for dissolving a nonpolar solute in water is thus unfavorable: ΔG = ΔH − TΔS, where ΔH has a positive value, ΔS has a negative value, and ΔG is positive.

中文翻译

除了需要输入这份能量以外,把疏水化合物溶解于水中还会产生可测量的熵减少。紧邻非极性溶质的水分子在其可能采取的取向上受到了约束,因为它们要在每个溶质分子周围形成一层高度有序的笼状壳层,以便使「溶剂—溶剂」之间的氢键作用最大化。这些水分子的取向不像笼形包合物(非极性溶质与水形成的结晶化合物)中的水分子那样高度有序,但两种情况下的效果是一样的:水分子的有序化降低了熵。有序化水分子的数目,以及由此产生的熵减的幅度,与被包在水分子笼中的疏水溶质的表面积成正比。因此把非极性溶质溶解于水中的自由能变化是不利的:ΔG = ΔH − TΔS,其中 ΔH 为正值,ΔS 为负值,ΔG 为正值。

§2.1 非极性化合物迫使水的结构发生能量上不利的改变(第2章) · 教材 p. 268
Original text

When an amphipathic compound (Table 2-1) is mixed with water, the polar, hydrophilic region interacts favorably with the water and tends to dissolve, but the nonpolar, hydrophobic region tends to avoid contact with the water (Fig. 2-7a). The nonpolar regions of the molecules cluster together to present the smallest hydrophobic area to the aqueous solvent, and the polar regions are arranged to maximize their interaction with each other and with the solvent (Fig. 2-7b), a phenomenon called the hydrophobic effect.

中文翻译

当两亲性化合物(表 2-1)与水混合时,其极性的亲水区与水发生有利的相互作用、倾向于溶解,而非极性的疏水区则倾向于避免与水接触(图 2-7a)。这些分子的非极性区域聚集在一起,以便向水溶剂呈现尽可能小的疏水面积;与此同时,极性区域则排布成使它们彼此之间以及与溶剂之间的相互作用最大化的形式(图 2-7b)——这一现象称为疏水效应。

§2.1 非极性化合物迫使水的结构发生能量上不利的改变(第2章) · 教材 p. 268
Original text

Many biomolecules are amphipathic; proteins, pigments, certain vitamins, and the sterols and phospholipids of membranes all have both polar and nonpolar surface regions. Structures composed of these molecules are stabilized by the hydrophobic effect, which favors aggregation of the nonpolar regions. The hydrophobic effect on interactions among lipids, and between lipids and proteins, is the most important determinant of structure in biological membranes. The aggregation of nonpolar amino acids in protein interiors, driven by the hydrophobic effect, also stabilizes the three-dimensional structures of proteins.

中文翻译

许多生物分子是两亲性的;蛋白质、色素、某些维生素,以及膜中的甾醇和磷脂,都同时具有极性和非极性的表面区域。由这些分子构成的结构靠疏水效应得到稳定,疏水效应有利于非极性区域的聚集。疏水效应对脂质之间、以及脂质与蛋白质之间相互作用的影响,是生物膜结构最重要的决定因素。由疏水效应所驱动的、蛋白质内部非极性氨基酸的聚集,同样稳定着蛋白质的三维结构。

§2.1 非极性化合物迫使水的结构发生能量上不利的改变(第2章) · 教材 p. 270
Original text

When two uncharged atoms are brought very close together, their surrounding electron clouds influence each other. Random variations in the positions of the electrons around one nucleus may create a transient electric dipole, which induces a transient, opposite electric dipole in the nearby atom. The two dipoles weakly attract each other, bringing the two nuclei closer. These weak attractions are called van der Waals interactions (also known as London dispersion forces). As the two nuclei draw closer together, their electron clouds begin to repel each other.

中文翻译

当两个不带电荷的原子被拉得很近时,它们周围的电子云会彼此影响。围绕某一原子核的电子在位置上的随机涨落,可能产生一个瞬时电偶极,并在邻近的原子中诱导出一个方向相反的瞬时电偶极。这两个偶极彼此发生弱的吸引,使两个原子核靠得更近。这类弱的吸引作用称为范德华相互作用(也称伦敦色散力)。当两个原子核进一步靠近时,它们的电子云又开始相互排斥。

§2.1 范德华相互作用是原子间的弱吸引作用(第2章) · 教材 p. 271
Original text

The noncovalent interactions we have described—hydrogen bonds and ionic, hydrophobic, and van der Waals interactions (Table 2-4)—are much weaker than covalent bonds. An input of about 350 kJ of energy is required to break a mole of (6 × 1023) C—C single bonds, and about 410 kJ is needed to break a mole of C—H bonds, but as little as 4 kJ is sufficient to disrupt a mole of typical van der Waals interactions. Interactions driven by the hydrophobic effect are also much weaker than covalent bonds, although they are substantially strengthened by a highly polar solvent (a concentrated salt solution, for example). Ionic interactions and hydrogen bonds are variable in strength, depending on the polarity of the solvent and the alignment of the hydrogen-bonded atoms, but they are always significantly weaker than covalent bonds.

中文翻译

我们前面描述的这些非共价相互作用——氢键,以及离子相互作用、疏水相互作用和范德华相互作用(表 2-4)——都比共价键弱得多。打断 1 摩尔(6 × 10^23 个)C—C 单键约需输入 350 kJ 能量,打断 1 摩尔 C—H 键约需 410 kJ,而破坏 1 摩尔典型的范德华相互作用只需 4 kJ。由疏水效应驱动的相互作用同样远弱于共价键,尽管在高极性溶剂(例如浓盐溶液)中它们会显著增强。离子相互作用和氢键的强度则是可变的,取决于溶剂的极性以及以氢键相连的各原子的排列方式,但它们总是明显弱于共价键。

§2.1 弱相互作用对大分子的结构与功能至关重要(第2章) · 教材 p. 273
Original text

Although these four types of interactions are individually weak relative to covalent bonds, the cumulative effect of many such interactions can be very significant. For example, the noncovalent binding of an enzyme to its substrate may involve several hydrogen bonds and one or more ionic interactions, as well as the hydrophobic effect and van der Waals interactions. The formation of each of these associations contributes to a net decrease in the free energy of the system. We can calculate the stability of a noncovalent interaction, such as the hydrogen bonding of a small molecule to its macromolecular partner, from the binding energy, the reduction in the energy of the system when binding occurs. Stability, as measured by the equilibrium constant (discussed in Section 2.2) of the binding reaction, varies exponentially with binding energy. To dissociate two biomolecules (such as an enzyme and its bound substrate) that are associated noncovalently through multiple weak interactions, all these interactions must be disrupted at the same time.

中文翻译

尽管相对于共价键而言这四类相互作用单个都很弱,但许多这样的相互作用累加起来,其效果可以非常显著。例如,酶与其底物之间的非共价结合,可能涉及若干个氢键和一个或多个离子相互作用,还涉及疏水效应与范德华相互作用。每一种这样的结合作用的形成,都会使体系的自由能净减少。我们可以根据结合能——即结合发生时体系能量的降低值——来计算某一非共价相互作用(例如一个小分子与其大分子配偶体之间的氢键结合)的稳定性。以结合反应的平衡常数(见 2.2 节)来衡量的稳定性,随结合能呈指数变化。要使通过多重弱相互作用而非共价结合在一起的两个生物分子(例如一种酶与它所结合的底物)解离开来,所有这些相互作用必须在同一时刻被破坏。

§2.1 弱相互作用对大分子的结构与功能至关重要(第2章) · 教材 p. 275
Original text

Macromolecules such as proteins, DNA, and RNA contain so many sites of potential hydrogen bonding or ionic, van der Waals, or hydrophobic clustering that the cumulative effect can be enormous. For macromolecules, the most stable (that is, the native) structure is usually that in which these weak interactions are maximized. The folding of a single polypeptide or polynucleotide chain into its three-dimensional shape is determined by this principle. The binding of an antigen to a specific antibody depends on the cumulative effects of many weak interactions. The energy released when an enzyme binds noncovalently to its substrate is the main source of the enzyme’s catalytic power. The binding of a hormone or a neurotransmitter to its cellular receptor protein is the result of multiple weak interactions.

中文翻译

蛋白质、DNA 和 RNA 这类大分子含有如此之多的、可能形成氢键或离子作用、范德华作用、疏水聚集的位点,以致其累加效应可以极其巨大。对大分子而言,最稳定的(也就是天然的)结构,通常就是使这些弱相互作用达到最大化的那种结构。单条多肽链或多核苷酸链折叠成其三维形状,正是由这一原则所决定的。抗原与特异性抗体的结合,依赖于许多弱相互作用的累加效应。酶与其底物非共价结合时所释放的能量,是酶催化能力的主要来源。激素或神经递质与其细胞受体蛋白的结合,也是多个弱相互作用的结果。

§2.1 弱相互作用对大分子的结构与功能至关重要(第2章) · 教材 p. 276
图 1-30 DNA 两条链之间的互补性。DNA 是由共价连接的四类脱氧核糖核苷酸组成的线性聚合物:脱氧腺苷酸(A)、脱氧鸟苷酸(G)、脱氧胞苷酸(C)和脱氧胸苷酸(T)。每一个核苷酸凭借其独特的三维结构,能够以非常特异但非共价的方式与互补链中的另一个特定核苷酸缔合:A 总是与 T 缔合,G 总是与 C 缔合。因此在双链 DNA 分子中,一条链上核苷酸的整个序列都与另一条链上的序列互补。两条链靠每一对互补核苷酸之间的氢键(此处用竖直的浅蓝色线表示)维系在一起,彼此缠绕形成 DNA 双螺旋。在 DNA 复制中,两条链(蓝色)分开,并合成出两条新链(粉红色),每条新链的序列都与原来两条链之一互补。其结果是两个双螺旋分子,每一个都与原来的 DNA 完全相同。
图注 · 图 1-30 DNA 两条链之间的互补性。DNA 是由共价连接的四类脱氧核糖核苷酸组成的线性聚合物:脱氧腺苷酸(A)、脱氧鸟苷酸(G)、脱氧胞苷酸(C)和脱氧胸苷酸(T)。每一个核苷酸凭借其独特的三维结构,能够以非常特异但非共价的方式与互补链中的另一个特定核苷酸缔合:A 总是与 T 缔合,G 总是与 C 缔合。因此在双链 DNA 分子中,一条链上核苷酸的整个序列都与另一条链上的序列互补。两条链靠每一对互补核苷酸之间的氢键(此处用竖直的浅蓝色线表示)维系在一起,彼此缠绕形成 DNA 双螺旋。在 DNA 复制中,两条链(蓝色)分开,并合成出两条新链(粉红色),每条新链的序列都与原来两条链之一互补。其结果是两个双螺旋分子,每一个都与原来的 DNA 完全相同。
Caption · FIGURE 1-30 Complementarity between the two strands of DNA. DNA is a linear polymer of covalently joined deoxyribonucleotides of four types: deoxyadenylate (A), deoxyguanylate (G), deoxycytidylate (C), and deoxythymidylate (T). Each nucleotide, with its unique three-dimensional structure, can associate very specifically but noncovalently with one other nucleotide in the complementary chain: A always associates with T, and G with C. Thus, in the double-stranded DNA molecule, the entire sequence of nucleotides in one strand is complementary to the sequence in the other. The two strands, held together by hydrogen bonds (represented here by vertical light blue lines) between each pair of complementary nucleotides, twist about each other to form the DNA double helix. In DNA replication, the two strands (blue) separate and two new strands (pink) are synthesized, each with a sequence complementary to one of the original strands. The result is two double-helical molecules, each identical to the original DNA.
怎么看 · 看两点:一是碱基互补配对——A 一定配 T、G 一定配 C,中间浅蓝竖线代表维系双链的氢键(A=T 两条、G≡C 三条);二是复制方式——每个子代双螺旋都由一条「旧链(蓝)」和一条新合成的「新链(粉)」组成,这正是半保留复制的图形证据,也是本图最常考的落点。
讲解 · 这张图是「非共价相互作用维持生物大分子三维结构」最经典的实例,也是考点三与考点二的交汇点:碱基之间靠氢键配对(A—T 两个氢键,G—C 三个氢键),碱基堆积则靠范德华力和疏水效应,磷酸骨架上的负电荷之间是离子性排斥(要靠阳离子或碱性蛋白中和)。请特别注意教材用词:链内是共价(磷酸二酯键),链间是非共价(氢键)——这正好对应笔记里「共价作用例子:蛋白质中的肽键、DNA 中的磷酸二酯键」与「非共价维持三维结构」的分工。也正因为链间是弱作用,DNA 才能在复制和转录时被局部解开又重新配对。
图内标注中英对照 · 8 条
English中文
AA(腺嘌呤脱氧核苷酸,脱氧腺苷酸)
TT(胸腺嘧啶脱氧核苷酸,脱氧胸苷酸)
CC(胞嘧啶脱氧核苷酸,脱氧胞苷酸)
GG(鸟嘌呤脱氧核苷酸,脱氧鸟苷酸)
Old strand 1旧链 1(亲本链 1)
New strand 2新链 2(新合成链 2)
New strand 1新链 1(新合成链 1)
Old strand 2旧链 2(亲本链 2)
原理解读

把教材原文与笔记考点三逐条对照,可以把这个大题答得非常扎实:①离子相互作用(离子键、盐键、盐桥)——本质是带电基团之间的静电作用,异种电荷相吸、同种电荷相斥;强度由 F = Q1Q2/εr² 决定,所以「加入盐类可减弱」(外来离子屏蔽电荷)、「加入非极性溶剂可增强」(ε 变小则 F 变大),而蛋白质疏水口袋内的局域介电常数远低于水(水 ε = 78.5,苯 ε = 4.6),因此埋在疏水核心里的盐桥特别强——这正是笔记那句「在疏水环境中介电常数比水中低,此时异种电荷基团之间的引力相应增大」的定量依据。②氢键——本质约 90% 是静电作用(教材原文),由电负性大的原子(O、N)与共价连在电负性原子上的氢形成;三原子共线时最强,故有方向性;供体和受体数目有限,故有饱和性。③范德华力——瞬时偶极诱导瞬时偶极产生的弱吸引(伦敦色散力),约 4 kJ/mol,是最弱的一种;中文教材把广义范德华力细分为定向效应(极性—极性)、诱导效应(极性—非极性)和分散效应(非极性—非极性,是非极性物质之间仅有的一种范德华力),Lehninger 只讲了其中的分散力部分,这一细分请以笔记为准。④疏水相互作用——严格说不是一种「引力」,而是熵驱动的效应:非极性基团暴露于水会迫使周围的水分子形成高度有序的笼状壳层、使熵下降,聚集起来可以减少被有序化的水分子数目、使熵上升,ΔG 因此变负。理解这一点就能解释为什么疏水作用「在高浓度盐溶液中反而增强」、以及为什么蛋白质会把非极性氨基酸埋在内部。

原理解读

还有一个必须记牢的量级对比,考选择题和填空题特别好用:共价 C—C 单键约 350 kJ/mol、C—H 约 410 kJ/mol、水中 O—H 约 470 kJ/mol;而液态水中氢键约 23 kJ/mol,典型范德华相互作用只有约 4 kJ/mol。也就是说非共价键大约比共价键弱一到两个数量级,25 °C 下的热能与它们同一量级,所以它们在不停地形成又断裂。生物大分子之所以既稳定又能变构、能识别、能被调控,正是因为「大量的弱作用同时存在」:要解离必须让所有弱作用同时断开,概率极低(稳定);而局部只断开少数几个则很容易(灵活)。这一「稳定性与可逆性兼得」的性质,是把考点三答出深度的关键句。

术语对照
  • 共价键covalent bond原子间共享电子对形成的强相互作用,键能高且稳定,如肽键、磷酸二酯键。
  • 非共价相互作用noncovalent interaction不共享电子的弱相互作用,包括离子相互作用、氢键、范德华力和疏水相互作用。
  • 离子相互作用(盐桥)ionic interaction (salt bridge)带电基团之间的静电作用,强度受介电常数与距离影响。
  • 介电常数dielectric constant (ε)反映溶剂中偶极数目的物理量;水为 78.5,苯为 4.6。
  • 氢键hydrogen bond电负性原子(受体)与共价连于电负性原子上的氢(供体)之间的静电性弱作用,具方向性。
  • 氢供体/氢受体hydrogen donor / acceptor供体是与 H 共价相连的电负性原子;受体是接受该 H 的电负性原子(通常为 O 或 N)。
  • 范德华相互作用(伦敦色散力)van der Waals interaction (London dispersion force)瞬时偶极诱导瞬时偶极产生的弱吸引,约 4 kJ/mol。
  • 范德华半径van der Waals radius衡量一个原子允许另一原子靠近程度的特征半径。
  • 疏水效应(疏水相互作用)hydrophobic effect非极性基团在水中聚集以减少有序化水分子、增大体系熵的现象。
  • 两亲性的amphipathic同时含有极性(亲水)区域与非极性(疏水)区域。
  • 胶束micelle两亲性化合物在水中聚集形成的稳定结构。
  • 结合能binding energy结合发生时体系能量的降低量,是酶催化能力的主要来源。

1.3 物理基础:动态稳态、自由能与代谢的能量关系1.3 Physical Foundations

考点一:生物化学简介(新陈代谢的能量关系、活细胞的获能方式)
Original text

The hemoglobin molecules carrying oxygen from your lungs to your brain at this moment were synthesized within the past month; by next month they will have been degraded and entirely replaced by new hemoglobin molecules. The glucose you ingested with your most recent meal is now circulating in your bloodstream; before the day is over these particular glucose molecules will have been converted into something else — carbon dioxide or fat, perhaps — and will have been replaced with a fresh supply of glucose, so that your blood glucose concentration is more or less constant over the whole day. The amounts of hemoglobin and glucose in the blood remain nearly constant because the rate of synthesis or intake of each just balances the rate of its breakdown, consumption, or conversion into some other product. The constancy of concentration is the result of a dynamic steady state, a steady state that is far from equilibrium.

中文翻译

此刻正把氧从你的肺运往你大脑的那些血红蛋白分子,是在过去一个月之内合成的;到下个月,它们将被降解,并全部由新的血红蛋白分子取代。你最近一餐所摄入的葡萄糖,此刻正在你的血流中循环;不等这一天过完,这些特定的葡萄糖分子就会被转变成别的东西——也许是二氧化碳,也许是脂肪——并由新补充的葡萄糖取而代之,从而使你的血糖浓度在一整天中大致保持恒定。血液中血红蛋白和葡萄糖的量之所以几乎恒定,是因为二者各自的合成或摄入速率恰好与其降解、消耗或转变为其他产物的速率相平衡。浓度的这种恒定,是动态稳态的结果,而这种稳态远离平衡态。

§1.3 生物体处于动态稳态、从不与环境处于平衡 · 教材 p. 154
Original text

For chemical reactions occurring in solution, we can define a system as all the constituent reactants and products, the solvent that contains them, and the immediate atmosphere — in short, everything within a defined region of space. The system and its surroundings together constitute the universe. If the system exchanges neither matter nor energy with its surroundings, it is said to be isolated. If the system exchanges energy but not matter with its surroundings, it is a closed system; if it exchanges both energy and matter with its surroundings, it is an open system. A living organism is an open system; it exchanges both matter and energy with its surroundings. Organisms obtain energy from their surroundings in two ways: (1) they take up chemical fuels (such as glucose) from the environment and extract energy by oxidizing them (see Box 1-3, Case 2); or (2) they absorb energy from sunlight.

中文翻译

对于在溶液中进行的化学反应,我们可以把体系定义为全部反应物和产物、盛放它们的溶剂以及紧邻的气氛——简言之,就是某一划定的空间区域之内的一切。体系连同其环境共同构成宇宙。如果体系与环境之间既不交换物质也不交换能量,就称它是孤立的;如果体系与环境交换能量但不交换物质,它就是封闭体系;如果它与环境既交换能量又交换物质,就是开放体系。生物体是开放体系:它与环境既交换物质又交换能量。生物体从环境中获取能量有两种方式:(1) 从环境中摄取化学燃料(如葡萄糖)并通过氧化它们来提取能量(见专栏 1-3,情形 2);或者 (2) 吸收阳光的能量。

§1.3 生物体从环境中转化能量与物质 · 教材 p. 155
Original text

The randomness or disorder of the components of a chemical system is expressed as entropy, S (Box 1-3). Any change in randomness of the system is expressed as entropy change, ΔS, which by convention has a positive value when randomness increases. J. Willard Gibbs, the scientist who developed the theory of energy changes during chemical reactions, showed that the free energy, G, of any closed system can be defined in terms of three quantities: enthalpy, H, or heat content, roughly reflecting the number and kinds of bonds; entropy, S; and the absolute temperature, T (in Kelvin). The definition of free energy is G = H − TS.

中文翻译

一个化学体系中各组分的无序或混乱程度,用熵 S 来表示(专栏 1-3)。体系随机程度的任何变化都用熵变 ΔS 来表示,按约定,当随机程度增大时熵变取正值。建立了化学反应中能量变化理论的科学家 J. Willard Gibbs 指出:任何封闭体系的自由能 G,都可以用三个量来定义——焓 H(即热含量,大体上反映化学键的数目与种类)、熵 S,以及绝对温度 T(以开尔文为单位)。自由能的定义式为 G = H − TS。

§1.3 创造并维持有序需要做功和消耗能量 · 教材 p. 163
Original text

To carry out these thermodynamically unfavorable, energy-requiring (endergonic) reactions, cells couple them to other reactions that liberate free energy (exergonic reactions), so that the overall process is exergonic: the sum of the free-energy changes is negative. The exergonic reaction most commonly employed in this way involves adenosine triphosphate (ATP; Fig. 1-25) in which two phosphoanhydride bonds are capable of supplying the free energy to make a coupled endergonic reaction possible. In Section 13.3 we discuss in more detail this role of ATP.

中文翻译

为了进行这些在热力学上不利的、需要吸收能量的(吸能)反应,细胞把它们与其他能释放自由能的反应(放能反应)偶联起来,使总的过程成为放能的:各步自由能变化之和为负值。以这种方式最常被利用的放能反应涉及三磷酸腺苷(ATP;图 1-25),其中的两个磷酸酐键能够提供自由能,使与之偶联的吸能反应得以进行。ATP 的这一作用将在 13.3 节中更详细地讨论。

§1.3 创造并维持有序需要做功和消耗能量 · 教材 p. 165
图 1-25 三磷酸腺苷(ATP)提供能量。这里每一个符号代表一个磷酰基。通过断裂一个磷酸酐键除去 ATP 末端的磷酰基(浅红色底纹标示)、生成二磷酸腺苷(ADP)和无机磷酸根离子(HPO4²−),是高度放能的;这一反应在细胞中与许多吸能反应相偶联(如例题 1-2 中的例子)。ATP 也通过另一种断裂方式为许多细胞过程提供能量,即把末端的两个磷酸以无机焦磷酸(H2P2O7²−,常缩写为 PPi)的形式释放出来。
图注 · 图 1-25 三磷酸腺苷(ATP)提供能量。这里每一个符号代表一个磷酰基。通过断裂一个磷酸酐键除去 ATP 末端的磷酰基(浅红色底纹标示)、生成二磷酸腺苷(ADP)和无机磷酸根离子(HPO4²−),是高度放能的;这一反应在细胞中与许多吸能反应相偶联(如例题 1-2 中的例子)。ATP 也通过另一种断裂方式为许多细胞过程提供能量,即把末端的两个磷酸以无机焦磷酸(H2P2O7²−,常缩写为 PPi)的形式释放出来。
Caption · FIGURE 1-25 Adenosine triphosphate (ATP) provides energy. Here, each represents a phosphoryl group. The removal of the terminal phosphoryl group (shaded light red) of ATP, by breakage of a phosphoanhydride bond to generate adenosine diphosphate (ADP) and inorganic phosphate ion (HPO2−4), is highly exergonic, and this reaction is coupled to many endergonic reactions in the cell (as in the example in Worked Example 1-2). ATP also provides energy for many cellular processes by undergoing cleavage that releases the two terminal phosphates as inorganic pyrophosphate (H2P2O2−7), often abbreviated PPi.
怎么看 · 先看最上方 ATP 完整结构:腺嘌呤 + 核糖 + 三个串联磷酰基,注意末端(浅红底色)磷酰基之间是磷酸酐键。再看下面两条断裂方式:断第一个磷酸酐键 → ADP + Pᵢ;一次断两个 → AMP + PPᵢ,两者都是强放能反应,可与细胞内的吸能反应偶联。考研要能写出这两个水解式并说明「ATP 是能量货币、靠磷酸酐键放能」。
讲解 · 这张图对应笔记里「新陈代谢的能量关系」这个小题考点。要抓住三个层次:①ATP 的高能来源是磷酸酐键(不是普通酯键),水解释放大自由能;②ATP 之所以在细胞内是强放能的,是因为细胞把 [ATP]/[ADP] 维持在远高于平衡的水平——教材例题算出细胞内质量作用比约 5 × 10⁻⁴ M,而平衡常数是 2 × 10⁵ M,相差约九个数量级;③真正驱动吸能反应的机制不是「ATP 单纯水解」,而是把磷酰基转移给另一个小分子,从而把化学势保留下来(如葡萄糖 + ATP → 6-磷酸葡萄糖 + ADP)。
图内标注中英对照 · 7 条
English中文
PP(圆圈内的 P 代表一个磷酰基)
Adenosine (Adenosine triphosphate, ATP)腺苷(三磷酸腺苷,ATP)
Inorganic phosphate (Pᵢ)无机磷酸(Pᵢ)
Adenosine (Adenosine diphosphate, ADP)腺苷(二磷酸腺苷,ADP)
Inorganic pyrophosphate (PPᵢ)无机焦磷酸(PPᵢ)
Adenosine (Adenosine monophosphate, AMP)腺苷(一磷酸腺苷,AMP)
NH₂ / N / C / CH / HC / O / OH / CH₂ / O⁻ / P / H(腺嘌呤、核糖与三磷酸基团的化学式符号,不译)
Original text

All biological macromolecules are much less thermodynamically stable than their monomeric subunits, yet they are kinetically stable: their uncatalyzed breakdown occurs so slowly (over years rather than seconds) that, on a time scale that matters for the organism, these molecules are stable. Virtually every chemical reaction in a cell occurs at a significant rate only because of the presence of enzymes — biocatalysts that, like all other catalysts, greatly enhance the rate of specific chemical reactions without being consumed in the process. The path from reactant(s) to product(s) almost invariably involves an energy barrier, called the activation barrier (Fig. 1-27), that must be surmounted for any reaction to proceed.

中文翻译

所有生物大分子在热力学上都远不如其单体亚基稳定,然而它们在动力学上是稳定的:它们在无催化条件下的分解进行得如此缓慢(以年计而非以秒计),以致在对生物体而言有意义的时间尺度上,这些分子是稳定的。细胞中几乎每一个化学反应之所以能以可观的速率进行,都仅仅是因为有酶的存在——酶是生物催化剂,像所有其他催化剂一样,它们大大提高特定化学反应的速率,而自身在此过程中并不被消耗。从反应物到产物的路径几乎无一例外地包含一道能垒,称为活化能垒(图 1-27),任何反应要进行都必须越过它。

§1.3 酶促进化学反应序列 · 教材 p. 178
Original text

Other pathways start with small precursor molecules and convert them to progressively larger and more complex molecules, including proteins and nucleic acids. Such synthetic pathways, which invariably require the input of energy, are collectively designated anabolism. The overall network of enzyme-catalyzed pathways, both catabolic and anabolic, constitutes cellular metabolism. ATP (as well as other energetically equivalent nucleoside triphosphates) is the connecting link between the catabolic and anabolic components of this network (shown schematically in Fig. 1-28). The pathways of enzyme-catalyzed reactions that act on the main constituents of cells — proteins, fats, sugars, and nucleic acids — are nearly identical in all living organisms.

中文翻译

另一些途径则从小的前体分子出发,把它们转变为越来越大、越来越复杂的分子,包括蛋白质和核酸。这类合成途径无一例外都需要输入能量,统称为合成代谢(anabolism)。由酶催化的各条途径——既包括分解代谢的,也包括合成代谢的——所构成的整个网络,就是细胞代谢。ATP(以及其他在能量上与之等效的核苷三磷酸)是这个网络中分解代谢部分与合成代谢部分之间的连接环节(示意图见图 1-28)。作用于细胞主要组成成分——蛋白质、脂肪、糖类和核酸——的这些酶催化反应途径,在所有生物体中几乎完全相同。

§1.3 酶促进化学反应序列 · 教材 p. 181
原理解读

这一节是笔记「活细胞的获能方式」和「新陈代谢的能量关系」的教材依据,可以按一条逻辑链复述:生物体是开放体系 → 它必须持续获取能量才能维持远离平衡的动态稳态(一旦停止获能就走向平衡,也就是死亡与腐坏)→ 获能只有两条路:氧化化学燃料(化能营养型)或吸收阳光(光能营养型),而所有能量转换归根到底都可以追溯到电子从高电化学势向低电化学势的流动 → 得到的能量以 ATP 的形式储存,通过共同中间物把放能反应与吸能反应偶联(ΔG 可加和)→ 反应速率由酶通过降低活化能来控制 → 分解代谢与合成代谢通过 ATP 和 NAD(P)H 连成一张网,并由关键酶的反馈抑制来调节。这条链能同时覆盖好几个小题考点。

术语对照
  • 动态稳态dynamic steady state浓度恒定但远离平衡、需持续投入能量维持的状态。
  • 开放体系open system与环境同时交换物质和能量的体系;生物体属于此类。
  • entropy (S)体系组分无序程度的量度。
  • 自由能free energy (G)G = H − TS;ΔG = ΔH − TΔS,ΔG 为负的过程才自发。
  • 放能反应/吸能反应exergonic / endergonicΔG 为负/为正;细胞通过共同中间物把二者偶联。
  • 磷酸酐键phosphoanhydride bondATP 中提供自由能的键型。
  • 活化能activation energy (ΔG‡)反应物基态与过渡态之间的自由能差;酶通过降低它来加速反应。
  • 分解代谢/合成代谢catabolism / anabolism前者降解营养物并释放自由能,后者消耗能量合成复杂分子。
  • 反馈抑制feedback inhibition终产物积累时抑制途径中第一个酶的活性,使产量与需求平衡。

1.4 遗传基础:从一维序列到三维结构1.4 Genetic Foundations

考点一:生物化学简介(现代阶段:DNA 结构与中心法则)
Original text

The capacity of living cells to preserve their genetic material and to duplicate it for the next generation results from the structural complementarity between the two strands of the DNA molecule (Fig. 1-30). The basic unit of DNA is a linear polymer of four different monomeric subunits, deoxyribonucleotides, arranged in a precise linear sequence. It is this linear sequence that encodes the genetic information. Two of these polymeric strands are twisted about each other to form the DNA double helix, in which each deoxyribonucleotide in one strand pairs specifically with a complementary deoxyribonucleotide in the opposite strand.

中文翻译

活细胞之所以能够保存自己的遗传物质、并把它复制下来传给下一代,源于 DNA 分子两条链之间的结构互补性(图 1-30)。DNA 的基本单位是一条线性聚合物,它由四种不同的单体亚基(脱氧核糖核苷酸)按精确的线性顺序排列而成。正是这一线性序列编码了遗传信息。两条这样的聚合物链彼此缠绕,形成 DNA 双螺旋;其中一条链上的每一个脱氧核糖核苷酸,都与对面链上一个互补的脱氧核糖核苷酸特异配对。

§1.4 DNA 的结构使其能够近乎完美地复制与修复 · 教材 p. 192
Original text

A linear sequence of deoxyribonucleotides in DNA codes (through an intermediary, RNA) for the production of a protein with a corresponding linear sequence of amino acids (Fig. 1-31). The protein folds into a particular three-dimensional shape, determined by its amino acid sequence and stabilized primarily by noncovalent interactions. Although the final shape of the folded protein is dictated by its amino acid sequence, the folding of many proteins is aided by “molecular chaperones” (see Fig. 4-28). The precise three-dimensional structure, or native conformation, of the protein is crucial to its function.

中文翻译

DNA 中脱氧核糖核苷酸的线性序列(通过中间体 RNA)编码一种蛋白质的合成,该蛋白质具有与之相对应的氨基酸线性序列(图 1-31)。蛋白质折叠成特定的三维形状,这一形状由它的氨基酸序列决定,并主要由非共价相互作用来稳定。虽然折叠后蛋白质的最终形状取决于其氨基酸序列,但许多蛋白质的折叠还需要「分子伴侣」的协助(见图 4-28)。蛋白质精确的三维结构,即天然构象,对其功能至关重要。

§1.4 DNA 中的线性序列编码具有三维结构的蛋白质 · 教材 p. 195
图 1-31 从 DNA 到 RNA 到蛋白质再到酶(己糖激酶)。编码己糖激酶蛋白的 DNA(即基因)中脱氧核糖核苷酸的线性序列,首先被转录成一个具有互补核糖核苷酸序列的核糖核酸(RNA)分子。随后这段 RNA 序列(信使 RNA)被翻译成己糖激酶的线性蛋白质链,该链折叠成其天然的三维形状,这一过程很可能得到了分子伴侣的协助。一旦处于天然形式,己糖激酶就获得了它的催化活性:它能够以 ATP 作为磷酰基供体,催化葡萄糖的磷酸化。
图注 · 图 1-31 从 DNA 到 RNA 到蛋白质再到酶(己糖激酶)。编码己糖激酶蛋白的 DNA(即基因)中脱氧核糖核苷酸的线性序列,首先被转录成一个具有互补核糖核苷酸序列的核糖核酸(RNA)分子。随后这段 RNA 序列(信使 RNA)被翻译成己糖激酶的线性蛋白质链,该链折叠成其天然的三维形状,这一过程很可能得到了分子伴侣的协助。一旦处于天然形式,己糖激酶就获得了它的催化活性:它能够以 ATP 作为磷酰基供体,催化葡萄糖的磷酸化。
Caption · FIGURE 1-31 DNA to RNA to protein to enzyme (hexokinase). The linear sequence of deoxyribonucleotides in the DNA (the gene) that encodes the protein hexokinase is first transcribed into a ribonucleic acid (RNA) molecule with the complementary ribonucleotide sequence. The RNA sequence (messenger RNA) is then translated into the linear protein chain of hexokinase, which folds into its native three-dimensional shape, most likely aided by molecular chaperones. Once in its native form, hexokinase acquires its catalytic activity: it can catalyze the phosphorylation of glucose, using ATP as the phosphoryl group donor.
怎么看 · 自上而下就是中心法则的一条完整实例链:基因(DNA)→ 转录 → mRNA → 翻译 → 无活性的未折叠多肽 → 折叠(常需分子伴侣协助)→ 有催化活性的己糖激酶,最后催化 ATP + 葡萄糖 → ADP + 6-磷酸葡萄糖。要点在于强调「只有折叠成天然三维构象后才有活性」,即「序列决定结构、结构决定功能」。
讲解 · 这张图就是中心法则的分子图解,也是理解「结构决定功能」的完整链条:一维核苷酸序列 → 一维氨基酸序列 → 三维天然构象 → 催化功能。请注意两个与前面考点呼应的地方:折叠后的构象主要由非共价相互作用稳定(考点三),而这个天然构象就是能与葡萄糖互补契合的那个构象(图 1-22、考点二的立体专一性)。笔记「现代阶段」提到的 DNA 结构、中心法则,其原理内核就在这张图里。
图内标注中英对照 · 10 条
English中文
Hexokinase gene己糖激酶基因
DNADNA(脱氧核糖核酸)
transcription of DNA into complementary RNADNA 转录为互补的 RNA
Messenger RNA信使 RNA(mRNA)
translation of RNA on ribosome to polypeptide chainRNA 在核糖体上翻译成多肽链
Unfolded hexokinase未折叠的己糖激酶(新生肽链)
folding of polypeptide chain into native structure of hexokinase多肽链折叠成己糖激酶的天然构象
Catalytically active hexokinase具催化活性的己糖激酶
ATP + glucoseATP + 葡萄糖(底物)
ADP + glucose 6-phosphateADP + 6-磷酸葡萄糖(产物)
Original text

Once in its native conformation, a protein may associate noncovalently with other macromolecules (other proteins, nucleic acids, or lipids) to form supramolecular complexes such as chromosomes, ribosomes, and membranes. The individual molecules of these complexes have specific, high-affinity binding sites for each other, and within the cell they spontaneously self-assemble into functional complexes. Although the amino acid sequences of proteins carry all necessary information for achieving the proteins’ native conformation, accurate folding and self-assembly also require the right cellular environment — pH, ionic strength, metal ion concentrations, and so forth. Thus, DNA sequence alone is not enough to form and maintain a fully functioning cell.

中文翻译

一旦处于其天然构象,一个蛋白质就可能以非共价方式与其他大分子(其他蛋白质、核酸或脂质)缔合,形成染色体、核糖体和膜这样的超分子复合体。这些复合体中的各个分子彼此之间具有特异的高亲和力结合部位,在细胞内它们自发地自我装配成有功能的复合体。尽管蛋白质的氨基酸序列携带了达成其天然构象所必需的全部信息,但准确的折叠与自我装配还要求合适的细胞环境——pH、离子强度、金属离子浓度等等。因此,仅有 DNA 序列并不足以形成并维持一个功能完备的细胞。

§1.4 DNA 中的线性序列编码具有三维结构的蛋白质 · 教材 p. 197
原理解读

这一节值得记住的一句「反常识」结论是:DNA 序列本身并不足以形成并维持一个功能完备的细胞。信息给出的是氨基酸序列,而从序列走到有功能的三维结构,还必须依赖细胞内的物理化学环境(pH、离子强度、金属离子浓度)和分子伴侣的协助——这些条件本身又是由既有的细胞提供的。这正好解释了为什么「细胞只能来自细胞」,也把遗传基础(1.4)与化学基础(1.2 的构象)、非共价相互作用(第 2 章)串成一条完整的因果链。

术语对照
  • 基因组genome一个细胞 DNA(RNA 病毒则为 RNA)的全部序列。
  • 互补性complementarityA 与 T、G 与 C 特异配对,是复制与修复的结构基础。
  • 模板template指导互补链合成的链。
  • 分子伴侣molecular chaperone协助蛋白质正确折叠的蛋白质。
  • 自我装配self-assembly大分子借高亲和力结合部位自发形成功能复合体。

1.5 进化基础:突变、化学进化与 RNA 世界1.5 Evolutionary Foundations

考点一:生物化学简介(生物化学与分子生物学的里程碑背景)
Original text

The remarkable similarity of metabolic pathways and gene sequences across the three domains of life argues strongly that all modern organisms are derived from a common evolutionary progenitor by a series of small changes (mutations), each of which conferred a selective advantage to some organism in some ecological niche. Despite the near-perfect fidelity of genetic replication, infrequent unrepaired mistakes in the DNA replication process lead to changes in the nucleotide sequence of DNA, producing a genetic mutation and changing the instructions for a cellular component. Incorrectly repaired damage to one of the DNA strands has the same effect.

中文翻译

代谢途径和基因序列在三个生命域之间的显著相似性,有力地论证了:所有现代生物体都是通过一系列微小的变化(突变),从一个共同的进化祖先衍生而来的,其中每一个变化都曾在某个生态位中赋予某个生物体以选择优势。尽管遗传复制的保真度近乎完美,DNA 复制过程中偶尔未被修复的错误仍会导致 DNA 核苷酸序列发生改变,产生遗传突变,并改变某个细胞组分的指令。DNA 某一条链上被错误修复的损伤也具有同样的效果。

§1.5 遗传指令的改变使进化成为可能 · 教材 p. 199
Original text

Occasionally, however, a mutation better equips an organism or cell to survive in its environment (Fig. 1-32). The mutant enzyme might have acquired a slightly different specificity, for example, so that it is now able to use some compound that the cell was previously unable to metabolize. If a population of cells were to find itself in an environment where that compound was the only or the most abundant available source of fuel, the mutant cell would have a selective advantage over the other, unmutated (wild-type) cells in the population. The mutant cell and its progeny would survive and prosper in the new environment, whereas wild-type cells would starve and be eliminated. This is what Charles Darwin meant by natural selection — what is sometimes summarized as “survival of the fittest.”

中文翻译

然而偶尔也会有这样的情况:某个突变使一个生物体或细胞更适于在其环境中生存(图 1-32)。例如,突变的酶可能获得了略有不同的专一性,以致它现在能够利用某种此前该细胞无法代谢的化合物。如果某个细胞群体发现自己所处的环境中,这种化合物是唯一的、或者是最丰富的可利用燃料来源,那么这个突变细胞相对于群体中其他未突变的(野生型)细胞就具有选择优势。突变细胞及其后代将在新环境中存活并繁盛,而野生型细胞则会挨饿并被淘汰。这就是查尔斯·达尔文所说的自然选择——有时被概括为「适者生存」。

§1.5 遗传指令的改变使进化成为可能 · 教材 p. 200
Original text

This hypothesis was tested in a classic experiment on the abiotic (nonbiological) origin of organic biomolecules carried out in 1953 by biochemist Stanley Miller in the laboratory of the physical chemist Harold Urey. Miller subjected gaseous mixtures such as those presumed to exist on the prebiotic Earth, including NH3, CH4, H2O, and H2, to electrical sparks produced across a pair of electrodes (to simulate lightning) for periods of a week or more, then analyzed the contents of the closed reaction vessel (Fig. 1-33). The gas phase of the resulting mixture contained CO and CO2 as well as the starting materials. The water phase contained a variety of organic compounds, including some amino acids, hydroxy acids, aldehydes, and hydrogen cyanide (HCN).

中文翻译

这一假说在 1953 年由生物化学家 Stanley Miller 在物理化学家 Harold Urey 的实验室里所做的、关于有机生物分子非生物(无生命)起源的经典实验中得到了检验。Miller 把被推定为存在于前生命时期地球上的那类气体混合物——包括 NH3、CH4、H2O 和 H2——置于一对电极之间产生的电火花(用以模拟闪电)作用之下,持续一周或更长时间,然后分析这个密闭反应容器中的内容物(图 1-33)。所得混合物的气相中除起始物质外还含有 CO 和 CO2。水相中含有多种有机化合物,包括一些氨基酸、羟基酸、醛类和氰化氢(HCN)。

§1.5 生物分子最初由化学进化产生 · 教材 p. 203
Original text

In modern organisms, nucleic acids encode the genetic information that specifies the structure of enzymes, and enzymes catalyze the replication and repair of nucleic acids. The mutual dependence of these two classes of biomolecules brings up the perplexing question: which came first, DNA or protein? The answer may be that they appeared about the same time, and RNA preceded them both. The discovery that RNA molecules can act as catalysts in their own formation suggests that RNA or a similar molecule may have been the first gene and the first catalyst.

中文翻译

在现代生物体中,核酸编码规定酶结构的遗传信息,而酶又催化核酸的复制与修复。这两类生物分子之间的相互依赖引出了一个令人困惑的问题:DNA 和蛋白质,哪一个先出现?答案可能是它们大约同时出现,而 RNA 比二者都更早。RNA 分子能够在其自身的形成过程中充当催化剂这一发现提示:RNA 或某种类似的分子,可能曾是最早的基因,也是最早的催化剂。

§1.5 RNA 或相关的前体分子可能是最早的基因与催化剂 · 教材 p. 206–207
Original text

The division of function between DNA (genetic information storage) and protein (catalysis) was, according to the “RNA world” hypothesis, a later development. New variants of self-replicating RNA molecules developed that had the additional ability to catalyze the condensation of amino acids into peptides. Occasionally, the peptide(s) thus formed would reinforce the self-replicating ability of the RNA, and the pair — RNA molecule and helping peptide — could undergo further modifications in sequence, generating increasingly efficient self-replicating systems. The remarkable discovery that in the protein-synthesizing machinery of modern cells (ribosomes), RNA molecules, not proteins, catalyze the formation of peptide bonds is consistent with the RNA world hypothesis.

中文翻译

按照「RNA 世界」假说,DNA(储存遗传信息)与蛋白质(催化)之间的功能分工是后来才出现的。能够自我复制的 RNA 分子产生出新的变异体,它们额外具备了催化氨基酸缩合成肽的能力。偶尔,这样形成的肽会反过来增强该 RNA 的自我复制能力;于是这一对搭档——RNA 分子与起辅助作用的肽——可以在序列上继续发生改变,产生出效率越来越高的自我复制体系。在现代细胞的蛋白质合成机器(核糖体)中,催化肽键形成的是 RNA 分子而不是蛋白质——这一非凡的发现与 RNA 世界假说是相符的。

§1.5 RNA 或相关的前体分子可能是最早的基因与催化剂 · 教材 p. 210
Original text

Earth was formed about 4.6 billion years ago, and the first evidence of life dates to more than 3.5 billion years ago (see the timeline in Figure 1-36). In 1996, scientists working in Greenland found chemical evidence of life (“fossil molecules”) from as far back as 3.85 billion years ago, forms of carbon embedded in rock that seem to have a distinctly biological origin. Somewhere on Earth during its first billion years the first simple organism arose, capable of replicating its own structure from a template (RNA?) that was the first genetic material.

中文翻译

地球大约形成于 46 亿年前,而生命的最早证据可以追溯到 35 亿年以前(见图 1-36 中的时间轴)。1996 年,在格陵兰工作的科学家发现了远至 38.5 亿年前的生命化学证据(「分子化石」),即嵌在岩石中、似乎具有明确生物学起源的碳的形式。在地球最初的十亿年间的某个地方,出现了第一个简单的生物体,它能够以某种模板(RNA?)为依据复制自身的结构,而这种模板就是最早的遗传物质。

§1.5 生物进化开始于三十五亿年以前 · 教材 p. 211
原理解读

这一节看似「课外」,其实回答了本章最根本的问题:为什么所有生物都用同一套化学?答案是共同祖先加自然选择。备考时抓三个可考的点:①突变是进化的原材料,复制错误率必须处在「太高则子代不能存活、太低则没有变异供选择」之间的平衡;②基因重复后再突变,是产生新酶活性而不丧失原有功能的重要途径;③RNA 世界假说的关键实证是核糖体中催化肽键形成的是 rRNA 而非蛋白质——这一点正好与笔记「现代阶段:RNA 具有酶的功能」这一条对上,可以互相印证着记。

术语对照
  • 突变mutationDNA 核苷酸序列的改变,来自未被修复的复制错误或错误修复的损伤。
  • 自然选择natural selection具有选择优势的个体存活并繁盛的过程。
  • 基因重复gene duplication多出的基因拷贝可自由突变,是产生新功能的途径。
  • 非生物合成(化学进化)abiotic synthesisMiller-Urey 实验证明有机小分子可在模拟原始地球条件下生成。
  • RNA 世界假说RNA world hypothesisRNA 兼具信息储存与催化功能,可能是最早的基因与催化剂。
  • 核酶ribozyme具有催化活性的 RNA 分子;核糖体中肽键的形成即由 RNA 催化。