生物化学原理/细胞及其生物化学

生物化学的历史大约跨越了 400 年。虽然“生物化学”一词似乎最早出现在 1882 年，但普遍认为“生物化学”一词是由德国化学家卡尔·诺伊贝格在 1903 年首次提出的。

生物化学是研究生物体中化学过程的学科。生物化学支配着所有生物体和生命过程。通过控制通过生化信号传递的信息流和通过代谢的化学能量流，生化过程产生了生命不可思议的复杂性。生物化学的很大一部分涉及细胞成分（如蛋白质、碳水化合物、脂类、核酸和其他生物分子）的结构和功能，尽管越来越多的过程而不是单个分子成为主要关注点。在过去 40 年中，生物化学在解释生命过程方面取得了巨大成功，现在从植物学到医学的几乎所有生命科学领域都从事生物化学研究。今天，纯生物化学的主要关注点是了解生物分子如何产生发生在活细胞内的过程，这反过来与对整个生物体的研究和理解密切相关。在数量庞大的不同生物分子中，许多是复杂的、大型分子（称为聚合物），它们由相似的重复亚基（称为单体）组成。每类聚合生物分子都有不同的亚基类型集。例如，蛋白质是一种聚合物，其亚基是从 20 种或更多种氨基酸集合中选择的。生物化学研究重要生物分子（如蛋白质）的化学性质，特别是酶催化反应的化学性质。细胞代谢和内分泌系统的生物化学已被广泛描述。生物化学的其他领域包括遗传密码（DNA、RNA）、蛋白质合成、细胞膜转运和信号转导。^[1]

酶

爱德华·布赫纳

早在 18 世纪后期和 19 世纪初期，胃分泌物对肉类的消化^[2]和植物提取物和唾液将淀粉转化为糖类是已知的。但是，发生这种现象的机制尚未确定。^[3]

在 19 世纪，在研究发酵糖类产生酒精时，路易斯·巴斯德得出的结论是，这种发酵是由酵母细胞中的一种称为“发酵剂”的生命力催化的，人们认为这些发酵剂只在生物体中起作用。他写道，“酒精发酵是与酵母细胞的生命和组织相关联的行为，而不是与细胞的死亡或腐烂相关联的行为”。^[4]

1878 年，德国生理学家威廉·库恩 (1837–1900) 创造了酶一词，该词源于希腊语“在酵母中”，用来描述这个过程。酶一词后来用于指代无生命物质，例如胃蛋白酶，而发酵剂一词用于指代由生物体产生的化学活性。

1897 年，爱德华·布赫纳 开始研究酵母提取物在没有活酵母细胞的情况下发酵糖的能力。在一系列在柏林洪堡大学进行的实验中，他发现即使混合物中没有活酵母细胞，糖类也会发酵。^[5] 他将导致蔗糖发酵的酶命名为“齐酶”。^[6] 1907 年，他获得了诺贝尔化学奖，“表彰他在生化研究和无细胞发酵发现方面的贡献”。继布赫纳的例子之后，酶通常根据它们进行的反应命名。通常，将后缀-ase添加到底物的名称（例如，乳糖酶是裂解乳糖的酶）或反应类型（例如，DNA 聚合酶形成 DNA 聚合物）。

已经证明酶可以在活细胞外起作用，下一步是确定它们的生化性质。许多早期研究人员注意到酶活性与蛋白质相关，但一些科学家（如诺贝尔奖获得者理查德·维尔施泰特）认为蛋白质仅仅是真正酶的载体，蛋白质本身不具备催化能力。然而，1926 年，詹姆斯·B·萨默 证明了酶脲酶是一种纯蛋白质，并将其结晶化；萨默也对过氧化氢酶进行了类似的操作，时间是 1937 年。纯蛋白质可以作为酶的结论最终由诺斯罗普和斯坦利证明，他们研究了消化酶胃蛋白酶 (1930)、胰蛋白酶和胰凝乳蛋白酶。这三位科学家获得了 1946 年诺贝尔化学奖。^[7] 酶可以被结晶化的发现最终使得通过X 射线晶体学解决它们的结构成为可能。这最早是在溶菌酶上完成的，溶菌酶是一种存在于眼泪、唾液和蛋清中的酶，它消化某些细菌的涂层；该结构由大卫·奇尔顿·菲利普斯领导的小组解决，并于 1965 年发表。^[8] 溶菌酶的高分辨率结构标志着结构生物学领域的开端以及在原子水平上理解酶如何工作的努力。^[9]

新陈代谢

他的等臂天平中的桑托里奥·桑托里奥，摘自 1614 年首次出版的Ars de statica medecina

代谢一词源于希腊语 Metabolismos，意思是“变化”或“颠覆”。^[10] 代谢科学研究史跨越 400 年。关于人体代谢的第一个受控实验是由桑托里奥·桑托里奥于 1614 年在他的书Ars de statica medecina中发表的。^[11] 这本书描述了他如何在进食、睡眠、工作、性交、禁食、饮酒和排泄前后称重。他发现他摄入的大部分食物都通过他称之为“无形排汗”的方式流失了。^[12]

20 世纪

从那时起，生物化学取得了进步，特别是在 20 世纪中叶以后，随着色谱法、X 射线衍射、核磁共振波谱、放射性同位素标记、电子显微镜和分子动力学模拟等新技术的开发。这些技术使人们能够发现和详细分析细胞的许多分子和代谢途径，例如糖酵解和克雷布斯循环（柠檬酸循环）。这些现代生物化学家中最有成就的一位是 汉斯·阿道夫·克雷布斯，他对代谢研究做出了巨大贡献。 他发现了尿素循环，后来与汉斯·科恩伯格合作发现了柠檬酸循环和乙醛酸循环。 1960 年，生物化学家 罗伯特·克莱恩 揭示了他发现钠-葡萄糖 协同运输 作为肠道葡萄糖吸收机制的过程。 这是第一个关于离子通量和底物通量之间的偶联的提议，被视为引发了生物学领域的革命。如今，生物化学的发现被应用于许多领域，从遗传学到分子生物学，以及从农业到 医学。

生物能学

生物能学是生物化学的一个分支，它关注生物体中分子化学键的形成和断裂所涉及的能量。生长、发育和代谢是生物体研究中的一些核心现象。能量的作用对于这些生物过程至关重要。从各种代谢途径中获取能量的能力是所有生物体的一个特性。生命依赖于能量转化；生物体之所以能存活，是因为在内部和外部之间存在着能量交换。在活生物体中，化学键断裂和形成是能量交换和转化的组成部分。当弱键断裂而形成强键时，能量可用于做功（例如机械功）或用于其他过程（例如化学合成和生长中的合成代谢过程）。更强键的形成允许释放可用能量。

生物体从有机和无机材料中获取能量。例如，化能无机营养生物可以氧化硝酸盐或硫的各种形式，例如元素硫、亚硫酸盐和硫化氢来产生 ATP。在光合作用中，自养生物可以利用光能产生 ATP。异养生物必须消耗有机化合物。这些主要是碳水化合物、脂肪和蛋白质。生物体实际获得的能量量低于食物中存在的能量量；在消化、代谢和产热过程中会产生能量损失。这些材料通常与氧气结合释放能量，尽管一些材料也可以被各种生物体厌氧氧化。与保持二氧化碳和水分子结合在一起的化学键相比，保持营养物质分子结合在一起的键以及保持自由氧分子结合在一起的键都相对较弱。利用这些材料是一种缓慢燃烧的形式。这就是为什么可以用弹式量热计估计食物的能量含量的原因。这些材料氧化得足够慢，以至于生物体实际上不会产生火焰。氧化释放能量，因为形成了更强的键（对应于更低的能量）。这种净能量可能以热量的形式释放出来，或者其中的一部分可能被生物体用于其他目的，例如断裂其他键以进行化学反应。

生物体通过氧化磷酸化从能量来源产生 ATP。ATP 的末端磷酸键与 ATP 降解为腺嘌呤单磷酸和磷酸盐（溶解在水中）时形成的更强键相比相对较弱。在这里，水合作用的能量导致能量释放。这种 ATP 水解被用作电池，用于在细胞中储存能量，以进行中间代谢。从这种分子键重排中利用化学能为每个生物体中的生物过程提供动力。

熵

熵的概念由热力学第二定律定义，该定律指出封闭系统的熵总是增加或保持不变。

熵变 当理想气体发生变化时，其熵也可能发生变化。对于比热容不变且体积、压力或温度也保持不变的情况，熵变可以很容易地计算出来。

当比热容和体积保持不变时，熵变由下式给出

$\Delta S=nC_{v}\ln {\frac {T}{T_{0}}}$.

当比热容和压力保持不变时，熵变由下式给出

$\Delta S=nC_{p}\ln {\frac {T}{T_{0}}}$.

当比热容和温度保持不变时，熵变由下式给出

$\Delta S=nR\ln {\frac {V}{V_{0}}}$.

在这些方程中 $C_{v}$ 是恒容比热容，$C_{p}$ 是恒压比热容，$R$ 是 理想气体常数，$n$ 是气体的 摩尔 数。

对于其他一些转化，并非所有这些性质（比热容、体积、压力或温度）都是恒定的。在这些情况下，对于 1 摩尔的理想气体，熵变可以用下式给出：

$\Delta S=C_{v}\ln {\frac {T}{T_{0}}}+R\ln {\frac {V}{V_{0}}}$ 或者

$\Delta S=C_{p}\ln {\frac {T}{T_{0}}}-R\ln {\frac {P}{P_{0}}}$.

焓

焓是热力学体系总能量的量度。它包括内能，即创建体系所需的能量，以及通过取代其环境并建立其体积和压力而为其腾出空间所需的能量。

体系的焓定义为

$H=U+pV,\,$

其中

H 是体系的焓（以焦耳为单位），

U 是体系的内能（以焦耳为单位），

p 是体系边界及其环境的压力（以帕斯卡为单位），以及

V 是体系的体积（以立方米为单位）。

请注意，U 项等效于创建体系所需的能量，而 pV 项等效于如果环境压力保持恒定，则为体系“腾出空间”所需的能量。

pV 项可以通过以下等压过程的示例来理解。考虑气体在气缸中改变其体积（例如，通过化学反应），推动活塞，保持恒定压力 p。力由活塞的面积 A 和压力的定义 p = F/A 计算：力为 F = pA。根据定义，所做的功 W 为 W = Fx，其中 x 是活塞移动的距离。结合起来得到 W = pAx，而乘积 Ax 是活塞移动的体积：Ax = V。因此，气体所做的功为 W = pV，其中 p 为恒定压力，V 为体积膨胀。包含此 pV 项意味着在恒定压力膨胀期间，任何作为对环境工作的损失的内能不会影响焓值。焓变可以定义为 ΔH = ΔU + W = ΔU + Δ(pV)，其中 ΔU 是因膨胀而损失的热能，W 是因对活塞所做的功而获得的能量。

吉布斯自由能

在热力学中，吉布斯自由能（IUPAC 推荐名称：吉布斯能或吉布斯函数；也称为自由焓[1]，以将其与亥姆霍兹自由能区分开来）是热力学势，它测量从等温等压热力学系统中可以获得的“有用”或过程启动功。

吉布斯自由能最初被称为可用能，是由美国数学家约西亚·威拉德·吉布斯在 1870 年代发展起来的。1873 年，吉布斯将这种“可用能”描述为从给定量的某种物质在给定初始状态中获得的最大机械功，前提是不增加其总体积，也不允许热量传递到外部物体或从外部物体传递到内部物体，除了在过程结束时留下的那些物体处于其初始状态。

反应的自由能

为了推导出孤立系统的吉布斯自由能方程，设S_tot为孤立系统的总熵，即不能与周围环境交换热量或质量的系统。根据热力学第二定律

$\Delta S_{tot}\geq 0\,$

如果 ΔS_tot = 0，则该过程是可逆的。对于绝热系统，热传递 Q 消失。任何绝热过程，如果也是可逆的，则被称为等熵 $\left({Q \over T}=\Delta S=0\right)\,$ 过程。

现在考虑具有内部熵 S_int 的系统。这样的系统与周围环境发生热连接，周围环境具有熵 S_ext。熵形式的第二定律只适用于系统及其周围环境形成的封闭系统。因此，如果

$\Delta S_{int}+\Delta S_{ext}\geq 0\,$.

如果 Q 是从周围环境传递到系统的热量，那么 −Q 是周围环境损失的热量

因此 $\Delta S_{ext}=-{Q \over T},$ 对应于周围环境的熵变。

现在我们有

$\Delta S_{int}-{Q \over T}\geq 0\,$

将等式两边乘以T

$T\Delta S_{int}-Q\geq 0\,$

Q 是传递到系统的热量；如果现在假设该过程为等压，则 Q_p = ΔH

$T\Delta S_{int}-\Delta H\geq 0\,$

ΔH 是反应焓变（对于恒压下的化学反应）。那么

$\Delta H-T\Delta S_{int}\leq 0\,$

对于一个可能的进程。令吉布斯自由能的变化 ΔG 定义为

$\Delta G=\Delta H-T\Delta S_{int}\,$ (eq.1)

注意，它没有用任何外部状态函数定义，例如 ΔS_ext 或 ΔS_tot。那么第二定律变为，它也告诉我们反应的自发性

$\Delta G<0\,$ 有利反应（自发）

$\Delta G=0\,$ 正向和逆向反应都没有占优 (平衡)

$\Delta G>0\,$ 不利反应（非自发）

吉布斯自由能 G 本身定义为

$G=H-TS_{int}\,$ (eq.2)

但请注意，要从等式 (1) 获得等式 (2)，我们必须假设 T 是恒定的。因此，吉布斯自由能最适用于恒温和恒压的热化学过程：等温和等压。这种过程不会在 P-V 图上移动，例如纯物质的相变，它发生在饱和压力和温度下。然而，化学反应确实会经历 化学势 的变化，化学势是一个状态函数。因此，热力学过程并不局限于二维 P-V 图。对于 n，即气体量，还有一个第三维。对于爆炸性化学物质的研究，这些过程不一定是等温和等压的。对于这些研究，使用亥姆霍兹自由能。

如果一个孤立系统 (Q = 0) 处于恒压 (Q = ΔH)，那么

$\Delta H=0\,$

因此，孤立系统的吉布斯自由能为

$\Delta G=-T\Delta S\,$

如果 ΔG ≤ 0，那么这意味着 ΔS ≥ 0，回到我们开始推导 ΔG 的地方

有用恒等式

$\Delta G=\Delta H-T\Delta S\,$ 在恒温下

$\Delta _{r}G^{\circ }=-RT\ln K\,$

$\Delta _{r}G=\Delta _{r}G^{\circ }+RT\ln Q_{r}\,$ (参见 化学平衡).

$\Delta G=-nFE\,$

$\Delta G^{\circ }=-nFE^{\circ }\,$

并重新排列得到

$nFE^{\circ }=RT\ln K\,$

$nFE=nFE^{\circ }-RT\ln Q_{r}\,\,$

$E=E^{\circ }-{\frac {RT}{nF}}\ln Q_{r}\,\,$

将反应的电势与该反应的平衡系数联系起来 (能斯特方程).

其中

ΔG = 吉布斯自由能变化，ΔH = 焓变化，T = 绝对温度，ΔS = 熵变化，R = 气体常数，ln = 自然对数，Δ_rG = 反应吉布斯自由能变化，Δ_rG° = 反应吉布斯自由能标准变化，K = 平衡常数，Qr = 反应商，n = 每摩尔产物的电子数，F = 法拉第常数 (库仑每摩尔)，E = 反应的电极电势。此外，我们还有

$K_{eq}=e^{-{\frac {\Delta _{r}G^{\circ }}{RT}}}$

$\Delta _{r}G^{\circ }=-RT(\ln K_{eq})=-2.303RT(\log K_{eq})$

将平衡常数与吉布斯自由能联系起来。

细胞是生命的基本单位

细胞是生命的基本功能单位。细胞是由罗伯特·胡克发现的，是所有已知生物体的功能单位。它是生命中最小的单位，被归类为生物，通常被称为生命的积木。一些生物，例如大多数细菌，是单细胞的（由单个细胞组成）。其他生物，例如人类、猫、狗和鸟类，是多细胞的。人类大约有100万亿或10 ¹⁴ 个细胞；典型的细胞大小为10 µm，典型的细胞质量为1纳克。最大的细胞约为135 µm，位于脊髓前角，而小脑中的颗粒细胞，是最小的，可以小到4 µm，最长的细胞可以从脚趾延伸到下脑干（假单极细胞）。

已知最大的细胞是未受精的鸵鸟卵细胞，重量为3.3磅。1835年，在最终的细胞学说发展之前，扬·埃万格利斯塔·普尔基涅在显微镜下观察植物组织时，观察到了小的“颗粒”。细胞学说，由马蒂亚斯·雅各布·施莱登和西奥多·施旺于1839年首次提出，指出所有生物都由一个或多个细胞组成，所有细胞都来自现有的细胞，生物体的生命功能发生在细胞内，所有细胞都包含调节细胞功能和将信息传递给下一代细胞的遗传信息。“细胞”一词来自拉丁语“cellula”，意思是“小房间”。对最小生物结构的描述性术语是由罗伯特·胡克在1865年出版的一本书中创造的，当时他将他在显微镜下看到的软木细胞比作僧侣居住的小房间。细胞有两種類型：真核细胞和原核细胞。原核细胞通常是独立的，而真核细胞通常存在于多细胞生物中。

生命起源和米勒实验

实验

地球早期的大气一些证据表明，地球最初的大气可能比米勒-尤里实验时所认为的还原性分子更少。有大量证据表明，40亿年前发生了重大火山喷发，这些喷发会将二氧化碳、氮气、硫化氢 (H₂S) 和二氧化硫 (SO₂) 释放到大气中。除了米勒-尤里实验中使用的气体外，使用这些气体进行的实验产生了更多样化的分子。实验创造了一种外消旋混合物（包含 L 和 D 对映异构体），后来的实验表明，“在实验室里，两种版本出现的可能性相同”。 然而，在自然界中，L 氨基酸占主导地位；后来的实验已经证实，L 或 D 方向的对映异构体可能存在不均衡的量。

最初人们认为，原始次要大气主要包含氨和甲烷。然而，很可能大多数大气碳是CO₂，可能还有一些CO，氮气主要是N₂。在实践中，只要没有O₂，包含CO、CO₂、N₂等的混合气体与包含CH₄和NH₃的混合气体产生的产物几乎相同。氢原子主要来自水蒸气。事实上，为了在原始地球条件下生成芳香族氨基酸，必须使用氢含量较低的混合气体。在米勒实验的变体中，已经制造了大多数天然氨基酸、羟基酸、嘌呤、嘧啶和糖。

最近的结果可能对这些结论提出质疑。滑铁卢大学和科罗拉多大学于2005年进行了模拟，结果表明，地球早期的大气可能包含高达40%的氢——这意味着对前生物有机分子形成可能是一个更加有利的环境。根据对高层大气温度的修正估计，氢从地球大气逃逸到太空的速度可能只有之前认为速度的百分之一。 作者之一欧文·图恩指出：“在这种新的情况下，有机物可以在早期大气中有效地产生，这让我们回到了海洋中富含有机物的汤的概念......我认为这项研究使米勒和其他人的实验再次变得相关。”使用早期地球的球粒陨石模型进行的脱气计算补充了滑铁卢/科罗拉多大学的结果，重新确立了米勒-尤里实验的重要性。

与米勒-尤里实验类似的条件存在于太阳系的其他区域，通常用紫外线光代替闪电作为化学反应的能量来源。默奇森陨石于1969年坠落在澳大利亚默奇森，维多利亚附近，发现其中含有超过90种不同的氨基酸，其中19种存在于地球生命中。 彗星和其他冰冷的外太阳系天体被认为含有大量的复杂碳化合物（如托林），这些化合物是通过这些过程形成的，使这些天体表面变暗。 早期的地球受到彗星的猛烈轰击，可能为地球提供了大量的复杂有机分子，以及它们贡献的水和其他挥发物。这已被用来推断地球生命起源于地球之外：泛种论假说。米勒和尤里实验（或尤里-米勒实验）是一个实验，模拟了当时认为存在于早期地球上的假设条件，并测试了生命的化学起源的发生情况。具体来说，该实验测试了亚历山大·奥巴林和J. B. S. 霍尔丹的假设，即原始地球上的条件有利于将无机前体合成有机化合物的化学反应。被认为是生命起源的经典实验，它是在1952年进行的，并于1953年由斯坦利·米勒和哈罗德·尤里在芝加哥大学发表。

米勒于2007年去世后，科学家们检查了从原始实验中保存下来的密封小瓶，结果表明米勒最初的实验中实际上产生了超过20种不同的氨基酸。这比米勒最初报告的要多得多，也比自然界中存在的20种氨基酸要多。此外，一些证据表明，地球最初的大气可能与米勒-尤里实验中使用的气体成分不同。有大量证据表明，40亿年前发生了重大火山喷发，这些喷发会将二氧化碳、氮气、硫化氢 (H₂S) 和二氧化硫 (SO₂) 释放到大气中。除了米勒-尤里实验中使用的气体外，使用这些气体进行的实验产生了更多样化的分子。

实验

实验使用了水 (H₂O)、甲烷 (CH₄)、氨 (NH₃) 和氢 (H₂)。这些化学物质都被密封在一个无菌的玻璃管和烧瓶阵列中，这些管和烧瓶连接成一个循环，其中一个烧瓶中装有一半液体水，另一个烧瓶中装有一对电极。加热液体水使其蒸发，在电极之间放电以模拟穿过大气的水蒸汽中的闪电，然后冷却大气，使水蒸汽凝结并以连续循环的方式流回第一个烧瓶。

在一个星期的持续运行结束后，米勒和尤里观察到，系统中高达10%-15%的碳现在以有机化合物的形式存在。2%的碳形成了氨基酸，这些氨基酸用于制造活细胞中的蛋白质，其中甘氨酸含量最丰富。还形成了糖和液体。在反应中没有形成核酸。但是，形成了常见的20种氨基酸，但浓度不同。

斯坦利·米勒在一次采访中说：“在基本的预生物实验中，只要打开电火花，就会产生20种氨基酸中的11种。”

正如在所有后续实验中观察到的那样，左手性 (L) 和右手性 (D) 旋光异构体是在外消旋混合物中产生的。

最初的实验至今仍由米勒和尤里的前学生杰弗里·巴达教授在加州大学圣地亚哥分校的斯克里普斯海洋研究所保管。

混合物成分之间的一步反应可以产生氰化氢 (HCN)、甲醛 (CH₂O)和其他活性中间体化合物（乙炔、氰基乙炔等）

CO₂ → CO + [O]（原子氧）

CH₄ + 2[O] → CH₂O + H₂O

CO + NH₃ → HCN + H₂O

CH₄ + NH₃ → HCN + 3H₂ (BMA 过程)

然后，甲醛、氨和 HCN 通过施特雷克合成反应生成氨基酸和其他生物分子。

CH₂O + HCN + NH₃ → NH₂-CH₂-CN + H₂O

NH₂-CH₂-CN + 2H₂O → NH₃ + NH₂-CH₂-COOH（甘氨酸）

此外，水和甲醛可以通过布特列洛夫反应生成各种糖，如核糖。

其他实验 这个实验激发了其他许多实验。1961 年，Joan Oró 发现，在水溶液中，氢氰酸 (HCN) 和氨可以生成腺嘌呤核苷酸碱基。他的实验产生了大量的腺嘌呤，这些分子由 5 个 HCN 分子形成。 此外，在这些条件下，许多氨基酸都是由 HCN 和氨形成的。 后来的实验表明，其他RNA 和 DNA 核苷酸碱基可以通过模拟的原始生命化学过程，在具有还原性大气的环境中获得。

与米勒-尤里实验同时进行的，还有其他一些与生命起源相关的类似放电实验。1953 年 3 月 8 日，《纽约时报》上的一篇名为“回顾二十亿年”的文章描述了俄亥俄州立大学沃尔曼（威廉）·M·麦克尼文在米勒发表《科学》论文之前所做的一些研究。麦克尼文在甲烷和水蒸气中通入 100,000 伏的电火花，并产生了“树脂状固体”，这些固体“太复杂而无法分析”。这篇文章描述了麦克尼文进行的其他早期地球实验。目前尚不清楚他是否在主要的科学文献中发表过这些结果。

1952 年 12 月 15 日，在米勒于 1953 年 2 月 14 日向《科学》杂志提交论文之前，K. A. 维尔德向该杂志提交了一篇论文。维尔德的论文于 1953 年 7 月 10 日发表。 维尔德在二元混合物（二氧化碳 (CO₂) 和水）的流动系统中使用了最高 600 伏的电压。他只观察到少量二氧化碳还原为一氧化碳，没有其他显著的还原产物或新形成的碳化合物。其他研究人员正在研究紫外线-光解 水蒸气与一氧化碳。他们发现，在反应混合物中合成了各种醇、醛和有机酸。

加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋研究所（位于拉霍亚，加州）的化学家杰弗里·巴达最近进行的实验与米勒进行的实验相似。然而，巴达指出，在当前的早期地球条件模型中，二氧化碳和氮气 (N₂) 会产生亚硝酸盐，亚硝酸盐会以氨基酸形成的速度破坏氨基酸。然而，早期地球可能含有大量的铁和碳酸盐矿物，可以中和亚硝酸盐的影响。当巴达在米勒型实验中添加铁和碳酸盐矿物时，产物中富含氨基酸。这表明，即使在地球大气中含有二氧化碳和氮气的情况下，地球上也可能产生了大量的氨基酸。。

原核生物

原核生物相对于其他生物体和生物分子的尺寸

原核生物是单细胞生物，没有细胞核、线粒体或任何其他膜结合的细胞器。换句话说，它们的 DNA 以及它们的任何其他代谢活性部位都不会集中在某个离散的膜封闭区域。相反，所有东西都在细胞内自由存取，其中一些是自由漂浮的[3]。原核生物和真核生物（意思是真核，也拼写为“真核生物”）之间的区别在于，真核生物确实拥有包含其 DNA 的“真”核。与原核生物不同，真核生物可以是单细胞的，如变形虫，也可以是多细胞的，如植物和动物。原核生物和真核生物的结构差异非常大，以至于有时被认为是生物体群体之间最重要的区别。原核生物的细胞结构与真核生物的细胞结构有很大差异。其决定性特征是缺乏细胞核。此外，原核生物的核糖体大小也比真核生物的核糖体小，现在，核糖体是呼吸作用发生的地方。原核生物的基因组被保存在细胞质中一个不规则的 DNA/蛋白质复合物中，称为拟核，它没有核膜。

一般来说，原核生物缺乏以下膜结合的细胞隔室：线粒体和叶绿体。相反，氧化磷酸化和光合作用等过程发生在原核生物的质膜中。然而，原核生物确实拥有一些内部结构，例如细胞骨架，而细菌目浮霉菌目在其拟核周围有一个膜，并且包含其他膜结合的细胞结构。真核生物和原核生物都包含称为核糖体的大型 RNA/蛋白质结构，这些结构产生蛋白质。原核生物通常比真核细胞小得多。原核生物还不同于真核生物，因为它们只包含一个位于称为拟核的区域的稳定染色体 DNA 环，而真核生物的 DNA 则位于紧密结合和有序的染色体上。尽管一些真核生物具有称为质粒的卫星 DNA 结构，但通常认为这些是原核生物的特征，而原核生物中的许多重要基因都存储在质粒中。原核生物具有更大的表面积与体积比，使其具有更高的代谢率、更高的生长速率，以及与真核生物相比更短的世代时间。对这种分类的一个批评是，“原核生物”这个词是基于这些生物体不是什么（它们不是真核生物），而不是它们是什么（是古细菌或细菌）。1977 年，卡尔·沃斯提出将原核生物分为细菌和古细菌（最初为真细菌和古细菌），因为这两类生物体的结构和遗传学存在重大差异。这种真核生物（也称为“真核生物”）、细菌和古细菌的排列被称为三域系统，取代了传统的两界系统。

真核细胞

真核生物（左）和原核生物（右）的细胞

真核细胞的起源是生命进化史上的一个里程碑，因为它们包括所有复杂细胞和几乎所有多细胞生物。这一系列事件的时间很难确定；诺尔（2006）认为它们大约在 16 亿到 21 亿年前形成。已知一些疑源类生物至少存在于 16.5 亿年前，而可能存在的藻类格里潘尼亚（Grypania）可以追溯到 21 亿年前。与现代群体明显相关的化石开始出现在大约 12 亿年前，以红藻的形式出现，尽管最近的研究表明，在文德盆地存在可以追溯到 16 亿到 17 亿年前的化石丝状藻类。生物标记表明，至少茎真核生物出现得更早。在澳大利亚页岩中存在甾烷表明，真核生物存在于 27 亿年前。

真核细胞有许多不同的类型，尽管动物和植物是最常见的真核生物，因此它们为理解真核生物结构提供了一个极好的起点。然而，真菌和许多原生生物有一些实质性的差异。

动物细胞

动物细胞是真核细胞的一种形式，构成动物体内的许多组织。动物细胞不同于其他真核生物，最明显的是植物细胞，因为它们缺乏细胞壁和叶绿体，并且它们具有更小的液泡。由于缺乏坚硬的细胞壁，动物细胞可以采用各种形状，吞噬细胞甚至可以吞噬其他结构。

细胞类型有很多。例如，成年人体内大约有 210 种不同的细胞类型。

植物细胞

植物细胞与其他真核生物的细胞有很大不同。它们的独特特征包括：一个大的中央液泡（被一层膜包围，称为液泡膜），它维持细胞的膨压并控制细胞质和液泡之间分子的运动。 细胞壁由纤维素、半纤维素和果胶组成，由原生质体沉积在细胞膜外侧；这与真菌的细胞壁（含有几丁质）和原核生物的细胞外被（其中肽聚糖是主要的结构分子）形成对比。 胞间连丝，连接细胞壁中的孔隙，使每个植物细胞能够与相邻的细胞进行通信；这与动物细胞之间功能相似的间隙连接不同。 质体，特别是含有叶绿素的叶绿体，叶绿素是赋予植物绿色并使它们能够进行光合作用的色素。 高等植物，包括针叶树和开花植物（被子植物），缺乏动物细胞中存在的鞭毛和中心体。

真菌细胞

真菌细胞与动物细胞最相似，但有以下例外：细胞壁含有几丁质。 细胞之间界限不明确；高等真菌的菌丝有称为隔膜的多孔隔板，允许细胞质、细胞器，有时还有细胞核通过。 原始真菌几乎没有隔膜，因此每个生物体本质上都是一个巨大的多核超细胞；这些真菌被称为具核菌。 只有最原始的真菌，壶菌，有鞭毛。^[56]

其他真核细胞 真核生物是一个非常多样化的群体，它们的细胞结构也同样多样化。 许多真核生物有细胞壁，许多没有。 许多真核生物有叶绿体，这些叶绿体源于初级、次级甚至三次内共生；许多没有。 一些群体有独特的结构，例如蓝藻体的蓝藻体，顶丝藻的顶丝，或隐藻的射出体。 其他结构，如伪足，以不同的形式存在于各种真核生物群体中，例如无定形变形虫或网状有孔虫。

表 1：原核细胞和真核细胞特征比较

	原核生物	真核生物
典型生物体	细菌，古细菌	原生生物，真菌，植物，动物
典型尺寸	~ 1–10 µm	~ 10–100 µm (精子除尾巴外，尺寸更小)
细胞核类型	核区；没有真正的细胞核	被双层膜包围的真核
DNA	环状（通常）	线性分子（染色体）与组蛋白 蛋白质
RNA-/蛋白质合成	在细胞质中耦合	RNA在细胞核内合成 蛋白质在细胞质中合成
核糖体	50S+30S	60S+40S
细胞质结构	很少结构	由内膜系统和细胞骨架高度结构化
细胞运动	鞭毛由鞭毛蛋白构成	鞭毛和纤毛包含微管；片状伪足和丝状伪足包含肌动蛋白
线粒体	没有	一个到几千个（尽管一些没有线粒体）
叶绿体	没有	在藻类和植物中
组织	通常是单细胞	单细胞、群体、具有特化细胞的高级多细胞生物
细胞分裂	二元裂殖（简单分裂）	有丝分裂（裂殖或出芽） 减数分裂

植物细胞与动物细胞不同

典型动物细胞结构

典型植物细胞结构

植物细胞是真核细胞，在几个关键方面与其他真核生物的细胞不同。 它们的独特特征包括：一个大的中央液泡，一个充满水的体积，被一层称为液泡膜的膜包围，它维持细胞的膨压，控制细胞质和液泡之间分子的运动，储存有用的物质并消化废弃的蛋白质和细胞器。

细胞壁由纤维素和半纤维素、果胶以及在许多情况下由木质素组成，由原生质体分泌到细胞膜外侧。 这与真菌（由几丁质构成）和细菌（由肽聚糖构成）的细胞壁形成对比。 称为胞间连丝的特殊细胞间通讯途径，即穿过初生细胞壁的孔隙，相邻细胞的质膜和内质网在其中是连续的。

质体，其中最著名的是叶绿体，它包含叶绿素和用于光捕获和光合作用的生化系统，但也包括专门用于淀粉储存的淀粉体，专门用于脂肪储存的油质体，以及专门用于色素合成和储存的色素体。 与线粒体一样，线粒体拥有编码 37 个基因的基因组，质体也有自己的基因组，包含大约 100-120 个独特的基因，并且据推测，质体起源于早期真核生物祖先细胞中存在的原核内共生体。

与动物细胞不同，植物细胞是静止的。 通过在胞质分裂后期建立细胞板作为构建细胞壁模板的方式进行细胞分裂是陆地植物和少数藻类群体的特征，其中最著名的是轮藻纲和丝藻目。 苔藓植物的精子有与动物精子相似的鞭毛，但高等植物（包括裸子植物和开花植物）缺乏动物细胞中存在的鞭毛和中心体。^[57]

表 2：动物细胞和植物细胞结构比较

	典型动物细胞	典型植物细胞
细胞器	细胞核 核仁（在细胞核内） 粗面内质网（ER） 光面 ER 核糖体 细胞骨架 高尔基体 细胞质 线粒体 囊泡 溶酶体 中心体 中心粒	细胞核 核仁（在细胞核内） 粗面 ER 光面 ER 核糖体 细胞骨架 高尔基体（扁平囊） 细胞质 线粒体 质体及其衍生物 液泡（s） 细胞壁

真核细胞器起源和内共生理论

内共生理论（源于希腊语：endo- 意为内部，-symbiosis 意为共居）最初由俄罗斯植物学家康斯坦丁·梅列什科夫斯基于 1905 年提出。 梅列什科夫斯基熟悉植物学家安德烈亚斯·施莱姆佩尔的著作，施莱姆佩尔于 1883 年观察到绿色植物中叶绿体的分裂与自由生活的蓝藻非常相似，并且他自己曾试探性地提出（在脚注中）绿色植物起源于两种生物体的共生结合。 伊万·沃林在 1920 年代将内共生起源的概念扩展到线粒体。 这些理论最初被驳回或忽视。 对蓝藻和叶绿体之间进行的更详细的电子显微镜比较（例如汉斯·里斯的研究），再加上发现质体和线粒体包含它们自己的 DNA（在那时，人们已经认识到 DNA 是生物体的遗传物质），导致了这一概念在 1960 年代的复兴。 内共生理论由琳·马古利斯在 1967 年发表的论文《有丝分裂真核细胞的起源》中用微生物学证据进一步阐述和证实。^[58]

在她 1981 年的著作《细胞进化中的共生》中，她论证了真核细胞起源于相互作用的实体的群体，包括演化为真核鞭毛和纤毛的内共生螺旋体。 最后一个想法没有得到广泛认可，因为鞭毛缺乏 DNA 并且在超微结构上与细菌或古细菌没有相似之处。 根据马古利斯和多里昂·萨根的说法，“生命不是通过战斗，而是通过网络来接管地球”（即通过合作）。 人们也认为过氧化物酶可能具有内共生起源，尽管它们缺乏 DNA。 克里斯蒂安·德·杜夫提出，它们可能是最早的内共生体，使细胞能够承受地球大气中不断增加的游离氧气分子。 然而，现在看来它们可能是从头开始形成的，这与它们具有共生起源的想法相矛盾。

据信，在漫长的岁月中，这些内共生体在从共生群体到建立的真核细胞的进化转变过程中，将它们自身的一些 DNA 转移到了宿主细胞的细胞核中（称为“串联内共生”）。 这种假设被认为是可能的，因为如今从科学观察中已知，即使是亲缘关系不密切的细菌之间也会发生 DNA 转移。 细菌可以从周围环境中吸收 DNA，并且具有有限的能力将其整合到自己的基因组中。^[59]

真核细胞器

真核生物是结构复杂的细胞类型之一，根据定义，它们在一定程度上由更小的内部隔室组织，这些隔室本身被类似于最外层细胞膜的脂质膜包裹。较大的细胞器，如细胞核和液泡，在光学显微镜下很容易看到。它们是显微镜发明后最早的生物学发现之一。^[60]

并非所有真核细胞都具有下面列出的所有细胞器。特殊的生物体拥有不包含某些细胞器的细胞，这些细胞器可能被认为是真核生物的普遍存在（例如线粒体）。^[61] 下面的表格中也有一些关于细胞器周围膜的数量的例外情况（例如，有些被列为双层膜，有时也被发现只有一层或三层膜）。此外，在特定细胞中发现的每种类型细胞器的数量会根据该细胞的功能而变化。

主要的真核细胞器

细胞器	主要功能	结构	生物体	说明
叶绿体 (质体)	光合作用	双层膜隔室	植物，原生生物 (罕见的 盗食质体生物)	具有一些基因；被认为是被祖先真核细胞吞噬（内共生）
内质网	新蛋白质的翻译和折叠（粗面内质网），脂质的表达（光面内质网）	单层膜隔室	所有真核生物	粗面内质网表面覆盖着核糖体，具有扁平囊状的折叠；光面内质网具有管状的折叠
高尔基体	蛋白质的分类和修饰	单层膜隔室	所有真核生物	顺面（凸面）靠近粗面内质网；反面（凹面）远离粗面内质网
线粒体	能量产生（房子），线粒体是自复制的细胞器，存在于所有真核细胞的细胞质中，数量、形状和大小各不相同。	双层膜隔室	大多数真核生物	具有一些 DNA；被认为是被祖先真核细胞吞噬（内共生）
液泡	储存，有助于维持 稳态	单层膜隔室	真核生物
细胞核	它容纳细胞的染色体，也是几乎所有 DNA 复制、RNA 转录 发生的地方	双层膜隔室	所有真核生物	包含大多数 基因组

线粒体和叶绿体具有双层膜和自己的 DNA，被认为起源于未完全消耗或入侵的 原核生物，这些生物被作为入侵细胞的一部分而被接纳。这个想法在 内共生理论 中得到支持。

次要的真核细胞器和细胞成分

细胞器/大分子	主要功能	结构	生物体
顶体	帮助精子与卵子融合	单层膜隔室	许多动物
自噬体	包裹细胞质物质和细胞器以进行降解的囊泡	双层膜隔室	所有真核细胞
中心粒	是 细胞骨架 的锚点，帮助细胞分裂	微管 蛋白质	动物
纤毛	在外部介质中或内部介质中的运动；“关键的发育信号通路”。[62]	微管 蛋白质	动物，原生生物，少数植物
眼点装置	检测光线，允许进行 趋光性		绿藻 和其他单细胞 光合作用 生物，如 眼虫
糖体	进行 糖酵解	单层膜隔室	一些 原生动物，如锥虫。
乙醛酸体	将脂肪转化为糖	单层膜隔室	植物
氢化酶体	能量和氢气的产生	双层膜隔室	一些单细胞真核生物
溶酶体	分解大分子（例如，蛋白质 + 多糖）	单层膜隔室	大多数真核生物
黑色素体	色素储存	单层膜隔室	动物
线粒体体	尚未被描述	双层膜隔室	一些单细胞真核生物
肌原纤维	肌肉收缩	成束的细丝	动物
核仁	核糖体的产生	蛋白质-DNA-RNA	大多数真核生物
副核体	尚未被描述	尚未被描述	真菌
过氧化物酶体	分解代谢产生的过氧化氢	单层膜隔室	所有真核生物
核糖体	翻译 RNA 为蛋白质	RNA-蛋白质	真核生物，原核生物
囊泡	物质运输	单层膜隔室	所有真核生物

(A) 嗜盐硫杆菌 细胞的电子显微照片，箭头突出显示 羧化体。(B) 从嗜盐硫杆菌中分离出的完整羧化体的图像。比例尺为 100 纳米。^[63]

原核细胞器

原核生物不如真核生物结构复杂，曾经被认为没有任何被脂质膜包裹的内部结构。过去，人们通常认为它们内部结构组织很少；但随着时间的推移，人们对原核生物内部结构的认识逐渐加深。20 世纪 70 年代，人们提出了一个错误的观点，即细菌可能含有被称为 间体 的膜折叠，但后来证明这些间体是用来准备细胞进行电子显微镜观察的化学物质产生的假象。^{[64] [65]}

然而，最近的研究表明，至少一些原核生物具有 微隔室，如 羧化体。这些亚细胞隔室直径为 100-200 纳米，被一层蛋白质外壳包围。^[66] 更引人注目的是，人们描述了细菌中的膜结合磁小体，^{[67] [68]} 以及浮霉菌中的类核结构，这些结构被 脂质双层膜 包围。^[69]

原核细胞器和细胞成分

细胞器/大分子	主要功能	结构	生物体
羧化体	碳固定	蛋白质外壳隔室	一些细菌
叶绿素体	光合作用	光捕获复合体	绿硫细菌
鞭毛	在外部介质中的运动	蛋白质丝	一些原核生物和真核生物
磁小体	磁性定向	无机晶体，脂质膜	磁性细菌
拟核	DNA 维持，转录 为 RNA	DNA-蛋白质	原核生物
质粒	DNA 交换	环状 DNA	一些细菌
核糖体	翻译 RNA 为蛋白质	RNA-蛋白质	真核生物，原核生物
类囊体	光合作用	光系统蛋白质和色素	主要为蓝细菌

大肠杆菌作为模式生物

大肠杆菌是微生物学研究中常用的模式生物。培养菌株（例如大肠杆菌K12）已很好地适应实验室环境，与野生型菌株不同，它们失去了在肠道中生存的能力。许多实验室菌株失去了形成生物膜的能力。这些特征保护野生型菌株免受抗体和其他化学攻击，但需要大量能量和物质资源。1946年，乔舒亚·莱德伯格和爱德华·塔特姆首次描述了细菌接合现象，以大肠杆菌作为模式细菌，它仍然是研究接合的主要模型。[需要引用] 大肠杆菌是第一个理解噬菌体遗传学实验不可或缺的一部分，早期研究人员，如西摩·本泽，利用大肠杆菌和T4噬菌体来理解基因结构的地形。在Benzer的研究之前，人们不知道基因是线性结构，还是有分支模式。大肠杆菌是首批完成基因组测序的生物之一；大肠杆菌K12的完整基因组于1997年由《科学》杂志发表。

由理查德·伦斯基于1988年开始的长期大肠杆菌进化实验，使人们能够直接观察到实验室中主要的进化转变。在这个实验中，大肠杆菌的一个种群意外地进化出能够有氧代谢柠檬酸盐的能力。这种能力在大肠杆菌中极其罕见。由于不能有氧生长通常被用作鉴别大肠杆菌与其他密切相关的细菌（如沙门氏菌）的诊断标准，因此这种创新可能标志着一个在实验室中观察到的物种形成事件。通过将纳米技术与景观生态学相结合，可以生成具有纳米尺度细节的复杂栖息地景观。在这些合成生态系统中，已经进行了大肠杆菌的进化实验，以研究适应在芯片上的岛屿生物地理学中的空间生物物理学。

由于大肠杆菌在实验室培养中的悠久历史和易于操作，它在现代生物工程和工业微生物学中也发挥着重要作用。斯坦利·诺曼·科恩和赫伯特·博耶在大肠杆菌中使用质粒和限制性内切酶创建重组DNA的工作，成为了生物技术的基础。被认为是生产异源蛋白的非常通用的宿主，研究人员可以使用质粒将基因引入微生物，从而在工业发酵过程中实现蛋白质的大规模生产。还开发了遗传系统，允许使用大肠杆菌生产重组蛋白。重组DNA技术的第一个实用应用之一是对大肠杆菌进行改造以生产人胰岛素。经过修饰的大肠杆菌已被用于疫苗开发、生物修复和固定酶的生产。然而，大肠杆菌不能用于生产一些更大、更复杂的蛋白质，这些蛋白质含有多个二硫键，尤其是未配对的硫醇，或者需要翻译后修饰才能具有活性的蛋白质。目前还正在进行研究，研究如何对大肠杆菌进行编程，以解决复杂的数学问题，如哈密顿路径问题。

酵母菌在生物学研究中的应用

酵母细胞的生命周期
1. 出芽
2. 接合
3. 孢子

模式生物

当研究人员寻找用于研究的生物体时，他们会寻找几种特征。其中包括大小、世代时间、可及性、可操作性、遗传学、机制的保守性和潜在的经济效益。酿酒酵母和裂殖酵母都是研究得很透彻的物种；这两个物种在大约3亿到6亿年前分化，是研究DNA损伤和修复机制的重要工具。酿酒酵母的α因子，已被与真菌Tremella mesenterica产生的亲脂性肽进行比较。酿酒酵母已发展成为一种模式生物，因为它在许多这些标准上得分很高。作为单细胞生物，酿酒酵母很小，世代时间短（在30°C（86°F）下倍增时间为1.25-2小时），并且可以轻松培养。这些都是积极的特征，因为它们允许以低成本快速生产和维护多个标本系。酿酒酵母可以被转化，允许通过同源重组添加新基因或删除基因。此外，以单倍体形式培养酿酒酵母的能力简化了基因敲除菌株的创建。作为真核生物，酿酒酵母与动植物共享复杂的内部细胞结构，而没有高比例的非编码DNA，这可能会使高等真核生物的研究变得复杂。酿酒酵母研究是一个强大的经济驱动因素，至少在最初阶段是如此，因为其在工业中的成熟应用。

基因组测序 酿酒酵母是第一个完成测序的真核生物基因组。该基因组序列于1996年4月24日发布到公共领域。从那时起，酿酒酵母基因组数据库 (SGD) 一直保持着定期更新。该数据库是酵母研究人员高度注释和交叉引用的数据库。慕尼黑蛋白质序列信息中心 (MIPS) 维护着另一个重要的酿酒酵母数据库。基因组由大约12,156,677个碱基对和6,275个基因组成，紧凑地组织在16条染色体上。只有大约5,800个被认为是真正的功能基因。据估计，酵母与人类的基因组共享约23%。

酿酒酵母基因组序列和完整缺失突变体的可用性进一步增强了酿酒酵母作为理解真核细胞调控模型的潜力。正在进行的项目将通过合成遗传阵列分析来分析所有双重缺失突变体的遗传相互作用，将这项研究更进一步。酵母科学家已经开发出可应用于生物和医药科学许多不同领域的方法。这些方法包括用于研究蛋白质相互作用的酵母双杂交和四联体分析。