生命的化學(xué)基礎(chǔ)33803 ppt課件

第二章 生命的化學(xué)基礎(chǔ),元素和化合物 生物體的主要 生物分子 糖類 脂類 蛋白質(zhì) 核 酸,1 元素和化合物,元素：,具有相同核電荷數(shù)（即質(zhì)子數(shù)）的同一類原子總稱為元素,目前共發(fā)現(xiàn)118種元素,大量元素12種 (C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg、Na、Fe、Cl ) (99.99%) 微量元素13種(Cu、Zn、I、Mn、Cr、F、Ba、Co、Li、Se、Sn、Mo、B) (0.01%),生命需要約25種元素：,碘缺乏癥,甲狀腺腫,碘缺乏癥,呆小癥(克汀病),非必需元素 有害元素：,由于環(huán)境污染或從食物中攝入量過(guò)大、時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)人體健康有害的元素稱為有害元素或有毒元素：Bi，Sb，Be，Cd，Hg，Pb等。,重金屬污染,被鎘污染的扁豆,汞污染,水俁病患者,注意：必需和非必需的界限是相對(duì)的。 首先，隨著診斷方法和檢測(cè)手段的進(jìn)步和完善，今天認(rèn)為是非必需的元素可能明天會(huì)被發(fā)現(xiàn)是必需的。 其次，每種元素都對(duì)應(yīng)有一個(gè)合理的攝入量，即使是必需元素在人體內(nèi)也有一個(gè)合適的濃度范圍，超過(guò)或不足都不利于人體健康。,同位素及利用：,同位素：質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)都相同，但中子數(shù)不同的原子。 如：12C、14C； 14N、15N； 31P、32P； 16O、18O。 同位素示蹤：利用放射性同位素顯示某種原子在生物體內(nèi)的來(lái)蹤去跡的技術(shù)。,2 生物體的主要生物分子,生物體都是由蛋白質(zhì)、核酸、脂類、糖、無(wú)機(jī)鹽和水組成。,哪一種分子含量最高？,不同的生物體，其分子組成也大體相同：,水,特性： 水是極性分子 水分子之間形成氫鍵 液態(tài)水分子具有內(nèi)聚力 水能緩和溫度變化 冰比水輕 水是極好的溶劑 水能電離,（1） 水是細(xì)胞中不可缺少的物質(zhì),水是生物體的主要成分之一。細(xì)胞中水的含量通常占細(xì)胞總量70%80%。 不同機(jī)體或同一機(jī)體的不同器官，含水量差別很大。 例如：人體骨骼22，肌肉76，腦7084，肝臟70，皮膚72，心臟79，血液83。 一般說(shuō)來(lái)，水生生物和生命活動(dòng)旺盛的細(xì)胞，含水較多； 陸生生物和生命活動(dòng)不活躍的細(xì)胞，含水分較少。如休眠的種子、孢子含水量低于10。,細(xì)胞中水存在形式：游離水和結(jié)合水。 生物體內(nèi)水的主要作用： 游離水是良好的溶劑 游離水是物質(zhì)運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì) 直接參加體內(nèi)的生化反應(yīng) 具有調(diào)節(jié)體溫的作用 潤(rùn)滑作用 保持植物固有姿態(tài) ,(2)生物大分子,生物大分子（biological macromolecule） ：是作為生物體內(nèi)主要活性成分的各種分子量達(dá)到上萬(wàn)或更多的有機(jī)分子 。 如：糖類、脂類、蛋白質(zhì)、核酸,碳是組成細(xì)胞中各種大分子的基礎(chǔ),碳原子的不同排列方式和長(zhǎng)短、相互連接成鏈或成環(huán)是生物分子多樣性的基礎(chǔ)。,這些功能基團(tuán)幾乎都是極性基團(tuán)，使得生物分子具有親水性，有利于這些化合物穩(wěn)定于有大量水分子存在的細(xì)胞中。,生物大分子的基本性質(zhì)取決于與碳骨架相連接的功能基團(tuán)。,(2)生物大分子,多聚體,生物單分子 （單體）,脫水合成,水解,水解,3 糖類化合物,糖類（carbohydrate）,糖廣泛存在于生物界，是地球上數(shù)量最多的一類有機(jī)化合物。對(duì)于植物來(lái)說(shuō)，占其干重的8590、細(xì)菌占1030、動(dòng)物小于2。 糖分子含C、H、O 3種元素，通常3者的比例 為1:2:1，一般化學(xué)通式為(CH2O)n。 從化學(xué)本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，糖類是多羥醛、多羥酮及其縮聚物和某些衍生物的總稱。,糖類的分類：,單糖：不能再水解的糖。 寡糖（低聚糖）：由26分子單糖脫水縮合而成的糖。 多糖：由6分子以上的單糖脫水縮合而成的多聚體。,3.1 單糖,丙糖 丁糖 戊糖：核糖、脫氧核糖 己糖：葡萄糖、果糖（植物特有）、半乳糖（動(dòng)物特有） 庚糖,葡萄糖,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6,麥芽糖：由二分子葡萄糖結(jié)合而成 蔗糖：由一分子葡萄糖和一分子果糖結(jié)合而成 乳糖：由一分子葡糖糖和一分子半乳糖結(jié)合而成 （動(dòng)物特有） ,3.2 寡糖,1,4,麥芽糖,O-糖苷鍵,了解,3.3 多糖（polysaccharide）,淀粉、纖維素、糖原、殼多糖（幾丁質(zhì)）、菊糖、瓊脂等,直鏈淀粉：,支鏈淀粉：,淀粉主要存在于植物的種子、塊根、塊莖和果實(shí)中。 遇碘呈藍(lán)色,糖原：,與支鏈淀粉類似，只是分支程度更高，每隔4個(gè)葡萄糖殘基便有一個(gè)分支。結(jié)構(gòu)更緊密，更適應(yīng)其貯藏功能。存在于動(dòng)物體內(nèi)。遇碘呈棕紅色。,纖維素：,在自然界中分布最廣，含量最多。 不分支、不卷曲的長(zhǎng)鏈彼此相互平行由氫鍵聯(lián)系。 存在于細(xì)胞壁中，是木材的主要成分。,果膠：直線性高聚體，廣泛分布于植物界，是植物細(xì)胞壁的組分之一。 半纖維素：存在于植物細(xì)胞壁，增加細(xì)胞壁強(qiáng)度。 瓊脂：多糖混合物，來(lái)源于石花菜藻等紅海藻中。,了解,4 脂類化合物,脂類,脂類是脂肪、磷脂、類固醇等類化合物的總稱，是由脂肪酸和醇所形成的酯類及其衍生物，由碳和氫以非極性共價(jià)鍵組成。 脂類分子含C、H、O 3種元素，但H:O遠(yuǎn)大于2，有些脂含P和N； 各種脂類分子的結(jié)構(gòu)可以差異很大，但均不溶于水，而溶于非極性溶劑； 脂類主要包括：脂肪（三酰甘油酯/中性酯）、磷脂、類固醇、萜類以及蠟。,（1）脂肪（甘油三酯，三酰甘油）：由甘油和脂肪酸脫水合成,脂肪(動(dòng)物-fat)和油(植物-oil),脂肪：甘油三酯中含較多飽和脂肪酸，且常溫下呈固態(tài)的； 油：甘油三酯中含較多不飽和脂肪酸，且常溫下呈液態(tài)的。,（2）磷脂（磷酸甘油酯）,人工膜-脂質(zhì)體,脂質(zhì)體是根據(jù)磷脂分子可在水相中形成穩(wěn)定的脂雙層膜的趨勢(shì)而制備的人工膜。直徑251000nm不等；,類固醇也稱甾類，以環(huán)戊烷多氫菲為基礎(chǔ)，不含脂肪酸，但具有脂類性質(zhì)，也是細(xì)胞膜的重要成分。,（3）類固醇,類固醇,其中膽固醇等脂類主要存在于動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)，既是細(xì)胞膜的重要成分，也是血中脂蛋白復(fù)合體的成分，與動(dòng)脈硬化有關(guān)。,（4）其他幾種重要脂類,必須脂肪酸：維持生命活動(dòng)所必需的、體內(nèi)不能合成或合成速度太慢不能滿足機(jī)體需要，必需從外界攝取的脂肪酸。 亞油酸、亞麻酸、二十二碳六烯酸（DHA） 蠟：動(dòng)物蠟、植物蠟,了解,5 蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)（proteins）：,含量：最多的有機(jī)物，占人體干重45%。 組成元素：C、H、O、N、S 基本單位：氨基酸,5.1 氨基酸（amino acid, aa）,組成部分：氨基(-NH2) 羧基(-COOH) 氫原子(-H) R基團(tuán)(-R) 種類：20種,5.2 蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu),肽鍵：由一個(gè)氨基酸的氨基和另一個(gè)氨基酸的羧基脫水縮合而成一種酰胺鍵。,肽鍵（酰胺鍵）,主鏈,側(cè)鏈,N,C,氨基酸殘基,氨基酸（amino acid）（20種） 二肽（dipeptide） 三肽（tripeptide） 寡肽（oligopeptide） 多肽（polypeptide） 蛋白質(zhì)（protein） （1010 1012種）,5.3 蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu),一級(jí)結(jié)構(gòu) 二級(jí)結(jié)構(gòu) 三級(jí)結(jié)構(gòu) 四級(jí)結(jié)構(gòu),指多肽鏈中氨基酸的種類、數(shù)量和排列順序。 結(jié)構(gòu)：線性平面結(jié)構(gòu) 主鍵：肽鍵 副鍵：二硫鍵,（1）一級(jí)結(jié)構(gòu) (primary atructure),人胰島素分子的一級(jí)結(jié)構(gòu),二硫鍵,A,B,（2）二級(jí)結(jié)構(gòu)（secondary struture）,肽鏈相鄰氨基酸殘基間主要靠氫鍵維系的有規(guī)律，重復(fù)有序的空間結(jié)構(gòu)。 主鍵：氫鍵 種類：3種 螺旋 -折疊 -螺旋,-helix, -Sheet,平行-折疊,反向平行-折疊,- helix （triple helix）,膠原蛋白獨(dú)有的結(jié)構(gòu)。,（3）三級(jí)結(jié)構(gòu)（tertiary structure）,在二維結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，整個(gè)單體蛋白質(zhì)分子或亞基由于R基團(tuán)的疏水性或親水性不同，可進(jìn)一步折疊、盤曲層的接近球形的特定立體空間結(jié)構(gòu)。 主要化學(xué)鍵：疏水鍵、酯鍵、氫鍵、離子鍵、二硫鍵等。 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：具有親水表面和疏水核,三級(jí)結(jié)構(gòu)（亞基，subunit）,松散肽段,螺旋,-折疊,血紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu),（4）四級(jí)結(jié)構(gòu)（quaternary structure）,指亞基集結(jié)的結(jié)構(gòu)（亞基單獨(dú)存在并不具有活性） 維系鍵：氫鍵、疏水鍵、離子鍵等。 不是所有蛋白質(zhì)都有四級(jí)結(jié)構(gòu),二聚體,四聚體,血紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu),DNA聚合酶的四級(jí)結(jié)構(gòu)（六聚體）,蛋白質(zhì)必須在三級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上才表現(xiàn)活性。,5.4 蛋白質(zhì)的變構(gòu)和變性,構(gòu)象（conformation）：蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu) 變構(gòu)（allosteric effect）(變構(gòu)調(diào)節(jié))：通過(guò)蛋白質(zhì)的構(gòu)象變化而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能的現(xiàn)象。 變性（denaturation）：蛋白質(zhì)分子受到某些理化因子的影響，空間結(jié)構(gòu)（次級(jí)鍵）發(fā)生破壞，理化性發(fā)生改變，生物活性喪失的過(guò)程。 復(fù)性（renaturation）：去除變性因素后，蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)恢復(fù)的過(guò)程。,Protein Misfolding Can Have Deadly Consequences:,A comparison of normal (PrPc) and abnormal (PrPsc) prion proteins: These two proteins are formed by polypeptide chains that can be identical in amino acid sequence, but they fold differently.,Soluble,insoluble,Causing “mad cow disease”,5.5 蛋白質(zhì)的分類及功能,按組成成分： 單純蛋白質(zhì) 結(jié)合蛋白質(zhì)（蛋白質(zhì)+輔基） 按分子形狀分： 纖維蛋白 球形蛋白,按生理功能分： 酶蛋白（催化） 結(jié)構(gòu)蛋白（結(jié)構(gòu)支持） 運(yùn)輸?shù)鞍祝ㄞD(zhuǎn)運(yùn)） 運(yùn)動(dòng)蛋白（收縮運(yùn)動(dòng)） 激素蛋白（代謝調(diào)節(jié)） 抗體蛋白（免疫） ,6 核酸,核酸,由許多核苷酸聚合而成的生物大分子 生物的遺傳物質(zhì) ，在生物體內(nèi)負(fù)責(zé)遺傳信息的儲(chǔ)存和傳遞。,種類： DNA（主要在細(xì)胞核中） RNA（主要在細(xì)胞質(zhì)中）,6.1 基本單位：核苷酸（nucleotide）,磷酸,五碳糖,含N堿基,核苷酸,化學(xué)鍵：糖苷鍵、磷酸酯鍵,核苷酸的命名:,磷酸數(shù)目+核苷 一磷酸（脫氧）核苷(酸) （NMP, dNMP） 二磷酸（脫氧）核苷(酸) （NDP , dNDP ） 三磷酸（脫氧）核苷(酸) （NTP , dNTP ） 如： 三磷酸腺苷（ATP） 環(huán)一磷酸腺苷（cAMP）,高能磷酸鍵,第二信使: 環(huán)一磷酸腺苷（cAMP）,6.2 多核苷酸,5,3,結(jié)構(gòu)特點(diǎn)： 磷酸分子與五碳糖縮合成3,5磷酸二酯鍵。,6.3 DNA,（1）雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 1953年，由Watson和Crick提出雙螺旋結(jié)構(gòu)模型 基礎(chǔ)： 40年代后期，E.Chargaff發(fā)現(xiàn)：A=T、G=C 1953年2月， Watson和Crick通過(guò)Wilkins看到了富蘭克林在1951年11月拍攝的一張十分漂亮的DNA晶體X射線衍射照片 1962年Watson和Crick、Wilkins分享諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。,（2）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：,雙鏈 反向 平行 右手螺旋 磷酸和脫氧核糖相繼排列，位于外側(cè)，形成骨架。 堿基配對(duì)（Chargaff法則），位于內(nèi)側(cè)。,堿基對(duì),維系鍵：氫鍵 AT TA C G G C,一級(jí)結(jié)構(gòu)：4種核苷酸的連接和排列順序；,（3）DNA的空間結(jié)構(gòu)：,A-DNA,Z-DNA,B-DNA,高濕度（92%),二級(jí)結(jié)構(gòu)：雙螺旋狀結(jié)構(gòu) 包括多種構(gòu)象： B-DNA A-DNA Z-DNA,三級(jí)結(jié)構(gòu)： 是DNA的高級(jí)結(jié)構(gòu)，DNA雙螺旋進(jìn)一步扭曲盤繞所形成的特定空間結(jié)構(gòu)超螺旋結(jié)構(gòu)（superhelix） 。,（3）DNA的空間結(jié)構(gòu),超螺旋結(jié)構(gòu),DNA超螺旋結(jié)構(gòu),線粒體、葉綠體、細(xì)菌、質(zhì)粒及一些病毒的DNA為封閉環(huán)狀DNA分子，多扭曲成麻花狀的超螺旋結(jié)構(gòu)；,DNA超螺旋結(jié)構(gòu),真核生物細(xì)胞核中DNA盤繞在組蛋白上形成核小體（nucleosome）。,DNA分子的變性與復(fù)性：,6.4 RNA,由DNA分子轉(zhuǎn)錄而來(lái)，由多核苷酸單鏈組成，可形成局部雙鏈或雙股螺旋等空間結(jié)構(gòu)。,RNA種類:,信使RNA (messenger RNA, mRNA)占35 轉(zhuǎn)運(yùn)RNA (transfer RNA, tRNA)占15左右 核糖體RNA (ribosomal RNA, rRNA)占80以上 微小RNA (microRNA, miRNA) 核酶 (ribozyme),線形單鏈，在核中轉(zhuǎn)錄DNA上的遺傳信息，再進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，作為指導(dǎo)合成蛋白質(zhì)的模板； 5端有甲基化結(jié)構(gòu)，抗水解，并作為蛋白質(zhì)合成的起始因子識(shí)別； 3含有polyA尾結(jié)構(gòu)，有利于進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)以及提高穩(wěn)定性。,（1）mRNA,成熟mRNA：,5端帽子結(jié)構(gòu),3polyA（多聚腺苷酸）尾巴,AAAAAA,局部為雙鏈，起識(shí)別密碼子和攜帶相應(yīng)氨基酸的作用。,（2）tRNA