大學(xué)化學(xué)第08章-生命化學(xué)基礎(chǔ)-11-9.ppt

現(xiàn)代大學(xué)化學(xué) Modern College Chemistry,第8章 生命化學(xué)基礎(chǔ) Chapter 8 Basic Life Chemistry,本章概要 8.1 氨基酸、蛋白質(zhì)與酶 8.1.1 氨基酸 ；8.1.2 肽鍵和多肽； 8.1.3 蛋白質(zhì)； 8.1.4 酶 8.2 糖與脂 8.2.1 糖類； 8.2.2 脂類 8.3 核酸 8.3.1 核酸的分類；8.3.2 核苷酸的組成；8.3.3 DNA的組成與結(jié)構(gòu)；8.3.4 結(jié)論 8.4 染色體、基因與遺傳 8.4.1 染色體的組成與結(jié)構(gòu)；8.4.2 基因與遺傳信息 復(fù)習(xí)：228245；預(yù)習(xí)：247264；,習(xí)題：13.3, 13.9, 13.15, 13.16。,8.1 氨基酸、蛋白質(zhì)與酶 8.1.1 氨基酸 (The Amino Acids) 8.1.1.1 氨基酸的定義 分子中同時(shí)含有氨基（-NH2）和羧基（-COOH）的有機(jī)化合物稱為氨基酸。在生命體中，氨基和羧基連接在同一個(gè)碳原子上，稱為-氨基酸，其結(jié)構(gòu)通式為: 人體內(nèi)的蛋白質(zhì)由20種氨基酸組成。由于所處位置的不同，20種氨基酸可以組成極大數(shù)量的不同蛋白質(zhì)大分子。,8.1.1.2 氨基酸的性質(zhì) pH值的影響:在強(qiáng)酸性溶液中，氨基（H2N）獲得質(zhì)子成為陽(yáng)離子 (H3N+)；在強(qiáng)堿性溶液中，羧基（COOH）失去質(zhì)子成為陰離子 (COO-)；在某中性溶液中，通過(guò)分子內(nèi)質(zhì)子自轉(zhuǎn)移生成中性內(nèi)鹽 (H3N+CH(R) COO-)。,在某pH值下,給定的某種氨基酸只生成中性內(nèi)鹽,此時(shí)的氨基酸在電場(chǎng)中既不向正極移動(dòng)又不向負(fù)極移動(dòng)。此時(shí)的pH值稱為該氨基酸的等電點(diǎn)。 由于不同氨基酸的等電點(diǎn)不同，可以用電泳法或離子交換樹(shù)脂法將不同的氨基酸分離開(kāi)來(lái)。 8.1.2 肽鍵和多肽（ Peptides ） 由一分子氨基酸的羧基(-COOH)與另一分子氨基酸的氨基（H2N-）通過(guò)脫水縮合形成肽鍵（-CO-NH-）: 由n個(gè)氨基酸縮合形成的化合物稱為n肽；n10時(shí)稱為寡肽；n10時(shí)稱為多肽；分子量104時(shí)稱為蛋白質(zhì)。,-OH,形成肽鍵后，氨基酸已不是原來(lái)的氨基酸，稱為氨基酸殘基，則n肽有n個(gè)氨基酸殘基； 氨基酸通過(guò)多肽鍵可以形成一條很長(zhǎng)的鏈狀化合物，稱為多肽鏈。 8.1.3 蛋白質(zhì)（Protein） 8.1.3.1 定義 由一條或多條多肽鏈組成的生物大分子稱為蛋白質(zhì)；每一條多肽鏈有二十?dāng)?shù)百個(gè)氨基酸殘基不等；各種氨基酸殘基按一定的順序排列。,8.1.3.2 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) 一級(jí)結(jié)構(gòu)：肽鏈上氨基酸的排布順序?yàn)榈鞍踪|(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)。 二級(jí)結(jié)構(gòu)：由于多肽鏈有規(guī)則的旋轉(zhuǎn)或折疊所形成的幾何走向稱為蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。 三級(jí)結(jié)構(gòu)：螺旋形的肽鏈進(jìn)一步折疊或卷曲形成球狀或顆粒狀的分子，稱為蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)。,四級(jí)結(jié)構(gòu)：兩條或更多條肽鏈按一定的空間形狀組合到一起所得到的結(jié)合物稱為蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)。,8.1.3.3 蛋白質(zhì)的分類 按形狀分為球狀蛋白和纖維狀蛋白;按功能分為活性蛋白和非活性蛋白; 按化學(xué)組成可分為簡(jiǎn)單蛋白和結(jié)合蛋白; 等。,-角蛋白：存在于動(dòng)物的毛發(fā)、蹄爪、羽毛、甲殼和指甲中，富含胱氨酸。 -角蛋白：存在于蜘蛛絲、蠶絲、爬行動(dòng)物鱗片中，又稱絲蛋白，富含甘氨酸、絲氨酸和丙氨酸。 膠原蛋白：是脊椎動(dòng)物中含量最豐富的蛋白質(zhì) (1/4 1/3)，是皮膚、軟骨、動(dòng)脈管壁及結(jié)締組織的成分。,纖維狀蛋白：纖維狀蛋白外形呈細(xì)棒狀或纖維狀，分子對(duì)稱性差，溶解性各不相同，大多數(shù)不溶于水。在動(dòng)物體內(nèi)對(duì)組織器官起著支持、保護(hù)等作用，在動(dòng)物體內(nèi)含量豐富。,球狀蛋白：是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、功能最多樣的一類蛋白質(zhì)，形狀近似于球形或橢球形，分子比較對(duì)稱，溶解度較好，多數(shù)可溶于水或稀中性鹽溶液中。如血紅蛋白, 肌紅蛋白，球蛋白等。,簡(jiǎn)單蛋白：僅由-氨基酸形成的肽鏈組成，不含其它化學(xué)成分。如清蛋白，球白蛋白，谷蛋白等。 結(jié)合蛋白質(zhì)：由簡(jiǎn)單蛋白和非蛋白（輔基）組成。按結(jié)合蛋白輔基不同，可分為：,脂蛋白：脂蛋白是一類由脂與蛋白質(zhì)結(jié)合而成的結(jié)合蛋白質(zhì)。廣泛分布于生物細(xì)胞和血液中。脂蛋白的作用是輸運(yùn)脂質(zhì)與固醇類物質(zhì)。 金屬蛋白：蛋白質(zhì)+金屬離子，如血紅蛋白，激素，胰島素，等。,色蛋白：蛋白質(zhì)+顯色物質(zhì)，如血紅蛋白，植物中的葉綠蛋白和細(xì)胞色素等。 核蛋白：蛋白質(zhì)+核酸，存在于所有動(dòng)植物細(xì)胞核和細(xì)胞漿內(nèi)，如病毒、核蛋白、動(dòng)植物細(xì)胞中的染色體蛋白，等。 糖蛋白是一類由糖同蛋白質(zhì)結(jié)合而成的結(jié)合蛋白質(zhì)。一切動(dòng)、植物的組織、體液中均含有糖蛋白。糖蛋白是細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)物質(zhì)，許多激素與酶均屬于糖蛋白。如凝血酶、胰島素等。 ,胰島素結(jié)構(gòu)模型,胰島素是一種蛋白質(zhì)類激素。在人體十二指腸旁邊，有一條長(zhǎng)形的器官，叫做胰腺。在胰腺中散布著許許多多的細(xì)胞群，叫做胰島。胰島素是由胰島細(xì)胞受內(nèi)源性或外源性物質(zhì)如葡萄糖、乳糖、核糖、精氨酸、胰高血糖素等的刺激而分泌的一種蛋白質(zhì)激素。,胰島素的作用： 一、調(diào)節(jié)糖代謝 胰島素能促進(jìn)全身組織對(duì)葡萄糖的攝取和利用，并抑制糖原的分解和糖原異生，因此，胰島素有降低血糖的作用。 胰島素分泌過(guò)多時(shí)，血糖迅速下降，腦組織受影響最大，可出現(xiàn)驚厥、昏迷，甚至引起胰島素休克。 胰島素分泌不足就會(huì)導(dǎo)致血糖升高；若超過(guò)腎糖閾，則糖從尿中排出，引起糖尿??；另外，由于血液成份中改變(含有過(guò)量的葡萄糖), 亦導(dǎo)致高血壓、冠心病和視網(wǎng)膜血管病等病變。 二、調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)代謝 胰島素一方面可以促進(jìn)蛋白質(zhì)的合成，另一方面又能夠抑制蛋白質(zhì)的分解，因而有利于機(jī)體的生長(zhǎng)。但胰島素單獨(dú)作用時(shí)，對(duì)生長(zhǎng)的促進(jìn)作用并不很強(qiáng)，只有與腺垂體生長(zhǎng)素共同作用時(shí)，才能發(fā)揮明顯的效應(yīng)。,胰島素的發(fā)現(xiàn)： 1921年，加拿大班廷和貝斯特首次成功提取到了胰島素。1922年開(kāi)始用于臨床，使過(guò)去不治的糖尿病患者得到挽救。至今用于臨床的胰島素幾乎都是從豬、牛胰臟中提取的。 1926年，首次從動(dòng)物胰臟中提取到結(jié)晶胰島素。 1955年，英國(guó)弗雷德里克桑格首次測(cè)定了牛胰島素的全部氨基酸序列，開(kāi)辟了人類認(rèn)識(shí)蛋白質(zhì)分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的道路。 1965年，9月17日，中國(guó)科學(xué)家王應(yīng)睞等首次完整人工合成了結(jié)晶牛胰島素。這是當(dāng)時(shí)人工合成的具有生物活性的最大的天然有機(jī)高分子化合物，實(shí)驗(yàn)的成功使中國(guó)成為第一個(gè)合成蛋白質(zhì)的國(guó)家。 70年代初期，英國(guó)和中國(guó)的科學(xué)家又成功地用X射線衍射方法測(cè)定了豬胰島素的立體結(jié)構(gòu)。這些工作為深入研究胰島素分子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。,8.1.4 酶（Enzyme） 8.1.4.1 定義 酶是一類由生物細(xì)胞產(chǎn)生的、具催化活性的特殊蛋白質(zhì)。 8.1.4.2 酶催化的特點(diǎn) 酶催化的效率極高：因此只需要極微量的酶就能夠保證生物體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行；(活化能) 酶催化的專一性特強(qiáng)：生物體內(nèi)每一種化學(xué)反應(yīng)就有一種酶與之對(duì)應(yīng)。因此生物體內(nèi)酶的種類很多； 酶的活性嚴(yán)重依賴于溫度、pH、重金屬離子濃度等因素。 8.1.4.3 酶的分類 根據(jù)酶的作用和功能，可將酶分為6類：氧化還原酶 (如脫氫酶)；基團(tuán)轉(zhuǎn)移酶 (如轉(zhuǎn)氨酶)；水解酶 (如淀粉酶)；裂解酶 (如脫羧酶)；異構(gòu)化酶；連接酶。,8.2 糖與脂 生物體是細(xì)胞的結(jié)合體。組成細(xì)胞的物質(zhì)主要有蛋白質(zhì)、核酸、糖類、脂肪與水，等。 8.2.1 糖類（Carbohydrates） 8.2.1.1 定義 在生命體中有一類重要化合物，在絕大多數(shù)情況下，其分子式可以用Cn(H2O)m表示。稱為糖類，舊稱碳水化合物。是一類含醛基(CHO)或酮基(RCOR)的多羥基化合物。 8.2.1.2 糖在生命體中的作用 是生物體貯藏能量的載體； 是生物體合成蛋白質(zhì)、脂和核酸的原料； 是細(xì)胞和組織的結(jié)構(gòu)單元； 是細(xì)胞中生化反應(yīng)的介質(zhì)。,8.2.1.3 糖的分類 根據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，將糖分為單糖、雙糖和多糖三類。 單糖：不能用水解法進(jìn)一步降解為更簡(jiǎn)單的糖的單體。在生命體中重要的是五碳糖（戊糖，又稱核糖）和六碳糖 (己糖)。 D-核糖 -核糖 -脫氧核糖 D-葡萄糖 D-半乳糖 D-果糖,雙糖：由兩個(gè)單糖分子失去一個(gè)水分子縮聚而成，如： 2葡萄糖麥芽糖 + H2O 葡萄糖 + 果糖 蔗糖 + H2O 多糖：由n個(gè)單糖分子失去n-1個(gè)水分子后縮聚而成的多聚體，亦指能水解生成很多單糖分子的糖。多糖大多不溶于水，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 均多糖：水解后只生成一種單糖。如淀粉、纖維素和糖原等，它們水解的最終產(chǎn)物是D-葡萄糖。 雜多糖：水解后生成兩種或兩種以上單糖或單糖衍生物的糖。如肝素等。,8.2.2 脂類(Lipids) 脂類是油、脂肪和類脂 (磷脂、固醇等)的總稱，大多數(shù)脂類是甘油三酸脂(三酰甘油)的復(fù)雜化合物。 一般將常溫下呈液體的三酰甘油稱為油(植物油含不飽和脂肪酸)，呈固體的稱為脂肪(動(dòng)物脂肪中含飽和脂肪酸). 磷脂是分子中含有磷酸基團(tuán)的高級(jí)脂肪酸。 如磷酸甘油酯：一分子甘油與兩分子脂肪 酸和一分子磷酸通過(guò)酯鍵 結(jié)合而成的化合物。 8.2.2.1 脂的作用 儲(chǔ)存能量：脂類被氧化時(shí)所產(chǎn)生的熱量是淀粉和糖原的23倍，因此是有效的儲(chǔ)能物質(zhì)。,CH2OCOR1 | CHOCOR2 | CH2OCOR3,CH2OCOR1 CHOCOR2 CH2O-P-OH,構(gòu)成生物膜：生物膜是細(xì)胞膜(也稱質(zhì)膜或外周膜)和細(xì)胞內(nèi)膜(細(xì)胞內(nèi)各種細(xì)胞器的膜)。構(gòu)成膜的主體是脂類和蛋白。脂類中最多也最為重要的是磷脂。人體中含量最多的磷脂是膽堿磷酸甘油脂（商品名卵磷脂）： 顯然，膽堿磷酸甘油脂具有兩親性質(zhì)，在生物體中易形成膜狀結(jié)構(gòu)（）。 8.3 核酸（Nucleic Acid） 核酸是從細(xì)胞核中分離出來(lái)的強(qiáng)酸性物質(zhì)，它是分子量高達(dá)108的高分子聚合物，是遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ), 同時(shí)可以指導(dǎo)蛋白質(zhì)生物合成，與生物的生長(zhǎng)、繁衍、遺傳、變異等過(guò)程都有非常密切的關(guān)系。,-,8.3.1 核酸的分類 核酸可分為核糖核酸（Ribonucleic Acid, RNA）和脫氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid, DNA）兩類。組成核酸的結(jié)構(gòu)單元是核苷酸。 8.3.2 核苷酸的組成 8.3.3 DNA的組成與結(jié)構(gòu)（）,戊糖（核糖/脫氧核糖）,含氮堿基（胞, 尿, 胸腺嘧啶；腺, 鳥(niǎo)嘌呤）,磷酸,核苷酸,8.3.4 結(jié)論 DNA由兩條主鏈組成，每條主鏈均以磷酸酯與核糖為鏈體，可表為PSPS； DNA中的堿基是腺嘌呤(A)、鳥(niǎo)嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)，而RNA中的堿基是腺嘌呤(A)、鳥(niǎo)嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)； 在DNA中，兩條鏈?zhǔn)腔パa(bǔ)的：一條鏈上的堿基通過(guò)氫鍵與另一條鏈上的堿基配對(duì)，互補(bǔ)對(duì)為A-T、G-C。 8.4 染色體、基因與遺傳 8.4.1 染色體的組成與結(jié)構(gòu) 染色體是由線型雙鏈DNA分子與蛋白質(zhì)所形成的復(fù)合物。 染色體存在于生物細(xì)胞核內(nèi)，因細(xì)胞分裂時(shí)期可用堿性染料染色而得名。,染色體的結(jié)構(gòu),在有性繁殖物種中，體細(xì)胞內(nèi)染色體的數(shù)目成對(duì)出現(xiàn)，稱為二倍體。性細(xì)胞（精子、卵子）中染色體數(shù)目只有體細(xì)胞的一半，稱為單倍體。 正常人的體細(xì)胞染色體數(shù)目為23對(duì)，并有一定的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。染色體在形態(tài)結(jié)構(gòu)或數(shù)量上的異常被稱為染色體異常，由染色體異常引起的疾病為染色體病。 現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的染色體病有100余種，染色體病在臨床上?？稍斐闪鳟a(chǎn)、先天愚型、先天性多發(fā)性畸形、以及癌腫等。染色體異常的發(fā)生率為0.5%0.7%。 人類體細(xì)胞中的23對(duì)染色體中，有22對(duì)常染色體和一對(duì)性染色體。性染色體包括 X 染色體和 Y 染色體。哺乳動(dòng)物雄性個(gè)體細(xì)胞的性染色體對(duì)為XY；雌性則為XX。,由于哺乳動(dòng)物雄性個(gè)體細(xì)胞的性染色體對(duì)為XY，其精子的性染色體為X或Y；由于雌性的染色體對(duì)為XX，其卵子的性染色體只能為X。 由性染色體為 X 的精子受精的卵發(fā)育為雌性體 (XX)；由染色體為Y的精子授精的卵則發(fā)育成雄性體 (XY)。 8.4.2 基因與遺傳信息 DNA分子上脫氧核苷酸的排列順序（因而堿基排列順序）決定生物的性狀。 可以認(rèn)為：DNA分子是由許多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的單位構(gòu)成的，每一個(gè)獨(dú)立的單位稱為基因 (Gene)，即基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA分子上的一個(gè)小片段，能編碼一種RNA或一種多肽。,DNA的復(fù)制,8.4.2.1 DNA的復(fù)制 以DNA為模板指導(dǎo)DNA全面合成的過(guò)程稱為復(fù)制。復(fù)制的同時(shí)將親代的全部遺傳信息傳遞給子代,同時(shí)遺傳信息還可以得到表達(dá)。,遺傳學(xué)上把信使RNA上決定一個(gè)氨基酸的相鄰的3個(gè)堿基叫做一個(gè)密碼子。1967年全部密碼子破譯完畢。,8.4.2.2 蛋白質(zhì)的合成,蛋白質(zhì)的合成,例：如果某DNA片段的核苷酸系列為（左起）： DNA片段： T-A-C-A-A-G-C-A-G-T-T-G-G-T-C-G-T-G- mRNA A-U-G-U-U-C-G-U-C-A-A-C-C-A-G-C-A-C- 新肽鏈 蛋(起) - 苯丙 - 纈 - 天冬酰胺-谷氨酰胺-組- ,8.4.2.3 基因的突變 由于DNA分子中發(fā)生堿基對(duì) 的增添、缺失或改變, 而引起 的DNA結(jié)構(gòu)的改變, 叫做基因 突變。,蛋白質(zhì) 正常 異常 氨基酸 谷氨酸 纈氨酸 mRNA GAA GUA DNA CTT 突變 CAT GAA GTA,引起基因突變的因素可能有： 物理因素 (X光、激光、放射性)； 化學(xué)因素 (能與DNA分子作用而改變DNA分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)物質(zhì))； 生物因素（細(xì)菌與病毒）。 基因突變的特點(diǎn)：普遍性；隨機(jī)性；低頻性；有害性。 8.4.2.4 基因重組與轉(zhuǎn)基因技術(shù) 在生物體進(jìn)行有性生殖的過(guò)程中，來(lái)自父本和母本的基因重新組合，使子代產(chǎn)生變異。 在自然界