現(xiàn)代生物學導論生命的基本化學組成

生命特殊嗎？“生命物質”特殊嗎？生命活動的物質基礎：化學家所知的生命物質生命的化學元素分子結構功能生物具有多樣性，但生物體的化學組成基本相似

組成生物體的主要元素包括C、H、O、N、P、S、Ca等，以上7種元素約占生物體的99.35%，其中C、H、O、N4種元素占96%。

生物體的主要元素生物體都是由蛋白質、核酸、脂類、糖、無機鹽和水組成。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蛋白質、核酸、脂類和多糖是組成生物體最重要的生物大分子，水是生物體內所占比例最大的化學成分生命的基本化學組成：

生命本質的一致性在生命元素中，碳原子具有特別重要的作用，碳原子相互連接成鏈或成環(huán)，形成各種生物大分子的基本結構。

有機化合物的碳骨架和功能基團

碳骨架結構排列和長短決定了有機化合物的基本性質Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｐ、Ｓ生物體中的有機化合物主要含有羥基、羰基、羧基和氨基等官能團，這些功能基團幾乎都是極性基團。功能基團的極性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胞中。生物大分子的基本性質還取決于與碳骨架相連接的官能團由生物單體分子合成生物大分子多聚體往往涉及與功能基團相關的脫水反應，又稱為脫水縮合反應。使生物大分子多聚體分解為單體的分解反應往往需要有水分子參與，因此又稱為水解反應。水解反應是脫水縮合反應的逆反應脫水縮合反應與水解反應Organism碳骨架各種官能團單體--〉聚合物生物分子在化學結構上的一些共同特點：生物體系：生物分子分工合作的有機體形成多層次的復雜結構物質和能量的運輸、轉化與存儲信息傳遞、調控…糖類化合物你知道糖類有哪些主要生理功能？糖類分子的生物學功能1)光能轉變?yōu)榛瘜W能的儲存方式主要是形成葡萄糖.

糖類分子可為生物的各種生理生化反應,提供能源.3)糖類分子可形成多糖,如纖維素,它們是植物的主要結構成分.4)糖是生物代謝反應的重要中間代謝物，還可構成核酸和糖蛋白等重要生物成分化學組成？單體分子？聚合方式？你能用簡單的幾句話說明糖類化學結構的特點嗎？糖類包括小分子的單糖、寡糖和由單糖構成的大分子的多糖

化學結構：多羥基醛、多羥基酮（醛糖、酮糖）一般有多個手性中心（有旋光性）。（分子式相同而結構式不同的兩種有機化合物稱為同分異構體：特例：原子間連接方式相同，手性中心構型差別：旋光異構體）

單糖

重要的單糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脫氧核糖等五碳糖和六碳糖等在水溶液中大多成環(huán)式結構化學結構相同，原子空間排布不同：不同構象重要的二糖包括蔗糖、麥芽糖、乳糖等

二糖

麥芽糖由兩分子葡萄糖單體脫水縮合形成蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖縮合形成乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖縮合而成Alpha1-4糖苷鍵重要的多糖有淀粉、糖原、纖維素、氨基葡聚糖等

多糖

脂類(lipids)化合物脂類有哪些重要生理功能？化學結構有哪些特點？脂類的組成和功能脂類是脂肪、磷脂、類固醇等類化合物的總稱脂類是生物膜的主要成分脂肪氧化時產(chǎn)生的能量大約是糖氧化時的二倍。生物表面的保護層/保持體溫/生物活性物質

化學結構特點：含長/大、飽和度低的烷基鏈重要的物理化學特點：疏水性、

物性（比重、凝固點、黏度等隨組成變化大）

膽固醇脂肪（植物中稱油）又稱磷酸甘油脂，膽堿磷酸甘油脂肪酸形成卵磷脂,腦磷脂，或絲氨酸磷脂

磷脂磷脂是生物膜脂質雙層的主要成分，磷酸膽堿一端為極性的頭，兩個脂肪酸一端為非極性的尾，其中一個脂肪酸通常含不飽和雙鍵，因此總有點彎折類固醇如膽固醇等脂類也是細胞膜的重要成分、重要的信號分子（脂溶性激素）核酸核酸貯存遺傳信息，控制蛋白質的合成。貯存遺傳信息的特殊DNA片段稱為基因，它編碼蛋白質的氨基酸序列，從而決定蛋白質的功能。通過蛋白質的作用，DNA實際上控制著細胞和生物體的生命過程DNA控制蛋白質的合成是通過RNA來實現(xiàn)的，即遺傳信息由DNA轉錄到RNA，后者決定蛋白質的氨基酸序列核酸生理功能NucleicAcid脫氧核糖核酸(DeoxyribonucleicacidDNA),DNA含G.A.C.T四種堿基和脫氧核糖核糖核酸(RibonucleicacidRNA)，RNA含G.A.C.U四種堿基和核糖

腺嘌呤A鳥嘌呤G尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C堿基Base嘌呤，是雙環(huán)分子；嘧啶，是單環(huán)分子戊糖核糖脫氧核糖核苷酸每一個核苷酸含有一個戊糖（核糖或脫氧核糖）分子、一個磷酸分子和一個含氮的有機堿（堿基）。脫氧核糖或核糖上第一位碳原子與嘌呤或嘧啶結合，就成為脫氧核苷或核苷，第三位或第五位碳原子再與磷酸結合，就成為脫氧核糖核苷酸或核糖核苷酸。Nucleotides

核苷酸Nucleotides

核苷酸堿基+戊糖 核苷+磷酸核苷酸

poly

聚合

核酸

(核苷酸之間通過3.’5’磷酸二脂鍵連接)核酸的化學結構

ADNAchain,alsocalledastrand,hasasenseofdirection,inwhichoneendischemicallydifferentthantheother.5'end(5prime)terminates

ina5'phosphategroup

(-PO4);the3'endterminates

ina3'hydroxylgroup(-OH).

DNAstrandsarealwayssynthesizedinthe5'to3'direction單鏈DNA骨架ExampleofDNABackbone:5'-d(CGAAT):DNA分子是由兩條脫氧核糖核酸長鏈互以堿基配對相連而成的螺旋狀雙鏈分子DNA雙鏈配對一種十分穩(wěn)固的結構

——DNA雙螺旋堿基堆積力H鍵離子鍵

BasePairs

日本科學家用化學方法成功合成自然界不存在的人造堿基對，并使含有這種堿基對的ＤＮＡ（脫氧核糖核酸）順利復制和轉錄。這項技術一旦成熟，就有望帶來擁有嶄新功能的ＤＮＡ或蛋白質，而這一切是以往的轉基因技術所無法實現(xiàn)的。

-2006-9-05-科技新聞DNADoubleHelix

DNAHelixAxis

DNA的二級結構Z-DNAB-DNA大溝大溝小溝從雙螺旋到染色體DNA雙螺旋結構的發(fā)現(xiàn)1943年薛定諤在都柏林作的一系列演說1944年出版“生命是什么”一書將一大批年輕的物理學家吸引到生物學領域物理學出身的Crick，31歲，攻讀博士學位英國劍橋大學Cavendish實驗室，M.Perutz,L.Bragg,X-射線衍射實驗室

1951年Watson23歲生物學本科畢業(yè)，研究生階段研究噬菌體中DNA復制丹麥的哥本哈根Wilkins教授DNA纖維X-射線衍射，來到Cavendish實驗室女科學家Franklin，高質量的DNA纖維X-射線衍射圖Watson和Crick開始構造DNA的結構模型各種嘗試

DNA應該是雙螺旋A與T、C與G巧妙配對符合X衍射數(shù)據(jù)DNA的復制Waterson

和Crick用金屬線又制出了新的DNA模型，他們?yōu)樽匀豢茖W樹立了一座閃閃發(fā)光的里程碑。DNA復制：遺傳信息的復制RNA的結構

單鏈，不存在堿基比例關系局部能形成堿基對，出現(xiàn)雙螺旋，不配對區(qū)域形成突起(環(huán))

核糖核酸(RNA)分為信使RNA(mRNA) 轉運RNA(tRNA) 核糖體RNA(rRNA)mRNA結構特點

線形單鏈結構，攜帶DNA信息，作為指導合成蛋白質的模板5ˊ-端有甲基化結構，抗水解有前導序列3ˊ--polyA結構半衰期短(幾分鐘到幾小時)氨基酸臂TΨC環(huán)D環(huán)(二羥尿嘧啶環(huán))反密碼環(huán)額外環(huán)aa臂與反密碼臂是識別aa與密碼的重要結構tRNA的結構TΨC環(huán)D環(huán)D環(huán)TΨC環(huán)額外環(huán)rRNA的結構真核生物的核糖體5S,5.8S,18S,23S,28SrRNA原核生物的核糖體

16S,23S,5SrRNARNA

為

什

么

不

穩(wěn)

定DNA和RNA分子均可作為遺傳信息載體SARS病

毒DNA,RNA和蛋白質的進化關系圖解從RNA世界到DNA世界

RNA世界向DNA世界的過渡可以概括如下：地球上最早出現(xiàn)的生物大分子為RNA，RNA同時具有催化與編碼兩種功能。RNA可以催化肽鍵形成并合成蛋白質，此后RNA與蛋白質聯(lián)手以RNA為模板合成DNA。這是一個關鍵的轉變時期，生命世界的三大主要多聚分子，RNA、蛋白質和DNA的分工基本定形：RNA的編碼功能由DNA取代，催化功能轉移到蛋白質，RNA自身則成為傳達遺傳信息的中介分子。在現(xiàn)存的生化體系中我們仍可發(fā)現(xiàn)這些原始關系的珠絲馬跡，RNA分子仍在許多方面保留著其原初的風貌。此后由DNA組成的基因組成為生命進化的主角。RNA：仍然有許多待解的謎團非編碼基因：小RNA很多?。遥危疗鹬匾{控作用蛋白質蛋白質的功能1）結構：如膠原蛋白，蠶絲蛋白2）儲藏：如乳汁蛋白，卵白蛋白，種子蛋白3）轉運：如血紅蛋白，轉鐵蛋白4）信息傳遞、調節(jié)：激素（如胰島素，神經(jīng)生長因子、受體）、跨膜受體蛋白（接受信號）6）收縮：如肌動蛋白7）功防：如毒素、抗體、重金屬結合蛋白8）催化：酶類蛋白質的功能---蜘蛛絲線蛋白蛋白質功能的缺陷：分子病

---鐮刀形血紅細胞氨基酸結構的共同特點在于，在與羧基相連的碳原子（-碳原子）上都有一個氨基，另一個R基。

蛋白質是由20種氨基酸組成的生物大分子不同氨基酸其R基各不相同，R基的結構決定了20種氨基酸的特殊性質NH一個氨基酸的氨基與另一個氨基酸的羧基脫水縮合，形成肽鍵并生成二肽化合物。不同數(shù)目的氨基酸以肽鍵順序相連形成多肽，多肽形成蛋白質分子的亞基。二硫鍵N端C端蛋白質的一級結構（化學結構）氨基酸序列：CYIGNCPLG蛋白質的一級結構序列最早發(fā)明用化學方法測定氨基酸序列方法的科學家獲得了諾貝爾化學獎發(fā)展蛋白質序列分析的質譜技術的科學家03年再次獲得諾貝爾化學獎今天，我們可以根據(jù)遺傳密碼，把基因序列翻譯成蛋白質序列蛋白質的結構層次Primarystructure

=Sequence

Secondarystructure=Helix,strand/sheet,turn,orloop.Tertiarystructure=Onefoldedchainofaminoacids.Quaternarystructure

=Combinationofmultipleproteinsintofunctionalunit.

蛋白質的特定構象即蛋白質的三維空間結構和形態(tài)對于蛋白質的功能起決定性的作用。蛋白質變性（構象發(fā)生變化）使得其特定的功能便立即喪失。蛋白質折疊成獨特的三維結構

蛋白質分子必須有特定的三維空間結構才能表現(xiàn)其生物功能。

近年來得知，某些疾病是由于蛋白質折疊錯誤而引起的，如類似于瘋牛病的某些神經(jīng)性疾病、老年性癡呆癥、帕金森氏癥等，這些折疊病已引起了人們極大的注意。

60年代，Anfinsen提出氨基酸序列決定了蛋白質特定三維空間結構的著名假說。SHSHSHSHSHSHSHSH110核糖核酸酶是由124個氨酸基殘基組成的蛋白質，有4對二硫鍵，４對二硫鍵組合有(2×4)!/244!=105種可能的組合方式蛋白質折疊之謎化學結構--〉空間結構自組織！??！如果我們能夠掌握自然界如何實現(xiàn)分子自組織的規(guī)律。。。蛋白質與進化自然界：約20萬種可以劃分為不同的家族同源蛋白相似的結構與功能分子進化生物信息學蛋白質結構實驗測定生物物理方法X-射線晶體衍射多維核磁共振電鏡三維重構（膜蛋白）

1-3 蛋白質的二級結構

alphahelices，螺旋betasheets,折疊andturns，轉角蛋白質的二級結構：

飽和的主鏈氫鍵Alpha-helix螺旋

-折疊平行-折疊反平行-折疊20%的情況是一邊為平行鏈而另一邊為反平行的鏈

圖1-11平行β折疊氫鍵形成和折疊

圖1-12反平行β折疊氫鍵形成和折疊

平行和反平行混合β折疊氫鍵的形成轉角(Turn)

超二級結構(Motif)

蛋白質的三級結構

結構域三級結構的基本單位是結構域。一個結構域指的是一條多肽鏈或能夠獨立折疊為穩(wěn)定的三級結構的多肽鏈的一部分。結構域也是一個功能單位，通常蛋白質中不同的結構域是和不同的功能相關的。

三級結構類型（折疊類）

蛋白質的四級結構

許多球狀蛋白分子含有兩條或多條多肽鏈，這些多肽鏈間以非共價鍵的方式相連接。每一條多肽鏈都有自己的三級結構，這樣的多肽鏈被稱作蛋白質的亞基，又被稱作亞單位。蛋白質的四級結構指的是各個亞基在寡聚蛋白質中的空間排布關系和蛋白質亞基之間的相互作用，它不考慮每個亞基自身的構象。1+1大于1：血紅蛋白的四級結構亞基間的協(xié)同效應氧分壓氧合百分比蛋白質三維結構預測蛋白質三維結構由一級結構所決定，如何根據(jù)一級結構預測蛋白質的三級結構？生物信息學，計算生物學理論物理，生物物理細胞內蛋白質折疊MolecularChaperones分子伴侶Chaperone：Person,usuallyamarriedorelderlywom