二生命化學(xué)基礎(chǔ)與生物大分子

第二章生命的化學(xué)基礎(chǔ)與生物大分子主講：嚴(yán)雪聯(lián)系方式：武大生科院5012室電話箱：yanxue@2.1生命的化學(xué)基礎(chǔ)與其它物質(zhì)一樣，細(xì)胞乃至生命也是由原子組成的元素組成分子組成2.1生命的化學(xué)基礎(chǔ)元素組成已知元素115種；天然元素有92種。人體中發(fā)現(xiàn)81種；按其在人體所占質(zhì)量的比例是否大于0.05%可劃分常量元素和微量元素。由于環(huán)境污染或從食物中攝入對人體健康有害的元素稱為有害（毒）元素。2.1生命的化學(xué)基礎(chǔ)分子組成生物體都是由蛋白質(zhì)、核酸、脂類、糖類、無機(jī)鹽和水組成。蛋白質(zhì)、核酸、脂類和糖類是組成生物體最重要的生物大分子。水是生物體內(nèi)所占比例最大的化學(xué)成分。水細(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)體不同器官，含水量差別很大。人體骨骼22％，肌肉76％，腦70％～84％，肝臟70％，皮膚72％，心臟79％，血液83％。一般說來，水生生物和生命活動旺盛的細(xì)胞，含水較多;

陸生生物和生命活動不活躍的細(xì)胞，含水分較少。如休眠的種子、孢子含水量低于10％。2.1生命的化學(xué)基礎(chǔ)

如何理解蟬噪林愈靜？

因為天熱其他生物都躲起來了吧?。?/p>

那蟬在地表溫度高達(dá)70oC,氣溫高達(dá)46oC，仍能生存并快樂的歌唱，為什么？

我們曾經(jīng)也不知道，

生態(tài)學(xué)之迷

生命的化學(xué)基礎(chǔ)——案例1HeathandPeter(1970)

研究了蟬體溫與樹枝溫度后認(rèn)為蟬不斷選擇溫度較低的生境

且只在48oC下唱歌KaserandJonHastings(1981)研究蟬體溫與氣溫后認(rèn)為蟬通過水分蒸發(fā)降溫生命的化學(xué)基礎(chǔ)——案例1EricToolson(1987)幾個有趣的實驗

將蟬放在恒溫45.5

oC

環(huán)境中生長測定蟬體溫一直比環(huán)境低

2.9oC

說明生境選擇是不成立的

將蟬放在恒溫45.5oC，相對濕度改變環(huán)境中再測定蟬體溫

……

說明蟬通過水分蒸發(fā)適應(yīng)高溫生命的化學(xué)基礎(chǔ)——案例1游離水是良好的溶劑游離水是物質(zhì)運輸?shù)慕橘|(zhì)直接參加體內(nèi)的生化反應(yīng)具有調(diào)節(jié)體溫的作用保持植物固有姿態(tài)也起著重要作用生命的化學(xué)基礎(chǔ)——案例12.1生命的化學(xué)基礎(chǔ)無機(jī)鹽

K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-……等調(diào)節(jié)滲透壓、pH值、酶的活化因子。2.2生物大分子生物大分子的基本特性單體分子相同：一切生物體中的各類有機(jī)大分子都是分別由相同或相似的單體，如蛋白質(zhì)分子中的20種氨基酸、DNA及RNA中的8種脫氧核苷酸或核苷酸所組合而成的；結(jié)構(gòu)復(fù)雜：構(gòu)成生物分子的結(jié)構(gòu)單元具有不同的排列組合，并可以進(jìn)一步形成非常復(fù)雜的三維空間結(jié)構(gòu)；2.2生物大分子生物大分子的基本特性遵循共同的建成和分解規(guī)律：生物大分子由簡單的單體小分子脫水縮合而成；分解時是通過水解反應(yīng)；碳原子是生物大分子的基本骨架：碳原子的不同排列方式和長短是生物大分子多樣性的基礎(chǔ)。以共價鍵的形式與氫、氧、氮及磷相結(jié)合，形成了具有不同性質(zhì)的生物大分子生物大分子的基本性質(zhì)還取決于與碳骨架相連接的功能基團(tuán)生物體中的有機(jī)化合物主要含有羥基、羰基、羧基、氨基、巰基、磷酸基等功能基團(tuán)，這些功能基團(tuán)幾乎都是極性基團(tuán)。功能基團(tuán)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(xì)胞中。

2.2生物大分子糖類單糖、寡糖葡萄糖、核糖、乳糖、蔗糖、麥芽糖多糖淀粉、糖原、纖維素

2.2.1生物大分子——糖類核酸的重要成分淀粉的基本單元植物細(xì)胞中貯存狀態(tài)的糖動物細(xì)胞中貯存狀態(tài)的糖最大比例的糖類哺乳動物乳汁中存在馬鈴薯淀粉粒以分子中倒數(shù)第二個碳原子上羥基在空間的左右來判別構(gòu)型。

L-葡萄糖

D-葡萄糖

L-甘油醛

D-甘油醛

12345

6

幾點說明戊糖、己糖等單糖分子在溶液中通常不呈鏈?zhǔn)蕉虱h(huán)式結(jié)構(gòu)。

葡萄糖

幾點說明D-核糖D-2-脫氧核糖糖類的生物學(xué)功能作為生物體的結(jié)構(gòu)成分：植物、真菌以及細(xì)菌的細(xì)胞壁；昆蟲和甲殼類的外骨骼等；作為生物體內(nèi)的主要能源物質(zhì)：生物氧化的燃料－－葡萄糖和能量的貯存物質(zhì)－－淀粉和糖原等；生物體內(nèi)的重要中間代謝物質(zhì)：糖類通過這些中間物質(zhì)為其它生物分子如氨基酸、核苷酸以及脂肪酸等提供碳骨架；作為細(xì)胞識別的信息分子：許多膜蛋白、分泌蛋白和受體蛋白都是糖蛋白，即在特定部位結(jié)合一定量的寡糖。這些糖鏈可能起信號識別的作用。

2.2.1生物大分子——糖類2.2.2生物大分子——脂類脂類脂肪、油的區(qū)別？人心血管有利？甘油+脂肪酸磷脂和脂肪區(qū)別是？甘油+磷酸幾乎全部存在于膜系統(tǒng)中腦、肺、腎、心、卵、大豆含量高；類固醇不含脂肪酸，但有脂類性質(zhì)膽固醇具有特殊芳香族結(jié)構(gòu)蠟質(zhì)脂肪酸+醇萜類類葫蘿卜素數(shù)目不等的異戊二烯連接而成的分子脂類的生物學(xué)功能：是生物膜的主要成分；主要能源物質(zhì)，脂肪氧化產(chǎn)生的能量大約是糖的二倍；參與細(xì)胞的識別；是某些生物大分子的組成成分；生物活性物質(zhì)，如b-胡蘿卜素、維生素E等；生物表面的保護(hù)層：保持體溫、水份、抗逆等。2.2.2生物大分子——脂類2.2.3生物大分子——蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)20種天然氨基酸氨基酸結(jié)構(gòu)特點及基本性質(zhì)共同特點：與羧基相連的碳原子（

-碳原子）上都有一個氨基和一個R基；氨基酸呈兩性離子狀態(tài)，具有等電點(pI)，即在特定的pH值溶液中，氨基酸所帶的凈電荷為零，此時的pH值即為該種氨基酸的等電點；L-左旋，D-右旋生物界各種蛋白質(zhì)幾乎都有L-氨基酸所構(gòu)成不同氨基酸其R基各不相同，R基的結(jié)構(gòu)決定了20種氨基酸的特殊性質(zhì)2.2.3生物大分子——蛋白質(zhì)肽鍵、肽、多肽一個氨基酸的

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(zhì)分子的亞單位。肽鏈的順序方向定義為從氨基端到羧基端的方向2.2.3生物大分子——蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)是靠共價鍵(肽鍵)維系高級結(jié)構(gòu)主要是靠非共價鍵（氫鍵、疏水鍵、離子健和范德華力）維系2.2.3生物大分子——蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)：包括氨基酸序列，氨基酸數(shù)目、種類、順序；多肽鏈數(shù)目，連接方式等。直接影響高級結(jié)構(gòu)，如鐮刀形貧血癥；由基因確定，中間有差異，差別小，親緣關(guān)系近二級結(jié)構(gòu)：在一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，多肽鏈局部折疊形成的構(gòu)象單元。因為肽鏈內(nèi)可形成H鍵,導(dǎo)致二級結(jié)構(gòu)

螺旋(

-Helix)和

折疊(

-Sheet)的產(chǎn)生。2.2.3生物大分子——蛋白質(zhì)LysLysGlyGlyLeuValAlaHisPrimarystructureAminoacidresidues

螺旋(-Helix)

折疊(-Sheet)四級結(jié)構(gòu)：在三級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，多亞基蛋白裝配形成特定空間徘布，即蛋白質(zhì)四級結(jié)構(gòu)。2.2.3生物大分子——蛋白質(zhì)血紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)：在二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，整個單體蛋白質(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)一步形成的特定立體結(jié)構(gòu)，即三級結(jié)構(gòu)(體現(xiàn)生物活性)。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系蛋白質(zhì)的特定構(gòu)象即蛋白質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)和形態(tài)對于蛋白質(zhì)的功能起決定性的作用。蛋白質(zhì)變性（即構(gòu)象發(fā)生變化，二三四級結(jié)構(gòu)變化）使得其特定的功能便立即發(fā)生變化2.2.3生物大分子——蛋白質(zhì)ProteinMisfoldingCanHaveDeadlyConsequences:Acomparisonofnormal(PrPc)andabnormal(PrPsc)prionproteins:Thesetwoproteinsareformedbypolypeptidechainsthatcanbeidenticalinaminoacidsequence,buttheyfolddifferently.

SolubleinsolubleCausing“madcowdisease”蛋白質(zhì)的主要種類和功能結(jié)構(gòu)蛋白：生物結(jié)構(gòu)成分，如膠原蛋白、角蛋白等；伸縮蛋白：收縮與運動，如肌纖維中的肌球蛋白等；防御蛋白：如免疫球蛋白、金屬硫蛋白等；貯存蛋白：貯存氨基酸和離子等，如酪蛋白、卵清蛋白；運輸?shù)鞍祝哼\輸功能，如血液中運送O2與CO2的血紅蛋白；激素蛋白：調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝、生長分化等，如生長激素；信號蛋白：接受與傳遞信號，如受體蛋白等；酶：催化功能，包括參與生命活動的大多數(shù)酶。2.2.3生物大分子——蛋白質(zhì)核酸核酸最先從細(xì)胞核中分離得到，且是酸性，故而得名。貯存遺傳信息，控制蛋白質(zhì)的合成，從而控制著細(xì)胞和生物體的生命過程；核酸是由許多順序排列的核苷酸組成的大分子，包括脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)；DNA存在于細(xì)胞核、線粒體和葉綠體中，是遺傳信息的攜帶者；RNA在細(xì)胞核中合成，然后進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)，在蛋白質(zhì)合成中起重要作用。貯存遺傳信息的特殊DNA片段稱基因，編碼蛋白質(zhì)的氨基酸序列

2.2.4生物大分子——核酸核酸的基本組成核苷酸每一個核苷酸含有一個戊糖分子、一個磷酸分子和一個含氮的有機(jī)堿（堿基）。脫氧核糖上第一位碳原子與堿基結(jié)合，就成為脫氧核苷；第五位碳或第三位原子再與磷酸結(jié)合，就成為脫氧核糖核苷酸（脫氧核糖核酸，脫氧核苷酸）。2.2.3生物大分子——核酸核苷酸的有機(jī)堿分為兩類；一類是嘧啶，是單環(huán)分子；一類是嘌呤，是雙環(huán)分子。嘧啶有胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)3種。嘌呤包括腺嘌呤(A)和鳥嘌呤(G)2種。DNA的堿基是A、T、G、CRNA的堿基是A、U、G、C2.2.3生物大分子——核酸2.2.3生物大分子——核酸

Chargaff(1905-2002)法則(1950)：嘌呤的總數(shù)=嘧啶的總數(shù)(A+G=C+T)腺嘌呤=胸腺嘧啶(A=T);鳥嘌呤=胞嘧啶(G＝C)同一物種堿基組成高度同源，且不受年齡、營養(yǎng)狀況及環(huán)境的影響（對維持物種的穩(wěn)定性起很重要的作用）；不同的物種DNA的堿基組成具有獨特性。核酸多個核糖核苷酸以磷酸二酯鍵相連成長鏈的多核苷酸分子，即成核酸的基本結(jié)構(gòu)5’端P

3’端C,核酸序列方向2.2.3生物大分子——核酸核酸核苷酸磷酸核苷戊糖堿基

DNA的空間結(jié)構(gòu)分為三級DNA的一級結(jié)構(gòu)是指4種核苷酸的連接和排列順序，代表了DNA分子的化學(xué)組成，也影響了DNA的高級結(jié)構(gòu)；2.2.3生物大分子——核酸DNA的二級結(jié)構(gòu)是指兩條多核苷酸長鏈以反向平行盤繞而成的雙螺旋狀結(jié)構(gòu)，它又包括三種構(gòu)象，即A-DNA、Z-DNA及B-DNA；DNA三級結(jié)構(gòu)是DNA的高級結(jié)構(gòu)，是指DNA雙螺旋進(jìn)一步扭曲盤繞所形成的超螺旋結(jié)構(gòu)。線粒體、葉綠體、細(xì)菌、質(zhì)粒及一些病毒的DNA雙螺旋分子尚可形成封閉環(huán)狀，天然狀態(tài)的環(huán)狀DNA分子多扭曲成麻花狀的超螺旋結(jié)構(gòu)（superhelix）；2.2.3生物大分子——核酸真核生物細(xì)胞核中DNA的超螺旋結(jié)構(gòu)，以DNA雙螺旋盤繞在組蛋白上形成核小體(nucleosome)。2.2.3生物大分子——核酸DNA及其雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)鮑林(Pauling，美國加州理工)研究小組主要工作：鮑林等1951年(提出蛋白質(zhì)α-螺旋模型后)開始研究DNA分子結(jié)構(gòu)根據(jù)阿斯伯利(Astbury)等1938年獲得的DNA分子晶體X射線衍射圖像(顯示DNA分子晶體呈螺旋結(jié)構(gòu))進(jìn)行研究提出DNA分子三鏈螺旋結(jié)構(gòu)模型：引入多鏈、螺旋和氫鏈等概念雖然他們提出的模型并不正確，但是其研究方向和所采用的方法卻為DNA分子結(jié)構(gòu)模型研究確立了方向注：1954年他因研究物質(zhì)聚合力(氫鏈)而獲得諾貝爾化學(xué)獎DNA及其雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)

威爾金斯(Wilkins)/富蘭克琳(Franklin,倫敦大學(xué))研究小組Wilkins和Franklin改進(jìn)了DNA分子晶體X射線衍射圖譜技術(shù)1951年獲得了更為清晰的圖像結(jié)果表明：堿基位于螺旋內(nèi)側(cè)而磷酸基團(tuán)在外側(cè)，同時測得了DNA螺旋的直徑和螺距DNA及其雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)克里克(Watson)和沃森(Crick)(1951-1953)美國：研究手段非常簡單：用紙板等做磷酸、核糖和堿基模型，拼湊DNA分子的三維結(jié)構(gòu)理論知識深厚、富于創(chuàng)造性；視野廣闊、收集信息全面并善于分析利用DNA應(yīng)該是雙螺旋；A與T、C與G巧妙連接；符合X衍射數(shù)據(jù)和DNA的復(fù)制1953年2月28日，Watson和Crick用金屬線又制出了新的DNA模型，為自然科學(xué)樹立了一座閃閃發(fā)光的里程碑。

DNA的在溶液中基本性質(zhì)DNA變性(naturation):指雙螺旋之間氫鍵斷裂，雙螺旋解開，形成單鏈無規(guī)則線團(tuán)，因而發(fā)生性質(zhì)改變，稱為DNA變性。加熱、改變DNA溶液的pH（如NaOH溶液）、或受有機(jī)溶劑（如乙醇、尿素、甲酰胺及丙酰胺等）等理化因素的影響，均可使DNA變性。DNA復(fù)性(renaturation/annealing):變性DNA只要消除變性條件，二條互補鏈還可以重新結(jié)合，恢復(fù)原來的雙螺旋結(jié)構(gòu)，這一過程稱為復(fù)性（退火）。復(fù)性后的DNA，理化性質(zhì)都能得到恢復(fù)；2.2.3生物大分子——核酸RNA的種類及結(jié)構(gòu)特點RNA大多是單鏈分子，是以DNA為模板合成的；含核糖而不是脫氧核糖；4種核苷酸中，尿嘧啶（U）代替了胸腺嘧啶（T）。細(xì)胞中主要有3種RNA：信使RNA（messengerRNA,mRNA,占3－5％）核糖體RNA（ribosomeRNA,rRNA，占80％以上）轉(zhuǎn)運RNA（transferRNA,tRN