1、第二章 生命的化学基础,元素和化合物 生物体的主要 生物分子 糖类脂类蛋白质核 酸,1 元素和化合物,元素：,具有相同核电荷数（即质子数）的同一类原子总称为元素,目前共发现118种元素,大量元素12种 (C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg、Na、Fe、Cl ) (99.99%) 微量元素13种(Cu、Zn、I、Mn、Cr、F、Ba、Co、Li、Se、Sn、Mo、B) (0.01%),生命需要约25种元素：,碘缺乏症,甲状腺肿,碘缺乏症,呆小症(克汀病),非必需元素 有害元素：,由于环境污染或从食物中摄入量过大、时间过长，对人体健康有害的元素称为有害元素或有毒元素：Bi，Sb，Be，Cd，H
2、g，Pb等。,重金属污染,被镉污染的扁豆,汞污染,水俣病患者,注意：必需和非必需的界限是相对的。 首先，随着诊断方法和检测手段的进步和完善，今天认为是非必需的元素可能明天会被发现是必需的。 其次，每种元素都对应有一个合理的摄入量，即使是必需元素在人体内也有一个合适的浓度范围，超过或不足都不利于人体健康。,同位素及利用：,同位素：质子数和电子数都相同，但中子数不同的原子。 如：12C、14C； 14N、15N； 31P、32P； 16O、18O。 同位素示踪：利用放射性同位素显示某种原子在生物体内的来踪去迹的技术。,2 生物体的主要生物分子,生物体都是由蛋白质、核酸、脂类、糖、无机盐和水组成。,
3、哪一种分子含量最高？,不同的生物体，其分子组成也大体相同：,水,特性： 水是极性分子 水分子之间形成氢键 液态水分子具有内聚力 水能缓和温度变化 冰比水轻 水是极好的溶剂 水能电离,（1） 水是细胞中不可缺少的物质,水是生物体的主要成分之一。细胞中水的含量通常占细胞总量70%80%。 不同机体或同一机体的不同器官，含水量差别很大。 例如：人体骨骼22，肌肉76，脑7084，肝脏70，皮肤72，心脏79，血液83。 一般说来，水生生物和生命活动旺盛的细胞，含水较多； 陆生生物和生命活动不活跃的细胞，含水分较少。如休眠的种子、孢子含水量低于10。,细胞中水存在形式：游离水和结合水。生物体内水的主要
4、作用： 游离水是良好的溶剂 游离水是物质运输的介质 直接参加体内的生化反应 具有调节体温的作用 润滑作用 保持植物固有姿态 ,(2)生物大分子,生物大分子（biological macromolecule） ：是作为生物体内主要活性成分的各种分子量达到上万或更多的有机分子 。 如：糖类、脂类、蛋白质、核酸,碳是组成细胞中各种大分子的基础,碳原子的不同排列方式和长短、相互连接成链或成环是生物分子多样性的基础。,这些功能基团几乎都是极性基团，使得生物分子具有亲水性，有利于这些化合物稳定于有大量水分子存在的细胞中。,生物大分子的基本性质取决于与碳骨架相连接的功能基团。,(2)生物大分子,多聚体,生物
5、单分子 （单体）,脱水合成,水解,水解,3 糖类化合物,糖类（carbohydrate）,糖广泛存在于生物界，是地球上数量最多的一类有机化合物。对于植物来说，占其干重的8590、细菌占1030、动物小于2。 糖分子含C、H、O 3种元素，通常3者的比例 为1:2:1，一般化学通式为(CH2O)n。 从化学本质上来说，糖类是多羟醛、多羟酮及其缩聚物和某些衍生物的总称。,糖类的分类：,单糖：不能再水解的糖。 寡糖（低聚糖）：由26分子单糖脱水缩合而成的糖。 多糖：由6分子以上的单糖脱水缩合而成的多聚体。,3.1 单糖,丙糖 丁糖 戊糖：核糖、脱氧核糖 己糖：葡萄糖、果糖（植物特有）、半乳糖（动物特
6、有） 庚糖,葡萄糖,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,6,麦芽糖：由二分子葡萄糖结合而成 蔗糖：由一分子葡萄糖和一分子果糖结合而成 乳糖：由一分子葡糖糖和一分子半乳糖结合而成 （动物特有） ,3.2 寡糖,1,4,麦芽糖,O-糖苷键,了解,3.3 多糖（polysaccharide）,淀粉、纤维素、糖原、壳多糖（几丁质）、菊糖、琼脂等,直链淀粉：,支链淀粉：,淀粉主要存在于植物的种子、块根、块茎和果实中。 遇碘呈蓝色,糖原：,与支链淀粉类似，只是分支程度更高，每隔4个葡萄糖残基便有一个分支。结构更紧密，更适应其贮藏功能。存在于动物体内。遇碘呈棕红色。,纤维素：,在自然界中分布最广，含
7、量最多。 不分支、不卷曲的长链彼此相互平行由氢键联系。 存在于细胞壁中，是木材的主要成分。,果胶：直线性高聚体，广泛分布于植物界，是植物细胞壁的组分之一。 半纤维素：存在于植物细胞壁，增加细胞壁强度。 琼脂：多糖混合物，来源于石花菜藻等红海藻中。,了解,4 脂类化合物,脂类,脂类是脂肪、磷脂、类固醇等类化合物的总称，是由脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍生物，由碳和氢以非极性共价键组成。 脂类分子含C、H、O 3种元素，但H:O远大于2，有些脂含P和N； 各种脂类分子的结构可以差异很大，但均不溶于水，而溶于非极性溶剂； 脂类主要包括：脂肪（三酰甘油酯/中性酯）、磷脂、类固醇、萜类以及蜡。,（1）脂肪
8、（甘油三酯，三酰甘油）：由甘油和脂肪酸脱水合成,脂肪(动物-fat)和油(植物-oil),脂肪：甘油三酯中含较多饱和脂肪酸，且常温下呈固态的； 油：甘油三酯中含较多不饱和脂肪酸，且常温下呈液态的。,（2）磷脂（磷酸甘油酯）,人工膜-脂质体,脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜。直径251000nm不等；,类固醇也称甾类，以环戊烷多氢菲为基础，不含脂肪酸，但具有脂类性质，也是细胞膜的重要成分。,（3）类固醇,类固醇,其中胆固醇等脂类主要存在于动物细胞内，既是细胞膜的重要成分，也是血中脂蛋白复合体的成分，与动脉硬化有关。,（4）其他几种重要脂类,必须脂肪酸：维持生命
9、活动所必需的、体内不能合成或合成速度太慢不能满足机体需要，必需从外界摄取的脂肪酸。 亚油酸、亚麻酸、二十二碳六烯酸（DHA） 蜡：动物蜡、植物蜡,了解,5 蛋白质,蛋白质（proteins）：,含量：最多的有机物，占人体干重45%。 组成元素：C、H、O、N、S 基本单位：氨基酸,5.1 氨基酸（amino acid, aa）,组成部分：氨基(-NH2)羧基(-COOH)氢原子(-H)R基团(-R) 种类：20种,5.2 蛋白质的分子结构,肽键：由一个氨基酸的氨基和另一个氨基酸的羧基脱水缩合而成一种酰胺键。,肽键（酰胺键）,主链,侧链,N,C,氨基酸残基,氨基酸（amino acid）（20种
10、） 二肽（dipeptide） 三肽（tripeptide） 寡肽（oligopeptide） 多肽（polypeptide） 蛋白质（protein） （1010 1012种）,5.3 蛋白质的空间结构,一级结构二级结构三级结构四级结构,指多肽链中氨基酸的种类、数量和排列顺序。 结构：线性平面结构 主键：肽键 副键：二硫键,（1）一级结构 (primary atructure),人胰岛素分子的一级结构,二硫键,A,B,（2）二级结构（secondary struture）,肽链相邻氨基酸残基间主要靠氢键维系的有规律，重复有序的空间结构。 主键：氢键 种类：3种 螺旋 -折叠 -螺旋,-hel
11、ix, -Sheet,平行-折叠,反向平行-折叠,- helix （triple helix）,胶原蛋白独有的结构。,（3）三级结构（tertiary structure）,在二维结构的基础上，整个单体蛋白质分子或亚基由于R基团的疏水性或亲水性不同，可进一步折叠、盘曲层的接近球形的特定立体空间结构。 主要化学键：疏水键、酯键、氢键、离子键、二硫键等。 结构特点：具有亲水表面和疏水核,三级结构（亚基，subunit）,松散肽段,螺旋,-折叠,血红蛋白的三级结构,（4）四级结构（quaternary structure）,指亚基集结的结构（亚基单独存在并不具有活性） 维系键：氢键、疏水键、离子键等
12、。 不是所有蛋白质都有四级结构,二聚体,四聚体,血红蛋白的四级结构,DNA聚合酶的四级结构（六聚体）,蛋白质必须在三级结构的基础上才表现活性。,5.4 蛋白质的变构和变性,构象（conformation）：蛋白质的空间结构 变构（allosteric effect）(变构调节)：通过蛋白质的构象变化而实现调节功能的现象。 变性（denaturation）：蛋白质分子受到某些理化因子的影响，空间结构（次级键）发生破坏，理化性发生改变，生物活性丧失的过程。 复性（renaturation）：去除变性因素后，蛋白质空间结构恢复的过程。,Protein Misfolding Can Have Dead
13、ly 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 蛋白质的分类及功能,按组成成分： 单纯蛋白质 结合蛋白质（蛋白质+辅基）按分子形状分：
14、 纤维蛋白 球形蛋白,按生理功能分： 酶蛋白（催化） 结构蛋白（结构支持） 运输蛋白（转运） 运动蛋白（收缩运动） 激素蛋白（代谢调节） 抗体蛋白（免疫） ,6 核酸,核酸,由许多核苷酸聚合而成的生物大分子 生物的遗传物质 ，在生物体内负责遗传信息的储存和传递。,种类： DNA（主要在细胞核中） RNA（主要在细胞质中）,6.1 基本单位：核苷酸（nucleotide）,磷酸,五碳糖,含N碱基,核苷酸,化学键：糖苷键、磷酸酯键,核苷酸的命名:,磷酸数目+核苷 一磷酸（脱氧）核苷(酸) （NMP, dNMP） 二磷酸（脱氧）核苷(酸) （NDP , dNDP ） 三磷酸（脱氧）核苷(酸) （NT
15、P , dNTP ）如： 三磷酸腺苷（ATP） 环一磷酸腺苷（cAMP）,高能磷酸键,第二信使: 环一磷酸腺苷（cAMP）,6.2 多核苷酸,5,3,结构特点：磷酸分子与五碳糖缩合成3,5磷酸二酯键。,6.3 DNA,（1）双螺旋结构模型 1953年，由Watson和Crick提出双螺旋结构模型 基础： 40年代后期，E.Chargaff发现：A=T、G=C 1953年2月， Watson和Crick通过Wilkins看到了富兰克林在1951年11月拍摄的一张十分漂亮的DNA晶体X射线衍射照片 1962年Watson和Crick、Wilkins分享诺贝尔生理医学奖。,（2）结构特点：,双链 反
16、向 平行 右手螺旋 磷酸和脱氧核糖相继排列，位于外侧，形成骨架。 碱基配对（Chargaff法则），位于内侧。,碱基对,维系键：氢键 AT TA C G G C,一级结构：4种核苷酸的连接和排列顺序；,（3）DNA的空间结构：,A-DNA,Z-DNA,B-DNA,高湿度（92%),二级结构：双螺旋状结构包括多种构象：B-DNAA-DNAZ-DNA,三级结构： 是DNA的高级结构，DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构超螺旋结构（superhelix） 。,（3）DNA的空间结构,超螺旋结构,DNA超螺旋结构,线粒体、叶绿体、细菌、质粒及一些病毒的DNA为封闭环状DNA分子，多扭曲成麻花
17、状的超螺旋结构；,DNA超螺旋结构,真核生物细胞核中DNA盘绕在组蛋白上形成核小体（nucleosome）。,DNA分子的变性与复性：,6.4 RNA,由DNA分子转录而来，由多核苷酸单链组成，可形成局部双链或双股螺旋等空间结构。,RNA种类:,信使RNA (messenger RNA, mRNA)占35 转运RNA (transfer RNA, tRNA)占15左右 核糖体RNA (ribosomal RNA, rRNA)占80以上 微小RNA (microRNA, miRNA) 核酶 (ribozyme),线形单链，在核中转录DNA上的遗传信息，再进入细胞质，作为指导合成蛋白质的模板； 5
18、端有甲基化结构，抗水解，并作为蛋白质合成的起始因子识别； 3含有polyA尾结构，有利于进入细胞质以及提高稳定性。,（1）mRNA,成熟mRNA：,5端帽子结构,3polyA（多聚腺苷酸）尾巴,AAAAAA,局部为双链，起识别密码子和携带相应氨基酸的作用。,（2）tRNA,立体：倒L形,平面：三叶草形,rRNA和蛋白质共同组成核糖体， 即蛋白质合成的场所 。 rRNA含有大量的茎环结构。,（3）rRNA,（3）rRNA,在原核生物和真核生物细胞中rRNA的种类不同。,形态结构：锤头形结构 功能： 分子内的自我剪切 分子间的催化剪切,（4）核酶,课后思考：,如何理解必需元素的“相对性”？ 为什么说“地球上没有水就没有生命”（水的特性及其功能）？ 蛋白质分子的1-4级结构？蛋白质变性破坏的是哪一级结构？ DNA的1-3级结构？DNA变性破坏的是哪一级结构？ 各类基本单位分别构成生物大分子的规律？,THE END !,
