1、第二章生命的化学,人类的形态和行为都是由一系列各负其责的化学反应来决定的，生命的许多方面都可用化学语言来表达，这是一个真正的世界语 美国医学家、诺贝尔奖获得者A.Kornberg,1. 生命的起源,（1）由无机小分子物质生成有机小分子物 质； （2）由有机小分子，单分子物质形成生物大分子物质； （3）由生物大分子组成生物多分子体系； （4）由生物多分子体系演化为原始生命体。,1824年沃勒尔(德国，F.Wohler)-在实验室第一次由无机物合成了有机物-尿素,打破了“生命力论”，拉开了有机合成的序幕,1845年科尔比(德国A.W.H.Kolbe)-在实验室第一次合成了-醋酸 1854年，贝特罗
2、（P. E. M. Berthelot，法国)合成了脂肪； 1861年，布特列洛夫(俄国)合成了糖类物质。, 1953年，美国大学生米勒(S. L. Miller)设计了一个有趣的实验，他把甲烷、氨气、氮气和水密封在一个石英管中，然后模拟原始地球的大气环境，连续8天8夜不断地加热、放电，结果发现石英管内生成了多种氨基酸（如甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸、天冬氨酸等）、有机酸和尿素。以后以同样的方法又获得了嘌呤、嘧啶、核糖核苷酸、脱氧核糖核苷酸、脂肪酸等多种重要的生物分子。,米勒(S. L. Miller) 设计的有趣的实验,在地球上，生命原始阶段的无机物质向有机物质的化学过程是完全成立的。原始生命物质
3、完全可以在没有生命的自然条件下产生。,2. 生命体的组成,构成生命体大厦的基石不过6种元素：C、H、O、N、P、S。它们根据简单的“游戏规则”（一些物理化学定律），构建出丰富多彩的有机世界。雄踞这座分子大厦之颠的是蛋白质分子与核酸分子，它们恰似生物化学和分子生物学的殿堂，人类最迫切地想要了解和解决的问题-衣食、健康、生态、环保，答案尽在其中。而其它生物小分子-如糖、维生素等在生物体内也起到不可或缺的作用。,（1）生物小分子,糖 是大的碳水化合物,如淀粉、纤维素水解的产物，是生物体中直接提供能量的能源。,1902 Hermann Emil Fischer (Germany, 9.10.1852
4、- 15.7.1919) Germany, Berlin University, “in recognition of the extraordinary services he has rendered by his work on sugar and purine syntheses“.,糖化学之父费歇尔,葡萄糖,1928 温道斯发现胆固醇的结构及发现维生素D2 Adolf Otto Reinhold Windaus (Germany, 25.12.1876 - 9.6.1959) Germany, Goettingen University, “for the services rend
5、ered through his research into the constitution of the sterols and their connection with the vitamins“.,维生素维持人体正常生理功能所必需的一类有机物； 需要量很少； 不能在人体内合成，只能从外界摄取。,1937哈沃斯 The Prize was divided equally between: Sir Walter Norman Haworth (Great Britain, 19.3.1883 - 19.3.1950) Great Britain, Birmingham Universit
6、y, “for his investigations on carbohydrates and vitamin C”. 发现了V-C,卡勒Paul Karrer (Switzerland, 21.4.1889 - 18.6.1971) Switzerland, Zrich University, “for his investigations on carotenoids, flavins and vitamins A and B2“. 胡萝卜素的化学结构式,and,1938 胡萝卜素 Richard Kuhn (Vienna, Austria, 3.12.1900 - 31.7.1967)
7、Germany, Heidelberg University and Kaiser-Wilhelm-Institut (now Max-Planck-Institut) fr medizinische Forschung, Heidelberg, “for his work on carotenoids and vitamins“. “迟到的荣誉” 合成了V-A1、V-B（B2、B6）,一些维生素的作用与来源,1939 The Prize was divided equally between: Adolf Friedrich Johann Butenandt (Germany, 24.3.1
8、903 - 18.1.1995) Germany, Berlin University and Kaiser-Wilhelm-Institut (now Max-Planck-Institut) fr Biochemie, Berlin-Dahlem, “for his work on sex hormones“. 微量即有明显效果-雌、雄激素；口服避孕药；生长激素；蜕皮激素等,激素,氨基酸,1927 维兰德 Heinrich Otto Wieland (Germany, 4.6.1877 - 5.8.1957) Germany, Munich University, “for his inv
9、estigations of the constitution of the bile acids and related substances“. 胆酸的化学结构,其它生物小分子,1928 温道斯 Adolf Otto Reinhold Windaus (Germany, 25.12.1876 - 9.6.1959) Germany, Goettingen University, “for the services rendered through his research into the constitution of the sterols and their connection w
10、ith the vitamins“. 胆固醇的结构,胆酸 油脂的乳化剂，从而在肠中帮助油脂的乳化和吸收。 胆固醇 是胆结石的主要成分，存在于动物的各种组织中，但主要存在于脑与脊髓中。一个有80kg的人有240g胆固醇，但它的生理作用还不清楚。在人体中过量时会引起胆结石、动脉硬化等症。食物中油脂过多会提高胆固醇的含量，而引起心脏病。,R1,R2,R3,甾类化合物,1915 （威尔斯泰特） Richard Martin Willsttter (Germany, 13.8.1872 - 3.8.1942) Germany, Munich University, “for his researches
11、 on plant pigments, especially chlorophyll“. 叶绿素,（2） 蛋白质,生物体中含有的化学成分和生物化学变化虽然错综复杂，但蛋白质是参与其中的最重要物质。生命的基本特征就是蛋白质的不断更新。一切基本的生命现象，如肌肉的收缩、消化道的蠕动、起保护作用的皮肤、毛发等都是从蛋白质的特有造型中产生出来的；再如有机体中起催化作用的酶、使蛋白质调节代谢的激素大多是蛋白质及其衍生物，起免疫功能的抗体是蛋白质，呼吸作用中运输O2与CO2的是血红蛋白 蛋白质是由氨基酸组成的,除脯氨酸外,其他19种氨基酸的结构通式,脯氨酸(Proline, Pro)的结构,几乎所有的蛋白
12、质都是由不同数目的20种氨基酸（amino-acid）组成的。,氨基酸,序号 中文名称 英文缩写 结构式,1 甘氨酸 Gly(G) 2 丙氨酸 Ala(A) 3 亮氨酸* Leu(L) 4 异亮氨酸* Ile(I) 5 缬氨酸* Val(V) 6 脯氨酸 PrO(P) 7 苯丙氨酸* Phe(F) 8 甲硫氨酸* Met(M) 9 丝氨酸 Ser(S) 10 苏氨酸* Ihr(T),20种天然氨基酸,序号 中文名称 英文缩写 结构式,11 半胱氨酸 Cys(C) 12 谷氨酰胺 Gln(Q) 13 天冬酰胺 Asn(N) 14 酪氨酸 Tyr(Y) 15 色氨酸* Trp(W) 16 天冬氨酸
13、 Asp(D) 17 谷氨酸 Glu(E) 18 赖氨酸* Lys(K) 19 精氨酸* Arg(R) 20 组氨酸* His(H),20种天然氨基酸（续）,22nd AMINO ACID IDENTIFIED,There are just 20 genetically encoded amino acids in mammalian cells; a few organisms use 21. Now, researchers at Ohio State University have discovered a 22nd Science, 296, 1459 and 1462 (2002).
14、,除甘氨酸外，其余19种氨基酸的-碳原子都与4个不相同的基团相连。这种结构的的化合物在空间有两种不同的排布：,L和D-构型的-氨基酸,蛋白质水解得到的氨基酸都是L-型氨基酸。,肽（peptide）,肽键,多肽,肽是氨基酸分子间通过肽键相连的一类化合物。,1902 Hermann Emil Fischer (Germany, 9.10.1852 - 15.7.1919) Germany, Berlin University, “in recognition of the extraordinary services he has rendered by his work on sugar and
15、 purine syntheses“.,糖化学之父首先提出“肽键”理论、首次发现脯氨酸,由3种不同的氨基酸组成的三肽则有6种 。,四种不同的氨基酸可组成多少种四肽? A. 24 B. 32 C. 12 D. 16,一个仅含有100个氨基酸残基的蛋白质几乎是最小的蛋白质，但是在这样的一个小蛋白质中，20种不同氨基酸的排列有20100即10130种不同的方式。也就是说可以构成10130种不同的蛋白质，这是一个极其巨大的天文数字。即使每种蛋白质只有一个分子，它的总质量也将达到10100t。这个质量是地球质量的1078倍，是太阳系总质量的1072倍。不但在地球上生命进化的40亿年过程中所有的蛋白质不会
16、超过这个质量，再过40亿年还是不会超过这个质量。何况这里只不过考虑了最小的蛋白质而已。在自然界中，虽然由一组氨基酸可能形成许多种不同的蛋白质，但活细胞将只选择制造相对少数的特殊种类蛋白质。生物界蛋白质的种类估计在10101012数量级。,蛋白质,蛋白质分子是由一条或多条肽链构成的生物大分子。在蛋白质分子中氨基酸通过肽键连接起来。,从最简单的病毒、细菌等微生物到高等动物，一切生命过程和繁衍活动都与蛋白质密切相关，可以说没有蛋白质就没有生命。,蛋白质种类繁多，结构十分复杂，估计在人体内有100 000种以上的蛋白质。,蛋白质的一级结构、二级结构、三级结构、四级结构只有具有高级结构的蛋白质才有生物活
17、性。,一级结构：肽链中氨基酸的数目、种类和连接顺序、肽链的数目。二硫键的位置。,牛胰岛素有两条肽链:A链21个氨基酸残基,B链30个残基,分子量5700道尔顿,1953年确定全部化学结构.,牛胰岛素的一级结构,1958 桑格 Frederick Sanger (Great Britain, *13.8.1918) Great Britain, Cambridge University, “for his work on the structure of proteins, especially that of insulin“. 1955年完成牛胰岛素中氨基酸的全序列测定,后来的工作侧重于DN
18、A中核苷酸的序列，而于1980年再获诺贝尔奖,二级结构：多肽链本身的盘旋蜷曲或折叠的空间结构， 二级结构有重要两种： -螺旋 ，-折叠 。,多肽和蛋白质的二级结构,-螺旋,H-Bond,俯视图,侧视图,三级结构：肽链在二级结构的基础上进一步沿着多个方向盘绕成近似球状结构。,肌红蛋白的三级结构示意图,四级结构：它是由两条或两条以具有特定构象的肽链（称为蛋白质的亚基）组成的,血红蛋白的四级结构,维持蛋白质分子构象的作用力有：氢键、盐键、疏水键、Van der Waals力和二硫键。,维持蛋白质分子构象的各种化学键 a氢键； b盐键； c疏水键；d二硫健,1971年我国科学工作者全部完成了0.25n
19、m分辨率的猪胰岛素晶体结构的测定工作。1974年又完成了分辨率为0.18nm的胰岛素晶体结构的分析工作。胰岛素晶体结构的测定表明我国蛋白质空间结构的研究工作已达到了世界先进水平。,我国测定绘制的猪胰岛素空间结构示意图,多肽与蛋白质的人工合成,Du Vigneaud（迪维尼奥，美国） 1955， Nobel prize for chemistry 第一个实验室合成的多肽-催产素,由8个氨基酸组成，具有促进哺乳动物的子宫收缩的作用,中国科学家1959-1965 在世界上第一次人工合成了蛋白质-结晶牛胰岛素,By：汪猷、钮经义、王应睐、龚岳亭、邹承鲁、杜雨苍、季爱雪、邢其毅、徐杰诚.,评论： 虽然中
20、国发射了原子弹，但毕竟落后于美国、苏联的后头，而在合成蛋白质上中国人走在了世界的最前头！,1982年国家特给在胰岛素合成工作中作出贡献的科学家们国家自然科学一等奖。,1962 The Prize was divided equally between: Max Ferdinand Perutz (Vienna, Austria, *19.5.1914) Great Britain, Laboratory of Molecular Biology, Cambridge,Sir John Cowdery Kendrew (Great Britain, *24.3.1917 - +1997) Gre
21、at Britain, Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, “for their studies of the structures of globular proteins“.,测得了肌红蛋白和血红蛋白的三维结构,蛋白质科学上的伟大科学家们,1964 Dorothy Crowfoot-Hodgkin (Great Britain, *12.5.1910 - +1994) Great Britain, Royal Society, Oxford University, Oxford, “for her determinations by X-
22、ray techniques of the structures of important biochemical substances“. 得到了第一幅蛋白质的X-射线衍射图象； 分别测得了青霉素与维生素B12的结构,1982 Sir Aaron Klug (Lithuania, *11.8.1926) Great Britain, MRC Laboratory of Molecular Biology, Cambridge, “for his development of crystallographic electron microscopy and his structural elu
23、cidation of biologically important nuclei acid-protein complexes“.,1984 Robert Bruce Merrifield (USA, *15.7.1921) USA, Rockefeller University, New York, NY, “for his development of methodology for chemical synthesis on a solid matrix“.,揭示了核酸-蛋白质复合体的结构,提纯新肽链,1946 The Prize was divided, one half being
24、 awarded to: James Batcheller Sumner (USA, 19.11.1887 - 12.8.1955) USA, Cornell University, Ithaca, NY, “for his discovery that enzymes can be crystallized“. the other half jointly to: John Howard Northrop (USA, 5.7.1891 - 27.5.1987) USA, Rockefeller Institute for Medical Research, Princeton, NJ, an
25、d Wendell M. Stanley (USA, 16.8.1904 - 15.6.1971) USA, Rockefeller Institute for Medical Research, Princeton, NJ, “for their preparation of enzymes and virus proteins in a pure form“.,Sumner指出酶是蛋白质（推翻威氏理论），Northrop证实；Stanley提出病毒是蛋白质与核酸的混合体。,小问题： 1、第一次实验室合成氨基酸的是一个学生吗？ 2、第一个合成的多肽是什么？ 3、人类第一次合成的蛋白质是什么？由哪国科学家完成，该成果获诺贝尔奖了吗？,
