第二章生物的化学组成生科.ppt

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1、第二章 生物的化学组成,主讲：刘晓璐 E-mail：,一、原子和分子生命的化学基础,1 生物体的 主要元素？,元 素 组 成,4,如何判定一种元素的营养意义,（1）让实验动物摄入缺少某一种元素的膳食，观察是否出现特有的病症 （2）向膳食中添加该元素后，实验动物的上述特有病症是否消失 （3）进一步阐明该元素在身体中起作用的代谢机理,生物体都是由蛋白质、核酸、脂类、糖、无机盐和水组成。 哪一种分子含量最高？,2 生物体的主要生物分子,不同的生物体，其分子组成也大体相同,蛋白质、核酸、脂类和多糖是组成生物体最重要的生物大分子，水是生物体内所占比例最大的化学成分,6,水占生物体的 60 以上的重量 地

2、球上生命起源于水中，陆生生物体内细胞也生活在水环境中。 水的性质影响生命活动，如：溶解性质，酸碱度，pH,水对生物体非常重要,常温下，H2O呈液体，是所有生命形成的至关因素之一,常温下，NH3、CH4、HF都是气体。 NH3、CH4形成氢键的能力弱。 HF形成氢键角度太直，不容易交错形成网络。,水的三态共存奇观,冰的密度比水轻，是所有生命形成的至关因素之二,表层的冰阻隔了底层液体水的凝结， 从而使冰河时期以及现在冰冻地带的水生生命存活。,氢键赋予了H2O表面张力,10,水影响生命活动的例子：,肺泡在水环境中保证 O2 和 CO2 的交换 水分子间氢键造成水的表面张力，可使肺泡瘪塌。 肺泡中存在

3、一种表面活性蛋白破坏水的表面张力，使肺泡胀开。,水具有高比热和高蒸发热,稳定大气温度 稳定海洋温度 使地球有丰富的液态水 使生物避免过热,水是调节体温的重要介质,水是生命物质的溶剂 活细胞内 pH 7, H+ 和 OH-影响细胞分子的结构和功能.,pH 胃液 1.6 柠檬汁 2 醋,酒 3 番茄汁 4 雨水 5.6 唾液 6.6 纯水 7.0 海水 8 抗胃酸药 9 氨清洁剂 11,常见溶液的pH,在生命元素中，碳原子具有特别重要的作用，碳原子相互连接成链或成环，形成各种生物大分子的基本结构。,3 有机化合物的碳骨架和功能基团,碳骨架 结构排列和长短决定了有机化合物的基本性质,生物体中的有机化

4、合物主要含有羟基、羰基、羧基和氨基等功能基团， 这些功能基团几乎都是极性基团。功能基团的极性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还取决于与碳骨架相连接的功能基团,由生物单体分子合成生物大分子多聚体往往涉及与功能基团相关的脱水反应，又称为脱水缩合反应。,使生物大分子多聚体分解为单体的分解反应往往需要有水分子参与，因此又称为水解反应。 水解反应是脱水缩合反应的逆反应,脱水缩合反应与水解反应,二、糖类,主要的能源和碳源物质，重要的中间代谢物，部分参与细胞结构组成； 光合作用的产物； 包括单糖(如核糖、脱氧核糖、葡萄糖、果糖)、寡糖(常见的主要

5、是二糖，如麦芽糖、蔗糖、乳糖)及多糖(如淀粉、糖原、纤维素、几丁质、果胶、菊糖、葡聚糖、肝素)； 可与其它物质结合成糖蛋白、糖脂、核酸等，形成重要的活性分子。,18,单糖通过糖苷键联成多糖链,多糖都是由葡萄糖构成的,3种类型的双糖,3种类型的单糖,糖原：是储备在动物体内的多糖，又称动物性淀粉。由3千6万个G单位构成，主要储存于肝脏及肌肉组织，人体内贮备的糖原很少，成人体内储备约370g。仅够半天用，所以人要一日三餐补充能量。,淀粉：是由葡萄糖聚合而成，它占膳食碳水化合物的一半以上，只有在植物中有，它是植物的葡萄糖储存库为自己开花结果提供能量同时也是人类的营养物质,淀粉,糖原,根据被人体消化情况

6、分为两类：,能被消化吸收的多糖,多糖类,为什么牛羊可以以秸秆为食物而人不可以？,淀粉 口腔 胃 小肠 小肠粘膜,淀粉+麦芽糖 +短链多糖,极少部分 淀粉水解,双糖,单糖,细胞供能 肝脏 血液循环,胰淀粉酶,麦芽糖酶+ 蔗糖酶+乳糖酶,淀粉酶,糖原,食物中糖类经消化道各种酶作用水解成单糖后才被吸收,脂肪,碳水化合物的消化吸收,葡萄糖的专利,三、脂类,不溶于水，易溶于有机溶剂。 构成生物膜的重要物质，与细胞的表面物质、细胞识别及种的特异性、组织免疫密切相关； 可作为能量贮存在生物体内，构成生物体的保护层，防止机械损伤和热量、水分的散失； 有的具有强烈的生物活性。 可分为中性脂肪和类脂（蜡和磷脂）等

7、,中性脂肪(动物-fat)和油(植物-oil),由甘油醇和脂肪酸结合成的酯。,顺式,n-9反式油酸,引发心血管疾病 引发肥胖症 影响人类生育 降低记忆力,又称磷酸甘油脂，与脂肪不同之处在于甘油的一个羟基不是与脂肪酸结合成酯，而是与磷酸及其衍生物(如磷酸胆碱)结合，形成卵磷脂,磷脂,磷脂是生物膜脂质双层的主要成分，磷酸胆碱一端为极性的头，两个脂肪酸一端为非极性的尾，其中一个脂肪酸通常含不饱和双键，因此总有点弯折,结构蛋白 伸缩蛋白 贮存蛋白 保护蛋白 运输蛋白 激素蛋白 信号蛋白 酶和辅酶,四、 蛋白质,蛋白质的主要种类和功能,氨基酸结构的共同特点在于，在与羧基相连的碳原子（-碳原子）上都有一个

8、氨基，另一个R基。,氨基酸,氨基酸具有碳 碳上同时连有一个氨基和羧基,不同氨基酸其R基各不相同，R基的结构决定了20种氨基酸的特殊性质,NH,参与蛋白合成的共有20种天然氨基酸,必需氨基酸：8种,一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基脱水缩合，形成肽键并生成二肽化合物。,不同数目的氨基酸以肽键顺序相连形成多肽，多肽形成蛋白质分子的亚单位。,一级结构 二级结构 三级结构 四级结构,蛋白质的空间结构,一级结构 由各氨基酸按一定的排列顺序结合而形成的多肽链（50个以上氨基酸）称为蛋白质的一级结构。,肽键 肽链 氨基酸排列顺序等,是共价连接的氨基酸残基的序列，它描述的是蛋白质的线性的（或一维）结构。,胰

9、岛素由51个氨基酸组成,主要的化学键： 肽键 有些蛋白质还包括二硫键,二级结构：是通过肽键中的酰胺氮和羰基氧之间形成的氢键维持的，一级结构盘绕 折叠 形成的有规律的结构单元,包括-螺旋、-折叠和转角等。,（4条-螺旋） 原纤维,微原纤维 （11条原纤维）,巨原纤维,纺锤体型皮质细胞,角质膜,皮质,髓质,头发,思考题: 毛发在湿热条件下可以拉长到原有长度的2倍, 为什么?,烫发实际上是一个生物化学过程,头发中的原纤维和巨原纤维的结构都是通过二硫键交联的，大大增加了整体结构的稳定性。,-折叠,丝制品很柔软, 不能拉伸.,朊病毒,亚病毒的一种：具有传染性的蛋白质致病因子淀粉样普列昂蛋白(prion)

10、，其致病作用是由于动物体内正常的蛋白质PrPc改变折叠状态为PrPsc所致，而这二种蛋白质的一级结构并没有改变。,PrPc,PrPsc,肌红蛋白,三级结构：是指一条多肽链形成紧密的一个或多个球状单位或结构域，三级结构的稳定依赖于非相邻的氨基酸残基侧链的相互作用。,四级结构：并不是每个蛋白质都具有的，只有那些是由两条或两条以上多肽链组成的蛋白质才具有四级结构，每一条肽链也称之亚基，肽链可以是相同的，也可以是不同的。,蛋白质的各级结构,氨基酸,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,血红蛋白,蛋白质的特定构象即蛋白质的三维空间结构和形态对于蛋白质的功能起决定性的作用。 蛋白质变性（构象发生变化）使

11、得其特定的功能便立即丧失。,蛋白质结构与功能的关系,蛋白质结构的研究方法,核酸贮存遗传信息，控制蛋白质的合成 核酸包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),都是由许多顺序排列的核苷酸组成的大分子。,五、 核酸,49,核苷酸分子由三个部分组成：碱基、五碳糖和磷酸 碱基糖之间是糖苷键；糖磷酸之间是磷酸酯键,脱氧核苷酸的结构,核苷酸的结构,DNA的碱基是A、T、G、C. RNA的碱基是A、U、G、C。,52,核苷酸通过磷酸二酯键连成核酸,DNA的平面结构,两条脱氧核苷酸链反向平行 双链的中间是碱基对 双链的两侧是磷酸和脱氧核糖的交互排列 碱基互补配对原则是： A与T配对； G与C配对,脱氧核糖

12、核酸(DNA),DNA双螺旋结构,两条链的碱基都位于中间，碱基平面与螺旋轴垂直。,RNA大多是单链分子； 含核糖； 碱基为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶；,核糖核酸(RNA),三种： 信使RNA(mRNA): 转运RNA(tRNA): 核糖体RNA(rRNA):,线形单链结构，携带DNA信息，作为指导合成蛋白质的模板,识别密码子和携带相应氨基酸,和蛋白质共同组成核糖体，即蛋白质合成的场所,RNA与DNA的主要差别,（1）RNA大多是单链分子； （2）含核糖而不是脱氧核糖； （3）4种核苷酸中，不含胸腺嘧啶（T），而是由尿嘧啶（U）代替了胸腺嘧啶（T）。,DNA编码蛋白质的氨基酸序列，从而决定蛋

13、白质的功能。通过蛋白质的作用，DNA实际上控制着细胞和生物体的生命过程 DNA控制蛋白质的合成是通过RNA来实现的，即遗传信息由DNA转录到RNA，后者决定蛋白质的氨基酸序列 DNA分子为双链，由两条脱氧核糖核苷酸长链碱基互相配对，形成双螺旋结构；RNA分子一般为单链(如t-RNA)；,DNA双螺旋结构的发现,1951年 Watson 23岁 丹麦的哥本哈根 Wilkins教授 英国剑桥大学Cavendish实验室 Crick， 31岁 伦敦大学Kings实验室 女科学家Franklin Wilkins教授 1952年 Pauling教授 DNA应该是双螺旋 A与T、 C与G巧妙连接 符合X衍

14、射数据 DNA的复制 1953年2月28日，Waterson 和Crick用金属线又制出了新的DNA模型，他们为自然科学树立了一座闪闪发光的里程碑。,六 、大分子结合物,糖蛋白 核蛋白 糖脂 脂蛋白,1、糖蛋白,糖同蛋白质的共价结合物 生物学功能： （1）具有酶或激素活性如：核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、促性腺激素、卵泡刺激激素等 （2）具有转运金属和激素的作用，如：转铁蛋白、甲状腺素结合球蛋白等 （3）参加血液凝结作用：纤维蛋白原 （4）作为保护剂和润滑剂：粘蛋白 （5）作为各种生物膜的组成成分和支持结构，细胞膜的选择性通透作用也收到糖蛋白的控制 （6）其他生物功能，如糖蛋白与生物体免疫和血型

15、区分有关,2、核蛋白,核酸与蛋白质结合 比较重要的核蛋白存在形式： （1）病毒：非细胞生物，主要有蛋白质和核酸组成 （2）染色质：核酸和蛋白质组成 （3）核蛋白体：核糖体与蛋白质组成，是蛋白质生物合成的场所,3、糖脂,糖脂是一类具有一般脂类溶解性质的含糖脂质,包括脑糖脂、神经节糖脂、甘油醇糖脂等,4.脂蛋白,脂同蛋白质的结合物 脂蛋白中脂质与蛋白质之间没有共价键结合，多数是通过脂质的非极性部分与蛋白质组分之间以疏水性相互作用而结合在一起。,生命元素中，碳元素具有特别重要的作用。生物大分子的基本性质取决于有机化合物的碳骨架和功能基团。蛋白质、核酸、脂类和多糖等，都是由含有功能基团的相同或相近的单

16、体脱水缩合而成。 糖类包括单糖、寡糖和多糖。糖是生物代谢反应的重要中间代谢物，是细胞重要的结构成分，可构成核酸和糖蛋白等重要生物大分子，糖类又是生命活动的主要能源。 脂类主要是由碳原子和氢原子通过共价键结合形成的非极性化合物，具有疏水性。中性脂肪和油都是由甘油和脂肪酸结合成的脂类。卵磷脂是生物膜脂质双层的主要成分。 蛋白质是细胞最重要的结构成分并参与所有的生命活动过程。蛋白质的特定构像对于蛋白质的功能起决定性的作用。 核酸包括脱氧核糖核酸（DNA)和核糖核酸(RNA)两类。DNA是右旋的双螺旋结构。DNA是遗传信息的携带者。贮存遗传信息的特殊DNA片段称为基因，它决定蛋白质的功能。RNA是一类单链分子，在蛋白质的合成中起重要作用。1953年 Watson和Crick建立了DNA双螺旋结构理论，奠定了现代分子生物学基础。,本章摘要,