生物化学竞赛专题

生物化学专题夏劲松第1页共45页生物化学竞赛专题夏劲松目录第一讲糖类、脂质…………………第2页第二讲蛋白质……………………..第13页第三讲核酸………………………..第29页第四讲维生素……………………..第43页生物化学专题夏劲松第2页共45页生物化学的概念及其研究内容生物体的生命现象（过程）作为物质运动的一种独有的特殊的运动形式，其基本表现形式就是（新陈代谢和自我繁殖）。那么构成这种特殊运动形式物质基础又是什么呢？恩格斯很早就说过“蛋白质是生命活动的体现者”。现在已知仅有蛋白质是远远不够的，还要有核酸，糖类、脂类、维生素、激素、萜（音tie）类，卜啉（音lin）等。正是这些生命物质之间的相互协调的作用才形成了丰富多彩的生命现象，那么，这些生命物质到底有那些呢？他们是怎样产生和消亡，又是怎样相互转变和相互作用呢？这就是生物化学所要研究的内容。那么就让我们试着给生物化学下一个定义吧。生物化学是研究生物体的物质组成和生命过程中的化学变化的一门科学。或者说生物化学是研究生命现象中的物质基础和化学变化的一门科学。更简单地说生物化学就是研究生命现象的化学本质。有人也称生物化学就是生命的化学。第一讲糖类、脂质一、糖的概念糖类物质是多羟基(2个或以上)的醛类或酮类化合物，以及它们的衍生物或聚合物，据此可分为醛糖和酮糖。还可根据碳层子数分为丙糖、丁糖、戊糖、己糖。最简单的糖类就是丙糖(甘油醛和二羟丙酮)。由于绝大多数的糖类化合物都可以用通式Cn(H2O)n表示，所以过去人们一直认为糖类是碳与水的化合物，称为碳水化合物。现在已经这种称呼并不恰当，只是沿用已久，仍有许多人称之为碳水化合物。生物化学专题夏劲松第3页共45页二、糖的种类根据糖的结构单元数目多少分为：(1)单糖：不能被水解成更小分子的糖。(2)寡糖：2-6个单糖分子脱水缩合而成，以双糖最为普遍，意义也较大。(3)多糖：均一性多糖：淀粉、糖原、纤维素、半纤维素、几丁质(壳多糖)不均一性多糖：糖胺多糖类(透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素等)由一种单糖缩合的称均一多糖，由不同单糖缩合的称不均一多糖。(4)结合糖(复合糖，糖缀合物)：糖脂、糖蛋白(蛋白聚糖)、糖-核苷酸等(5)糖的衍生物：糖醇、糖酸、糖胺、糖苷三、糖类的生物学功能(1)提供能量：植物的淀粉和动物的糖元都是能量的储存形式。(2)物质代谢的碳骨架：为蛋白质、核酸、脂类的合成提供碳骨架。(3)细胞的骨架：纤维素、半纤维素、木质素是植物细胞壁的主要成分，肽聚糖是细胞壁的主要成分。(4)细胞间识别和生物分子间的识别。细胞膜表面糖蛋白的寡糖链参与细胞间的识别。一些细胞的细胞膜表面含有糖分子或寡糖链，构成细胞的天线，参与细胞通信。红细胞表面ABO血型决定簇就含有岩藻糖。四、单糖的结构1、单糖的链状结构确定链状结构的方法（葡萄糖）：生物化学专题夏劲松第4页共45页a.与Fehling试剂或其它醛试剂反应，含有醛基。b.与乙酸酐反应，产生具有五个乙酰基的衍生物。c.用钠、汞剂作用，生成山梨醇。葡萄糖的链式结构最简单的单糖之一是甘油醛，它有两种立体异构形式。这两种立体异构体在旋光性上刚好相反，一种异构体使平面偏振光生物化学专题夏劲松第5页共45页的偏振面沿顺时针方向偏转，称为右旋型异构体(dextrorotary)，或D型异构体。另一种异构体则使平面偏振光的偏振面沿逆时针编转，称左旋异构体(levorotary)或L型异构体。像甘油醛这样具有旋光性差异的立体异构体又称为光学异构体，常用D，L表示。以甘油醛的两种光学异构体作对照，其他单糖的光学异构体与之比较而规定为D型或L型。2、单糖的环状结构在溶液中，含有4个以上碳原子的单糖主要以环状结构。3、构型与构象构型：分子中由于各原子或基团间特有的固定的空间排列方式不同而使它呈现出不同的固定的立体结构，如D-甘油醛与L-甘油醛，D-葡萄糖和L-葡萄糖是链状葡萄糖的两种构型。一般情况下，构型都比较稳定，一种构型转变另一种构型则要求共价键的断裂、原子(基团)间的重排和新共价键的重新形成。构象：由于分子中的某个原子(基团)绕C-C单键自由旋转而形成的不同的暂时性的易变的空间结构形式，不同的构象之间可以相互转变，在各生物化学专题夏劲松第6页共45页种构象形式中，势能最低、最稳定的构象是优势构象。葡萄糖的有两种构象，一种是船式，一种是椅式。五、糖分解代谢糖作为主要的供能物质，其分解代谢途径主要有三条：⑴氧气充足的情况下，葡萄糖或糖原彻底氧化分解为CO2和水，同时释放出大量能量，称为糖的有氧氧化。⑵在氧气不足的情况下，葡萄糖或糖原分解为乳酸，同时释放少量能量，称为糖的无氧分解或糖酵解。⑶在某些组织器官中，糖还可以循着磷酸戊糖通路进行代谢。1、糖酵解糖酵解（EMP）是生命机体中普遍存在的糖代谢基本途径。在机体氧供给充足条件下，它是三羧酸循环、氧化磷酸化作用进行的前奏。糖酵解和有氧氧化都是由一系列酶催化的连续化学反应过程，实际上它们在开始的阶段有许多步骤是一样的，只是分解为丙酮酸以后，由于供氧条件不同才不一样。反应步骤（1）、葡萄糖磷酸化形成G-6-P（6-磷酸葡萄糖）（2）、G-6-P异构化为F-6-P（6-磷酸果糖）（3）、F-6-P磷酸化，生成F-1,6-2P（1,6-二磷酸果糖）（4）、F-1,6-2P裂解成3-磷酸甘油醛和DHAP（磷酸二羟丙酮）（5）、磷酸二羟丙酮（DHAP）异构化成3-磷酸甘油醛（6）、3-磷酸甘油醛氧化成1,3-二磷酸甘油酸（3-磷酸甘油酸磷酸）（7）、1,3-二磷酸甘油酸转化成3-磷酸甘油酸和ATP生物化学专题夏劲松第7页共45页（8）、3-磷酸甘油酸转化成2-磷酸甘油酸（9）、2-磷酸甘油酸脱水生成磷酸烯醇式丙酮酸（10）、磷酸烯醇式丙酮酸生成ATP和丙酮酸。生物化学专题夏劲松第8页共45页EMP（糖酵解）总反应式：葡萄糖+2Pi+2ADP+2NAD+→2丙酮酸+2ATP+2NADH+2H++2H2OEMP（糖酵解）的能量变化：无氧情况下：净产生2ATP（2分子NADH将2分子丙酮酸还原成乳酸）。有氧条件下：NADH可通过呼吸链间接地被氧化，生成更多的ATP。1分子NADH→3ATP1分子FAD→2ATP因此，净产生8ATP（酵解2ATP，2分子NADH进入呼吸氧化，共生成6ATP）。2、丙酮酸的去路Ⅰ.进入三羧酸循环Ⅱ.生成乳酸在厌氧酵解时（乳酸菌、剧烈运动的肌肉），丙酮酸接受了3-磷酸甘油醛脱氢酶生成的NADH上的氢，在乳酸脱氢酶催化下，生成乳酸。总反应：葡萄糖+2ADP+2Pi→2乳酸+2ATP+2H2OⅢ.生成乙醇酵母或其它微生物中，经糖酵解产生的丙酮酸，可以经丙酮酸脱羧酶催化，脱羧生成乙醛，在醇脱氢酶催化下，乙醛被NADH还原成乙醇。总反应：葡萄糖+2Pi+2ADP+2H+→2乙醇+2CO2+2ATP+2H203、三羧酸循环（TCA）葡萄糖的有氧氧化包括四个阶段。①糖酵解产生丙酮酸（2丙酮酸、2ATP、2NADH）②丙酮酸氧化脱羧生成乙酰CoA生物化学专题夏劲松第9页共45页反应总式：丙酮酸＋CoA＋NAD＋→乙酰CoA＋CO2＋NADH＋H＋③三羧酸循环（CO2、H2O、ATP、NADH）④呼吸链氧化磷酸化（NADH-----ATP）三羧酸循环：乙酰CoA经一系列的氧化、脱羧，最终生成CO2、H2O、并释放能量的过程，又称柠檬酸循环。（1）、乙酰CoA+草酰乙酸→柠檬酸（2）、柠檬酸→异柠檬酸（3）、异柠檬酸氧化、脱羧生成α-酮戊二酸和NADH（4）、α-酮戊二酸氧化脱羧生成琥珀酰CoA和NADH（5）、琥珀酰CoA生成琥珀酸和GTP（鸟苷三磷酸）（6）、琥珀酸脱氢生成延胡索酸（反丁烯二酸）和FADH2（7）、延胡索酸水化生成苹果酸（8）、苹果酸脱氢生成草酰乙酸和NADHTCA循环小结（1）、三羧酸循环示意图（2）、TCA的生物学意义提供能量：1分子葡萄糖在肝、心中完全氧化，产生38ATP，在骨骼肌、神经系统组织中，产生36ATP。TCA是生物体内其它有机物氧化的主要途径，如脂肪、氨基酸、糖TCA是物质代谢的枢纽：一方面，TCA是糖、脂肪、氨基酸等彻底氧化分解的共同途径；另一方面，循环中生成的草酰乙酸、α-酮戊二酸、柠檬酸、琥珀酰CoA和延胡索酸等又是合成糖、氨基酸、脂肪酸、卟啉等生物化学专题夏劲松第10页共45页的原料，因而TCA将各种有机物的代谢联系起来。TCA是联系体内三大物质代谢的中心环节，为合成其它物质提供C架。4、磷酸戊糖途径第一阶段：6-磷酸葡萄糖氧化脱羧生成5-磷酸核糖。第二阶段：磷酸戊糖分子重排，产生不同碳链长度的磷酸单糖，进入酵解途径。（1）、6-磷酸葡萄糖脱氢脱羧生成5-磷酸核酮糖生物化学专题夏劲松第11页共45页（2）、5-磷酸核酮糖异构生成5-磷酸核糖及5-磷酸木酮糖（3）、5-磷酸核糖及5-磷酸木酮糖通过转酮、转醛反应生成酵解途径的中间产物F-6-P（6-磷酸果糖）和3-磷酸甘油醛六、糖的合成代谢糖的合成代谢有：光合作用，糖异生，单糖→多糖，结构多糖的生物合成光合作用：葡萄糖的生物合成由CO2和H2O合成已糖，是绿色植物光合作用的基本过程合成动力（能量）是叶绿素吸收的光能。第一阶段：原初反应，吸收光能，并将光能转化成电能。第二阶段：电子传递和光合磷酸化。将电能转化成化学能，推动ATP和NADPH的合成，同时水被分解放出O2。第三阶段：CO2的固定和还原，又称CO2同化。卡尔文循环Calvin（1）、1,5-二磷酸核酮糖加CO2合成3-磷酸甘油酸（3PG）（2）、3-磷酸甘油酸经过一系列酶促反应转化成6-磷酸果糖（F-6-P）（3）、6-磷酸果糖再生成5-磷酸核酮糖（Ru5P）（4）、5-磷酸核酮糖催化生成1,5-二磷酸核酮糖（RuDP）卡尔文循环的总反应：12H++6CO2+18ATP+12NADPH+12H2O→C6H12O6+18ADP+18Pi+12NADP++6H+卡尔文循环就是C3途径，采用这种方式的植物称为C3植物，当然还有一种植物在CO2的固定时形成的是C4化合物，这种植物称为C4植物，具体生物化学专题夏劲松第12页共45页内容在植物学中提及。七、脂质脂质主要分为三种：脂肪、类脂和固醇类。脂肪是一分子的甘油和三分子的脂肪酸组成的酯，故名三脂酰甘油，习惯上又称甘油三酯。脂肪的分解代谢有下面这么几步：（1）、脂肪的水解甘油三脂与水反应生成一分子的甘油和三分子的脂肪酸（2）、甘油的代谢生物化学专题夏劲松第13页共45页甘油在酶的催化下转化为一种磷酸丙糖——甘油-α-磷酸，它在肝脏部位可以转化为葡萄糖或糖原，也可以转化形成丙酮酸，进入三羧酸循环氧化分解。（3）、脂肪酸的氧化脂肪酸在身体的各个部位氧化分解，称为脂肪酸的β-氧化，最后产物是乙酰辅酶A，直接进入到三羧酸循环。见奥赛书上27页。（4）、酮体的生成和氧化在心肌、骨骼肌等组织中的脂肪酸氧化为乙酰辅酶A后，大部分变成乙酰乙酸、β-羟丁酸和丙酮等产物，这三种通称为酮体。酮体在肝细胞中含量较高，进入血液循环后，肝外组织能迅速的将酮体转化为乙酰辅酶A，在进入到三羧酸循环中氧化分解。磷脂的代谢和胆固醇的代谢可以参见奥赛书上28－30页。第二讲蛋白质一、蛋白质概论蛋白质是所有生物中非常重要的结构分子和功能分子，几乎所有的生命现象和生物功能都是蛋白质作用的结果，因此，蛋白质是现代生物技术，尤其是基因工程，蛋白质工程、酶工程等研究的重点和归宿点。蛋白质的化学组成与分类1、元素组成碳50%氢7%氧23%氮16%硫0-3%微量的磷、铁、铜、碘、锌、钼凯氏定氮：平均含氮16%，粗蛋白质含量=蛋白氮×6.25生物化学专题夏劲松第14页共45页2、氨基酸组成从化学结构上看，蛋白质是由20种L-型α氨基酸组成的长链分子。3、分类（1）、按组成：简单蛋白：完全由氨基酸组成结合蛋白：除蛋白外还有非蛋白成分（辅基）（2）、按分子外形的对称程度：球状蛋白质：分子对称，外形接近球状，溶解度好，能结晶，大多数蛋白质属此类。纤维状蛋白质：对称性差，分子类似细棒或纤维状。（3）、功能分：酶、运输蛋白、营养和