医学生物学--第二章--生命的物质基础

第二章生命的物质基础学习目标1.掌握遗传物质DNA和RNA的结构与功能2.熟悉蛋白质的分子结构和功能3.熟悉酶的概念和催化特性4.了解原生质的概念及原生质中水、无机盐、糖类、脂类等化合物的构成和功能医学生物学第二章生命的物质基础原生质：决定生命的物质，即组成细胞的全部生命物质。细胞的主要元素：原生质中化学元素有50多种，主要包括C、H、O、N、P、S、Ca等，以上7种元素约占生物体的99.35%，其中C、H、O、N四种元素约占90%。细胞的化学组成医学生物学微量元素：Si、Fe、Cu、Mo钼、Zn、Mn、Ni镍、I、Ba钡、Co钴等，含量虽少，但是缺一不可。Fe：所有的生物所需；缺乏可导致贫血。成年男性需摄入15mg/天，成年女性20mg/天，孕妇25mg/天I：主要是脊椎动物所需。需摄入0.15mg/天。缺乏会引起地方性甲状腺肿。Cu：缺乏可引起各种疾病。需摄入0.03mg/天细胞的化学组成组成生物体的化学元素在非生物界都能找到，没有一种元素为生物特有。——生命的物质基础来源于非生命物质组成生命的化学元素常以化合物形式存在，并按特定方式结合，组成复杂的生命体系。——生物与非生物又存在本质区别医学生物学细胞的化学组成医学生物学无机化合物：水和无机盐。有机化合物：糖类、脂类、维生素、蛋白质、核酸。生物大分子：蛋白质、核酸由于分子量巨大，结构复杂，具有生物活性，故有此称。第一节无机化合物一、水1.在原生质中含量最高（60%~95%）；2.不同器官含水量不同，骨骼22%，肌肉76%，脑86%，眼玻璃体99%；3.水的含量随年龄、性别的不同而不同。水的含量随人年龄的增长而递减。男性总体水含量多于女性。（女性总体脂含量多于男性）；医学生物学一、水4.原生质中两种存在形式：游离水（自由流动；绝大部分）、结合水（细胞结构成分）；5.生理功能：1）良好的溶剂（极性）2）参与细胞内各种代谢活动3）调节体温（水比热大；排汗）4）润滑剂医学生物学二、无机盐1.在原生质中含量约1%，多以离子形式存在。2.含量较高的阳离子：K+,Na+,Ca2+,Mg2+等；阴离子主要有：Cl-,SO42-,HCO3-,PO43-等；3.无机盐的主要功能：1）参与构成某些蛋白质或酶（Fe2+参与血红蛋白的组成）。2）调节细胞内外的pH值（血浆中H2CO3/HCO3﹣缓冲液）医学生物学二、无机盐3）维持细胞的膜电位，如K+、Na+等离子。（如静息电位，极化状态）4）维持细胞内外的渗透压，如0.9%NaCl。医学生物学二、无机盐4.无机离子在细胞内外液中分布和含量有很大差别，且保持稳定比例，若比例失调会导致疾病。例：血液中Ca2+含量偏低会导致抽搐，Fe2+缺乏导致缺铁性贫血。医学生物学第二节有机化合物一、糖类C、H、O1.又称碳水化合物，分子式缩写(CH2O)n2.根据糖的水解情况可分为单糖、双糖和多糖。3.单糖：不能被水解成更简单类型的糖（多羟基醛/酮）；常见的单糖有葡萄糖（血糖）、果糖、核糖（构成RNA）、脱氧核糖（构成DNA）等；4.双糖：由两分子单糖脱去一分子水缩合而成的糖；常见的双糖有蔗糖、乳糖、麦芽糖，多为储存的营养物质或代谢中间产物。医学生物学一、糖类一、糖类5.多糖：由10个以上单糖脱水缩合而成的糖，分子量可达几万至几百万；主要包括淀粉（主食）、纤维素（蔬菜，木材50%，棉花90%）和糖原（肝糖原-血糖、肌糖原-肌肉运动；储能）。6.糖的主要功能：1）供能。人体所需能量50%~70%来自糖类；2）参与物质构成。参与细胞壁、细胞膜、核酸、免疫球蛋白构成。医学生物学二、脂类1.脂类是脂肪、类脂和固醇类化合物的总称；2.脂类难溶于水，易溶于有机溶剂；3.元素构成主要为C,H,O三种，有些脂类还含有N,P等元素。医学生物学二、脂类1）脂肪：由一分子甘油和三分子脂肪酸结合而成，是动植物细胞储存脂类的主要形式。医学生物学二、脂类1）脂肪：储能、供能的重要物质，提供20%~30%人体需能；还有保护、固定内脏器官和维持体温等作用。2）类脂：甘油、脂肪酸、磷酸和含氮碱四部分组成；人体重要的类脂是磷脂类，主要有磷脂酰胆碱（卵磷脂）和磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）。3）固醇类化合物：主要包括胆固醇、胆汁酸、性激素、维生素D等；在维持细胞结构和正常代谢等方面起调节作用。医学生物学二、脂类磷脂分子：一端由甘油、磷酸和含氮碱组成，易于与水相溶，称为亲水端；另一端则由两条脂肪酸链构成，不溶于水，称为疏水端。磷脂是构成细胞膜及细胞内各种膜结构的主要组成成分。医学生物学三、维生素1.维生素（vitamin，vit）是机体维持正常功能所必需，但在人体内不能合成，必须由食物供给的一类小分子有机化合物。2.根据溶解性不同，可把维生素分为脂溶性维生素（A、D、E、K）和水溶性维生素（B族、C）。3.维生素每日需要量很少，非结构非供能物质，但在调节物质代谢和维持生理功能等方面发挥重要作用。医学生物学三、维生素4.维生素缺乏症：缺乏vitA引起夜盲症、干皮病等；缺乏vitD，儿童导致佝偻病，成人引起软骨病；缺乏vitB1可引起脚气病；缺乏vitB2可引起口角炎、唇炎、眼睑炎、畏光等症。医学生物学四、蛋白质蛋白质（protein）是生物体基本组成成分，含量最丰富的生物大分子，占细胞干重50%，分子量几千到几百万。组成元素主要为C、H、O、N、S，有些含有P及金属元素Fe、Cu、Zn等。分布广泛，是生命活动主要物质基础和体现者。医学生物学（一）蛋白质的化学组成医学生物学氨基酸为基本构成单位氨基酸结构通式：20种R基——？医学生物学（二）蛋白质的分子结构1.氨基酸在蛋白质分子中的连接方式(1)肽键(peptidebond)是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。(2)肽(peptide)1）肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。2）两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽……医学生物学甘氨酸+HNH2CHCOOHHNHCHCOOHH甘氨酸-HOH甘氨酰甘氨酸HNH2CHCOHNHCHCOOH医学生物学肽键（二）蛋白质的分子结构3）由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽。4）肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。5）多肽链(polypeptidechain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。分别有：N末端：多肽链中有自由氨基的一端，C末端：多肽链中有自由羧基的一端。医学生物学（二）蛋白质的分子结构（3）多肽链本身并不具有生物学功能，只有当多肽链自身经过螺旋、折叠、盘曲等复杂变化，形成特定空间结构的蛋白质，才具有生物学功能。医学生物学蛋白质的一级结构蛋白质的二级结构α螺旋医学生物学蛋白质的三级结构医学生物学蛋白质的四级结构指亚基集结的结构并不是所有蛋白质都有四级结构医学生物学蛋白质的结构层次医学生物学（二）蛋白质的分子结构（4）蛋白质变性：蛋白质的空间结构具有相对的不稳定性，当受到外界环境影响时，蛋白质的空间结构将发生改变或被破坏，蛋白质的理化性质也将发生相应改变，甚至丧失生物活性。1）物理因素：如加热、紫外线、高压等2）化学因素：如酸、碱、有机溶剂、重金属离子等医学生物学（二）蛋白质的分子结构（5）不同蛋白质多肽链数目不同（1条，2条，多条）；组成的肽链可相同也可不同；再加上每种蛋白质种类数目排列顺序多变，故构成种类繁多的蛋白质。（6）蛋白质种类的多样性和结构的复杂性，是生物种类多样性和生命现象复杂性的物质基础。例如人、牛胰岛素差别仅在B链第30位氨基酸的不同。医学生物学（三）蛋白质的功能1.结构和支持作用：胶原蛋白、角蛋白、胞质中结构蛋白。2.催化作用：酶是具有生物催化活性的蛋白质。3.调节作用：体内有些激素属于蛋白质，如胰岛素、生长素。4.运输作用：血液中运送O2与CO2的血红蛋白和运送脂质的脂蛋白；控制离子进出的离子泵等；医学生物学（三）蛋白质的功能5.防御作用：免疫球蛋白、抗体、金属硫蛋白等6.运动功能：肌肉收缩、细胞分裂、细胞运动都与蛋白质有关。如肌纤维中的肌球蛋白等；7.贮存蛋白：贮存氨基酸和离子等，如酪蛋白、卵清蛋白、载铁蛋白等；8.信号蛋白：接受与传递信号，如受体蛋白等；医学生物学五、酶（一）酶的概念酶（enzyme）是由活细胞合成的、具有高度催化效能的一类特殊蛋白质；是催化体内代谢反应的最主要催化剂。核酶（ribozyme）和脱氧核酶（deoxyribozyme）是具有高效、特异催化作用的核糖核酸和脱氧核糖核酸，近年发现，数量少，主要作用于核酸。医学生物学五、酶根据酶组成成分可分为单纯酶（全蛋白质，如淀粉酶、脂肪酶）和结合酶（蛋白质+辅助因子，如脱氢酶类）。辅助因子在催化反应中起转移电子、原子或功能基团作用，有的是金属，许多来自维生素。医学生物学（二）酶的催化活性除一般催化剂特性外，还具有以下特性：1.高度的专一性：指一种酶只能催化一种或一类底物的反应。如淀粉酶、麦芽糖酶。故体内酶种类繁多。2.高度的催化效能：比普通催化剂高107~1013倍。3.高度的不稳定性：引起蛋白质变性的因素均影响酶的催化活性。在适宜条件下，酶催化活性较高，反之较低甚至完全失活。医学生物学六、核酸核酸是重要的生物大分子之一，分子量几十万到几千万。名称由来？遗传信息的贮存者和携带者，控制蛋白质的合成，从而控制着生物体的生长、发育、繁殖、遗传与变异。医学生物学（一）核酸的化学组成核苷酸是核酸的基本组成单位。核酸由数十个至数千万个核苷酸聚合而成。（二）核酸的分类医学生物学根据戊糖的不同而分类：脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid,DNA）核糖核酸（ribonucleicacid,RNA）。核苷酸的分类核苷酸的分类构成RNA的有四种：AMP腺嘌呤核苷酸GMP鸟嘌呤核苷酸CMP胞嘧啶核苷酸UMP尿嘧啶核苷酸构成DNA的有四种:dAMP腺嘌呤脱氧核苷酸dGMP鸟嘌呤脱氧核苷酸dCMP胞嘧啶脱氧核苷酸dTMP胸腺嘧啶脱氧核苷酸医学生物学DNA和RNA的主要区别1.戊糖不同——2.碱基组成不同——3.核苷酸种类——4.DNA为双链，RNA为单链5.分布不同——6.功能不同——（详见P13表2-1）医学生物学三磷酸腺苷——ATP医学生物学（三）核酸的结构与功能医学生物学1.DNA的结构与功能(1)DNA的分子结构核苷酸之间以3’，5’-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。5´端NH2NNOPOHHOOOH3COOPHOOOH3COOHNH2NNNN3´端磷酸二酯键医学生物学医学生物学DNA双螺旋结构模型要点①由两条方向相反，相互平行的多脱氧核苷酸链组成，以右手螺旋方式盘绕中心轴。螺旋直径为2nm，形成大沟及小沟相间。这些沟结构与蛋白质、DNA之间的相互识别有关。②碱基对间距0.34nm，螺旋一圈10对碱基，螺距3.4nm。医学生物学③基本骨架：磷酸和脱氧核糖交替排列④碱基互补配对原则(A=T;GC)。DNA的三种构象医学生物学(2)DNA的功能1)以基因的形式储存遗传信息。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。2)作为基因复制的模板3)作为基因转录的模板基因：DNA分子中的特定功能区段。其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。每个基因平均大小约1000个碱基对。遗传信息：蕴藏在DNA分子碱基排列顺序中的信息。进化程度越高的生物其DNA分子越大，人类基因组有3×109个碱基对。医学生物学2)DNA的自我复制医学生物学复制是指以亲代DNA为模板合成子链DNA的过程。AGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCCCACTGGGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACCAGGTACTGCCACTGGTCCATGACGGTGACC+亲代DNA复制叉子代DNA2)DNA的自我复制DNA合成时，以亲代DNA解开的两股单链为模板，按碱基配对规律，合成子代DNA的过程。子代DNA，一股单链来源于亲代，另一股单链