普通生物学第二章生命的化学基础

课程内容植物的形态与功能动物的形态与功能细胞绪论遗传与变异生物进化生物多样性的进化生态学与动物行为第二章生命的化学基础•1原子和分子•2组成细胞的生物大分子•3糖类•4脂质•5蛋白质•6核酸一、生命需要约25种元素2.1原子和分子基本元素：C，H，O，N，S，P，Ca等占人体99.35%。其它元素：Na，K，Fe，Mg，Mn，Zn，Cu，Cl，I等数量少，但作用大。如很多金属元素是酶的辅助因子。偶然存在的元素：V、Mo、Li、F、Br、Si、As、Sn、等“反自然”现象自然界：C、H、O总和1%生物体：C、H、O、N总和96%生命体与普通物质的不同微量元素Fe氧的运送和酶的活性有关，缺少时，引起缺铁性贫血。Cu发生冠心病的主要原因，与酶的活性有关。Zn在青少年的发育生长，癌症等的发病和防治起有作用。Mo（钼）与酶的活性、食道癌的发病率和防治有关。I缺碘产生地方性甲状腺肿，幼儿发生呆小症。图Co（钴）与酶的活性有关。青春期少女0.015mg/每日。V（钒）软体动物富有钒；鱼体含量较低。Ni（镍）植物中15－55ppm,人为0.1ppm；急性白血病.25μg/mlF（氟）与牙齿健康有关，缺氟产生龋齿；过多则斑齿和氟中毒。Se（硒）缺硒产生克山病，与肝功能，冠心病发病和防治有关.碘缺乏症•甲状腺肿呆小症大骨节病矮小畸形韶关镉污染•痛痛病：–发生在日本富山县神通川流域，是由于含镉废水污染农田而引起的公害病。患者全身疼痛，终日喊疼不止，故名痛痛病。•病因与发现经过：–居民长期食用“镉米”、“镉鱼”饮“镉水”而发病。痛痛病患者骨骼严重畸形%OCHNPS其他人65181081.00.252.75生命形式多样，但基本元素构成是基本一致；杆菌69151181.21.005.00几种生物细胞的分子组成为什么是这20多种元素参与生命组成？这个问题现在没有确切的答案。天然存在的90种元素中，有65种元素不参与生物体组成。从地球表面元素的丰度来看，排在前几位的是O（占47%），Si（占38%），Al（占7.9%），Fe（占4.5%），Cu（占3.5%），可是在生物体内，都是C占的比重最大，O排在第三位，Ca在第五位，而Fe和Al，Si仅以极微量存在于生物体中。已有一些文章试图从它们的外层电子能量和元素化学性质来分析。•生物体内最主要的四种元素是H,C,N,O。•原子之间形成化合物有两种：共价键和离子键。二、化合物由元素组成三、水是细胞中不可缺少的物质水是极性分子分子之间形成氢键液态水中的水分子具有内聚力例如：水分子之间的氢键使水能缓和温度的变化例如：冰比水密度低。水是良好的溶剂。水能够电离18●水的特性①内聚力（表面张力）强◆水分子间氢键→分子间“黏合”→较强内聚力；◆意义：植物体内，运输中起重要作用；19②比热大水分子间氢键→缓和温度变化→细胞温度、体温相对恒定→代谢速率稳定；③密度（与冰相比）大→利于水生生物生存。20④良好溶剂生命系统中各种化学反应的理想介质；21⑤电离◆H2O→氢离子H++羟基离子；◆H+、OH-必须处于平衡状态大多细胞的pH近于7（中性）pH→微小变化→危害细胞。•（自学）四、化学反应使原子重组几种碳骨架机化合物举例2.2组成细胞的生物大分子一、碳是组成细胞中各种大分子的基础•4种重要的功能团中•羟基（-OH）•羰基（-CO）•羧基（-COOH）•氨基（-NH2）•3种含氧、2种含碳，1种含氮共同点：极性，组成的化合物有亲水性。实际生物分子中含有不止一种功能团。•多聚体polymer•单体monomer•生物大分子4大类：蛋白质（protein）、核酸（nucleicacid）、多糖（polysaccharide）、脂质（lipid）二、细胞利用少数种类小分子合成许多种生物大分子小分子大分子单糖多糖氨基酸蛋白质核苷酸核酸三、糖类1.生命活动所需能量来源；2.重要的中间代谢产物；3.构成生物大分子；组成：C:H:O=1:2:1•功能：•单糖多羟基酮或醛的化合物。•寡糖由两个或以上糖残基两两之间通过脱水而成的。•多糖数百至数千个单糖通过脱水而形成的聚合物。单糖分类己糖丙糖戊糖丁糖1.单糖重要的单糖甘油醛核糖脱氧核糖葡萄糖果糖半乳糖（1）双糖如麦芽糖、蔗糖、纤维二糖、乳糖等。（2）其他寡糖三糖、四糖等。如棉子糖。2.寡糖有少数几个单糖缩合而成的糖。麦芽糖的结构淀粉植物细胞中的储藏营养物，分为直链和支链淀粉。糖原动物细胞中储藏的多糖，又称动物淀粉。纤维素植物细胞壁的主要成分。几丁质、果胶等。3.多糖自然界中最多的糖类。有单糖分子（通常为葡萄糖分子）缩合脱水而成的分支或不分支的长链分子。1脂肪是脂质中主要的贮能分子四、脂类甘油三酯分子结构•动物脂肪和植物脂肪的差别：膳食中的脂肪脂肪中有多个碳氢链。所以是含能量较多的分子，1g脂肪中贮存的能量约为1g淀粉的2倍。脂肪摄入过多与健康肥胖•蜡也是酯，是由一些长链的醇与长链脂肪酸形成的酯。它的疏水性更强，可以保护生物体的表面。例如，植物和动物表面（四）蛋白质五、蛋白质1蛋白质为生命活动所必需，按照蛋白质在体内的功能分为7大类①结构蛋白→组成细胞结构的基础；②收缩蛋白→肌肉运动；③贮藏蛋白：卵清蛋白→胚胎发育；贮藏蛋白→种子萌发；④防御蛋白：血清中抗体；⑤转运蛋白：血红蛋白；⑥信号蛋白：细胞间传递信号激素→调节机体活动；⑦酶：生物催化剂。ＨRCOOHNH2Cα2蛋白质仅有20种氨基酸(aminoacid)组成（1）α－碳原子（2）具有α－氨基和α－羧基是各种氨基酸的共性（3）各种氨基酸的区别在侧链基团—R氨基酸名称英文缩写简写氨基酸名称英文缩写简写甘氨酸GlyG丝氨酸SerS丙氨酸AlaA苏氨酸ThrT缬氨酸ValV天冬酰胺AsnN异亮氨酸IleI谷酰胺GlnQ亮氨酸LeuL酪氨酸TyrY苯丙氨酸PheF组氨酸HisH脯氨酸ProP天冬氨酸AspD甲硫氨酸MetM谷氨酸GluE色氨酸TrpW赖氨酸LysK半胱氨酸CysC精氨酸ArgR20种标准氨基酸的英文简写氨基酸的分类•对于20种标准的氨基酸，按照侧链化学性质的不同，可以分为以下三组：–疏水性的氨基酸•Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Pro和Met–带电氨基酸•Arg、Lys（+）和Asp、Glu（-）–极性氨基酸•Ser、Thr、Cys、Asn、Gln、His、Tyr、Trp一个氨基酸分子中的-氨基，与另一氨基酸分子中的-羧基脱水缩合，形成肽键，生成的化合物称为二肽。不同数目的氨基酸以肽键顺序相连，这样形成的长短不一的链状分子即是肽或多肽。多肽链的一端有一个-NH2，带这个基团的氨基酸称为肽链的氨基末端氨基酸或称N末氨基酸；另一端有一个-COOH，肽链的羧基末端氨基酸或称C末端氨基酸。1、一级结构2、二级结构3、三级结构4、四级结构3蛋白质的结构决定其功能蛋白质一级结构•肽键•肽链•氨基酸排列顺序等二级结构肽链的主链在空间的走向»α-螺旋»β-折叠»β-转角»无规卷曲»无序结构α-螺旋指甲、毛发蹄、角、羊毛（4条α-螺旋）原纤维微原纤维（11条α-螺旋）巨原纤维纺锤体型皮质细胞角质膜皮质髓质头发头发结构烫发实际上是一个生物化学过程多肽主链骨架围绕一个轴螺旋上升。β-折叠平行β-折叠反平行β-折叠β折叠:较α螺旋伸展的构象，两条或多条肽链间互相以氢键连接起来的成片层状结构，平行或反平行两种类型。蚕丝、蛛丝三级结构•亲水基位于球体表面,疏水基位于球体内部•球状蛋白溶于水三级结构（tertiarystructure）在二级结构基础上的肽链再折叠形成的构象。球蛋白：α螺旋+不规则的不成α螺旋的部分，并折叠成球形。酶、蛋白质激素、抗体以及细胞质和细胞膜中的蛋白质。三级结构四级结构（quanternarystructure）组成蛋白质的多条肽链在天然构象空间上的排列方式，多以弱键互相连接。疏水力、氢键、盐键每条肽链本身具有一定的三级结构，就是蛋白质分子的亚基。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结构与功能的关系•一级结构与功能的关系序列分析•空间结构与功能的关系结构分析一级结构即氨基酸顺序高级结构生物学功能正常红细胞镰刀型红细胞镰刀型红细胞正常红细胞•发生的根本原因是血红蛋白的一级结构发生了差错，人血红蛋白β亚基的第6位氨基酸应该是谷氨酸，而在镰刀型贫血的血红蛋白中却是缬氨酸，本是水溶性的血红蛋白，就会聚集成丝，相互粘着，导致红细胞变形成镰刀状而极易破裂，产生贫血。空间结构与功能的关系DNA聚合酶活性位点聚合酶DNA•蛋白变性的特点：蛋白质变性后，生物活性丧失，溶解度下降，粘度增加。空间结构与功能的关系1953年4月25日，克里克和沃森在《自然》杂志上发表了DNA的双螺旋结构，从而带来了遗传学的彻底变革，更宣告了分子生物学的诞生。种瓜为什么能得瓜，就是遗传物质由亲代传给子代的结果。遗传物质为什么能自我复制呢？它是怎样复制的呢？这些机理都蕴藏在克里克和沃森的DNA双螺旋结构模型的伟大发现之中。六、核酸DNA的空间结构1952年，以超高分辨率扫描式电子显微镜拍到的DNA照片。从图上可辨认出DNA是由两条链交缠在一起的螺旋结构1核酸由核苷酸组成核苷酸是DNA和RNA结构单体。一个核苷酸分子含有一分子戊糖（核糖或脱氧核糖）、一分子磷酸和一个含氮的有机碱（碱基）。脱氧核糖磷酸碱基AGCT腺嘌呤脱氧核苷酸鸟嘌呤脱氧核苷酸胞嘧啶脱氧核苷酸胸腺嘧啶脱氧核苷酸脱氧核苷酸的种类戊糖分子上第一位碳原子与嘌呤或嘧啶结合，就形成核苷（脱氧核苷）；核苷（脱氧核苷）与一个磷酸分子结合，就形成一个核苷酸（脱氧核苷酸）。(1)碱基—糖之间是糖苷键(2)糖—磷酸之间是磷酸酯键DNA的结构模式图从图中可见DNA具有规则的双螺旋空间结构放大DNA的空间结构磷酸脱氧核糖含氮碱基AAATTTGGGGCCCATCAGCTDNA分子的平面结构氢键ATGCDNA双螺旋的特点如下：•1多聚核苷酸链的两个螺旋围绕着一个共同的轴旋转，为右手螺旋。2螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为5′→3′，而另一条链的方向为3′→5′。3嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖的平面又几乎与碱基的平面垂直。4双螺旋的直径为2nm，相邻碱基之间相距0.34nm，并沿轴旋转36゜角。因此旋转每隔10个碱基之后，即相距3.4nm之后又转回原位。5两条链是由碱基之间的氢键连在一起的。腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）结合，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）结合。A和T之间形成两个氢键，G与C之间形成三个氢键6长链中的碱基对的排列顺序不受任何限制。碱基对的准确序列携带着遗传信息AAATTTGGGGCCCATC你注意到了吗？两条长链上的脱氧核糖与磷酸交替排列的顺序是稳定不变的。长链中的碱基对的排列顺序是千变万化的。RNA为单链盘绕，局部形成碱基配对。例如：转运RNA（tRNA）的三叶草结构本章小结•1、写出氨基酸的基本通式。•2、生物大分子有哪些特性？•3、具体写出蛋白质的一至四级结构代表什么？•4、DNA双螺旋结构的特点？•5、水分子有哪些特性？