大学化学第07章-生命化学基础1

第 7章 生命化学基础Chapter 7 Basic Life Chemistry本章概要7.1 氨基酸、蛋白质与酶7.1.1 氨基酸 ； 7.1.2 肽键和多肽； 7.1.3 蛋白质； 7.1.4 酶7.2 糖与脂7.2.1 糖类； 7.2.2 脂类7.3 核酸7.3.1 核酸的分类； 7.3.2 核苷酸的组成； 7.3.3 DNA的组成与结构； 7.3.4 结论7.4 染色体、基因与遗传7.4.1 染色体的组成与结构； 7.4.2 基因与遗传信息复习： 228 245；预习： 247 264；习题： 13.3, 13.9, 13.15, 13.16。7.1 氨基酸、蛋白质与酶7.1.1 氨基酸 (The Amino Acids)7.1.1.1 氨基酸的定义J分子中同时含有氨基（ -NH2）和羧基（ -COOH）的有机化合物称为氨基酸。在生命体中，氨基和羧基连接在同一个碳原子上，称为 -氨基酸，其结构通式为 :J人体内的蛋白质由 20种氨基酸 组成。由于所处位置的不同， 20种氨基酸可以组成极大数量的不同蛋白质大分子。7.1.1.2 氨基酸的性质JpH值的影响 :在强酸性溶液中，氨基（ H2N）获得质子成为阳离子 (H3N+)；在强碱性溶液中，羧基（ COOH）失去质子成为阴离子 (COO-)；在某中性溶液中，通过分子内质子自转移生成中性内盐 (H3N+CH(R) COO-)。不同 pH值下氨基酸的结构理论式 酸性条件下 碱性条件下 等电点时J在某 pH值下 ,给定的某种氨基酸只生成中性内盐 ,此时的氨基酸在电场中既不向正极移动又不向负极移动。此时的 pH值称为该氨基酸的等电点。J由于不同氨基酸的等电点不同，可以用电泳法或离子交换树脂法将不同的氨基酸分离开来。7.1.2 肽键和多肽（ Peptides ）J由一分子氨基酸的羧基 (-COOH)与另一分子氨基酸的氨基（ H2N-）通过脱水缩合形成肽键（ -CO-NH-） :J由 n个氨基酸缩合形成的化合物称为 n肽； n10时称为寡肽 ； n10时称为 多肽 ；分子量 104时称为 蛋白质 。J形成肽键后，氨基酸已不是原来的氨基酸，称为氨基酸残基，则 n肽有 n个氨基酸残基；J氨基酸通过多肽键可以形成一条很长的链状化合物，称为多肽链。7.1.3 蛋白质（ Protein）7.1.3.1 定义由一条或多条多肽链组成的生物大分子称为蛋白质；每一条多肽链有二十 数百个氨基酸残基不等；各种氨基酸残基按一定的顺序排列。7.1.3.2 蛋白质的结构一级结构：肽链上氨基酸的排布顺序为蛋白质的一级结构。二级结构：由于多肽链有规则的旋转或折叠所形成的几何走向称为蛋白质的二级结构。三级结构：螺旋形的肽链进一步折叠或卷曲形成球状或颗粒状的分子，称为蛋白质的三级结构。四级结构：两条或更多条肽链按一定的空间形状组合到一起所得到的结合物称为蛋白质的四级结构。7.1.3.3 蛋白质的分类按形状分为 纤维状蛋白 和球状蛋白 ;按功能分为 活性蛋白 和 非活性蛋白 ; 按化学组成可分为 简单蛋白 和结合蛋白（如糖蛋白、脂蛋白） ; 等。纤维状蛋白：纤维状蛋白在动物体内对组织器官起着支持、保护等作用，在动物体内含量丰富。 胶原蛋白：是脊椎动物中含量最丰富的蛋白质 (1/4 1/3)，是皮肤、软骨、动脉管壁及结缔组织的成分。 -角蛋白：存在于动物的毛发、蹄爪、羽毛、甲壳和指甲中，富含胱氨酸。 -角蛋白：存在于蜘蛛丝、蚕丝、爬行动物鳞片中，又称丝蛋白，富含甘氨酸、丝氨酸和丙氨酸 肌肉蛋白。糖蛋白：糖蛋白是一类由糖同蛋白质结合而成的结合蛋白质。一切动、植物的组织、体液中均含有糖蛋白。糖蛋白是细胞膜的结构物质，许多激素与酶均属于糖蛋白。如凝血酶、胰岛素等。球状蛋白：是结构最复杂、功能最多样的一类蛋白质。如 血红蛋白 , 等。脂蛋白：脂蛋白是一类由脂与蛋白质结合而成的结合蛋白质。广泛分布于生物细胞和血液中。分细胞脂蛋白（如磷脂、糖脂等）和血浆脂蛋白（根据其密度可分为乳糜微粒、极低密度、低密度、高密度和极高密度脂蛋白五类）。脂蛋白的作用是输运脂质与固醇类物质。金属蛋白：蛋白质 +金属离子，如血红蛋白，激素，胰岛素，等。色蛋白：蛋白质 +显色物质，如血红蛋白，植物中的叶绿蛋白和细胞色素等。7.1.4 酶（ Enzyme）7.1.4.1 定义J酶是一类由生物细胞产生的、具催化活性的特殊蛋白质。7.1.4.2 酶催化的特点J酶催化的效率极高：因此只需要极微量的酶就能够保证生物体内化学反应的进行；J酶催化的专一性特强：生物体内每一种化学反应就有一种酶与之对应。因此生物体内酶的种类很多；J酶的活性严重依赖于温度、 pH、重金属离子浓度等因素。7.1.4.3 酶的分类J根据酶的作用和功能，可将酶分为 6类： 氧化还原酶 (如脱氢酶 )； 基团转移酶 (如转氨酶 )； 水解酶 (如淀粉酶 )； 裂解酶 (如脱羧酶 )； 异构化酶； 连接酶。胰岛素结构模型7.2 糖与脂生物体是细胞的结合体。组成细胞的物质主要有蛋白质、核酸、糖类、脂肪与水，等。7.2.1 糖类（ Carbohydrates）7.2.1.1 定义 J在生命体中有一类重要化合物，在绝大多数情况下，其分子式可以用 Cn(H2O)m表示。称为糖类，旧称碳水化合物。是一类含醛基 (CHO)或酮基 (RCOR)的多羟基化合物。7.2.1.2 糖在生命体中的作用J是生物体贮藏能量的载体；J是生物体合成蛋白质、脂和核酸的原料；J是细胞和组织的结构单元；J是细胞中生化反应的介质。7.2.1.3 糖的分类根据结构的复杂性，将糖分为单糖、双糖和多糖三类。J单糖：不能用水解法进一步降解为更简单的糖的单体。在生命体中重要的是五碳糖（戊糖，又称核糖）和六碳糖 (己糖 )。D-核糖 -核糖 -脱氧核糖 D-葡萄糖 D-半乳糖 D-果糖J双糖：由两个单糖分子失去一个水分子缩聚而成，如：2葡萄糖 麦芽糖 + H2O葡萄糖 + 果糖 蔗糖 + H2OJ多糖：由 n个单糖分子失去 n-1个水分子后缩聚而成的多聚体。多糖大多不溶于水，结构复杂。多糖又可以分为淀粉、纤维素和糖原三种。它们都是葡萄糖的缩合物。7.2.2 脂类 (Lipids)脂类是脂肪和类脂 (磷脂、固醇等 )的总称， 大多数脂类是甘油三酸脂的复杂化合物。7.2.2.1 脂的作用J储存能量：脂类被氧化时所产生的热量是淀粉和糖原的23倍，因此是有效的储能物质。CH2OCOR1|CHOCOR2|CH2OCOR3J构成生物膜：当甘油三酸脂中的一个脂肪酸基被磷酸基取代后所生成的化合物称为 磷脂 。人体中含量最多的磷脂是胆碱磷酸甘油脂（商品名卵磷脂）：显然，胆碱磷酸甘油脂具有两亲性质，在生物体中易形成膜状结构（ ）。7.3 核酸（ Nucleic Acid）核酸是从细胞核中分离出来的强酸性物质，它是分子量高达 108的高分子聚合物，是遗传物质的基础。7.3.1 核酸的分类核酸可分为核糖核酸（ Ribonucleic Acid, RNA）和脱氧核糖核酸（ Deoxyribonucleic Acid, DNA）两类。组成核酸的结构单元是 核苷酸 。7.3.2 核苷酸的组成7.3.3 DNA的组成与结构 （ ）戊糖（核糖 /脱氧核糖）含氮碱基（胞 , 尿 , 胸腺嘧啶；腺 , 鸟嘌呤）磷酸核苷酸酸 戊糖 碱基（ ）DNA 磷酸 D-2-脱氧核糖 腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，胸腺嘧啶RNA 磷酸 D-核糖 腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶7.3.4 结论JDNA由两条主链组成，每条主链均以磷酸酯与核糖为链体，可表为 PSPS ；JDNA中的碱基是腺嘌呤 (A)、鸟嘌呤 (G)、胞嘧啶 (C)和胸腺嘧啶 (T)，而 RNA中的碱基是腺嘌呤 (A)、鸟嘌呤 (G)、胞嘧啶 (C)和尿嘧啶 (U)；J在 DNA中，两条链是互补的：一条链上的碱基通过氢键与另一条链上的碱基配对，互补对为 A-T、 G-C。7.4 染色体、基因与遗传7.4.1 染色体的组成与结构J染色体是由线型双链 DNA分子与蛋白质所形成的复合物。J染色体存在于生物细胞核内，因细胞分裂时期可用碱性染料染色而得名。染色体的结构 在有性繁殖物种中，体细胞内染色体的数目成对出现，称为二倍体。性细胞（精子、卵子）中染色体数目只有体细胞的一半，称为单倍体。 正常人的体细胞染色体数目为 23对，并有一定的形态和结构。染色体在形态结构或数量上的异常被成为染色体异常，由染色体异常引起的疾病为染色体病。 现已发现的染色体病有 100余种，染色体病在临床上常可造成流产、先天愚型、先天性多发性畸形、以及癌肿等。染色体异常的发生率为 0.5%0.7% 。 人类体细胞中的 23对染色体中，有 22对常染色体和一对性染色体。性染色体包括 X 染色体和 Y 染色体。哺乳动物雄性个体细胞的性染色体对为 XY；雌性则为 XX。 由于哺乳动物雄性个体细胞的性染色体对为 XY，其精子的性染色体为 X或 Y；由于雌性的染色体对为 XX，其卵子的性染色体只能为 X。 由性染色体为 X 的精子受精的卵发育为雌性体 (XX)；由染色体为 Y的精子授精的卵则发育成雄性体 (XY)。7.4.2 基因与遗传信息DNA分子上脱氧核苷酸的排列顺序（因而碱基排列顺序）决定生物的性状。可以认为： DNA分子是由许多个相对独立的单位构成的，每一个独立的单位称为基因 (Gene)，即基因是 DNA分子上的一个小片段。7.4.2.1 DNA的复制DNA的复制7.4.2.2 蛋白质的合成J遗传学上把信使 RNA上决定一个氨基酸的相邻的 3个碱基叫做一个密码子。 1967年全部密码子破译完毕。第一碱基 第二碱基 第三碱基U C A GU尿嘧啶苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 U苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 C亮氨酸 丝氨酸 (终止子 ) (终止子 ) A亮氨酸 丝氨酸 (终止子 ) 色氨酸 GC胞嘧啶亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 U亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 C亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 A亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 GA腺嘌呤异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 U异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 C异亮氨酸 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 A蛋氨酸 (起始 ) 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 GG尿嘌呤缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 U缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 C缬氨酸 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 A缬氨酸 (起始 ) 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 G蛋白质的合成l 例：如果某 DNA片段的核苷酸系列为（左起）：l DNA片段： T-A-C-A-A-G-C-A-G-T-T-G-G-T-C-G-T-G-l mRNA A-U-G-U-U-C-G-U-C-A-A-C-C-A-G-C-A-C- l 新肽链 蛋 (起 ) - 苯丙 - 缬 - 天冬酰胺 -谷氨酰胺 -组 - 第一碱基 第二碱基 第三碱基U (尿嘧啶 ) C (胞嘧啶 ) A (腺嘌呤 ) G (鸟嘌呤 )U 苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 U苯丙氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 C亮氨酸 丝氨酸 (终止子 ) (终止子 ) A亮氨酸 丝氨酸 (终止子 ) 色氨酸 GC 亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 U亮氨酸 脯氨酸 组氨酸 精氨酸 C亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 A亮氨酸 脯氨酸 谷氨酰胺 精氨酸 GA 异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 U异亮氨酸 苏氨酸 天冬酰胺 丝氨酸 C异亮氨酸 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 A蛋氨酸 (起始 ) 苏氨酸 赖氨酸 精氨酸 GG 缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 U缬氨酸 丙氨酸 天冬氨酸 甘氨酸 C缬氨酸 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 A缬氨酸 (起始 ) 丙氨酸 谷氨酸 甘氨酸 G7.4.2.3 基因的突变J由于 DNA分子中发生碱基对 的增添、缺失或改变 , 而引起 的 DNA结构的改变 , 叫做基因 突变。蛋白质 正常 异常 氨基酸 谷氨酸 缬氨酸 mRNA GAA GUA DNA CTT 突变 CATGAA GTAJ引起基因突变的因素可能有：J 物理因素 (X光、激光、放射性 )；J 化学因素 (能与 DNA分子作用而改变 DNA分子结构的化学物质 )；J 生物因素（细菌与病毒）。J 基因突变的特点：普遍性；随机性；低频性；有害性。7.4.2.4 基因重组与转基因技术J在生物体进行有性生殖的过程中，来自父本和母本的基因重新组合，使子代产生变异。J在自然界，基因变异的例子很多。表 7.1A 20种氨基酸 （ to be continued）L-左旋异构体， D-右旋异构体No 中文名称 英文名称 符号 R-CH(NH2)-COOH1 甘氨酸 Glycine Gly H-2 丝氨酸 L-Serine Ser HO-CH2-3 苏氨酸 L-Threonine Thr CH3-CH(OH)-4 半胱氨酸 L-Cysteine Cys HS-CH2-5 酪氨酸 L-Tyrosine Tyr HO-Ar-CH2-6 天冬酰胺 L-Asparagine Asn H2N-CO-CH2-7 谷氨酰胺 L-Glutamine Gln H2N-CO-CH2-CH2-8 天冬氨酸 L-Aspartic Acid Asp HOOC-CH2-9 谷氨酸 L-Glutamic acid Glu HOOC-CH2-CH2-10 丙氨酸 L-Alanine Ala CH3-表 7.1B 20种氨基酸 （ continuing）L-左旋异构体， D-右旋异构体No 中文名称 英文名称 符号 R-CH(NH2)-COOH11 缬氨酸 L-Valine Val (CH3)2-CH-12 亮氨酸