陈阅增第四版普通生物学第1篇2生命的化学基础.ppt

普通生物学,第1篇 细胞,南宫中学 鲍晓明,第二章 生命的化学基础,一、原子与分子 二、组成细胞的大分子 三、糖类 四、脂质 五、蛋白质 六、核酸,2.1 原子与分子,2.1.1 生命需要约25种元素 元素是由原子组成的，原子是物质的最小的单位 原子,质子,中子,电子,原子,（带正电）,（不带电）,（带负电）,（带正电）,（不带电）,核电荷数质子数,核外电子数,原子的构成,电子运动速度=光速,构成原子的粒子的电性和质量,（1）质子电量=电子电量，电性相反 （2）质量：质子=中子，质子电子*1800 (3)原子的质量主要集中在原子核上。,几种原子的构成,质子数=核外电子数,不是所有的原子都含有中子。,质子数不一定等于中子数。,同位素：质子数与电子数相同，中子数 不同的原子。 12C、13C、14C：原子序数（质子数）都是6， 中子数为6、7、8 其中12C、13C为稳定性同位素，14C为放射性同位素，原子核会自行衰变 同位素示踪：利用放射性同位素显示某 种原子在生物体内的来踪去迹，常用于生物学研究、医学和疾病诊断等方面,1.自然界元素：92种 2.生命必需元素约25种 生物体的主要元素(大量元素) C、 H 、O、 N、 P、S、K、Ca、Cl等，占99.35%， 其中C、H、O、N 4种元素占96%。 微量元素：含量少于0.01%,“反自然” 现象 自然界：C、H、O 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1555ppm,人为0.1ppm；急性白血病.25g/ml,F （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.,氟斑牙 牙釉质形成期摄入高氟引起的 表现为牙釉质白垩、着色或缺损改变 一旦形成，残留终生,氟骨症,碘缺乏症,甲状腺肿 呆小症,2005年广东韶关镉污染,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。,2.1.2 化合物由元素组成,化学键 离子键：原子间的电子得失或共用。 共价键：生物大分子化学键的主要形式,原子的各种基本粒子中，决定其化学性质的是电子， 距离原子核越远，电子所带的能量越多。 最外层的电子数决定着原子的化学性质。如：氢只有一个电子，故反应性特别强,离子键：两个电荷符号相反的离子 彼此吸引而形成。如盐晶体，电中性 共价键：两个原子间共用一对或多对 电子而形成。生物大分子化学键的主要形式。,2.1.3 水是细胞中不可缺少的物质,地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,水占约生物体的 70 的重量,水对生物体非常重要,水的特性,第一，水是极性分子 电负性：一个原子拉住共用电子的力量 非极性共价键：电负性完全相同的原子 所形成的共价键，如O2 、H2、CH4 极性共价键：电子的“共用”不是各占一半,氧的电负性最强,第二，水分子间形成氢键 略带负电荷的一端（O）与略带正电荷的一端（H)相互吸引，形成一个较弱的键氢键,14,水的特性,第三，液体水的水分子具内聚力， 如水的蒸腾、昆虫在水上爬行 第四，水分子之间的氢键使水能缓和温度的变化，如沿海较温和、水不易蒸发、出汗散热 第五，冰比水轻，固态密度小于液态，水特性 利于水生生物生存 第六，水是极好的溶剂，许多极性分子易溶于水,水的特性,第七，水能电离，成氢离子H+和羟离子OH- pH=0最强的酸度 pH=7中性（如纯水） pH=14最弱的酸度(或最强的碱度) 如活细胞pH接近于7 常用的洗涤剂pH在12以上 缓冲剂 全球性的酸雨、酸雾：矿物燃料的燃烧硫酸、硝酸，会酸化土地、海洋,水的特性,酸度：,2.1.4 化学反应是原子重组,化学反应并不能创造或破坏原子，只能将原子重新组合，所以化学反应是破坏已有的化学键，形成新的化学键。 例如：氢分子和氧分子化合成水 2H-H + O=O O + O H H H H 胡萝卜素转化为维生素A C40H56-胡萝卜素+O2+4H 2C20H30O维生素A C=C C-H C-O-H,2.2 组成细胞的大分子,碳最外层有4个电子空位，极易形成4个共价键 碳架结构排列和长短决定了有机化合物的基本性质。,2.2.1 碳是组成细胞各种大分子的基础,有机化合物：除CO、CO2和碳酸盐等简单化合物外的含碳化合物的统称。,烃或碳氢化合物：主要包含烷烃、环烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃。烃类均不溶于水。衍生物众多。 异构体： 苯环： 甲烷：天然气 乙烷、丙烷：液化石油气 环己烷：汽油,有机化合物的性质取决于功能基团 ，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。,决定分子主要化学性质的特殊原子或基团-官能团,2.2.2 细胞利用少数种类小分子合成 多种大分子,小分子 大分子 复合大分子 单糖 多糖 糖蛋白 氨基酸 蛋白质 糖脂 核苷酸 核酸 脂蛋白 脂类,（由小分子到大分子）,单体 多聚体,单体是通用的,脱水合成,合成大分子 （脱水聚合）,大分子分解 （水 解）,水解反应是脱水聚合反应的逆反应,2.3 糖类,糖分子含C、H、O 3种元素，通常3者的比例为1:2:1，一般化学通式为(CH2O)n,学术定义,糖是多羟基醛、多羟基酮或其衍生物（aldehyde or ketone compounds with multiple hydroxyl groups），以及可以水解产生这些化合物的物质的总称。,2.3 糖类,葡萄糖,果糖 （比葡萄糖甜）,异构体,单糖特点： 1.有羟基，醇类 2.有羰基,糖的分类,广义的糖可分为简单糖类和糖复合物（ glycoconjugates ）。 前者包括单糖、寡糖和多糖； 后者包括糖与蛋白质、脂类等共价形成的复合物。,糖类,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,甲乙丙丁戊己庚辛壬癸,重要的单糖,甘油醛 核糖 脱氧核糖,戊糖（组成核酸的成分）,葡萄糖 果糖 半乳糖,己糖,单糖可以通过O-糖苷键相互连接形成寡糖和多糖。,（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。,淀粉的高级结构,糖类,天然淀粉由直链淀粉与支链组成。支链淀粉是-D-葡萄糖基以-1,4-糖苷键连接的多糖链。支链淀粉中除了-1,4-糖苷键的糖链外，还有-1,6-糖苷键连接的分支。淀粉与碘有呈色反应，直链淀粉为蓝色，支链淀粉为紫红色。在烯酸或酶的作用下，淀粉水解:淀粉糊精麦芽糖-D-葡萄糖。糊精是淀粉水解的最初产物，随着水解，糖分子逐渐变小，它与碘作用分别呈红色、黄色、无色。这个反应可用于淀粉水解过程的检验。,纤维素是结构性的同多糖，主要存在植物组织中。 纤维素类似直链淀粉，由D-Glc残基连接而成，但残基之间由(14)键连接。 纤维素多糖链的伸展构象,纤维素(Cellulose),糖类,糖的生物功能,生物体结构成分 生物体内的主要能源物质 作为细胞识别的信号分子参与分子和细胞识别、细胞粘附、糖复合物的定位和代谢等 在生物体内转化为其他物质 作为核酸的组分,糖类,糖复合物 (Glycoconjugate),糖类,糖蛋白（Glycoprotein） 蛋白聚糖（Proteoglycan） 肽聚糖（Peptidoglycan） 糖脂（Glycolipid） 脂多糖（Lipopolysaccharides） ,糖蛋白：寡糖链通过特定的共价键（糖肽键）连接到蛋白质特定的氨基酸残基上形成的复合糖（或缀合蛋白质）。糖蛋白以蛋白质为主，糖作为蛋白质的辅基存在。 蛋白聚糖：由一条或多条糖胺聚糖和一个核心蛋白共价连接而成的糖复合物，蛋白聚糖以多糖为主，蛋白所占比例较少。,脂质的定义 脂质（lipid）是一类低溶于水，高溶于非极性有机溶剂（insoluble in water and soluble in organic solvents）的生物有机分子。 对于大多数脂质分子，其化学本质是脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍生物。,2.4 脂质,非极性共价键,不是大分子，也不是聚合物,2.4.1 脂肪（最常见的脂质） 是脂质中主要的贮能分子,丙三醇,甘油三酯,甘油三酯分子结构,A、油脂甘油三酯脂肪是由甘油醇和脂肪酸结合成的酯。,脂肪酸（fatty acids）：由一条长的烃链（hydrocarbon chain）和一个末端羧基（carboxylate group）组成的羧酸。,脂质,饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的区别（分子式、空间构象、物理性质、化学性质）,不饱和脂肪酸：有双键 饱和脂肪酸：没有双键,含双键的脂肪在常温下是液态,动物脂肪和植物脂肪的差别： 动：不饱和脂肪酸很少 植：不饱和脂肪酸很多 膳食中的脂肪：饱和的太多会动脉粥状硬化,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,2.磷脂、蜡和类固醇都是脂质,磷脂分子结构,又称磷酸甘油酯,磷脂分子可以看成是一个极性头，两条非极性尾巴。,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,（1）类固醇的内核由 4 个环组成，3个六元环、1个五元环。 （2）一些人体重要维生素和激素是固醇 （3）最常见的类固醇胆固醇是细胞膜的重要成分 （4）促蛋白合成类固醇：类似雄性激素药物，运动员禁用,脂质的分类 按照化学组成可分为: 1.单纯脂质:主要有甘油三酯和蜡（triacylglycerols and waxes）； 2.复合脂质:主要有磷脂和糖脂（phospholipids and glycolipids）； 3.衍生脂质:主要有取代烃,固醇类（sterols）,萜和其他脂质。,脂质,是生物膜的重要成分 是储能的分子 构成生物表面的保护层 是很好的绝缘体 有些脂质是重要的生物学活性物质,脂质在细胞中具有独特的生物学功能：,磷脂、糖脂、胆固醇,脂肪,蜡,类固醇,脂肪,2.5 蛋白质,Proteins,1.蛋白质是生物体内的结构高分子,蛋白质占干重 人体中（中年人） 人体 45% 水55% 细菌 50%80% 蛋白质19% 真菌 14%52% 脂肪19% 酵母菌 14%50% 糖类1% 白地菌50% 无机盐7%,2.5.1 蛋白质为生命活动所必需, 结构蛋白 组成细胞结构的基础； 收缩蛋白 肌肉运动； 贮藏蛋白：卵清蛋白 胚胎发育； 贮藏蛋白 种子萌发； 防御蛋白：血清中抗体； 转运蛋白：血红蛋白； 信号蛋白：细胞间传递信号 激素 调节机体活动； 酶：生物催化剂。,2.蛋白质是一种生物体内的功能高分子,蛋白质是一类含氮有机化合物，除含有碳、氢、氧外，还有氮和少量的硫。某些蛋白质还含有其他一些元素，主要是磷、铁、碘、锌和铜等。这些元素在蛋白质中的组成百分比约为： 碳 5055 氮 1517% 铁,锌,锰,钼,碘,铜等 氢 68 硫 04 氧 2023 磷 01% 其中氮含量较恒定，平均16%。一克氮=6.25克蛋白质。这是凯氏定氮法的依据。,3、元素组成,4、蛋白质的水解,酸水解： 蛋白质 氨基酸 碱水解： 蛋白质 氨基酸 酶水解： 蛋白质 氨基酸 证明：氨基酸是蛋白质的基本组成单位,2.5.2.1.基本组成单位氨基酸,2.5.2 蛋白质仅由20种氨基酸组成,（1） 碳原子 （2）具有 氨基 和羧基 是各种氨基酸 的共性 （3）各种氨基酸的区别在 侧链基团R,亲水、疏水,天然蛋白质中的 氨基酸结构可表达成下式,不带电形式,H2NCH,COOH,R,+H3NCH,COO-,R,兼性离子形式,20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,一个氨基酸的氨基（-amino group）与另一个氨基酸的羧基（-carboxyl group）之间失水形成的酰胺键（amide bond）称为肽键，所形成的化合物称为肽。,例如由丙氨酸的-羧基和甘氨酸的-氨基缩合形成的二肽称丙氨酰甘氨酸,组成肽的氨基酸单体称为氨基酸残基（residue）。,肽键是一种酰胺键，通常用羰基碳和酰胺氮之间的单键表示。 酰胺氮和羰基氧之间发生共振相互作用，使肽键具有部分双键性质。,肽的物理和化学性质,双缩脲反应：含有两个或两个以上肽键的化合物都能与CuSO4碱性溶液发生双缩脲反应而生成紫红色或蓝紫色的复合物。利用这个反应借助分光光度计可以测定蛋白质的含量。,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,2.5.3 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,一. 一级结构,肽单元,氨基酸残基,肽平面,2.5.3.1 蛋白质的结构,二级结构,肽链的主链在空间的走向 -螺旋 -折叠,-螺旋,指甲、毛发 蹄、角、羊毛,（4条-螺旋） 原纤维,微原纤维（11条-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,多肽主链骨架围绕一个轴螺旋上升。, -折叠,平行 -折叠,反平行 -折叠,折叠: 较螺旋伸展的构象，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（tertiary structure） 在二级结构基础上的肽链再折叠形成的构象。,球蛋白： 螺旋+不规则的不成螺旋的部分，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,纤维状蛋白,（四）.四级结构,两条或两条以上具有三级结构的多肽链组合在一起形成特定构象 的蛋白质分子。 四级结构中具有三级结构的多肽链称为亚基。亚基单独存在没有 活性。,四级结构（quanternary structure） 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。,a盐键（离子键 ） b氢键 c疏水相互作用力 d 范德华力 e二硫键 f 酯键,二.蛋白质分子结构中的化学键,维系蛋白质分子的一级结构：肽键 维系蛋白质分子的二级结构：氢键 维系蛋白质分子的三级结构：疏水键、氢键、离子键 维系蛋白质分子的四级结构：范德华力、 盐键、氢键、疏水键相互作用,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,2.6 核酸 Nucleic Acids,核酸的功能 （一）DNA是主要的遗传物质（携带与传递遗传信息）,1、凡是有细胞结构的生物，肯定是既含有DNA又含有RNA，但遗传物质是DNA.,2、DNA病毒，只有DNA，所以其遗传物质是DNA,3、RNA病毒，只有RNA，所以其遗传物质是RNA.,所以，在整个生物界DNA是主要的遗传物质。,（二）RNA功能的多样性（参与遗传信息的表达、调节遗传信息的表达、催化功能。） tRNA rRNA mRNA 其他的RNA,2.6.1 核酸由核苷酸组成,脱氧核糖核酸（DNA）,核糖核酸（RNA）,核酸（nucleic acid）,核糖核苷酸 （ribonucleotide）,脱氧核糖核酸 （DNA）,脱氧核糖核苷酸 （deoxyribonucleotide）,核酸的结构,核糖核酸 （RNA）,核 酸（nucleic acid）,核苷酸（nucleotide）,磷酸（phosphoric acid）,核苷（nucleoside）,戊糖（pentose）,碱基（base）,2.6.2.1 核酸的结构,或核糖,两类核苷酸的基本化学组成,核酸的结构,核酸的结构,核糖与碱基之间通过N-(-)糖苷键相连，形成核苷； 核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，形成核苷酸，核苷与磷酸之间主要通过5-磷酸二酯键相连。,嘧啶核苷,嘌呤核苷,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,构成DNA的核苷酸：5脱氧核苷酸,核酸的结构,构成RNA的核苷酸：5核苷酸,核酸的结构,DNA与RNA均以3,5-磷酸二酯键连接核苷酸。,核酸的结构,1953年，美国生物学家沃森和英国物理学家克里克，共同提出了DNA分子的双螺旋结构模型。,DNA的二级结构,2.6.2 DNA双螺旋,沃森（左）和克里克（右）在构建DNA模型,在生命的“旋梯”上,奥地利著名生物化学家查哥夫研究得出：腺嘌呤（A）的量总是等于胸腺嘧啶（T）的量(A=T)，鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶（C）的量(G=C)。,1951年，英国科学家威尔金斯和富兰克林提供了DNA的X射线衍射图谱 。,Watson-Crick双螺旋结构模型,两条反向平行（一条53，另一条35）的多核苷酸链绕同一中心