第二章生物的化学组成

第二章生物的化学组成第1页，共75页，2023年，2月20日，星期一第一节原子与分子——生命的化学基础第二节糖类第三节脂类第四节蛋白质第五节核酸第2页，共75页，2023年，2月20日，星期一第一节原子与分子——生命的化学基础一、组成细胞及生物体的主要元素及作用地球上存在92种天然元素，只有28种在生物体内被发现。第一类最基本的4种元素：包括C、H、O、N，约占生物体的96%。第二类包括P、S、Ca、Cl、Na、Mg等基本元素。第三类少量元素：如Fe、Mn、Cu、Zn等。第四类微量元素：如Si、Mo、F、Al等。它们各自在生物体内维持一定的浓度范围，参与生命活动。第3页，共75页，2023年，2月20日，星期一二、原子的结构和性质物质是由原子组成的。原子不能创造，也不能毁灭。原子由原子核和核外电子组成，原子核带正电荷，并位于原子中心，电子带负电荷，在原子核周围空间做高速运动。原子核由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成。元素是具有相同核电荷数的同一类原子的总称。第4页，共75页，2023年，2月20日，星期一原子的化学性质很大程度上取决于核外电子的分布和运动状态。在细胞内的生物化学反应中过程中，高能电子可以从一个原子或化合物向另一个原子或化合物转移，失去电子被称为氧化，得到电子被称为还原。第5页，共75页，2023年，2月20日，星期一三、化学键和水分子的性质化学键：将相邻原子结合在一起形成分子的相互作用力。共价键离子键细胞内的化学变化实质是原子的重新排列组合，也就是旧化学键的断裂和新化学键的形成的过程。键能第6页，共75页，2023年，2月20日，星期一H2O分子是生物细胞中占比例最大的基本组分，是极性化合分子。H2O分子之间存在着较弱的静电引力即氢键。氢键使得水具有黏性、吸附性和一定的表面张力。第7页，共75页，2023年，2月20日，星期一四、有机化合物的碳骨架与功能基因除水以外，含碳化合物是生物体中最普遍的物质。碳骨架（碳碳单键、双键、三键）功能基团（羟基、羧基、羰基、氨基和含O/N/P/S等的原子团）蛋白质、核酸、脂类和糖类是组成生物体最重要的生物大分子。碳骨架结构排列和长短决定了有机化合物的基本性质，但其性质还取决于其功能基团。脱水缩合反应水解反应第8页，共75页，2023年，2月20日，星期一第二节糖类糖类是多羟基的醛类或酮类化合物，以及它们的衍生物和聚合物。这类物质主要是由碳、氢和氧所组成，其分子式通常以Cn(H2O)m表示。第9页，共75页，2023年，2月20日，星期一糖类根据其聚合度进行分类：单糖

不能水解的最简单糖类。根据所含碳原子数目（3~7）又分为丙糖、丁糖、戊糖和己糖。寡糖

由2～10分子的单糖结合而成，水解后产生单糖。

二糖：由2分子单糖结合而成，如蔗糖、麦芽糖和乳糖等。

三糖：由3分子单糖所组成，如棉子糖。多糖由多分子单糖或其衍生物所组成，水解后产生原来的单糖或其衍生物。分同多糖和杂多糖。如淀粉、纤维素、糖原。第10页，共75页，2023年，2月20日，星期一一、单糖糖类的单体称为单糖。化学通式：(CH2O)n最重要的单糖：葡萄糖、果糖、核糖第11页，共75页，2023年，2月20日，星期一丙糖丁糖第12页，共75页，2023年，2月20日，星期一戊糖核糖是五碳糖，其第2位碳上的氧原子脱去便是脱氧核糖。二者分别是DNA和RNA的主要成分。第13页，共75页，2023年，2月20日，星期一己糖第14页，共75页，2023年，2月20日，星期一第15页，共75页，2023年，2月20日，星期一构象是指一个分子中，不改变共价键结构，仅单键周围的原子旋转所产生的原子的空间排布。一种构象改变为另一种构象时，不要求共价键的断裂和重新形成。第16页，共75页，2023年，2月20日，星期一同分异构体：葡萄糖和果糖分子式完全一样，只是结构式不同。环式结构第17页，共75页，2023年，2月20日，星期一单糖分子中有多个羟基，增加了它的水溶性，尤其在热水中溶解度极大。但不溶于乙醇、丙酮等有机溶剂。D－葡萄糖醛酸能与苯甲酸和酚类等结合，由尿排出，对机体有解毒作用。葡萄糖酸与钙结合而成的葡萄糖酸钙是供给钙的药物。第18页，共75页，2023年，2月20日，星期一单糖有甜味，但甜度大小不同，如以蔗糖为标准定为100度，其他糖类的相对甜度如表1－2。糖的甜度无疑是与其化学结构有关，必然由于糖分子中的某些原子基团对舌尖味觉神经所起的刺激而引起。多糖无甜味，是因其分子太大，不能透入舌尖的味觉乳头细胞。第19页，共75页，2023年，2月20日，星期一二、二糖二糖又称双糖，是最简单的寡糖。重要的二糖包括：蔗糖、麦芽糖和乳糖。两分子单糖经脱水缩合作用形成糖苷键链接的二糖。二糖经水解后又可形成两分子单糖。如：蔗糖水解产生的葡萄糖和果糖混合物，比蔗糖甜，通常称转化糖。蔗糖可被酵母发酵，加热到200℃得棕黑色焦糖。后者常被用作酱油的增色剂。第20页，共75页，2023年，2月20日，星期一麦芽糖有还原性，可被麦芽糖酶（一种α－糖苷酶）水解，产生2分子葡萄糖。第21页，共75页，2023年，2月20日，星期一第22页，共75页，2023年，2月20日，星期一三、多糖多糖是指由多个单糖分子缩合而成的糖类，相对分子质量都很大，在水中不能成真溶液，只能成胶态溶液，纤维素根本不溶于水，皆无甜味，也无还原性。按其组分的繁简，多糖可概括为同多糖和杂多糖两大类。前者是由某一种单糖所组成，后者则为一种以上的单糖或其衍生物所组成，其中有的还含有非糖物质。最重要的多糖包括：淀粉、纤维素、糖原和氨基葡聚糖如几丁质等。第23页，共75页，2023年，2月20日，星期一多糖的类别和组成第24页，共75页，2023年，2月20日，星期一1.淀粉是由葡萄糖单位所组成，是以α－葡萄糖苷键（即α－1，4－糖苷键）连接而成的链状多聚分子，由于链接葡萄糖分子的糖苷键角度不同，使得淀粉分子盘卷成螺旋状。链长约为250～300个葡萄糖单位。直链淀粉：没有分支，α-1,4-糖苷键支链淀粉：带有分支，α-1,4-糖苷键、α-1,6-糖苷键第25页，共75页，2023年，2月20日，星期一直链淀粉在冷水中不溶解，略溶于热水，但支链淀粉吸收水分，吸水后膨胀成糊状。直链淀粉与碘作用呈蓝色，支链淀粉与碘作用则呈紫红色。第26页，共75页，2023年，2月20日，星期一2.糖原糖原广泛存在于人及动物体中，肝脏及肌肉中含量尤多。其成分似淀粉，故又称动物淀粉。糖原也是由D－葡萄糖构成，分子中主链的葡萄糖连接方式与支链淀粉相同，是α-1,4-糖苷键相连接，支链的连接为α-1,6-糖苷键。糖原的生理功用很大，肝脏的糖原可分解为葡萄糖进入血液，供组织使用，肌肉中的糖原为肌肉收缩所需能量的能源。第27页，共75页，2023年，2月20日，星期一3.纤维素纤维素为植物纤维部分（如细胞壁）的主要成分，棉花含纤维素97％～99％，麻、草的纤维素含量也很高。木材含41％～53％，谷类含30％～43％，少数动物、细菌和霉菌体中亦含有少量纤维素。纤维素则是β－D－葡萄糖以1，4－β－葡萄糖苷键将二糖单位连接，不含支链。在纤维中，纤维素结构单位是平行排列的。纤维素分子的空间构象呈带状，糖链之间可以通过分子间的氢键而堆积起来成为紧密的片层结构，使纤维素具有很强的机械强度，对生物体起支持和保护作用。第28页，共75页，2023年，2月20日，星期一第29页，共75页，2023年，2月20日，星期一纤维素极不溶于水，人体不能消化纤维素，故对人类无营养价值，但有刺激肠道蠕动的生理作用。某些微生物和昆虫（白蚁）能消化纤维素。反刍动物能利用纤维素作养料，因为它们的消化道中含有能消化纤维素的微生物。纤维素经浓HNO3硝化而成硝化纤维素。硝化纤维素是炸药的一种。纤维素与醋酸结合所成的乙酸纤维素是照相胶卷、人造丝及多种塑料的原料。还可制成离子交换纤维素。另外，琼脂来源于海藻的多糖，无色、无味、能吸水膨胀，溶于热水，冷却后变成凝胶。微生物不能使凝固的琼胶液化，所以人们常在微生物培养基中加入少量琼胶以保持其凝胶状态。第30页，共75页，2023年，2月20日，星期一（一）糖类的主要功能：

能源：生物所需能量主要来自糖的分解代谢；

碳源：是构成生物体的主要组分（二）消化和吸收：人类对糖的利用须将较复杂的糖分子经酶解成单糖后方可吸收利用。经口腔、胃消化；小肠含必需的酶和pH环境，多、寡、双糖几乎全转化为单糖被吸收。（三）储存：以多糖形式（植物：淀粉）（1）糖原形式储存在肝、肌肉等组织中；（2）过量时，葡萄糖→脂肪。第31页，共75页，2023年，2月20日，星期一第三节脂类脂类是脂肪酸和醇所形成的酯及衍生物。脂类就是动、植物的油脂。人们吃的动物油脂（如猪油、牛羊油脂、鱼肝油、奶油等）、植物油（如豆油、菜油、花生油、芝麻油、茶油、棉子油等）和工业、医药上用的蓖麻油和麻仁油等都属于脂类物质。一切动植物都含有脂质，它是构成原生质的重要成分，也是动植物的储能物质。磷脂是构成生物膜的基本物质。不同的脂类化合物在生物结构和代谢中还具有一些特殊的作用。第32页，共75页，2023年，2月20日，星期一一、脂类的组成和功能脂类分子都含C、H、O3种元素，但H与O的比值远大于2，可以说脂类主要是由C和H通过共价键结合形成的非极性化合物，具有疏水性，即脂类不溶于水，可溶于非极性溶剂。中性的脂肪和油都是由甘油和脂肪酸经脱水缩合作用形成的脂类。动物——脂肪（fat）植物——油（oil）第33页，共75页，2023年，2月20日，星期一甘油脂肪酸（12~24个C）

(a)饱和脂肪酸(b)不饱和脂肪酸HHH第34页，共75页，2023年，2月20日，星期一三酰甘油相邻饱和脂肪酸互相平行排列，分子之间结合比较紧密，因此熔点较高，室温下常呈固态。不饱和脂肪酸含有双键，相邻之间不能紧密平行排列，因而熔点低，室温下常呈液态，不易凝固。第35页，共75页，2023年，2月20日，星期一脂类的功能：是生物膜的主要成分；氧化时产生能量；可构成生物表面的保护层；动物皮下脂肪可保持正常体温；维生素A、D、肾上腺皮质激素等之类分子是重要的生物活性物质。第36页，共75页，2023年，2月20日，星期一二、磷脂磷脂又称磷酸甘油酯。磷脂是细胞膜的重要成分。第37页，共75页，2023年，2月20日，星期一磷脂的分子结构第38页，共75页，2023年，2月20日，星期一三、其他类型的脂类类固醇和萜一般不含脂肪酸，属不可皂化脂质，在生物体内以乙酸为前体合成。胆固醇是脊椎动物细胞的重要成分，在神经组织和肾上腺中含量特别丰富，它约占脑的固体物质的17％。血清胆固醇含量过高，表示胆固醇代谢可能发生障碍。冠状动脉粥样硬化患者的血清胆固醇含量常偏高。植物中，多数萜类都具有特殊臭味，而且是各类植物特有油类的主要成分。例如柠檬苦素，薄荷醇、樟脑等依次是柠檬油、薄荷油、樟脑油的主要成分。第39页，共75页，2023年，2月20日，星期一第四节蛋白质蛋白质是决定生物体结构和功能的重要成分。氨基酸是构成蛋白质的结构单体。蛋白质的元素组成：主要由C、H、O、N、S组成，其中含N平均为16%，这一数据可用于蛋白质的含量测定。蛋白质含量=蛋白氮×6.25第40页，共75页，2023年，2月20日，星期一一、蛋白质的主要种类和功能按功能分：1.结构蛋白：高等动物的胶原蛋白是主要的细胞外结构蛋白，占蛋白总量的1/4；细胞膜、线粒体、叶绿体和内质网等膜系统都是由蛋白质与脂类组成的；动物的毛发和指甲都是由角蛋白构成的。2.伸缩蛋白：肌肉中的肌球蛋白和肌动蛋白是运动系统的必要成分，它们构像的改变引起肌肉的收缩，带动机体运动。细菌中的鞭毛蛋白有类似的作用，它的收缩引起鞭毛的摆动，从而使细菌在水中游动。3.贮存蛋白：某些蛋白质的作用是贮存氨基酸作为生物体的养料和胚胎或幼儿生长发育的原料。此类蛋白质包括蛋类中的卵清蛋白、奶类中的酪蛋白和小麦种子中的麦醇溶蛋白等。肝脏中的铁蛋白可将血液中多余的铁储存起来，供缺铁时使用。第41页，共75页，2023年，2月20日，星期一4.保护蛋白：凝血与纤溶系统的蛋白因子、溶菌酶、干扰素等，也担负着防御和保护功能。某些生物能合成有毒的蛋白质，用以攻击或自卫。5.运输蛋白：脊椎动物的血红蛋白和无脊椎动物的血蓝蛋白起着运输氧气的作用；血液中的载脂蛋白可运输脂肪，转铁蛋白可转运铁；一些脂溶性激素的运输也需要蛋白，如甲状腺素要与甲状腺素结合球蛋白结合才能在血液中运输。6.信号蛋白：某些激素、一切激素受体和许多其他调节因子都是蛋白质。7.酶：酶是生物细胞中催化生物化学反应得一类蛋白质（除核酶）。没有酶，生物体内的各种化学反应就无法正常进行。第42页，共75页，2023年，2月20日，星期一二、蛋白质是由20种氨基酸组成的生物大分子氨基酸分子的基本结构：α-碳原子共价连接-COOH、-NH2、-H和一个R基团。根据R基团的极性不同分为极性氨基酸和非极性氨基酸。按照R基的化学结构，脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸、含硫氨基酸、醇类氨基酸、酸性氨基酸、碱性氨基酸和酰胺类氨基酸。肽键多肽第43页，共75页，2023年，2月20日，星期一二、蛋白质结构与功能的关系每种蛋白质都有特定的构象。蛋白质的特定构象（即三维空间结构和形态）对于蛋白质的功能起决定性作用。实验：变性处理1、变性的实质：次级键的断裂，所以一级结构完好2、变性蛋白质的特点：生物活性丧失侧链基团暴露，水溶性降低易被蛋白酶水解（这就是熟食易于消化的道理）3、变性因素：物理因素：加热、高压、紫外线等化学因素：有机溶剂、脲、胍、强酸、强碱第44页，共75页，2023年，2月20日，星期一某些物理或化学因素，能够破坏蛋白质的结构状态，会使有规则的螺旋、球状等空间结构变为无规则的伸展肽链，从而引起蛋白质理化性质改变并导致其生理活性丧失。这种现象称为蛋白质的变性。复性：有的蛋白质变性后，将变性剂除掉，某些蛋白质缓慢重新回复到天然构像。许多蛋白质变性时被破坏严重，不能恢复，称为不可逆性变性。第45页，共75页，2023年，2月20日，星期一四、蛋白质的四级结构蛋白质的结构复杂，可分为不同的结构层次：一级结构：又称初级结构，指多肽链的氨基酸序列。二级结构：多肽链借助氢键形成的有规则的局部结构，如α螺旋、β折叠等。三级结构：多肽链借助各种非共价键弯曲折叠具有特定走向的三维空间形态，常为紧密球状构象或纤维状。四级结构：指寡聚蛋白质中个亚基之间在空间上的相互关系和结合方式。第46页，共75页，2023年，2月20日，星期一五、蛋白质的研究方法蛋白质提纯的总目标：增加制品纯度或比活性、几增加单位蛋白质垂悬中所要蛋白质的含量或生物活血清中的球蛋白。分离提纯蛋白质的一般程序：前处理粗分离细分离重结晶第47页，共75页，2023年，2月20日，星期一（1）前处理细菌动物组织植物组织超声波+砂研磨、高压挤压或溶菌酶破碎石英砂+提取液或纤维素酶破碎电动捣碎机、匀浆器、超声波破碎提取介质得到所要的蛋白质对于细胞核染色体、核糖体中的蛋白质分开差速离心第48页，共75页，2023年，2月20日，星期一2).

粗级分离(常用沉淀法)

主要目的是除去糖、脂类、核酸及大部分杂蛋白，并将蛋白浓缩。常用以下方法：沉淀法除盐浓缩第49页，共75页，2023年，2月20日，星期一（1）、硫酸铵分级盐析硫酸铵盐分子水化，夺走了蛋白质表面的水化层，蛋白质聚集沉淀。第50页，共75页，2023年，2月20日，星期一（3）重金属盐沉淀

（4）、生物碱试剂与某些酸沉淀

（2）、pI沉淀第51页，共75页，2023年，2月20日，星期一

利用蛋白质分子不能通过半透膜的性质，使蛋白质和盐分开。

浓缩——用冻干、超滤等方法浓缩除盐——透析第52页，共75页，2023年，2月20日，星期一3)、细分离

以上方法得到的制剂可供工业应用。如需高纯样品，应精制样品进一步提纯的方法：凝胶过滤、离子交换层析、吸附层析、亲和层析、电泳等。第53页，共75页，2023年，2月20日，星期一凝胶过滤：在层析柱中装入葡聚糖凝胶颗粒。这种凝胶颗粒具有多孔的网状结构。这些网孔只允许较小的分子进入颗粒内，而大于网孔的分子则被排阻。当用洗脱液洗脱时，被排阻的相对分子质量大的分子先被洗脱下来，相对分子质量小的分子后下来。第54页，共75页，2023年，2月20日，星期一电泳第55页，共75页，2023年，2月20日，星期一分子量及静电荷密度均影响泳动率只有分子量影响泳动率SDS-聚丙烯酰胺凝胶电泳第56页，共75页，2023年，2月20日，星期一亲和层析是利用生物分子间所具有的专一亲和力而设计的层析技术。如抗原和抗体之间，均具有专一的亲和力，在一定条件下能紧密结合成复合物，而这种结合又是可逆的，改变条件可将抗原抗体解离。把可结合的一对分子的一方(称配体)结合在惰性载体上使其固相化，另一方随流动相流经该载体，双方即结合为一整体。然后设法将它们解离，从而得到与配体有特异结合能力的某一特定的物质。第57页，共75页，2023年，2月20日，星期一4)、结晶：蛋白质分离纯化的最后步骤

本身伴随着一定程度的提纯重结晶：可除去少量夹杂的蛋白质蛋白质纯度愈高、溶液愈浓就愈容易结晶5）、X射线衍射技术或核磁共振成像，分析蛋白质结构第58页，共75页，2023年，2月20日，星期一第五节核酸核酸贮存遗传信息；控制蛋白质的合成；决定蛋白质的功能；控制细胞和生物体的生命过程。第59页，共75页，2023年，2月20日，星期一核酸的研究历史和重要性1869

Miescher从脓细胞的细胞核中分离出了一种含磷酸的有机物，当时称为核素（nuclein）,后称为核酸（nucleicacid）1944Avery等通过肺炎球菌转化试验证明DNA是遗传物质1953Watson和Crick提出DNA结构的双螺旋模型1958Crick提出遗传信息传递的中心法则70年代建立DNA重组技术80年代以后分子生物学、分子遗传学等学科突飞猛进发展，实施人类基因组计划（HGP）第60页，共75页，2023年，2月20日，星期一一、核酸的组成核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基水解A/T/C/GA/U/C/G第61页，共75页，2023年，2月20日，星期一二、核糖核酸和脱氧核糖核酸核酸分为两大类.脱氧核糖核酸（DNA）核糖核酸（RNA）第62页，共75页，2023年，2月20日，星期一RNADNA

嘧啶环

嘌呤环尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C鸟嘌呤G腺嘌呤A碱基第63页，共75页，2023年，2月20日，星期一H2OH2O碱基磷酸戊糖核苷键脂键核苷酸（对DNA为H）第64页，共75页，2023年，2月20日，星期一八种核苷酸的表示：第65页，共75页，2023年，2月20日，星期一三、DNA双螺旋结构1.DNA的一级结构：是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）按一定顺序，通过3´,5´磷酸二酯键连成的直线形或环形分子。5`-磷酸5`3`3`-OHPPPPPP

AGCTGCOH5′PAPGPCPTPG…….PC3′或5′AGCTG…..C3′线条式简写：字母式简写：第66页，共75页，2023年，2月20日，星期一2.DNA的二级结构（双螺旋）(1）DNA碱基组成的Chargaff规则.腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即A=T;.鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数相等,即G=C;.含氨基的碱基（A和C)总数等于含酮基(G和T)的碱基总数;A+C=G+T；.嘌呤的总数等于嘧啶的总数，A+G=C+T；

A=T,G=C第67页，共75页，2023年，2月20日