二生命化学基础与生物大分子

第二章生命的化学基础与生物大分子主讲：严雪联系方式：武大生科院5012室电话箱：yanxue@2.1生命的化学基础与其它物质一样，细胞乃至生命也是由原子组成的元素组成分子组成2.1生命的化学基础元素组成已知元素115种；天然元素有92种。人体中发现81种；按其在人体所占质量的比例是否大于0.05%可划分常量元素和微量元素。由于环境污染或从食物中摄入对人体健康有害的元素称为有害（毒）元素。2.1生命的化学基础分子组成生物体都是由蛋白质、核酸、脂类、糖类、无机盐和水组成。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。水是生物体内所占比例最大的化学成分。水细胞中水的含量通常占细胞总量70%～80%。不同机体或同一机体不同器官，含水量差别很大。人体骨骼22％，肌肉76％，脑70％～84％，肝脏70％，皮肤72％，心脏79％，血液83％。一般说来，水生生物和生命活动旺盛的细胞，含水较多;

陆生生物和生命活动不活跃的细胞，含水分较少。如休眠的种子、孢子含水量低于10％。2.1生命的化学基础

如何理解蝉噪林愈静？

因为天热其他生物都躲起来了吧！？

那蝉在地表温度高达70ºC,气温高达46ºC，仍能生存并快乐的歌唱，为什么？

我们曾经也不知道，

生态学之迷

生命的化学基础——案例1HeathandPeter(1970)

研究了蝉体温与树枝温度后认为蝉不断选择温度较低的生境

且只在48ºC下唱歌KaserandJonHastings(1981)研究蝉体温与气温后认为蝉通过水分蒸发降温生命的化学基础——案例1EricToolson(1987)几个有趣的实验

将蝉放在恒温45.5

ºC

环境中生长测定蝉体温一直比环境低

2.9ºC

说明生境选择是不成立的

将蝉放在恒温45.5ºC，相对湿度改变环境中再测定蝉体温

……

说明蝉通过水分蒸发适应高温生命的化学基础——案例1游离水是良好的溶剂游离水是物质运输的介质直接参加体内的生化反应具有调节体温的作用保持植物固有姿态也起着重要作用生命的化学基础——案例12.1生命的化学基础无机盐

K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-……等调节渗透压、pH值、酶的活化因子。2.2生物大分子生物大分子的基本特性单体分子相同：一切生物体中的各类有机大分子都是分别由相同或相似的单体，如蛋白质分子中的20种氨基酸、DNA及RNA中的8种脱氧核苷酸或核苷酸所组合而成的；结构复杂：构成生物分子的结构单元具有不同的排列组合，并可以进一步形成非常复杂的三维空间结构；2.2生物大分子生物大分子的基本特性遵循共同的建成和分解规律：生物大分子由简单的单体小分子脱水缩合而成；分解时是通过水解反应；碳原子是生物大分子的基本骨架：碳原子的不同排列方式和长短是生物大分子多样性的基础。以共价键的形式与氢、氧、氮及磷相结合，形成了具有不同性质的生物大分子生物大分子的基本性质还取决于与碳骨架相连接的功能基团生物体中的有机化合物主要含有羟基、羰基、羧基、氨基、巯基、磷酸基等功能基团，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。

2.2生物大分子糖类单糖、寡糖葡萄糖、核糖、乳糖、蔗糖、麦芽糖多糖淀粉、糖原、纤维素

2.2.1生物大分子——糖类核酸的重要成分淀粉的基本单元植物细胞中贮存状态的糖动物细胞中贮存状态的糖最大比例的糖类哺乳动物乳汁中存在马铃薯淀粉粒以分子中倒数第二个碳原子上羟基在空间的左右来判别构型。

L-葡萄糖

D-葡萄糖

L-甘油醛

D-甘油醛

12345

6

几点说明戊糖、己糖等单糖分子在溶液中通常不呈链式而呈环式结构。

葡萄糖

几点说明D-核糖D-2-脱氧核糖糖类的生物学功能作为生物体的结构成分：植物、真菌以及细菌的细胞壁；昆虫和甲壳类的外骨骼等；作为生物体内的主要能源物质：生物氧化的燃料－－葡萄糖和能量的贮存物质－－淀粉和糖原等；生物体内的重要中间代谢物质：糖类通过这些中间物质为其它生物分子如氨基酸、核苷酸以及脂肪酸等提供碳骨架；作为细胞识别的信息分子：许多膜蛋白、分泌蛋白和受体蛋白都是糖蛋白，即在特定部位结合一定量的寡糖。这些糖链可能起信号识别的作用。

2.2.1生物大分子——糖类2.2.2生物大分子——脂类脂类脂肪、油的区别？人心血管有利？甘油+脂肪酸磷脂和脂肪区别是？甘油+磷酸几乎全部存在于膜系统中脑、肺、肾、心、卵、大豆含量高；类固醇不含脂肪酸，但有脂类性质胆固醇具有特殊芳香族结构蜡质脂肪酸+醇萜类类葫萝卜素数目不等的异戊二烯连接而成的分子脂类的生物学功能：是生物膜的主要成分；主要能源物质，脂肪氧化产生的能量大约是糖的二倍；参与细胞的识别；是某些生物大分子的组成成分；生物活性物质，如b-胡萝卜素、维生素E等；生物表面的保护层：保持体温、水份、抗逆等。2.2.2生物大分子——脂类2.2.3生物大分子——蛋白质蛋白质20种天然氨基酸氨基酸结构特点及基本性质共同特点：与羧基相连的碳原子（

-碳原子）上都有一个氨基和一个R基；氨基酸呈两性离子状态，具有等电点(pI)，即在特定的pH值溶液中，氨基酸所带的净电荷为零，此时的pH值即为该种氨基酸的等电点；L-左旋，D-右旋生物界各种蛋白质几乎都有L-氨基酸所构成不同氨基酸其R基各不相同，R基的结构决定了20种氨基酸的特殊性质2.2.3生物大分子——蛋白质肽键、肽、多肽一个氨基酸的

氨基与另一个氨基酸的

羧基脱水缩合，形成肽键并生成二肽化合物。不同数目的氨基酸以肽键顺序相连形成多肽，多肽形成蛋白质分子的亚单位。肽链的顺序方向定义为从氨基端到羧基端的方向2.2.3生物大分子——蛋白质空间结构蛋白质一级结构是靠共价键(肽键)维系高级结构主要是靠非共价键（氢键、疏水键、离子健和范德华力）维系2.2.3生物大分子——蛋白质一级结构：包括氨基酸序列，氨基酸数目、种类、顺序；多肽链数目，连接方式等。直接影响高级结构，如镰刀形贫血症；由基因确定，中间有差异，差别小，亲缘关系近二级结构：在一级结构的基础上，多肽链局部折叠形成的构象单元。因为肽链内可形成H键,导致二级结构

螺旋(

-Helix)和

折叠(

-Sheet)的产生。2.2.3生物大分子——蛋白质LysLysGlyGlyLeuValAlaHisPrimarystructureAminoacidresidues

螺旋(-Helix)

折叠(-Sheet)四级结构：在三级结构的基础上，多亚基蛋白装配形成特定空间徘布，即蛋白质四级结构。2.2.3生物大分子——蛋白质血红蛋白的三级结构血红蛋白的四级结构三级结构：在二级结构基础上，整个单体蛋白质分子或亚基由于R基团的疏水性或亲水性不同，可进一步形成的特定立体结构，即三级结构(体现生物活性)。蛋白质结构与功能的关系蛋白质的特定构象即蛋白质的三维空间结构和形态对于蛋白质的功能起决定性的作用。蛋白质变性（即构象发生变化，二三四级结构变化）使得其特定的功能便立即发生变化2.2.3生物大分子——蛋白质ProteinMisfoldingCanHaveDeadlyConsequences:Acomparisonofnormal(PrPc)andabnormal(PrPsc)prionproteins:Thesetwoproteinsareformedbypolypeptidechainsthatcanbeidenticalinaminoacidsequence,buttheyfolddifferently.

SolubleinsolubleCausing“madcowdisease”蛋白质的主要种类和功能结构蛋白：生物结构成分，如胶原蛋白、角蛋白等；伸缩蛋白：收缩与运动，如肌纤维中的肌球蛋白等；防御蛋白：如免疫球蛋白、金属硫蛋白等；贮存蛋白：贮存氨基酸和离子等，如酪蛋白、卵清蛋白；运输蛋白：运输功能，如血液中运送O2与CO2的血红蛋白；激素蛋白：调节物质代谢、生长分化等，如生长激素；信号蛋白：接受与传递信号，如受体蛋白等；酶：催化功能，包括参与生命活动的大多数酶。2.2.3生物大分子——蛋白质核酸核酸最先从细胞核中分离得到，且是酸性，故而得名。贮存遗传信息，控制蛋白质的合成，从而控制着细胞和生物体的生命过程；核酸是由许多顺序排列的核苷酸组成的大分子，包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)；DNA存在于细胞核、线粒体和叶绿体中，是遗传信息的携带者；RNA在细胞核中合成，然后进入细胞质，在蛋白质合成中起重要作用。贮存遗传信息的特殊DNA片段称基因，编码蛋白质的氨基酸序列

2.2.4生物大分子——核酸核酸的基本组成核苷酸每一个核苷酸含有一个戊糖分子、一个磷酸分子和一个含氮的有机碱（碱基）。脱氧核糖上第一位碳原子与碱基结合，就成为脱氧核苷；第五位碳或第三位原子再与磷酸结合，就成为脱氧核糖核苷酸（脱氧核糖核酸，脱氧核苷酸）。2.2.3生物大分子——核酸核苷酸的有机碱分为两类；一类是嘧啶，是单环分子；一类是嘌呤，是双环分子。嘧啶有胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)3种。嘌呤包括腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)2种。DNA的碱基是A、T、G、CRNA的碱基是A、U、G、C2.2.3生物大分子——核酸2.2.3生物大分子——核酸

Chargaff(1905-2002)法则(1950)：嘌呤的总数=嘧啶的总数(A+G=C+T)腺嘌呤=胸腺嘧啶(A=T);鸟嘌呤=胞嘧啶(G＝C)同一物种碱基组成高度同源，且不受年龄、营养状况及环境的影响（对维持物种的稳定性起很重要的作用）；不同的物种DNA的碱基组成具有独特性。核酸多个核糖核苷酸以磷酸二酯键相连成长链的多核苷酸分子，即成核酸的基本结构5’端P

3’端C,核酸序列方向2.2.3生物大分子——核酸核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基

DNA的空间结构分为三级DNA的一级结构是指4种核苷酸的连接和排列顺序，代表了DNA分子的化学组成，也影响了DNA的高级结构；2.2.3生物大分子——核酸DNA的二级结构是指两条多核苷酸长链以反向平行盘绕而成的双螺旋状结构，它又包括三种构象，即A-DNA、Z-DNA及B-DNA；DNA三级结构是DNA的高级结构，是指DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的超螺旋结构。线粒体、叶绿体、细菌、质粒及一些病毒的DNA双螺旋分子尚可形成封闭环状，天然状态的环状DNA分子多扭曲成麻花状的超螺旋结构（superhelix）；2.2.3生物大分子——核酸真核生物细胞核中DNA的超螺旋结构，以DNA双螺旋盘绕在组蛋白上形成核小体(nucleosome)。2.2.3生物大分子——核酸DNA及其双螺旋结构的发现鲍林(Pauling，美国加州理工)研究小组主要工作：鲍林等1951年(提出蛋白质α-螺旋模型后)开始研究DNA分子结构根据阿斯伯利(Astbury)等1938年获得的DNA分子晶体X射线衍射图像(显示DNA分子晶体呈螺旋结构)进行研究提出DNA分子三链螺旋结构模型：引入多链、螺旋和氢链等概念虽然他们提出的模型并不正确，但是其研究方向和所采用的方法却为DNA分子结构模型研究确立了方向注：1954年他因研究物质聚合力(氢链)而获得诺贝尔化学奖DNA及其双螺旋结构的发现

威尔金斯(Wilkins)/富兰克琳(Franklin,伦敦大学)研究小组Wilkins和Franklin改进了DNA分子晶体X射线衍射图谱技术1951年获得了更为清晰的图像结果表明：碱基位于螺旋内侧而磷酸基团在外侧，同时测得了DNA螺旋的直径和螺距DNA及其双螺旋结构的发现克里克(Watson)和沃森(Crick)(1951-1953)美国：研究手段非常简单：用纸板等做磷酸、核糖和碱基模型，拼凑DNA分子的三维结构理论知识深厚、富于创造性；视野广阔、收集信息全面并善于分析利用DNA应该是双螺旋；A与T、C与G巧妙连接；符合X衍射数据和DNA的复制1953年2月28日，Watson和Crick用金属线又制出了新的DNA模型，为自然科学树立了一座闪闪发光的里程碑。

DNA的在溶液中基本性质DNA变性(naturation):指双螺旋之间氢键断裂，双螺旋解开，形成单链无规则线团，因而发生性质改变，称为DNA变性。加热、改变DNA溶液的pH（如NaOH溶液）、或受有机溶剂（如乙醇、尿素、甲酰胺及丙酰胺等）等理化因素的影响，均可使DNA变性。DNA复性(renaturation/annealing):变性DNA只要消除变性条件，二条互补链还可以重新结合，恢复原来的双螺旋结构，这一过程称为复性（退火）。复性后的DNA，理化性质都能得到恢复；2.2.3生物大分子——核酸RNA的种类及结构特点RNA大多是单链分子，是以DNA为模板合成的；含核糖而不是脱氧核糖；4种核苷酸中，尿嘧啶（U）代替了胸腺嘧啶（T）。细胞中主要有3种RNA：信使RNA（messengerRNA,mRNA,占3－5％）核糖体RNA（ribosomeRNA,rRNA，占80％以上）转运RNA（transferRNA,tRN