普通生物学-2生命的化学基础

Chapter2生命的化学基础原子.分子原子核核外电子（-）质子(Z)（+）中子(N)（不带电）离子（+）核电荷数=质子数=核外电子数=原子序数各微粒间的关系自然界发现92种生命的化学基础名称符号占人体重的百分比名称符号占人体重的百分比氧065.0硼B<0.01碳C18.5铬Cr<0.01氢H9.5钴Co<0.01氮N3.3铜Cu<0.01钙Ca1.5氟F<0.01磷P1.0碘I<0.01钾K0.4鉄Fe<0.01硫S0.3锰Mn<0.01钠Na0.2钼

硒Mo<0.01氯Cl0.2

Se<0.01镁Mg0.1硅锡Si<0.01

Sn<0.01

钒V<0.01

锌Zn<0.01常量元素(11种)微量元素(14种)构成人体的25种基本化学元素微量元素：含量少于0.01%人体的元素组成

人体地壳化学元素在地壳和人体中的丰度

无机分子：水和无机盐有机分子：有机小分子：脂类，氨基酸，

单糖，核苷酸有机大分子：蛋白质，多糖，

核酸构成生物体的分子水70%蛋白质15%核酸7%糖3%生物体的组成水

体内细胞也生活在水环境中地球上生命起源于水中

水占生物体的60％以上的重量水的重要性:动物细胞的成分水是细胞中不可缺少的物质水分子的极性和氢键水：强大的表面张力和内聚力水：大的比热和蒸发热水：高度的极性分子(10-11S)4℃水的密度最大

细胞中无机盐含量，约占1％离子浓度具有调节渗透压和维持酸碱平衡作用

H+/PO4－和H+/HCO3－的缓冲系统细胞中阳离子和阴离子有许多其它作用如Na+，K+

，Ca2+

和PO4－生物体组成与活性物质的必要组成成分如Ca,P,Fe,Cu,Mg,Mo,Zn,Se等无机离子维持有机环境的酸碱平衡水合氢离子氢氧根酸雨细胞培养液无机离子生物体中的有机化合物主要含有羟基、羰基、羧基和氨基等功能基团。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。有机化合物的性质取决于功能基团

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）细胞利用少数种类小分子合成

多种大分子合成大分子（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糖类

(carbohydrate)糖类的化学通式是：

Cm（H2O）n根据水解情况，糖类可以分为以下三类：单糖：如葡萄糖、果糖，核糖寡糖：如蔗糖、乳糖、麦芽糖多糖：如淀粉、纤维素、糖原糖类

根据能否水解和水解后产物，分为下列几类：单糖monosaccharides

是不能再被水解为更简单的糖类物质。据C原子数的多少，又分为丙糖（3C）、丁糖（4C）、戊糖（5C）、己糖（6C）等。寡糖oligosaccharides

由2-6个单糖分子缩合而成，水解产生2-6个单糖分子。多糖polysaccharides

由多个单糖分子缩合，失水而成，水解后生成多个分子单糖。糖的分类

最简单的糖（三C）：甘油醛二羟丙酮醛基(醛糖)醛糖和酮糖糖类酮基(酮糖)单糖(monosaccharides,sugars)醛糖酮糖甘油醛核糖葡萄糖半乳糖二羟丙酮核酮糖果糖单糖和旋光异构现象HO

CHO

CHCH2OHHO

CHC

OHCH2OHL-甘油醛D-甘油醛C

为不对称碳原子(手性碳原子)—两个旋光异构体L：laevo，左旋----L系醛糖D：dextro，右旋----D系醛糖糖类

旋光异构体个数：2n个

n—不对称C个数如四碳糖有2个不对称C，异构体4个五碳糖有3个不对称C，异构体23=8个六碳糖有4个不对称C，异构体24=16个对多个不对称碳原子，规定其构型时，以距醛基（或酮基）最远的不对称C原子为标准，－OH在不对称C原子右边为D-型，－OH在左边为L型。糖类HO

CHC

OHCH2OH

HO

CHCOHHO–C–H

H–C–OH

H–

C–

OH

CH2OH

CH2OH

COHO–C–HH–C–OH

H–

C–

OH

CH2OHD–

葡萄糖D–

甘油醛D–

果糖糖类葡萄糖的环式结构OHO--HOO核糖!!基因!!D-核糖b-D-核糖a-D-核糖D-2-脱氧核糖b-D-2-脱氧核糖a-D-2-脱氧核糖糖类几种常见的寡糖——

麦芽糖、纤维二糖、蔗糖、乳糖(甜度100)(甜度16)(甜度70)(甜度35)(甜度175)以上代表性寡糖均由两分子单糖缩水形成，称为二糖。包括麦芽糖、纤维二糖、蔗糖、乳糖等麦芽糖、纤维二糖由两分子葡萄糖单体脱水缩合形成蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖缩合形成乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖缩合而成糖寡糖由2-6个单糖分子缩合而成，水解产生2-6个单糖分子糖类多糖

由多个单糖分子缩合，失水而成，水解后生成多个分子单糖。

淀粉（支链和直链）

纤维素

糖原分类及相互转化

寡糖单糖多糖水解缩合水解缩聚水解缩合糖类多糖的分子结构（直链或与支链组合）糖类多糖链的高级结构：不同高级结构带来不同的生物学性能

糖元淀粉纤维素呈长纤维状结构支架形成螺旋状能源贮存直链淀粉支链淀粉糖类几种常见的多糖——

纤维素、淀粉、糖原a-D-葡萄糖b-D-葡萄糖常见多糖——

几丁质N-乙烯葡糖胺的同聚物糖类的功能:1、提供能量

2、结构成分

3、生物合成的原料

4、识别作用

糖类是自然界最丰富的物质，地球上一半以上的有机C都贮藏于糖分子里—淀粉和纤维素，它们是植物中的主要糖类。糖类糖的来源

绿色植物既是一个庞大而复杂的有机化合物制造厂，又是一个巨大而又灵巧的能量转化站．糖类

脂类是指生物体内不溶于水而溶于有机溶剂的各种小分子。脂类脂类

(lipid)

脂肪和油类通常是由一种以上的脂肪酸与甘油形成的各种酯的混合物R代表脂肪酸的碳氢链，分为饱和与不饱和脂肪酸单纯脂质：脂肪脂类甘油三酯分子结构脂类不饱和脂肪酸功能1．保持细胞膜的相对流动性，以保正细胞的正常生理功能。

2．使胆固醇酯化，降低血中胆固醇和甘油三酯。

3．降低血液粘稠度，该善血液微循环。

4．提高脑细胞的活性，增强记忆力和思维能力。

不饱和脂肪酸中对人体最重要的两种不饱和脂肪酸是DHA和EPA。EPA是二十碳五烯酸的英文缩写，具有清理血管中的垃圾（胆固醇和甘油三酯）的功能，俗称"血管清道夫"。DHA是二十二碳六烯酸的英文缩写，具有软化血管、健脑益智、改善视力的功效，俗称"脑黄金"。脂类

菜籽油

椰子油

猪油

5%饱和 85%饱和 100%饱和脂类

人体脂肪有二种不饱和脂肪酸——亚油酸和亚麻酸是人体不能合成的必需脂肪酸。动物油含饱和脂肪酸多，少食为宜。复合脂质：磷脂卵磷脂脑磷脂丝氨酸磷脂脂类

磷脂分子可以看成是一个极性头，两条非极性尾巴。

脂类细胞膜的结构基础固醇类、萜类和前列腺素(皮质醇)(萜)(前列腺素）（睾丸素）（雌二醇）（孕酮）（视黄醛）衍生脂质(胆固醇)(香茅醇)（1）

固醇类的内核由4个环组成（2）

一些人体重要维生素和激素是固醇（3）胆固醇是细胞的必要成份（4）血清中的胆固醇太多会促使形成动脉硬化和心脑血管疾病

类固醇脂类一些固醇类化合物可以作为兴奋剂使用,但同时也会对运动员带来损害.性激素就是一种固醇类化合物雌性激素雄性激素合成代谢类固醇类脂－功能多样的疏水分子功能：储能组成细胞膜激素脂类蛋白质蛋白质

(protein)

蛋白质是最重要的生物大分子，也是食物中最重要的、不可或缺的营养成分。蛋白质是生命存在的基础，是生命活动的执行者，具有多种重要功能。结构功能：膜蛋白收缩功能：肌动蛋白防御功能：抗体信号功能：激素贮藏功能：乳清蛋白转运功能：血红蛋白催化功能：酶荷兰化学家马尔德道德首先提出蛋白质一词，原意为“名列第一”，认为蛋白质是人体最重要的物质，没有蛋白质就没有生命。蛋白质结构蛋白膜蛋白

功能:①调控物质进出；②信息传递、细胞识别及免疫

生物膜的出现是非细胞生命形态走向细胞生命形态的转折点！肌动蛋白抗体(R)relaxedstate(T)tensestateHemoglobinLungO2MyoglobinMuscleVeinArteryWhenenvironmental[O2]increases,HbbindsoxygenefficientlyWhenenvironmental[O2]decreases,HbreleasesoxygentoMbAnyonesubunitreceivesanoxygenmoleculewillincreasetheoxygen-bindingaffinityoftheothers血红蛋白和肌红蛋白酶酶+底物

酶-底物复合物

酶+产物E+S

E-S

E+P酶是一种生物催化剂。参与蛋白合成的共有20种天然氨基酸氨基酸是同时具有α－氨基和α－羧基的小分子。蛋白质是由氨基酸组成的活细胞中的20种天然氨基酸:通常用3个字母缩写或一个大写字母缩写表示每个氨基酸含有四个化学集团，依据R集的性质，将氨基酸分为四类:Acidic酸性(n=2)Basic碱性(n=3)Neutralandpolar中等极性,hydrophilic

亲水性(n=6) Neutralandnon-polar中等非极性,hydrophobic

疏水性(n=9)蛋白质是由氨基酸组成的酸性氨基酸与碱性氨基酸蛋白质是由氨基酸组成的酸性Asp：天冬氨酸Glu：谷氨酸碱性Lys：赖氨酸Arg：精氨酸His：组氨酸疏水性氨基酸蛋白质是由氨基酸组成的色氨酸甘氨酸丙氨酸脯氨酸甲硫氨酸亮氨酸异亮氨酸缬氨酸苯丙氨酸亲水性氨基酸蛋白质是由氨基酸组成的酪氨酸丝氨酸苏氨酸天冬酰胺谷氨酰胺半胱氨酸氨基酸与氨基酸之间可以通过

肽键peptidebond相连肽键Peptidebond

=covalent

bond共价键肽键是由一个氨基酸的羧基carboxylgroup与另一个氨基酸的氨基aminogroup

脱去一分子的水形成的N-terminus氮末端C-terminus碳末端5’(DNA) 3’(DNA)多肽——蛋白质的亚单位某氨酰某氨酰某氨酸

一分子α-氨基酸中的氨基和另一分子α-氨基酸中的羧基缩去一分子水生成的化合物叫肽。N端C端2个α-氨基酸缩合而成的为二肽；3个和多个α-氨基酸缩合而成的肽，分别叫三肽和多肽。多肽——蛋白质的亚单位

蛋白质是分子量很大的多肽。习惯上将相对分子质量在一万以内的肽称为多肽，一万以上称为蛋白质。

各种蛋白质都有特定的空间构象，而特定的空间构象又与它们特定的生物学功能相适应，蛋白质的结构与功能是高度统一的。

蛋白质的结构一级结构Primarystructure

=aminoacidsequence氨基酸的顺序

一级结构由信使RNA（mRNA）上的遗传密码geneticcode决定二级结构Secondarystructure=foldingandtwistingofasinglepolypeptidechain一条多肽链的折叠或卷曲二级结构的形成是氢键H-bonds及electrostaticinteractions静电相互作用的结构，主要是氢键的贡献e.g.,

螺旋

-helix和

折叠-pleatedsheet三级结构Tertiarystructure=threedimensionalshape(orconformation)ofapolypeptidechain一条多肽链的三维形状或构象四级结构Quaternarystructure=associationbetweenpolypeptidesinmulti-subunitproteins多亚基蛋白中多条多肽链间的相互关联(e.g.,hemoglobin血红蛋白)四级结构的形成至少需要2个多肽链蛋白质的结构蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构是各种α-氨基酸以一定的比例、按一定的顺序，通过肽键连接而成的多肽链。蛋白质的二级结构二级结构是指一条多肽链借助氢键沿一维方向上的走向和周期性的排布方式。蛋白质的二级结构主要有α-螺旋和β-折叠片两种形式蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构是指整条多肽链借助各种非共价键（也叫）盘绕折叠成具有特定肽链走向的紧密空间结构形状。如纤维蛋白和球状蛋白。亚铁血红素蛋白质的四级结构是指多条多肽链之间在空间上的位置、结构、相互关系或结合方式。四级结构只存在于由两条肽链以上组成的蛋白质。其中每一条多肽链称为一个亚基。蛋白质的四级结构维持蛋白质高级结构的力蛋白质氢键疏水键（疏水相互作用）二硫键离子键蛋白质

正常红血球镰刀状红血球镰形红细胞贫血蛋白质的构象病血红蛋白

-链上谷氨酸变成缬氨酸镰刀状贫血病的分子机理蛋白质的构象病天然蛋白质因受物理或化学因素的影响，分子构象发生变化，致使蛋白质的理化性质和生物学功能随之发生变化，但一级结构未遭破坏，这种现象称为变性作用。变性后的蛋白质称为变性蛋白。导致蛋白质变性的因素：热、紫外光、激烈的搅拌以及强酸和强碱等。类型：不可逆变性、可逆变性（可复性）蛋白质的变性尿素可造成温和的变性100度温度可造成不可逆变性去除尿素后复性降温后蛋白质重新折叠，但不能复性核酸

(nucleicacids)TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine1962

FrancisH.C.CrickJamesD.WatsonMauriceH.F.Wilkins

"fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial"核酸核酸是生物体内一种高分子化合物，是在1869年由J.F.米舍尔从脓细胞中分离出来的一种具有较强酸性的含磷物质，因而称之为核酸。凡是有生命的地方，都有核酸存在，它是生物遗传的物质基础，也是蛋白质合成的基础。核酸可分为两大类：核糖核酸RNA（ribonucleicacid）和脱氧核糖核酸DNA（deoxyribonucleicacid）。RNA参与生物体中蛋白质的合成，DNA是生物遗传信息的携带者。核酸核酸的基本结构单位MonophosphateDiphosphateTriphosphate腺嘌呤Adenine鸟嘌呤Guanine胸腺嘧啶Thymine胞嘧啶Cytosine尿嘧啶UracilNucleoside(Adenosine)Nucleotide(Adenosinemonophosphate,AMP)嘌呤Purine嘧啶Pyrimidine核苷核苷酸磷酸五环糖核糖

Ribose,

脱氧核糖Deoxyribose碱基1’2’3’4’5’核酸核苷酸磷酸核苷戊糖含氮碱基核糖脱氧核糖嘌呤碱嘧啶碱核酸的基本结构单位核酸的水解产物：b-D-核糖b-D-2-脱氧核糖RNADNA核酸的基本结构单位嘧啶嘌呤核酸的基本结构单位核苷酸中的有机碱基腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）胸腺嘧啶（T）核酸的基本结构单位DNA&RNA的核苷酸碱基缩写戊糖核苷DNA腺嘌呤A脱氧核糖腺苷鸟嘌呤G鸟苷胞嘧啶C胞苷胸腺嘧啶T胸苷RNA腺嘌呤A戊糖腺苷鸟嘌呤G鸟苷胞嘧啶C胞苷尿嘧啶U尿苷DNARNA结构类型双链结构单链结构基本单位脱氧核糖核苷酸核糖核苷酸碱基dA、dG、dC、dTA、G、C、U五碳糖脱氧核糖核糖无机酸磷酸磷酸存在场所主要存在于细胞核中主要存在于细胞质中主要功能传递和表达遗传信息指导蛋白质的合成，部分病毒将遗传信息储存在RNA上DNA和RNA的区别核苷酸脱水形成磷酸二酯键

OHPO42-磷酸二酯键PhosphodiesterbondO-P=O-OO5’3’PO42-OH3’5’P

RP

RP

RP

RP

RP

R123’5’123456Akindofphospho-polysaccharides多核苷酸链：核酸就是由许多核苷酸单位通过3

,5

-磷酸二酯键连接起来形成的不含侧链的长链状化合物。核酸是具有方向性的长链状化合物，多核苷酸链的两端，一端称为5

-端，另一端称为3

-端。5′端3′端CGA多核苷酸链

多核苷酸ATCGATCGPOH5’3’5’

pApTpCpGpApTpCpG-OH

3’5’

pATCGATCG-OH

3’ATCGATCG多核苷酸链的书写DNA双螺旋构像的发现１９５３年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克描述了ＤＮＡ的结构：由一对多核苷酸链相互盘绕组成双螺旋。他们因此与伦敦国家工学院的物理学家弗雷德里克·威尔金斯共享了１９６２年的诺贝尔生理学或医学奖。大沟Largegroove小沟Smallgroove1螺旋=10.5bp1234