第二章+生命的化学0910.ppt

1、第二章 生命的化学,生 命 科 学 导 论An Introduction to Life Sciences,2,所有的生命体有一个共同的语言，这个语言就是化学。Arthur Kornberg,1959年获诺贝尔 生理学或医学奖,亚瑟科恩伯格 （1918-2007）,3,大肠杆菌细胞的分子组成,4,本 章 内 容,2. 蛋白质是生命体的主要功能分子,3. DNA是遗传信息的主要贮存者,4. 遗传信息的传递和表达遵循中心法则,1. 糖类是生物体的主要能源物质,5,1. 糖类是生物体的主要能源物质,淀粉 糖原,丙酮酸,CO2 + H2O,葡萄糖,2ATP,2ATP,糖 酵 解,三 羧 酸 循 环,呼

2、 吸 链,26ATP,酶 促 水 解,6,ATP是生物体能量流通的货币,能量直接来源,7,生物体把能量用在生命活动的各个方面,8,三大能量物质之间可以进行转化,脂肪,蛋白质,糖类,9,葡萄糖是最常见的单糖,10,一些多糖的高级结构,11,2. 蛋白质是生命体的主要功能分子,蛋白质（Protein）,12,蛋白质由氨基酸组成,2012年湖北某高三班集体打吊瓶补充氨基酸,13,氨基酸的结构,【氨基酸】是含有氨基和羧基的一类有机化合物的统称，是生物功能大分子蛋白质的基本组成单位。,氨基酸的结构通式,侧链 可变基团,14,常见氨基酸有20种,15,20种氨基酸的名称及简写,16,营养提示：必需氨基酸有

3、8种,【必需氨基酸】：人体自身不能合成，必须从食物中摄取的氨基酸。 对成人来讲，必需氨基酸共有8种： 赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸。,17,营养提示：,根据氨基酸的种类和数量将食物中的蛋白质分为3类： 1、完全蛋白质：奶、蛋、鱼、肉 2、半完全蛋白质：谷类、豆类 3、不完全蛋白质：肉皮 另外，谷类 + 豆类 完全蛋白质,18,蛋白质分子中氨基酸以肽键相连,【肽键】：是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。 肽键是一种共价键。,19,蛋白质/肽链的表示方法,丝氨酸-缬氨酸-酪氨酸-天冬氨酸-谷氨酰胺 Ser-Val-Tyr-Asp

4、-Gln S-V-Y-D-Q,20,蛋白质的一级结构是区分蛋白质的基础,【蛋白质的一级结构】：蛋白质分子中氨基酸的排列顺序，也叫初级结构或基本结构。 蛋白质的一级结构靠共价键（肽键）维系。,牛胰岛素的一级结构,21,蛋白质的结构分为4层,蛋白质的结构分为一级、二级、三级和四级结构。 二级、三级和四级结构均为蛋白质的高级结构。,22,蛋白质的高级结构是实现生物功能的基础,【蛋白质的高级结构】：也称空间结构或三维构象，是指蛋白质分子中原子和基团在三维空间上的排列、分布及肽链的走向。 蛋白质的高级结构是分层次的。 蛋白质的高级结构包括二级、三级和四级结构。,23,蛋白质的高级结构,螺旋,折叠,24,

5、蛋白质的高级结构靠非共价键维持,共价键 氢键 静电作用 范德华力 疏水键,非 共 价 键,非共价键数量巨大， 才得以维持生物大分子的高级结构。,25,蛋白质高级结构重要性的反例（1）,如高级结构遭到破坏，蛋白质的生物功能减弱或丧失。蛋白质变性 条件：高温、极端pH、紫外光照、重金属、有机溶剂等 生鸡蛋 熟鸡蛋,加热,26,蛋白质高级结构重要性的反例（2）,如高级结构改变，蛋白质功能可能发生变化，甚至导致严重的疾病。 疯牛病的致病原因Prion朊蛋白,疯牛病,朊蛋白,27,现发现Prion蛋白有两种高级结构： 正常的Prion蛋白PrPc 异常的Prion蛋白PrPsc,b-折叠占3% b-折叠

6、占54%,PrPc,PrPsc,28,Prion致病机理蛋白质错误折叠,PrPsc 可与细胞中原有正常的PrPc 相互作用，使PrPc 重新折叠，变成异常的PrPsc 。 增多的PrPsc 聚集形成淀粉样斑，破坏脑细胞。,空泡,褐色斑块,29,蛋白质举例(1)血红蛋白,运输氧气、二氧化碳,30,血红蛋白通过协同作用实现携氧功能,31,蛋白质举例(2)白蛋白/清蛋白,血清白蛋白 卵清蛋白 乳清蛋白 豆白蛋白,32,人血清白蛋白的重要作用,维持血浆胶体渗透压的恒定 运输脂肪酸、Ca2+、Na+、K+等 临床应用,33,基因工程生产人血清白蛋白,全球对人血清白蛋白的需求500 吨/年。 水稻生产人血

7、清白蛋白（由武汉大学杨代常教授团队完成）。 每公斤水稻种子中获得2.74克纯人血清白蛋白，这比同样重量的烟草叶中纯化的人血清白蛋白高出了25倍。,普通水稻,转基因水稻,34,蛋白质举例(3)胶原蛋白,胶原蛋白是构成皮肤、软骨、肌腱、牙齿的主要纤维成分。 生命支架 具有重复的-Gly-X-Y-序列，其中X常常是脯氨酸，而Y是4-羟脯氨酸。,35,VC有助于维持胶原蛋白的正常结构,羟脯氨酸的羟化是在脯氨酰羟化酶的催化下进行的，这个酶需要维生素C使其活性中心的铁原子保持亚铁状态。 缺少维生素C会使羟化不完全，不能正常形成纤维，造成皮肤损伤和血管脆裂，引起出血、溃烂，即坏血病。所以维生素C又叫抗坏血酸

8、。,36,蛋白质举例(4)蛋白酶,己糖激酶：催化葡萄糖的磷酸化,37,酶的作用,体外合成的条件： 185 200 14 20 MPa,体内合成的条件： 37 0.1 MPa,降低反应活化能，使生物体内的反应在体温和一个大气压下进行。 如：尿素的合成,38,3. DNA是遗传信息的主要贮存者,39,DNA是一种核酸,核酸中最重要的部分是碱基。 DNA中的碱基有四种：A、T、G、C。,40,DNA的信息文本由ATGC写成,四种碱基ATGC在DNA上的排列顺序即【DNA的一级结构】。,41,任意两个人之间的DNA相似度99.9%。,乙的一段DNA序列,甲的一段DNA序列,42,人类与其他物种的基因组

9、比较,43,单链DNA和双链DNA,单链DNA是碱基单元的长链聚合物。 两条互补的单链DNA通过双螺旋结构DNA的二级结构紧紧联系在一起，形成双链DNA，构成生命体的信息遗传物质。 细胞中的DNA大部分以双链形式存在。 双链DNA的碱基呈互补配对，A总是与T配对，G总是与C配对，即A=T、 GC配对。,44,DNA的二级结构双螺旋,45,DNA双螺旋的发现,DNA钠盐纤维的X射线衍射图,Rosalind Franklin,Maurice Wilkins,46,串珠状核小体,DNA双螺旋片段,染色质纤维,伸展形染色质片段,密集形染色质片段,染色体,DNA双螺旋染色质染色体,染色质 动态结构,组蛋

10、白,47,4. 遗传信息的传递和表达遵循中心法则,Francis Crick,48,49,DNA半保留复制,DNA的双螺旋结构对遗传信息的复制和传递至关重要。,50,DNA转录为RNA,51,RNA翻译成蛋白质,遗传信息的表达是由DNA经过RNA翻译成 蛋白质。,52,翻译的中介是密码子,每三个碱基组成一个密码子，决定一个氨基酸。,53,遗 传 密 码 字 典,64组密码子编码20种氨基酸,54,下面就是从基因到蛋白质的故事，或者说从基因型到表型的故事：,55,基因(gene)即DNA上的编码序列,56,基因信息解码翻译成蛋白质,57,每种蛋白质行使独特的功能,乳糖酶 分解牛奶中的乳糖,肌球蛋

11、白 帮助肌肉收缩,胶原蛋白 皮肤和软骨中 的结构蛋白,血红蛋白 帮助血红细胞 运输氧气,58,基因的突变可能产生功能异常的蛋白质,59,血红蛋白基因的突变产生严重后果,正常血红蛋白的链 结构 红细胞,突变血红蛋白的链 结构 红细胞,60,日本福岛的蝴蝶突变,核辐射导致基因突变，表型变化,正常草酢浆灰蝶,突变草酢浆灰蝶,61,中心法则补充版,逆转录,复制,62,RNA病毒的自我复制,63,体外实验中，该过程正是基因工程的基础。,RNA逆转录成cDNA,64,生物的遗传信息表现为特定的核苷酸排列顺序储存。 细胞分裂时，通过DNA复制把亲代的遗传信息忠实递给子代细胞。 细胞生长时，遗传信息通过转录传递给RNA，再由RNA通过翻译转变成特定氨基酸排列顺序的多肽，由多肽执行生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。 一些RNA病毒能以自己的RNA为模板复制出新的病毒RNA，或以其RNA为模板合成D