生命的化学基础.ppt

第四讲 生命的物质基础,孙 啸 程 璐, 生命的形式多种多样 生命的形态多变 但是化学成分是同一的 元素：无机界的 C、H 、P 、N 、P 、S 分子：蛋白质、核酸、脂、糖、维生素 认识生命 认识组成生命的物质,生命的基本单位 细胞,不同类型的细胞结构和功能不同，但化学组成基本相似生命的物质基础 一、元素组成 二、分子组成 1、水和无机盐 2、糖类 3、脂类 4、蛋白质 5、核酸,基本元素：C，H，O，N，S，P，Ca 等占人体99.35%。,其它元素：Na，K，Fe，Mg，Mn，Zn，Cu， Cl，I等数量少，但作用大。如很多金属元素是酶的辅助因子。 偶然存在的元素：V、Mo、Li、F、Br、Si、As、Sn、等,一、元素组成,“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， Mn （锰）与酶的活性有关。 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。,Zn （锌）在青少年的发育生长，癌症等的发病和防治起有作用。,Ni （镍）植物中1555ppm,人为0.1ppm；急性白血病.25g/ml,Sn （锡）影响骨钙化速度；,Si （硅）矽肺，Si浸润细胞。,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.,% O C H N P S 其他,人 65 18 10 8 1.0 0.25 2.75,生命形式多样，但基本元素构成是基本一致的；,杆菌 69 15 11 8 1.2 1.00 5.00,为什么是这20多种元素参与生命组成？,这个问题现在没有确切的答案。天然存在的90种元素中，有65种元素不参与生物体组成。从地球表面元素的丰度来看，排在前几位的是O（占47%），Si（占38%），Al（占7.9%），Fe（占4.5%），Cu（占3.5%），可是在生物体内，都是C占的比重最大，O排在第三位，Ca在第五位，而Fe和Al，Si仅以极微量存在于生物体中。 C在生物体结构组成中的重要地位，P在生物体能量代谢中的特殊地位，引人注目。 已有一些文章试图从它们的外层电子能量和元素化学性质来分析。,Why C、H、N、O? H、O、N、C分别是共用1，2，3，4个电子对，是可获得稳定构型的最小原子,能形成稳定的分子 比具有同样原子价数的其它元素更稳定 O、N、C是仅能形成多价的元素H2O2,O2,H2O O2,O是次于F、Cl的第三个跟原子有亲和力的原子是很强的电子受体，得到电子，释放能量,人体的元素成分 说明：日推荐量乃是美国FDA建议的每种微量元素每日摄入量。 在生物体中，碳，氢，氧，氮，磷，硫，氯等几种非金属元素，含量比较多，钠，钾，镁，钙等金属元素，含量也比较多，以上统称常量元素。写在表的右侧的铁，锌等金属元素和硅，硒等非金属元素，在生物体内 含量甚少，称为微量元素。 碳，氢，氧，氮，磷，硫这几种元素，是构成如蛋白质，核酸，糖类，脂类等生物分子的重要原料，氯，钠，钾等参与体内水盐平衡；碘是甲状腺素的重要成分；而镁，钙，铁，锌等配合体内蛋白质成分，参与酶活性调节，氧的输送等重要功能。,二、分子组成,不同类型的细胞，分子组成大致相同，但是这些物质的相对含量相差很大。,有 机 物,蛋白质(Protein) 核酸(Nucleic acid) 糖(Carbohydrate) 脂类(Lipid) 等,其中蛋白质是由氨基酸(amino acid)构成的,核酸是由核苷酸(nucleotide)构成 因此氨基酸、核苷酸被称为构件分子(building block molecule) 各种生物的构件是相同的,几类重要的生命物质,遗传信息的存储和传递者核酸 生命信息载体 遗传信息的表达者蛋白质 生命机器 生命过程的催化剂（酶） 生物体主要供能物质 糖类 生命过程的能源 生物体的重要构件和储能物质脂类 构件、储能,无 机 物,水(water)生命的源泉 无机盐(mineral) 离子 调节生命的环境 细胞渗透压 PH 酶的活化,1、水和无机盐,水 生命来自海洋，生物离不开水。 水的特性符合生物生存的需要： 水是极性分子，形成极性共价键，可以和相邻的水分子形成不稳定的氢键，使水有较强的内聚力和表面能力； 很强的结合能力、最好的极性溶剂，对于物质的运输、生命中化学反应的进行，正常的新陈代谢具有重要意义； 水的比热为1cal/g,在温度改变时，热量的需求和释放较大，使细胞的温度和代谢速率得以保持稳定，维持体温； 固态水比液态水的密度底，有利于水生生物的生存。,无机盐,一般以离子状态存在，Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、HPO4 2- 作用： （1）对细胞的渗透压和PH起着重要作用 （2）酶的活化因子和调节因子，Mg+,Ca+ （3）合成有机物的原料, PO4 3 -合成磷脂、核苷酸 （4）动作电位、肌肉收缩等， Na+、K+、Ca2+ 内环境稳定：PH值 生物生存38.5，各种生物、各种组织均有适宜的PH范围，细胞中的离子有一定的缓冲能力。,2、糖类,生命活动所需能量来源； 重要的中间代谢产物； 构成生物大分子； 分子识别作用。 组成：C:H:O=1:2:1,功能：,糖的分类,单糖- 构成各种糖分子的基本单位 寡糖- 若少数几个（2-6）单糖分子连接 多糖 大量单糖分子的连接 结合糖,单糖分类,己糖,丙糖,戊糖,丁糖,重要的单糖,甘油醛 核糖 脱氧核糖,半缩醛羟基,半缩醛羟基,葡萄糖 果糖 半乳糖,寡 糖,麦芽糖 (maltose) 两分子葡萄糖由糖苷键连接，具还原性 蔗糖 (sucrose) 由一分子葡萄糖和一分子果糖通过糖苷键连接而成，无还原性 食用的糖主要是蔗糖 乳糖(lactose) 半乳糖和葡萄糖结合而成 存在于哺乳动物的乳汁中,寡 糖（oligosaccharides）,双糖：麦芽糖、蔗糖、纤维二糖、乳糖等,-麦芽糖,多 糖,均一多糖 淀粉 植物细胞（谷粒，块根，果实） 糖原 动物细胞（如肝细胞中的糖原） 纤维素 植物细胞 木材-50%纤维素，棉花-90%纤维素 非均一多糖 透明质酸 软骨素,多糖（polysaccharides）,多糖：由很多单糖分子缩合脱水而成的分支或不分支的长链分子，如淀粉、糖原、纤维素,纤维素,- 葡萄糖,3、脂类 生命体的重要构件和储能物质,中性脂肪 (fat)和油(oil) 由甘油和脂肪酸结合而成 类脂(lipoid) 磷脂 ； 糖脂 ； 固醇； 萜类,脂 类,由C、H、O组成，H:O远大于2，不溶于水，能溶于非极性溶剂，类别较多，结构差异很大 功能: 生物膜的组成，磷脂、胆固醇 储存能量 生物表面的保护层 很好的绝缘体，保温 生物学活性，维生素Va、Vd，激素：前列腺素,（1）中性脂肪(Fat)和油(Oil),甘油和脂肪酸结合而成，甘油的每一个-OH和脂肪酸的-COOH结合，形成酯键。,+,（2）蜡（wax） 由长链脂肪酸和长链一元醇脱水而成 皮肤表面，毛、羽、植物叶及果实表面以及昆虫体表 （3）磷脂（phospholipids） 磷酸甘油脂，甘油的一个-羟基和磷酸结合成酯,存在与细胞的膜系统中，在脑、肺、肾、心、骨髓、卵及大豆细胞中含量丰富。 卵磷脂、脑磷脂、丝氨酸磷脂等。,结构特征：亲水头 疏水长链,磷脂类,细胞膜的主要结构成分 有极性的头部和两条疏水的尾部,磷脂和细胞膜,磷脂,脂双分子层,磷酸基团,疏水脂肪酸链,（4）其他脂类,类固醇 特殊芳香族结构，理化性质与脂肪相近 萜类 结构与类固醇相似。 如植物细胞中的胡萝卜素 维生素E 维生素K 结合脂类,固 醇,维生素,4、蛋白质 遗传信息的表达者,氨基酸 遗传信息载体 蛋白质的结构- 多层次 蛋白质结构与功能的关系 变化多端,生物分子信息,细胞,分子,存贮、复制和传递 遗传信息的系统,生物信息的载体,DNA通过自我复制，在生物体的繁衍过 程中传递遗传信息,基因通过转录和翻译，使遗传信息在生物 个体中得以表达，并使后代表现出与亲代 相似的生物性状。,基因控制着蛋白质的合成,DNA,RNA,蛋白 质,转录,翻译,蛋白质的功能,酶的催化作用 运载和贮存 协调动作 机械支持 免疫保护 产生和传递神经冲动 生长和分化的控制,蛋白质的构件分子 氨基酸,氨基酸的通式 氨基酸的分类,氨基酸的通式,组成蛋白质的常见氨基酸有二十种 ，通式如下： R不同，组成的 氨基酸就不同,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,甘氨酸（Gly）的侧链只有一个氢原子，是最简单的氨基酸，具有独特的性质，可以单作为第四类，也可以归于第一类。 含有芳香性侧链 Phe、Tyr、Trp、His 侧链为醇或酚的氨基酸有 Ser、Thr、Tyr 可以形成氢键 Arg、Lys、Asp、Glu、Ser、Thr、Asn、Gln、His、Tyr及Trp,氨基酸的性质,两性解离性质 紫外吸收特性： 紫外吸收(紫外分光光度法的基础) Tyr max=278nm Trp max=279nm phe max=259nm,肽键、肽和多肽,不同数目的aa以肽键顺序相连，形成链状分子，即是肽或多肽，通常分子量在1500以下的为肽，在1500以上的为多肽，-NH2端为N末端写在左， 另一端为C末端，写在右。,蛋白质的结构层次,1、一级结构 2、二级结构 3、三级结构 4、四级结构,蛋白质一级结构,肽键 肽链 氨基酸排列顺序等,二级结构,肽链的主链在空间的走向 -螺旋 -折叠 -转角 无规卷曲 无序结构,-螺旋,多肽主链骨架围绕一个轴螺旋上升。 螺旋最为常见，每一圈3.6个残基，螺距0.54nm，残基高度0.15nm,螺旋半径0.23nm 氢键封闭环包含13个原子 每一个=-57o =-47o, -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。 转角：4个连续的aa残基组成，主链骨架以180返回折叠，第n个残基的羰基氧原子与n+3个残基上的亚氨基氢原子之间形成氢键。,蛋白质的超二级结构,（i）环花样 （ii）发夹花样 （环花样） （iii）希腊图案花样 由四条反平行片组成 （iv）花样 -环- -环-,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,四级结构,多亚基构成的寡聚蛋白结构 均一寡聚蛋白 由相同亚基构成 非均一寡聚蛋白 由不同亚基构成,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。,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,球蛋白 近似球形，表面富含亲水基团，溶于水 如：酶、多种蛋白质激素、各种抗体 细胞质和细胞膜中的蛋白质 纤维蛋白 蛋白质分子围绕一个纵向轴缠绕成螺旋状 如：指甲、毛发、真皮、韧带等,蛋白质的空间作用力,氢键 盐键(离子键) 疏水键 范德华力 二硫键 脂键,盐键 (离子键）,氢键,二硫键,疏水键,氢键,氢键,疏水键,蛋白质的空间作用力,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,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。 可逆变性 不可逆变性,空间结构与功能的关系,N,U,去折叠,重折叠,蛋白变性,可逆变性,不可逆变性,尿素,天然核糖核酸酶,硫醇,松散核糖核酸酶,变性核糖核酸酶,天然核糖核酸酶,除去硫醇,除去尿素,除去硫醇,除去尿素,蛋白质结构测定,1、 X射线衍射结构分析 2、核磁共振结构分析,生命过程的催化剂 酶,酶的概念 是一类具有生物催化活性的蛋白质分子，它可以提高反应速率。 生物分子处于不断变化之中，很少反应没有酶参与 补充定义 酶的作用机理 特异的结构 与底物复合,酶的作用特点,只催化热力学允许的反应 只加快反应速度,不改变反应平衡点 对正逆反应催化作用相同 降低反应活化能,酶的催化特点,反应条件温和 高效 专一 多样 催化活性受多因素影响,反应物,生成物,无酶时的活化能,有酶时的活化能,反应焓变,酶降低反应活化能,酶的作用机理,A+B+E C+D+E S+E SE P+E 邻近与定向 酸碱催化 共价催化,底物形变 微环境的影响,酶,底物,酶-底物复合物,酶+产物,酶的作用机理,酶的生理意义,生物体内绝大多数反应都在酶的作用下进行 各种反应的综合就是生命,5、核酸 遗传信息的存储和传递者,核酸的化学结构 核酸的分类 DNA的结构 RNA的结构特点,碱基+戊糖 核苷 + 磷酸 核苷酸 poly 聚合 核酸 (核苷酸之间通过3.5磷酸二脂键连接),核酸的化学结构,碱基,戊糖,磷酸,碱 基,腺嘌呤A,尿嘧啶U,胞嘧啶C,鸟嘌呤G,胸腺嘧啶T,戊 糖,核糖 脱氧核糖,核酸的分类,核酸分为： 脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic acid DNA),DNA含G.A.C.T四种碱基和脱氧核糖 核糖核酸(Ribonucleic acid RNA)，RNA含G.A.C.U四种碱基和核糖,DNA的结构,DNA的碱基组成 DNA的一级结构 DNA的二级结构(双螺旋) DNA分子结构的某些特征,DNA的碱基组成,A+G=C+T,G=C,A=T 同种生物的不同组织的碱基组成相同,不同生物的同种组织的碱基组成不同 年龄,营养,环境不影响碱基组成,DNA的一级结构,5-磷酸,3-羟基,一种十分稳固的结构 DNA双螺旋,碱基堆积力 H键 离子键,DNA的二级结构(双螺旋),模型一九五三年. Watson & Crick提出,小沟,大沟,DNA的两种二级结构,Z-DNA,B-DNA