1生命的化学基础.ppt

生命科学导论 生命的化学基础,郭晓燕,,生命的化学基础,,常量元素(11种),C、H、O、N，含量最高，其和96% P、S分别是核酸和蛋白质的重要组分 Ca是牙齿和骨骼的重要组分，还具有生物信息传递功能 Cl、K、Na、Ca、Mg对保持生物体内水盐平衡至关重要,第一节 构成生命的元素,,微量元素（14种）0.01%,Fe血红蛋白的重要成分 Mn，Zn一些酶的必要成分 I甲状腺素的必要成分,第一节 构成生命的元素,,铬Cr葡萄糖耐量因子（GFT）的必要成分，是胰岛素的辅助因子，可增加胰岛素的效能，促进机体利用葡萄糖。 相当一部分型糖尿病（非胰岛素依赖型糖尿病）患者，是因为铬摄入不足或利用不良，表现出糖尿病症。 硒Se毒性很大，摄入过多会造成中毒甚至死亡，但对防止克山病、大骨节病有效，并有抗衰老、抗癌等功效。,第一节 构成生命的元素,,第二节 生命大分子,生命过程的碳源和能源糖类 生命体的重要构件和储能物质脂类 遗传信息的表达者蛋白质 生命过程的催化剂酶 遗传信息的存储和传递者核酸,,一、糖 类,一、糖类,主要由C、H、O组成，其分子式通常以Cn(H2O)n表示，旧称碳水化合物。,乳酸CH3CHOHCOOH 可写成C3(H2O)3 ，但不是糖； 而鼠李糖C6H12O5，脱氧核糖C5H10O4，但却是糖。,,一、糖 类,糖：含多羟基的醛类或酮类化合物。,醛,酮,葡萄糖,,一、糖 类,按照结构特点分类： 单糖 寡糖 多糖 结合糖,,一、糖 类,1、单糖：构成糖分子的基本单位，不能再水解为更简单的糖。 根据碳原子数量可分为丙糖（3C）、丁糖（4C）、戊糖（5C）、己糖（6C）、庚糖（7C）。,,（1）甘油醛、二羟丙酮,甘油醛（二羟丙醛）,最简单的单糖,一、糖 类,,D-甘油醛,L-甘油醛,甘油醛（二羟丙醛）,分子中C为不对称C原子，4个取代基各不相同，可以形成互为镜像不能重叠的异构体，分为D型和L型。,其它单糖可以看作是由甘油醛的C链延伸衍生而成。,一、糖 类,羟基,羟基,,核糖,脱氧核糖,（2）核糖C5H10O5 、脱氧核糖 C5H10O4,一、糖 类,,D-葡萄糖 天然存在,L-葡萄糖,确定链状结构式,（3）葡萄糖 C6H12O6,一、糖 类,羟基,,单糖性质：,所有单糖都是白色晶体，易溶于水，且多具有甜味。 单糖上的醛基、酮基、半缩醛上的羟基具有还原性，为还原糖。,一、糖 类,,半 缩 醛,有还原性,一、糖 类,,当链状式中单糖分子C1醛基和C5羟基形成半缩醛时，形成六元环结构（氧环式结构）,有还原性,一、糖 类,,其它单糖,一、糖 类,,一、糖 类,单糖的半缩醛羟基与另一配体（可以是糖也可以是非糖）的羟基缩合而成的化合物称为糖苷，其间的连接键称为糖苷键。 两个单糖通过糖苷键连接成双糖，三个单糖可以缩合为三糖。 常见的双糖有麦芽糖、乳糖、蔗糖。,2、寡糖：由210个单糖组成的聚糖，可以水解为单糖。,,（1）麦芽糖 2分子葡萄糖通过1,4糖苷键相连而成,-1,4-糖苷键,麦芽糖,有还原性,一、糖 类,,（2）乳糖 由半乳糖和葡萄糖通过1,4糖苷键相连而成,-1,4-糖苷键,半乳糖,有还原性,一、糖 类,,不存在半缩醛羟基，为非还原糖。,果糖,（3）蔗糖 由葡萄糖C1和果糖C2上的半缩醛羟基通过糖苷键连接而成。,非还原性末端,一、糖 类,,3、多糖：由多个单糖分子缩合而成的多聚糖。,均质多糖（同型多糖）：如淀粉、糖原 非均质多糖（异型多糖）：如几丁质,组成,一、糖 类,植物多糖：纤维素 动物多糖：几丁质 微生物多糖：葡聚糖,来源,, 淀 粉,直链淀粉 -1,4-糖苷键 支链淀粉 -1,4-糖苷键和-1,6-糖苷键,一、糖 类,,还原性末端,-1,4-糖苷键,-1,6-糖苷键,一、糖 类,, 糖 原,俗称动物淀粉 肝糖原、肌糖原 具有类似支链淀粉的结构，但分子更大，支链更短 收储、支取葡萄糖 调节葡萄糖的供求平衡，缓冲稳定血糖浓度,一、糖 类,, 纤 维 素,由葡萄糖以1,4糖苷键相连而成，没有分支，分子量大。由4104个葡萄糖残基构成。,植物界中的糖类物质有一半以上以纤维素的形式存在，是储藏量最大的植物多糖资源。,一、糖 类,, 几丁质（chitin） 甲壳质,化学组成：C、H、O、N 分布：真菌、绿藻、昆虫、甲壳类动物等的甲壳中 产量：年产1百亿吨，位居第二，仅次于纤维素,一、糖 类,,几丁质的衍生物：,壳聚糖：几丁质脱去55%以上的N-乙酰基后溶解于稀醋酸 用途： 环保中处理吸收污水中重金属离子 制造人造皮肤，治疗烧伤病人 具有降血脂、刺激免疫等保健功能 在食品上可用作保鲜膜,一、糖 类,,糖+蛋白质 糖蛋白 糖+脂类 糖脂,糖蛋白、糖脂是细胞膜的组成成分。 糖蛋白具有特殊的生理功能，如激素、免疫球蛋白等等。 糖脂是细胞表面抗原的重要组分。,4、复合糖：由糖和非糖物质结合成的复合物。,一、糖 类,,糖的生理功能,提供能量 重要的结构成分 生物合成原料 识别作用,一、糖 类,,脂质是一大类物质的总称。 这些物质的化学组成和化学结构差别很大，但性质上却有共同之处，即不溶于水，而溶于有机溶剂。,二、脂 类,二、脂 类,,按化学组成将脂质分为：,二、脂 类,,1、单脂 脂肪（甘油三酯，TG）:由甘油的三个羟基和三个脂肪酸分子缩合、失水后形成。是植物和动物贮脂的主要组成。,二、脂 类,,甘油三酯中含较多饱和脂肪酸，室温呈固态，脂肪 甘油三酯中含较多不饱和脂肪酸，室温呈液态，油,二、脂 类,,甘油三酯中所含的某些脂肪酸,亚油酸、亚麻酸为人体必需脂肪酸。,二、脂 类,,饱和脂肪酸 混 合 功 高 能 氧 温 化 酶 不饱和脂肪酸 顺式脂肪酸 反式脂肪酸 麦吉林(margarine),催化加氢,二、脂 类,,蜡,由饱和或不饱和高级脂肪酸和高级醇构成的酯。 比甘油三酯更为疏水，使蜡成了水果和叶片有效的天然覆盖层，防止水分流失。,二、脂 类,,单脂的化学性质,溶解度：不溶于水，易溶于非极性有机溶剂。 皂化：碱与脂肪酸作用生成肥皂。 酸败：油脂水解释放的游离脂肪酸，氧化成醛或酮。 氢化：可防止酸败。,二、脂 类,,2、复脂 磷脂 根据组成可分为甘油磷脂（甘油构成）和鞘磷脂（由神经鞘氨醇构成）两类。 磷脂是细胞膜的重要组成、乳化剂和表面活性剂。,二、脂 类,,甘油三酯中-C上的脂肪酸，若被磷酸取代则变成磷脂酸,二、脂 类,,当磷酸基OH位置连上胆碱、胆胺或丝氨酸后，就分别形成：,卵磷脂 脑磷脂 丝氨酸磷脂,二、脂 类,,3、衍生脂 甾醇类（固醇类）,其结构与中性脂肪或磷脂均不同，但由于它不溶于水而溶于非极性溶剂，故将其归于脂类。,二、脂 类,,蛋黄,卵磷脂,胆固醇,雌激素 雄激素 VitD3促进钙吸收,二、脂 类,,二、脂 类,血脂,,复合体中甘油三酯含量高，密度低 其中： 极低密度脂蛋白（VLDL）甘油三酯含量最多 低密度脂蛋白（LDL）含胆固醇和胆固醇酯最多 LDL和 VLDL高是引起动脉硬化的元凶 如果人体内LDL受体缺乏或缺少，胆固醇代谢受阻，沉积在血管壁上，造成动脉硬化，该病称为高胆固醇血症,二、脂 类,,复合体中甘油三酯含量少，密度高，称为高密度脂蛋白（HDL） 高密度脂蛋白可以将低密度脂蛋白或甘油三脂分子带到肝脏进行降解，人们形象地把它称为血液中的“清道夫”或“环卫工人”，它的数量决定着血液中的脂代谢是否平衡。,二、脂 类,,萜类,特点：由非极性、疏水的异戊二烯聚合而成，有的成链状、有的成环状结构,二、脂 类,,生理功能各异，其中某些成分在人体内具有很强的抗氧化性，具有抗衰老、抗辐射的功能 如：-胡萝卜素、维生素E等 植物中，多数萜类具有特殊气味，而且是各类植物特有油类的主要成分。 如柠檬苦素、薄荷醇、樟脑分别是柠檬油、薄荷油、樟脑油的主要成分。,二、脂 类,,脂类的生理功能,构成生物膜的骨架 主要能源物质 构成机体或器官保护层 是某些重要生物分子组分 生理活性前体物质,二、脂 类,,习 题,1、地球上含量最丰富的元素是什么？生物体中含量最丰的元素是什么？ 2、写出葡萄糖D型、L型，、的构型 3、胆固醇等在结构上与甘油三酯差别如此之大，为什么还要把它们划入脂类？ 4、写出氨基酸的结构通式,,三、遗传信息的表达者 蛋白质,三、蛋 白 质,,1、蛋白质的构件分子氨基酸,氨基酸的通式 氨基酸的分类 氨基酸的性质,三、蛋 白 质,,（1）氨基酸的通式,R不同 组成蛋白质的常见氨基酸有20种,通式,三、蛋 白 质,,L-型氨基酸 （除甘氨酸） 属-氨基酸 （Pro为-亚氨基酸） 具旋光性 属两性电解质,三、蛋 白 质,,两性电离及等电点,氨基酸在结晶形态或在水溶液中，并不以游离的羧基或氨基形式存在，而是解离成两性离子,三、蛋 白 质,,（2）必需氨基酸,20种氨基酸中有8种不能由人体合成，必须从外界摄取，称为必需氨基酸 8种必需氨基酸为： Met Trp Lys Val Ile Leu Phe Thr “假 设 来 借 一 两 本 书” 甲硫氨酸、色氨酸、赖氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸,三、蛋 白 质,,（3）氨基酸的分类,脂肪族 甘氨酸、丙氨酸等 根据侧链结构 芳香族 苯丙氨酸、酪氨酸 杂环族 脯氨酸等 非极性 苯丙氨酸、丙氨酸等 根据极性带电性 极性不带电 甘氨酸、酪氨酸等 极性带正电 赖氨酸等 极性带负电 天冬氨酸、谷氨酸 是否可为生物体自身合成 必须氨基酸 非必须氨基酸,三、蛋 白 质,,2、蛋白质的结构,三、蛋 白 质,,（1）蛋白质一级结构,氨基酸排列顺序 肽键：酰胺键 肽链：N端、C端、主链、侧链 多肽、氨基酸残基,2,三、蛋 白 质,,1965年我国科学家完成了结晶牛胰岛素的合成，是世界上第一例人工合成蛋白质。 蛋白质的一级结构由遗传信息决定 一级结构决定高级结构。但一级结构并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。,三、蛋 白 质,,（2）二级结构,肽链的主链在空间的走向 氢键,三、蛋 白 质,,蛋白质超二级结构, ,三、蛋 白 质,,三、蛋 白 质,鳞状细胞 （角质层）,皮层细胞,二硫键,,三级结构:整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置,即整条肽链的三维构象。 维持蛋白质三级结构的主要作用力为侧链间的相互作用。,（3）三级结构,三、蛋 白 质,,氢键、离子键、疏水键及二硫键 结构域:在蛋白质结构中形成一紧密的结构,具有特殊的功能,多为蛋白质的活性部位。,三、蛋 白 质,,（4）四级结构,四级结构：各亚基的空间排布。 亚基（subunit）：有的蛋白质分子由两条以上的肽链通过非共价键相连聚合而成，每条多肽链称为一个亚基。 维持四级结构稳定的因素为各亚基之间的作用力如氢键、离子键、疏水键。 含有四级结构的蛋白质，单独的亚基一般没有生物学功能，只有完整的四级结构才有生物学功能。,三、蛋 白 质,,三、蛋 白 质,,三、蛋 白 质,,结构功能 防御功能 信号功能 调节功能 运输功能 运动功能 其他功能,4、蛋白质的功能,三、蛋 白 质,构造人的身体、修补人体组织,构成神经递质乙酰胆碱、五羟色氨等,酶 、胰岛素,白细胞、免疫球蛋白,血红蛋白,肌动蛋白、管蛋白,提供热能、贮存氨基酸,,生命过程的催化剂 酶,酶,,1、酶的概念,酶是生物活体细胞产生，以蛋白质为主要成分，具催化功能的一类生物催化剂。,酶,,2、酶的命名和分类,酶的命名： a.习惯命名法 根据酶催化反应的类型和底物来命名。 b.系统命名法 底物名称+构型+反应性质+酶,酶,酶促反应 习惯命名 系统命名 谷丙转氨酶 丙氨酸:-酮戊二酸氨基转移酶,,2、酶的命名和分类,酶的分类： 根据酶催化反应的类型，可将酶分为7大类： 1. 转移酶 2. 水解酶 3氧化还原酶 4裂合酶 5异构酶 6合成酶 7核酸酶,酶,,辅酶（coenzyme）：非共价键与酶蛋白疏松结合,可用透析、超滤分离，多为小分子物质,辅助因子,酶,辅酶Q10,一碳官能团转移,转移质子和电子,,酶,辅助因子,辅基（prosthetic group）：共价键与酶蛋白结合，不易分离，多为金属离子,DNA聚合酶-Mg2+,,3、酶的催化特点,高效性 专一性 反应条件温和 酶促反应的可调控性,酶,,（1）高效性,酶促反应速度比非催化反应高1081020倍，比一般催化反应高1071013。,从初态转化为过渡态需要能量，即为活化能，活化能越大， 中间产物越难形成，反应越难进行。,酶的催化作用有赖于降低反应的活化能。,酶,,（2）专一性,A. 反应专一性 B. 底物专一性,酶,,A、反应专一性,催化同一类型的化学反应 几乎不产生副产物,酶,,B、底物专一性,结构专一性 手性专一性 几何专一性,酶,,结构专一性,只作用于一个特定的底物，称“绝对专一性” 如脲酶只能催化尿素水解，对尿素的类似物没作用 有些酶作用于一类化合物或一类化学键，称“相对专一性” 如酯酶,酶,,手性专一性,胰蛋白酶L-氨基酸 淀粉酶D-葡萄糖,D-葡萄糖 天然存在,酶,,几何专一性,有些酶只能选择性催化某种几何异构体底物的反应,延胡索酸(反丁烯二酸),L(+)苹果酸,酶,,（3）反应条件温和,常温、常压 中性,酶,,（4）酶促反应的可调节性,激活剂调节 抑制剂调节 激素控制 反馈调节,酶,,4、酶的活性中心,酶的活性部位 按照酶活性中心的功能分为： 结合部位 催化部位 调控部位,酶,,酶的活性中心,结合部位酶的专一性 催化部位酶的高效性,酶的活性中心,酶,酶,底物,酶-底物复合物,酶+产物,5、酶的作用机制,,,,6、酶活性的调节,激活剂的调节 抑制剂的调节,酶,,（1）酶的激活剂,使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂（activator） 大多为金属离子，如Mg2+、Mn2+ 、 K+ 少数为阴离子如Cl- 也有的为有机化合物，如胆汁酸盐,酶,,必需激活剂：对酶促反应不可少。与酶、底物结合参加反应。 非必需激活剂： 有些激活剂不存在时，酶仍有一定的催化活性。,酶,,酶原的激活,酶原（Zymogen）：有些酶（绝大多数为蛋白酶）在细胞内合成及初分泌时，没有活性。 酶原的激活：在一定条件下，酶原可转化成有活性的酶。,酶,,酶原激活的机制 分子内肽键一处或多处断裂，使分子构象发生改变，形成酶的活性中心，同时生成一些肽或碎片。,酶,,酶原激活还存在级联反应,胰蛋白酶原,胰蛋白酶 + 六肽,胰凝乳蛋白酶原,-胰凝乳蛋白酶 + 2个二肽,胰蛋白酶,肠激酶,酶,,意义,消化道内蛋白酶以酶原的形式分泌，避免细胞产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，使酶在特定的部位和环境中发挥作用； 凝血和纤维蛋白溶解酶类以酶原的形式在血液循环中运行，一旦需要便转化为有活性的酶 酶原可视为酶的贮存形式,酶,,（2）酶的抑制剂,酶的抑制剂（inhibitor）：凡能使酶的催化活性下降而不引起酶蛋白变性的物质,不可逆抑制 可逆抑制,酶,,、不可逆性抑制： （irreversible inhibition）,抑制剂与酶的必需基团以牢固的共价键结合，从而使酶活丧失，不能用透析、超滤等去除抑