《生命的化学基础》PPT课件.pptVIP

第1篇 细胞与生物大分子,生命的化学基础,第二章,元素周期表中各种元素在生命机体中的丰度,2.1 原子和分子,1、生命中的元素,目前已知的化学元素有115种，其中天然元素有92种，还有十几种元素是在实验室里合成的。 92种天然元素中已有81种在人体中被发现 （除He，Ne，Ar，Kr，Xe，Fr，At，Ac，Pa，Tc)。 这81种元素按其在人体所占质量的比例是否大于0.01%可划分常量元素和微量元素。,常量元素又称宏量元素，有11种。它们共占人体总质量的99.25%。它们是：O，C，H，N，Ca，P，S，K，Na，Cl，Mg 微量元素14种，它们是：（Fe，F，Zn，Cu，V，Sn，Se，Mn，I，Mo，Cr，Co，Si，B)。必需的微量元素在生物体内的作用很大。如碘缺乏。,碘缺乏症,甲状腺肿 呆小症,应该注意：必需和非必需的界限是相对的。首先，随着诊断方法和检测手段的进步和完善，今天认为是非必需的元素可能明天会被发现是必需的。其次，有一个摄入量问题，即使是必需元素在人体内也有一个合适的浓度范围，超过或不足都不利于人体健康。,由于环境污染或从食物中摄入量过大，时间过长，对人体健康有害的元素称为有害元素或有毒元素。（Bi，Sb，Be，Cd，Hg，Pb等）。,韶关镉污染,水是生物体的主要组成成分之一。一般占体重的60%-90%。 存在方式：游离水95；结合水5。随着细胞的衰老，细胞的含水量逐渐下降，活细胞的含水量不低于75。 没有水就没有生命，作用不可替代， 水的特有属性： (1)水分子是极性分子（polar molecule） (2)水分子间可形成氢键（hydrogen bond） (3)水分子水能够电离。,2、水-细胞中不可缺少的物质,电负性（electrionegativity ）:一个原子拉住共用电子的力量. 拉住电子的力量越大，电负性越强。氧的电负性比氢的强。 略带负电荷的一端（O）与略带正电荷的一端（H）相互吸引，形成一个较弱的键氢键（hydrogen bond）。,极性共价键,水分子的极性和形成氢键的能力使其具有高度反应性。 水是极好的溶剂。 液态水分子具有内聚力。 水分子之间的氢键使水能缓和温度的变化。 冰比水轻。,水溶液中的离子,水的作用是： 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,2.2 糖,关于糖类， 你知道哪些?,六、作用,二、分类,三、单糖,一、概述,四、双塘,五、多糖,糖类（carbohydrates）是一大类化合物，元素组成 C、H、O，既有最简单的糖，也有很大的多糖（polysaccharide）。多糖即由糖的单体（单糖monosaccharide）聚合而成的长链。它的通式为Cn(H2O)m。但是符合通式却不一定是糖类。 如，甲醛CH2O不是糖 鼠李糖 C6H12O5是糖。 现在所说的糖是指多羟基醛和多羟基酮以及它们的缩聚产物和衍生物。 存在方式：广泛存在于自然界中，是分布最广的一类天然产物,一、概述,二、分类 （根据其能否被水解、分子的大小）,单糖：最简单的糖，不能再水解的糖。如：葡萄糖，果糖 寡糖：水解能生成210个单糖分子的糖；如蔗糖、麦芽糖（双糖） 多糖：能水解成多个分子的单糖。如：淀粉， 纤维素,三、单糖 (Monosaccharides),葡萄糖（glucose）和果糖（fructose）是最常见的单糖。二者的分子式皆为C6H12O6。 结构式分别为：,1、可看出单糖分子的两个特点： (1)有许多羟基所以单糖属于醇类； ； (2)有羰基，羰基在分子一端的为醛基（葡萄糖），在分子中间的，成为酮基（果糖），所以单糖按功能基可分为醛糖和酮糖。 2、二者是同分异构体，其区别仅在于原子的排列不同，即在于羰基的位置不同。 3、都是由6个碳原子组成，是己糖。,醛糖,酮糖,葡萄糖的某些物理化学性质却不能用其线状结构来解释。 如，糖有变旋光现象，即旋光度发生变化。这用葡萄糖的线状直链结构是无法解释的。说明葡萄糖应该还有其它的结构。Haworth 提出一种环状结构。即单糖在水溶液中还会形成环，环状结构与线状结构互相转变，达成平衡。,单糖的环状结构(了解）,Haworth结构式成功的解释了以上问题。,葡萄糖的结构,常见的单糖还有以下几种：即含有3，4，5，7个碳原子组成的（按碳原子数目分），尤其是5个碳原子的戊糖，是组成核酸的成分。,H2O,四、双糖 (Disaccharides),双糖：由两分子单糖失水而生成的化合物（一分子的半缩醛 羟基与另一分子单糖中羟基脱水而形成糖苷）。如：,麦芽糖,葡萄糖,葡萄糖,-1，4糖苷键,麦芽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,五、多糖 (Trisaccharides),多糖是由成百上千个单糖通过脱水合成而形成的多聚体。这些天然高分子化合物，都是葡萄糖通过糖苷键相连而成的多聚体。 多糖分为两类：一类是营养储备多糖，如：淀粉和糖原； 另一类是结构多糖，如纤维素和几丁质 最重要的有3种：淀粉、糖原和纤维素。,1、淀粉(starch),淀粉储存于植物根和其他部分中， 性质： 淀粉+碘蓝色反应； 淀粉水解最终生成葡萄糖，水解程度可用碘加以检测： 淀粉 糊精 麦芽糖 葡萄糖 蓝 蓝紫红色 无色 无色 应用：淀粉水解时加入碘，可判断水解反应的程度。 深蓝 紫色 红色 无色,淀粉,支链淀粉（-1，4糖苷键和-1，6糖苷键）,直链淀粉（-1，4糖苷键）,含有1000个以上葡萄糖结构单位，每一个单位由a-1,4糖苷 键相连。,（1）、直链淀粉(amylose),直链淀粉的形状示意图,直链淀粉的形状并不是伸展状态的直链，而是有规律的卷曲成螺旋状，每一螺旋圈约有 6个葡萄糖结构单位。螺旋中有空穴，空穴正好允许碘分子进入其中，碘分子与淀粉之间形成碘-淀粉复合物，从而改变了碘原来的颜色。,（2）、支链淀粉(amylopectin),部分结构(part of structure)：,除a-1,4糖苷键连成主链， 还有a-1,6糖苷键连成支链，大约相隔20-25个葡萄糖单位就有一个支链，平均分子量不如直链淀粉大。,支链淀粉遇碘变红。,（了解）,支链淀粉分枝状结构,3、糖原 (glycogen) 储存在肝细胞核肌细胞中，也形成螺旋，不过分支更多。 糖原水解产物也是葡萄糖。 淀粉和糖元是储能的，当需要时，即可被水解成葡萄糖。,3、纤维素 (cellobiose),纤维素是构成细胞壁及支柱组织的主要成份，也是自然界分布最广的多糖。,结构：,绞成绳索状的纤维素,（1）水解产物也是葡萄糖； （2）在生理上，纤维素只能被纤维素酶又叫糖苷酶催化水解，但不能被淀粉酶催化水解。人体内无水解-1，4糖苷键的酶存在，不能利用纤维素作为能源物质；但在食草动物（如牛、羊）的消化系统中，含有这种酶，故这些动物可以用草作为营养来源。 （3）纤维素具有促进胃肠蠕动，帮助消化，防止便秘作用。 膳食纤维 （4）对于植物，纤维素存在于细胞壁中，不卷曲，数千条合在 一起，象电缆一样，形成坚固的支撑物，支持着高耸的大树。,起着保护细胞和支持植物体的作用。,淀 粉,糖 元,纤维素,六、作用,1、供作能源：能量主要是由糖类在降解代谢过程中提供的， 如：淀粉多糖在消化道中水解成葡萄糖，葡萄糖在细胞内 氧化，能提供大量的能量,2、对植物的作用,充当结构性物质，在植物中茎秆的主要成分是纤维素，是 起支柱作用的物质。,二、脂类分类,七、脂类功能,三、脂肪,一、概述,2.3 脂质,四、磷脂,五、蜡,六、类固醇,脂类（lipid）亦译为脂质或类脂，是一类不溶于水而能溶于非极性溶剂的生物有机分子。 其化学本质是脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍生物。 脂类的元素组成主要是C H O,有些尚含N S P。,一、概述,脂肪（甘油三酯） 磷脂：含磷酸及有机碱的脂类 糖脂：含糖及有机碱的脂类 类脂 胆固醇及其酯 类固醇 胆汁酸 类固醇激素,二、脂类分类(了解）,根据生理功能不同：,根据化学结构：,甘油酯类 神经鞘脂类 类固醇,按化学组成分类,单纯脂类：脂肪、蜡 复合脂类 衍生脂类,式中R是脂肪酸的烃链，若相同则称为单纯甘油酯；若不同则称为混合甘油酯。,三、脂肪(fat) （甘油三酯）,脂肪：1分子甘油和3分子脂肪酸结合而成的酯（甘油三酯、三酰基甘油） 。,甘油三酯的分子结构,其特点是主要由碳和氢两种元素以非极性的共价键组成，由于这些分子是非极性的，所以和水不能相溶，因此是疏水的，易溶于乙醚、氯仿、苯和丙酮等有机溶剂中。,四、磷脂：甘油磷酸脂类,甘油只有两个羟基被脂肪酸酯化，而甘油的第三个羟基被磷酸所酯化。细胞膜的主要结构成分。,甘油磷酸酯的结构,磷脂分子结构,脂膜结构图,不饱和双键,极性头部,非极性尾部,五、蜡 也是脂，是由一些长链的醇和长链脂肪酸形成的脂。脂肪酸同乙醇酯化形成 (如蜂蜡)。蜡的碳氢链很长，熔点高于甘油酯，它们的疏水性比脂肪更强，所以可以保护生物体的表面。细胞中不含蜡质，但有的细胞可分泌蜡质。如：植物表皮细胞分泌的蜡膜，防干燥；同翅目昆虫的蜡腺、如高等动物外耳道的耵聍腺。 女王花蒂-景天科石莲花属,六、类固醇,类固醇化合物分子都是以环戊烷多氢菲为其核心结构。由于含有醇基而又为固体故命名为固醇.广布于动植物体中。动物固醇以胆固醇为代表，植物固醇以麦角固醇为代表。,固醇类物质有重要生物学意义。麦角固醇可变为维生素D2，动物固醇有下列功能：7-脱氢胆固醇经紫外光照射可得维生素D3，所以也称维生素D原。胆固醇可变为性激素和肾上腺皮质激素，胆汁酸也由胆固醇转变而来。胆固醇与某些疾病有关。胆管阻塞或胆石等都可因胆固醇结晶而成。此外，动脉硬化也可能与固醇的代谢失常有关，患动脉粥样硬化的病人，血管内壁上常有显著的胆固醇沉着。,因胆固醇过多而造 成的血管壁过厚,脂肪是贮存能量的主要形式。 磷脂、糖脂、固醇等是构成生物膜的重要物质。 在机体表面的脂类有防止机械损伤和防止热量散失的作用。 脂类作为细胞表面的组分与细胞识别、种的特异性、组织免疫性等有密切关系。 萜、类固醇具有维生素、激素等生物功能。,七、脂类的功能,二、蛋白质分子的基本组成单位氨基酸,三、肽键与肽链,四、蛋白质的结构,一、蛋白质的生物学意义,2.4 蛋白质,(一) 蛋白质是生命活动的物质基础,生物体内的蛋白质是除水以外，机体组织中最多的组分，占人体干重的45%，占细菌干重的5070% 。,蛋白质是有机化合物，离不开C、H、O三种元素，还含有N、P、S、金属元素等。,一、蛋白质的生物学意义,1.作为生物催化剂：在体内催化各种物质代谢反应的酶几乎都是蛋白质。 -酶,2.调节代谢反应：一些激素是蛋白质或肽，如胰岛素、生长素。 -信号蛋白,3.运输载体：如红细胞中运输O2、CO2要靠Hb(Hemoglobin血红蛋白)、运输脂类物质的是载脂蛋白、运铁蛋白等转运蛋白或叫载体蛋白。-转运蛋白,4.参与机体的运动：如心跳、胃肠蠕动等，依靠与肌肉收缩有关的蛋白质来实现，如肌球蛋白、肌动蛋白。 -收缩蛋白,(二) 蛋白质的生物学功能,5.参与机体的防御： 机体抵抗外来侵害的防御机能，靠抗体，抗体也称免疫球蛋白，是蛋白质。 -防御蛋白,6.接受传递信息：如口腔中的味觉蛋白、视网膜中的视觉蛋白。 -信号蛋白,7.调节或控制细胞的生长、分化、遗传信息的表达。 -信号蛋白,8.其它：如鸡蛋清蛋白、牛奶中的酪蛋白是营养和储存蛋白；胶原蛋白、纤维蛋白等属于结构蛋白。还有甜味蛋白、毒素蛋白等都具有特异的生物学功能。 -储藏蛋白、结构蛋白,(三) 蛋白质的分类（了解） ：,蛋白质根据功能分类： 结构蛋白：毛、发、肌腱、韧带、蝅和蜘蛛的丝 收缩蛋白：肌肉的收缩需要收缩蛋白与肌腱共同作用 储藏蛋白：卵清蛋白、植物种子的贮藏蛋白 防御蛋白：抗体 转运蛋白：血红蛋白 信号蛋白：激素等负责细胞之间的信号传导 酶： 生物体内最重要的蛋白质,二、蛋白质分子的基本组成单位氨基酸,（一）氨基酸的结构通式：,1、构成蛋白质的氨基酸均为L-氨基酸。 2、具有-氨基和-羧基是各种氨基酸的共性 3、各种氨基酸的区别在于侧基R基上。,从氨基酸的结构通式可以看出：,1、按侧基R基与水的关系分：,（1）非极性氨基酸：有甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸。 （2）极性不带电氨基酸：天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、酪氨酸。 （3）极性带电氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸。,疏水,亲水,（二）氨基酸的结构与分类,疏水性氨基酸的结构,亲水性氨基酸的结构,3、按氨基酸分子中羧基与氨基的数目分（了解） ：,（1）酸性氨基酸：一氨基二羧基氨基酸，有：天冬氨酸、谷氨酸、 （2）碱性氨基酸：二氨基一羧基氨基酸 ，有：赖氨酸、精氨酸、组氨酸 （3）中性氨基酸：一氨基一羧基氨基酸，有：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、脯氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸。,2、按侧基R基的结构特点分（了解） ：,（1）脂肪族氨基酸 （2）芳香族氨基酸：苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸 （3）杂环氨基酸：脯氨酸、组氨酸,4、按氨基酸是否能在人体内合成分：,（1）必需氨基酸：指人体内不能合成的氨基酸，必须从食物中摄取，有八种：异亮氨酸、甲硫氨酸、缬氨酸、亮氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、赖氨酸。 （2）非必需氨基酸：指人体内可以合成的氨基酸。有十种。 （3）半必需氨基酸：指人体内可以合成但合成量不能满足人体需要（特别是婴幼儿时期）的氨基酸，有两种：组氨酸、精氨酸。,Ile Met Val Leu Trp Phe Thr Lys 一 家 写 两 三 本 书 来,(三）氨基酸的两性电离及化学性质,氨基酸既含有氨基，可接受H+，又含有羧基，可电离出H+，所以氨基酸具有酸碱两性性质。通常情况下，氨基酸以两性离子的形式存在，如下图所示：,羧基可以发生酯化；氨基可以发生酰基化反应；氨基与亚硝酸作用可转变为羟基等等。此外，由于官能团的相互影响氨基酸还有其特殊的性质。,与茚三酮的反应：除脯氨酸与羟脯氨酸外，可与其它氨基酸生成蓝紫色化合物。脯氨酸与羟脯氨酸为黄色化合物。,(-氨基与-羧基共同参加的反应),三、肽键与肽链,1.肽键（酰胺键）：一个氨基酸的-COOH 和相邻的另一个氨基酸的-NH2脱水形成共价键。如下图：,肽键和肽的结构,2. 氨基酸借肽键连接起来叫肽，肽是一大类物质，即：,1）两个氨基酸组成的肽叫二肽； 2）三个氨基酸组成的肽叫三肽； 3）多个氨基酸组成的肽叫多肽； 4）氨基酸借肽键连成长链，称为肽链，肽链两端有 自由-NH2和-COOH，自由-NH2端称为N-末端（氨基末端）， 自由-COOH端称为C-末端（羧基末端）； 5）构成肽链的氨基酸已残缺不全，称为氨基酸残基； 6）肽链中的氨基酸的排列顺序，一般-NH2端开始，由N指 向C，即多肽链有方向性，N端为头，C端为尾。,蛋白质的水解,1、酸水解,2、碱水解,3、蛋白酶水解,蛋白质酸碱水解常用于蛋白质的组成分析(破坏氨基酸 )，而酶水解用于制备蛋白质水解产物。,水解方式：,蛋白质的结构是非常复杂的，具有多种结构层次，蛋白质分子的专一形状是由4个水平的结构决定的，这4个水平是一级、二级、三级、四级结构。二级、三级、四级结构是空间结构。在二级与三级之间还存在超二级结构和结构域这两个结构层次。,四、蛋白质的结构,1、蛋白质的一级结构,蛋白质的一级结构（Primary structure）又称为共价结构或化学结构。它是指蛋白质中的氨基酸按照特定的排列顺序通过肽键连接起来的多肽链结构。 多肽中氨基酸的排列顺序,二级结构的概念：多肽链在一级结构的基础上，按照一定的方式有规律的旋转或折叠形成的空间构象。其实质是多肽链在空间的排列方式。,2、蛋白质的二级结构,蛋白质多肽链的二级结构主要有两种形式：一种是右螺旋型，又叫做-螺旋；另一种是褶纸型，又叫做-折叠 。,这种二级结构的形成都是由于距离一定的肽键之间形成氢键。,-螺旋型 多肽链结构 可示意如图,-螺旋,-折叠,肽链伸展在纸型的片面上，相邻的肽链又通过氢键 （图中虚线）相互连接。,是一条多肽链进一步扭曲折叠成一定的空间结构形态。在在扭折时，倾向于把亲水的极性基团露于表面，而疏水的非极性基团包在中间。,肌红蛋白的空间结构,3、蛋白质的三级结构,如：纤维蛋白和球状蛋白。,纤维状蛋白质的结构,了解,几个各具有特定的一、二、三级结构的多肽链在一起或者还和辅基在一起，再以一定的关系相集合，这是蛋白质的四级结构。 组成蛋白质的各个多肽称为亚基，四级结构是由各亚基之间形成的键所维持。亚基可以相同也可以不同。,4、蛋白质的四级结构,血红蛋白质的三级结构和四级结构,运甲状腺素蛋白的一,二,三,四级结构,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,总结：蛋白质结构,蛋白质的一级结构是指肽链中氨基酸的排列顺序 蛋白质的二级结构是指邻近几个氨基酸形成的一定的结构形状。 如：螺旋和折叠 蛋白质的三级结构是指整条肽链盘绕折叠形成一定的空间结构形状。如纤维蛋白和球状蛋白。 蛋白质的四级结构是指各条肽链之间的位置和结构。所以，四级结构只存在于由两条肽链以上组成的蛋白质。,前一级结构决定着下一级结构。其结构决定着它的功能,2.5核酸,核酸是由核苷酸组成的多聚体。核苷酸（nucleotide）由三部分组成：即戊糖、磷酸基团和含氮碱基。,两类：即核糖和2-脱氧核糖。,按照戊糖的不同，核酸分成两类： 一类戊糖是核糖的称核糖核酸（简称RNA）， 一类戊糖是2-脱氧核糖的称脱氧核糖核酸（简称DNA）。,1.戊糖,RNA 、DNA所含碱基各有四种， DNA含有A、G、C、T RNA含有A、G、C、U,2碱基,DNA的四种核苷,戊糖与含氮碱基形成的苷叫做核苷 由于RNA 、DNA所含碱基各有四种，所以它们各有四种核苷。,3核苷,RNA的四种核苷,核苷中糖-5位羟基与磷酸所形成的酯。,4核苷酸,核酸是由许多核苷酸单元所构成的高分子化合物，在核酸分子中，核苷酸单元是通过磷酸酯键，在戊糖的3位上联结起来的，即5磷酸基团与戊糖3 位OH脱水形成一个重复出现