元素和化合物

第二章生命的物质基础 元素和化合物生物体的主要生物分子糖类脂类蛋白质核酸 1生命对元素的选择 元素 具有相同核电荷数 即质子数 的同一类原子总称为元素 目前共发现118种元素 大量元素12种 C H O N P S K Ca Mg Na Fe Cl 99 99 微量元素13种 Cu Zn I Mn Cr F Ba Co Li Se Sn Mo B 0 01 生命需要约25种元素 碘缺乏症 甲状腺肿 碘缺乏症 呆小症 克汀病 有害元素 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 有毒元素包括 铍 铝 镓 镉 铟 锑 碲 汞 铊 铅 铋 镭 铀等 重金属污染 被镉污染的扁豆 汞污染 水俣病患者 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 每种元素都对应有一个合理的摄入量 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 同位素及利用 同位素 质子数和电子数都相同 但中子数不同的原子 如 12C 14C 14N 15N 31P 32P 16O 18O 同位素示踪 利用放射性同位素显示某种原子在生物体内的来踪去迹的技术 2生物体的主要生物分子 蛋白质核酸脂类糖无机盐水 不同的生物体 其分子组成也大体相同 特性 水是极性分子水分子之间形成氢键液态水分子具有内聚力水能缓和温度变化冰比水轻水是极好的溶剂水能电离 1 水是细胞中不可缺少的物质 水是生物体的主要成分之一 细胞中水的含量通常占细胞总量70 80 不同机体或同一机体的不同器官 含水量差别很大 例如 人体骨骼22 肌肉76 脑70 84 肝脏70 皮肤72 心脏79 血液83 一般说来 水生生物和生命活动旺盛的细胞 含水较多 陆生生物和生命活动不活跃的细胞 含水分较少 如休眠的种子 孢子含水量低于10 细胞中水存在形式 游离水和结合水 生物体内水的主要作用 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 润滑作用 保持植物固有姿态 2 无机盐 以离子状态存在 占细胞总量的1 以下 主要的阴离子 Cl PO4 和HCO3 在细胞中的作用 构成生物体的缓冲系统 在细胞的能量代谢中起着关键作用 是核苷酸 磷脂 磷蛋白和磷酸化糖的组成成分 阳离子在细胞中的作用 3 生物大分子 生物大分子 biologicalmacromolecule 是作为生物体内主要活性成分的各种分子量达到上万或更多的有机分子 如 糖类 脂类 蛋白质 核酸 这些功能基团几乎都是极性基团 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 生物大分子的基本性质取决于与碳骨架相连接的功能基团 生物大分子的构成规律 多聚体 生物单分子 单体 脱水合成 水解 水解 3糖类化合物 糖类 carbohydrate 从化学本质上来说 糖类是多羟醛 多羟酮及其缩聚物和某些衍生物的总称 糖广泛存在于生物界 是地球上数量最多的一类有机化合物 对于植物来说 占其干重的85 90 细菌占10 30 动物小于2 糖类的分类 单糖 不能再水解的糖 寡糖 低聚糖 由2 6分子单糖脱水缩合而成的糖 多糖 由6分子以上的单糖脱水缩合而成的多聚体 葡萄糖 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 4 麦芽糖 O 糖苷键 直链淀粉 支链淀粉 淀粉主要存在于植物的种子 块根 块茎和果实中 糖原 与支链淀粉类似 只是分支程度更高 每隔4个葡萄糖残基便有一个分支 结构更紧密 更适应其贮藏功能 存在于动物体内 纤维素 在自然界中分布最广 含量最多 不分支 不卷曲的长链彼此相互平行由氢键联系 存在于细胞壁中 是木材的主要成分 果胶 直线性高聚体 广泛分布于植物界 是植物细胞壁的组分之一 半纤维素 存在于植物细胞壁 增加细胞壁强度 琼脂 多糖混合物 来源于石花菜藻等红海藻中 了解 糖类的生物学功能 结构成分主要能源物质中间代谢物质信息分子解毒作用润滑保护作用 4脂类化合物 脂类 是脂肪 磷脂 类固醇等类化合物的总称 是由脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍生物 各种脂类分子的结构可以差异很大 但均不溶于水 而溶于非极性溶剂 由碳和氢以非极性共价键组成 脂类主要包括 脂肪 三酰甘油酯 中性酯 磷脂 类固醇 萜类以及蜡 1 脂肪 甘油三酯 三酰甘油 由甘油和脂肪酸脱水合成 脂肪 动物 fat 和油 植物 oil 脂肪 甘油三酯中含较多饱和脂肪酸 且常温下呈固态的 油 甘油三酯中含较多不饱和脂肪酸 且常温下呈液态的 2 磷脂 磷酸甘油酯 人工膜 脂质体 脂质体是根据磷脂分子可在水相中形成稳定的脂双层膜的趋势而制备的人工膜 直径25 1000nm不等 类固醇也称甾类 以环戊烷多氢菲为基础 不含脂肪酸 但具有脂类性质 也是细胞膜的重要成分 3 类固醇 类固醇 其中胆固醇等脂类主要存在于动物细胞内 既是细胞膜的重要成分 也是血中脂蛋白复合体的成分 与动脉硬化有关 4 其他几种重要脂类 必须脂肪酸 维持生命活动所必需的 体内不能合成或合成速度太慢不能满足机体需要 必需从外界摄取的脂肪酸 亚油酸 亚麻酸 二十二碳六烯酸 DHA 蜡 动物蜡 植物蜡 了解 主要能源物质是生物膜的主要成分某些生物大分子的组成部分生物活性物质参与生物代谢生物表面的保护层 脂类的主要生物学功能 5蛋白质 5 1氨基酸 aminoacid aa 组成部分 氨基 NH2 羧基 COOH 氢原子 H R基团 R 种类 20种 5 2蛋白质的分子结构 肽键 由一个氨基酸的氨基和另一个氨基酸的羧基脱水缩合而成一种酰胺键 肽键 主链 侧链 N C 氨基酸残基 氨基酸 aminoacid 二肽 dipeptide 三肽 tripeptide 寡肽 oligopeptide 10个以下氨基酸组成 小分子肽 多肽 polypeptide 超过十个氨基酸蛋白质 protein 超过五十个氨基酸 大分子蛋白质多是组成氨基酸超过100的长肽链 1010 1012种 20种 5 3蛋白质的空间结构 一级结构二级结构三级结构四级结构 指多肽链中氨基酸的种类 数量和排列顺序 结构 线性平面结构主键 肽键副键 二硫键 1 一级结构 primaryatructure 人胰岛素分子的一级结构 二硫键 A B 2 二级结构 secondarystruture 肽链相邻氨基酸残基间主要靠氢键维系的有规律 重复有序的空间结构 主键 氢键种类 3种 螺旋 折叠 螺旋 helix Sheet 平行 折叠 反向平行 折叠 helix triplehelix 胶原蛋白独有的结构 3 三级结构 tertiarystructure 在二维结构的基础上 整个单体蛋白质分子或亚基由于R基团的疏水性或亲水性不同 可进一步折叠 盘曲层的接近球形的特定立体空间结构 主要化学键 疏水键 酯键 氢键 离子键 二硫键等 结构特点 具有亲水表面和疏水核 三级结构 亚基 subunit 松散肽段 螺旋 折叠 血红蛋白的三级结构 4 四级结构 quaternarystructure 指亚基集结的结构 亚基单独存在并不具有活性 维系键 氢键 疏水键 离子键等 不是所有蛋白质都有四级结构 二聚体 四聚体 血红蛋白的四级结构 DNA聚合酶 的四级结构 六聚体 蛋白质必须在三级结构的基础上才表现活性 5 4蛋白质的变构和变性 构象 conformation 蛋白质的空间结构变构 allostericeffect 变构调节 通过蛋白质的构象变化而实现调节功能的现象 变性 denaturation 蛋白质分子受到某些理化因子的影响 空间结构 次级键 发生破坏 理化性发生改变 生物活性丧失的过程 复性 renaturation 去除变性因素后 蛋白质空间结构恢复的过程 5 5蛋白质的分类及功能 按组成成分 单纯蛋白质结合蛋白质 蛋白质 辅基 按分子形状分 纤维蛋白球形蛋白 按生理功能分 酶蛋白 催化 结构蛋白 结构支持 运输蛋白 转运 运动蛋白 收缩运动 激素蛋白 代谢调节 抗体蛋白 免疫 5 6酶 enzyme 酶是活细胞产生的可调节化学反应速度的生物催化剂 绝大多数的酶都是蛋白质酶在常温 常压 中性pH的温和条件下具有很高的催化效率 为什么酶能使反应加速 酶能降低反应活化能 酶 底物 酶 底物复合物 酶 产物 酶怎样降低反应活化能 特殊的三维空间结构和构象活性位点 活性中心适于结合一种或一类底物分子 酶为何能与底物特异性结合 酶具有专一性 影响酶活性的因素有很多 温度的影响 pH的影响 辅助因子的作用 全酶 酶蛋白 辅助因子 辅酶 水溶性维生素 松散结合 辅基 无机离子 紧密结合 抑制剂的作用竞争性抑制剂 可逆 非竞争性抑制剂 不可逆 反馈抑制 酶促反应在细胞中往往不是独立发生的在代谢过程中局部反应对催化该反应的酶所起的抑制作用 称为反馈抑制 细胞自行调节其代谢 维持细胞稳态的一种机制 激活剂的作用 使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质 大多是金属离子 如Mg2 K Mn2 等 少数为阴离子 如Cl 等 还有许多有机化合物激活剂 如胆汁酸盐等与酶分子氨基酸侧链基团结合 稳定酶分子催化基团的空间结构 作为底物或辅助因子与酶蛋白之间的桥梁 作为辅助因子的组成成分协助酶的催化反应 酶的分类 氧化还原酶 氧化酶 过氧化物酶 脱氢酶转移酶 转氨酶水解酶 唾液淀粉酶 胃蛋白酶裂解酶 脱羧酶 碳酸酐酶异构酶 旋光异构酶 变位酶合成酶 谷氨酰胺合成酶 6核酸 6 1核苷酸 化学键 糖苷键 磷酸酯键 核苷酸有多少种 核苷酸的命名 磷酸数目 核苷一磷酸 脱氧 核苷 酸 NMP dNMP 二磷酸 脱氧 核苷 酸 NDP dNDP 三磷酸 脱氧 核苷 酸 NTP dNTP 如 三磷酸腺苷 ATP 环一磷酸腺苷 cAMP 高能磷酸键 第二信使 环一磷酸腺苷 cAMP 6 2多核苷酸 5 3 结构特点 磷酸分子与五碳糖缩合形成 3 5 磷酸二酯键 6 3DNA 1 双螺旋结构模型的提出1953年 由Watson和Crick提出双螺旋结构模型基础 40年代后期 E Chargaff发现 A T G C1953年2月 Watson和Crick通过Wilkins看到了富兰克林在1951年11月拍摄的一张十分漂亮的DNA晶体X射线衍射照片1962年Watson和Crick Wilkins分享诺贝尔生理医学奖 2 结构特点 双链反向平行右手螺旋磷酸和脱氧核糖相继排列 位于外侧 形成骨架 碱基配对 Chargaff法则 位于内侧 碱基对 维系键 氢键A TT AC GG C 一级结构 4种核苷酸的连接和排列顺序 3 DNA的空间结构 A DNA Z DNA B DNA 高湿度 92 二级结构 双螺旋状结构包括多种构象 B DNAA DNAZ DNA 三级结构 是DNA的高级结构 DNA双螺旋进一步扭曲盘绕所形成的特定空间结构 超螺旋结构 superhelix 超螺旋结构 DNA超螺旋结构 线粒体 叶绿体 细菌 质粒及一些病毒的DNA为封闭环状DNA分子 多扭曲成麻花状的超螺旋结构 DNA超螺旋结构 真核生物细胞核中DNA盘绕在组蛋白上形成核小体 nucleosome 进一步折叠螺旋形成染色质 体 DNA分子的变性与复性 6 4RNA 由DNA分子转录而来 由多核苷酸单链组成 可形成局部双链或双股螺旋等空间结构 RNA种类 信使RNA messengerRNA mRNA 转运RNA transferRNA tRNA 核糖体RNA ribosomalRNA rRNA 微小RNA microRNA miRNA 核酶 ribozyme 线形单链 在核中转录DNA上的遗传信息 再进入细胞质 作为指导合成蛋白质的模板 1 mRNA占3 5 局部为双链的茎环结构 起识别