生命的化学组成

第二章 生命的化学,一 原子和分子生命的化学基础二 糖类化合物三 蛋白质四 核酸五 脂类化合物,一、 原子和分子生命的化学基础,生物体的主要元素,生物具有多样性，但生物体的化学组成基本相似组成生物体的主要元素包括C、H、O、N、P、S、Ca等，以上7种元素约占生物体的99.35%，其中C、H、O、N 4种元素占96%。 自然界中C，H和N三种元素的总和不到总元素的1%。,H、O构成水C、H、O、N构成蛋白质、糖、脂类、核酸S、P构成蛋白质、核酸Ca是骨骼和牙齿的重要组分 Na、K、Cl、Mg保持生物体内水盐平衡,生命必需元素是指对活的有机体维持其正常的生命功能所不可缺少的那些元素，简称为生命元素。常量元素： 体内含量超过0.1%的生命必需元素，共有11种 (氧、碳、氢、氮、钙、磷、钾、钠、氯、硫、镁)微量元素：机体内其含量不及体重万分之一的元素。约占体重的0.05%左右，包括铁、铜、锌、铬、钴、锰、镍、锡、硅、硒、钼、碘、氟、钒等，这些微量元素在体内含量虽然微乎其微，但却能起到重要的生理作用。,生命必需元素,实验方法是：动物实验（1）以缺乏某一种元素的饲料喂养实验动物，观察实验动物是否出现特征的病症;（2）在饲料中恢复添加这种元素，实验动物的特征病症应逐渐消失，恢复健康;（3）应在分子水平或细胞水平找出该元素的作用机制，是某种酶的必要成分，或参加某个代谢过程或某项细胞活动。,哪些元素对人体有益，哪些有害，取决于人的认识水平与实验。,必需微量元素在人体中的主要功能：构成金属酶的必需成分，有三分之一的酶含有金属离子金属元素是蛋白的组成部分，如铁和球蛋白结合的血红蛋白等。 金属元素是激素或维生素的必需成分，如碘与甲状腺原氨酸结合形成具有激素活性的甲状腺素,缺铁造成缺铁性贫血。缺碘不仅会引起甲状腺肿大，而且还可导致不可逆转的运动系统和神经系统发育障碍。缺锌会引起许多疾病，如侏儒症、糖尿病、高血压、男性不育等疾病。缺硒可导致心血管疾病、癌症和克山病等地方病。,微量元素与健康,氟是人体必需的微量元素，正常成人体内共含2.6 g，占人体内微量元素的第三位。氟的生理需要量一般为0.5-1mgday,食品中每日允许摄入量(ADI)不超过3.5mg。氟对人体的安全范围比其他微量元素要窄得多。饮用水中氟含量高于1ppm（1mg/L）即可发生氟斑牙，超过3ppm（3mg/L），则发病率达100。功能：抗龋齿；氟斑牙抗骨质疏松；氟骨病促进肠道对铁的吸收；神经系统损害,微量元素与健康,原子的结构,原子核（质子和中子）电子（电子轨道）,共价键与离子键,有机化合物的碳骨架和功能基团,在生命元素中，碳原子具有特别重要的作用，碳原子相互连接成链或成环，形成各种生物大分子的基本结构。,碳骨架 结构排列和长短决定了有机化合物的基本性质,碳骨架长度变化,生物大分子的基本性质还取决于与碳骨架相连接的功能基团,生物体的主要生物分子,不同的生物体，其分子组成也大体相同,生物体都是由蛋白质、核酸、脂类、糖、无机盐和水组成。哪一种分子含量最高？,蛋白质、核酸、脂类和多糖是组成生物体最重要的生物大分子，水是生物体内所占比例最大的化学成分。,生命之源水,物质的溶解、运输和利用需要水许多生化反应中水是底物或产物关节的润滑肺泡的生理功能毛细管作用植物根系吸收水分,水分子的内聚力和粘着力,四类生物大分子的组成和连接方式,生物大分子：由一些含有相同或相近功能基团的单个有机化合物（单体）聚合而成的多聚体。,生物大分子：由一些含有相同或相近功能基团的单个有机化合物（单体）聚合而成的多聚体。,脱水缩合反应与水解反应,由生物单体分子合成生物大分子多聚体往往涉及与功能基团相关的脱水反应，又称为脱水缩合反应。,使生物大分子多聚体分解为单体的分解反应往往需要有水分子参与，因此又称为水解反应。水解反应是脱水缩合反应的逆反应,几种生物大分子的水解过程,淀粉 糊精 麦芽糖 葡萄糖脂肪 甘油脂肪酸蛋白质 多肽 寡肽 氨基酸核酸 寡核苷酸 核苷酸,碱基、核糖和磷酸,小分子 大分子 复合大分子 单糖 多糖 糖蛋白氨基酸 蛋白质 糖脂核苷酸 核酸 脂蛋白,脂类,生物小分子和生物大分子的关系,二、糖类化合物,糖分子含C、H、O 3种元素，通常3者的比例 为1:2:1，一般化学通式为(CH2O) 葡萄糖C6H12O6, 蔗糖C12H22O11 脱氧核糖C5H10O4，糖是生物代谢反应的重要中间代谢物，还可构成核酸和糖蛋白等重要生物成分、糖又是生命活动的主要能源，糖类是细胞重要的结构成分糖类包括小分子的单糖、寡糖和由单糖构成的大分子的多糖,单糖的定义：多羟基醛或多羟基酮称为糖。 重要的单糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脱氧核糖等 分子式相同而结构式不同的两种有机化合物称为同分异构体 C2-C5 均为不对称碳原子。 六碳糖有16种同分异构体。,单糖,同分异构体,醛糖与酮糖,天然单糖大多数是 D-型糖,5位碳上的羟基在右边为D型，在左边为L型,葡萄糖的两种环式构型(-和-构型),二糖,重要的二糖包括蔗糖、麦芽糖、乳糖等单糖通过糖苷键联成多糖链对二糖结构的了解包括弄清楚 单糖基成份；还是糖苷键,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,麦 芽 糖 的 结 构（1，4连接）,双 糖,多 糖,丰富的多糖资源,纤维素，地球上最多的有机资源几丁质，仅次于纤维素的有机资源。植物多糖，免疫调节海藻多糖，凝胶固化细胞识别,几 丁 质,几丁质(chitin)是2-乙酰基葡萄糖直链多聚体，又名甲壳素、甲壳质、壳蛋白、明角质，化学结构与天然纤维素相似。 被称为动物纤维。在外壳手术中几丁质可用来缝合伤口, 伤口愈合后可自行分解.,糖类分子的生物学功能,光能转变为化学能的储存方式主要是形成葡萄糖.糖类分子可为生物的各种生理生化反应提供能源.糖类分子可形成多糖, 如纤维素,它们是植物的主要结构成分.糖类分子可为核酸, 氨基酸, 脂肪,维生素等生物大分子提供碳骨架.信号分子、免疫调节,糖的功能信号识别,三、蛋白质,蛋白质的主要种类和功能,结构蛋白 伸缩蛋白 贮存蛋白 免疫蛋白 运输蛋白 激素蛋白 信号蛋白 酶和辅酶,蛋白质的元素组成碳50% 氢7% 氧23% 氮16% 硫0-3%,蛋白质的平均含氮量为16%,这是蛋白质元素组成的特点。蛋白含量分析：凯氏定氮法测定氮元素的含量蛋白质含量=氮含量6.25,三聚氰胺,三聚氰胺（化学式：C3H3N6），俗称密胺、蛋白精，主要用于合成三聚氰胺甲醛树脂（密胺脂）。,2007年，美国爆发宠物食品受污染事件：掺杂了6.6%三聚氰胺的小麦蛋白粉是宠物食品导致中毒的原因。 2008年9月，中国爆发三鹿婴幼儿奶粉受污染事件，导致食用了受污染奶粉的婴幼儿产生肾结石病症，其原因也是奶粉中含有三聚氰胺。,由于食品和饲料工业蛋白质含量测试方法的缺陷，三聚氰胺也常被不法商人用作食品添加剂，以提升食品检测中的蛋白质含量指标，因此三聚氰胺也被人称为“蛋白精”。,婴儿奶粉大白兔奶糖亨士婴儿米粉金帝、吉百利巧克力必胜客芝士粉所有乳制品？所有蛋白制品？,蛋白质是由20种氨基酸组成的生物大分子,氨基酸结构的共同特点在于，在与羧基相连的碳原子（-碳原子）上都有一个氨基，另一个R基。,氨基酸的分类,不同氨基酸其R基各不相同，R基的结构决定了20种氨基酸的特殊性质。根据侧链的性质可将氨基酸分为： 酸性氨基酸 极性氨基酸碱性氨基酸 不带电极性氨基酸 非极性氨基酸,酸性氨基酸:中性溶液中分子带负电,碱性氨基酸:中性溶液中分子带正电,不带电极性氨基酸,非极性氨基酸,碳原子不对称碳原子,(1) 水溶液具有旋光性。(2) 有两种同分异构体。这两种同分异构体的分子构造是物体和它镜子中影像的关系（分为D型和L型），称为对映体。(3) 联系它们的旋光性质，又称为光学异构体。(4) 所有的天然19种氨基酸都是L型氨基酸,必需氨基酸,氨基酸又可分为必需氨基酸和非必需氨基酸必需氨基酸是人体不能合成必须从外界吸取的氨基酸包括：缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、色氨酸、赖氨酸,氨基酸的功能： （1）作为组建蛋白质的元件 （2）有的氨基酸或其衍生物具有生物活性（代谢调节、信号传递等）,谷氨酰胺（Gln）是条件必需氨基酸定义：营养上对正常人是非必需氨基酸，在应激状态下，生物体对某种氨基酸的需要量超过它在体内的合成量，即对病人在生理上不可缺少，这种氨基酸称为“条件必需氨基酸”,饥饿、创伤、酸中毒、脓毒症以及过量运动等应激状态下，人体对Gln的需求量远远超过体内合成Gln的能力，因而Gln是一种“条件必需氨基酸”。,牛磺酸又称为牛黄胆碱、牛胆素，2-氨基乙磺酸，对维持人体正常生理功能有重要作用。牛磺酸对婴幼儿中枢神经系统的发育有举足轻重的影响。 牛磺酸对于低氧状态下的脑损伤有保护作用。牛磺酸还是人肠道双歧因子的促生长因子，有利于优化肠道菌群结构。人体中牛磺酸的来源有两种，一种是自身合成，另一种是从膳食中摄取。,一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基脱水缩合，形成肽键并生成二肽化合物。,肽键的形成,不同数目的氨基酸以肽键顺序相连形成多肽，多肽形成蛋白质分子的亚单位。,肽键的形成,一条肽链的两端有不同结构和性质：一端的氨基酸残基带有游离氨基，称氨基(N)端; 另一端的氨基酸残基带有游离羧基，称羧基(C)端。,肽链有方向性:,蛋白质的特定构象即蛋白质的三维空间结构和形态对于蛋白质的功能起决定性的作用。蛋白质变性（构象发生变化）使得其特定的功能便立即丧失。,蛋白质结构与功能的关系,蛋白质的空间结构,一级结构 二级结构 三级结构 四级结构,蛋白质的一级结构是指氨基酸的排列顺序 蛋白质二级结构是部分肽链发生卷曲和折叠，这种卷曲和折叠是靠肽链中的羰基和氨基间的氢键维持的。蛋白质结构包括螺旋和折叠 蛋白质的三级结构是指多肽链在二级结构的基础上再盘绕或折叠形成的三维空间形态。 蛋白质的四级结构是指有的蛋白质含有两个或更多的肽链，每一个肽链都是蛋白质的一个亚单位（又称亚基），亚基相互作用并结合形成蛋白质的特定结构。,蛋白质二级结构,蛋白质的空间作用力,盐键,氢键,二硫键,疏水键,氢键,氢键,非共价键的键强度很小,A、需要多个非共价键才足以维持高级结构的稳定；B、高级结构不很稳定。生物大分子变性就是因为高级结构破坏，大分子性质改变，生物活性丧失。但是，一级结构尚未破坏。,蛋白质变性使高级结构破坏,变性后的蛋白质分子还能复性,蛋白质缺陷病-镰刀形血红细胞,四、核酸,核酸贮存遗传信息，控制蛋白质的合成核酸包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),都是由许多顺序排列的核苷酸组成的大分子。贮存遗传信息的特殊DNA片段称为基因，它编码蛋白质的氨基酸序列，从而决定蛋白质的功能。通过蛋白质的作用，DNA实际上控制着细胞和生物体的生命过程。DNA控制蛋白质的合成是通过RNA来实现的，即遗传信息由DNA转录到RNA，后者决定蛋白质的氨基酸序列,核酸的单体是核苷酸每一个核苷酸含有一个戊糖（核糖或脱氧核糖）分子、一个磷酸分子和一个含氮的有机碱（碱基）。戊糖与碱基间形成糖苷键戊糖与磷酸间形成磷酸酯键。,核苷酸,核糖与脱氧核糖,核糖为5碳糖, 注意碳原子的排列顺序编号.,核苷酸的有机碱分为两类：嘌呤和嘧啶。嘌呤包括腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)2种嘧啶有胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)3种,DNA的碱基是A、T、G、C，RNA的碱基是A、U、G、C。,碱基,参加大分子核酸组成的核苷酸 DNA水解液中 RNA水解液中,脱氧腺苷酸（dAMP） 腺苷酸（AMP）脱氧鸟苷酸（dGMP） 鸟苷酸（GMP）脱氧胞苷酸（dCMP） 胞苷酸（CMP）脱氧胸腺苷酸（dTMP） 尿苷酸（UMP）,cAMP, cGMP参与细胞信号传递,ATP参与能量代谢,有重要生理功能的核苷酸,脱氧核糖核酸（DNA）或核糖核酸（RNA）,多个核糖核苷酸以磷酸顺序相连成长链的多核苷酸分子，即成为核酸的基本结构,核苷酸通过磷酸二酯键联成核酸，核酸链有方向性,核苷酸的连接方式,5末端,3末端,一端的核苷酸中核糖的5C没有进入磷酸二酯键，称 5 末端；另一端的核苷酸中核糖3C没有进入磷酸二酯键，称 3 末端。,DNA分子是由两条脱氧核糖核酸长链互以碱基配对相连而成的螺旋状双链分子； DNA主要存在于细胞核内的染色质中，线粒体和叶绿体中也有，是遗传信息的携带者。,DNA双螺旋结构,DNA双螺旋结构的发现,1) 1948年查盖夫等发现DNA中鸟嘌呤与胞嘧啶的比值总是接近1:1, 为碱基配对规律奠定了化学基础.2) 1951年威尔金斯和富兰克林的DNA结晶 X射线衍射图提供了DNA双螺旋物理学的证据.3) 1951年鲍林提出蛋白质的螺旋模型.4) 1953年2月28日，James. D. Waston 和Francis Crick建立了DNA双螺旋结构理论。,双链DNA的结构,DNA的结构特点,1）DNA由两条具有极性的互补单链组成；2）两条单链彼此互旋成螺旋结构，双螺旋中大小沟交替排列；3）碱基配对原则：A-T，C-G，A-T配对形成2对氢键， C- G配对形成3对氢键；4）两条互补单链走向相反；5）配对碱基位于双螺旋DNA的内部：6）碱基平面与DNA双螺旋的纵轴垂直，产生碱基堆力；7）脱氧核糖与磷酸连接排列在外侧构成基本骨架。,RNA的特点,1) 生物体内几乎所有的RNA分子均为单链.2) RNA分子中对应于DNA中胸腺嘧啶(T)的碱基 由尿嘧啶(U)取代.3) RNA分子也可局部形成双链RNA, 既可分子间配对, 也可分子内配对. 配对原则与DAN碱基配对类 似, 只是DNA中的A-T配对在RNA中为A-U配对. RNA分子内配对可形成茎环结构.4) RNA分子易于断裂, 长度有限.,