《生命的化学基础》PPT课件.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15 55ppm 人为0 1ppm 急性白血病 25 g 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 OCHNPS其他 人65181081 00 252 75 生命形式多样 但基本元素构成是基本一致的 杆菌69151181 21 005 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 WhyC 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 H2OO2 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 Nucleicacid 糖 Carbohydrate 脂类 Lipid 等 其中蛋白质是由氨基酸 aminoacid 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 buildingblockmolecule 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 HPO42 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 PO43 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3 8 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 278nmTrp max 279nmphe 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 tertiarystructure 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 quanternarystructure 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 EC D ES ESEP 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 DeoxyribonucleicacidDNA DNA含G A C T四种碱基和脱氧核糖核糖核酸 RibonucleicacidRNA 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 大沟 大沟