生物大分子Biomacromolecul

第五章生物大分子（Biomacromolecule),第一节糖类化学第二节脂类化学第三节氨基酸、多肽与蛋白质化学第四节核酸化学,第一节糖类化学（carbohydrates）,甘之如饴,什么是糖?,糖类在以前叫做碳水化合物:因为在最初发现的糖类都是由C、H、O三种元素组成,分子中的H原子和O原子的个数比恰好是2:1,曾经用一个通式来表示:Cn(H2O)m。,通式并不反映结构:H和O并不是以结合成水的形式存在的。通式的应用是有限度的:鼠李糖：C6H12O5，醋酸：C2H4O2C2（H2O）2。,甜的物质,碳水化合物,更科学的定义,认识过程：,糖类*:从结构上看,它一般是多羟基醛或多羟基酮,或是它们的缩聚物或衍生物。,第一节：如何给糖类下一个准确的定义呢?,广布于动植物体中，所有生物的细胞质和细胞核皆含核糖,动物血液含有葡萄糖，肝脏、肌肉中含有糖原，乳汁含有乳糖,植物体的组分约8590为糖类。植物的细胞壁、木质部、棉花、竹木等除水分以外，几乎全是由纤维素所组成。粮食（谷类）含丰富的淀粉，甘蔗和甜菜含大量蔗糖，鲜果含果糖和果胶,所有这些核糖、葡萄糖、果糖、乳糖、蔗糖、糖原、果胶、纤维素、淀粉以及麦芽糖（俗称饴糖）等都属于糖类。,哪些物质属于糖?,糖为什么是甜的？,早在20世纪60年代，就有人提出了糖之所以甜，是因为糖类分子中都含有多羟基，多羟基中两个氢原子之间有一定的距离，这个距离恰好能与舌头上的味觉感受器形成化学吻合物。这种化学吻合物可以刺激味觉感受器，使其产生脉冲，进而由神经将脉冲传入大脑，使人感到甜味。,糖精，它的甜度是蔗糖的500倍，过去曾用作糖的代用品。但它不是糖类，它是邻磺酰苯甲酰亚胺，分子结构中根本没有多羟基。,分类,单糖丙糖、戊糖、己糖双糖麦芽糖、乳糖、蔗糖同多糖：淀粉、糖原、纤维素、右旋糖苷多糖杂多糖：透明质酸、硫酸软骨素、肝素等（含N或S）（含N）（含N和S）（含N和S）,一、单糖（monosaccharose）（一）主要的单糖1.丙糖（1）*结构,(2)甘油醛构型*,手性碳原子：指与此碳原子相连的四个原子或原子团各不相同。常用“*”表示。,手性：,以甘油醛为标准，倒数第二个手性碳原子上的OH在左边的，为L型OH在右边的，为D型,3.旋光性和分子结构的关系,含有手性碳原子结构不对称旋光性物质,小资料：对映异构现象的应用,药物中常含有手性分子，这些手性分子两种镜像形态之间的差别甚至关系到人的生命，如二十世纪六十年代就曾因此造成过酞胺哌啶酮（一种孕妇使用的镇定剂，现已禁用）灾难，导致1.2名儿童生理缺陷，因此，能够独立的获得手性分子的两种不同镜像分子极为重要。2001年Nobel化学奖授予美国科学家巴里夏普莱斯、威廉诺尔斯和日本科学家野依良治，因为他们开发出了可以催化重要反应的分子，从而能保证只获得需要的手性分子的一种镜像形态。这三位获奖者为合成具有新特性的分子和物质开创了一个全新的研究领域。现在，像抗生素、消炎药和治疗心脏病等许多药物，都是根据他们的研究成果合成出来的。,2.己糖（hexose）葡萄糖（glucose）开链式*环式哈沃斯式椅式构象,链式葡萄糖,半缩醛式葡萄糖（式）,半缩醛式葡萄糖（式）,葡萄糖溶液中，葡萄糖以链状分子（0.1%)和六元环状半缩醛分子（99.9%)两种同分异构体平衡共存，相互转化，葡萄糖环状分子的结构简式如下：,在一定条件下，醇和醛能发生下列反应：产物统称半缩醛，具有结构。该反应属于反应（填反应类型）。,讨论题：,加成,在有机物分子中，若某个碳原子连接4个不同的原子或原子团，则这种碳原子称为“手性碳原子”。例如乳酸分子中有一个手性碳原子，则在葡萄糖分子中有4个手性碳原子。具有手性碳原子的分子具有两种形态，例如乳酸：,这两种形态互为镜像，像人的左右手一样互为镜像却不能重合。两种物质互称对映异构体（手性异构）。互为对映异构体的物质在很多物理化学性质上都很相似，但有些性质是不同的，比如光学性质，毒性等。,讨论题：,（2）果糖（Fructose）,*,构象式,（3）半乳糖（Glactose）,*,3.戊糖（pentose）,*,*,小口诀,葡糖3左有一羟，似葡2酮是果糖；半乳3、4偏左方，核糖尽右2脱氧。,（二）化学性质,*,*,*,二、双糖1、蔗糖（saccharu）（1）组成和结构,（2）化学性质*无还原性（分子中无半缩醛羟基），不能发生银镜反应和还原氢氧化铜。蔗糖在酸性条件或蔗糖酶作用下水解，生成葡萄糖和果糖，此时的水解液具有还原性。,2、麦芽糖（maltose）,（1）组成和结构,（2）化学性质*,有还原性，可发生银镜反应和还原氢氧化铜。麦芽糖在酸性条件或麦芽糖酶作用下水解，生成2分子葡萄糖。,3、乳糖（lactose）,（1）组成和结构,（2）化学性质*,乳糖具有还原性。乳糖在酸性条件或乳糖酶作用下水解，生成-D-半乳糖和D-葡萄糖。,三、多糖,（一）同多糖（homopolysaccharide）通式:(C6H10O5)n1、淀粉,存在:植物光合作用的产物,种子或块根里,谷类中含淀粉较多。大米80%;小麦70%;分子量:组成:支链淀粉(80%含有几千个葡萄糖单元,几十万)直链淀粉(20%含有几百个葡萄糖单元,几万十几万)。,化学性质*：无还原性；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,演示在试管1和试管2里各加入0.5克淀粉,在试管1里加入4mL20%硫酸溶液,在试管2里加入4mL水,都加热3-4分钟.用碱液中和试管1里的硫酸溶液,把一部分溶液液体倒入试管3.在试管2和3里都加入碘溶液,观察现象.在试管1中加入银氨溶液,稍加热后,观察试管壁上有无银镜出现。结论淀粉水解后生成还原性单糖,能发生银镜反应。说明不论是直链淀粉还是支链淀粉,在稀酸作用下都能发生水解反应,最终产物是葡萄糖。,2、糖原（glycogen）,化学性质：*无还原性；糖原+碘红褐色反应；糖原水解产物也是葡萄糖。,3、纤维素（cellulose）,化学性质：*无还原性；其水解产物也是葡萄糖；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；纤维素具有促进胃肠蠕动，帮助消化，防止便秘作用。,存在:是构成细胞壁的基础物质.木材约一半是纤维素;棉花是自然界中较纯粹的纤维素(92-95%),脱脂棉和无灰滤纸差不多是纯粹的纤维素。分子量:几千个葡萄糖单元几十万。物理性质:白色、无臭、无味的物质,不溶于水,也不溶于一般有机溶剂。,演示把少许棉花或碎滤纸放入试管中,加入70%硫酸3-4mL,用玻璃棒把试管捣烂,形成无色粘稠液体.把这个试管放在水浴中加热15分钟,放冷后倒入盛有20mL水的烧杯里,用氢氧化钠中和.取出一部分液体,用新制的氢氧化铜作试剂实验,观察现象。讲解纤维素分子是由很多个葡萄糖单元构成.每一个葡萄糖单元有三个醇羟基,因此,纤维素分子也可以用C6H7O2(OH)3n表示.由于醇羟基的存在,所以纤维素能够表现出醇的一些性质,如:生成硝酸酯,乙酸酯。,4、右旋糖苷（Dextrose）,一种血浆代用品，具有升高胶体渗透压作用。,（二）杂多糖（heteroglycan）,1、透明质酸（hyaluronicacid）2、肝素（disebrin）3、硫酸软骨素（chondroitinsulfate）,第二节脂类化学,脂肪(真脂):甘油三酯(三酯酰甘油),类脂,磷脂：含磷酸及有机碱的脂类糖脂：含糖及有机碱的脂类,类固醇,胆固醇及其酯胆汁酸类固醇激素,脂类（lipides）,油脂是热能最高的营养成分，1g油脂在完全氧化时放出的热量约为糖类的2倍。正常情况下，每人每日需进食50g-60g脂肪，约能供应日需总热量的20%-25%。人体中的脂肪是维持生命活动的备用能源。一般成年人体内储存的脂肪约占体重的10%-20%。,1.脂肪酸和前列腺素2.甘油酯类3.神经鞘脂类4.类固醇,一、脂肪酸及前列腺素,（一）脂肪酸（fattyacid）1、脂肪酸结构*,CH3-（CH2）14-COOH十六(烷)酸（软脂酸，棕榈酸）CH3-（CH2）16-COOH十八(烷)酸（硬脂酸）CH3（CH2）7CH=CH（CH2）7COOH9-十八碳烯酸（油酸）9十八碳烯酸CH3（CH2）4CH=CHCH2CH=CH（CH2）7COOH9，12-十八碳二烯酸（亚油酸）9，12十八碳二烯酸CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH（CH2）7COOH9，12，15-十八碳三烯酸（亚麻酸）9，12，15十八碳三烯酸CH3（CH2）4CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH（CH2）3COOH5，8，11，14-二十碳四烯酸（花生四烯酸）5，8，11，14二十碳四烯酸,（二）前列腺素（prostaglandin）,前列腺素由多烯脂肪酸合成，是脂肪酸的衍生物，分布广泛，具有激素调节作用的功能。前列腺素是由一个五碳环和两条各含七个和八个碳的碳链构成的二十碳化合物。,前列烷酸是前列腺素的母体结构。,各型前列腺素又可按侧链所含的双键数目不同，再分成多种化合物。例如：PGE1、PGE2右下标数字表示侧链所含的双键数目；PGF1：表示五元环中C9-OH在环平面下方，为-构型。,二、甘油脂类,（一）脂酰甘油1、结构,*,当R-COOH为饱和脂肪酸时，甘油三酯呈固态即脂Fat（例：大肥肉）。当R-COOH为不饱和脂肪酸时，甘油三酯呈液态即油Oil（例：植物油）。,2、甘油三酯的化学性质,（1）水解*,（2）皂化*水解1克甘油三酯，所需KOH的毫克数称为皂化值。皂化值越大，表示脂肪酸平均分子量越小。,（3）氢化,不饱和饱和,（4）加Br2,（5）加碘（碘化）*,每100g甘油三酯吸收碘的克数称为碘价。碘价越高，表示甘油三酯中双键越多。,（6）酸败作用水解水解后生成某些有臭味的脂酸，例丁酸；氧化生成不稳定的过氧化物，进一步分解，则生成醛。,（二）磷酸甘油酯(Phosphoglyceride）,1、卵磷脂（lecithins，磷脂酰胆碱）,（1）结构,（2）功用：具有乳化作用。构成了生物膜以脂质双分子层排列的基础。协助脂类物质运输（依靠其乳化作用来实现）位一不饱和脂肪酸的酯键易受毒蛇所分泌的磷脂酶A2作用而裂解，形成溶血性卵磷脂，后者具有强烈的溶血作用。,2.脑磷脂（cephalins）,（1）结构,三、神经鞘脂类（sphinglipids）,1.神经鞘氨醇学名：-氨基-羟基4，5十八碳烯醇2.神经酰胺（最简单的神经鞘脂类）,3.神经鞘磷脂4.脑苷脂（属糖脂）,四、类固醇（steroid）,（一）胆固醇（cholesterol）及胆固醇酯（cholesterolester）,胆固醇的生理功能*：a.在肝脏，可转变成胆酸进而转变成胆汁酸盐，帮助脂溶性物质的吸收；b.在肾上腺皮质，可转变成肾上腺皮质激素，以调节糖或水盐代谢；c.在性腺，可转变成性激素，促进机体生长发育；d.在皮下组织，可转变成VitD，调节钙磷代谢，促进成骨作用。胆固醇过多也有害。,（二）胆汁酸（bileacid）,（三）类固醇激素（steroidhormone）,1、肾上腺皮质激素糖皮质激素皮质醇调节糖代谢皮质酮盐皮质激素醛固酮调节水盐代谢性激素脱氢表雄酮作为合成性激素的前身物,2、性激素（sexhormone）,（1）雄激素,（2）雌激素（estrin）,孕酮主要由黄体分泌,雌二醇（aquadiol）由成熟的卵泡和黄体分泌,第三节氨基酸、多肽与蛋白质化学,一、蛋白质（Protein）的分子组成*1.蛋白质的元素组成*含有C、H、O、N、S等。有的还含有P、Fe、Cu、Mn、Zn、Co、I等元素。2.蛋白质的组成单位氨基酸（aminoacid）*,不同的烃的衍生物是由其结构具有特征官能团而确定的,因此就有其特征的化学性质和物理性质。如果说醛或酮分子烃基上的氢被多个羟基所取代后的生成物为单糖,那么羧酸的烃基上的氢原子被氨基取代后生成的一类有机物便叫做氨基酸。因此,作为氨基酸这一类烃的衍生物,其分子内有氨基和羧基官能团,其化学性质也就有了这两种官能团的一些特性。物理性质:晶体,熔点:200-300,可溶于水,不溶于乙醚。,氨基酸排列方式的多样性决定了蛋白质的多样性,从而决定生物界动植物的多样性,但蛋白质的多样性是受基因和外界环境等方面多种因素的影响,由于环境的恶劣变化远远超过了生物本身的遗传和变异,在这个地球上的生物正在大量地减少,因此,我们应该保护环境,保护动植物,保护生物的多样性。,二、氨基酸（aminoacid，AA）的结构、分类和性质（一）氨基酸的结构,*,（二）氨基酸的分类,1.根据侧链-R基的不同（1）脂肪族AA含-R侧链：Gly、Ala、Val、Leu、Ile含-OH侧链：Ser、Thr含-S侧链：Cys、Met含-COOH侧链：Asp、Glu含-NH2侧链：Arg、Lys含-NH-CO-侧链：Asn、Gln（2）芳香族AA：Phe、Tyr（3）杂环AA：Pro、His、Trp(也含苯环)；,2.根据-R基极性不同（1）酸性AA：含2个-COOH：Asp、Glu（即侧链上含-COOH）；（2）碱性AA：含2个-NH2和一个-COOH：Arg、Lys、His（即侧链上含-NH2）；（3）中性AA：含1个-NH2和一个-COOH：Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Ser、Thr、Cys、Met、Asn、Gln、Phe、Tyr、Pro、Trp。,（三）氨基酸的化学性质,1.具酸或碱的性质*,2.两性电离和等电点（pI）*,3.茚三酮反应-AA在加热条件下，被茚三酮氧化分解产生游离NH3，后者与还原型茚三酮继续反应，生成蓝紫色化合物，称茚三酮反应。4氨基酸的紫外吸收芳香族氨基酸，如色氨酸，酪氨酸和苯丙氨酸，均有苯环，对280nm波长有强烈的吸收作用，此吸收作用与氨基酸浓度呈正比例，因此可用于AA定量测定。蛋白质分子中含有芳香族AA，故也有280nm的紫外吸收，故此法也可用于Pr定量。,颜色反应,1.与FeCl3显色反应：烯醇式结构：紫色络合物2.班氏试剂：醛或半缩醛羟基：砖红色沉淀3.缩二脲反应：2个或以上肽键：紫红色4.淀粉加碘：蓝色（糖原加碘：红褐色）5.茚三酮反应：游离NH3或-NH2：蓝紫色,一、多肽（Polypeptide）的结构与功能1.肽的形成,*,2.多肽链书写顺序和命名,命名：丙氨酰甘氨酰丝氨酸（或简写：H-丙-甘-丝-OH）,命名：谷氨酰半胱氨酰甘氨酸（GSH）简称：谷胱甘肽（还原型）,2、多肽的结构与功能（1）促肾上腺皮质激素（ACTH）39肽（2）神经激素。下丘脑可分泌9种神经激素。例：促肾上腺皮质释放激素CRH促甲状腺激素释放激素TRH促性腺激素释放激素GRH生长素抑制激素GHIH（3）垂体激素抗利尿激素ADH催产素（4）神经肽内啡肽脑啡肽P物质（5）胃肠道激素（6）激肽,四、蛋白质的分子结构,（一）一级结构,*,酰胺平面,（二）二级结构（secondarystructure）1、-螺旋,*,-螺旋结构要点：多肽链主要骨架围绕螺旋中心轴螺旋式上升，每转一圈上升3.6个氨基酸残基，向上平移5.4，每个氨基酸残基沿轴上升1.5；相邻的螺旋圈之间形成链内氢键，即每一个肽单元的N-H与前面隔三个肽单元的C=O形成氢键，氢键的取向与螺旋中心轴几乎平行，通常所有的肽键都参与氢键的形成，因此-螺旋构象相当稳定。-螺旋构象仅靠氢键维持，若破坏氢键，-螺旋构象破坏，肽链松散。,2、-折叠,*,二级结构形成类型的决定因素：,主要取决于肽段上氨基酸残基侧链的长短。（1）R基小，且不带电荷的AA,易形成-螺旋。例如：多聚Ala；（毛发中的角蛋白整条链为-螺旋）（2）R基太短，却难以盘曲，只能折叠成片层状，例如：蚕丝蛋白含45%甘和32%丙，故有大量片层结构存在；（3）R基太大，不易形成螺旋状或折叠成片层，而呈无定形线状结构。例如：异亮、色和苯丙等，侧链紧靠排列在一起时，由于肽空间障碍较大。,（三）三级结构（tertiarystructure）,在蛋白质多肽链中-螺旋、-折叠以及无定形线状等二级结构往往受侧链以及各主链构象单元间的相互作用，从而进一步卷曲、折叠成具有一定规律性的三维空间结构，称为蛋白质的三级结构。大多数蛋白质都具有纤维状或球状的三级结构。,（三）三级结构（tertiarystructure）*,例如血红蛋白链由一个血红素和146个氨基酸残基构成，盘曲、折叠成袋形空穴的球状的三级结构。所有的疏水侧链位于分子内部，绝大部分亲水侧链位于分子表面，血红素位于疏水的空穴中，以便于结合O2。,（四）四级结构（quarternarystructure）,*,（四）四级结构（quarternarystructure）,有些蛋白质由两条或两条以上具有三级结构的多肽链构成。每条具有三级结构的多肽链就称为一个亚基。多个亚基通过非共价键（氢键、盐键、疏水键等键）聚合而成一定空间结构的聚合体，称蛋白质的四级结构。它反映了蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基间的相互作用，但不包括亚基内部的空间结构。,例如：血红蛋白，由两条-链（-亚基）和两条-链（-亚基）构成的22四聚体。每个亚基由一条多肽链和一个血红素组成。这里的亚基是肽链但肽链不一定是亚基。,（五）蛋白质分子中的副键,1、氢键主要副键2、盐键游离氨基与羧基之间的静电吸引3、疏水键非极性基团形成疏水基团之间的吸引力4、二硫键共价键,1.氢键,它是由分子中与电负性较强的原子相结合的氢原子（例N-H）和氧（例C=O）及氮等原子相互吸引而成。二级结构主要依赖于氢键的作用，可存在于一条肽键的两圈-螺旋之间，或存在于两条肽键之间（-折叠），氢键的键能很小，属微弱的次级键，但由于多肽链中所有的氨基酸残基都可形成氢键，因此量多，从而使氢键成为维持蛋白质空间结构的重要副键。用浓尿素或胍溶液破坏氢键时，可破坏其空间构象，从而使多肽链松散开来,2.盐键,由正负离子内的静电吸引所形成的化学键。蛋白质分子中有大量的极性氨基酸，如Asp、Glu带负电荷COO-；Arg，Lys，His带正电荷-NH3+，两者之间通过静电吸引形成离子键（盐键）。绝大多数分布在蛋白质分子表面，使蛋白质易溶于水或具有两性电离的性质。,3.疏水键,氨基酸侧链上的非极性基团在溶液中，为了避开水相，相互间群集在一起而成的作用力，疏水基团之间的作用力。例如色氨酸的吲哚环和支链氨基酸的-R基都属于非极性基，它们具有疏水性，在水溶液中，它们脱离水分子而趋向于蛋白质分子内部，以形成疏水基团之间的作用力。疏水键在维持蛋白质三级结构的稳定性上起着重要作用。,4.二硫键（键能很大）,由两个半胱氨酸的-SH氧化脱氢，以-S-S-相连而成，二硫键可将不同肽链或同一条肽键的不同部分连接起来，对稳定蛋白质的构象起着重要作用。二硫键一旦破坏，蛋白质生物活性就丧失。,五、蛋白质结构与功能关系,（一）胰岛素将B链C端水解掉8肽，剩余43肽只有原来活力的1%，生物活性丧失。B链C端8肽中某些氨基酸残基及二硫键是保持胰岛素活力所必需的因素。,（二）血红蛋白（Hb）,镰刀状贫血患者红细胞Hb结构：异常Hb:链N端Val-His-Leu-Thr-Pro-Val6-Glu正常Hb:链N端Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu6-Glu,五、蛋白质结构与功能关系,（一）胰岛素（insulin）（二）血红蛋白（Hb）,六、蛋白质的理化性质,（一）蛋白质的分子大小和形状（二）蛋白质是高分子化合物（三）蛋白质分子的扩散和沉降（四）蛋白质的粘度,（五）蛋白质的两性电离和等电点*,（六）蛋白质沉淀*,1、盐析2、有机溶剂沉淀3、重金属盐类沉淀4、生物碱沉淀试剂,（七）蛋白质变性*,可逆变性破坏的是次级键，而一级结构中的-CO-NH-并未破坏。只要引起变性的因素比较温和，Pr构象变化较小，则一旦去除变性因素，仍能使其构象恢复到原来状态，从而恢复其原有的生物活性。不可逆变性当较强烈的处理（强酸、强碱、加热、紫外线等）往往使Pr不可逆变性，变性Pr次级键破坏，肽链松散，肽键暴露，易受蛋白酶水解为AA。,（八）蛋白质的显色反应,双缩脲反应茚三酮反应酚试剂反应米伦反应乙醛酸反应,第四节核酸化学,DNA遗传的物质基础核酸mRNA作为Pr合成模板RNAtRNA转运AArRNA作为Pr合成场所*,一、核酸分子的基本组成成分*,磷酸H3PO4腺嘌呤A嘌呤碱核酸单核苷酸鸟嘌呤G碱基胞嘧啶C嘧啶碱尿嘧啶U核苷胸腺嘧啶T核糖戊糖脱氧核糖,CTPGTPUTP,（五）蛋白质分子中的副键,1、氢键*2、盐键3、疏水键*4、二硫键,二、核苷与核苷酸,核苷：由