6生命的化学基础

1、第四讲第四讲 生命的物质基础生命的物质基础孙孙 啸啸程程 璐璐 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生命 认识组成生命的物质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：基本元素：c，h，o，n，s，p，ca 等占人体等占人体99.35%。其它元素：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

2、辅等数量少，但作用大。如很多金属元素是酶的辅助因子。助因子。偶然存在的元素：偶然存在的元素：v v、momo、lili、f f、brbr、sisi、asas、snsn、等等一、元素组成一、元素组成“反自然反自然” 现象现象自然界：自然界：c、h、o 总和总和 96%生命体与普通物质的不同生命体与普通物质的不同微量元素微量元素fe fe 氧的运送和酶的活性有关，缺少时，引起缺铁性贫血。氧的运送和酶的活性有关，缺少时，引起缺铁性贫血。cu cu 发生冠心病的主要原因，与酶的活性有关。发生冠心病的主要原因，与酶的活性有关。zn zn 在青少年的发育生长，癌症等的发病和防治起有作用。在青少年的发育生长

3、，癌症等的发病和防治起有作用。mo mo （钼）与酶的活性、食道癌的发病率和防治有关。（钼）与酶的活性、食道癌的发病率和防治有关。i i 缺碘产生地方性甲状腺肿，幼儿发生呆小症，缺碘产生地方性甲状腺肿，幼儿发生呆小症，mnmn （锰）与酶的活性有关。（锰）与酶的活性有关。co co （钴）与酶的活性有关。青春期少女（钴）与酶的活性有关。青春期少女0.0150.015mg/mg/每日。每日。v v （钒）软体动物富有钒；鱼体含量较低。（钒）软体动物富有钒；鱼体含量较低。zn （锌）（锌）在青少年的发育生长，癌症等的在青少年的发育生长，癌症等的发病和发病和防治起有作用。防治起有作用。ni （镍）植

4、物中（镍）植物中1555ppm,人为人为0.1ppm；急性白急性白血病血病.25g/mlsn （锡）影响骨钙化速度；（锡）影响骨钙化速度；si （硅）矽肺，（硅）矽肺，si浸润细胞。浸润细胞。f （氟）与牙齿健康有关，缺氟产生龋齿；过多（氟）与牙齿健康有关，缺氟产生龋齿；过多则斑齿和氟中毒。则斑齿和氟中毒。se （硒）缺硒产生克山病，与肝功能，冠心病发（硒）缺硒产生克山病，与肝功能，冠心病发病和防治有关病和防治有关.% ochnps 其他其他人人 65181081.00.252.75生命形式生命形式多样多样，但基本元素构成是，但基本元素构成是基本一致基本一致的的；杆菌杆菌 69151181.2

5、1.005.00为什么是这为什么是这20多种元素参与生多种元素参与生命组成？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。why c、h、n、o? h、o、n、c分别是共用分别是共

6、用1，2，3，4个电子对，是个电子对，是可获得稳定构型的最小原子可获得稳定构型的最小原子,能形成稳定的分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是仅能形成多价的元素h2o2,o2,h2o o2,o是次于是次于f、cl的第三个跟原子有亲和力的原子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，释放能量是很强的电子受体，得到电子，释放能量人体的元素成分人体的元素成分 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

7、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。这些物质的相对含量相差很大。有 机 物 蛋白质蛋白质(protein) 核酸核酸(nucleic acid) 糖糖(carbohydrat

8、e) 脂类脂类(lipid) 等等 其中蛋白质是由氨基酸(amino acid)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(building block molecule) 各种生物的构件是相同的几类重要的生命物质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生命信息载体 遗传信息的表达者蛋白质生命机器生命机器生命过程的催化剂（酶）酶） 生物体主要供能物质 糖类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

9、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-、hpo4 2-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

10、物的原料, po4 3 -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38.5，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1. 生命活动所需能量来源；2. 重要的中间代谢产物；3. 构成生物大分子；4. 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 甘油醛甘油醛 核糖核糖 脱氧核糖脱氧核糖 半缩醛羟基半缩醛羟基葡萄糖葡萄糖 果糖果糖 半乳糖半乳糖寡糖 麦芽糖

11、 (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

12、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

13、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：亲水头结构特征：亲水头 疏水长链疏水长链磷脂类 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如植物细胞中的胡萝卜素 维生素维生素e 维生素维生素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

14、质的结构- 多层次 蛋白质结构与功能的关系变化多端变化多端生物分子信息 细胞细胞分子分子存贮、复制和传递存贮、复制和传递遗传信息的系统遗传信息的系统生物信息的载体生物信息的载体dna通过自我复制，在生物体的繁衍过通过自我复制，在生物体的繁衍过程中传递遗传信息程中传递遗传信息 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个体中得以表达，并使后代表现出与亲代相似的生物性状。相似的生物性状。 基因控制着蛋白质的合成基因控制着蛋白质的合成 dnarna蛋白蛋白质质转录转录翻译翻译蛋白质的功能 酶的催化作用 运载和贮存 协调动作 机械支持

15、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 氨基酸就不同氨基酸名称氨基酸名称英文缩写英文缩写简简 写写氨基酸名称氨基酸名称英文缩写英文缩写简简 写写甘氨酸glyg丝氨酸sers丙氨酸alaa苏氨酸thrt缬氨酸valv天冬酰胺asnn异亮氨酸ilei谷酰胺glnq亮氨酸leul酪氨酸tyry苯丙氨酸phef组氨酸hish脯氨酸prop天冬氨酸aspd甲硫氨酸metm谷氨酸glue色氨酸trpw赖氨酸lysk半胱氨酸cysc精氨酸argr 20种标准氨基酸的英文简写氨

16、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

17、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=278nm trp max=279nm phe 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-螺旋螺旋-折叠折叠-转角转角无规卷曲无规卷曲无序结构无序结构 -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

18、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（tertiary s

19、tructure）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（quanternary structure）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

20、 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nu去折叠重折叠蛋白变

21、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。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 补充定义补充定义 酶的作用机理酶的作用机理 特异的结构特异的结构 与底物复合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

22、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降低反应活化能酶的作用机理 a+b+e c+d+e s+e se p+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

23、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(deoxyribonucleic acid dna),dna含g.a.c.t四种碱基和脱氧核糖 核糖核酸(ribonucleic acid rna)，rna含g.a.c.u四种碱基和核糖dnarna碱基腺嘌呤(adennine,a)鸟嘌呤(guanine,g)胞嘧啶(cytosine,c)胸腺嘧啶(thymine,t)腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶尿嘧啶(uracil,u) 戊糖脱氧核糖核糖磷酸磷酸磷酸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