讲生命的化学基础

1、1 1第二讲第二讲 生命的化学基础生命的化学基础 第一节第一节 生命的元素组成生命的元素组成 第二节第二节 构成生命的基本元件构成生命的基本元件2 2第一节第一节 生命的元素组成生命的元素组成生命的形式多种多样，生命的形态多变，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。但是化学成分是同一的。元素：无机界的元素：无机界的 C、H 、O、N 、P 、S分子：蛋白质、核酸、脂、糖、维生素分子：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OCHNPS其他其他人人65%18%10 %8 %1.0 % 0.2 %2.8 %杆菌杆菌 69 % 15 %

2、11 %8 %1.2 % 1.0 %5.0 %3 31.1 哪些元素参与生物体的组成？哪些元素参与生物体的组成？参与生物体组成的元素参与生物体组成的元素总共约二、三十种总共约二、三十种4 4常 量 元 素 微 量 元 素 元 素 体 重 % 干 重 % 元 素 含 量 (m g) 日 推 荐 量 (m g) C 9.4 61.7 Fe 4500 10-18 H 65 5.7 F 2600 0.1 4 O 25.5 9.3 Z n 2000 3 15 N 1.4 11 Si 24 1g Se 13 10 200ug P 0.22 3.3 M n 12 0.5 5 S 0.05 1.0 I 11

3、40 150ug M o 9 0.15 0.5 N a+ 0.03 0.7 C r 6 10 20ug K+ 0.06 1.3 C o 1.1 140 580ug M g+2 0.01 0.3 N i C a+2 0.31 5.0 Sn C l 0.08 0.7 V Sr B A l 常量元素常量元素微量元素微量元素5 5“反自然反自然”现象现象 C、H、O 自然界：总和自然界：总和 96%元素丰度元素丰度 地球表面：前五位是地球表面：前五位是O、Si、Al、Fe、Ca 生物体内：生物体内：C最高，最高，O第第3位，位，Ca第第5，而，而Fe、Al和和Si极微量极微量生命体与普通物质不同！生命

4、体与普通物质不同！6 6为什么是为什么是C、H、N、O? ?H、O、N、C分别共用分别共用1，2，3，4个电子个电子对，是可获得稳定构型的最小原子。对，是可获得稳定构型的最小原子。O、N、C能形成多种化学价，如：能形成多种化学价，如：H2O2（-1），），O2（0），），H2O（-2）O是次于是次于F、Cl的第三个跟原子最有亲和力的第三个跟原子最有亲和力的原子。的原子。7 72.1 生物小分子与生物大分子的关系生物小分子与生物大分子的关系2.2 生物小分子简介生物小分子简介2.3 生物大分子的形成生物大分子的形成2.4 生物大分子的高级结构生物大分子的高级结构8 8不同类型的细胞，分子组成大致

5、相同，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。但是这些物质的相对含量相差很大。9 92.1 生物小分子和生物大分子的关系生物小分子和生物大分子的关系（由小分子到大分子（由小分子到大分子）小分子小分子 单单 糖糖氨基酸氨基酸核苷酸核苷酸脂脂 类类大分子大分子 多多 糖糖蛋白质蛋白质 核核 酸酸复合大分子复合大分子 糖蛋白糖蛋白糖糖 脂脂脂蛋白脂蛋白1010合成大分子合成大分子 （聚合）（聚合）大分子分解大分子分解 （水解）（水解）11112.2 生物小分子简介生物小分子简介（1 1）水）水q 水占生物体的水占生物体的60以上的重量以上的重量q 地球上生命起源于水中，陆生

6、生物体内地球上生命起源于水中，陆生生物体内细胞也生活在水环境中。细胞也生活在水环境中。q 水的性质影响生命活动，如：溶解性质，水的性质影响生命活动，如：溶解性质，酸碱度，酸碱度，pH 水对生物体非常重要水对生物体非常重要1212水影响生命活动的例子：水影响生命活动的例子：肺泡在水环境中保证肺泡在水环境中保证 O2 和和 CO2 的交换的交换水分子间氢键造成水的表面张力，可使肺水分子间氢键造成水的表面张力，可使肺泡瘪塌。泡瘪塌。肺泡中存在一种肺泡中存在一种表面活性蛋白表面活性蛋白破坏水的表破坏水的表面张力，使肺泡胀开。面张力，使肺泡胀开。13131414（2）氨基酸氨基酸氨基酸具有氨基酸具有碳碳

7、碳上同时连有一碳上同时连有一个氨基和羧基个氨基和羧基大多数构成蛋白大多数构成蛋白质的氨基酸具有光质的氨基酸具有光学异构体，均为学异构体，均为L型型 1515各种氨基酸的区别在各种氨基酸的区别在侧链基团侧链基团R R1616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A

8、rgR参与蛋白合成的只有参与蛋白合成的只有2020种天然种天然氨基酸（氨基酸（8 8种必须氨基酸种必须氨基酸）17侧链对氨基酸性质的影响侧链对氨基酸性质的影响疏水氨基酸：亮氨酸疏水氨基酸：亮氨酸亲水氨基酸：丝氨酸亲水氨基酸：丝氨酸酸性氨基酸：天冬氨酸酸性氨基酸：天冬氨酸碱性氨基酸：精氨酸碱性氨基酸：精氨酸含硫氨基酸：半胱氨酸含硫氨基酸：半胱氨酸含羟基氨基酸：苏氨酸含羟基氨基酸：苏氨酸带环氨基酸：酪氨酸带环氨基酸：酪氨酸1818氨基酸的功能氨基酸的功能（1 1）作为组建蛋白质的元件）作为组建蛋白质的元件（2 2）有的氨基酸或其衍生物具有生）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）

9、物活性（代谢调节、信号传递等）1919（3）单糖单糖多羟基醛或多羟基醛或多羟基酮称多羟基酮称为糖。为糖。2020葡萄糖结构式葡萄糖结构式天然单糖天然单糖大多数是大多数是 D-型糖型糖吡喃型吡喃型C1上羟基位置不上羟基位置不同出现同出现-，-两种构型两种构型 2121吡喃型葡萄糖的立体构象吡喃型葡萄糖的立体构象2222单糖的结构特点和生物功能单糖的结构特点和生物功能结构特点结构特点有同分异构体有同分异构体天然单糖大多数天然单糖大多数是是 D-型糖型糖在水溶液中五碳在水溶液中五碳糖和六碳糖多成环糖和六碳糖多成环状的状的吡喃型吡喃型生物功能生物功能作为多糖的组成作为多糖的组成元件元件作为能量分子作为

10、能量分子组成寡糖参与细组成寡糖参与细胞信号传递胞信号传递2323（4）核苷酸核苷酸核苷酸分子由三个部分组成：碱基、五碳糖核苷酸分子由三个部分组成：碱基、五碳糖和磷酸和磷酸碱基碱基糖之间是糖之间是糖苷键；糖糖苷键；糖磷酸之间磷酸之间是磷酸酯键是磷酸酯键 2424碱 基腺嘌呤A尿嘧啶U胞嘧啶C鸟嘌呤G胸腺嘧啶T25参加大分子核酸组成的只有参加大分子核酸组成的只有8种核种核苷酸苷酸DNA水解液中水解液中 RNA水解液中水解液中腺脱氧核苷酸（腺脱氧核苷酸（dAMP） 腺苷酸（腺苷酸（AMP）鸟脱氧核苷酸（鸟脱氧核苷酸（dGMP） 鸟苷酸（鸟苷酸（GMP）胞脱氧核苷酸（胞脱氧核苷酸（dCMP） 胞苷酸（

11、胞苷酸（CMP）胸腺脱氧核苷酸（胸腺脱氧核苷酸（dTMP） 尿苷酸（尿苷酸（UMP）另外还有一些重要的具有生物活性的核苷酸另外还有一些重要的具有生物活性的核苷酸2626 ATPATP参与能量代谢参与能量代谢cAMPcAMP和和cGMPcGMP参与参与细胞信号传递细胞信号传递2727（5） 脂类脂类脂类：生物体内不溶于水而溶于有机溶脂类：生物体内不溶于水而溶于有机溶剂的各种小分子。剂的各种小分子。脂类种类很多，分子结构相差较大脂类种类很多，分子结构相差较大 A A、中性脂肪或油：甘油三脂、中性脂肪或油：甘油三脂 B B、类脂：磷脂、鞘脂和固醇、类脂：磷脂、鞘脂和固醇2828甘油三酯分子结构甘油三

12、酯分子结构（1 1）脂肪酸脂肪酸影响影响脂肪的结构和性脂肪的结构和性质；质；（2 2）必需脂肪酸必需脂肪酸：亚油酸和亚麻酸。亚油酸和亚麻酸。2929磷脂分子结构磷脂分子结构3030（1 1）磷脂分子可）磷脂分子可以看成是以看成是一个极一个极性头性头，两条非极两条非极性尾巴性尾巴。（2 2）鞘脂分子和）鞘脂分子和磷脂不同。但总磷脂不同。但总体看来，也可看体看来，也可看成成一个极性头一个极性头，两条非极性尾巴两条非极性尾巴。3131磷脂和细胞膜磷脂和细胞膜3232（1 1）固醇类的内核由）固醇类的内核由 4 4 个环组成个环组成（2 2）一些人体重要维生素和激素是固醇）一些人体重要维生素和激素是固

13、醇（3 3）胆固醇是细胞的必要成份）胆固醇是细胞的必要成份（4 4）血清中的胆固醇太多会促使形成）血清中的胆固醇太多会促使形成动脉动脉硬化和心脑血管硬化和心脑血管疾病疾病33333434（6） 维维 生生 素素维生素维生素A A （视黄醇）（视黄醇）维生素维生素C C （抗坏血酸）（抗坏血酸）维生素维生素E E 维生素维生素K K （血凝维生素）（血凝维生素）3535 生物大分子主要有三大类：生物大分子主要有三大类： 蛋白质蛋白质 核核 酸酸 多多 糖糖 它们都是由生物小分子单体通过特有它们都是由生物小分子单体通过特有的的共价键共价键联结而成。联结而成。3636（1）氨基氨基酸通酸通过过肽肽键

14、键联联成肽成肽链链37寡肽：含有寡肽：含有10 左右氨基酸残基（如二肽左右氨基酸残基（如二肽、五肽、八肽）、五肽、八肽）多肽：含多肽：含1020 个氨基酸残基个氨基酸残基蛋白质：含几十个氨基酸残基蛋白质：含几十个氨基酸残基注意：肽链有方向性注意：肽链有方向性氨基端（氨基端（ N 端），羧基端（端），羧基端（C 端）端）3838肽链的两端具有不同结构和性肽链的两端具有不同结构和性质质氨基端和羧基端氨基端和羧基端3940蛋白质种类的多样性蛋白质种类的多样性4141（2）单糖单糖通过通过糖苷糖苷键键联联成多成多糖链糖链4242糖苷键不同导致多糖的立体结构差异糖苷键不同导致多糖的立体结构差异43淀粉和

15、纤维素都由葡萄糖组成，它们之淀粉和纤维素都由葡萄糖组成，它们之间主要区别在于间主要区别在于糖苷键和糖苷键和糖苷键糖苷键的区别的区别注意：多糖链也有方向性，有还原端和注意：多糖链也有方向性，有还原端和非还原端非还原端4444多糖链的两端具有不同结构和多糖链的两端具有不同结构和性质性质还原端和非还原端还原端和非还原端非还原端，不非还原端，不含半缩醛羟基含半缩醛羟基还原端，含半还原端，含半缩醛羟基缩醛羟基4545（3）核苷酸核苷酸通过通过磷磷酸二酯酸二酯键键连成连成核酸核酸4646DNA和和RNA 在组成成份上有差别在组成成份上有差别DNA RNA 脱氧核糖脱氧核糖 核糖核糖 有胸腺嘧啶有胸腺嘧啶

16、有尿嘧啶有尿嘧啶 无尿嘧啶无尿嘧啶 无胸腺嘧啶无胸腺嘧啶47475 5-末端末端3 3-末端末端DNADNA具有方向性：具有方向性：一端的核苷酸，其一端的核苷酸，其5 C没有进入磷酸二没有进入磷酸二酯键，称酯键，称 5 末端末端； 另一端的核苷酸，另一端的核苷酸，其其3C没有进入没有进入磷酸二酯键，称磷酸二酯键，称 3 末端末端。磷酸基磷酸基糖基糖基氢键氢键碱基碱基4848由生物小分子到生物大分子，分子增大，由生物小分子到生物大分子，分子增大，出现新的性质。出现新的性质。其中最主要的特点是：生物大分子有独其中最主要的特点是：生物大分子有独特的特的立体结构、空间构型和分子整体形立体结构、空间构型

17、和分子整体形状。状。4949一级结构一级结构二级结构二级结构三级结构三级结构四级结构四级结构螺旋螺旋折叠折叠蛋白蛋白质的质的高级高级结构结构5050（1）蛋白质的高级结构蛋白质的高级结构蛋白质的一级结构是指蛋白质的一级结构是指肽链中氨基酸肽链中氨基酸 的排列顺序的排列顺序5151邻近几个氨基酸残基形成的一定的结构形状邻近几个氨基酸残基形成的一定的结构形状包括包括：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蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构5252平平行行 -折折叠叠反反平平行行 -折折叠叠- -螺螺旋旋5353蛋白质的蛋白质的三级结构三级结构整条肽链盘整条肽链盘绕折叠形成绕折叠形成

18、一定的空间一定的空间结构形状结构形状。如如: :纤维蛋白纤维蛋白和球状蛋白。和球状蛋白。5454蛋白质的蛋白质的四级结构四级结构四级结构是四级结构是各条肽链之间的位置和结构，各条肽链之间的位置和结构，只存在于由两条肽链以上组成的蛋白质。只存在于由两条肽链以上组成的蛋白质。55551953年，年，Watson & Crick提出的模型提出的模型 （2）核酸的高级结构核酸的高级结构5656DNA双螺双螺旋结旋结构构（1 1）两条）两条反向平行反向平行的核苷酸链共同盘绕形的核苷酸链共同盘绕形成双螺旋，成双螺旋，糖磷酸糖糖磷酸糖构成螺旋主链。构成螺旋主链。（2 2）两条链的碱基都位于中间，碱基

19、平面）两条链的碱基都位于中间，碱基平面与与螺旋轴螺旋轴垂直。垂直。5757DNA双螺旋结构双螺旋结构（3）两条链对应碱基）两条链对应碱基呈配对关系：呈配对关系：AT；GC（4）螺旋直径）螺旋直径 2nm，螺距螺距 3.4nm，每一螺距，每一螺距中含中含10bp。DNA双螺旋可以看作是双螺旋可以看作是 DNA 的的二级结构二级结构，DNA的的三级结构三级结构的形成的形成需要蛋白质帮助。需要蛋白质帮助。5858碱基之间的氢键碱基之间的氢键5959DNA分子结构的特征分子结构的特征原核生物原核生物DNA分子分子中有基因重叠现象中有基因重叠现象真核生物真核生物DNA分子分子中普遍存在插入顺中普遍存在插

20、入顺序序(内含子内含子)编码的核苷酸顺序编码的核苷酸顺序就携带着遗传信息。就携带着遗传信息。ATGCCGAGTCAGACTACGAGENEGENE2插入顺序插入顺序编码区编码区DNA:ACGTGGCCAGCCThrTrpProAlaAA:6060RNA单链结构单链结构RNA局部形成碱基配对，形成高级结构。局部形成碱基配对，形成高级结构。mRNAmRNA，tRNAtRNA和和rRNArRNA功能不同。功能不同。变性：核酸大分子高级结构破坏，变性：核酸大分子高级结构破坏，加加热可使其变性热可使其变性复性：复性：DNA双链重新配对，恢复双螺双链重新配对，恢复双螺旋结构的过程。旋结构的过程。分子杂交：

21、复性时引入小段的分子杂交：复性时引入小段的RNA。61核酸高级结构的改变核酸高级结构的改变6262（3）多糖链的高级结构多糖链的高级结构不同高级结构不同高级结构带来不同的生带来不同的生物学性能物学性能淀粉淀粉形成螺旋形成螺旋状，状，能源贮存能源贮存纤维素纤维素呈长纤呈长纤维状，维状，结构支结构支架架糖原糖原淀粉淀粉纤维素纤维素6363（4）维持生物大分子高级结构维持生物大分子高级结构的重要因素的重要因素非共价键非共价键 氢键氢键 盐键盐键( (离子键离子键) ) 疏水键疏水键 范德华力范德华力 二硫键二硫键 脂键脂键6464盐键盐键( (离子键离子键）氢键氢键二硫键二硫键疏水键疏水键疏水键疏水键6565非共价键的非共价键的强度强度很小，所以很小，所以需要需要多个多个非共价键才足以维持高级结构非共价键才足以维持高级结构的稳定。的稳定。高级结构不很稳定。生物大分子高级结构不很稳定。生物大分子变性变性就就是因为是因为高级结构高级结构破坏，大分子性质改变，破坏，大分子性质改变，生物活