大学化学课件：第五章 化学与生命科学

第五章化学与生命科学5.1蛋白质与核酸的化学5.2化学与基因工程和人类基因组计划（自学）5.3绿色荧光蛋白的发明与活细胞的实时监测（自学）5.4化学与生命起源（自学）5.1蛋白质与核酸的化学5.1.1蛋白质的化学5.1.2核酸的化学5.1.3酶的化学5.1.4遗传密码的破译与中心法则的揭示蛋白质核酸5.1.1蛋白质的化学一、蛋白质的基本知识（自学）1、如何推算食物中蛋白质含量？2、蛋白质的重要作用3、蛋白质缺乏与过量后果4、蛋白质的需要量二、蛋白质的组成和结构三、氨基酸的结构四、蛋白质的营养价值五、肽键理论蛋白质属于天然高分子化合物人体一切细胞都由蛋白质组成。蛋白质占人体全部重量的16％，蛋白质是人体氮的唯一来源。一、蛋白质的基本知识1、如何推算食物中蛋白质含量？凯氏定氮法：100克蛋白质中平均含氮量为16克，即每克氮相当于6.25克蛋白质（100/16=6.25）。因此只要测定生物样品中的含氮量，就可推算出其中蛋白质的大约含量。每克样品含氮克数*6.25*100=100克样品中蛋白质含量。（1）构造人的身体。

人体的每个组织：毛发、皮肤、肌肉、骨骼、内脏、大脑、血液、神经等都是由蛋白质组成。（2）更新、修补人体组织：

细胞处于永不停息的衰老、死亡、新生的新陈代谢过程.

例如年轻人的表皮28天更新一次。如果一个人蛋白质的摄入、吸收、利用都很好，那么皮肤会光泽而有弹性。反之，人则经常处于亚健康状态。2、蛋白质的重要作用（3）蛋白质构成人体必需的催化和调节功能的各种酶。（4）激素的主要原料。胰岛素是由51个氨基酸分子合成，是机体内唯一降低血糖的激素。生长素是由191个氨基酸分子合成。肾上腺素是酪氨酸的衍生物。（5）维持神经系统的正常功能：味觉、视觉和记忆。

……

3、蛋白质缺乏与过量后果蛋白质缺乏：成年人，肌肉消瘦、肌体免疫力下降、贫血，严重者将产生水肿。未成年人，生长发育停滞、贫血、智力发育差，视觉差。蛋白质过量：过量摄入蛋白质，将会因代谢障碍产生蛋白质中毒甚至于死亡。网络探索——蛋白质中毒综合症在日常生活中，常常让一些体虚、大病初愈的患者及产妇大量蛋白质食物（如鸡蛋、瘦肉、奶制品等），以增强体质。然而，效果往往并不明显，甚至出现副作用。诸如腹部胀闷、头目眩晕、四肢乏力，严重者还可导致昏迷。现代医学把这些症状称之为“蛋白质中毒综合症”。

蛋白质中毒综合症——原因体内蛋白质含量过高，

在肠道中造成异常分解，产生大量的氨，肝脏短期内没有足够的能力将其排除，一旦氨溶于血液之中，导致血氨骤然升高,这种氨是有毒的,并扩散到脑组织中,引起脑组织代谢功能障碍。有时未完全消化的蛋白质在肠道中腐败，产生酚、吲哚等，这些化学物质对人体的毒害很大.因而出现上述“蛋白质中毒综合症”的病理表现。蛋白质的每日需要量5、蛋白质的需要量成人每日最低需要量:30～50g/d我国营养学会推荐的成人每日需要量:80g/d二、蛋白质的组成和结构组成元素：组成基本结构单元：相对分子质量：蛋白质C、H、O、N、S(P)等氨基酸几千到100万以上三、氨基酸的结构氨基羧基氨基酸:分子中同时含有氨基(-NH2或者-NH-）和羧基（-COOH)的一类化合物。几乎所有的蛋白质都是由不同数目的20种基本氨基酸组成的,这20种氨基酸的氨基都连接在羧基相邻的α-碳原子上，称α-氨基酸。除脯氨酸外，其它19种α-氨基酸的结构简式可表示为其中R为氨基酸的特征基团序号中文名称英文缩写

结构式

1甘氨酸Gly(G)

2丙氨酸Ala(A)

3亮氨酸*Leu(L)

4异亮氨酸*Ile(I)

5缬氨酸*Val(V)

6脯氨酸PrO(P)

7苯丙氨酸*Phe(F)

8甲硫氨酸*Met(M)

9丝氨酸Ser(S)

10苏氨酸*Ihr(T)

20种天然氨基酸表中带*者为人体必需氨基酸。序号中文名称

英文缩写

结构式

11半胱氨酸

Cys(C)

12谷氨酰胺Gln(Q)13天冬酰胺

Asn(N)

14酪氨酸

Tyr(Y)

15色氨酸*

Trp(W)

16天冬氨酸

Asp(D)

17谷氨酸

Glu(E)

18赖氨酸*Lys(K)

19精氨酸*Arg(R)

20组氨酸*

His(H)

20种天然氨基酸（续）表中带*者为人体必需氨基酸。氨基酸的手性异构体☆二十种氨基酸(除甘氨酸外)均为“手性分子”。

蛋白质的营养价值取决于其含必需氨基酸种类及比例的多少.

必需氨基酸：人体必不可少，而机体内又不能合成的，必须从食物中补充的氨基酸，有八种：蛋氨酸（又名甲硫氨酸）、色氨酸、赖氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸窍门：假设来借一两本书。组氨酸对于儿童也是必须的。四、蛋白质的营养价值（一）赖氨酸：促进大脑发育，是肝及胆的组成成分，能促进脂肪代谢，防止细胞退化；（二）色氨酸：促进胃液及胰液的产生；（三）苯丙氨酸：参与消除肾及膀胱功能的损耗；（四）蛋氨酸（又叫甲硫氨酸）；参与组成血红蛋白、组织与血清，有促进脾脏、胰脏及淋巴的功能；（五）苏氨酸：有转变某些氨基酸达到平衡的功能；（六）异亮氨酸：参与胸腺、脾脏及脑下腺的调节以及代谢；脑下腺属总司令部作用于甲状腺、性腺；（七）亮氨酸：作用平衡异亮氨酸；（八）缬氨酸：作用于黄体、乳腺及卵巢。（九）组氨酸：作用于代谢的调节；

必需氨基酸的作用五、肽链理论

一分子氨基酸的羧基与另一分子氨基酸氨基脱水缩合的化合物叫做肽，氨基酸之间通过酰胺键（肽键）连接而成。指示:

删除样本文档图标,并替换为工作文档图标，如下:在Word中创建文档.返回PowerPoint在“插入”菜单中选择“对象...”单击“从文件创建”定位“文件”框中的文件名确认选中“显示为图标”。单击“确定”选择图标从“幻灯片放映”菜单中选择“动作设置”单击“对象动作”，并选择“编辑”单击“确定”肽键多肽链可简表如下：二肽由二个氨基酸缩合而成的叫二肽，由三个氨基酸缩合而成的叫三肽，由较多的氨基酸缩合而成的叫多肽。蛋白质的空间结构1952年丹麦人Linderstrom-Lang最早提出蛋白质的结构可以分成四个层次:

一级结构：氨基酸序列

二级结构：α-螺旋，β-折叠等

三级结构：所有原子空间位置

四级结构：蛋白质多聚体蛋白质的一级结构蛋白质分子的一级结构是指肽链中氨基酸的数目、种类和连接顺序。不同的蛋白质，一级结构不同。1954年英国生化学家Sanger报道了牛胰岛素的一级结构，是世界上第一例确定一级结构的蛋白质。Sanger由此1958年获Nobel化学奖。(见新教材101页）1965年我国科学家完成了结晶牛胰岛素的合成，是世界上第一例人工合成蛋白质。一级结构与蛋白质功能的关系

许多先天性疾病是由于某一重要的蛋白质的一级结构发生了差错引起的。

如血红蛋白6位谷氨酸(Glu)被缬氨酸(Val)代替（基因突变)，即表现为镰刀状贫血，为世上最常见的血红蛋白病。一级结构变化，蛋白质性质改变蛋白质的二级结构

蛋白质的二级结构主要包括α-螺旋、β-折叠等。α螺旋结构肽链的主链形成紧密的螺旋，螺旋通过氢键维持稳定。蛋白质中的肽链中，一些氨基酸上的羰基（C=O)能与另一些氨基酸上的氨基（N-H)形成氢键。肽链卷曲成一个螺旋结构，其上下内径相同，被称为α螺旋。蛋白质的二级结构侧视图俯视图α-螺旋蛋白质的二级结构β-折叠层5.1.2核酸

核酸是生命遗传信息的携带者和传递者。一方面对于生命的延续，生物物种遗传特性的保持，生长发育，细胞分化等起着重要的作用。另一方面，生物变异，如肿瘤、遗传病、代谢病等也密切相关。

核酸的分类和组成核酸分为两大类.DNA和RNA。脱氧核糖核酸（DNA）是遗传信息携带者，为双链分子。核糖核酸（RNA）主要是负责DNA遗传信息的翻译和表达，为单链分子。核酸的分类核酸的组成核酸（DNA和RNA）的基本结构单元是核苷酸。核苷酸本身由核苷和磷酸组成,而核苷则由戊糖和碱基形成DNA与RNA结构相似，但在组成成份上略有不同。核酸核苷酸磷酸核苷戊糖碱基

DNA和RNA的基本化学组成

化学组成DNARNA

碱基

嘌呤碱

腺嘌呤（A）鸟嘌呤(G)

腺嘌呤（A）鸟嘌呤(G)

嘧啶碱胞嘧啶(C)

胸腺嘧啶(T)

胞嘧啶(C)

尿嘧啶(U)戊糖脱氧核糖核糖酸磷酸磷酸见课本103页腺嘌呤鸟嘌呤组成核酸的碱基组成核酸的碱基尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶5-氟尿嘧啶属于抗肿瘤药，能干扰DNA合成。对RNA的合成也有一定的抑制作用。临床用于结肠癌、直肠癌、胃癌、乳腺癌等。网络探索—5-氟尿嘧啶不良反应1.骨髓抑制：主要为白细胞减少、血小板下降。2.食欲不振、恶心、呕吐、口腔炎、胃炎、腹痛及腹泻等胃肠道反应。3.注射局部有疼痛、静脉炎或动脉内膜炎。4.其他：常有脱发、红斑性皮炎、皮肤色素沉着手足综合征及暂时性小脑运动失调.嘌呤与痛风痛风是什么？原因？症状？影响？痛风是一种嘌呤代谢失调的疾病，临床特点是血尿酸升高。过量的尿酸，会结成晶体，沉积在关节内，引起剧痛。症状：通常大拇扯首先发热红肿，疼痛无比。再严重时会影响膝、腕及踝关节，造成关节畸形僵硬。慢性痛风可导致肾结石、痛风性肾病等。

为何尿酸会过高?

尿酸是体内嘌呤代谢的产物。一般情况下嘌呤的生产量和排泄量大约相等。如果生产过多或排泄不出，会代谢成尿酸囤积体内，会导致血液中尿酸值升高。

嘌呤与痛风海鲜加啤酒，痛风跟着走。原因

海鲜含有大量嘌呤；啤酒则含有维生素B1，是嘌呤分解代谢的催化剂。嘌呤与维生素B1混合在一起，导致人体血液中的尿酸含量迅速增加；尿酸不能及时排出体外，就以钠盐的形式沉淀下来，形成结石或痛风。这种病人严重时，满身红疙瘩，疼痒不止，无法行走。

嘌呤与痛风预防痛风饮食：

戒吃高嘌呤的食物：动物内脏、海产、贝壳食物、肉类、蘑菇、浓汤等

宜吃的食物

多吃高钾质食物，如香蕉、西兰花、西芹等。钾质可减少尿酸沉淀，有助将尿酸排出体外。

注意：吃海鲜不要喝啤酒核苷糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键。脱氧核糖核苷在DNA分子中存在4种脱氧核糖核苷胞嘧啶脱氧核苷 腺嘌呤脱氧核苷鸟嘌呤脱氧核苷胸腺嘧啶脱氧核苷核糖核苷在RNA分子中存在4种核糖核苷（胞苷）（尿苷）（腺苷）（鸟苷）胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷腺嘌呤核苷鸟嘌呤核苷核苷酸核苷酸是DNA和RNA的重复单元，它分为脱氧核糖核苷酸和核糖核苷酸。如图：

核酸的结构核酸的一级结构是指组成核酸的诸核苷酸之间的连键的性质和核苷酸排列顺序。1953年，J.Watson和F.Crick根据DNA结晶的X-衍射结构分析数据提出了著名的DNA双螺旋结构模型。核酸的二级结构DNA的二级结构DNA双螺旋结构的特点双螺旋结构是DNA二级结构的最基本形式。DNA以双股核苷酸链的形式存在，在双链之间存在严格两两配对关系。碱基配对规则

（A=TG≡C）碱基互补配对规则DNA以双股核苷酸链形式存在，在双链之间存在着根据其碱基性质的严格两两配对关系。碱基互补规则：一条链上的嘌呤碱必须与另一条链上的嘧啶碱相配，腺嘌呤(A)通过形成两条氢键与胸腺嘧啶(T)相配；鸟嘌呤(G)经三条氢键与胞嘧啶(C)相配。5.1.3生物催化剂-酶酶是一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂。绝大多数的酶都是蛋白质。酶的催化作用特点高效率

酶催化反应速率一般比非酶催化反应快1010-1014倍高度专一性酶一般只能选择性地催化一种或一类相同类型的化学反应在常温、常压和接近PH中性的生理条件下进行反应。胰蛋白酶胰蛋白酶的结构排列顺序

生物固氮是固氮微生物特有的一种生理功能，这种功能是在固氮酶的催化作用下进行的。

固氮酶是一种能够将分子氮还原成氨的酶。生物固氮与化学模拟固氮化学模拟生物固氮意义氮是构成蛋白质的基本元素之一，是农作物生长的必需营养.化肥一般都含有氮。氨是硫铵、碳铵、尿素的合成原料之一，它是由氢气和空气中的氮气合成的，这个过程需要在500℃、300大气压下进行，还要有大型的离心压缩机，投资大、耗能高，很不经济。科学家们争取用化学的方法模拟生物固氮，来实现在温和条件下固定空气中的氮，这就是化学模拟生物固氮。化学模拟固氮的研究，将为化学氮肥生产提供新型的催化剂，这对现代氮肥工业以及农业生产都具有极其重要的意义。5.1.4遗传密码的破译与中心法则的揭示(自学）DNA的复制中心法则遗传密码DNA的复制DNA复制的发现：

Watson和Crick在提出DNA双螺旋结构之后，又提出了DNA半保留复制模型；

1958年，Meselson和Stanl采用同位素标记的分子生物学实验证实了DNA的半保留复制。

当DNA进行复制时，双螺旋结构解开成两条单链，各自作为模板，通过碱基互补配对原则合成与之互补的新链。在子代DNA双链中，一条是来自于亲代，另一条完全重新合成。这种复制方式称为半保留复制。半保留复制亲代DNA复制子代DNA

解链DNA的复制解旋与复制DNAATTGACCTGACTGATATGGCCGTGACTGAATTACCTGATTGACCTGACTGAATTGACCTGACTGA

DNA的半保留複製

按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。半保留复制的意义

遗传的保守性，是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。基因突变镰刀状红细胞基因突变：DNA分子上核苷酸序列或数目发生改变。基因结构改变会引起生物体性状的巨大变化。/2009_02/235012532.html(基因突变催生短腿腊肠犬