食品生物化学1马俊锋吉林大学生命科学学院

1、食品生物化学,马俊锋 吉林大学生命科学学院,概 念,生物化学是用化学的原理和方法，从分子水平来研究生物体的化学组成，及其在体内的代谢转变规律从而阐明生命现象本质的一门科学。,生物体的化学组成,自然界所有的生命物体都由三类物质组成：水、无机离子和生物分子,生命体的元素组成,在地球上存在的92种天然元素中，只有28种元素在生物体内被发现 第一类元素：包括C、H、O和N四种元素，是组成生命体最基本的元素。这四种元素约占了生物体总质量的99%以上。 第二类元素：包括S、P、Cl、Ca、K、Na和Mg。这类元素也是组成生命体的基本元素。 第三类元素：包括Fe、Cu、Co、Mn和Zn。是生物体内存在的主要

2、少量元素。 第四类元素：包括Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Se、Si等。,生物分子,生物分子是生物体和生命现象的结构基础和功能基础，是生物化学研究的基本对象。 生物分子的主要类型包括：多糖、聚脂、核酸和蛋白质等生物大分子 维生素、辅酶、激素、核苷酸和氨基酸等。 七大营养要素：水、无机盐、糖、脂、蛋白质、维生素、氧,生物化学的发展简史,1780-1789 Lavoisier（法）研究“生物体内的燃烧”，指出此类“燃烧”耗氧并排出二氧化碳。后人称他是生物化学之父。,1830-1842 Liebig（德）将食物分为糖、脂、蛋白质类，提出“代谢”一词，证明动物体温形成是食物在体内“燃

3、烧”的缘故。最先写出两本生物化学相关专著。,18901902 Fischer（德）首次证明了蛋白质是多肽；发现酶的专一性，提出并验证了酶催化作用的“锁-匙”学说；合成了糖及嘌呤。1902年获诺贝尔奖。,1937年 Krebs（英）发现三羧酸循环， 1953年获诺贝尔奖。,汉斯克雷勃斯（Hans A. Krebs）,李纳斯鲍林（Linus Pauling）,1949 Pauling（美）指出镰刀形红细胞性贫血是一种分子病，并于1951年提出蛋白质存在二级结构。 1954年获诺贝尔奖,詹姆斯沃森（James D. Watson）,1953年 Watson（美）与 Crick（英）提出DNA分子的双

4、螺旋结构模型，1962年共获诺贝尔奖。,弗朗西斯克里克（Francis H. Crick）,1969-1972, Arber(瑞士),Smith(美)与Nathans(美)在核酸限制酶的分离与应用方面做出突出贡献,1978年共获诺贝尔奖。,1972 Berg（美）在基因工程基础研究方面作出了杰出成果，获1980年诺贝尔奖。 1973 Cohen等（美）用核酸限制性内切酶EcoR1，首次基因重组成功。,Hamilton O. Smith,Daniel Nathans,Werner Arber,Paul Berg,Herbert Boyer,Stanley Cohen,2001 Venter（美）

5、等报道完成了人类基因组草图测序。,生物化学主要是应用化学的理论和方法来研究生命现象，阐明生命现象的化学本质。 生物化学的基本内容包括： 发现和阐明构成生命物体的分子基础生物分子的化学组成、结构和性质； 生物分子的结构、功能与生命现象的关系； 生物分子在生物机体中的相互作用及其变化规律。,内 容,生物大分子的结构与功能：蛋白质、核酸化学、酶、维生素与微量元素 物质代谢：糖、脂、氨基酸、核苷酸代谢，生物氧化、代谢调节 遗传信息的传递规律：DNA复制、RNA转录、蛋白质生物合成、基因表达调控、基因工程、基因组学 器官生化（重要组织器官的代谢特点）:肝胆、血液、结缔组织骨牙、感觉系统化学、神经系统化学

6、 专题：细胞信息传递、细胞生长调控与肿瘤、生物信息学,第一章：糖的化学,概念：糖类物质是含有多羟基的醛类或酮类化合物及其缩聚物和衍生物的总称。,分类与命名（按糖的聚合度分 ） 单糖（Monosaccharides） ：不能被水解成更小分子的糖类，也称为简单糖，3C7C（丙糖庚糖），常见的是5C和6C糖，核糖，葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖。 寡糖（Oligosaccharides）：水解时生成几个单糖（210个），有用的是双（二）糖（蔗糖、麦牙糖、乳糖） 多糖（Polysaccharides） ：水解时产生20个以上单糖分子的糖类， 包括：同多糖（由一种单糖或其衍生物构成，如淀粉、糖原） 杂多糖

7、（由一种以上单糖或其衍生物构成如，半纤维素、透明质酸）。 复合糖（ Combine saccharides ）：糖蛋白和糖脂 糖衍生物（ Sugar derivatives ）：糖胺、糖酸和糖酯,单糖的构型,单糖的链状结构,单糖构型的命名,含n个手性C的化合物的旋光异构体的数目=2n（个），对映体的数目=2n/2（对）,离羰基碳最远的那个手性C的构型作为醛糖分子的构型。,单糖的环状结构,和异头物 （anomers, a & b） 异头C（anomeric C1） a (OH below the ring) b (OH above the ring).,吡喃糖和呋喃糖：,Haworth式（透视式

8、）,单糖的构象 （configuration） 船式（ boat ）和椅式（chair）。,Chair form,单糖的理化性质,1. 物理性质： 旋光性：旋光性，变旋现象 甜度： 溶解度： 2. 化学性质 : （一）醛基的反应： （二）羟基的反应： （三）其它反应：,寡 糖,寡糖： 初生寡糖 次生寡糖 一结构与性质 ： 1参与组成的单糖单位 2参与成糖苷键的C原子的位置 3参与成糖苷键的每一异头碳（1位）羟基的构型（异头定向） 4单糖单位的次序（非同一种单糖残基） 5寡糖的命名,糖苷键（Glycosidic Bonds）,R-OH + HO-R R-O-R + H2O,麦芽糖（Maltose

9、） 纤维二糖（Cellobiose）,常见二糖（Disaccharides）,蔗糖（Sucrose） 乳糖（Lactose）,第三节 多 糖 （Polysaccharides） 分类： （1） 根据生物来源不同：植物多糖、动物多糖、微生物多糖； （2） 根据单糖组成不同：同多糖、杂多糖； （3） 根据生物功能不同：贮存（贮能）多糖、结构多糖、细胞专 一的识别信号； 同多糖（均一多糖）： 1. 淀粉： 直链淀粉： 支链淀粉： 2. 糖原（动物淀粉）： 3. 纤维素： 二杂多糖（不均一多糖）,Amylose（直链淀粉） is a glucose polymer with a(14) linkage

10、s. It adopts a helical conformation. The end of the polysaccharide with an anomeric C1 not involved in a glycosidic bond is called the reducing end.,Amylopectin （支链淀粉） is a glucose polymer with mainly a(14) linkages, but it also has branches formed by a(16) linkages. Branches are generally longer th

11、an shown above. The branches produce a compact structure & provide multiple chain ends at which enzymatic cleavage can occur.,Glycogen, the glucose storage polymer in animals, is similar in structure to amylopectin. But glycogen has more a(16) branches. The highly branched structure permits rapid re

12、lease of glucose from glycogen stores, e.g., in muscle during exercise. The ability to rapidly mobilize glucose is more essential to animals than to plants.,Cellulose, a major constituent of plant cell walls, consists of long linear chains of glucose with (1-4) linkages. Every other glucose is flipp

13、ed over, due to the linkages. This promotes intra-chain and inter-chain H-bonds and,van der Waals interactions, that cause cellulose chains to be straight & rigid, and pack with a crystalline arrangement in thick bundles called microfibrils.,crystalline,第二章 脂类化学,概 论（Overview),一定义： 脂质 (lipid, 脂类或类脂 )

14、：是一类低溶于水、 高溶于非极性溶剂的生物有机分子。 化学本质脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍生物。 脂肪酸多是4碳以上的长链一元酸。 醇甘油(丙三醇) 、鞘氨醇、高级一元醇和固醇。 元素组成主要是碳、氢、氧 , 有些尚含氮、磷及硫。,脂肪 又称三酯酰甘油或甘油三脂 类脂,磷脂 糖脂 异戊二烯酯,甾醇 萜类,甘油磷脂 鞘氨醇磷脂,卵磷脂 脑磷脂,二.脂类的分类,(1) 单纯脂 - 是脂肪酸和醇类所形成的酯，其中典型的为甘油三酯。 (2) 复合脂 - 除醇类、脂肪酸外还含有其它物质，如磷酸、含氮化合物、糖基及其衍生物、鞘氨醇及其衍生物等。 (3) 其它脂 - 为一类不含有脂肪酸、非皂化的脂，包括萜类

15、、前列腺素类和甾类化合物等。,单纯脂,复合脂,磷酸甘油脂，又称甘油磷脂，是最具有代表性的复合脂，广泛存在于动物、植物和微生物。磷酸甘油脂是细胞膜结构重要的组分之一，在动物的脑、心、肾、肝、骨髓、卵以及植物的种子和果实中含量较为丰富。最简单的磷酸甘油脂结构如图:,贮藏物质/能量物质 脂肪是机体内代谢燃料的贮存形式，它在体内氧化可释放大量能量以供机体利用。 脂肪组织储存脂肪, 约占体重1020% .1g脂肪在体内彻底氧化供能约38KJ，而1g糖彻底氧化仅供能16.7KJ。 合理饮食 脂肪氧化供能占 1525% 空腹 脂肪氧化供能占 50% 以上 禁食13天 脂肪氧化供能占 85% 饱食、少动 脂肪

16、堆积，发胖,三.脂类的功能,提供给机体必需脂成分 （1）必需脂肪酸 亚油酸 18碳脂肪酸，含两个不饱和键； 亚麻酸 18碳脂肪酸，含三个不饱和键； 花生四烯酸 20碳脂肪酸，含四个不饱和键； （2）生物活性物质:激素、胆固醇、维生素等。,生物体结构物质 （1）作为细胞膜的主要成分 几乎细胞所含的磷脂都集中在生物膜中，是生物膜结构的基本组成成分。 （2）保护作用 脂肪组织较为柔软，存在于各重要的器官组织之间，使器官之间减少摩擦，对器官起保护作用。 用作药物 卵磷脂、脑磷脂可用于肝病、神经衰弱及动脉粥样硬化的治疗等。,脂肪（三酰甘油）,1分子甘油和3分子脂肪酸结合而成的酯。,脂肪酸,饱和脂肪酸：软

17、脂酸（16C）、硬脂酸（18C）,不饱和脂肪酸,含1个双键（油酸）,含2个双键（亚油酸）,含3个双键（亚麻酸）,含4个双键（花生四烯酸）,三脂酰甘油的结构,1软脂酰2,3二油酰甘油 当3个脂肪酸都是同一种脂肪酸时，称为简单三脂酰甘油，当3个脂肪酸至少有一个不同时，称为混合三脂酰甘油。,三脂酰甘油 （三酰甘油） （甘油三酯）,某些天然存在的脂肪酸,甘油三酯（三酰甘油） 1分类： 简单三酰甘油：三个脂肪酸相同。 混合三酰甘油：三个脂肪酸任何2个不相 同或3个各不相同。 大多数天然油脂都是简单甘油三酯和混合甘油三酯的复杂混合物。,2构型和命名： 3物理性质： （1）颜色和气味：无色、无味的稠性液体或

18、蜡状固体 （2）溶解度和密度：密度都1g/cm3，不溶于水，略溶于低级醇，易溶于乙醚、氯仿、苯和石油醚等。 （3）熔点（混合物）：不饱和数 熔点 液态 链长 熔点 固态 （4）光学活性：具有光学活性。,4.化学性质： （1）皂化：,（2）水解,第三节 磷 脂,磷脂甘油磷脂 + 鞘磷脂；是生物膜的主要成分， 其中，甘油磷脂是第一大类膜脂。,甘油磷脂（磷酸甘油酯）： 组成： 甘油 2个脂肪酸 磷脂酸（甘油磷脂的母体） 磷酸 X（极性醇，如：胆碱，乙醇胺，Ser，肌醇，甘油等） 极性头 + 非极性尾,Phosphatidate(磷酯酸),In phosphatidate: fatty acids a

19、re esterified to hydroxyls on C1 & C2 the C3 hydroxyl is esterified to Pi.,Phosphatidic Acid is the parent phospholipid,In most glycerophospholipids (phosphoglycerides), Pi is in turn esterified to OH of a polar head group (X): serine, choline, ethanolamine, glycerol, or inositol. The 2 fatty acids

20、tend to be non-identical. They may differ in length and/or the presence/absence of double bonds.,(甘油磷脂）,Phosphatidylcholine（磷脂酰胆碱 ）, with choline as polar head group, is an example of a glycerophospholipid. It is a common membrane lipid.,Phosphatidylinositol（磷脂酰肌醇 ）, with inositol as polar head grou

21、p, is another glycerophospholipid. In addition to being a membrane lipid, phosphatidylinositol has roles in cell signaling.,Each glycerophospholipid includes a polar region: glycerol, carbonyl of fatty acids, Pi, & the polar head group (X) 2 non-polar hydrocarbon tails of fatty acids (R1, R2). Such an amphipathic lipid may be represented as at right.,鞘氨醇磷脂类（鞘磷脂 ，Sphingolipids ） ： 鞘氨醇 （骨架） 组成： 脂肪酸 神经酰胺（鞘磷脂类的母体） 磷酸 X,(神经酰胺),(鞘氨醇 ),(鞘磷脂）