大學(xué)化學(xué)第08章-生命化學(xué)基礎(chǔ)-11-9.ppt

現(xiàn)代大學(xué)化學(xué) Modern College Chemistry,第8章 生命化學(xué)基礎(chǔ) Chapter 8 Basic Life Chemistry,本章概要 8.1 氨基酸、蛋白質(zhì)與酶 8.1.1 氨基酸 ；8.1.2 肽鍵和多肽； 8.1.3 蛋白質(zhì)； 8.1.4 酶 8.2 糖與脂 8.2.1 糖類； 8.2.2 脂類 8.3 核酸 8.3.1 核酸的分類；8.3.2 核苷酸的組成；8.3.3 DNA的組成與結(jié)構(gòu)；8.3.4 結(jié)論 8.4 染色體、基因與遺傳 8.4.1 染色體的組成與結(jié)構(gòu)；8.4.2 基因與遺傳信息 復(fù)習(xí)：228245；預(yù)習(xí)：247264；,習(xí)題：13.3, 13.9, 13.15, 13.16。,8.1 氨基酸、蛋白質(zhì)與酶 8.1.1 氨基酸 (The Amino Acids) 8.1.1.1 氨基酸的定義 分子中同時含有氨基（-NH2）和羧基（-COOH）的有機化合物稱為氨基酸。在生命體中，氨基和羧基連接在同一個碳原子上，稱為-氨基酸，其結(jié)構(gòu)通式為: 人體內(nèi)的蛋白質(zhì)由20種氨基酸組成。由于所處位置的不同，20種氨基酸可以組成極大數(shù)量的不同蛋白質(zhì)大分子。,8.1.1.2 氨基酸的性質(zhì) pH值的影響:在強酸性溶液中，氨基（H2N）獲得質(zhì)子成為陽離子 (H3N+)；在強堿性溶液中，羧基（COOH）失去質(zhì)子成為陰離子 (COO-)；在某中性溶液中，通過分子內(nèi)質(zhì)子自轉(zhuǎn)移生成中性內(nèi)鹽 (H3N+CH(R) COO-)。,在某pH值下,給定的某種氨基酸只生成中性內(nèi)鹽,此時的氨基酸在電場中既不向正極移動又不向負(fù)極移動。此時的pH值稱為該氨基酸的等電點。 由于不同氨基酸的等電點不同，可以用電泳法或離子交換樹脂法將不同的氨基酸分離開來。 8.1.2 肽鍵和多肽（ Peptides ） 由一分子氨基酸的羧基(-COOH)與另一分子氨基酸的氨基（H2N-）通過脫水縮合形成肽鍵（-CO-NH-）: 由n個氨基酸縮合形成的化合物稱為n肽；n10時稱為寡肽；n10時稱為多肽；分子量104時稱為蛋白質(zhì)。,-OH,形成肽鍵后，氨基酸已不是原來的氨基酸，稱為氨基酸殘基，則n肽有n個氨基酸殘基； 氨基酸通過多肽鍵可以形成一條很長的鏈狀化合物，稱為多肽鏈。 8.1.3 蛋白質(zhì)（Protein） 8.1.3.1 定義 由一條或多條多肽鏈組成的生物大分子稱為蛋白質(zhì)；每一條多肽鏈有二十?dāng)?shù)百個氨基酸殘基不等；各種氨基酸殘基按一定的順序排列。,8.1.3.2 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) 一級結(jié)構(gòu)：肽鏈上氨基酸的排布順序為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。 二級結(jié)構(gòu)：由于多肽鏈有規(guī)則的旋轉(zhuǎn)或折疊所形成的幾何走向稱為蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)。 三級結(jié)構(gòu)：螺旋形的肽鏈進一步折疊或卷曲形成球狀或顆粒狀的分子，稱為蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)。,四級結(jié)構(gòu)：兩條或更多條肽鏈按一定的空間形狀組合到一起所得到的結(jié)合物稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。,8.1.3.3 蛋白質(zhì)的分類 按形狀分為球狀蛋白和纖維狀蛋白;按功能分為活性蛋白和非活性蛋白; 按化學(xué)組成可分為簡單蛋白和結(jié)合蛋白; 等。,-角蛋白：存在于動物的毛發(fā)、蹄爪、羽毛、甲殼和指甲中，富含胱氨酸。 -角蛋白：存在于蜘蛛絲、蠶絲、爬行動物鱗片中，又稱絲蛋白，富含甘氨酸、絲氨酸和丙氨酸。 膠原蛋白：是脊椎動物中含量最豐富的蛋白質(zhì) (1/4 1/3)，是皮膚、軟骨、動脈管壁及結(jié)締組織的成分。,纖維狀蛋白：纖維狀蛋白外形呈細(xì)棒狀或纖維狀，分子對稱性差，溶解性各不相同，大多數(shù)不溶于水。在動物體內(nèi)對組織器官起著支持、保護等作用，在動物體內(nèi)含量豐富。,球狀蛋白：是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜、功能最多樣的一類蛋白質(zhì)，形狀近似于球形或橢球形，分子比較對稱，溶解度較好，多數(shù)可溶于水或稀中性鹽溶液中。如血紅蛋白, 肌紅蛋白，球蛋白等。,簡單蛋白：僅由-氨基酸形成的肽鏈組成，不含其它化學(xué)成分。如清蛋白，球白蛋白，谷蛋白等。 結(jié)合蛋白質(zhì)：由簡單蛋白和非蛋白（輔基）組成。按結(jié)合蛋白輔基不同，可分為：,脂蛋白：脂蛋白是一類由脂與蛋白質(zhì)結(jié)合而成的結(jié)合蛋白質(zhì)。廣泛分布于生物細(xì)胞和血液中。脂蛋白的作用是輸運脂質(zhì)與固醇類物質(zhì)。 金屬蛋白：蛋白質(zhì)+金屬離子，如血紅蛋白，激素，胰島素，等。,色蛋白：蛋白質(zhì)+顯色物質(zhì)，如血紅蛋白，植物中的葉綠蛋白和細(xì)胞色素等。 核蛋白：蛋白質(zhì)+核酸，存在于所有動植物細(xì)胞核和細(xì)胞漿內(nèi)，如病毒、核蛋白、動植物細(xì)胞中的染色體蛋白，等。 糖蛋白是一類由糖同蛋白質(zhì)結(jié)合而成的結(jié)合蛋白質(zhì)。一切動、植物的組織、體液中均含有糖蛋白。糖蛋白是細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)物質(zhì)，許多激素與酶均屬于糖蛋白。如凝血酶、胰島素等。 ,胰島素結(jié)構(gòu)模型,胰島素是一種蛋白質(zhì)類激素。在人體十二指腸旁邊，有一條長形的器官，叫做胰腺。在胰腺中散布著許許多多的細(xì)胞群，叫做胰島。胰島素是由胰島細(xì)胞受內(nèi)源性或外源性物質(zhì)如葡萄糖、乳糖、核糖、精氨酸、胰高血糖素等的刺激而分泌的一種蛋白質(zhì)激素。,胰島素的作用： 一、調(diào)節(jié)糖代謝 胰島素能促進全身組織對葡萄糖的攝取和利用，并抑制糖原的分解和糖原異生，因此，胰島素有降低血糖的作用。 胰島素分泌過多時，血糖迅速下降，腦組織受影響最大，可出現(xiàn)驚厥、昏迷，甚至引起胰島素休克。 胰島素分泌不足就會導(dǎo)致血糖升高；若超過腎糖閾，則糖從尿中排出，引起糖尿??；另外，由于血液成份中改變(含有過量的葡萄糖), 亦導(dǎo)致高血壓、冠心病和視網(wǎng)膜血管病等病變。 二、調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)代謝 胰島素一方面可以促進蛋白質(zhì)的合成，另一方面又能夠抑制蛋白質(zhì)的分解，因而有利于機體的生長。但胰島素單獨作用時，對生長的促進作用并不很強，只有與腺垂體生長素共同作用時，才能發(fā)揮明顯的效應(yīng)。,胰島素的發(fā)現(xiàn)： 1921年，加拿大班廷和貝斯特首次成功提取到了胰島素。1922年開始用于臨床，使過去不治的糖尿病患者得到挽救。至今用于臨床的胰島素幾乎都是從豬、牛胰臟中提取的。 1926年，首次從動物胰臟中提取到結(jié)晶胰島素。 1955年，英國弗雷德里克桑格首次測定了牛胰島素的全部氨基酸序列，開辟了人類認(rèn)識蛋白質(zhì)分子化學(xué)結(jié)構(gòu)的道路。 1965年，9月17日，中國科學(xué)家王應(yīng)睞等首次完整人工合成了結(jié)晶牛胰島素。這是當(dāng)時人工合成的具有生物活性的最大的天然有機高分子化合物，實驗的成功使中國成為第一個合成蛋白質(zhì)的國家。 70年代初期，英國和中國的科學(xué)家又成功地用X射線衍射方法測定了豬胰島素的立體結(jié)構(gòu)。這些工作為深入研究胰島素分子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系奠定了基礎(chǔ)。,8.1.4 酶（Enzyme） 8.1.4.1 定義 酶是一類由生物細(xì)胞產(chǎn)生的、具催化活性的特殊蛋白質(zhì)。 8.1.4.2 酶催化的特點 酶催化的效率極高：因此只需要極微量的酶就能夠保證生物體內(nèi)化學(xué)反應(yīng)的進行；(活化能) 酶催化的專一性特強：生物體內(nèi)每一種化學(xué)反應(yīng)就有一種酶與之對應(yīng)。因此生物體內(nèi)酶的種類很多； 酶的活性嚴(yán)重依賴于溫度、pH、重金屬離子濃度等因素。 8.1.4.3 酶的分類 根據(jù)酶的作用和功能，可將酶分為6類：氧化還原酶 (如脫氫酶)；基團轉(zhuǎn)移酶 (如轉(zhuǎn)氨酶)；水解酶 (如淀粉酶)；裂解酶 (如脫羧酶)；異構(gòu)化酶；連接酶。,8.2 糖與脂 生物體是細(xì)胞的結(jié)合體。組成細(xì)胞的物質(zhì)主要有蛋白質(zhì)、核酸、糖類、脂肪與水，等。 8.2.1 糖類（Carbohydrates） 8.2.1.1 定義 在生命體中有一類重要化合物，在絕大多數(shù)情況下，其分子式可以用Cn(H2O)m表示。稱為糖類，舊稱碳水化合物。是一類含醛基(CHO)或酮基(RCOR)的多羥基化合物。 8.2.1.2 糖在生命體中的作用 是生物體貯藏能量的載體； 是生物體合成蛋白質(zhì)、脂和核酸的原料； 是細(xì)胞和組織的結(jié)構(gòu)單元； 是細(xì)胞中生化反應(yīng)的介質(zhì)。,8.2.1.3 糖的分類 根據(jù)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，將糖分為單糖、雙糖和多糖三類。 單糖：不能用水解法進一步降解為更簡單的糖的單體。在生命體中重要的是五碳糖（戊糖，又稱核糖）和六碳糖 (己糖)。 D-核糖 -核糖 -脫氧核糖 D-葡萄糖 D-半乳糖 D-果糖,雙糖：由兩個單糖分子失去一個水分子縮聚而成，如： 2葡萄糖麥芽糖 + H2O 葡萄糖 + 果糖 蔗糖 + H2O 多糖：由n個單糖分子失去n-1個水分子后縮聚而成的多聚體，亦指能水解生成很多單糖分子的糖。多糖大多不溶于水，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 均多糖：水解后只生成一種單糖。如淀粉、纖維素和糖原等，它們水解的最終產(chǎn)物是D-葡萄糖。 雜多糖：水解后生成兩種或兩種以上單糖或單糖衍生物的糖。如肝素等。,8.2.2 脂類(Lipids) 脂類是油、脂肪和類脂 (磷脂、固醇等)的總稱，大多數(shù)脂類是甘油三酸脂(三酰甘油)的復(fù)雜化合物。 一般將常溫下呈液體的三酰甘油稱為油(植物油含不飽和脂肪酸)，呈固體的稱為脂肪(動物脂肪中含飽和脂肪酸). 磷脂是分子中含有磷酸基團的高級脂肪酸。 如磷酸甘油酯：一分子甘油與兩分子脂肪 酸和一分子磷酸通過酯鍵 結(jié)合而成的化合物。 8.2.2.1 脂的作用 儲存能量：脂類被氧化時所產(chǎn)生的熱量是淀粉和糖原的23倍，因此是有效的儲能物質(zhì)。,CH2OCOR1 | CHOCOR2 | CH2OCOR3,CH2OCOR1 CHOCOR2 CH2O-P-OH,構(gòu)成生物膜：生物膜是細(xì)胞膜(也稱質(zhì)膜或外周膜)和細(xì)胞內(nèi)膜(細(xì)胞內(nèi)各種細(xì)胞器的膜)。構(gòu)成膜的主體是脂類和蛋白。脂類中最多也最為重要的是磷脂。人體中含量最多的磷脂是膽堿磷酸甘油脂（商品名卵磷脂）： 顯然，膽堿磷酸甘油脂具有兩親性質(zhì)，在生物體中易形成膜狀結(jié)構(gòu)（）。 8.3 核酸（Nucleic Acid） 核酸是從細(xì)胞核中分離出來的強酸性物質(zhì)，它是分子量高達108的高分子聚合物，是遺傳物質(zhì)的基礎(chǔ), 同時可以指導(dǎo)蛋白質(zhì)生物合成，與生物的生長、繁衍、遺傳、變異等過程都有非常密切的關(guān)系。,-,8.3.1 核酸的分類 核酸可分為核糖核酸（Ribonucleic Acid, RNA）和脫氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid, DNA）兩類。組成核酸的結(jié)構(gòu)單元是核苷酸。 8.3.2 核苷酸的組成 8.3.3 DNA的組成與結(jié)構(gòu)（）,戊糖（核糖/脫氧核糖）,含氮堿基（胞, 尿, 胸腺嘧啶；腺, 鳥嘌呤）,磷酸,核苷酸,8.3.4 結(jié)論 DNA由兩條主鏈組成，每條主鏈均以磷酸酯與核糖為鏈體，可表為PSPS； DNA中的堿基是腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)，而RNA中的堿基是腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)； 在DNA中，兩條鏈?zhǔn)腔パa的：一條鏈上的堿基通過氫鍵與另一條鏈上的堿基配對，互補對為A-T、G-C。 8.4 染色體、基因與遺傳 8.4.1 染色體的組成與結(jié)構(gòu) 染色體是由線型雙鏈DNA分子與蛋白質(zhì)所形成的復(fù)合物。 染色體存在于生物細(xì)胞核內(nèi)，因細(xì)胞分裂時期可用堿性染料染色而得名。,染色體的結(jié)構(gòu),在有性繁殖物種中，體細(xì)胞內(nèi)染色體的數(shù)目成對出現(xiàn)，稱為二倍體。性細(xì)胞（精子、卵子）中染色體數(shù)目只有體細(xì)胞的一半，稱為單倍體。 正常人的體細(xì)胞染色體數(shù)目為23對，并有一定的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。染色體在形態(tài)結(jié)構(gòu)或數(shù)量上的異常被稱為染色體異常，由染色體異常引起的疾病為染色體病。 現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的染色體病有100余種，染色體病在臨床上?？稍斐闪鳟a(chǎn)、先天愚型、先天性多發(fā)性畸形、以及癌腫等。染色體異常的發(fā)生率為0.5%0.7%。 人類體細(xì)胞中的23對染色體中，有22對常染色體和一對性染色體。性染色體包括 X 染色體和 Y 染色體。哺乳動物雄性個體細(xì)胞的性染色體對為XY；雌性則為XX。,由于哺乳動物雄性個體細(xì)胞的性染色體對為XY，其精子的性染色體為X或Y；由于雌性的染色體對為XX，其卵子的性染色體只能為X。 由性染色體為 X 的精子受精的卵發(fā)育為雌性體 (XX)；由染色體為Y的精子授精的卵則發(fā)育成雄性體 (XY)。 8.4.2 基因與遺傳信息 DNA分子上脫氧核苷酸的排列順序（因而堿基排列順序）決定生物的性狀。 可以認(rèn)為：DNA分子是由許多個相對獨立的單位構(gòu)成的，每一個獨立的單位稱為基因 (Gene)，即基因是具有遺傳效應(yīng)的DNA分子上的一個小片段，能編碼一種RNA或一種多肽。,DNA的復(fù)制,8.4.2.1 DNA的復(fù)制 以DNA為模板指導(dǎo)DNA全面合成的過程稱為復(fù)制。復(fù)制的同時將親代的全部遺傳信息傳遞給子代,同時遺傳信息還可以得到表達。,遺傳學(xué)上把信使RNA上決定一個氨基酸的相鄰的3個堿基叫做一個密碼子。1967年全部密碼子破譯完畢。,8.4.2.2 蛋白質(zhì)的合成,蛋白質(zhì)的合成,例：如果某DNA片段的核苷酸系列為（左起）： DNA片段： T-A-C-A-A-G-C-A-G-T-T-G-G-T-C-G-T-G- mRNA A-U-G-U-U-C-G-U-C-A-A-C-C-A-G-C-A-C- 新肽鏈 蛋(起) - 苯丙 - 纈 - 天冬酰胺-谷氨酰胺-組- ,8.4.2.3 基因的突變 由于DNA分子中發(fā)生堿基對 的增添、缺失或改變, 而引起 的DNA結(jié)構(gòu)的改變, 叫做基因 突變。,蛋白質(zhì) 正常 異常 氨基酸 谷氨酸 纈氨酸 mRNA GAA GUA DNA CTT 突變 CAT GAA GTA,引起基因突變的因素可能有： 物理因素 (X光、激光、放射性)； 化學(xué)因素 (能與DNA分子作用而改變DNA分子結(jié)構(gòu)的化學(xué)物質(zhì))； 生物因素（細(xì)菌與病毒）。 基因突變的特點：普遍性；隨機性；低頻性；有害性。 8.4.2.4 基因重組與轉(zhuǎn)基因技術(shù) 在生物體進行有性生殖的過程中，來自父本和母本的基因重新組合，使子代產(chǎn)生變異。 在自然界