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第二章 生命的物质基础,学习目标 掌握遗传物质DNA和RNA的结构与功能 熟悉蛋白质的分子结构和功能 熟悉酶的概念和催化特性 了解原生质的概念及原生质中水、无机盐、糖类、脂类等化合物的构成和功能,原生质:决定生命的物质,即组成细胞的全 部生命物质。 细胞的主要元素: 原生质中化学元素有50多种,主要包括C、H、O、N、P、S、Ca等,以上7种元素约占生物体的99.35%,其中C、H、O、N 四种元素约占90%。,细胞的化学组成,无机化合物:水和无机盐。 有机化合物:糖类、脂类、维生素、蛋白质、核酸。 生物大分子:蛋白质、核酸由于分子量巨大,结构复杂,具有生物活性,故有此称。,第一节 无机化合物,一、水 1. 在原生质中含量最高(60%95%); 2. 不同器官含水量不同:骨骼22%,肌肉76%,脑86%,眼玻璃体99%; 3. 水的含量随年龄、性别的不同而不同:水的含量随人年龄的增长而递减。,4. 原生质中两种存在形式:游离水(自由流动;绝大部分)、结合水(细胞结构成分); 5. 生理功能:1)良好的溶剂(极性) 2)参与细胞内各种代谢活动 3)调节体温(水比热大;排汗) 4)润滑剂,1. 在原生质中含量约1%,多以离子形式存在。 2. 含量较高的阳离子:K+,Na+,Ca2+,Mg2+等;阴离子主要有:Cl-,SO42-,HCO3-,PO43-等; 3. 无机盐的主要功能: 1)参与构成某些蛋白质或酶; 2)调节细胞内外的pH值; 3)维持细胞的膜电位,如K+、Na+等离子; 4)维持细胞内外的渗透压,如0.9%NaCl。,二、无机盐,第二节 有机化合物,一、糖类 (C、H、O) 1. 又称碳水化合物,分子式缩写(CH2O)n 2. 根据糖的水解情况可分为单糖、双糖和多糖。 3. 单糖:不能被水解成更简单类型的糖(多羟基醛/酮);常见的单糖有葡萄糖(血糖)、果糖、核糖(构成RNA)、脱氧核糖(构成DNA)等; 4. 双糖:由两分子单糖脱去一分子水缩合而成的糖;常见的双糖有蔗糖、乳糖、麦芽糖,多为储存的营养物质或代谢中间产物。,5. 多糖:由10个以上单糖脱水缩合而成的糖,分子量可达几万至几百万;主要包括淀粉(主食)、纤维素和糖原(肝糖原-血糖、肌糖原-肌肉运动;储能)。 6. 糖的主要功能: 1)供能:人体所需能量50%70%来自糖类; 2)参与物质构成:参与细胞壁、细胞膜、核酸、免疫球蛋白构成。,二、脂类,1.脂类是脂肪、类脂和固醇类化合物的总称; 2.脂类难溶于水,易溶于有机溶剂; 3.元素构成主要为C,H,O三种,有些脂类还含有N,P等元素。,二、脂类,1)脂肪:由一分子甘油和三分子脂肪酸结合而成,是动植物细胞储存脂类的主要形式。,2)类脂:甘油、脂肪酸、磷酸和含氮碱四部分组成;人体重要的类脂是磷脂类,主要有磷脂酰胆碱(卵磷脂)和磷脂酰乙醇胺(脑磷脂)。 3)固醇类化合物:主要包括胆固醇、胆汁酸、性激素、维生素D等;在维持细胞结构和正常代谢等方面起调节作用。,磷脂分子: 一端由甘油、磷酸和含氮碱组成,易于与水相溶,称为亲水端;另一端则由两条脂肪酸链构成,不溶于水,称为疏水端。 磷脂是构成细胞膜及细胞内各种膜结构的主要组成成分。,三、维生素,1.维生素(vitamin,vit)是机体维持正常功能所必需,但在人体内不能合成,必须由食物供给的一类小分子有机化合物。 2.根据溶解性不同,可分为:脂溶性维生素(A、D、E、K)和水溶性维生素(B族、C)。 3.维生素每日需要量很少,非供能物质,但在调节物质代谢和维持生理功能等方面发挥重要作用。,三、维生素,4.维生素缺乏症: 1) 缺乏vitA引起夜盲症、干皮病等; 2) 缺乏vitD,儿童导致佝偻病,成人引起软骨病; 3) 缺乏vitB1可引起脚气病; 4) 缺乏vitB2可引起口角炎、唇炎、眼睑炎、畏光等症。,四、蛋白质,蛋白质(protein): 1)组成元素主要为C、H、O、N、S; 2)是生命的承担者; 3)基本单位是氨基酸; 4)人体蛋白质是由20种氨基酸组成的。,医 学 生 物 学,(一)蛋白质的分子结构,1.氨基酸在蛋白质分子中的连接方式 (1)肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。 (2)肽(peptide) 1)肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。 2)两分子氨基酸缩合形成二肽,三分子氨基酸缩合则形成三肽,+,甘氨酰甘氨酸,肽键,3)由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽,由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽。 4)肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全,被称为氨基酸残基(residue)。 5)多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。,蛋白质的一级结构,蛋白质的二级结构,螺旋,蛋白质的三级结构,蛋白质的四级结构,(二)蛋白质的功能,1.结构和支持作用:胶原蛋白、角蛋白、胞质中结构蛋白。 2.催化作用:酶是具有生物催化活性的蛋白质。 3.调节作用:体内有些激素属于蛋白质,如胰岛素、生长素。 4.运输作用:血液中运送O2与CO2的血红蛋白和运送脂质的脂蛋白;控制离子进出的离子泵等;,5.防御作用:免疫球蛋白、抗体、金属硫蛋白等 6.运动功能:肌肉收缩、细胞分裂、细胞运动都与蛋白质有关。如肌纤维中的肌球蛋白等; 7.贮存蛋白:贮存氨基酸和离子等,如酪蛋白、卵清蛋白、载铁蛋白等; 8.信号蛋白:接受与传递信号,如受体蛋白等;,五、酶,酶:一类由活细胞产生的,对其底物具有高度特异性和高效催化作用的蛋白质。,酶具有极高的催化效率(最适条件),酶具有高度专一性,酶具有高度不稳定性,酶的活性可以调控,酶 的 特性,五、酶,酶:一类由活细胞产生的,对其底物具有高度特异性和高效催化作用的蛋白质。,单纯酶:仅有氨基酸构成的一类酶。,(决定反应特异性),(决定反应的种类),酶 的 分 类,(一)核酸的基本结构单位核苷酸,核酸,核苷酸,磷酸,核苷,戊糖,碱基,嘌呤碱-A、G,嘧啶碱-C、U、T,A (腺嘌呤)、G (鸟嘌呤),U (尿嘧啶)、C (胞嘧啶)、T (胸腺嘧啶),六、核酸,遗传信息的贮存者和携带者,控制蛋白质的合成,从而控 制着生物体的生长、发育、繁殖、遗传与变异。,(二)核酸的分类,核酸,DNA,RNA,mRNA,tRNA,rRNA,5 %,Pr合成的直接模板,15 %,活化与转运AA,识别密码,80 %,充当装配机,提供场所,腺嘌呤脱氧核苷酸(dAMP) 鸟嘌呤脱氧核苷酸(dGMP) 胞嘧啶脱氧核苷酸(dCMP) 胸腺嘧啶脱氧核苷酸(dTMP),腺嘌呤核苷酸(AMP) 鸟嘌呤核苷酸(GMP) 胞嘧啶核苷酸(CMP) 尿嘧啶核苷酸(UMP),RNA,DNA,DNA和RNA的主要区别,RNA,DNA,组成成分,磷 酸,磷 酸,戊 糖,核 糖(R),脱氧核糖(dR),碱基,A G C U,A G C T,三磷酸腺苷ATP,(三)核酸的结构与功能,1. DNA的结构与功能 (1) DNA的分子结构 核苷酸之间以 3,5-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链,即核酸。,磷酸二酯键,2 nm,大沟 (2.2 nm),小沟 (1.2 nm),3.4 nm,DNA 是反向平行的互补双链结构,脱 氧核糖-磷酸骨架位于双链的 外侧,碱基位于内侧,双链的碱基之 间以氢键相结合。 (碱基互补配对形式:A T; G C) 2. DNA 是右手螺旋结构,螺旋直径为 2 nm,螺距为 3.4 nm。碱基平面垂直螺 旋轴,相邻碱基平面距离为 0.34 nm, 螺旋一圈包含 10 对碱基。 3. 氢键维持 DNA 双链横向稳定性,碱基平面之间的疏水堆积力维持双链纵向稳定。,(二) DNA 双螺旋结构模型要点,基本骨架:磷酸和脱氧核糖交替排列 碱基互补配对原则(A=T; GC)。,(2) DNA的功能,1) 以基因的形式储存遗传信息。 2) 作为基因复制的模板 3) 作为基因转录的模板,2) DNA的自我复制,复制是指以亲代DNA为模板合成子链DNA的过程。,2) DNA的自我复制,DNA合成时,以亲代DNA解开的两股单链为模板,按碱基配对规律,合成子代DNA的过程。子代DNA,一股单链来源于亲代,另一股单链为新合成。子代和亲代的DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。,复制的半不连续性,3) DNA的转录(RNA的生物合成),转录:以DNA一条链为模板,在RNA聚合酶的作用下,互补合成RNA的过程 。,2. RNA的结构与功能,RNA的分类,1)信使RNA(messenger RNA, mRNA): 作为指导蛋白质合成的模板 2)转运RNA(transfer RNA,tRNA): 在蛋白质合成过程中起转运氨基酸的作用 3)核糖体RNA(ribosomal RNA,rRNA): 与蛋白质形成核糖体,作为蛋白质合成的场所,tRNA 1、由单链卷曲形成局部环状双链。 2、反密码环,带有反密码子可 破译遗传密码。 3、氨基酸臂,直接结合被活化 的氨基酸。 一种tRNA只能识别和转运一种氨基酸!,核糖体以mRNA为模板翻译出蛋白质,中心法则,复制,复制,
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