生命的化学基础,http:/ibi.cqupt.edu.cn/department/course/biology/index.html 普通生物学课程网站,不同类型的细胞结构和功能不同，但化学组成基本相似生命的物质基础 一、元素组成 无机界的 C、H 、O 、N 、P 、S 二、分子组成 1、水和无机盐 2、糖类 3、脂类 4、蛋白质 5、核酸,一、元素组成,生命形式多样，但基本元素构成是基本一致的,% O C H N P S 其他,人 65 18 10 8 1.0 0.25 2.75,杆菌 69 15 11 8 1.2 1.00 5.00,基本元素：C，H，O，N，S，P，K，Ca 等占人体99.35%。,其它元素：Na，Fe，Mg，Mn，Zn，Cu， Cl，I等数量少，但作用大。如很多金属元素是酶的辅助因子。 偶然存在的元素：V、Mo、Li、F、Br、Si、As、Sn、等,Fe 氧的运送和酶的活性有关，缺少时，引起缺铁性贫血。 Cu 发生冠心病的主要原因，与酶的活性有关。 Zn 在青少年的发育生长，癌症等的发病和防治起有作用。 Mo （钼）与酶的活性、食道癌的发病率和防治有关。 I 缺碘产生地方性甲状腺肿，幼儿发生呆小症， Mn （锰）与酶的活性有关。 Co （钴）与酶的活性有关。青春期少女0.015mg/每日。 V （钒）软体动物富有钒；鱼体含量较低。,微量元素,F （氟）与牙齿健康有关，缺氟产生龋齿；过多则斑齿和氟中毒。,Ni （镍）植物中1555ppm,人为0.1ppm；急性白血病.25g/ml,Sn （锡）影响骨钙化速度；,Si （硅）矽肺，Si浸润细胞。,Se （硒）缺硒产生克山病，与肝功能，冠心病发病和防 治有关.,功能,1、构成原生质 2、组成多种多样的化合物 3、影响生物体的生命活动,二、分子组成,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。,无 机 物,水(water)生命的源泉 无机盐(mineral) 离子 调节生命的环境 细胞渗透压 PH 酶的活化,水和无机盐,水 水的特性符合生物生存的需要： 水是极性分子，形成极性共价键，可以和相邻的水分子形成不稳定的氢键，使水有较强的内聚力和表面能力； 很强的结合能力、最好的极性溶剂，对于物质的运输、生命中化学反应的进行,正常的新陈代谢具有重要意义； 水的比热为1cal/g,在温度改变时,热量的需求和释放较大，使细胞的温度和代谢速率得以保持稳定,维持体温； 固态水比液态水的密度低，有利于水生生物的生存。,无机盐,主要的阴离子有： Cl、 PO4 3 -和HCO3 主要的阳离子有：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+、Cu2+、Co2+、Mo2+,作用： （1）对细胞的渗透压和PH起着重要作用 （2）酶的活化因子和调节因子， Mg2+ ， Ca2+ （3）合成有机物的原料PO4 3 -合成磷脂、核苷酸 （4）动作电位、肌肉收缩等，Na+、K+、Ca2+ 内环境稳定：PH值 生物生存38.5，各种生物、各种组织均有适宜的PH范围，细胞中的离子有一定的缓冲能力。,有 机 物,糖(Carbohydrate) 脂类(Lipid) 蛋白质(Protein) 核酸(Nucleic acid)等,1、糖类,功能：,生命活动所需能量来源； 与生物体的结构有关； 储藏的养料； 分子识别作用； 具有润滑保护作用。 组成：C:H:O=1:2:1,糖的分类,单糖- 构成各种糖分子的基本单位 寡糖- 由少数几个（2-10）单糖分子连接 多糖 大量单糖分子连接形成的糖 结合糖糖脂、糖蛋白和蛋白多糖等,单糖分类,己糖,丙糖,戊糖,丁糖,重要的单糖,甘油醛 核糖 脱氧核糖,半缩醛羟基,半缩醛羟基,葡萄糖 果糖 半乳糖,寡 糖（oligosaccharides）,-麦芽糖,麦芽糖、蔗糖、乳糖,蔗 糖,-D-葡萄糖残基 -D-果糖残基,乳糖,-D-半乳糖残基 D-葡萄糖残基,多 糖,由很多单糖分子缩合脱水而成的分支或不分支的长链分子，如淀粉、糖原、纤维素,多糖（polysaccharides）,均一多糖 淀粉 植物细胞（谷粒，块根，果实） 糖原 动物细胞（如肝细胞中的糖原） 纤维素 植物细胞 木材-50%纤维素，棉花-90%纤维素 非均一多糖 透明质酸 软骨素,纤维素,3、脂类 生命体的重要构件和储能物质,由C、H、O组成，H:O远大于2，不溶于水，能溶于非极性溶剂，类别较多，结构差异很大 功能: 生物膜的组成，磷脂、胆固醇 储存能量 生物表面的保护层 很好的绝缘体，保温 生物学活性,（1）脂肪,甘油和脂肪酸结合而成，甘油的每一个-OH和脂肪酸的-COOH结合，形成酯键。,+,（2）蜡（wax） 由长链脂肪酸和长链一元醇脱水而成，皮肤表面，毛、羽、植物叶及果实表面以及昆虫体表 （3）磷脂（phospholipids） 磷酸甘油脂，甘油的一个-羟基和磷酸结合成酯,存在与细胞的膜系统中，在脑、肺、肾、心、骨髓、卵及大豆细胞中含量丰富。 卵磷脂、脑磷脂、丝氨酸磷脂等。,（4）其他脂类,类固醇 特殊芳香族结构，理化性质与脂肪相近 萜类 结构与类固醇相似。 如植物细胞中的胡萝卜素 维生素E 维生素K 结合脂类,4、蛋白质 遗传信息的表达者,氨基酸 遗传信息载体 蛋白质的结构- 多层次 蛋白质结构与功能的关系 变化多端,生物分子信息,细胞,分子,存贮、复制和传递 遗传信息的系统,生物信息的载体,DNA通过自我复制，在生物体的繁衍过 程中传递遗传信息,基因通过转录和翻译，使遗传信息在生物 个体中得以表达，并使后代表现出与亲代 相似的生物性状。,基因控制着蛋白质的合成,DNA,RNA,蛋白 质,转录,翻译,蛋白质的功能,酶的催化作用 运载和贮存 协调动作 机械支持 免疫保护 产生和传递神经冲动 生长和分化的控制,蛋白质的构件分子 氨基酸,氨基酸的通式 氨基酸的分类,氨基酸的通式,组成蛋白质的常见氨基酸有二十种 ，通式如下： R不同，组成的 氨基酸就不同,20种标准氨基酸的英文简写,氨基酸的分类,对于20种标准的氨基酸，按照侧链化学性质的不同，可以分为以下三组： 疏水性的氨基酸 Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Pro、Trp和Met 带电氨基酸 Arg、His、Lys（+）和Asp、Glu（-） 极性氨基酸 Ser、Thr、Cys、Asn、Gln、Tyr,甘氨酸（Gly）的侧链只有一个氢原子，是最简单的氨基酸，具有独特的性质，可以单作为第四类，也可以归于第一类。 含有芳香性侧链 Phe、Tyr、Trp、His 侧链为醇或酚的氨基酸有 Ser、Thr、Tyr 可以形成氢键 Arg、Lys、Asp、Glu、Ser、Thr、Asn、Gln、His、Tyr,肽键、肽和多肽,不同数目的氨基酸以肽键顺序相连，形成链状分子，即是肽或多肽，通常分子量在1500以下的为肽，在1500以上的为多肽，-NH2端为N末端写在左，另一端为C末端，写在右。,蛋白质的结构层次,1、一级结构 2、二级结构 3、三级结构 4、四级结构,蛋白质一级结构,肽键 肽链 氨基酸排列顺序等,二级结构,肽链的主链在空间的走向 -螺旋 -折叠,-螺旋,平行 -折叠,反平行 -折叠, -折叠,蛋白质的超二级结构,（i）环花样 （ii）发夹花样 环花样 （iii）希腊图案花样 由四条反平行片组成 （iv）花样 -环- -环-,三级结构,亲水基位于球体表面,疏水基位于球体内部 球状蛋白溶于水,球蛋白 近似球形，表面富含亲水基团，溶于水 如：酶、多种蛋白质激素和各种抗体 细胞质和细胞膜中的蛋白质 纤维蛋白 蛋白质分子围绕一个纵向轴缠绕成螺旋状 如：指甲、毛发、真皮、韧带等,三级结构（tertiary structure） 在二级结构基础上的肽链再折叠形成的构象,胰岛素的三维结构,四级结构,多亚基构成的寡聚蛋白结构 均一寡聚蛋白 由相同亚基构成 非均一寡聚蛋白由不同亚基构成,四级结构（quanternary structure） 组成蛋白质的多条肽链在天然构象空间上的排列方式，多以弱键互相连接：疏水力、氢键、盐键；每条肽链本身具有一定的三级结构，就是蛋白质分子的亚基。,蛋白质的各级结构,氨基酸,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,血红蛋白,蛋白变性,可逆变性,不可逆变性,尿素,天然核糖核酸酶,硫醇,松散核糖核酸酶,变性核糖核酸酶,天然核糖核酸酶,除去硫醇,除去尿素,除去硫醇,除去尿素,核酸(nucleic acid) 以核苷酸为基本组成单位的生物大分子，携带和传递遗传信息。 DNA（Deoxyribonucleic acid)脱氧核糖核酸 RNA（Ribonucleic acid) 核糖核酸,5、核酸的化学结构,脱氧核糖核酸（DNA）,主要存在于细胞核的染色质内，2%在线粒体。 遗传的物质基础,核糖核酸（RNA）,主要存在细胞质，10%在核仁 参与生物体内蛋白质的生物合成,根据RNA的功能，可以分为mRNA、tRNA和rRNA三种。,第一节 核酸的化学组成与结构,一、核酸的化学组成,核苷酸由核糖、磷酸和含氮碱三部分构成,（一）碱基,1、嘧啶碱,2、嘌呤碱,3、稀有碱基,（二）戊糖,（三）核苷,（四）核苷酸,（五）多磷酸核苷酸和环化核苷酸,二、DNA分子的结构,（一）DNA分子的大小,天然存在的DNA分子最显著的特点是很长，分子质量很大，一般在1061010。 例如 大肠杆菌染色体由400万碱基对(basepair，bp)组成的双螺旋DNA单分子。其长度为14X106nm，相当于1.4mm，而直径为20nm，相当原子的大小 黑腹果蝇最大染色体由6，2X107bp组成，长2.1cm 多瘤病毒的DNA由5100bp组成 ，长17nm(17000nm),（二）DNA的碱基组成Erwin Chargaf测定,1）有种的特异性 2）没有器官和组织的特异性 3）各种DNA分子中， A=T, C=G, A+G=C+T 4) 年龄、营养、环境的改变不影响DNA的碱基组成,（三）DNA的一级结构,分子较大 dCMP dGMP dAMP dTMP 磷酸二酯键 线型大分子，无分支,一级结构的表示方法,化学式,线条式,文字式,（四）DNA的二级结构 -双螺旋结构模型,DNA双螺旋结构的要点,（DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链(简称DNA单链)组成。 两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为53而另一条链的方向为35 嘌呤碱和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和脱氧核糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90角。,(五) 超螺旋DNA,大多数原核生物 1）共价封闭的环状双螺旋分子 2）再次螺旋化超螺旋结构,三、DNA的一些性质,1、紫外吸收特性,2、DNA的变性（DNA denaturation）,物理（热）或化学（碱）方法破坏维持DNA分子双链状态的氢键使成为单链的过程。 变性的特征：增色效应，黏度下降，沉降系数增加，生物学活性丧失,热变性：加热引起的变性。实验室常用的方法,增色效应：核酸分子加热变性时，其在260nm处的紫外吸收急剧增加的现象。,DNA解链曲线,Tm值 ：当紫外吸收变化达到最大变化的半数值时，此时所对应的温度称为熔解温度、变性温度或用Tm值表示,第二节 RNA的分子结构,（一）RNA的类型,三种主要的RNA tRNA rRNA mRNA,1、mRNA：占细胞中RNA总量的3%-5%，分子量大小不一，不稳定，代谢活跃，更新迅速，是合成蛋白质的模板。 2、rRNA：细胞中含量最多的RNA，核糖