第二章第二章 生物的化学组成生物的化学组成主讲：邱丽娜主讲：邱丽娜一、一、原子和分子原子和分子生命的化学基础生命的化学基础 1 生物体的生物体的 主要元素？主要元素？元元 素素 组组 成成含量最高的必需元素含量最高的必需元素其它必需元素其它必需元素偶然存在的元素偶然存在的元素C18.0P1.1000Mn痕量痕量V痕量痕量H10.0S0.2500Co痕量痕量Mo痕量痕量N3.0Ca2.0000Cu痕量痕量Li痕量痕量O65.0K0.3500Zn痕量痕量F痕量痕量Na0.1500Se痕量痕量Br痕量痕量Cl0.1500Ni痕量痕量Si痕量痕量Mg0.0500As痕量痕量Fe0.0040Ba痕量痕量I0.0004生物体都是由蛋白质、生物体都是由蛋白质、核酸、脂类、糖、无机核酸、脂类、糖、无机盐和水盐和水组成组成。哪一种分子含量最高？哪一种分子含量最高？2 生物体的主要生物分子 不同的生物体，其分子组成也大体相同不同的生物体，其分子组成也大体相同蛋白质、核酸、脂类和蛋白质、核酸、脂类和多糖是组成生物体最重多糖是组成生物体最重要的生物大分子，水是要的生物大分子，水是生物体内所占比例最大生物体内所占比例最大的化学成分的化学成分在生命元素中，碳原子在生命元素中，碳原子具有特别重要的作用，具有特别重要的作用，碳原子相互连接成链或碳原子相互连接成链或成环，形成各种生物大成环，形成各种生物大分子的基本结构。分子的基本结构。3 3 有机化合物的碳骨架和功能基团有机化合物的碳骨架和功能基团 碳骨架碳骨架 结构排列和长短决定了有机化合物的基本性质结构排列和长短决定了有机化合物的基本性质生物体中的有机化合物生物体中的有机化合物主要含有羟基、羰基、主要含有羟基、羰基、羧基和氨基等功能基羧基和氨基等功能基团团， 这些功能基团几乎都是这些功能基团几乎都是极性基团。功能基团的极性基团。功能基团的极性使得生物分子具有极性使得生物分子具有亲水性，有利于这些化亲水性，有利于这些化合物稳定于有大量水分合物稳定于有大量水分子存在的细胞中。子存在的细胞中。生物大分子的基本性质还生物大分子的基本性质还取决于与碳骨架相连接的取决于与碳骨架相连接的功能基团功能基团由生物单体分子合成生由生物单体分子合成生物大分子多聚体往往涉物大分子多聚体往往涉及与功能基团相关的脱及与功能基团相关的脱水反应，又称为水反应，又称为脱水缩脱水缩合反应。合反应。使生物大分子多聚体分使生物大分子多聚体分解为单体的分解反应往解为单体的分解反应往往需要有水分子参与，往需要有水分子参与，因此又称为因此又称为水解反应。水解反应。水解反应是脱水缩合反水解反应是脱水缩合反应的逆反应应的逆反应脱水缩合反应脱水缩合反应与水解反应与水解反应二、糖类二、糖类主主要要的的能能源源和和碳碳源源物物质质，重重要要的的中中间间代代谢谢物物，部部分参与细胞结构组成；分参与细胞结构组成；光合作用的产物；光合作用的产物；包包括括单单糖糖(如如核核糖糖、脱脱氧氧核核糖糖、葡葡萄萄糖糖、果果糖糖)、寡寡糖糖(常常见见的的主主要要是是二二糖糖，如如麦麦芽芽糖糖、蔗蔗糖糖、乳乳糖糖)及及多多糖糖(如如淀淀粉粉、糖糖原原、纤纤维维素素、几几丁丁质质、果果胶胶、菊糖、葡聚糖、肝素菊糖、葡聚糖、肝素)；可可与与其其它它物物质质结结合合成成糖糖蛋蛋白白、糖糖脂脂、核核酸酸等等，形形成重要的活性分子。成重要的活性分子。 为什么牛羊可以以秸秆为食物而人不可以？为什么牛羊可以以秸秆为食物而人不可以？三、脂类三、脂类不溶于水，易溶于有机溶剂。不溶于水，易溶于有机溶剂。构构成成生生物物膜膜的的重重要要物物质质，与与细细胞胞的的表表面面物物质质、细细胞胞识识别别及及种种的的特特异异性性、组组织织免免疫疫密密切相关；切相关；可可作作为为能能量量贮贮存存在在生生物物体体内内，构构成成生生物物体体的的保保护护层层，防防止止机机械械损损伤伤和和热热量量、水水分分的的散失；散失；有的具有强烈的生物活性。有的具有强烈的生物活性。可分为中性脂肪和类脂（蜡和磷脂）等可分为中性脂肪和类脂（蜡和磷脂）等n n 中性脂肪(动物-fat)和油(植物-oil)由甘油醇和脂肪由甘油醇和脂肪酸结合成的酯。酸结合成的酯。又称磷酸甘油脂又称磷酸甘油脂，与与脂肪不同之处在于甘脂肪不同之处在于甘油的一个羟基不是与油的一个羟基不是与脂肪酸结合成酯，而脂肪酸结合成酯，而是与磷酸及其衍生物是与磷酸及其衍生物( (如磷酸胆碱如磷酸胆碱) )结合，结合，形成卵磷脂形成卵磷脂n n 磷脂卵磷脂是生物膜脂质双层的主要成分，磷酸胆碱一卵磷脂是生物膜脂质双层的主要成分，磷酸胆碱一端为极性的头，两个脂肪酸一端为非极性的尾端为极性的头，两个脂肪酸一端为非极性的尾，其其中一个脂肪酸通常含不饱和双键，因此总有点弯折中一个脂肪酸通常含不饱和双键，因此总有点弯折 结构蛋白结构蛋白 伸缩蛋白伸缩蛋白 贮存蛋白贮存蛋白 保护蛋白保护蛋白 运输蛋白运输蛋白 激素蛋白激素蛋白 信号蛋白信号蛋白 酶和辅酶酶和辅酶四、四、 蛋白质蛋白质n 蛋白质的主要种类和功能l氨基酸结构的共同特点氨基酸结构的共同特点在于，在与羧基相连的在于，在与羧基相连的碳原子（碳原子（ - -碳原子）碳原子）上都有一个氨基，另一上都有一个氨基，另一个个R R基。基。n 蛋白质是由蛋白质是由2020种氨基酸组成的生物大分子种氨基酸组成的生物大分子l 不同氨基酸不同氨基酸其其R R基各不相基各不相同，同，R R基的结基的结构决定了构决定了2020种种氨基酸的特殊氨基酸的特殊性质性质NHl一个氨基酸的一个氨基酸的 氨基与另一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的 羧基脱水羧基脱水缩合，形成肽键并生成缩合，形成肽键并生成二肽二肽二肽二肽化合物。不同数目的化合物。不同数目的氨基酸以肽键顺序相连形成氨基酸以肽键顺序相连形成多肽多肽多肽多肽，多肽形成蛋白多肽形成蛋白质分子的亚单位。质分子的亚单位。蛋白质的特定构象即蛋白质的三维空间结构蛋白质的特定构象即蛋白质的三维空间结构和形态对于蛋白质的功能起决定性的作用。和形态对于蛋白质的功能起决定性的作用。蛋白质蛋白质变性（构象发生变化）使得变性（构象发生变化）使得其特定的其特定的功能便立即丧失。功能便立即丧失。n 蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能的关系 一级结构一级结构 二级结构二级结构 三级结构三级结构 四级结构四级结构n 蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构 一一一一级级级级结结结结构构构构：是共共价价连连接接的的氨氨基基酸酸残残基基的的序序列列，它它描描述述的的是是蛋蛋白白质质的的线线性性的的（或或一维）结构一维）结构。 胰岛素由胰岛素由51个氨基酸组成个氨基酸组成二级结构：二级结构：二级结构：二级结构：是通过肽键中的酰胺氮和羰基氧之间形成的氢是通过肽键中的酰胺氮和羰基氧之间形成的氢键维持的，一级结构盘绕键维持的，一级结构盘绕 折叠折叠 形成的有规律的结构单元形成的有规律的结构单元,包括包括 -螺旋、螺旋、 -折叠和转角等折叠和转角等。 （4条条-螺旋）螺旋） 原纤维原纤维 微原纤维微原纤维（11条原纤维）条原纤维）巨原纤维巨原纤维纺锤体型纺锤体型皮质细胞皮质细胞角质膜角质膜皮质皮质髓质髓质头发头发思考题思考题: 毛毛发在湿热条发在湿热条件下可以拉件下可以拉长到原有长长到原有长度的度的2倍倍, 为为什么什么?烫发实际上是一个生物化学过程烫发实际上是一个生物化学过程还原还原做卷做卷氧化氧化头发中的原纤维和巨原纤维的结构都是通过二硫键交联的，大大头发中的原纤维和巨原纤维的结构都是通过二硫键交联的，大大增加了整体结构的稳定性。增加了整体结构的稳定性。 -折叠折叠丝制品很柔软丝制品很柔软, 不能拉伸不能拉伸.肌红蛋白肌红蛋白三级结构三级结构三级结构三级结构：是指一条多肽链形成紧密的一个或多个球状单：是指一条多肽链形成紧密的一个或多个球状单位或结构域，三级结构的稳定依赖于非相邻的氨基酸残基位或结构域，三级结构的稳定依赖于非相邻的氨基酸残基侧链的相互作用。侧链的相互作用。 四级结构：四级结构：四级结构：四级结构：并不是每个蛋白质都具有的，只有那些是由两条并不是每个蛋白质都具有的，只有那些是由两条或两条以上多肽链组成的蛋白质才具有四级结构，每一条肽或两条以上多肽链组成的蛋白质才具有四级结构，每一条肽链也称之亚基，肽链可以是相同的，也可以是不同的。链也称之亚基，肽链可以是相同的，也可以是不同的。蛋白质结构的研究方法蛋白质结构的研究方法核酸贮存遗传信息，控制蛋白质的合成核酸贮存遗传信息，控制蛋白质的合成核核酸酸包包括括脱脱氧氧核核糖糖核核酸酸(DNA)(DNA)和和核核糖糖核核酸酸(RNA),(RNA),都是由许多顺序排列的核苷酸组成的大分子。都是由许多顺序排列的核苷酸组成的大分子。五、五、 核酸核酸贮贮存存遗遗传传信信息息的的特特殊殊DNADNA片片段段称称为为基基因因，它它编编码码蛋蛋白白质质的的氨氨基基酸酸序序列列，从从而而决决定定蛋蛋白白质质的的功功能能。通通过过蛋蛋白白质质的的作作用用，DNADNA实际上控制着细胞和生物体的生命过程实际上控制着细胞和生物体的生命过程DNADNA控控制制蛋蛋白白质质的的合合成成是是通通过过RNARNA来来实实现现的的，即即遗遗传传信信息息由由DNADNA转录到转录到RNARNA，后者决定蛋白质的氨基酸序列，后者决定蛋白质的氨基酸序列DNA分分子子为为双双链链，由由两两条条脱脱氧氧核核糖糖核核苷苷酸酸长长链链碱碱基基互互相相配配对对，形形成成双双螺螺旋旋结结构构；RNA分分子子一一般般为为单单链链(如如t-RNA)；脱氧核苷酸脱氧核苷酸的结构的结构磷酸磷酸脱氧核糖脱氧核糖含氮碱基含氮碱基？核苷酸的结构核苷酸的结构磷酸磷酸核糖核糖含氮碱基含氮碱基？DNA的碱基是的碱基是A、T、G、C.RNA的碱基是的碱基是A、U、G、C。DNADNA的平面结构的平面结构两条脱氧核苷酸链反两条脱氧核苷酸链反向平行向平行双链的中间是碱基对双链的中间是碱基对双链的两侧是磷酸和双链的两侧是磷酸和脱氧核糖的交互排列脱氧核糖的交互排列碱基互补配对原则是：碱基互补配对原则是： A与与T配对；配对； G与与C配配对对CATGC GT AC GGCC GRNA的组成的组成RNA大多是单链分子；大多是单链分子；含核糖；含核糖；碱基为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧碱基为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和尿嘧啶；啶和尿嘧啶；3种种RNA：信使：信使RNA（mRNA），核糖体），核糖体RNA（rRNA）和转运）和转运RNA（tRNA）RNA与与DNA的主要差别？的主要差别？RNA与与DNA的主要差别的主要差别（1）RNA大多是单链分子；大多是单链分子；（2）含核糖而不是脱氧核糖；）含核糖而不是脱氧核糖；（3）4种核苷酸中，不含胸腺嘧啶（种核苷酸中，不含胸腺嘧啶（T），），而是由尿嘧啶（而是由尿嘧啶（U）代替了胸腺嘧啶（）代替了胸腺嘧啶（T）。）。n DNADNA双螺旋结构双螺旋结构的发现的发现n19511951年年 Watson 23Watson 23岁岁n丹麦的哥本哈根丹麦的哥本哈根 WilkinsWilkins教授教授 n英国剑桥大学英国剑桥大学CavendishCavendish实验室实验室 nCrickCrick， 3131岁岁 n伦敦大学伦敦大学KingKings s实验室实验室n女科学家女科学家Franklin Franklin nWilkinsWilkins教授教授 RandallRandall教授教授 nDNADNA应该是双螺旋应该是双螺旋 nA A与与T T、 C C与与G G巧妙连接巧妙连接 n符合符合X X衍射数据衍射数据 DNADNA的复制的复制n19531953年年2 2月月2828日日，WatersonWaterson 和和CrickCrick用用金金属属线线又又制制出出了了新新的的DNADNA模型，他们为自然科学树立了一座闪闪发光的里程碑。模型，他们为自然科学树立了一座闪闪发光的里程碑。六六 、大分子结合物、大分子结合物1)糖蛋白糖蛋白2)核蛋白核蛋白3)糖脂糖脂4)脂蛋白脂蛋白糖蛋白糖蛋白糖同蛋白质的共价结合物糖同蛋白质的共价结合物生物学功能：生物学功能： （1）具有酶或激素活性如：核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、）具有酶或激素活性如：核糖核酸酶、脱氧核糖核酸酶、促性腺激素、卵泡刺激激素等促性腺激素、卵泡刺激激素等（2）具有转运金属和激素的作用，如：转铁蛋白、甲状腺素）具有转运金属和激素的作用，如：转铁蛋白、甲状腺素结合球蛋白等结合球蛋白等（3）参加血液凝结作用：纤维蛋白原）参加血液凝结作用：纤维蛋白原（4）作为保护剂和润滑剂：粘蛋白）作为保护剂和润滑剂：粘蛋白（5）作为各种生物膜的组成成分和支持结构，细胞膜的选择）作为各种生物膜的组成成分和支持结构，细胞膜的选择性通透作用也收到糖蛋白的控制性通透作用也收到糖蛋白的控制（6）其他生物功能，如糖蛋白与生物体免疫和血型区分有关）其他生物功能，如糖蛋白与生物体免疫和血型区分有关核蛋白核蛋白核酸与蛋白质结合核酸与蛋白质结合比较重要的核蛋白存在形式：比较重要的核蛋白存在形式：（1）病毒：非细胞生物，主要有蛋白质和核）病毒：非细胞生物，主要有蛋白质和核酸组成酸组成（2）染色质：核酸和蛋白质组成）染色质：核酸和蛋白质组成（3）核蛋白体：核糖体与蛋白质组成，是蛋）核蛋白体：核糖体与蛋白质组成，是蛋白质生物合成的场所白质生物合成的场所糖脂糖脂糖脂是一类具有一般脂类溶解性质的含糖糖脂是一类具有一般脂类溶解性质的含糖脂质脂质,包括脑糖脂、神经节糖脂、甘油醇糖包括脑糖脂、神经节糖脂、甘油醇糖脂等脂等 脂蛋白脂蛋白脂同蛋白质的结合物脂同蛋白质的结合物脂蛋白中脂质与蛋白质之间没有共价键结脂蛋白中脂质与蛋白质之间没有共价键结合，多数是通过脂质的非极性部分与蛋白合，多数是通过脂质的非极性部分与蛋白质组分之间以疏水性相互作用而结合在一质组分之间以疏水性相互作用而结合在一起。起。 猪肉为长寿食品？猪肉为长寿食品？生命元素中，碳元素具有特别重要的作用。生物大分子的基本性生命元素中，碳元素具有特别重要的作用。生物大分子的基本性质取决于有机化合物的碳骨架和功能基团。蛋白质、核酸、脂类和质取决于有机化合物的碳骨架和功能基团。蛋白质、核酸、脂类和多糖等，都是由含有功能基团的相同或相近的多糖等，都是由含有功能基团的相同或相近的单体单体脱水缩合而成。脱水缩合而成。 糖类包括单糖、寡糖和多糖。糖是生物代谢反应的重要中间代糖类包括单糖、寡糖和多糖。糖是生物代谢反应的重要中间代谢物，是细胞重要的结构成分，可构成核酸和糖蛋白等重要生物大谢物，是细胞重要的结构成分，可构成核酸和糖蛋白等重要生物大分子，糖类又是生命活动的主要能源。分子，糖类又是生命活动的主要能源。 脂类主要是由碳原子和氢原子通过共价键结合形成的非极性化脂类主要是由碳原子和氢原子通过共价键结合形成的非极性化合物，具有疏水性。中性脂肪和油都是由甘油和脂肪酸结合成的脂合物，具有疏水性。中性脂肪和油都是由甘油和脂肪酸结合成的脂类。卵磷脂是生物膜脂质双层的主要成分。类。卵磷脂是生物膜脂质双层的主要成分。 蛋白质是细胞最重要的结构成分并参与所有的生命活动过程。蛋白质是细胞最重要的结构成分并参与所有的生命活动过程。蛋白质的特定构像对于蛋白质的功能起决定性的作用。蛋白质的特定构像对于蛋白质的功能起决定性的作用。 核酸包括脱氧核糖核酸（核酸包括脱氧核糖核酸（DNA)DNA)和核糖核酸和核糖核酸(RNA)(RNA)两类。两类。DNADNA是是右右旋的双螺旋结构。旋的双螺旋结构。DNADNA是遗传信息的携带者。贮存遗传信息的特殊是遗传信息的携带者。贮存遗传信息的特殊DNADNA片段称为基因，它决定蛋白质的功能。片段称为基因，它决定蛋白质的功能。RNARNA是一类单链分子，在是一类单链分子，在蛋白质的合成中起重要作用。蛋白质的合成中起重要作用。19531953年年 WatsonWatson和和CrickCrick建立了建立了DNADNA双螺双螺旋结构理论，奠定了现代分子生物学基础。旋结构理论，奠定了现代分子生物学基础。本章摘要本章摘要