第三讲生命的化学组成.ppt

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1、 王丽娟南京工业大学 生物与制药工程学院 在生物学和其他学科交叉的边缘学科中,生物化学在过去的几十年中发展特别快。研究生物体的化学组成和研究生命过程中的化学变化，所得到的丰硕成果，构成分子生物学和生物技术发展的重要基础。 1 哪些元素参与生物体的组成？ 参与生物体组成的元素总共约二、三十种，他们在元素周期表中的分布如图所示以人体为例，各种元素在人体中含量见表常量元素在人体中含量较大。微量元素在人体中含量很少。表 人体元素成分常量元素微量元素常 量元 素 微 量元 素 元素 体重% 干重% 元素 含量(mg) 日推荐量(mg) C 9.4 61.7 Fe 4500 10-18 H 65 5.7

2、F 2600 0.14 O 25.5 9.3 Zn 2000 315 N 1.4 11 Si 24 1g Se 13 10200ug P 0.22 3.3 Mn 12 0.55 S 0.05 1.0 I 11 40150ug Mo 9 0.150.5 Na+ 0.03 0.7 Cr 6 1020ug K+ 0.06 1.3 Co 1.1 140580ug Mg+2 0.01 0.3 Ni Ca+2 0.31 5.0 Sn Cl 0.08 0.7 V Sr B Al 用实验动物的饲养实验来研究各种元素成份在营养学上的必要性。要证明某一种微量元素在营养学上是必不可少的，至少需要做下面三个方面的实验

3、:2. 人体元素成分的营养学意义1 让实验动物摄入缺少某一种元素的膳食,观察是否出现特有的病症。2 向膳食中添加该元素后，实验动物的上述特有病症是否消失。3 进一步阐明该种元素在身体中起作用的代谢机理。 只有上述三条都弄清楚，才能确定某种元素是否为营养上必需的元素。 常量元素的重要性比较容易认识。微量元素的营养学研究困难大得多。所以，一些微量元素在1950s 或 1970s 以后才确证为人体必需微量元素。 3. 元素营养方面的几个例子 例一、钙1 人每天需要摄入多少钙？从粪、尿、汗中排出 320450 mg 吸收率约 40% 320 x 100/40=800 mg 人体每天需要补充钙的数量成人

4、 800 mg婴儿（10个月） 400 mg幼儿（3岁） 600 mg少年（10岁） 800 mg青年（1218岁） 1000 mg老年 1200 mg孕妇/哺乳 1500 mg 2、钙参加几乎每一种生理代谢过程Ca 在体内的生理作用（ 1.2 kg / 70 kg 2%） 骨骼及牙齿 血浆中 99% 10克需要 Ca 参与的生理过程 肌肉：肌肉收缩 免疫： 白细胞吞噬功能 循环： 血液凝固 内分泌：激素分泌 毛细血管通透性 骨骼： 骨骼形成 微循环改善 神经： 神经肌肉应激性 泌尿： 生殖：（ Ca 调节多种酶的活性） 婴、幼、少儿-佝偻病老年人-骨质疏松症上海地区骨质疏松症患者 男 20.

5、1% 女48.1%其中 60岁以上 男 24.9% 女75.5%上海地区老年人骨折发生率 城区 16.5% 农村 6.9%缺钙引起的疾病高血压 （还带来别的效应）缺钙反常钙内流血管 内壁细胞平滑肌细胞 中钙反常积储血管内皮细胞钙化，损伤胆固醇，脂类沉积细胞因子分泌 血小板，血细胞粘附 平滑肌细胞，或纤维细胞增生导致动脉硬化血管外周阻力增大高血压 血管收缩肾结石肾结石中重要成分是钙； 但是，限制钙摄入恰恰会使肾结石加重。q 草酸钙：草酸来自蔬菜，食物中钙可使草 酸在肠道中结成草酸钙，从粪便中排出。q 缺钙反常钙内流，损伤肾细胞 肾脏对钙回收功能受损高钙尿液与尿中草酸结合形成结石。尿钙排出 增多结

6、（直）肠癌：Ca2+高脂膳食刺激钙与脂酸结合排出体外高胆汁酸刺激直肠细胞癌变钙与胆汁酸结合排出体外影响钙吸收的因素 维生素维生素D D 促小肠吸收钙 促骨骼释放钙 促肾细胞回收钙使血清钙甲状旁腺素（PTH） 促小肠吸收钙 促骨骼释放钙 促肾细胞回收钙使血清钙甲状旁腺 抑骨骼释放钙 抑肾细胞回收钙降血钙素（Calcitonin)，甲状腺分泌使血清钙例二 锌 羧基肽酶（黄色小圆球代表 Zn2+）乙醇脱氢酶例三 铬例四 硒（一）、生物小分子与生物大分子的关系（二）、生物小分子简介（三）、生物大分子的形成（四）、生物大分子的高级结构在生命元素中，碳原碳原子子具有特别重要的作用，碳原子相互连接成链或成环

7、，形成各种生物大分子的基本结构。碳碳之间可以不同的键型相结合，形成不同长度的链状、分支链状或环状结构。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大分子的基本性质生物大分子的基本性质还取决于与碳骨架相连还取决于与碳骨架相连接的接的功能基团功能基团生物体中的有机化合物主要含有羟基、羰基、羟基、羰基、羧基和氨基羧基和氨基等功能基团， 这些功能基团几乎都是极性基团。功能基团的极性使得生物分子具有亲水性，有利于这些化合物稳定于有大量水分子存在的细胞中。（一）、生物小分子和生物大分子的关系（一）、生物小分子和生物大分子的关系 小分子小分子 大分子大分

8、子 复合大分子复合大分子 单糖 多糖 糖蛋白 氨基酸 蛋白质 糖脂 核苷酸 核酸 脂蛋白 脂肪酸 脂类 （由小分子到大分子）合成大分子 （聚 合）大分子分解 （水 解）（二）、生物小分子简介1 1、水、水q 地球上生命起源于水中，陆生生物地球上生命起源于水中，陆生生物 体内细胞也生活在水环境中体内细胞也生活在水环境中q 水的性质影响生命活动，水的性质影响生命活动， 如：溶解性质，酸碱度，如：溶解性质，酸碱度，pHpH q 水占生物体的水占生物体的 6060 以上的重量以上的重量 水对生物体非常重要水影响生命活动的例子： 肺泡在水环境中保证 O2 和 CO2 的交换 肺泡中存在一种表面活性蛋白破

9、坏水的 表面张力，使肺泡胀开 水分子间氢键造成水的表面张力，可使 肺泡瘪塌 2、氨基酸 氨基酸是同时具有氨基和羧基的小分子 参与蛋白合成的共有20种天然氨基酸（氨基酸通式） 氨基酸是指一类含有羧基并在与羧基相连的碳原子下连有氨基的有机化合物。返回（1） 碳原子（2）具有 氨基 和羧基 是各种氨基 酸的共性（3）各种氨基 酸的区别在 侧链基团R 不同氨基酸其R基各不相同，R基的结构决定了20种氨基酸的特殊性质 根据侧链结构和性质，可把20种氨基酸分成不同的组：中性氨基酸： 亮氨酸、异亮氨酸、甘氨酸、丙氨酸、 颉氨酸酰胺氨基酸： 天冬酰胺、谷氨酰胺酸性氨基酸： 天冬氨酸、谷氨酸碱性氨基酸： 赖氨酸

10、、精氨酸含硫氨基酸： 半胱氨酸、蛋氨酸（甲硫氨酸）含羟基氨基酸： 苏氨酸、丝氨酸芳香族氨基酸 ： 苯丙氨酸、酪氨酸杂环氨基酸： 组氨酸、色氨酸、脯氨酸 20 种天然氨基酸除甘氨酸外，都带一个不对称碳原子碳原子，都有光学异构体（镜映体）。 CHH4CCH4 已知 19 种天然氨基酸均为 L型氨基酸。氨基酸的功能： （1）作为组建蛋白质的元件 （2）有的氨基酸或其衍生物具有生物活性（代谢调节、信号传递等） 必需氨基酸是指人体内不能合成，必须从食物中获取的氨基酸，其他为非必需氨基酸。 人体8种必需氨基酸： 异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸 。 3 3、单糖、单糖 多

11、羟基醛或多羟基酮称为糖。以葡萄糖为例，葡萄糖是六碳糖单糖的生物功能：A、作为多糖的组成元件B、作为燃料C、组成寡糖参与细胞信号传递（葡萄糖结构式）重要单糖（葡萄糖结构式）天然单糖大多数是 D-型糖吡喃型C1上羟基位置不同出现-，-两种构型 （1）C2-C5 均为不对称碳原子。 六碳糖有 16 种同分异构体。（2）天然单糖在 C5 位上羟基有固定结构方向， 天然单糖大多数是 D-型糖。（3）在水溶液中葡萄糖在 C1-C5 之间脱水通过 氧桥相联成环状吡喃型（4）各个 C 上羟基位于环上或环下（5）C1 上羟基位置不同出现-，-两种构型 返回重要的单糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脱氧核糖等4、

12、核苷酸核苷酸分子由三个部分组成： 碱基：嘧啶、嘌呤 五碳糖：核糖或脱氧核糖 磷酸DNA分子的基本单位: 核苷酸 脱氧核糖或核糖上第一位碳原子与嘌呤或嘧啶结合，就成为脱氧核苷或核苷，第三位或第五位碳原子再与磷酸结合，就成为脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸。嘧啶嘌呤胞嘧啶胸腺嘧啶腺嘌呤鸟嘌呤参加大分子核酸组成的共有8种核苷酸 DNA水解液中 RNA水解液中腺脱氧核苷酸（dAMP） 腺苷酸（AMP）鸟脱氧核苷酸（dGMP） 鸟苷酸（GMP）胞脱氧核苷酸（dCMP） 胞苷酸（CMP）胸腺脱氧核苷酸（dTMP） 尿苷酸（UMP）另外还有一些重要的具有生物活性的核苷酸 具有生物活性的核苷酸返回 cAMP, cG

13、MP参与细胞信号传递 ATP参与能量代谢5、脂肪酸 脂肪酸是一类一端含有一个羧基的长的脂肪族碳氢链。脂肪酸包括有分支的或无分支的、饱和的或不饱和的（碳氢链含有双键）等类型。常见的饱和脂肪酸：软脂酸、硬脂酸 常见的不饱和脂肪酸：油酸、亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸、棕榈油酸、DHA（二十二碳六烯酸）、EPA（二十碳五烯酸） 不饱和脂肪酸常温下多呈液态，饱和脂肪酸多呈固态或者半固态。 脂肪酸与维生素、氨基酸一样是人体最重要的营养素之一。 生物大分子主要有四大类： 蛋白质、 核酸、 多糖 脂类 它们都是由生物小分子单体通过特有的共价键联结而成。四种生物大分子：蛋白质、核酸、多糖、脂类。1 1、氨基酸通过

14、、氨基酸通过肽键肽键联成联成肽链肽链 寡肽：含有 2-20个氨基酸残基 （如二肽、五肽、八肽） 多肽：含 2050 个氨基酸残基 蛋白质：由20种L-型氨基酸组成的长链生物大分子，含几十个氨基酸残基 注意：肽链有方向性， 氨基端（ N 端）， 羧基端（ C 端）返回 一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基脱水缩合形成肽键返回一条肽链的两端有不同结构和性质：一条肽链的两端有不同结构和性质： 一端的氨基酸残基带有游离氨一端的氨基酸残基带有游离氨 基，称基，称氨基端氨基端； 另一端的氨基酸残基带有游离另一端的氨基酸残基带有游离 羧基，称羧基，称羧基端羧基端。正常人的红细胞镰刀状红细胞正常的血红蛋白镰刀

15、状红细胞的血红蛋白蛋白质种类的多样性结构蛋白贮藏蛋白收缩蛋白转运蛋白对比不同动物的血红蛋白之氨基酸序列,可以表现不同动物间的亲缘关系.2 2、单糖通过、单糖通过糖苷键糖苷键联成多糖链联成多糖链（1） 贰糖 对贰糖结构的了解包括弄清楚： 单糖基成份 还是糖苷键 取代位置 麦芽糖 二糖 寡糖由少数分子的单糖（2-10个）缩合形成的糖。二糖最常见，是两分子的单糖通过脱水缩合作用形成糖苷键连接而成。重要的二糖包括蔗糖、麦芽糖、乳糖等麦芽糖由两分子葡萄糖单体脱水缩合形成蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖缩合形成乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖缩合而成返回麦芽糖的结构 （3）注意：多糖链也有方向性，有还原 端

16、和非还原端（2）淀粉和纤维素都由葡萄糖组成，它们 之间主要区别在于糖苷键和 糖苷键的区别 糖原淀粉纤维素 一条多糖链的两端有不同结构和性质： 一端的糖基有游离的半缩醛羟基，称还原端； 另一端的糖基没有游离的半缩醛羟基， 称非还原端。核酸贮存遗传信息，控制蛋白质的合成核酸包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),都是由许多顺序排列的核苷酸组成的大分子。贮存遗传信息的特殊DNA片段称为基因，它编码蛋白质的氨基酸序列，从而决定蛋白质的功能。通过蛋白质的作用，DNA实际上控制着细胞和生物体的生命过程DNA控制蛋白质的合成是通过RNA来实现的，即遗传信息由DNA转录到RNA，后者决定蛋白质的氨基酸

17、序列3 3、核苷酸通过、核苷酸通过磷酸二酯键磷酸二酯键联成核酸联成核酸3 3、核苷酸通过、核苷酸通过磷酸二酯键磷酸二酯键联成核酸联成核酸（1 1） 核酸链也有核酸链也有方向性方向性（2 2） DNA DNA 和和 RNA RNA 在组成成份上有差别在组成成份上有差别 DNA DNA RNARNA 脱氧核糖脱氧核糖 核糖核糖 有胸腺嘧啶，有胸腺嘧啶， 有尿嘧啶，有尿嘧啶， 无尿嘧啶无尿嘧啶 无胸腺嘧啶无胸腺嘧啶 返回 一端的核苷酸，其5C没有进入磷酸二酯键，称 5 末端； 另一端的核苷酸，其3C没有进入磷酸二酯键，称 3 末端。4、脂类 脂类的组成和功能脂类是指生物体内不溶于水而溶于有机溶剂的各

18、种分子,是脂肪、和类脂及其衍生物的总称。脂类分子也含C、H、O 3种元素，但H:O远大于2，有些脂含P和N，各种脂类分子的结构可以差异很大脂类不溶于水，可溶于非极性溶剂。脂类是生物膜的主要成分；脂肪氧化时产生的能量大约是糖氧化时的二倍。脂类是生物表面的保护层/保持体温/生物活性物质脂类种类很多，分子结构相差较大 A、油脂：甘油三脂 B、磷脂和鞘脂 C、固 醇返回甘油三酯分子结构 脂肪是由1分子甘油和3分子脂肪酸构成的酯，故称三脂酰甘油或甘油三酯。如三个脂肪酸相同，称为简单三酰甘油（简单甘油三脂），否则称为混合三酰甘油（混合甘油三脂） 多数天然油脂都是简单甘油三脂与混合甘油三脂的复杂混合物磷脂分

19、子结构磷脂分子结构返回（1 1） 磷脂分子可以看磷脂分子可以看成是成是一个极性头一个极性头，两两条非极性尾巴条非极性尾巴。（2 2） 鞘脂分子和磷鞘脂分子和磷脂不同。但总体看来，脂不同。但总体看来，也可看成也可看成一个极性头一个极性头，两条非极性尾巴两条非极性尾巴。（1） 固醇类的内核由 4 个环组成（2） 一些人体重要维生素和激素是固醇（3） 胆固醇是细胞的必要成份（4） 血清中的胆固醇太多会促使形 成动脉硬化 和心脑血管疾病一些固醇类化合物可以作为兴奋剂使用, 但同时也会对运动员带来损害.性激素就是一种固醇类化合物雌性激素雄性激素1 1、蛋白质的高级结构、蛋白质的高级结构q 蛋白质的一级结

20、构是指肽链中氨基 酸的排列顺序q 蛋白质的二级结构是指邻近几个氨 基酸形成的一定的结构形状。 如：螺旋和折叠 由生物小分子到生物大分子，分子增大，出现新的性质。 其中最主要的特点是：生物大分子有独特的立体结构、空间构型和分子整体形状。返回返回一级结构二级结构三级结构四级结构螺旋折叠q 蛋白质的四级结构是指各条肽链之间 的位置和结构。所以，四级结构只存 在于由两条肽链以上组成的蛋白质。q 蛋白质的三级结构是指整条肽链盘绕 折叠形成一定的空间结构形状。如纤 维蛋白和球状蛋白。 血红蛋白质的三级结构和四级结构返回2 2、 维持生物大分子高级结构的重要因素维持生物大分子高级结构的重要因素非共价键非共价

21、键CO HO CN HCO H3 N 氢氢 键键盐盐 键键返回非共价键的非共价键的键强度键强度很小，所以很小，所以A、需要多个非共价键才足以维持高 级结构的稳定；B、高级结构不很稳定。生物大分子变 性就是因为高级结构破坏，大分子 性质改变，生物活性丧失。但是， 一级结构尚未破坏。 注意：双硫键也在维持蛋白质高级结构中起重要作用。RNase 的变性和复性蛋白质变性使高级结构破坏变性后的蛋白质分子还能复性3 3、 核酸的高级结构核酸的高级结构（1 1） DNADNA双螺旋双螺旋A、两条反向平行的核苷酸链共同盘绕形成双螺旋，糖磷酸糖构成螺旋主链DNA的双螺旋结构3 3、 核酸的高级结构核酸的高级结构

22、（1 1） DNADNA双螺旋双螺旋A、两条反向平行的核苷酸链共同盘绕形成双螺旋，糖磷酸糖构成螺旋主链B、两条链的碱基都位于中间，碱基平面与螺旋轴垂直C、两条链对应碱基呈配对关系 AT GCD、螺旋直径 20A，螺距 34A， 每一螺距中含 10 bp DNA 双螺旋可以看作是 DNA 的二级结构，DNA 的三级结构的形成需要蛋白质帮助。碱基配对碱基之间的氢键GC间有三个氢键, AT间有两个氢键 （2 2）RNARNA为单链盘绕，局部形成碱为单链盘绕，局部形成碱基配对。基配对。 RNA RNA在细胞核内产生，然后进在细胞核内产生，然后进入细胞质，负责将入细胞质，负责将DNADNA的遗传信息的遗

23、传信息转变成特定蛋白质的氨基酸序列转变成特定蛋白质的氨基酸序列, ,在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。转运RNA（tRNA） 的三叶 草结构Structure of a tRNA4 4 、多糖链的高级结构、多糖链的高级结构 不同高级结构带来不同的生物学性能 淀粉形成螺旋状 能源贮存 纤维素呈长纤维状 结构支架淀 粉糖 元纤维素课后作业课后作业1 1、组成生物体的重要元素有哪些？它们的作用是什么？组成生物体的重要元素有哪些？它们的作用是什么？2 2、生物小分子有哪些？生物小分子有哪些？3 3、简述必需氨基酸的定义，并例举常见的必需氨基酸。简述必需氨基酸的定义，并例举常见的必需氨基酸。4 4、简述麦芽糖、乳糖的组成及常见的多糖。简述麦芽糖、乳糖的组成及常见的多糖。5 5、简述蛋白质的英文名称及高级结构。简述蛋白质的英文名称及高级结构。再见 ！