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1、第一篇第一篇 从分子到细胞从分子到细胞2 生命的化学基础生命的化学基础2.1 构成生命的元素构成生命的元素q在地球上含量最丰富的元素是在地球上含量最丰富的元素是O O、SiSi、AlAl、FeFeq在生物体内最丰富的元素是在生物体内最丰富的元素是C C、H H、O O、N Nq在生物体中共发现在生物体中共发现25种元素种元素q根据各元素的重要性和存在情况分成根据各元素的重要性和存在情况分成4类：类：第一类元素第一类元素:C,H,O,N C,H,O,N 在生物体中占在生物体中占96%96%以上以上第二类元素第二类元素:S,P,Cl,K,Na,Ca,MgS,P,Cl,K,Na,Ca,Mg第三类元素
2、第三类元素:Fe,Cu,Co,Mn,ZnFe,Cu,Co,Mn,Zn第四类元素第四类元素:Cr,Ni,F,Sn,I,Mo,Se,Si,VCr,Ni,F,Sn,I,Mo,Se,Si,V 0.01%微量元素微量元素（14种种）0.01%0.01%FeFe血红蛋白的重要成分血红蛋白的重要成分Mn,ZnMn,Zn一些酶的必要成分一些酶的必要成分I I甲状腺素的必要成分甲状腺素的必要成分CrCr葡萄糖耐量因子（葡萄糖耐量因子（GFTGFT）的必要成分，的必要成分，是胰岛素的辅助是胰岛素的辅助因子，可增加胰岛素的效能因子，可增加胰岛素的效能，促进机体利用葡萄糖。，促进机体利用葡萄糖。相当一部分相当一部分型
3、糖尿病（非胰岛素依赖型糖尿病）患型糖尿病（非胰岛素依赖型糖尿病）患者，是因为铬摄入不足或利用不良，表现出糖尿病症者，是因为铬摄入不足或利用不良，表现出糖尿病症SeSe有抗衰老、抗癌等功效有抗衰老、抗癌等功效对防止克山病（对防止克山病（地方性心肌病）地方性心肌病）、大骨节病有效、大骨节病有效摄入过多会造成中毒甚至死亡摄入过多会造成中毒甚至死亡生物大分子的碳链骨架生物大分子的碳链骨架细胞中几乎所有的分子都是碳的化合物细胞中几乎所有的分子都是碳的化合物碳原子的同位素有碳原子的同位素有1212C C、1313C C、1414C C1212C C、1313C C为稳定同位素为稳定同位素1414C C半衰
4、期为半衰期为55705570年年根据根据1414C/C/1212C C比例可确定生物死亡年代比例可确定生物死亡年代1414C C测定适用于年龄在测定适用于年龄在6 6万年前范围内的化石万年前范围内的化石误差为误差为4040年年 生命分子生命分子q生命过程的碳源和能源生命过程的碳源和能源糖类糖类q生命体的重要构件和储能物质生命体的重要构件和储能物质脂类脂类q遗传信息的存储和传递者遗传信息的存储和传递者核酸核酸q遗传信息的表达者遗传信息的表达者蛋白质蛋白质q生命过程的催化剂生命过程的催化剂酶酶q维持生命的重要小分子物质维持生命的重要小分子物质维生素维生素实际上符合这一通式的不一定都是糖实际上符合这
5、一通式的不一定都是糖如如:乳酸乳酸CHCH3 3CHOHCOOHCHOHCOOH 可写成可写成C C3 3(H(H2 2O)O)3 3但不是糖但不是糖鼠李糖鼠李糖(C(C6 6H H1212O O5 5)、脱氧核糖、脱氧核糖(C(C5 5H H1010O O4 4)等单糖又不符合这等单糖又不符合这一通式一通式有的糖还含有有的糖还含有N N、S S19271927年改称碳水化合物为糖族，现称为糖类年改称碳水化合物为糖族，现称为糖类1、单糖、单糖l构成糖分子的基本单位，不能再水解为更简单的糖。构成糖分子的基本单位，不能再水解为更简单的糖。重要的单糖重要的单糖丙糖：丙糖：甘油醛甘油醛、二羟丙酮、二羟
6、丙酮戊糖：核糖、脱氧核糖戊糖：核糖、脱氧核糖己糖：己糖：葡萄糖葡萄糖、果糖、半乳糖、果糖、半乳糖（1）甘油醛、二羟丙酮）甘油醛、二羟丙酮甘油醛（二羟丙醛甘油醛（二羟丙醛）二羟丙酮二羟丙酮最简单的单糖最简单的单糖D-葡萄糖葡萄糖天然存在天然存在L-葡萄糖葡萄糖链链状状结结构构式式（2）葡萄糖）葡萄糖 最重要的单糖最重要的单糖 C6H12O6半缩醛半缩醛有还原性有还原性v当链状式中单糖分子当链状式中单糖分子C-1C-1醛基和醛基和C-5C-5羟基形成羟基形成半缩醛半缩醛时，时，形成六元环结构（氧环式结构）形成六元环结构（氧环式结构）有还原性有还原性葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖v根据根据C C1 1上的
7、羟基与上的羟基与C C2 2上的羟基是否处于同一平面，上的羟基是否处于同一平面，可分为可分为型和型和型。型。其它单糖其它单糖2、寡糖、寡糖v由由2 22020个单糖组成的聚糖，以双糖最重要。个单糖组成的聚糖，以双糖最重要。v单糖的半缩醛羟基与另一配体（可以是糖也可以是非单糖的半缩醛羟基与另一配体（可以是糖也可以是非糖）的羟基缩合而成的化合物称为糖）的羟基缩合而成的化合物称为糖苷糖苷，其间的连接，其间的连接键称为键称为糖苷键糖苷键。v两个单糖通过糖苷键连接成双糖。两个单糖通过糖苷键连接成双糖。v常见的有麦芽糖、乳糖、蔗糖。常见的有麦芽糖、乳糖、蔗糖。（1）麦芽糖）麦芽糖2分子分子葡萄糖通过葡萄糖
8、通过1,4糖苷键相连而成糖苷键相连而成-1,4-糖苷键糖苷键麦芽糖麦芽糖有还原性有还原性（2）乳糖）乳糖由由 半乳糖和半乳糖和葡萄糖通过葡萄糖通过1,4糖苷键相连而成糖苷键相连而成-1,4-糖苷键糖苷键半乳糖半乳糖有还原性有还原性（4）纤维二糖）纤维二糖两个两个-葡萄糖单元葡萄糖单元由由-1，4 键连接键连接3、多糖、多糖l由多个单糖分子缩合而成的多聚糖由多个单糖分子缩合而成的多聚糖均质多糖（同型多糖）：如淀粉、糖原均质多糖（同型多糖）：如淀粉、糖原非均质多糖（异型多糖）非均质多糖（异型多糖）组成组成 淀粉淀粉g直链淀粉直链淀粉-1,4-糖苷键糖苷键g支链淀粉支链淀粉-1,4-糖苷键和糖苷键和
9、-1,6-糖苷键糖苷键非还原性末端非还原性末端非还原性末端非还原性末端还原性末端还原性末端-1,4-糖苷键糖苷键-1,6-糖苷键糖苷键 糖原糖原俗称动物淀粉俗称动物淀粉肝糖元、肌糖原肝糖元、肌糖原具有类似支链淀粉的结构，但分子更大，支链更短具有类似支链淀粉的结构，但分子更大，支链更短每一个每一个非还原性末端非还原性末端都是收储和支取葡萄糖的窗口。都是收储和支取葡萄糖的窗口。对调节葡萄糖的供求平衡，缓冲稳定血糖浓度有重要对调节葡萄糖的供求平衡，缓冲稳定血糖浓度有重要意义。意义。纤维素纤维素q由由葡萄糖以葡萄糖以1,41,4糖苷键相连而成，糖苷键相连而成，没有分支没有分支，分，分子量大。由子量大。
10、由100001000015000个葡萄糖残基构成。个葡萄糖残基构成。q植物界中的糖类物质有一半以上以纤维素的形式存在，植物界中的糖类物质有一半以上以纤维素的形式存在，是储藏量最大的植物多糖资源。是储藏量最大的植物多糖资源。l大多数生物体内所含有的淀粉酶不能水解大多数生物体内所含有的淀粉酶不能水解1,41,4糖苷糖苷键键,所以不能消化纤维素所以不能消化纤维素.l只有某些细菌、真菌和原生动物可产纤维素酶只有某些细菌、真菌和原生动物可产纤维素酶l比如：比如：l某些反刍动物肠道中共生着能产生纤维素酶的细菌，某些反刍动物肠道中共生着能产生纤维素酶的细菌，白蚁后肠寄生着能产生纤维素酶的鞭毛虫白蚁后肠寄生着
11、能产生纤维素酶的鞭毛虫l因此食草动物和白蚁能消化纤维素因此食草动物和白蚁能消化纤维素 几丁质（几丁质（chitinchitin）甲壳质甲壳质化学组成：化学组成：C C、H H、O O、N N分布：真菌、绿藻、昆虫、甲壳类动物等的甲壳中分布：真菌、绿藻、昆虫、甲壳类动物等的甲壳中产量：年产产量：年产1 1百亿吨，位居第二，仅次于纤维素百亿吨，位居第二，仅次于纤维素组成单位：组成单位：N-N-乙酰氨基葡萄糖乙酰氨基葡萄糖结构单元：甲壳二糖结构单元：甲壳二糖几丁质的衍生物几丁质的衍生物：q壳聚糖：几丁质脱去壳聚糖：几丁质脱去55%以上的以上的N-乙酰基乙酰基q用途：用途：D环保中处理吸收污水中重金属
12、离子环保中处理吸收污水中重金属离子D制造人造皮肤治疗烧伤病人制造人造皮肤治疗烧伤病人D具有降血脂、刺激免疫等保健功能具有降血脂、刺激免疫等保健功能4 4、复合糖、复合糖 由糖和非糖物质结合成的复合物。由糖和非糖物质结合成的复合物。糖糖+蛋白质蛋白质 糖蛋白糖蛋白 糖糖+脂类脂类 糖脂糖脂q糖蛋白、糖脂是细胞膜的组成成分。糖蛋白、糖脂是细胞膜的组成成分。q糖蛋白具有特殊的生理功能，如激素、免疫球蛋白等等。糖蛋白具有特殊的生理功能，如激素、免疫球蛋白等等。糖的生理功能糖的生理功能1提供能量。提供能量。1是机体重要的碳源。是机体重要的碳源。1组成人体组织结构的重要成分。如糖蛋白、糖脂是细组成人体组织
13、结构的重要成分。如糖蛋白、糖脂是细胞膜的组成成分。胞膜的组成成分。1特殊生理功能的糖蛋白，如激素、酶特殊生理功能的糖蛋白，如激素、酶 、免疫球蛋白等、免疫球蛋白等等。等。2.3 脂质脂质脂质是一大类物质的总称脂质是一大类物质的总称这些物质的这些物质的结构差别很大，但性质上却有共同之结构差别很大，但性质上却有共同之处处，即，即不溶于水，而溶于有机溶剂。不溶于水，而溶于有机溶剂。按化学组成将脂质分为：按化学组成将脂质分为：单脂单脂脂肪脂肪蜡蜡复脂复脂磷脂磷脂糖脂糖脂衍生脂质衍生脂质固醇类固醇类萜萜其他脂质其他脂质1、脂肪（脂肪（甘油三酯甘油三酯TG）4甘油三酯中含甘油三酯中含较多饱和脂肪酸较多饱和
14、脂肪酸，在室温下呈，在室温下呈固态固态称为称为脂肪脂肪4甘油三酯中含甘油三酯中含较多不饱和脂肪酸较多不饱和脂肪酸，在室温下呈，在室温下呈液态液态称为称为油油甘油三酯中所含的某些脂肪酸甘油三酯中所含的某些脂肪酸饱和脂肪酸饱和脂肪酸硬脂酸硬脂酸CH3(CH2)16COOH软脂酸软脂酸CH3(CH2)14COOH不饱和脂肪酸不饱和脂肪酸油酸油酸CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH亚油酸亚油酸CH3(CH2)4CH=CH(CH2)7COOH亚麻酸亚麻酸CH3CH2CH=CHCH2CH=CHCH2CH=CH(CH2)7COOHDHA二十二碳六烯酸二十二碳六烯酸EPA二十碳五烯酸二十碳五烯酸亚
15、油酸、亚麻酸为人体必需脂肪酸亚油酸、亚麻酸为人体必需脂肪酸2、蜡、蜡q由饱和或不饱和由饱和或不饱和高级脂肪酸高级脂肪酸和和高级醇高级醇构成的酯构成的酯q比甘油三酯更为疏水比甘油三酯更为疏水q成为水果和叶片有效的天然覆盖层，防止水分成为水果和叶片有效的天然覆盖层，防止水分流失流失3、磷脂、磷脂l甘油三酯中甘油三酯中-C上的脂肪酸，若上的脂肪酸，若被磷酸取代则变被磷酸取代则变成成磷脂酸磷脂酸q当磷酸基当磷酸基OHOH位置连上胆碱、胆胺后，就分别形成：位置连上胆碱、胆胺后，就分别形成：卵磷脂卵磷脂脑磷脂脑磷脂4、甾醇类（固醇类）、甾醇类（固醇类）q其其结构结构与中性脂肪或磷脂均不同，但由于它不与中性
16、脂肪或磷脂均不同，但由于它不溶于水而溶于非极性溶剂，故将其归于脂类。溶于水而溶于非极性溶剂，故将其归于脂类。q甾醇分子的基本骨架是环戊烷多氢菲，甾醇分子的基本骨架是环戊烷多氢菲，q不同的甾醇所带的侧链或基团不同不同的甾醇所带的侧链或基团不同蛋黄蛋黄卵磷脂卵磷脂 胆固醇胆固醇雌激素雌激素雄激素雄激素VitDVitD3 3促进钙吸收促进钙吸收人体每天从膳食中摄入人体每天从膳食中摄入0.30.8g外源性胆固醇外外源性胆固醇外,自身可合成约自身可合成约1g内源性胆固醇内源性胆固醇在人体分布不均匀在人体分布不均匀,1/4存在于脑和神经组织存在于脑和神经组织甘油三脂甘油三脂磷脂磷脂胆固醇胆固醇胆固醇酯胆固
17、醇酯高密度脂蛋白高密度脂蛋白低密度脂蛋白低密度脂蛋白极低密度脂蛋白极低密度脂蛋白乳糜微粒乳糜微粒血液中含的脂质称血脂血液中含的脂质称血脂血液中的脂质以脂蛋白形式存在血液中的脂质以脂蛋白形式存在血脂血脂甘油三脂甘油三脂磷脂磷脂胆固醇胆固醇胆固醇酯胆固醇酯高密度脂蛋白高密度脂蛋白低密度脂蛋白低密度脂蛋白极低密度脂蛋白极低密度脂蛋白乳糜微粒乳糜微粒血液中含的脂质称血脂血液中含的脂质称血脂血液中的脂质以脂蛋白形式存在血液中的脂质以脂蛋白形式存在a复合体中甘油三酯含量高，密度低复合体中甘油三酯含量高，密度低a其中：其中：a极低密度脂蛋白（极低密度脂蛋白（VLDLVLDL）甘油三酯含量最多）甘油三酯含量最
18、多a低密度脂蛋白（低密度脂蛋白（LDLLDL）含胆固醇和胆固醇酯最多）含胆固醇和胆固醇酯最多aLDLLDL和和 VLDLVLDL高是引起动脉硬化的元凶高是引起动脉硬化的元凶a如果人体内如果人体内LDLLDL受体缺乏或缺少，胆固醇代谢受阻，沉积受体缺乏或缺少，胆固醇代谢受阻，沉积在血管壁上，造成动脉硬化，该病称为高胆固醇血症在血管壁上，造成动脉硬化，该病称为高胆固醇血症q复合体中甘油三酯含量少，密度高，称为高密复合体中甘油三酯含量少，密度高，称为高密度脂蛋白（度脂蛋白（HDLHDL）q高密度脂蛋白可以将低密度脂蛋白或甘油三脂高密度脂蛋白可以将低密度脂蛋白或甘油三脂分子带到肝脏进行降解，人们形象地
19、把它称为分子带到肝脏进行降解，人们形象地把它称为血液中的血液中的“清道夫清道夫”或或“环卫工人环卫工人”，它的数，它的数量决定着血液中的脂代谢是否平衡。量决定着血液中的脂代谢是否平衡。5、萜类、萜类q特点：由非极性、疏水的异戊二烯聚合而成，特点：由非极性、疏水的异戊二烯聚合而成，有的成链状、有的成环状结构有的成链状、有的成环状结构生理功能各异，其中某些成分在人体内具有很强的抗生理功能各异，其中某些成分在人体内具有很强的抗氧化性，具有抗衰老、抗辐射的功能氧化性，具有抗衰老、抗辐射的功能如：如：-胡萝卜素、维生素胡萝卜素、维生素E等等-胡萝卜素胡萝卜素植物中，多数萜类具有特殊气味，而且是各类植物中
20、，多数萜类具有特殊气味，而且是各类植物特有油类的主要成分。植物特有油类的主要成分。如柠檬苦素、薄荷醇、樟脑分别是柠檬油、薄如柠檬苦素、薄荷醇、樟脑分别是柠檬油、薄荷油、樟脑油的主要成分。荷油、樟脑油的主要成分。脂类的生理功能脂类的生理功能q构成生物膜的骨架构成生物膜的骨架q主要能源物质主要能源物质q构成身体或器官保护层构成身体或器官保护层q是某些重要生物分子组分是某些重要生物分子组分习题习题1 1、地球上含量最丰富的元素是什么？生物体中含量最丰、地球上含量最丰富的元素是什么？生物体中含量最丰的元素是什么？的元素是什么？2 2、为什么要将糖的称呼由碳水化合物改为糖类？、为什么要将糖的称呼由碳水化
21、合物改为糖类？3 3、写出葡萄糖、写出葡萄糖D D型、型、L L型，型，、的构型的构型4 4、胆固醇等在结构上与甘油三酯差别如此之大，为什么、胆固醇等在结构上与甘油三酯差别如此之大，为什么还要把它们划入脂类？还要把它们划入脂类？5 5、为了防止动脉硬化应注意哪两类脂质成员摄入？、为了防止动脉硬化应注意哪两类脂质成员摄入？2.4 遗传信息的表达者遗传信息的表达者蛋白质蛋白质氨基酸氨基酸蛋白质的结构蛋白质的结构蛋白质的性质蛋白质的性质蛋白质的功能蛋白质的功能2.4.1蛋白质的构件分子蛋白质的构件分子氨基酸氨基酸氨基酸的通式氨基酸的通式氨基酸的特点氨基酸的特点必需氨基酸必需氨基酸1、氨基酸的通式qR
22、 R不同，组成的氨不同，组成的氨基酸就不同基酸就不同q组成蛋白质的常见组成蛋白质的常见氨基酸有氨基酸有20种种通式通式2、特点特点qL L-型氨基酸型氨基酸 q属属-氨基酸氨基酸（ProPro为为-亚氨基酸）亚氨基酸）q具旋光性具旋光性q属两性电解质属两性电解质两性电离及等电点两性电离及等电点l氨基酸在结晶形态或在水溶液中，并不以游离的羧基氨基酸在结晶形态或在水溶液中，并不以游离的羧基或氨基形式存在，而是解离成两性离子或氨基形式存在，而是解离成两性离子3 3、必需氨基酸、必需氨基酸q20种氨基酸中有种氨基酸中有8种不能由人体合成，必须从外界种不能由人体合成，必须从外界摄取，称为摄取，称为必需氨
23、基酸必需氨基酸q8种必需氨基酸为种必需氨基酸为qMet Trp Lys Val Ile Leu Phe Thr “假假 设设 来来 借借 一一 两两 本本 书书”q甲硫氨酸、色氨酸、赖氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、色氨酸、赖氨酸、缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸亮氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸 2.4.2 蛋白质的结构蛋白质的结构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蛋白质的空间作用力蛋白质的空间作用力1、蛋白质一级结构、蛋白质一级结构氨基酸排列顺序氨基酸排列顺序肽键：酰胺键肽键：酰胺键肽链：肽链：N N端、端、C C端、主链、侧链端、主链、侧链多肽、氨基酸残基
24、多肽、氨基酸残基H2N CH CO NH CHR1R2CO NH CHR3CO NH CHR4COOH主链侧链N末端C末端q19541954年英国生化学家年英国生化学家SangerSanger报道了胰岛素的一级结构，报道了胰岛素的一级结构，是世界上第一例确定一级结构的蛋白质。是世界上第一例确定一级结构的蛋白质。qSangerSanger由此在由此在19581958年获年获NobelNobel化学奖。化学奖。19651965年我国科学家完成了结晶牛胰岛素的合成，是世年我国科学家完成了结晶牛胰岛素的合成，是世界上第一例人工合成蛋白质。界上第一例人工合成蛋白质。蛋白质的一级结构由遗传信息决定蛋白质的
25、一级结构由遗传信息决定一级结构决定高级结构一级结构决定高级结构。但一级结构并不是决定蛋白。但一级结构并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素质空间构象的唯一因素。2、二级结构l肽链的肽链的主链主链在空间的走向在空间的走向 螺旋螺旋折叠折叠转角转角蛋白质螺旋结构(-helix)Pauling and CoreyPauling and Corey提出。提出。右手螺旋右手螺旋螺旋通过氢键维持稳定。螺旋通过氢键维持稳定。第一个肽键的第一个肽键的NHNH和第四个肽键的和第四个肽键的COCO形成氢键形成氢键,第第n n个肽键的个肽键的NHNH和第和第n+3n+3个肽键的个肽键的COCO形成氢键。形成氢键。肽链的
26、主链形成紧密的螺旋肽链的主链形成紧密的螺旋,侧链伸向外侧链伸向外侧侧，每一圈包含，每一圈包含3.63.6个氨基酸残基个氨基酸残基,每个残每个残基跨距为基跨距为0.15nm,0.15nm,螺旋上升一圈的距离螺旋上升一圈的距离(螺螺距距)为为3.60.15=0.54nm.3.60.15=0.54nm.稳定结构稳定结构折叠（-pleated sheet）l平行式N端端N端端q平行式平行式q反平行式反平行式N端端C端端折叠靠肽链之间的肽键上折叠靠肽链之间的肽键上COCO与与NHNH形成氢键形成氢键而得以稳定。而得以稳定。反平行式比平行式稳定。反平行式比平行式稳定。l转角（转角（-turn-turn）：
27、）：折叠反平行式的转折叠反平行式的转折处。折处。l无规卷曲（无规卷曲（random coil random coil）：没有确定的规律性。：没有确定的规律性。CNl三级结构三级结构:整条肽链中全部氨基酸残基的相对空整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置间位置,即整条肽链的三维构象。即整条肽链的三维构象。l维持蛋白质三级结构的主要作用力为维持蛋白质三级结构的主要作用力为侧链间侧链间的相的相互作用互作用3、三级结构q氢键、离子键、疏水键及二氢键、离子键、疏水键及二硫键硫键q结构域结构域:在蛋白质结构中形在蛋白质结构中形成一紧密的结构成一紧密的结构,具有特殊具有特殊的功能的功能,多为蛋白质的活性多为
28、蛋白质的活性部位部位。4、四级结构l四级结构四级结构：各亚基的空间排布。：各亚基的空间排布。l亚基（亚基（subunitsubunit）：有的蛋白质分子由两条以上的肽链通有的蛋白质分子由两条以上的肽链通过非共价键相连聚合而成，过非共价键相连聚合而成，每条多肽链称为一个亚基每条多肽链称为一个亚基。l维持四级结构稳定的因素为维持四级结构稳定的因素为各亚基之间的作用力各亚基之间的作用力如氢键、如氢键、离子键、疏水键。离子键、疏水键。l含有四级结构的蛋白质，单独的亚基一般没有生物学功能，含有四级结构的蛋白质，单独的亚基一般没有生物学功能，只有完整的四级结构才有生物学功能。只有完整的四级结构才有生物学功
29、能。四级结构四级结构5、蛋白质的空间作用力、蛋白质的空间作用力氢键氢键盐键盐键(离子键离子键)二硫键二硫键疏水键疏水键范德华力范德华力盐键盐键(离子键离子键）氢键氢键二硫键二硫键疏水键疏水键氢键氢键氢键氢键疏水键疏水键6 6、蛋白质结构与功能的关系、蛋白质结构与功能的关系l一级结构与功能的关系一级结构与功能的关系l空间结构与功能的关系空间结构与功能的关系A A、一级结构与功能的关系一级结构与功能的关系许多先天性疾病是由于某一重要的蛋白质的一级结构许多先天性疾病是由于某一重要的蛋白质的一级结构发生了差错引起的。发生了差错引起的。如血红蛋白如血红蛋白亚基亚基6 6位位GluGlu被被ValVal代
30、替（基因突变），即代替（基因突变），即表现为表现为镰刀状贫血镰刀状贫血，为世上最常见的血红蛋白病。，为世上最常见的血红蛋白病。若若亚基亚基6 6位位GluGlu被被LysLys取代引起另一类贫血：取代引起另一类贫血：血红蛋白血红蛋白C C病病。正常红细胞正常红细胞 镰刀型红细胞镰刀型红细胞镰镰刀刀型型红红细细胞胞正正常常红红细细胞胞血红蛋白血红蛋白C C（HbCHbC）l是一种常染色体遗传性疾病是一种常染色体遗传性疾病l血红蛋白血红蛋白链中第链中第6 6位谷氨酸被赖氨酸所替代位谷氨酸被赖氨酸所替代l此种异常血红蛋白主要发生在西非的加纳和布基纳法此种异常血红蛋白主要发生在西非的加纳和布基纳法索，
31、该地的发病数约为索，该地的发病数约为14142828l美国的黑人发病数为美国的黑人发病数为2 23 3l我国未有发现我国未有发现蛋白质一级结构测定的意义蛋白质一级结构测定的意义比较不同生物细胞色素比较不同生物细胞色素C C的一级结构可以帮助的一级结构可以帮助了解了解物种间的进化关系物种间的进化关系，物种间越接近，则细，物种间越接近，则细胞色素胞色素C C的一级结构越相似。的一级结构越相似。B、空间结构与功能的关系空间结构与功能的关系DNA聚合酶活性位点聚合酶活性位点聚聚合合酶酶DNA4蛋白质在重金属、酸、碱、有机溶剂、尿素，以及蛋白质在重金属、酸、碱、有机溶剂、尿素，以及加热、紫外辐射等因素作
32、用下，加热、紫外辐射等因素作用下，空间结构破坏空间结构破坏，导，导致蛋白质变性致蛋白质变性2.4.3 2.4.3 蛋白质变性和复性蛋白质变性和复性l不可逆变性不可逆变性l可逆变性可逆变性(复性复性)l蛋白质变性后，生物活性丧失，溶解度下降，蛋白质变性后，生物活性丧失，溶解度下降，粘度增加。粘度增加。l大豆蛋白质的浓溶液加热，并加入少量盐卤制大豆蛋白质的浓溶液加热，并加入少量盐卤制豆腐的方法就是利用蛋白质变性来沉淀蛋白的豆腐的方法就是利用蛋白质变性来沉淀蛋白的一个例子。一个例子。2.4.4 蛋白质的性质蛋白质的性质ll两性解离性质两性解离性质两性解离性质两性解离性质ll胶体性质胶体性质胶体性质胶
33、体性质蛋白质的胶体性质蛋白质的胶体性质蛋白质水溶液是一种比较稳定的亲水胶体蛋白质水溶液是一种比较稳定的亲水胶体这是因为：这是因为：蛋白质颗粒表面带有很多蛋白质颗粒表面带有很多极性基团极性基团（亲水基团向外翻，疏水基（亲水基团向外翻，疏水基团向内钻），在蛋白质颗粒外面形成一层水膜（团向内钻），在蛋白质颗粒外面形成一层水膜（水化层水化层）另外蛋白质颗粒另外蛋白质颗粒在非等电点状态时在非等电点状态时带的带的相同电荷相同电荷，使蛋白质颗，使蛋白质颗粒间粒间相互排斥相互排斥，不致相互凝聚沉淀，不致相互凝聚沉淀结构功能结构功能防御功能防御功能信号功能信号功能调节功能调节功能运输功能运输功能运动功能运动功能
34、其他功能其他功能2.4.5蛋白质的功能2.5 生命过程的催化剂生命过程的催化剂酶酶 2.5.1 酶的概念酶的概念酶是一类由活细胞产生的，具有催化活性酶是一类由活细胞产生的，具有催化活性和高度专一性的特殊蛋白质。和高度专一性的特殊蛋白质。2.5.2 2.5.2 酶的分子组成酶的分子组成单纯酶单纯酶：仅由单纯蛋白质构成的酶仅由单纯蛋白质构成的酶 如脲酶，淀粉酶，脂酶如脲酶，淀粉酶，脂酶结合酶结合酶：全酶全酶=酶蛋白酶蛋白+辅助因子辅助因子辅助因子辅助因子：金属离子、小分子有机化合物：金属离子、小分子有机化合物酶蛋白和辅助因子单独存在时均无催化活性，只有全酶有酶蛋白和辅助因子单独存在时均无催化活性，
35、只有全酶有催化作用。催化作用。l辅酶辅酶（coenzymecoenzyme）非共价键非共价键与酶蛋白与酶蛋白疏松结合疏松结合,可用透析、可用透析、超滤分离超滤分离l辅基（辅基（prosthetic groupprosthetic group）：）：共价键共价键与酶蛋白与酶蛋白牢固结合牢固结合，不易分离。不易分离。l金属离子多为酶的辅基金属离子多为酶的辅基l小分子有机化合物有的属辅酶，有的属辅基小分子有机化合物有的属辅酶，有的属辅基辅助因子辅助因子2.5.3 酶的催化特点1、高效性、高效性酶促反应具有极高的催化效率酶促反应具有极高的催化效率酶促反应速度比酶促反应速度比非催化反应非催化反应高高10
36、81020倍，比倍，比一般催化一般催化反应反应高高1071013。从初态转化为过渡态需要能量，即为从初态转化为过渡态需要能量，即为活化能活化能，活化能越大，活化能越大，中间产物越难形成，反应越难进行。中间产物越难形成，反应越难进行。酶的催化作用有赖于降低反应的活化能。酶的催化作用有赖于降低反应的活化能。2、专一性、专一性 q反应专一性反应专一性q底物专一性底物专一性A、反应专一性反应专一性q酶一般只能选择性的催化一种或一类相同类型酶一般只能选择性的催化一种或一类相同类型的化学反应的化学反应q酶催化的反应几乎不产生副产物酶催化的反应几乎不产生副产物B、底物专一性底物专一性结构专一性结构专一性手性
37、专一性手性专一性几何专一性几何专一性结构专一性结构专一性有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的有些酶对底物的要求非常严格，只作用于一个特定的底物，称为底物，称为“绝对专一性绝对专一性”如脲酶只能催化尿素水解，对尿素的类似物没作用。如脲酶只能催化尿素水解，对尿素的类似物没作用。有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合物或有些酶的作用对象不是一种底物，而是一类化合物或一类化学键，称为一类化学键，称为“相对专一性相对专一性”如：酯酶如：酯酶手性专一性手性专一性q胰蛋白酶只能水解胰蛋白酶只能水解L-氨基酸形成的肽键氨基酸形成的肽键q淀粉酶只能选择性的淀粉酶只能选择性的水解水解D-葡萄糖形成的
38、葡萄糖形成的1,4-糖苷键糖苷键D-葡萄糖葡萄糖天然存在天然存在几何专一性几何专一性l有些酶只能选择性催化某种几何异构体底物的有些酶只能选择性催化某种几何异构体底物的反应反应延胡索酸延胡索酸(反丁烯二酸反丁烯二酸)L(+)L(+)苹果酸苹果酸3、反应条件温和、反应条件温和易失活易失活常温、常压常温、常压中性中性2.5.4 酶的活性调控酶的活性调控4活性中心活性中心4抑制剂和激活剂抑制剂和激活剂4抑制作用类型抑制作用类型4酶共价调节酶共价调节1、酶的活性中心、酶的活性中心q酶的活性部位酶的活性部位酶分子中肽链折叠、螺旋或缠绕形成酶分子中肽链折叠、螺旋或缠绕形成酶的活性空间酶的活性空间-酶的活性部
39、位酶的活性部位q按照酶活性中心的功能分为按照酶活性中心的功能分为：结合部位结合部位催化部位催化部位调控部位调控部位酶的活性中心酶的活性中心结合部位结合部位酶的专一性酶的专一性催化部位催化部位酶的高效性酶的高效性酶的活性中心酶的活性中心酶酶底物底物酶酶-底物复合物底物复合物酶酶+产物产物2、酶的作用机制钥匙钥匙3、激活剂的调节激活剂的调节1）酶的激活剂）酶的激活剂l使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加使酶由无活性变为有活性或使酶活性增加的物质称为酶的激活剂（的物质称为酶的激活剂（activatoractivator）q大多为金属离子，如大多为金属离子，如MgMg2+2+、MnMn2+2+、K K
40、+q少数为阴离子如少数为阴离子如ClCl-q也有的为有机化合物，如胆汁酸盐也有的为有机化合物，如胆汁酸盐酶原的激活酶原的激活l酶原（酶原（ZymogenZymogen）：有些酶（绝大多数为蛋白酶）有些酶（绝大多数为蛋白酶）在细胞内合成及初分泌时，没有活性在细胞内合成及初分泌时，没有活性l酶原的激活：酶原的激活：在一定条件下，酶原可转化成有活在一定条件下，酶原可转化成有活性的酶。性的酶。酶原激活的机制酶原激活的机制q分子内肽键一处或多处断裂，使分子构象发生一定程度改变，分子内肽键一处或多处断裂，使分子构象发生一定程度改变，从而从而形成酶的活性中心形成酶的活性中心，同时生成一些肽或碎片，同时生成一
41、些肽或碎片。酶原激活还存在级联反应酶原激活还存在级联反应胰蛋白酶原胰蛋白酶原胰蛋白酶胰蛋白酶+六肽六肽胰凝乳蛋白酶原胰凝乳蛋白酶原-胰凝乳蛋白酶胰凝乳蛋白酶+2个二肽个二肽胰蛋白酶胰蛋白酶 肠激酶肠激酶 意义意义q消化道内蛋白酶以酶原的形式分泌，消化道内蛋白酶以酶原的形式分泌，避免细胞避免细胞产生的蛋白酶对细胞进行自身消化产生的蛋白酶对细胞进行自身消化，使酶在特，使酶在特定的部位和环境中发挥作用；定的部位和环境中发挥作用；q凝血和纤维蛋白溶解酶类以酶原的形式在血液凝血和纤维蛋白溶解酶类以酶原的形式在血液循环中运行，一旦需要便转化为有活性的酶循环中运行，一旦需要便转化为有活性的酶q酶原可视为酶的
42、贮存形式酶原可视为酶的贮存形式4、酶的抑制作用、酶的抑制作用酶的抑制剂酶的抑制剂（inhibitor）：）：凡能使酶的催凡能使酶的催化活性下降而化活性下降而不引起酶蛋白变性不引起酶蛋白变性的物质的物质q不可逆抑制不可逆抑制q可逆抑制可逆抑制、不可逆性抑制：、不可逆性抑制：（irreversible inhibition）q抑制剂与抑制剂与酶的必需基团酶的必需基团以牢固的共价键结合以牢固的共价键结合，从而使酶活丧失从而使酶活丧失q不能用透析、超滤等去除抑制剂不能用透析、超滤等去除抑制剂路易士气路易士气巯基酶巯基酶失活的酶失活的酶q低浓度的重金属离子低浓度的重金属离子HgHg2+2+、AgAg+、
43、AsAs3+3+可与酶分子可与酶分子SHSH结合结合，使酶活抑制。，使酶活抑制。+重金属盐引起的巯基酶中毒可用重金属盐引起的巯基酶中毒可用二巯基二巯基丙醇（丙醇（BAL）解毒。解毒。BALg农药敌百虫、敌敌畏等农药敌百虫、敌敌畏等有机磷化合物有机磷化合物能特异地能特异地与胆碱酯酶（与胆碱酯酶（Choline esteraseCholine esterase）活性中心丝）活性中心丝氨酸残基的氨酸残基的羟基羟基结合，使酶失活。结合，使酶失活。+ROPOOXRHOEROPOOORXHE有机磷化合物有机磷化合物羟基酶羟基酶失活的酶失活的酶q乙酰胆碱为生物体内传递神经冲动的重要物质。乙酰胆碱为生物体内传
44、递神经冲动的重要物质。q胆碱酯酶为羟基酶，有机磷杀虫剂中毒时，此酶活受抑制胆碱酯酶为羟基酶，有机磷杀虫剂中毒时，此酶活受抑制q结果造成乙酰胆碱的堆积，结果造成乙酰胆碱的堆积，造成神经过度兴奋直至抽搐而死造成神经过度兴奋直至抽搐而死可用可用解磷定解磷定来治疗。来治疗。竞争性抑制竞争性抑制非竞争性抑制非竞争性抑制可逆性抑制可逆性抑制CH2COOHCH2COOH+FADCHCOOHCHCOOH+FADH2琥珀酸脱氢酶琥珀酸延胡索酸COOHCH2COOHCOCOOHCH2COOHCOOHCH2CHOHCOOH丙二酸苹果酸草酰乙酸丙二酸、苹果酸、草酰丙二酸、苹果酸、草酰 乙酸为琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂
45、。乙酸为琥珀酸脱氢酶的竞争性抑制剂。A A、竞争性抑制、竞争性抑制GluPABA（对氨基苯甲酸）（对氨基苯甲酸）喋呤HHNHCHCH2COOHCH2COOHNNNNCH2NHCOOHH2NSO2NHRH2N磺胺药磺胺药二氢喋呤二氢喋呤+PABA+GluFH2合成酶合成酶FH2FH4q磺胺药与磺胺药与PABAPABA结构相似，可与结构相似，可与PABAPABA竞争竞争FHFH2 2合成酶的活性中心合成酶的活性中心FHFH2 2合成受抑制，合成受抑制，FHFH4 4随之减少，随之减少，使核酸合成障碍使核酸合成障碍，细菌生长繁殖受细菌生长繁殖受到抑制。到抑制。q而人体可直接吸收叶酸而人体可直接吸收叶
46、酸。FH2还原酶还原酶叶酸叶酸四氢叶酸四氢叶酸NNNNCH2NCOH2NH2NCH3NH CHCH2COOHCH2COOHHH喋呤PABA（对氨基苯甲酸）MTX氨甲喋呤（氨甲喋呤（MTXMTX）是）是FHFH2 2还原酶的竞争性抑制剂，抑制人体还原酶的竞争性抑制剂，抑制人体内内FHFH4 4的合成，阻碍核酸合成，以致抑制肿瘤的生长。的合成，阻碍核酸合成，以致抑制肿瘤的生长。FAFHFH2 2合成酶合成酶FH2FHFH2 2还原酶还原酶FH4B B、非竞争性抑制、非竞争性抑制别构抑制别构抑制5、酶共价调节、酶共价调节l某些酶分子的基团可以在另一种酶催化下发生某些酶分子的基团可以在另一种酶催化下发
47、生共价修饰作用，从而引起酶活性的激活或抑制，共价修饰作用，从而引起酶活性的激活或抑制，这种作用称共价修饰调节这种作用称共价修饰调节激酶激酶ATPADP磷酸化酶磷酸化酶 b（无活性）（无活性）磷酸化酶磷酸化酶a P（有活性）（有活性）磷酸酯酶磷酸酯酶-OHH2OP2.5.5 酶定义的补充酶定义的补充19811981年，托马斯年，托马斯切赫（美）在四切赫（美）在四膜虫膜虫rRNArRNA前体中发前体中发现了与蛋白质无关现了与蛋白质无关的拼接过程的拼接过程即在鸟苷和即在鸟苷和MgMg2+2+存在下，可发生自存在下，可发生自我催化作用，将我催化作用，将rRNArRNA前体中存在的前体中存在的链长链长4
48、14414个核苷酸个核苷酸的的内含子内含子切下切下切下的内含子切下的内含子(核酶核酶)l切割下来的切割下来的L L1919RNARNA具有具有很强的酶的活性，即能使很强的酶的活性，即能使核苷酸聚合成多核苷酸，核苷酸聚合成多核苷酸，又能将多核苷酸切成不同又能将多核苷酸切成不同长度的片段，被称为核酶。长度的片段，被称为核酶。Cech等人因此荣获等人因此荣获1989年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖4核酶（核酶（ribozymeribozyme）是具有高效、特异催化作用的是具有高效、特异催化作用的核酸核酸，主要作用参与主要作用参与RNARNA的剪接的剪接2.6 2.6 遗传信息的存储和传递者遗传信息的存储
49、和传递者 核酸核酸1、核酸研究历史核酸研究历史q18681868年，瑞士外科医生年，瑞士外科医生Fridrich MiescherFridrich Miescher从从脓细胞核中分离到核酸样物质。脓细胞核中分离到核酸样物质。q19441944年，年，Oswald AveryOswald Avery通过肺炎双球菌转化实通过肺炎双球菌转化实验证实了验证实了DNADNA是遗传的物质基础是遗传的物质基础q极少数的病毒以极少数的病毒以RNARNA为遗传物质为遗传物质 如天花病毒、流感病毒等。如天花病毒、流感病毒等。T核酸分为核酸分为DNADNA和和RNARNATDNADNA存在于细胞核和线粒体内存在于细
50、胞核和线粒体内TRNARNA存在于细胞质存在于细胞质2.2.核酸的分类核酸的分类核酸在核酸酶作用下水解为核苷酸，核酸在核酸酶作用下水解为核苷酸，核苷酸由碱基、戊糖和磷酸组成。核苷酸由碱基、戊糖和磷酸组成。核苷酸核苷酸磷酸磷酸核苷核苷碱基碱基戊糖戊糖核酸核酸核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖嘌呤嘌呤嘧啶嘧啶 3、核酸的组成核酸的组成戊糖戊糖核糖核糖脱氧核糖脱氧核糖嘧嘧 啶啶(pyrimidine)胞嘧啶胞嘧啶（2-氧，氧，4-氨基嘧啶氨基嘧啶）Cytosine(C)酮式酮式烯醇式烯醇式尿嘧啶（尿嘧啶（2，4-二氧嘧啶）二氧嘧啶）Uracil(U)胸腺嘧啶（胸腺嘧啶（5-甲基尿嘧啶）甲基尿嘧啶）Thymin