第二章+生命的化学0910

第二章第二章 生命的化学生命的化学生生 命命 科科 学学 导导 论论An Introduction to Life Sciences2 所有的生命体有一个共同的语言，这个所有的生命体有一个共同的语言，这个语言就是化学。语言就是化学。Arthur Kornberg19591959年获诺贝尔年获诺贝尔生理学或医学奖生理学或医学奖亚瑟亚瑟科恩伯格科恩伯格（1918-2007）3大肠杆菌细胞的分子组成大肠杆菌细胞的分子组成4本本 章章 内内 容容蛋白质是生命体的主要功能分子蛋白质是生命体的主要功能分子 DNADNA是遗传信息的主要贮存者是遗传信息的主要贮存者糖类是生物体的主要能源物质糖类是生物体的主要能源物质51.1.糖类糖类是生物体的主要能源物质是生物体的主要能源物质淀粉淀粉糖原糖原丙酮酸丙酮酸CO2+H2O葡萄糖葡萄糖2ATP2ATP糖糖酵酵解解三三羧羧酸酸循循环环呼呼吸吸链链26ATP酶酶促促水水解解6ATP是生物体能量流通的货币是生物体能量流通的货币 能量直接来源能量直接来源7生物体把能量用在生命活动的各个方面生物体把能量用在生命活动的各个方面8三大能量物质之间可以进行转化三大能量物质之间可以进行转化脂肪脂肪蛋白质蛋白质糖类糖类9葡萄糖是最常见的单糖葡萄糖是最常见的单糖10一些多糖的高级结构一些多糖的高级结构112.2.蛋白质蛋白质是生命体的主要功能分子是生命体的主要功能分子12蛋白质由氨基酸组成蛋白质由氨基酸组成2012年湖北某高三班集体打吊瓶补充氨基酸年湖北某高三班集体打吊瓶补充氨基酸 13氨基酸的结构氨基酸的结构【氨基酸】【氨基酸】是含有是含有氨基氨基和和羧基羧基的一类有的一类有机化合物的统称，是生物功能大分子蛋机化合物的统称，是生物功能大分子蛋白质的基本组成单位。白质的基本组成单位。氨基酸的结构通式氨基酸的结构通式侧链侧链可变基团可变基团14常见氨基酸有常见氨基酸有2020种种152020种氨基酸的名称及简写种氨基酸的名称及简写16营养提示：必需氨基酸有营养提示：必需氨基酸有8 8种种【必需氨基酸】：人体自身不能合成，【必需氨基酸】：人体自身不能合成，必须从食物中摄取的氨基酸。必须从食物中摄取的氨基酸。对成人来讲，必需氨基酸共有对成人来讲，必需氨基酸共有8种：种：赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸。苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸。17营养提示：营养提示：根据氨基酸的种类和数量将食物中的蛋根据氨基酸的种类和数量将食物中的蛋白质分为白质分为3类：类：1、完全蛋白质：、完全蛋白质：奶、蛋、鱼、肉奶、蛋、鱼、肉 2、半完全蛋白质：、半完全蛋白质：谷类、豆类谷类、豆类 3、不完全蛋白质：、不完全蛋白质：肉皮肉皮 另外，谷类另外，谷类+豆类豆类 完全蛋白质完全蛋白质18蛋白质分子中氨基酸以肽键相连蛋白质分子中氨基酸以肽键相连【肽键】：是由一个氨基酸的【肽键】：是由一个氨基酸的-羧基与羧基与另一个氨基酸的另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成氨基脱水缩合而形成的化学键。的化学键。肽键是一种共价键。肽键是一种共价键。H2N C CHR1OHO+N CHHHR2COOHH2OH2N CCHR1ONCHR2COOHH肽键19蛋白质蛋白质/肽链的表示方法肽链的表示方法丝氨酸丝氨酸-缬氨酸缬氨酸-酪氨酸酪氨酸-天冬氨酸天冬氨酸-谷氨酰胺谷氨酰胺Ser-Val-Tyr-Asp-GlnS-V-Y-D-Q20蛋白质的一级结构是区分蛋白质的基础蛋白质的一级结构是区分蛋白质的基础【蛋白质的一级结构】【蛋白质的一级结构】：蛋白质分子中：蛋白质分子中氨基酸的排列顺序，也叫初级结构或基氨基酸的排列顺序，也叫初级结构或基本结构。本结构。蛋白质的一级结构靠共价键（肽键）维蛋白质的一级结构靠共价键（肽键）维系。系。牛胰岛素的一级结构牛胰岛素的一级结构21蛋白质的结构分为蛋白质的结构分为4 4层层 蛋白质的结构分为一级、二级、三级和蛋白质的结构分为一级、二级、三级和四级结构。四级结构。二级、三级和四级结构均为蛋白质的高二级、三级和四级结构均为蛋白质的高级结构。级结构。22蛋白质的高级结构是实现生物功能的基础蛋白质的高级结构是实现生物功能的基础【蛋白质的高级结构】【蛋白质的高级结构】：也称空间结构：也称空间结构或三维构象，是指蛋白质分子中原子和或三维构象，是指蛋白质分子中原子和基团在三维空间上的排列、分布及肽链基团在三维空间上的排列、分布及肽链的走向。的走向。蛋白质的高级结构是分层次的。蛋白质的高级结构是分层次的。蛋白质的高级结构包括二级、三级和四蛋白质的高级结构包括二级、三级和四级结构。级结构。23蛋白质的高级结构蛋白质的高级结构螺旋螺旋折叠折叠24蛋白质的高级结构靠非共价键维持蛋白质的高级结构靠非共价键维持 共价键共价键 氢键氢键 静电作用静电作用 范德华力范德华力 疏水键疏水键90kcal/mol3kcal/mol1kcal/mol1kcal/mol0.1kcal/mol非非共共价价键键非共价键非共价键数量巨大数量巨大，才得以维持生物大分子的高级结构。才得以维持生物大分子的高级结构。25蛋白质高级结构重要性的反例（蛋白质高级结构重要性的反例（1 1）如高级结构遭到破坏，蛋白质的生物功如高级结构遭到破坏，蛋白质的生物功能减弱或丧失。能减弱或丧失。蛋白质变性蛋白质变性 条件：高温、极端条件：高温、极端pH、紫外光照、重、紫外光照、重金属、有机溶剂等金属、有机溶剂等 生鸡蛋生鸡蛋 熟鸡蛋熟鸡蛋加热26蛋白质高级结构重要性的反例（蛋白质高级结构重要性的反例（2 2）如高级结构改变，蛋白质功能可能发生如高级结构改变，蛋白质功能可能发生变化，甚至导致严重的疾病。变化，甚至导致严重的疾病。疯牛病的致病原因疯牛病的致病原因Prion朊蛋白朊蛋白疯牛病疯牛病朊蛋白朊蛋白27 现发现现发现Prion蛋白有两种高级结构：蛋白有两种高级结构：正常的正常的Prion蛋白蛋白PrPc 异常的异常的Prion蛋白蛋白PrPscb b-折叠占折叠占3%b b-折叠占折叠占54%PrPcPrPsc28PrionPrion致病机理致病机理蛋白质错误折叠蛋白质错误折叠 PrPsc 可与细胞中原有正常的可与细胞中原有正常的PrPc 相互作用，使相互作用，使PrPc 重新折叠，变成异常的重新折叠，变成异常的PrPsc。增多的增多的PrPsc 聚集形成淀粉样斑，破坏脑细胞。聚集形成淀粉样斑，破坏脑细胞。空泡空泡褐色斑块褐色斑块29蛋白质举例蛋白质举例(1)(1)血红蛋白血红蛋白 运输氧气、二氧化碳运输氧气、二氧化碳30血红蛋白通过协同作用实现携氧功血红蛋白通过协同作用实现携氧功能能31蛋白质举例蛋白质举例(2)(2)白蛋白白蛋白/清蛋白清蛋白 血清白蛋白血清白蛋白 卵清蛋白卵清蛋白 乳清蛋白乳清蛋白 豆白蛋白豆白蛋白32人血清白蛋白的重要作用人血清白蛋白的重要作用 维持血浆胶体渗透压的恒定维持血浆胶体渗透压的恒定 运输脂肪酸、运输脂肪酸、Ca2+、Na+、K+等等 临床应用临床应用33基因工程生产人血清白蛋白基因工程生产人血清白蛋白 全球对人血清白蛋白的需求全球对人血清白蛋白的需求500 吨吨/年。年。水稻生产人血清白蛋白（由武汉大学杨水稻生产人血清白蛋白（由武汉大学杨代常教授团队完成）。代常教授团队完成）。每公斤水稻种子中获得每公斤水稻种子中获得2.74克纯人血清克纯人血清白蛋白，这比同样重量的烟草叶中纯化白蛋白，这比同样重量的烟草叶中纯化的人血清白蛋白高出了的人血清白蛋白高出了25倍。倍。普通水稻转基因水稻34蛋白质举例蛋白质举例(3)(3)胶原蛋白胶原蛋白 胶原蛋白是构成皮肤、软骨、肌腱、牙胶原蛋白是构成皮肤、软骨、肌腱、牙齿的主要纤维成分。齿的主要纤维成分。生命支架生命支架 具有重复的具有重复的-Gly-X-Y-序列，其中序列，其中X常常常常是脯氨酸，而是脯氨酸，而Y是是4-羟脯氨酸。羟脯氨酸。35VCVC有助于维持胶原蛋白的正常结构有助于维持胶原蛋白的正常结构 羟脯氨酸的羟化是在脯氨酰羟化酶的催羟脯氨酸的羟化是在脯氨酰羟化酶的催化下进行的，这个酶需要维生素化下进行的，这个酶需要维生素C使其使其活性中心的铁原子保持亚铁状态。活性中心的铁原子保持亚铁状态。缺少维生素缺少维生素C会使羟化不完全，不能正会使羟化不完全，不能正常形成纤维，造成皮肤损伤和血管脆裂，常形成纤维，造成皮肤损伤和血管脆裂，引起出血、溃烂，即坏血病。所以维生引起出血、溃烂，即坏血病。所以维生素素C又叫抗坏血酸。又叫抗坏血酸。36蛋白质举例蛋白质举例(4)(4)蛋白酶蛋白酶 己糖激酶：催化葡萄糖的磷酸化己糖激酶：催化葡萄糖的磷酸化37酶的作用酶的作用 体外合成的条件：体外合成的条件：185 200 14 20 MPa 体内合成的条件：体内合成的条件：37 0.1 MPa 降低反应活化能，使生物体内的反应在降低反应活化能，使生物体内的反应在体温体温和和一个大气压一个大气压下进行。下进行。如：尿素的合成如：尿素的合成383.DNA3.DNA是遗传信息的主要贮存者是遗传信息的主要贮存者39DNADNA是一种核酸是一种核酸 核酸中最重要的部分是碱基。核酸中最重要的部分是碱基。DNA中的碱基有四种：中的碱基有四种：A、T、G、C。40DNADNA的信息文本由的信息文本由ATGCATGC写成写成 四种碱基四种碱基ATGC在在DNA上的排列顺序即上的排列顺序即【DNA的一级结构】的一级结构】。41 任意两个人之间的任意两个人之间的DNA相似度相似度99.9%。乙的一段乙的一段DNA序列序列甲的一段甲的一段DNA序列序列42人类与其他物种的基因组比较人类与其他物种的基因组比较43单链单链DNA和双链和双链DNA 单链单链DNA是碱基单元的长链聚合物。是碱基单元的长链聚合物。两条互补的单链两条互补的单链DNA通过双螺旋结构通过双螺旋结构DNA的二级结构的二级结构紧紧联系在一起，形成紧紧联系在一起，形成双链双链DNA，构成生命体的信息遗传物质。，构成生命体的信息遗传物质。细胞中的细胞中的DNA大部分以双链形式存在。大部分以双链形式存在。双链双链DNA的碱基呈互补配对，的碱基呈互补配对，A总是与总是与T配对，配对，G总是与总是与C配对，即配对，即A=TA=T、GC GC配对。配对。44DNA的二级结构的二级结构双螺旋双螺旋45DNA双螺旋的发现双螺旋的发现DNADNA钠盐纤维的钠盐纤维的X X射线衍射图射线衍射图Rosalind FranklinMaurice Wilkins46串珠状串珠状核小体核小体DNADNA双螺旋片段双螺旋片段染色质纤维染色质纤维伸展形染色质片段伸展形染色质片段密集形染色质片段密集形染色质片段染色体染色体DNA双螺旋双螺旋染色质染色质染色体染色体染色质染色质动态结构动态结构组蛋白组蛋白474.4.遗传信息的传递和表达遵循遗传信息的传递和表达遵循中心法则中心法则Francis Crick4849DNA半保留复制半保留复制 DNA的双螺旋结构对遗传信息的复制的双螺旋结构对遗传信息的复制和传递至关重要。和传递至关重要。A TG CC GT A亲代DNAA G C TTCGA子代DNATCGAA G C T50DNA转录为转录为RNA51RNA翻译成蛋白质翻译成蛋白质 遗传信息的表达是由遗传信息的表达是由DNA经过经过RNA翻译成翻译成 蛋白质。蛋白质。52翻译的中介是密码子翻译的中介是密码子 每每三个碱基组成一个密码子三个碱基组成一个密码子，决定一个，决定一个氨基酸。氨基酸。53遗传密码字典64组密码子编码组密码子编码20种氨基酸种氨基酸54 下面就是从基因到蛋白质的故事，或者下面就是从基因到蛋白质的故事，或者说从基因型到表型的故事：说从基因型到表型的故事：55基因基因(gene)即即DNA上的编码序列上的编码序列56基因信息解码翻译成蛋白质基因信息解码翻译成蛋白质57每种蛋白质行使独特的功能每种蛋白质行使独特的功能p 乳糖酶乳糖酶分解牛奶中的乳糖分解牛奶中的乳糖p 肌球蛋白肌球蛋白帮助肌肉收缩帮助肌肉收缩p 胶原蛋白胶原蛋白皮肤和软骨中皮肤和软骨中的结构蛋白的结构蛋白p 血红蛋白血红蛋白帮助血红细胞帮助血红细胞运输氧气运输氧气58基因的突变可能产生功能异常的蛋白质基因的突变可能产生功能异常的蛋白质59血红蛋白基因的突变产生严重后果血红蛋白基因的突变产生严重后果 正常血红蛋白的正常血红蛋白的链链 结构结构 红细胞红细胞 突变血红蛋白的突变血红蛋白的链链 结构结构 红细胞红细胞60日本福岛的蝴蝶突变日本福岛的蝴蝶突变 核辐射导致基因核辐射导致基因突变，表型变化突变，表型变化正常草酢浆灰蝶正常草酢浆灰蝶突变草酢浆灰蝶突变草酢浆灰蝶61中心法则补充版中心法则补充版逆转录逆转录复制复制62RNARNA病毒的自我复制病毒的自我复制63p 体外实验中，该过程正是基因工程的基础。体外实验中，该过程正是基因工程的基础。RNARNA逆转录成逆转录成cDNAcDNA64生物的遗传信息表现为特定的核苷酸排生物的遗传信息表现为特定的核苷酸排列顺序储存。列顺序储存。细胞分裂时，通过细胞分裂时，通过DNADNA复制复制把亲代的遗传把亲代的遗传信息忠实递给子代细胞。信息忠实递给子代细胞。细胞生长时，遗传信息通过细胞生长时，遗传信息通过转录转录传递给传递给RNARNA，再由，再由RNARNA通过通过翻译翻译转变成特定氨基酸排转变成特定氨基酸排列顺序的多肽，由多肽执行生物学功能，使列顺序的多肽，由多肽执行生物学功能，使后代表现出与亲代相似的遗传特征。后代表现出与亲代相似的遗传特征。一些一些RNA病毒能以自己的病毒能以自己的RNARNA为模板复制为模板复制出新的病毒出新的病毒RNA，或以其，或以其RNA为模板合成为模板合成DNA，称为，称为逆转录逆转录。小结：中心法则的内容小结：中心法则的内容蛋白质蛋白质翻译翻译转录转录逆转录逆转录复制复制DNARNA复制复制65本章重点本章重点1.1.蛋白质的结构单位是：氨基酸（蛋白质的结构单位是：氨基酸（2020种）。种）。2.DNA2.DNA双螺旋结构中，互补碱基呈双螺旋结构中，互补碱基呈A=TA=T、GCGC配对。配对。3.3.中心法则的内容。中心法则的内容。66思考题思考题1举例说明生物大分子在体内维持正常举例说明生物大分子在体内维持正常高级结构的重要性。高级结构的重要性。2.说说说说DNA和蛋白质之间是如何建立联和蛋白质之间是如何建立联系的？系的？