《基础生命科学》生命的基本化学组成

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4,生命的基本化学组成,4.1,生命的化学基础,4.2,糖类化合物,4.3,脂类化合物,4.4,蛋白质*,主要内容,4.1,生命的化学基础,组成生物体的主要元素包括,C,、,H,、,O,、,N,、,P,、,S,、,Ca,等，以上,7,种元素约占生物体的,99.35%,，其中,C,、,H,、,O,、,N 4,种元素占,96%,。,微量元素：,Fe,、,Cu,、,Mo,、,Zn,、,Mn,、,Ni,、,I,、,Si,等，例,Fe,：所有的生物所需；,I,：主要是脊椎动物所需（每天摄入,0.15,毫克即可满足）。,生物体的主要元素,生物具有多样性，但生物体的化学组成基本相似。,不同的生物体，其分子组成也大体相同。,无机,分子：,无机盐和水。,有机分子,：,蛋白质、核酸、脂类和多糖是组成生物体最重要的生物大分子。,哪一种分子含量最高？,水是生物体内所占比例最大的化学成分。,分为无机分子和有机分子：,生物体的主要生物分子,碳原子,的不同排列方式和长短是生物分子多样性的基础；,碳原子相互连接成链或成环，形成各种生物大分子的基本结构。,生物大分子的基本特性,遵循共同的建成和分解规律,：生物大分子,由简单的单体小分子,脱水缩合而成,；,分解时是通过,水解反应；,结构复杂,：,构成生物分子的结构单元分子具有不同的排列组合，并可以进一步形成非常复杂的三维空间结构；,生物体中的有机化合物主要含有羟基、羰基、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。,生物大分子的基本性质还取决于与,碳骨架,相连接的,功能基团,糖广泛存在于生物界，是地球上数量最多的一类有机化合物。对于植物来说，占其干重的,85,90,、细菌占,10,30,、动物小于,2,。,糖分子含,C,、,H,、,O 3,种元素，通常,3,者的比例 为,1:2:1,，一般化学通式为,(CH,2,O),n,。糖类包括小分子的单糖、寡糖和多糖。从化学本质上来说，糖类是多羟醛、多羟酮或其衍生物。,4.2,糖类化合物,糖类的生物学功能,作为生物体的结构成分：,植物、真菌以及细菌的细胞壁；昆虫和甲壳类的外骨骼等；,作为生物体内的主要能源物质：,生物氧化的燃料葡萄糖和能量的贮存物质淀粉和糖原等；,生物体内的重要中间代谢物质：,糖类通过这些中间物质为其它生物分子如氨基酸、核苷酸以及脂肪酸等提供碳骨架；,作为细胞识别的信息分子：,许多膜蛋白、分泌蛋白和受体蛋白都是糖蛋白，即在特定部位结合一定量的寡糖。这些糖链可能起信号识别的作用。,天然的单糖一般都是,D,型，重要的单糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脱氧核糖等,单糖,重要的二糖包括蔗糖、麦芽糖、乳糖等,二糖（寡糖）,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,蔗糖,乳糖,重要的多糖有淀粉、糖原、纤维素、氨基葡聚糖等,多糖,葡萄糖单体聚合而成,脂类的组成及性质：,脂类是脂肪、磷脂、类固醇等类化合物的总称，是由脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍生物,脂类分子含,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，但均不溶于水，而溶于非极性溶剂；,脂类主要包括：,三酰甘油酯（中性酯）、磷脂、类固醇、萜类以及蜡,。,4.3,脂类,(lipids),化合物,脂类的组成和功能,是生物膜的主要成分；,主要能源物质，脂肪氧化时产生的能量大约是糖 氧化时的二倍；,参与细胞的识别；,是某些生物大分子的组成；,生物活性物质，如,b,-,胡萝卜素、维生素,E,等；,生物表面的保护层：保持体温、水份、抗逆等。,脂类的生物学功能：,中性脂肪,(,动物,-fat),和油,(,植物,-oil),脂肪：,甘油三酯中含较多饱和脂肪酸，且常温下呈固态的；,油：,甘油三酯中含较多不饱和脂肪酸，且常温下呈液态的。,由甘油,(,丙三醇,),和脂肪酸结合成的,三酰甘油酯或称为甘油三酯。,又称,磷酸甘油酯,，甘油的一个羟基是与磷酸及其衍生物结合，如卵磷脂（磷脂酰胆碱）、脑磷脂等；,磷脂是生物膜的主要成分，也是代谢中的一种甲基供体。磷酸胆碱一端为极性的头，两个脂肪酸一端为非极性的尾，其中一个脂肪酸通常含不饱和双键，因此总有点弯折。,磷脂,类固醇也称甾类，以环戊烷多氢菲为基础，不含脂肪酸，但具有脂类性质，也是,细胞膜的重要成分,。,类固醇,其中,胆固醇,等脂类主要存在于动物细胞内，既是细胞膜的重要成分，也是血中,脂蛋白复合体,的成分，与动脉硬化有关。,结构蛋白,：,生物结构成分，如胶原蛋白、角蛋白等；,伸缩蛋白：,收缩与运动，如肌纤维中的肌球蛋白等；,防御蛋白：,如免疫球蛋白、金属硫蛋白等；,贮存蛋白,：,贮存氨基酸和离子等，如酪蛋白、卵清蛋白、载铁蛋白等；,运输蛋白,：,运输功能，如血液中运送,O,2,与,CO,2,的血红蛋白和运送脂质的脂蛋白；控制离子进出的离子泵等；,激素蛋白：,调节物质代谢、生长分化等，如生长激素；,信号蛋白：,接受与传递信号，如受体蛋白等；,酶,：,催化功能，包括参与生命活动的大多数酶。,4.4,蛋白质,蛋白质的主要种类和功能,氨基酸结构的共同特点在于与羧基相连的碳原子（,-,碳原子）上都有一个氨基和一个,R,基；,氨基酸呈两性离子状态，具有,等电点,；,组成蛋白质的氨基酸都是,L,型的，所以,蛋白质是由,20,种氨基酸组成的生物大分子,除,Gly,外其它,19,种氨基酸都是,L-,-,氨基酸。,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,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。,蛋白质变性（构象发生变化）使得其特定的功能便立即发生变化。,蛋白质结构与功能的关系,蛋白质的空间结构,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,蛋白质一级结构是靠共价键（肽键）维系的；而高级结构是靠非共价键（氢键、疏水键、离子健和范德华力）维系的。,一级结构：,蛋白质的一级结构是氨基酸序列，决定许多性质与功能、决定蛋白质在细胞内的定位信号、修饰信号和寿命信号（,N,端第一个,aa,残基是,Met,、,Ser,、,Thr,、,Ala,、,Val,、,Cys,、,Gly,、,Pro,则蛋白质寿命长，另,12,种,aa,则寿命短）,二级结构：,多肽链局部折叠形成的构象单元。因为肽链中,C,原子连有,O(,略显负电性,),而,N,原子共价结合有,H(,略显正电性,),因而可形成链内,H,键，导致二级结构,螺旋,（ ,-Helix,）,和,折叠,(,-Sheet),的形成,。,螺旋,（,-Helix,）,和折叠,(,-Sheet),-Sheet,暴露于潮湿环境中几乎可以伸长一倍，但冷却干燥后即可收缩到原来的长度。,角蛋白,角蛋白,（如丝心蛋白）,三级结构：,在二级结构基础上，整个单体蛋白质分子或亚基由于,R,基团的疏水性或亲水性不同，可进一步形成的特定立体结构，即三级结构（体现生物活性）。,血红蛋白的三级结构,2,3,级结构之间又有,2,个结构层次：,结构域（,domain,）和特征序列（,motif,）。,四级结构：,在三级结构的基础上，多亚基蛋白装配形成特定空间徘布，即蛋白质四级结构。,血红蛋白的四级结构,Protein Misfolding Can Have,Deadly Consequences:,A comparison of normal (PrP,c,) and abnormal (PrP,sc,),prion proteins:,These two proteins are formed by polypeptide chains that can be identical in amino acid sequence, but they fold differently.,Soluble,insoluble,Causing “mad cow disease”,蛋白质的在溶液中的性质,蛋白质可以,变性和复性：,在一些特殊条件下，如高温、高浓度水溶性有机溶剂,(,如胍、脲等,),中，蛋白质的次级键或二硫键断裂或重排，造成蛋白质构象上的变化，使其功能活性丧失，这就是蛋白质的变性。,变性的蛋白质分子在适宜的条件下恢复到天然构象的过程叫,蛋白质的复性；,对于水溶性的蛋白来说，它的水溶液是亲水性胶体；蛋白质表面有一层,水化膜,(,层,),；,蛋白质具有,盐溶和盐析现象,；,在,280nm,处有特异吸收峰；,蛋白质,具有特定的等电点,，在这一,pH,值时，蛋白质所带的正电荷与负电荷恰好相等，即静电荷等于零。,蛋白质由氨基酸组成，有些性质与氨基酸相似，但由于蛋白质形成过程中，有新的化学键形成，因此，蛋白质还具有自己独特的性质。,推荐课外选学内容：,蛋白质的分离和纯化,根据分子量的大小：凝胶过滤（分子筛），凝胶电泳；,利用溶解度差别的分离：等电点沉淀、盐溶和盐析、有机溶剂分级分离、温度控制；,利用电荷不同：电泳、离子交换层析；,根据配体特异性互作特性：亲和层析。,推荐课外选学内容：,蛋白质可以分离和的纯化：,离子交换层析,分子筛,亲和层析,推荐课外选学内容：,推荐课外选学内容：,推荐课外选学内容：,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、脂类和多糖等，都是由含有功能基团的相同或相近的单体脱水缩合而成。 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。 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（,DNA),和核糖核酸,(RNA),两类。,DNA,主要是右旋的双螺旋结构。,DNA,是遗传信息的携带者。贮存遗传信息的特殊,DNA,片段称为基因，它决定蛋白质的功能。,RNA,是一类单链分子，在蛋白质的合成中起重要作用。,1953,年,Watson,和,Crick,建立了,DNA,双螺旋结构理论，奠定了现代分子生物学基础。,本章小结,