生命化学1

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,*,生物体敞开的化学体系，每时每刻发生化学变化伴随能量变化生命运动,食物放进口食物的外型所反射的光线射入眼睛视网膜上的视杆细胞的化学物质视紫红质褪色色变触发了神经诱导了新的化学变化传导到大脑告知光已被接收大脑组织的化学变化认识到是食物产生一系列化学反响依次作出判断发出了进食的命令传导到肌肉肌肉分子以一定的力收缩恰到好处地抓住食物送入口中，,在不到一秒钟内你如此完美自如地有条不紊地高效地从观测，思考，决断，动作，而完全没有感受到已经历了可能上千种物质的极为复杂的化学过程。,简单介绍构成生物体的最根本的分子：蛋白质，碳水化合物，类脂体，核酸，维持生命必须的一些少量而重要的维生素，矿物质以及蛋白质的合成。,2.2 氨基酸，蛋白质，酶及其功能,蛋白质几乎占细胞干物质的50%。,蛋白质都具有一些共同的特点：,由许多不同的,-氨基酸单体彼此以共价键按不同的组合方式连接成的大分子或聚合物。,生物体的组织几乎所有的蛋白质都仅由20种氨基酸所构成非常有趣而又重要。,这20个氨基酸除了脯氨酸外，其分子式通式为,H,2,N-CH,R,-COOH,具体如表2-1。,表2-1 20种氨基酸及其极性类别,氨基酸含有羧基-COOH和氨基-NH,2,双官能团的有机分子。,-NH2都连接在与-COOH直接相连的第一位碳即-碳原子上，故也称-氨基酸。,-NH,2,基，有点像NH,3,，是碱性的，而-COOH是酸性的，故呈电两性。具有以下平衡：,OH,OH,H,+,H,+,pI值,只有在某一pH值下，某一氨基酸才呈电中性，此时在电场中它既不向正极也不向负极移动，此pH值称为该氨基酸的等电点 pI值。,电泳技术,控制溶液pH，给溶液施加一电场，在此静电场作用下，不同氨基酸向电极的迁移速度不同，可有效别离氨基酸。,L-型的氨基酸构成蛋白质,氨基酸甘氨酸除外由于-碳原子是手性碳，都具有旋光异构体，左旋的或右旋的，常加注L-与D-以区分这两种不同构型的异构体。自然界中有D-氨基酸，但它们从不构成蛋白质。倘假设用D-型异构体代替L-型将会破坏蛋白质分子的生物活性。,L-,-氨基酸,D-,-氨基酸,蛋白质是40至10，000或更多的氨基酸之间的近线性聚合物。,酰氨键和肽键,两氨基酸通过酰氨键联结在一起，此键常称为肽键。,它是由一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基，脱水缩聚而成。缩聚成较短小的分子常称为肽，由二个氨基酸组成的为二肽，由许多个氨基酸便形成了多肽。,肽,二肽,肽链分子只有在两端有自由的,-氨基或,-羧基，常将这两端分别称为氨基末端及羧基末端，简称为N-端及C-端。,用氨基酸残基-NH-CHR-CO-来命名肽，始于N-端。当R是天冬氨酸Asp，而R是苯丙氨酸Phe时便称为天苯肽，也称为天冬氨酰苯丙氨酸。肽分子随着氨基酸残基的种类不同，甚至次序的不同其性质与功能有很大差异。如上述天苯肽甲酯是极为平安的人造的甜味剂，甜度介乎于蔗糖与糖精之间，然而苯天肽甲酯那么无甜味，无商业价值。两种不同氨基酸可构成22=4种肽，三种不同氨基酸那么可构成33=27种肽，可以计算出用这20种氨基酸构成50个氨基酸的小蛋白质分子时，将可能得到1065种。这是个惊人的数字，它说明了蛋白质分子及其性质的复杂性。诚然，生物体只合成和裁剪成它们自己特殊需要的那些蛋白质！,蛋白质分子的多肽链可以以盘曲和/或折叠构成其特有的三维空间构象。,一级构造蛋白质分子中多肽链中氨基酸残基的组成及其排列顺序。如人胰岛素是由51个氨基酸残基通过二硫桥键将A、B二条肽链联成，其中A链由21个残基，B链有30个残基：,苯-缬-天胺-谷胺-组-亮-半-甘-丝-组-亮-缬-谷-丙-亮-酪-亮-缬-半-甘-谷-精-甘,苏*-赖-脯-苏-酪-苯-苯,甘-异-缬-谷-谷胺半-半-苏*-丝-异*-半-丝-亮-酪-谷胺-亮-谷-天胺-酪-半-天胺,S,S,S,S,S,S,A链,B链,N端,C端,* 牛、猪胰岛素不同于人胰岛素之处,。,我国科学家于1965年首次用化学方法成功地完成了人工合成具有生物活性的结晶牛胰岛素。,蛋白质分子的四种构造水平,蛋白质的二级构造,肽链不同残基之间可以形成不同形式的氢键，使蛋白质分子多肽链在空间有不同排列方式,肽键中酰胺基氮原子上的孤对电子p电子能与羰基的电子云形成更大的键，因此导致这六个原子根本上处于同一平面内。,由于O与N的电负性相当大，因此在不同残基上的-C=O与-NH基容易形成OH-N氢键。有的形成右手-螺旋体(-helix)，平均3.6个氨基酸残基构成一个螺旋，螺距0.54nm；有的因残基折迭形成了-片层状体可为顺向平行的，也可为逆向平行的。,图2-1 邻近肽链残基之间的氢键可使多肽形成右手,-螺旋体,图2-2 展开肽链的-片层构造,蛋白质的三级构造,由于氨基酸残基侧链的相互作用引起假设干相邻的二级构造单位因彼此相互作用形成有规那么的在空间上能识别的组合体为超二级构造和构造域。单个或多个构造域的缔合便构成了蛋白质的三级构造亚基。二硫桥键和其它次级键，使肽键稳定化，形成了亚基的特殊空间构造。,蛋白质的四级构造,有的单亚基的蛋白质已具有生物活性，有的多个亚基还可以借次级键，按空间特定位置严格缔合在一起形成蜷曲折迭的空间构型便构成了具有一定生物活性的蛋白质大分子。,如血红蛋白Hb， Hemoglobin,球状蛋白,：,在水中可溶，如血红蛋白，肌红蛋白。酶是水溶性球蛋白。,体蛋白：构成生物体的构造。在动物体骨，肌肉，头发，韧带，软骨，指甲和皮肤中。,酶是球状蛋白质，是生物催化剂，它具有十分突出的催化作用：催化速率极高，可比一般催化剂高1061010倍，是未用催化剂时的1091022倍；催化选择性极高，一种酶只能作用于一种反响物常称为底物或一类化合物，或作用于化合物的特定部位或特定化学键，因而催化特定的化学反响，得到特定的产物。,图2-4 胰凝乳蛋白酶的水解作用X=O，N,2.3 碳水化合物,碳水化合物是一类重要的生物分子。它们在生物体内有多种功能：,它们是生物体用以储存食物能量的物质，,是合成蛋白质、核酸和脂的起始物质，,是细胞中发生的生化反响的重要中间介质，,是细胞和组织的构造单元。,化学实验式大多呈现C,m,(H,2,O),n,碳的水合物的形式而得名。,此名至今沿用，用以表示单糖，淀粉，纤维素及糖原子等多糖类的化合物。,最重要的单糖是戊糖即五碳糖，如核糖；己糖即六碳糖，如葡萄糖，半乳糖，果糖等，见表2-2。,表2-2 一些重要的单糖及其构造式表示法,呋喃,吡喃,呋喃,船式或椅式构象,-糖和,-糖,：,羟基指向不同的两个异构体：指向环平面下方者为,-糖，指向上方为,-糖。它们互为异构体。,C,1,-OH的定位在多糖，淀粉，纤维素中非常重要。,五元的戊糖是RNA与DNA骨架中的糖，也是非常重要的糖分子。为简洁起见，表示构造式时不绘出C与环上的H。,多糖及糖苷键：多糖是单糖分子以分子间1,4位或1,6位羟基缩聚脱水形成了糖苷键C-O-C氧桥连接而成。自然界中遇到最多的是葡萄糖的聚合物：淀粉，纤维素，糖原等。,链淀粉,纤维素,糖原,胶淀粉,图2-5淀粉、糖原与纤维素的构造式,纤维素是植物的构造成分，它是-葡萄糖以1,4-位缩合成线形多糖大分子。人的唾液含有唾液淀粉酶能破坏-葡萄糖链，转化成支链淀粉，并最终在小肠里变成葡萄糖被人吸收。然而它却不能破坏-葡萄糖，于是纤维素不能被人消化(因为纤维素由-葡萄糖构成，而构成粗料，它却能帮助人的肠的蠕动，利于新陈代谢。不过，食草动物，牛，马，羊等的消化系统中存在能破坏-糖苷链的能力的酶，可使树木，干草变成葡萄糖。因此人不能靠草木为生。,2.4 脂类lipids,脂类是脂肪和类脂磷脂，固醇及固醇脂等的总称。,脂肪酸长链羧酸脂：非常有效的储能体系。氧化时，提供的能量是糖原或淀粉的23倍燃烧热。人体重的15%是脂肪，平均地讲人体内的脂肪可提供的能量高于从糖原可获得能量的160倍。脂类也是生物膜的主要成分。,大多数脂肪是不同的三酰甘油脂或称甘油三酸脂的复杂的混合物。其构造通式为：,其中R,1,，R,2,，R,3,是含519个碳的饱和的或不饱和的脂肪链。,当长链脂肪酸中碳与碳皆以单键连接时，称为饱和脂肪，呈固态；假设含有双键者，称为不饱和脂肪，呈液态油。当有一支脂肪酸被磷酸及其“碱盐取代后，便是磷脂。,人体中含量最多的磷脂是,磷脂酰胆硷,：,磷脂可自发地缔合形成双层构造的生物膜。,图2-6 磷脂双层形成的生物膜,类脂是含有稠环构造甾体类称为固醇的化合物，它是环戊烷多氢菲并四环碳氢化合物的衍生物。其根本化学构造，如图2-7。这类化合物有助于生物膜构造的稳定，也是生物活性的重要调节剂激素。它们几乎在所有动物组织中发现，其中最重要的是胆甾醇，它在血液中的含量是判断心血管疾病的一个重要指标。,图2-7 甾体根本骨架及其有关化合物,2.5 核酸,核酸最初是从细胞核中别离出来，具有相当强的酸性物质而得名。它是分子量高达108克/摩尔的大分子聚合物。它是遗传的物质根底。,核酸分核糖核酸简称RNA与脱氧核糖核酸简称DNA两大类。,构成核酸的构造单元是核苷酸，而核苷酸又是由三种最根本的简单分子戊糖核糖或脱氧核糖，参见表2-2，磷酸和含氮碱基构成。组成核酸的碱基是含氮杂环有机化合物，环骨架中有两个或更多氮原子。因氮原子上的孤对电子可以发生配位作用而呈Lewis碱性质。碱基分成嘧啶和嘌呤两类，共有如下五种：,胞嘧啶胸腺嘧啶 尿嘧啶 腺嘌呤 鸟嘌呤,C,ytosine,T,hymine,U,racil,A,denine,G,uanine,在RNA中只用A，C，G，U，而在DNA中只用A，C，G，T四种。核苷酸可视为核糖中1-位碳的OH与碱基中氨基的H脱水缩合成腺苷，又同时在5-位碳的OH 与磷酸酯化而成。见以下图。,聚核苷酸或核酸：核苷酸中3-位碳上的OH基继续与另一核苷酸的5-位磷酸缩合便形成二聚核苷酸，留下来反响的5-位磷酸及3-位OH基可继续与其它核苷酸缩合，使磷酸酯-糖链增长。,核酸链中碱基的顺序，规定了其特性。例如DNA中碱基顺序便是合成特征蛋白质的遗传密码的特征信息。,核酸那么以碱基及其顺序来描述。图2-8是一条DNA链的片断。其中左侧链从5-位端开场读到3-位端，该片断的这一支便可按碱基及其顺序来描述，记以5 A-C-G-T3 DNA。,碱基配对限定,：实验发现DNA的侧链碱基中，腺嘌呤A的数目总等于胸腺嘧啶T的数目，鸟嘌呤G的数目总等于胞嘧啶C的数目，并且A和G的总数总等于C与T的总数。,图2-8一条DNA链片断,根据这些配对现象的规律与X-衍射资料，Watson J和Crick F为说明基因信息存储的机理首先假设了DNA是两条链盘绕成较松的双股螺旋构造双螺旋模型，并因此荣获1962年Nobel奖。这双螺旋的DNA是由走向相反的两条互补而又不一样的链，而一条链上的任一碱基，按照配对规那么A必然与T配套，G必然与C配对，通过氢键与另一条链上相应的碱基配对，正是这个特性可解释DNA的复制。在细胞分裂时，DNA两条链随之拆开，这两条互补的链作为制造两条新子链的模板，按照碱基配对的限定使得所形成的两条新的子链与其母链完全一致，即新的一对双螺旋是原来母体DNA的复制，见图2-9。显而易见，DNA复制是半保存复制，子代DNA分子中的一条支链来亲代，另一支链是新合成的。,图 2-9 一条DNA母链复制成两条子链,总之，细胞核中的DNA含有人体基因的一切信息，在每个个体的DNA中正是含这四种碱基以不同序列遗传密码系统，控制着特定个体的特征，如肤色，头发，眼，鼻子形状，没有两个人的DNA是一样的，因为它们的遗传密码系统不同。DNA的这个密码系统用以指导信使RNAmRNA转录其密码信息，并借助于转运RNAtRNA来运送密码子所规定的氨基酸，在酶的作用下合成出多肽链直至特定的蛋白质分子。DNA的碱基的排列是遗传基因的物质根底。正是这个信息规定了每一个有机体中的遗传性和一切生物化学过程。,2.6 蛋白质的生物合成,图 2-10 合成的信使RNA是携带着DNA的编码信息,3 T-A-C-A-A-G-C-A-G-T-T-G-G-T-C-G-T-G 5 DNA,5 A-U-G-U-U-C-G-U-C-A-A-C-C-A-G-C-A-C 3 RNA,表2-3基因密码,图2-11 酵母丙氨酸t-RNA的碱基排列顺序,图2-12 以m-RNA为模板合成多肽,2.7 维生素和矿物质,2.7.1 维生素,维生素：每日仅需要以mg或g计的少量的一些低分子有机物质为维持机体安康所必需者。不能为机体自身制造或合成量缺乏，必须由食物来供给。它们在机体调节物质代谢过程有着十分重要作用。,脂溶性维生素,：有VA、VD、VE、VK，常与脂类共存，经肠随脂类同时吸收，在肝内储存；,水溶性维生素：有VB、VC、VPP即VB5等，通常不能在体内多储存。进入体内多余的量随其代谢产物自尿中排出。,VA：VA属不饱和一元醇类，是称为视黄醇的异构体混合物，其典型的分子构造式为：,视黄醇(全反式),(醛),它的化学性质活泼，易被空气氧化而失去生理作用，受紫外线照射亦可使之破坏，故应避光贮存。,VA在体内经氧化转化为视黄醛与视蛋白相结合成为人视网膜的杆细胞内含有感光物质视紫红质。缺乏视紫红质时，对弱光刺激的敏感性变差，即暗适应能力降低，而导致夜盲症。可见在视觉过程中所采用的物质是由VA制造的。此外VA也是维持一切上皮组织健全和促进正常生长发育所必需的物质。不过VA是少数的大剂量使用时有毒的维生素之一。,VA主要直接来自动物的肝脏、乳制品、蛋黄，也可以间接来自于胡萝卜、绿叶蔬菜、玉米中的类胡萝卜素。其中最重要的是-胡萝卜素，其构造式为：,可被小肠粘膜中的,-胡萝卜素-15，15-加氧酶对称地将,-胡萝卜分子从中间劈断，生成两分子的视黄醇。,因此，,-胡萝卜素是VA原。,VD：VD是与类固醇衍生物有关，称为钙化醇的化合物。它能阻止佝偻病钙代谢不良导致骨骼软化软骨病。人体内可由胆固醇转变成7-脱氢胆固醇，并贮存于皮下，在日光或紫外线照射下，便可转变为VD之一 VD3，胆钙化醇。,胆固醇,脱氢,7-脱氢胆固醇,日光或紫外光,胆钙固醇,因此多晒太阳是预防VD缺乏的主要方法之一。VD,3,以鱼肝油含量最丰富。VD经肝、肾转变成二羟胆钙化醇进入小肠，帮助它吸收钙磷质，提高血钙与血磷含量，而有利于骨的钙化。VD的过量服用也可引起中毒。在服用时常要配以钙质。,VE：VE又称生育酚。它们是苯骈二氢吡喃的衍生物，是黄色油状物。分子构造为：,VE对氧十分敏感，因此它先被氧化而保护了其他物质，如保护细胞膜的不饱和脂肪酸不被破坏，防止红细胞破裂而造成的溶血。VE也与动物的生殖功能有关，动物缺乏VE时会引起不育等，临床上VE用来治疗先兆流产和习惯性流产。VE多存在于植物组织，麦胚油是富VE物质。,VK,：VK是具有促进凝血功能，而被称为凝血维生素。它们是2-甲基-1，4-萘醌的衍生物：,缺乏VK时血中几种凝血因子减少，加长凝血时间，常发生皮下，肌肉及胃肠道出血。VK主要生理功能是促进肝脏合成凝血酶原及调节多种凝血因子的合成。,VB1：VB1常称抗脚气病维生素。VB1分子中含有带氨基的嘧啶环和含硫的噻唑环，故称硫胺素。其分子构造为：,VB1主要存在于种子外皮及胚芽中，是人类日常所需的主要来源。假设谷类加工过细或烹调不当，使VB1大量丧失或破坏，缺乏VB1时，糖代谢受阻，不能供给神经组织正常活动所需能量，便会出现脚气病。VB1在临床上作为重要辅助治疗剂被广为利用。,VB2：VB2常称为核黄素，其化学构造式为：,VB2的1-位及5-位N原子可被氢复原，也可氧化释氢，正是这个可逆的氧化复原特性，在组织中参与构成各种黄酶的辅酶从而影响物质代谢过程。人缺乏VB2时常出现口角炎，口腔粘膜溃疡等。,VB6：VB6指吡多醇、吡多醛和吡多胺三种化合物，其构造式分别如下：,它们在体内经磷酸化合构成多种酶的辅酶，影响蛋白质代谢。,VB12：VB12指多种形式的钴胺素，它们都具有钴啉的平面大分子，其中心为金属钴离子，因取代基的不同有甲钴胺素、羟钴胺素、氰钴胺素，5-脱氧腺苷钴胺素等。VB12作为辅酶参与体内碳单位甲基转移的代谢，也可影响核酸与蛋白质的生物合成，而促进红细胞的发育和成熟。当缺乏VB12时，将出现恶性贫血。,VB复合物：VB复合物除有VB1、VB2、VB6、VB12外，还包括VPP它包括尼克酸，即烟酸： 与尼克酰胺即烟酰胺： ，泛酸(VB3)，生物素(VB7)，叶酸(VB11)等。它们在体内通过构成辅酶或互相配合而发挥其对物质代谢的影响。,VC: VC是具有相邻的烯醇式的二个羟基极易解离释出H+而呈酸性，又因具有治坏血病的功能而称为抗坏血酸。VC易于释氢被氧化为脱氢抗坏血酸，是很强复原剂：,假设继续氧化最终可产生草酸、CO2，但在适当条件下，仍可承受氢而又变回VC。人自身不能合成VC，因此需从食物中摄取。VC参与体内各种氧化复原反响。在代谢物羟基化中起辅助因子作用。缺乏VC使胶原蛋白等细胞间质的合成发生障碍，而导致伤口、溃疡不易愈合；牙齿、骨骼易脱落或折断；毛细血管通透性大，而皮下、粘膜肌肉出血。在患病与医治恢复，尤其是实行手术后，需要较大量的VC，可促使伤口愈合。大剂量VC往往可起解毒作用。表2-3列出维生素的重要性质、功能及其来源。,表2-3维生素的重要性质、功能及其来源,2.7.2 矿物质,大量元素：人体的组成元素中O、C、H、N四种占总重的96，而元素Ca、S、P、K、Cl、Na、Mg等那么占3.95，其总和占人体总重量的99.95。,微量或痕量元素：其他的许多元素如Fe、Si、F、Zn(在5025g/g);Cu、Br、Sn、I、Mn在41g/g);Mo、Se、As、Co、Ni、Cr、V(在0.20.03g/g)等仅占0.05%。,必需元素,：在生物体内凡具有一定生物功能或参与代谢过程，无它生物体不能生长或不能完成生命循环，还不能被其他元素所替代者。,机体内某元素有一浓度范围最正确营养浓度范围，在此范围内生命方能正常运行。,K、Na,维持细胞内外液的容量与渗透压,Ca,骨骼、牙齿和细胞壁形成时的必要构造成分，并且在传递神经脉冲、触发肌肉收缩、释放激素、血液的凝结以及心肌的正常收缩与舒张的调节中起者极为重要作用，是神经传导过程的信使。,Mg,在机体中的许多重要生化反响，Mg2+起着十分重要的作用,Fe、Zn、Cu,