生物无机化学基础知识PPT演示课件

生物化学基本知识,第一节 生命元素第二节 生命配体(氨基酸,蛋白质,核酸)第三节 酶第四节 常见的几种辅酶,.,第一节 生命必需元素及其动态平衡,生命是一个复杂的过程,但必需满足以下6个条件:1.能够从它周围环境的原材料中生产它自己所需的组成成分;2.能够从它周围的环境中吸取能量并将其转化为不同形式的功,从而使自身保持生存;3.催化能够维持其生命活动的各种化学反应;4.为生物合成及其他生物过程提供准确的信息以保证其准确的再生;5.使其自身保持相对的隔离状态,从而保证与外部环境的交换在严格的条件控制下进行;6.调控其自身活动,以便在环境变化的情况下保持其动态结构。,.,定义：它们的缺乏会导致生物组织严重的，不可逆的 损伤。严格讲,必需元素应该满足以下几个条件：首先，这些元素在不同组织中均有一定浓度；其次，除去这些元素会造成这些组织在生理或结构上的不正常；再次，这些元素的存在能够使生物生理或结构的不正常现象消失或预防不正常现象的产生；最后,这些元素有专门的生物功能。 目前为止,有24（or26?）种元素被列为哺乳动物的必需元素，其中14种为金属元素。,必需元素or生命元素essential elements,.,占人体总重量低于0.01的元素,人体中的元素,常量元素,微量元素,C、H、O、N、P、S、Cl、Na、Mg、K和Ca等11种，约占体重的99.25。,As、B、Ti、Al、Ba、Nb 、 Rb、和Zr等8种。,Bi、Sb、Be、Cd、Hg和Sb等6种。,必需微量元素,非必需微量元素,有毒微量元素,占人体总重量高于0.01的元素,铁、锌、铜、铬、锰、硒、镍、钴、氟、碘、钼、钒、锡、硅、溴等15种。,.,生命元素,.,Concentrations (mM)of some ions in seawater and blood plasma,There is even a striking parallelism between the concentrations of the dominant ions in seawater and, for example, in blood plasma, which suggests that our ancestry is rooted in the sea.,.,Biological function of selected metal ions,.,The importance of organic compounds in the functioning of the human body is well known. Some idea of the vital role played by elements other than carbon for specific functions is shown in the table.,The impact of inorganic species in the body,.,Non-essential but valuable elements,A few elements have become of marked clinical value.,Clinical value of some elements,.,最适营养浓度定律,浓度，明显地影响着它对生物体是“必需”、“有益”还是“有害”。法国科学家G. Bertrand 在研究锰对植物生长的影响后，提出了一个最适营养定律：植物缺少某种必需元素时不能成活，当该元素适量时就能茁壮成长，但过量时又转为有害。,.,Obviously, serious ailments and diseases can be caused in humans by an incorrect balance of elements. It should be emphasized that there is always a fine balance between a deficiency and an excess intake (both of which could lead to death) and a short range of daily intake which is essential and optimal.,.,Ailments and diseases caused by a deficiency (d) or excess (e) of essential elements,.,微量元素引起的地方病,.,表2.微量元素引起的地方病(续),.,微量元素引起的地方病,地方性甲状腺肿,碘缺乏,地方性克汀病,呆小聋哑瘫,.,侏儒、先天畸形,厌食、生长障碍，骨畸形,锌缺乏,六旬母亲肩背侏儒儿子30载，用坏20个背篼,.,硒缺乏,克山病,心律不齐，心脏扩大，心率衰竭，休克,大骨节病,肌肉萎缩、发育障碍、行动蹒跚,地方性硒中毒,硒过量,脱发脱甲，皮肤潮红、神经、牙齿损害,.,微量元素引起的地方病(续),黑皮病,慢性砷中毒,皮肤色素过渡沉着、神经性皮炎，致癌。,水俣病,慢性甲基汞中毒,感觉障碍、共济失调，语言、智力障癌。,.,元素的中毒,骨痛病,易骨折、骨质疏松、软化变形，疼痛,铝过量引起的脑痴呆,.,电镀时吸入铬酸雾，产生的六价铬化物，可损害人体皮肤及呼吸道，形成很深的溃疡性铬疮。铬疮出现后，铬毒素进入人体血液沉淀。,女工陈麒穗,在重庆市巴南区渝南鑫光灯具有限公司电镀车间打工四个月，体内铬含量竟然超标一万倍!,.,鬼剃头,铊中毒,脱发、头晕、乏力、食欲不振，视物模糊。,清华女生“铊”中毒后无望挣扎十多年,.,Toxic elements,.,.,.,第二节 生命配体,蛋白质：蛋白质是生命体系中最重要的一类生物大分子，是生命活动的主要承载者以及生命现象的主要物质基础。核酸：核酸是生物遗传的物质基础，与生物的生长，发育等呈长生命活动以及癌变等异常生命活动相关。酶:具有生物催化功能的生物大分子,大多数由蛋白质组成（少数为RNA）。,.,蛋白质（protein）,蛋白质是生命体系中最重要的一类生物大分子，是生命活动的主要承载者以及生命现象的主要物质基础。据统计，大约1/3的蛋白质为金属蛋白。它们的生物功能可分为：具有催化功能的蛋白质-酶(enzyme)。生物体内的化学反应几乎都是在生物催化剂催化下完成的。酶是生物催化剂中最重要的一类。研究金属酶的结构，功能，催化机理及其模拟构成了生物无机化学的主题。具有运输功能的蛋白质；具有营养贮存功能的蛋白质；具有结构功能的蛋白质；具有防御功能的蛋白质；具有调控功能的蛋白质；如胰岛素(insulin)，锌指蛋白(zinc finger protein)等。,.,蛋白质可以被酸碱或蛋白酶催化水解完全水解得到各种氨基酸的混合物，部分水解通常得到多肽片段。最后得到各种氨基酸的混合物。所以，氨基酸是蛋白质的基本结构单元。大多数的蛋白质都是由20种氨基酸组成。这20种氨基酸被称为基本氨基酸。,蛋白质,L-氨基酸,.,.,.,UV 特征吸收： 260280 nm,.,构成蛋白质的20种氨基酸在可见光区都没有光吸收，但在远紫外区(220 nm)均有光吸收。在近紫外区(220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力。,.,.,.,pKa,.,氨基酸残基可能的配位方式,Cys-M Cys-M2 His-M(-nitrogen),His-M(-nitrogen),.,Asp-M Asp-M Asp-MMonodentate Bidentate, chelating Bidentate, bridging,Similar structures are formed by glutamic acid,.,Met-M Tyr-M,.,重要的不常见氨基酸,在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸，通常称为不常见蛋白质氨基酸,这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的。,.,非蛋白氨基酸,除了上述构成蛋白质的氨基酸以外，自然界还存在一些并不是蛋白质组分的氨基酸，这些氨基酸通常被称为非蛋白氨基酸，至今已经发现200多种以上，它们具有不同的功能。,高半胱氨酸：甲硫氨酸生物合成的中间产物,.,蛋白质的结构,.,将蛋白质结构层次进一步细分，可在二、三级结构之间增加超二级结构和结构域两个层次。,The Structures of Proteins,蛋白质结构,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,超二级结构,结构域,低,高,.,蛋白质的一级结构,蛋白质的一级结构(Primary structure)包括组成蛋白质的多肽链数目.多肽链的氨基酸顺序，以及多肽链内或链间二硫键的数目和位置。其中最重要的是多肽链的氨基酸顺序，它是蛋白质生物功能的基础。,牛胰核糖核酸酶的一级结构,.,蛋白质的二级结构,肽链的主链在空间的排列。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。,.,蛋白质中的几种超二级结构, motif, motif, hairpin,相邻的二级结构单元经常按照一定规律、规则地组合在一起，彼此相互作用，形成在空间构象上特征的二级结构组合单位。,.,结构域（structural domain）,对于一些相当大的蛋白质分子，一条长的多肽链，有时要先分别折叠成几个相对独立的区域，再组装成球状或颗粒状的复杂构象（三级结构）。这种在二级结构或超二级结构基础上形成的特定区域称为结构域（structural domain）。每个结构域自身都是紧密装配的，但结构域之间的联系是比较松散的，因此在两个结构域间常常形成空穴。不同的蛋白质，其结构域的数目各不相同。蛋白质分子分成几个结构域的现象，通常与蛋白质的功能有关。,.,疏水 相互作用,静电相互作用,金属离子配位作用,折叠结构链间氫健,螺旋结构链内氫健,二硫健,侧链之间氫健,稳定蛋白质三级结构的主要作用力,.,蛋白质的四级结构(Quaternary Structure)是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。,四级结构,.,proteins,.,核酸（Nucleic acid）,核酸分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸（RNA)两种。DNA是染色体的主要成份。DNA是所有生物的遗传物质基础，生物体的遗传信息都贮存在DNA中。RNA主要存在于细胞质中。有三种RNA，即信使核糖核酸(mRNA)核糖体核糖核酸(rRNA)和转运核糖核酸(tRNA)。有一类被称为核糖酶（ribozyme）的RNA分子具有酶学功能，有关核糖酶中金属离子的作用是目前生物无机化学领域的一个热点研究内容。,.,.,五种碱基,嘌呤(purine) 腺嘌呤(adenine, A) 鸟嘌呤(guanine, G),(1) 嘌呤碱,.,(2) 嘧啶碱,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U for RNA),胸腺嘧啶(thymine, T for DNA),.,(3) 核 苷,腺嘌呤脱氧核苷,.,(4) 胞嘧啶脱氧核苷,(5) 5-腺嘌呤核苷酸,.,三磷酸腺苷 ATP(Adenosine triphosphate): energy-rich, 30.51 KJ/mol, 8.36 KJ/mol,.,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material,Francis H. C. Crick,Maurice H. F. Wilkins,James D. Watson,., 两条链以相反方向绕同一轴形成右旋双螺旋,直径2nm, 转一周高度3.4nm, 含10个核苷酸, 大沟槽, 小沟槽。 内侧base基以H band相连,维持double helix。 A = T, G C base complementary base stacking force 碱基堆积力 内疏水， 外亲水， 静电作用。 double-stranded cyclic DNA 双链环型DNA Superhelix 超螺旋 Supercoil 超卷曲,DNA双螺旋结构要点,.,嘌呤和嘧啶(Hydrogen bond),.,DNA双螺旋结构模型示意图,.,Helical forms of DNA,1 turn 10b 11b 12b1 rise 3.4 2.3 3.8,.,Parameters of A-, B-, and Z-DNA,.,Structure of a G-quartet,Different strand orientations for 4-strand intermolecular quadruplexes,International Journal of Mass Spectrometry 253 (2006) 225237,G-四链体结构（G-quadruplex）由富含G的DNA链形成的特殊二级结构,.,DNA RNA,两类多核苷酸链的片断结构,.,RNA的结构,大肠杆菌16S rRNA,tRNA,.,第三节 酶,非蛋白质部分辅基 Prosthetic group,酶结合蛋白，需要有非蛋白质组分才表现出活性。,酶蛋白质无催化活性 apoenzyme,辅因子（cofactor）非蛋白部分： 辅酶（coenzyme） 辅基（Prosthetic）,全酶 酶蛋白辅因子,.,Enzyme nomenclature,Enzyme classification,酶的分类,酶,.,酶功能(诱导契合理论 induced fit theory),激活剂（activator）；抑制剂（inhibition）；酶原（proenzyme）,.,第四节 几种重要的辅酶或辅基,FMN and FAD,.,黄素单核苷酸（FMN）,.,黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）,.,Flavin coenzymes can exists in three different redox states, and each state has a different color；Flavin molecules can participate in both one- and two- electron transfer reactions；,.,NAD和NADP,NAD和NADP都是脱氢酶的辅酶，与酶蛋白结合很松弛。,.,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD), 辅酶I (Co I),NAD和NADP都是脱氢酶(dehydrogenase)的辅酶，与酶蛋白结合很松弛，主要功能也是传递氢和电子。,.,烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP), 辅酶II (Co II),.,辅酶A,辅酶A(Co A)是丙酮酸酶系的辅酶，主要功能是转移酰基，它所含的硫基可与酰基形成硫酯，在代谢过程中起传递作用。辅酶A的结构如下图所示。,.,辅酶Q,辅酶Q(Co Q)又称泛醌(ubiquinone)，如图所示。它存在线粒体中，动物的辅酶Q，n = 10。它可被还原为氢醌，传递氢和电子。,.,谢谢！,.,