1、普 通 生 物 学 第1篇 细胞,第二章 生命的化学基础,一、原子与分子二、组成细胞的大分子三、糖类四、脂质五、蛋白质六、核酸,2.1 原子与分子,2.1.1 生命需要约25种元素元素是由原子组成的，原子是物质的最小的单位 原子,质子,中子,电子,原子,（带正电）,（不带电）,（带负电）,（带正电）,（不带电）,核电荷数质子数,核外电子数,原子的构成,电子运动速度=光速,构成原子的粒子的电性和质量,（1）质子电量=电子电量，电性相反（2）质量：质子=中子，质子电子*1800(3)原子的质量主要集中在原子核上。,几种原子的构成,质子数=核外电子数,不是所有的原子都含有中子。,质子数不一定等于中子
2、数。,同位素：质子数与电子数相同，中子数 不同的原子。12C、13C、14C：原子序数（质子数）都是6，中子数为6、7、8其中12C、13C为稳定性同位素，14C为放射性同位素，原子核会自行衰变 同位素示踪：利用放射性同位素显示某 种原子在生物体内的来踪去迹，常用于生物学研究、医学和疾病诊断等方面,1.自然界元素：92种2.生命必需元素约25种生物体的主要元素(大量元素)C、H、O、N、P、S、K、Ca、Cl等，占99.35%，其中C、H、O、N 4种元素占96%。微量元素：含量少于0.01%,“反自然”现象自然界：C、H、O 总和 96%,生命体与普通物质的不同,微量元素Fe 氧的运送和酶的
3、活性有关，缺少时，引起缺铁性贫血。Cu 发生冠心病的主要原因，与酶的活性有关。Zn 在青少年的发育生长，癌症等的发病和防治起有作用。Mo（钼）与酶的活性、食道癌的发病率和防治有关。I 缺碘产生地方性甲状腺肿，幼儿发生呆小症。图Co（钴）与酶的活性有关。青春期少女0.015mg/每日。V（钒）软体动物富有钒；鱼体含量较低。,Ni（镍）植物中1555ppm,人为0.1ppm；急性白血病.25g/ml,F（氟）与牙齿健康有关，缺氟产生龋齿；过多则斑齿和氟中毒。,Se（硒）缺硒产生克山病，与肝功能、冠心病发病和防治有关.,氟斑牙 牙釉质形成期摄入高氟引起的 表现为牙釉质白垩、着色或缺损改变 一旦形成，
4、残留终生,氟骨症,碘缺乏症,甲状腺肿 呆小症,2005年广东韶关镉污染,痛痛病：发生在日本富山县神通川流域，是由于含镉废水污染农田而引起的公害病。患者全身疼痛，终日喊疼不止，故名痛痛病。病因与发现经过：居民长期食用“镉米”、“镉鱼”饮“镉水”而发病。,2.1.2 化合物由元素组成,化学键离子键：原子间的电子得失或共用。共价键：生物大分子化学键的主要形式,原子的各种基本粒子中，决定其化学性质的是电子，距离原子核越远，电子所带的能量越多。最外层的电子数决定着原子的化学性质。如：氢只有一个电子，故反应性特别强,离子键：两个电荷符号相反的离子彼此吸引而形成。如盐晶体，电中性共价键：两个原子间共用一对或
5、多对 电子而形成。生物大分子化学键的主要形式。,2.1.3 水是细胞中不可缺少的物质,地球上生命起源于水中，陆生生物体内细胞也生活在水环境中,水的性质影响生命活动，如：溶解性质，酸碱度，pH,水占约生物体的 70 的重量,水对生物体非常重要,水的特性,第一，水是极性分子电负性：一个原子拉住共用电子的力量非极性共价键：电负性完全相同的原子 所形成的共价键，如O2、H2、CH4极性共价键：电子的“共用”不是各占一半,氧的电负性最强,第二，水分子间形成氢键略带负电荷的一端（O）与略带正电荷的一端（H)相互吸引，形成一个较弱的键氢键,14,水的特性,第三，液体水的水分子具内聚力，如水的蒸腾、昆虫在水上
6、爬行第四，水分子之间的氢键使水能缓和温度的变化，如沿海较温和、水不易蒸发、出汗散热第五，冰比水轻，固态密度小于液态，水特性 利于水生生物生存第六，水是极好的溶剂，许多极性分子易溶于水,水的特性,第七，水能电离，成氢离子H+和羟离子OH-pH=0最强的酸度 pH=7中性（如纯水）pH=14最弱的酸度(或最强的碱度)如活细胞pH接近于7 常用的洗涤剂pH在12以上缓冲剂 全球性的酸雨、酸雾：矿物燃料的燃烧硫酸、硝酸，会酸化土地、海洋,水的特性,酸度：,2.1.4 化学反应是原子重组,化学反应并不能创造或破坏原子，只能将原子重新组合，所以化学反应是破坏已有的化学键，形成新的化学键。例如：氢分子和氧分
7、子化合成水 2H-H+O=O O+O H H H H 胡萝卜素转化为维生素AC40H56-胡萝卜素+O2+4H 2C20H30O维生素A C=C C-H C-O-H,2.2 组成细胞的大分子,碳最外层有4个电子空位，极易形成4个共价键 碳架结构排列和长短决定了有机化合物的基本性质。,2.2.1 碳是组成细胞各种大分子的基础,有机化合物：除CO、CO2和碳酸盐等简单化合物外的含碳化合物的统称。,烃或碳氢化合物：主要包含烷烃、环烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃。烃类均不溶于水。衍生物众多。异构体：苯环：甲烷：天然气乙烷、丙烷：液化石油气环己烷：汽油,有机化合物的性质取决于功能基团，这些功能基团几乎都是极性
8、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。,决定分子主要化学性质的特殊原子或基团-官能团,2.2.2 细胞利用少数种类小分子合成多种大分子,小分子 大分子 复合大分子 单糖 多糖 糖蛋白 氨基酸 蛋白质 糖脂 核苷酸 核酸 脂蛋白 脂类,（由小分子到大分子）,单体 多聚体,单体是通用的,脱水合成,合成大分子（脱水聚合）,大分子分解（水 解）,水解反应是脱水聚合反应的逆反应,2.3 糖类,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(CH2O)n,学术定义,糖是多羟基醛、多羟基酮或其衍生物（aldehyde or ke
9、tone compounds with multiple hydroxyl groups），以及可以水解产生这些化合物的物质的总称。,2.3 糖类,葡萄糖,果糖（比葡萄糖甜）,异构体,单糖特点：1.有羟基，醇类2.有羰基,糖的分类,广义的糖可分为简单糖类和糖复合物（glycoconjugates）。前者包括单糖、寡糖和多糖；后者包括糖与蛋白质、脂类等共价形成的复合物。,糖类,单糖 多羟基酮或醛的化合物。寡糖 由两个或以上糖残基两两之间通过脱水而成的。多糖 数百至数千个单糖通过脱水而形成的聚合物。,单糖分类,己糖,丙糖,戊糖,丁糖,1.单糖,甲乙丙丁戊己庚辛壬癸,重要的单糖,甘油醛 核糖 脱氧核
10、糖,戊糖（组成核酸的成分）,葡萄糖 果糖 半乳糖,己糖,单糖可以通过O-糖苷键相互连接形成寡糖和多糖。,（1）双糖：如麦芽糖、蔗糖、纤维二糖、乳糖等。（2）其他寡糖：三糖、四糖等。如棉子糖。,2.寡糖,有少数几个单糖缩合而成的糖。,麦芽糖的结构,淀粉植物细胞中的储藏营养物，分为直链和支链淀粉。糖原动物细胞中储藏的多糖，又称动物淀粉。纤维素 植物细胞壁的主要成分。几丁质、果胶等。,3.多糖,自然界中最多的糖类。有单糖分子（通常为葡萄糖分子）缩合脱水而成的分支或不分支的长链分子。,淀粉的高级结构,糖类,天然淀粉由直链淀粉与支链组成。支链淀粉是-D-葡萄糖基以-1,4-糖苷键连接的多糖链。支链淀粉中
11、除了-1,4-糖苷键的糖链外，还有-1,6-糖苷键连接的分支。淀粉与碘有呈色反应，直链淀粉为蓝色，支链淀粉为紫红色。在烯酸或酶的作用下，淀粉水解:淀粉糊精麦芽糖-D-葡萄糖。糊精是淀粉水解的最初产物，随着水解，糖分子逐渐变小，它与碘作用分别呈红色、黄色、无色。这个反应可用于淀粉水解过程的检验。,纤维素是结构性的同多糖，主要存在植物组织中。纤维素类似直链淀粉，由D-Glc残基连接而成，但残基之间由(14)键连接。纤维素多糖链的伸展构象,纤维素(Cellulose),糖类,糖的生物功能,生物体结构成分生物体内的主要能源物质作为细胞识别的信号分子参与分子和细胞识别、细胞粘附、糖复合物的定位和代谢等在
12、生物体内转化为其他物质作为核酸的组分,糖类,糖复合物(Glycoconjugate),糖类,糖蛋白（Glycoprotein）蛋白聚糖（Proteoglycan）肽聚糖（Peptidoglycan）糖脂（Glycolipid）脂多糖（Lipopolysaccharides）,糖蛋白：寡糖链通过特定的共价键（糖肽键）连接到蛋白质特定的氨基酸残基上形成的复合糖（或缀合蛋白质）。糖蛋白以蛋白质为主，糖作为蛋白质的辅基存在。蛋白聚糖：由一条或多条糖胺聚糖和一个核心蛋白共价连接而成的糖复合物，蛋白聚糖以多糖为主，蛋白所占比例较少。,脂质的定义脂质（lipid）是一类低溶于水，高溶于非极性有机溶剂（ins
13、oluble in water and soluble in organic solvents）的生物有机分子。对于大多数脂质分子，其化学本质是脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍生物。,2.4 脂质,非极性共价键,不是大分子，也不是聚合物,2.4.1 脂肪（最常见的脂质）是脂质中主要的贮能分子,丙三醇,甘油三酯,甘油三酯分子结构,A、油脂甘油三酯脂肪是由甘油醇和脂肪酸结合成的酯。,脂肪酸（fatty acids）：由一条长的烃链（hydrocarbon chain）和一个末端羧基（carboxylate group）组成的羧酸。,脂质,饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的区别（分子式、空间构象、物理性质、化学
14、性质）,不饱和脂肪酸：有双键饱和脂肪酸：没有双键,含双键的脂肪在常温下是液态,动物脂肪和植物脂肪的差别：动：不饱和脂肪酸很少植：不饱和脂肪酸很多膳食中的脂肪：饱和的太多会动脉粥状硬化,脂肪中有多个碳氢链。所以是含能量较多的分子，1g脂肪中贮存的能量约为1g淀粉的2倍。,脂肪摄入过多与健康,肥胖,2.磷脂、蜡和类固醇都是脂质,磷脂分子结构,又称磷酸甘油酯,磷脂分子可以看成是一个极性头，两条非极性尾巴。,蜡也是酯，是由一些长链的醇与长链脂肪酸形成的酯。它的疏水性更强，可以保护生物体的表面。例如，植物和动物表面,（1）类固醇的内核由 4 个环组成，3个六元环、1个五元环。（2）一些人体重要维生素和激
15、素是固醇（3）最常见的类固醇胆固醇是细胞膜的重要成分（4）促蛋白合成类固醇：类似雄性激素药物，运动员禁用,脂质的分类按照化学组成可分为:1.单纯脂质:主要有甘油三酯和蜡（triacylglycerols and waxes）；2.复合脂质:主要有磷脂和糖脂（phospholipids and glycolipids）；3.衍生脂质:主要有取代烃,固醇类（sterols）,萜和其他脂质。,脂质,是生物膜的重要成分是储能的分子构成生物表面的保护层是很好的绝缘体有些脂质是重要的生物学活性物质,脂质在细胞中具有独特的生物学功能：,磷脂、糖脂、胆固醇,脂肪,蜡,类固醇,脂肪,2.5 蛋白质,Protei
16、ns,1.蛋白质是生物体内的结构高分子,蛋白质占干重 人体中（中年人）人体 45%水55%细菌 50%80%蛋白质19%真菌 14%52%脂肪19%酵母菌 14%50%糖类1%白地菌50%无机盐7%,2.5.1 蛋白质为生命活动所必需,结构蛋白 组成细胞结构的基础；收缩蛋白 肌肉运动；贮藏蛋白：卵清蛋白 胚胎发育；贮藏蛋白 种子萌发；防御蛋白：血清中抗体；转运蛋白：血红蛋白；信号蛋白：细胞间传递信号 激素 调节机体活动；酶：生物催化剂。,2.蛋白质是一种生物体内的功能高分子,蛋白质是一类含氮有机化合物，除含有碳、氢、氧外，还有氮和少量的硫。某些蛋白质还含有其他一些元素，主要是磷、铁、碘、锌和铜
17、等。这些元素在蛋白质中的组成百分比约为：碳 5055 氮 1517%铁,锌,锰,钼,碘,铜等 氢 68 硫 04 氧 2023 磷 01%其中氮含量较恒定，平均16%。一克氮=6.25克蛋白质。这是凯氏定氮法的依据。,3、元素组成,4、蛋白质的水解,酸水解：蛋白质 氨基酸 碱水解：蛋白质 氨基酸 酶水解：蛋白质 氨基酸证明：氨基酸是蛋白质的基本组成单位,2.5.2.1.基本组成单位氨基酸,2.5.2 蛋白质仅由20种氨基酸组成,（1）碳原子（2）具有 氨基 和羧基是各种氨基酸 的共性（3）各种氨基酸的区别在 侧链基团R,亲水、疏水,天然蛋白质中的 氨基酸结构可表达成下式,不带电形式,H2NCH
18、,COOH,R,+H3NCH,COO-,R,兼性离子形式,20种标准氨基酸的英文简写,氨基酸的分类,对于20种标准的氨基酸，按照侧链化学性质的不同，可以分为以下三组：疏水性的氨基酸Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Pro和Met带电氨基酸Arg、Lys（+）和Asp、Glu（-）极性氨基酸Ser、Thr、Cys、Asn、Gln、His、Tyr、Trp,一个氨基酸的氨基（-amino group）与另一个氨基酸的羧基（-carboxyl group）之间失水形成的酰胺键（amide bond）称为肽键，所形成的化合物称为肽。,例如由丙氨酸的-羧基和甘氨酸的-氨基缩合形成的二肽称丙氨酰甘氨酸
19、,组成肽的氨基酸单体称为氨基酸残基（residue）。,肽键是一种酰胺键，通常用羰基碳和酰胺氮之间的单键表示。酰胺氮和羰基氧之间发生共振相互作用，使肽键具有部分双键性质。,肽的物理和化学性质,双缩脲反应：含有两个或两个以上肽键的化合物都能与CuSO4碱性溶液发生双缩脲反应而生成紫红色或蓝紫色的复合物。利用这个反应借助分光光度计可以测定蛋白质的含量。,不同数目的氨基酸以肽键顺序相连，这样形成的长短不一的链状分子即是肽或多肽。多肽链的一端有一个-NH2，带这个基团的氨基酸称为肽链的氨基末端氨基酸或称N末氨基酸；另一端有一个-COOH，肽链的羧基末端氨基酸或称C末端氨基酸。,1、一级结构 2、二级结
20、构 3、三级结构 4、四级结构,2.5.3 蛋白质的结构决定其功能,蛋白质一级结构,肽键肽链氨基酸排列顺序等,一.一级结构,肽单元,氨基酸残基,肽平面,2.5.3.1 蛋白质的结构,二级结构,肽链的主链在空间的走向-螺旋-折叠,-螺旋,指甲、毛发蹄、角、羊毛,（4条-螺旋）原纤维,微原纤维（11条-螺旋）,巨原纤维,纺锤体型皮质细胞,角质膜,皮质,髓质,头发,头发结构,多肽主链骨架围绕一个轴螺旋上升。,-折叠,平行-折叠,反平行-折叠,折叠:较螺旋伸展的构象，两条或多条肽链间互相以氢键连接起来的成片层状结构，平行或反平行两种类型。,蚕丝、蛛丝,三级结构,亲水基位于球体表面,疏水基位于球体内部球
21、状蛋白溶于水,三级结构（tertiary structure）在二级结构基础上的肽链再折叠形成的构象。,球蛋白：螺旋+不规则的不成螺旋的部分，并折叠成球形。酶、蛋白质激素、抗体以及细胞质和细胞膜中的蛋白质。,三级结构,纤维状蛋白,（四）.四级结构,两条或两条以上具有三级结构的多肽链组合在一起形成特定构象的蛋白质分子。四级结构中具有三级结构的多肽链称为亚基。亚基单独存在没有活性。,四级结构（quanternary structure）组成蛋白质的多条肽链在天然构象空间上的排列方式，多以弱键互相连接。疏水力、氢键、盐键每条肽链本身具有一定的三级结构，就是蛋白质分子的亚基。,a盐键（离子键）b氢键
22、c疏水相互作用力 d 范德华力 e二硫键 f 酯键,二.蛋白质分子结构中的化学键,维系蛋白质分子的一级结构：肽键维系蛋白质分子的二级结构：氢键维系蛋白质分子的三级结构：疏水键、氢键、离子键维系蛋白质分子的四级结构：范德华力、盐键、氢键、疏水键相互作用,蛋白质的各级结构,氨基酸,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,血红蛋白,蛋白质结构与功能的关系,一级结构与功能的关系序列分析空间结构与功能的关系结构分析,一级结构即氨基酸顺序,高级结构,生物学功能,正常红细胞 镰刀型红细胞,镰刀型红细胞,正常红细胞,发生的根本原因是血红蛋白的一级结构发生了差错，人血红蛋白亚基的第6位氨基酸应该是谷氨酸，而在镰
23、刀型贫血的血红蛋白中却是缬氨酸，本是水溶性的血红蛋白，就会聚集成丝，相互粘着，导致红细胞变形成镰刀状而极易破裂，产生贫血。,空间结构与功能的关系,DNA聚合酶活性位点,聚合酶,DNA,蛋白变性的特点：蛋白质变性后，生物活性丧失，溶解度下降，粘度增加。,空间结构与功能的关系,2.6 核酸 Nucleic Acids,核酸的功能（一）DNA是主要的遗传物质（携带与传递遗传信息）,1、凡是有细胞结构的生物，肯定是既含有DNA又含有RNA，但遗传物质是DNA.,2、DNA病毒，只有DNA，所以其遗传物质是DNA,3、RNA病毒，只有RNA，所以其遗传物质是RNA.,所以，在整个生物界DNA是主要的遗传
24、物质。,（二）RNA功能的多样性（参与遗传信息的表达、调节遗传信息的表达、催化功能。）tRNArRNAmRNA其他的RNA,2.6.1 核酸由核苷酸组成,脱氧核糖核酸（DNA）,核糖核酸（RNA）,核酸（nucleic acid）,核糖核苷酸（ribonucleotide）,脱氧核糖核酸（DNA）,脱氧核糖核苷酸（deoxyribonucleotide）,核酸的结构,核糖核酸（RNA）,核 酸（nucleic acid）,核苷酸（nucleotide）,磷酸（phosphoric acid）,核苷（nucleoside）,戊糖（pentose）,碱基（base）,2.6.2.1 核酸的结构,或
25、核糖,两类核苷酸的基本化学组成,核酸的结构,核酸的结构,核糖与碱基之间通过N-(-)糖苷键相连，形成核苷；核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，形成核苷酸，核苷与磷酸之间主要通过5-磷酸二酯键相连。,嘧啶核苷,嘌呤核苷,戊糖分子上第一位碳原子与嘌呤或嘧啶结合，就形成核苷（脱氧核苷）；核苷（脱氧核苷）与一个磷酸分子结合，就形成一个核苷酸（脱氧核苷酸）。,(1)碱基糖之间是糖苷键(2)糖磷酸之间是磷酸酯键,构成DNA的核苷酸：5脱氧核苷酸,核酸的结构,构成RNA的核苷酸：5核苷酸,核酸的结构,DNA与RNA均以3,5-磷酸二酯键连接核苷酸。,核酸的结构,1953年，美国生物学家沃森和英国物理学家克里克，共同
26、提出了DNA分子的双螺旋结构模型。,DNA的二级结构,2.6.2 DNA双螺旋,沃森（左）和克里克（右）在构建DNA模型,在生命的“旋梯”上,奥地利著名生物化学家查哥夫研究得出：腺嘌呤（A）的量总是等于胸腺嘧啶（T）的量(A=T)，鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶（C）的量(G=C)。,1951年，英国科学家威尔金斯和富兰克林提供了DNA的X射线衍射图谱。,Watson-Crick双螺旋结构模型,两条反向平行（一条53，另一条35）的多核苷酸链绕同一中心轴相互缠绕，形成右手双股螺旋。,碱基位于双螺旋的内侧，磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，构成DNA分子的骨架；外部亲水，内部疏水。,磷酸,脱氧核糖,含
27、氮碱基,A,A,A,T,T,T,G,G,G,G,C,C,C,A,T,C,碱基平面接近与纵轴垂直，糖环的平面接近与纵轴平行。,双螺旋是一种有规律的结构,大沟与小沟。,两条链依靠碱基之间形成的氢键结合在一起。,碱基配对原则：AT GC,DNA分子的平面结构,氢键,稳定双螺旋结构的因素碱基堆积力（base-stacking interactions）疏水作用范德华力碱基配对的氢键。GC含量越多，双螺旋越稳定。,碱基在一条链上的排列顺序不受任何影响；但是根据碱基配对原则，当一条链的序列被确定后，即可决定另一条互补链的序列。,DNA的三级结构DNA在双螺旋的基础上通过扭曲和折叠形成的构象包括不同二级结构
28、单元间的相互作用、单链与二级结构单元间的相互作用以及DNA的拓扑特征超螺旋（supercoil）是DNA三级结构的主要形式,核酸的结构,核酸的结构,超螺旋的功能超螺旋有助于DNA在细胞内的包装；负超螺旋易于解链，有利于DNA的复制、重组和转录等过程的进行；生物体内可通过调节DNA的拓扑结构来调节其功能。,DNA与蛋白质复合物的结构（四级结构）,核酸的结构,病毒：类型多样（环状双链、线型双链、线型单链、环状单链）原核：环状双链分子，集中于核区，包括染色体DNA与质粒DNA真核：细胞核DNA线型双链分子，与组蛋白等形成染色体 细胞器DNA环状双链分子，一般裸露,染色体DNA组装不同层次的结构,核酸的结构,核酸的结构,四、RNA的结构,RNA通常是单链线型分子 RNA可自身回折形成局部双螺旋（二级结构），并进一步折叠形成三级结构 RNA可与蛋白质形成核蛋白复合体（四级结构，例如核糖体）,tRNA的高级结构 三叶草形二级结构：茎环倒L形三级结构,核酸的结构,核酸的结构,维系tRNA三级结构的因素：氢键、碱基堆积力 tRNA分子功能：转运氨基酸 tRNA分子具有与其功能相适应的柔韧性。,谢谢！,
