大学化学第08章-生命化学基础

大学化学第08章-生命化学基础

现代大学化学ModernCollegeChemistry第8章生命化学基础Chapter8BasicLifeChemistry\n本章概要8.1氨基酸、蛋白质与酶8.1.1氨基酸；8.1.2肽键和多肽；8.1.3蛋白质；8.1.4酶8.2糖与脂8.2.1糖类；8.2.2脂类8.3核酸8.3.1核酸的分类；8.3.2核苷酸的组成；8.3.3DNA的组成与结构；8.3.4结论8.4染色体、基因与遗传8.4.1染色体的组成与结构；8.4.2基因与遗传信息复习：228～245；预习：247～264；习题：13.3,13.9,13.15,13.16。\n8.1氨基酸、蛋白质与酶8.1.1氨基酸(TheAminoAcids)8.1.1.1氨基酸的定义分子中同时含有氨基（-NH2）和羧基（-COOH）的有机化合物称为氨基酸。在生命体中，氨基和羧基连接在同一个碳原子上，称为-氨基酸，其结构通式为:人体内的蛋白质由20种氨基酸组成。由于所处位置的不同，20种氨基酸可以组成极大数量的不同蛋白质大分子。\n理论式酸性条件下碱性条件下等电点时8.1.1.2氨基酸的性质pH值的影响:在强酸性溶液中，氨基（H2N−）获得质子成为阳离子(H3N+−)；在强碱性溶液中，羧基（−COOH）失去质子成为阴离子(−COO-)；在某中性溶液中，通过分子内质子自转移生成中性内盐(H3N+−CH(R)−COO-)。\n在某pH值下,给定的某种氨基酸只生成中性内盐,此时的氨基酸在电场中既不向正极移动又不向负极移动。此时的pH值称为该氨基酸的等电点。由于不同氨基酸的等电点不同，可以用电泳法或离子交换树脂法将不同的氨基酸分离开来。8.1.2肽键和多肽（Peptides）由一分子氨基酸的羧基(-COOH)与另一分子氨基酸的氨基（H2N-）通过脱水缩合形成肽键（-CO-NH-）:由n个氨基酸缩合形成的化合物称为n肽；n≤10时称为寡肽；n>10时称为多肽；分子量>104时称为蛋白质。-OH\n形成肽键后，氨基酸已不是原来的氨基酸，称为氨基酸残基，则n肽有n个氨基酸残基；氨基酸通过多肽键可以形成一条很长的链状化合物，称为多肽链。8.1.3蛋白质（Protein）8.1.3.1定义由一条或多条多肽链组成的生物大分子称为蛋白质；每一条多肽链有二十~数百个氨基酸残基不等；各种氨基酸残基按一定的顺序排列。\n8.1.3.2蛋白质的结构一级结构：肽链上氨基酸的排布顺序为蛋白质的一级结构。二级结构：由于多肽链有规则的旋转或折叠所形成的几何走向称为蛋白质的二级结构。三级结构：螺旋形的肽链进一步折叠或卷曲形成球状或颗粒状的分子，称为蛋白质的三级结构。\n四级结构：两条或更多条肽链按一定的空间形状组合到一起所得到的结合物称为蛋白质的四级结构。8.1.3.3蛋白质的分类按形状分为球状蛋白和纤维状蛋白;按功能分为活性蛋白和非活性蛋白;按化学组成可分为简单蛋白和结合蛋白;等。\n-角蛋白：存在于动物的毛发、蹄爪、羽毛、甲壳和指甲中，富含胱氨酸。-角蛋白：存在于蜘蛛丝、蚕丝、爬行动物鳞片中，又称丝蛋白，富含甘氨酸、丝氨酸和丙氨酸。胶原蛋白：是脊椎动物中含量最丰富的蛋白质(1/4~1/3)，是皮肤、软骨、动脉管壁及结缔组织的成分。纤维状蛋白：纤维状蛋白外形呈细棒状或纤维状，分子对称性差，溶解性各不相同，大多数不溶于水。在动物体内对组织器官起着支持、保护等作用，在动物体内含量丰富。球状蛋白：是结构最复杂、功能最多样的一类蛋白质，形状近似于球形或椭球形，分子比较对称，溶解度较好，多数可溶于水或稀中性盐溶液中。如血红蛋白,肌红蛋白，球蛋白等。\n简单蛋白：仅由-氨基酸形成的肽链组成，不含其它化学成分。如清蛋白，球白蛋白，谷蛋白等。结合蛋白质：由简单蛋白和非蛋白（辅基）组成。按结合蛋白辅基不同，可分为：脂蛋白：脂蛋白是一类由脂与蛋白质结合而成的结合蛋白质。广泛分布于生物细胞和血液中。脂蛋白的作用是输运脂质与固醇类物质。金属蛋白：蛋白质+金属离子，如血红蛋白，激素，胰岛素，等。\n色蛋白：蛋白质+显色物质，如血红蛋白，植物中的叶绿蛋白和细胞色素等。核蛋白：蛋白质+核酸，存在于所有动植物细胞核和细胞浆内，如病毒、核蛋白、动植物细胞中的染色体蛋白，等。糖蛋白是一类由糖同蛋白质结合而成的结合蛋白质。一切动、植物的组织、体液中均含有糖蛋白。糖蛋白是细胞膜的结构物质，许多激素与酶均属于糖蛋白。如凝血酶、胰岛素等。……\n胰岛素结构模型胰岛素是一种蛋白质类激素。在人体十二指肠旁边，有一条长形的器官，叫做胰腺。在胰腺中散布着许许多多的细胞群，叫做胰岛。胰岛素是由胰岛β细胞受内源性或外源性物质如葡萄糖、乳糖、核糖、精氨酸、胰高血糖素等的刺激而分泌的一种蛋白质激素。\n胰岛素的作用：一、调节糖代谢胰岛素能促进全身组织对葡萄糖的摄取和利用，并抑制糖原的分解和糖原异生，因此，胰岛素有降低血糖的作用。胰岛素分泌过多时，血糖迅速下降，脑组织受影响最大，可出现惊厥、昏迷，甚至引起胰岛素休克。胰岛素分泌不足就会导致血糖升高；若超过肾糖阈，则糖从尿中排出，引起糖尿病；另外，由于血液成份中改变(含有过量的葡萄糖),亦导致高血压、冠心病和视网膜血管病等病变。二、调节蛋白质代谢胰岛素一方面可以促进蛋白质的合成，另一方面又能够抑制蛋白质的分解，因而有利于机体的生长。但胰岛素单独作用时，对生长的促进作用并不很强，只有与腺垂体生长素共同作用时，才能发挥明显的效应。\n胰岛素的发现：1921年，加拿大班廷和贝斯特首次成功提取到了胰岛素。1922年开始用于临床，使过去不治的糖尿病患者得到挽救。至今用于临床的胰岛素几乎都是从猪、牛胰脏中提取的。1926年，首次从动物胰脏中提取到结晶胰岛素。1955年，英国弗雷德里克·桑格首次测定了牛胰岛素的全部氨基酸序列，开辟了人类认识蛋白质分子化学结构的道路。1965年，9月17日，中国科学家王应睐等首次完整人工合成了结晶牛胰岛素。这是当时人工合成的具有生物活性的最大的天然有机高分子化合物，实验的成功使中国成为第一个合成蛋白质的国家。70年代初期，英国和中国的科学家又成功地用X射线衍射方法测定了猪胰岛素的立体结构。这些工作为深入研究胰岛素分子结构与功能关系奠定了基础。\n8.1.4酶（Enzyme）8.1.4.1定义酶是一类由生物细胞产生的、具催化活性的特殊蛋白质。8.1.4.2酶催化的特点酶催化的效率极高：因此只需要极微量的酶就能够保证生物体内化学反应的进行；(活化能)酶催化的专一性特强：生物体内每一种化学反应就有一种酶与之对应。因此生物体内酶的种类很多；酶的活性严重依赖于温度、pH、重金属离子浓度等因素。8.1.4.3酶的分类根据酶的作用和功能，可将酶分为6类：①氧化还原酶(如脱氢酶)；②基团转移酶(如转氨酶)；③水解酶(如淀粉酶)；④裂解酶(如脱羧酶)；⑤异构化酶；⑥连接酶。\n8.2糖与脂生物体是细胞的结合体。组成细胞的物质主要有蛋白质、核酸、糖类、脂肪与水，等。8.2.1糖类（Carbohydrates）8.2.1.1定义在生命体中有一类重要化合物，在绝大多数情况下，其分子式可以用Cn(H2O)m表示。称为糖类，旧称碳水化合物。是一类含醛基(−CHO)或酮基(R−CO−R’)的多羟基化合物。8.2.1.2糖在生命体中的作用是生物体贮藏能量的载体；是生物体合成蛋白质、脂和核酸的原料；是细胞和组织的结构单元；是细胞中生化反应的介质。\n8.2.1.3糖的分类根据结构的复杂性，将糖分为单糖、双糖和多糖三类。单糖：不能用水解法进一步降解为更简单的糖的单体。在生命体中重要的是五碳糖（戊糖，又称核糖）和六碳糖(己糖)。D-核糖-核糖-脱氧核糖D-葡萄糖D-半乳糖D-果糖\n双糖：由两个单糖分子失去一个水分子缩聚而成，如：2葡萄糖→麦芽糖+H2O葡萄糖+果糖→蔗糖+H2O多糖：由n个单糖分子失去n-1个水分子后缩聚而成的多聚体，亦指能水解生成很多单糖分子的糖。多糖大多不溶于水，结构复杂。均多糖：水解后只生成一种单糖。如淀粉、纤维素和糖原等，它们水解的最终产物是D-葡萄糖。杂多糖：水解后生成两种或两种以上单糖或单糖衍生物的糖。如肝素等。能水解生成两分子单糖的糖\n8.2.2脂类(Lipids)脂类是油、脂肪和类脂(磷脂、固醇等)的总称，大多数脂类是甘油三酸脂(三酰甘油)的复杂化合物。一般将常温下呈液体的三酰甘油称为油(植物油含不饱和脂肪酸)，呈固体的称为脂肪(动物脂肪中含饱和脂肪酸).磷脂是分子中含有磷酸基团的高级脂肪酸。如磷酸甘油酯：一分子甘油与两分子脂肪酸和一分子磷酸通过酯键结合而成的化合物。8.2.2.1脂的作用储存能量：脂类被氧化时所产生的热量是淀粉和糖原的2~3倍，因此是有效的储能物质。CH2OCOR1|CHOCOR2|CH2OCOR3CH2OCOR1CHOCOR2CH2O-P-OHOHO\n构成生物膜：生物膜是细胞膜(也称质膜或外周膜)和细胞内膜(细胞内各种细胞器的膜)。构成膜的主体是脂类和蛋白。脂类中最多也最为重要的是磷脂。人体中含量最多的磷脂是胆碱磷酸甘油脂（商品名卵磷脂）：显然，胆碱磷酸甘油脂具有两亲性质，在生物体中易形成膜状结构（）。8.3核酸（NucleicAcid）核酸是从细胞核中分离出来的强酸性物质，它是分子量高达108的高分子聚合物，是遗传物质的基础,同时可以指导蛋白质生物合成，与生物的生长、繁衍、遗传、变异等过程都有非常密切的关系。-\n8.3.1核酸的分类核酸可分为核糖核酸（RibonucleicAcid,RNA）和脱氧核糖核酸（DeoxyribonucleicAcid,DNA）两类。组成核酸的结构单元是核苷酸。8.3.2核苷酸的组成8.3.3DNA的组成与结构（）戊糖（核糖/脱氧核糖）含氮碱基（胞,尿,胸腺嘧啶；腺,鸟嘌呤）磷酸核苷酸酸戊糖碱基（）DNA磷酸D-2-脱氧核糖腺嘌呤(A)，鸟嘌呤(G)，胞嘧啶(C)，胸腺嘧啶(T)RNA磷酸D-核糖腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶(U)\n8.3.4结论DNA由两条主链组成，每条主链均以磷酸酯与核糖为链体，可表为−P−S−P−S−…；DNA中的碱基是腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)，而RNA中的碱基是腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)；在DNA中，两条链是互补的：一条链上的碱基通过氢键与另一条链上的碱基配对，互补对为A-T、G-C。8.4染色体、基因与遗传8.4.1染色体的组成与结构染色体是由线型双链DNA分子与蛋白质所形成的复合物。染色体存在于生物细胞核内，因细胞分裂时期可用碱性染料染色而得名。\n染色体的结构\n在有性繁殖物种中，体细胞内染色体的数目成对出现，称为二倍体。性细胞（精子、卵子）中染色体数目只有体细胞的一半，称为单倍体。正常人的体细胞染色体数目为23对，并有一定的形态和结构。染色体在形态结构或数量上的异常被称为染色体异常，由染色体异常引起的疾病为染色体病。现已发现的染色体病有100余种，染色体病在临床上常可造成流产、先天愚型、先天性多发性畸形、以及癌肿等。染色体异常的发生率为0.5%~0.7%。人类体细胞中的23对染色体中，有22对常染色体和一对性染色体。性染色体包括X染色体和Y染色体。哺乳动物雄性个体细胞的性染色体对为XY；雌性则为XX。\n由于哺乳动物雄性个体细胞的性染色体对为XY，其精子的性染色体为X或Y；由于雌性的染色体对为XX，其卵子的性染色体只能为X。由性染色体为X的精子受精的卵发育为雌性体(XX)；由染色体为Y的精子授精的卵则发育成雄性体(XY)。8.4.2基因与遗传信息DNA分子上脱氧核苷酸的排列顺序（因而碱基排列顺序）决定生物的性状。可以认为：DNA分子是由许多个相对独立的单位构成的，每一个独立的单位称为基因(Gene)，即基因是具有遗传效应的DNA分子上的一个小片段，能编码一种RNA或一种多肽。\nDNA的复制8.4.2.1DNA的复制以DNA为模板指导DNA全面合成的过程称为复制。复制的同时将亲代的全部遗传信息传递给子代,同时遗传信息还可以得到表达。\n遗传学上把信使RNA上决定一个氨基酸的相邻的3个碱基叫做一个密码子。1967年全部密码子破译完毕。第一碱基第二碱基第三碱基UCAGU尿嘧啶苯丙氨酸丝氨酸酪氨酸半胱氨酸U苯丙氨酸丝氨酸酪氨酸半胱氨酸C亮氨酸丝氨酸(终止子)(终止子)A亮氨酸丝氨酸(终止子)色氨酸GC胞嘧啶亮氨酸脯氨酸组氨酸精氨酸U亮氨酸脯氨酸组氨酸精氨酸C亮氨酸脯氨酸谷氨酰胺精氨酸A亮氨酸脯氨酸谷氨酰胺精氨酸GA腺嘌呤异亮氨酸苏氨酸天冬酰胺丝氨酸U异亮氨酸苏氨酸天冬酰胺丝氨酸C异亮氨酸苏氨酸赖氨酸精氨酸A蛋氨酸(起始)苏氨酸赖氨酸精氨酸GG尿嘌呤缬氨酸丙氨酸天冬氨酸甘氨酸U缬氨酸丙氨酸天冬氨酸甘氨酸C缬氨酸丙氨酸谷氨酸甘氨酸A缬氨酸(起始)丙氨酸谷氨酸甘氨酸G8.4.2.2蛋白质的合成\n蛋白质的合成\n例：如果某DNA片段的核苷酸系列为（左起）：DNA片段：T-A-C-A-A-G-C-A-G-T-T-G-G-T-C-G-T-G-…mRNAA-U-G-U-U-C-G-U-C-A-A-C-C-A-G-C-A-C-…新肽链蛋(起)-苯丙-缬-天冬酰胺-谷氨酰胺-组-…第一碱基第二碱基第三碱基U(尿嘧啶)C(胞嘧啶)A(腺嘌呤)G(鸟嘌呤)U苯丙氨酸丝氨酸酪氨酸半胱氨酸U苯丙氨酸丝氨酸酪氨酸半胱氨酸C亮氨酸丝氨酸(终止子)(终止子)A亮氨酸丝氨酸(终止子)色氨酸GC亮氨酸脯氨酸组氨酸精氨酸U亮氨酸脯氨酸组氨酸精氨酸C亮氨酸脯氨酸谷氨酰胺精氨酸A亮氨酸脯氨酸谷氨酰胺精氨酸GA异亮氨酸苏氨酸天冬酰胺丝氨酸U异亮氨酸苏氨酸天冬酰胺丝氨酸C异亮氨酸苏氨酸赖氨酸精氨酸A蛋氨酸(起始)苏氨酸赖氨酸精氨酸GG缬氨酸丙氨酸天冬氨酸甘氨酸U缬氨酸丙氨酸天冬氨酸甘氨酸C缬氨酸丙氨酸谷氨酸甘氨酸A缬氨酸(起始)丙氨酸谷氨酸甘氨酸G\n8.4.2.3基因的突变由于DNA分子中发生碱基对的增添、缺失或改变,而引起的DNA结构的改变,叫做基因突变。蛋白质正常异常↑↑氨基酸谷氨酸缬氨酸↑↑mRNAGAAGUA↑↑DNACTT突变CATGAA──→GTA\n引起基因突变的因素可能有：物理因素(X光、激光、放射性)；化学因素(能与DNA分子作用而改变DNA分子结构的化学物质)；生物因素（细菌与病毒）。基因突变的特点：普遍性；随机性；低频性；有害性。8.4.2.4基因重组与转基因技术在生物体进行有性生殖的过程中，来自父本和母本的基因重新组合，使子代产生变异。在自然界，基因变异的例子很多。\nEndofChapter8\n表8.1A20种氨基酸（tobecontinued）L-左旋异构体，D-右旋异构体No中文名称英文名称符号R-CH(NH2)-COOH1甘氨酸GlycineGlyH-2丝氨酸L-SerineSerHO-CH2-3苏氨酸L-ThreonineThrCH3-CH(OH)-4半胱氨酸L-CysteineCysHS-CH2-5酪氨酸L-TyrosineTyrHO-Ar-CH2-6天冬酰胺L-AsparagineAsnH2N-CO-CH2-7谷氨酰胺L-GlutamineGlnH2N-CO-CH2-CH2-8天冬氨酸L-AsparticAcidAspHOOC-CH2-9谷氨酸L-GlutamicacidGluHOOC-CH2-CH2-10丙氨酸L-AlanineAlaCH3-\n表8.1B20种氨基酸（continuing）L-左旋异构体，D-右旋异构体No中文名称英文名称符号R-CH(NH2)-COOH11缬氨酸L-ValineVal(CH3)2-CH-12亮氨酸L-LeucineLeu(CH3)2-CH2-CH-13异亮氨酸L-IsoleucineIleCH3-CH2-CH(CH3)-14脯氨酸L-ProlinePro-NH-CH2-CH2-CH2-15苯丙氨酸L-PhenylalainePheAr-CH2-16色氨酸L-TryptophanTrp17蛋氨酸L-MethionineMetCH3-S-CH2-CH2-18赖氨酸L-LysineLysNH2-(CH2)4-19精氨酸L-ArginineArgNH2-C(NH)-NH-(CH2)3-20组氨酸L-HistidineHis\n当两种化合物的组成和相对位置皆相同，但它们互为镜像关系，象左右手一样不能重合，这种异构称为手性异构或旋光异构。如丙氨酸。\n旋光仪工作原理简介旋光仪构造示意图1.底座；2．度盘调节手轮；3．刻度盘；4．目镜；5．度盘游标；6．物镜；7．检偏镜；8．旋光管；9．石英片；10．起偏镜；11．会聚透镜；12．钠光灯光源\n若使偏正面逆时针旋转时则称为左旋(异构)体,反之称为右旋(异构)体，分别在冠名前加L和D表示。a.大于(或小于)零度视场b.零度视场c.小于(或大于)零度视场\n糖尿病临床上表现为多食、多饮、多尿和体重减少（俗称三多一少）。由于血糖升高，致使体液（血液、淋巴液等）的浓度高于正常值，使得细胞膜两侧的渗透压发生变化。为了使体液的浓度恢复至正常值，肾脏通过排尿的方式向体外排放高浓度液体，因而出现多尿现象。由于体液浓度较高，加上因排尿量大水分损失多，故病人常感到口渴，因而出现多饮现象。由于大量葡萄糖被排出体外而没有被吸收，故病人常感到饥饿和乏力，因而进食量较大（多食）。最后由于营养吸收不好，日常的体力和热量消耗需通过消耗脂肪来维持，故体重会减轻。\n\n图8.2双层磷脂形成的生物膜\n图8.3五种碱基的结构式\n图8.4核苷酸的结构式\n图8.5DNA分子双螺旋结构示意图\n图8.6碱基配对示意图