第三講生命的化學(xué)組成

1、 王麗娟南京工業(yè)大學(xué) 生物與制藥工程學(xué)院 在生物學(xué)和其他學(xué)科交叉的邊緣學(xué)科中,生物化學(xué)在過(guò)去的幾十年中發(fā)展特別快。研究生物體的化學(xué)組成和研究生命過(guò)程中的化學(xué)變化，所得到的豐碩成果，構(gòu)成分子生物學(xué)和生物技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。 1 哪些元素參與生物體的組成？ 參與生物體組成的元素總共約二、三十種，他們?cè)谠刂芷诒碇械姆植既鐖D所示以人體為例，各種元素在人體中含量見(jiàn)表常量元素在人體中含量較大。微量元素在人體中含量很少。表 人體元素成分常量元素微量元素常 量元 素 微 量元 素 元素 體重% 干重% 元素 含量(mg) 日推薦量(mg) C 9.4 61.7 Fe 4500 10-18 H 65 5.7

2、F 2600 0.14 O 25.5 9.3 Zn 2000 315 N 1.4 11 Si 24 1g Se 13 10200ug P 0.22 3.3 Mn 12 0.55 S 0.05 1.0 I 11 40150ug Mo 9 0.150.5 Na+ 0.03 0.7 Cr 6 1020ug K+ 0.06 1.3 Co 1.1 140580ug Mg+2 0.01 0.3 Ni Ca+2 0.31 5.0 Sn Cl 0.08 0.7 V Sr B Al 用實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究各種元素成份在營(yíng)養(yǎng)學(xué)上的必要性。要證明某一種微量元素在營(yíng)養(yǎng)學(xué)上是必不可少的，至少需要做下面三個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)

3、:2. 人體元素成分的營(yíng)養(yǎng)學(xué)意義1 讓實(shí)驗(yàn)動(dòng)物攝入缺少某一種元素的膳食,觀察是否出現(xiàn)特有的病癥。2 向膳食中添加該元素后，實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的上述特有病癥是否消失。3 進(jìn)一步闡明該種元素在身體中起作用的代謝機(jī)理。 只有上述三條都弄清楚，才能確定某種元素是否為營(yíng)養(yǎng)上必需的元素。 常量元素的重要性比較容易認(rèn)識(shí)。微量元素的營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究困難大得多。所以，一些微量元素在1950s 或 1970s 以后才確證為人體必需微量元素。 3. 元素營(yíng)養(yǎng)方面的幾個(gè)例子 例一、鈣1 人每天需要攝入多少鈣？從糞、尿、汗中排出 320450 mg 吸收率約 40% 320 x 100/40=800 mg 人體每天需要補(bǔ)充鈣的數(shù)量成人

4、 800 mg嬰兒（10個(gè)月） 400 mg幼兒（3歲） 600 mg少年（10歲） 800 mg青年（1218歲） 1000 mg老年 1200 mg孕婦/哺乳 1500 mg 2、鈣參加幾乎每一種生理代謝過(guò)程Ca 在體內(nèi)的生理作用（ 1.2 kg / 70 kg 2%） 骨骼及牙齒 血漿中 99% 10克需要 Ca 參與的生理過(guò)程 肌肉：肌肉收縮 免疫： 白細(xì)胞吞噬功能 循環(huán)： 血液凝固 內(nèi)分泌：激素分泌 毛細(xì)血管通透性 骨骼： 骨骼形成 微循環(huán)改善 神經(jīng)： 神經(jīng)肌肉應(yīng)激性 泌尿： 生殖：（ Ca 調(diào)節(jié)多種酶的活性） 嬰、幼、少兒-佝僂病老年人-骨質(zhì)疏松癥上海地區(qū)骨質(zhì)疏松癥患者 男 20.

5、1% 女48.1%其中 60歲以上 男 24.9% 女75.5%上海地區(qū)老年人骨折發(fā)生率 城區(qū) 16.5% 農(nóng)村 6.9%缺鈣引起的疾病高血壓 （還帶來(lái)別的效應(yīng)）缺鈣反常鈣內(nèi)流血管 內(nèi)壁細(xì)胞平滑肌細(xì)胞 中鈣反常積儲(chǔ)血管內(nèi)皮細(xì)胞鈣化，損傷膽固醇，脂類(lèi)沉積細(xì)胞因子分泌 血小板，血細(xì)胞粘附 平滑肌細(xì)胞，或纖維細(xì)胞增生導(dǎo)致動(dòng)脈硬化血管外周阻力增大高血壓 血管收縮腎結(jié)石腎結(jié)石中重要成分是鈣； 但是，限制鈣攝入恰恰會(huì)使腎結(jié)石加重。q 草酸鈣：草酸來(lái)自蔬菜，食物中鈣可使草 酸在腸道中結(jié)成草酸鈣，從糞便中排出。q 缺鈣反常鈣內(nèi)流，損傷腎細(xì)胞 腎臟對(duì)鈣回收功能受損高鈣尿液與尿中草酸結(jié)合形成結(jié)石。尿鈣排出 增多結(jié)

6、（直）腸癌：Ca2+高脂膳食刺激鈣與脂酸結(jié)合排出體外高膽汁酸刺激直腸細(xì)胞癌變鈣與膽汁酸結(jié)合排出體外影響鈣吸收的因素 維生素維生素D D 促小腸吸收鈣 促骨骼釋放鈣 促腎細(xì)胞回收鈣使血清鈣甲狀旁腺素（PTH） 促小腸吸收鈣 促骨骼釋放鈣 促腎細(xì)胞回收鈣使血清鈣甲狀旁腺 抑骨骼釋放鈣 抑腎細(xì)胞回收鈣降血鈣素（Calcitonin)，甲狀腺分泌使血清鈣例二 鋅 羧基肽酶（黃色小圓球代表 Zn2+）乙醇脫氫酶例三 鉻例四 硒（一）、生物小分子與生物大分子的關(guān)系（二）、生物小分子簡(jiǎn)介（三）、生物大分子的形成（四）、生物大分子的高級(jí)結(jié)構(gòu)在生命元素中，碳原碳原子子具有特別重要的作用，碳原子相互連接成鏈或成環(huán)

7、，形成各種生物大分子的基本結(jié)構(gòu)。碳碳之間可以不同的鍵型相結(jié)合，形成不同長(zhǎng)度的鏈狀、分支鏈狀或環(huán)狀結(jié)構(gòu)。碳骨架碳骨架 結(jié)構(gòu)排列和長(zhǎng)短決定了有機(jī)化合物的基本性質(zhì)結(jié)構(gòu)排列和長(zhǎng)短決定了有機(jī)化合物的基本性質(zhì)生物大分子的基本性質(zhì)生物大分子的基本性質(zhì)還取決于與碳骨架相連還取決于與碳骨架相連接的接的功能基團(tuán)功能基團(tuán)生物體中的有機(jī)化合物主要含有羥基、羰基、羥基、羰基、羧基和氨基羧基和氨基等功能基團(tuán)， 這些功能基團(tuán)幾乎都是極性基團(tuán)。功能基團(tuán)的極性使得生物分子具有親水性，有利于這些化合物穩(wěn)定于有大量水分子存在的細(xì)胞中。（一）、生物小分子和生物大分子的關(guān)系（一）、生物小分子和生物大分子的關(guān)系 小分子小分子 大分子大分

8、子 復(fù)合大分子復(fù)合大分子 單糖 多糖 糖蛋白 氨基酸 蛋白質(zhì) 糖脂 核苷酸 核酸 脂蛋白 脂肪酸 脂類(lèi) （由小分子到大分子）合成大分子 （聚 合）大分子分解 （水 解）（二）、生物小分子簡(jiǎn)介1 1、水、水q 地球上生命起源于水中，陸生生物地球上生命起源于水中，陸生生物 體內(nèi)細(xì)胞也生活在水環(huán)境中體內(nèi)細(xì)胞也生活在水環(huán)境中q 水的性質(zhì)影響生命活動(dòng)，水的性質(zhì)影響生命活動(dòng)， 如：溶解性質(zhì)，酸堿度，如：溶解性質(zhì)，酸堿度，pHpH q 水占生物體的水占生物體的 6060 以上的重量以上的重量 水對(duì)生物體非常重要水影響生命活動(dòng)的例子： 肺泡在水環(huán)境中保證 O2 和 CO2 的交換 肺泡中存在一種表面活性蛋白破

9、壞水的 表面張力，使肺泡脹開(kāi) 水分子間氫鍵造成水的表面張力，可使 肺泡癟塌 2、氨基酸 氨基酸是同時(shí)具有氨基和羧基的小分子 參與蛋白合成的共有20種天然氨基酸（氨基酸通式） 氨基酸是指一類(lèi)含有羧基并在與羧基相連的碳原子下連有氨基的有機(jī)化合物。返回（1） 碳原子（2）具有 氨基 和羧基 是各種氨基 酸的共性（3）各種氨基 酸的區(qū)別在 側(cè)鏈基團(tuán)R 不同氨基酸其R基各不相同，R基的結(jié)構(gòu)決定了20種氨基酸的特殊性質(zhì) 根據(jù)側(cè)鏈結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，可把20種氨基酸分成不同的組：中性氨基酸： 亮氨酸、異亮氨酸、甘氨酸、丙氨酸、 頡氨酸酰胺氨基酸： 天冬酰胺、谷氨酰胺酸性氨基酸： 天冬氨酸、谷氨酸堿性氨基酸： 賴氨酸

10、、精氨酸含硫氨基酸： 半胱氨酸、蛋氨酸（甲硫氨酸）含羥基氨基酸： 蘇氨酸、絲氨酸芳香族氨基酸 ： 苯丙氨酸、酪氨酸雜環(huán)氨基酸： 組氨酸、色氨酸、脯氨酸 20 種天然氨基酸除甘氨酸外，都帶一個(gè)不對(duì)稱碳原子碳原子，都有光學(xué)異構(gòu)體（鏡映體）。 CHH4CCH4 已知 19 種天然氨基酸均為 L型氨基酸。氨基酸的功能： （1）作為組建蛋白質(zhì)的元件 （2）有的氨基酸或其衍生物具有生物活性（代謝調(diào)節(jié)、信號(hào)傳遞等） 必需氨基酸是指人體內(nèi)不能合成，必須從食物中獲取的氨基酸，其他為非必需氨基酸。 人體8種必需氨基酸： 異亮氨酸、亮氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、色氨酸、纈氨酸 。 3 3、單糖、單糖 多

11、羥基醛或多羥基酮稱為糖。以葡萄糖為例，葡萄糖是六碳糖單糖的生物功能：A、作為多糖的組成元件B、作為燃料C、組成寡糖參與細(xì)胞信號(hào)傳遞（葡萄糖結(jié)構(gòu)式）重要單糖（葡萄糖結(jié)構(gòu)式）天然單糖大多數(shù)是 D-型糖吡喃型C1上羥基位置不同出現(xiàn)-，-兩種構(gòu)型 （1）C2-C5 均為不對(duì)稱碳原子。 六碳糖有 16 種同分異構(gòu)體。（2）天然單糖在 C5 位上羥基有固定結(jié)構(gòu)方向， 天然單糖大多數(shù)是 D-型糖。（3）在水溶液中葡萄糖在 C1-C5 之間脫水通過(guò) 氧橋相聯(lián)成環(huán)狀吡喃型（4）各個(gè) C 上羥基位于環(huán)上或環(huán)下（5）C1 上羥基位置不同出現(xiàn)-，-兩種構(gòu)型 返回重要的單糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脫氧核糖等4、

12、核苷酸核苷酸分子由三個(gè)部分組成： 堿基：嘧啶、嘌呤 五碳糖：核糖或脫氧核糖 磷酸DNA分子的基本單位: 核苷酸 脫氧核糖或核糖上第一位碳原子與嘌呤或嘧啶結(jié)合，就成為脫氧核苷或核苷，第三位或第五位碳原子再與磷酸結(jié)合，就成為脫氧核糖核苷酸或核糖核苷酸。嘧啶嘌呤胞嘧啶胸腺嘧啶腺嘌呤鳥(niǎo)嘌呤參加大分子核酸組成的共有8種核苷酸 DNA水解液中 RNA水解液中腺脫氧核苷酸（dAMP） 腺苷酸（AMP）鳥(niǎo)脫氧核苷酸（dGMP） 鳥(niǎo)苷酸（GMP）胞脫氧核苷酸（dCMP） 胞苷酸（CMP）胸腺脫氧核苷酸（dTMP） 尿苷酸（UMP）另外還有一些重要的具有生物活性的核苷酸 具有生物活性的核苷酸返回 cAMP, cG

13、MP參與細(xì)胞信號(hào)傳遞 ATP參與能量代謝5、脂肪酸 脂肪酸是一類(lèi)一端含有一個(gè)羧基的長(zhǎng)的脂肪族碳?xì)滏?。脂肪酸包括有分支的或無(wú)分支的、飽和的或不飽和的（碳?xì)滏満须p鍵）等類(lèi)型。常見(jiàn)的飽和脂肪酸：軟脂酸、硬脂酸 常見(jiàn)的不飽和脂肪酸：油酸、亞油酸、亞麻酸、花生四烯酸、棕櫚油酸、DHA（二十二碳六烯酸）、EPA（二十碳五烯酸） 不飽和脂肪酸常溫下多呈液態(tài)，飽和脂肪酸多呈固態(tài)或者半固態(tài)。 脂肪酸與維生素、氨基酸一樣是人體最重要的營(yíng)養(yǎng)素之一。 生物大分子主要有四大類(lèi)： 蛋白質(zhì)、 核酸、 多糖 脂類(lèi) 它們都是由生物小分子單體通過(guò)特有的共價(jià)鍵聯(lián)結(jié)而成。四種生物大分子：蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂類(lèi)。1 1、氨基酸通過(guò)

14、、氨基酸通過(guò)肽鍵肽鍵聯(lián)成聯(lián)成肽鏈肽鏈 寡肽：含有 2-20個(gè)氨基酸殘基 （如二肽、五肽、八肽） 多肽：含 2050 個(gè)氨基酸殘基 蛋白質(zhì)：由20種L-型氨基酸組成的長(zhǎng)鏈生物大分子，含幾十個(gè)氨基酸殘基 注意：肽鏈有方向性， 氨基端（ N 端）， 羧基端（ C 端）返回 一個(gè)氨基酸的羧基和另一個(gè)氨基酸的氨基脫水縮合形成肽鍵返回一條肽鏈的兩端有不同結(jié)構(gòu)和性質(zhì)：一條肽鏈的兩端有不同結(jié)構(gòu)和性質(zhì)： 一端的氨基酸殘基帶有游離氨一端的氨基酸殘基帶有游離氨 基，稱基，稱氨基端氨基端； 另一端的氨基酸殘基帶有游離另一端的氨基酸殘基帶有游離 羧基，稱羧基，稱羧基端羧基端。正常人的紅細(xì)胞鐮刀狀紅細(xì)胞正常的血紅蛋白鐮刀

15、狀紅細(xì)胞的血紅蛋白蛋白質(zhì)種類(lèi)的多樣性結(jié)構(gòu)蛋白貯藏蛋白收縮蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白對(duì)比不同動(dòng)物的血紅蛋白之氨基酸序列,可以表現(xiàn)不同動(dòng)物間的親緣關(guān)系.2 2、單糖通過(guò)、單糖通過(guò)糖苷鍵糖苷鍵聯(lián)成多糖鏈聯(lián)成多糖鏈（1） 貳糖 對(duì)貳糖結(jié)構(gòu)的了解包括弄清楚： 單糖基成份 還是糖苷鍵 取代位置 麥芽糖 二糖 寡糖由少數(shù)分子的單糖（2-10個(gè)）縮合形成的糖。二糖最常見(jiàn)，是兩分子的單糖通過(guò)脫水縮合作用形成糖苷鍵連接而成。重要的二糖包括蔗糖、麥芽糖、乳糖等麥芽糖由兩分子葡萄糖單體脫水縮合形成蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖縮合形成乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖縮合而成返回麥芽糖的結(jié)構(gòu) （3）注意：多糖鏈也有方向性，有還原 端

16、和非還原端（2）淀粉和纖維素都由葡萄糖組成，它們 之間主要區(qū)別在于糖苷鍵和 糖苷鍵的區(qū)別 糖原淀粉纖維素 一條多糖鏈的兩端有不同結(jié)構(gòu)和性質(zhì)： 一端的糖基有游離的半縮醛羥基，稱還原端； 另一端的糖基沒(méi)有游離的半縮醛羥基， 稱非還原端。核酸貯存遺傳信息，控制蛋白質(zhì)的合成核酸包括脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),都是由許多順序排列的核苷酸組成的大分子。貯存遺傳信息的特殊DNA片段稱為基因，它編碼蛋白質(zhì)的氨基酸序列，從而決定蛋白質(zhì)的功能。通過(guò)蛋白質(zhì)的作用，DNA實(shí)際上控制著細(xì)胞和生物體的生命過(guò)程DNA控制蛋白質(zhì)的合成是通過(guò)RNA來(lái)實(shí)現(xiàn)的，即遺傳信息由DNA轉(zhuǎn)錄到RNA，后者決定蛋白質(zhì)的氨基酸

17、序列3 3、核苷酸通過(guò)、核苷酸通過(guò)磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵聯(lián)成核酸聯(lián)成核酸3 3、核苷酸通過(guò)、核苷酸通過(guò)磷酸二酯鍵磷酸二酯鍵聯(lián)成核酸聯(lián)成核酸（1 1） 核酸鏈也有核酸鏈也有方向性方向性（2 2） DNA DNA 和和 RNA RNA 在組成成份上有差別在組成成份上有差別 DNA DNA RNARNA 脫氧核糖脫氧核糖 核糖核糖 有胸腺嘧啶，有胸腺嘧啶， 有尿嘧啶，有尿嘧啶， 無(wú)尿嘧啶無(wú)尿嘧啶 無(wú)胸腺嘧啶無(wú)胸腺嘧啶 返回 一端的核苷酸，其5C沒(méi)有進(jìn)入磷酸二酯鍵，稱 5 末端； 另一端的核苷酸，其3C沒(méi)有進(jìn)入磷酸二酯鍵，稱 3 末端。4、脂類(lèi) 脂類(lèi)的組成和功能脂類(lèi)是指生物體內(nèi)不溶于水而溶于有機(jī)溶劑的各

18、種分子,是脂肪、和類(lèi)脂及其衍生物的總稱。脂類(lèi)分子也含C、H、O 3種元素，但H:O遠(yuǎn)大于2，有些脂含P和N，各種脂類(lèi)分子的結(jié)構(gòu)可以差異很大脂類(lèi)不溶于水，可溶于非極性溶劑。脂類(lèi)是生物膜的主要成分；脂肪氧化時(shí)產(chǎn)生的能量大約是糖氧化時(shí)的二倍。脂類(lèi)是生物表面的保護(hù)層/保持體溫/生物活性物質(zhì)脂類(lèi)種類(lèi)很多，分子結(jié)構(gòu)相差較大 A、油脂：甘油三脂 B、磷脂和鞘脂 C、固 醇返回甘油三酯分子結(jié)構(gòu) 脂肪是由1分子甘油和3分子脂肪酸構(gòu)成的酯，故稱三脂酰甘油或甘油三酯。如三個(gè)脂肪酸相同，稱為簡(jiǎn)單三酰甘油（簡(jiǎn)單甘油三脂），否則稱為混合三酰甘油（混合甘油三脂） 多數(shù)天然油脂都是簡(jiǎn)單甘油三脂與混合甘油三脂的復(fù)雜混合物磷脂分

19、子結(jié)構(gòu)磷脂分子結(jié)構(gòu)返回（1 1） 磷脂分子可以看磷脂分子可以看成是成是一個(gè)極性頭一個(gè)極性頭，兩兩條非極性尾巴條非極性尾巴。（2 2） 鞘脂分子和磷鞘脂分子和磷脂不同。但總體看來(lái)，脂不同。但總體看來(lái)，也可看成也可看成一個(gè)極性頭一個(gè)極性頭，兩條非極性尾巴兩條非極性尾巴。（1） 固醇類(lèi)的內(nèi)核由 4 個(gè)環(huán)組成（2） 一些人體重要維生素和激素是固醇（3） 膽固醇是細(xì)胞的必要成份（4） 血清中的膽固醇太多會(huì)促使形 成動(dòng)脈硬化 和心腦血管疾病一些固醇類(lèi)化合物可以作為興奮劑使用, 但同時(shí)也會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員帶來(lái)?yè)p害.性激素就是一種固醇類(lèi)化合物雌性激素雄性激素1 1、蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)、蛋白質(zhì)的高級(jí)結(jié)構(gòu)q 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)

20、構(gòu)是指肽鏈中氨基 酸的排列順序q 蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指鄰近幾個(gè)氨 基酸形成的一定的結(jié)構(gòu)形狀。 如：螺旋和折疊 由生物小分子到生物大分子，分子增大，出現(xiàn)新的性質(zhì)。 其中最主要的特點(diǎn)是：生物大分子有獨(dú)特的立體結(jié)構(gòu)、空間構(gòu)型和分子整體形狀。返回返回一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)螺旋折疊q 蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)是指各條肽鏈之間 的位置和結(jié)構(gòu)。所以，四級(jí)結(jié)構(gòu)只存 在于由兩條肽鏈以上組成的蛋白質(zhì)。q 蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指整條肽鏈盤(pán)繞 折疊形成一定的空間結(jié)構(gòu)形狀。如纖 維蛋白和球狀蛋白。 血紅蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu)返回2 2、 維持生物大分子高級(jí)結(jié)構(gòu)的重要因素維持生物大分子高級(jí)結(jié)構(gòu)的重要因素非共價(jià)鍵非共價(jià)鍵CO HO CN HCO H3 N 氫氫 鍵鍵鹽鹽 鍵鍵返回非共價(jià)鍵的非共價(jià)鍵的鍵強(qiáng)度鍵強(qiáng)度很小，所以很小，所以A、需要多個(gè)非共價(jià)鍵才足以維持高 級(jí)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定；B、高級(jí)結(jié)構(gòu)不很穩(wěn)定。生物大分子變 性就是因?yàn)楦呒?jí)結(jié)構(gòu)破壞，大分子 性質(zhì)改變，生物活性喪失。但是， 一級(jí)結(jié)構(gòu)尚未破壞。 注意：雙硫鍵也在維持蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)中起重要作用。RNase 的變性和復(fù)性蛋白質(zhì)變性使高級(jí)結(jié)構(gòu)破壞變性后的蛋白質(zhì)分子還能復(fù)性3 3、 核酸的高級(jí)結(jié)構(gòu)核酸的高級(jí)結(jié)構(gòu)（1 1） DNADNA雙螺旋雙螺旋A、兩條反向平行的核苷酸鏈共同盤(pán)繞形成雙螺旋，糖磷酸糖構(gòu)成螺旋主鏈DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)3 3、 核