大學(xué)化學(xué)課件：第五章 化學(xué)與生命科學(xué)

第五章化學(xué)與生命科學(xué)5.1蛋白質(zhì)與核酸的化學(xué)5.2化學(xué)與基因工程和人類基因組計劃（自學(xué)）5.3綠色熒光蛋白的發(fā)明與活細(xì)胞的實(shí)時監(jiān)測（自學(xué)）5.4化學(xué)與生命起源（自學(xué)）5.1蛋白質(zhì)與核酸的化學(xué)5.1.1蛋白質(zhì)的化學(xué)5.1.2核酸的化學(xué)5.1.3酶的化學(xué)5.1.4遺傳密碼的破譯與中心法則的揭示蛋白質(zhì)核酸5.1.1蛋白質(zhì)的化學(xué)一、蛋白質(zhì)的基本知識（自學(xué)）1、如何推算食物中蛋白質(zhì)含量？2、蛋白質(zhì)的重要作用3、蛋白質(zhì)缺乏與過量后果4、蛋白質(zhì)的需要量二、蛋白質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)三、氨基酸的結(jié)構(gòu)四、蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值五、肽鍵理論蛋白質(zhì)屬于天然高分子化合物人體一切細(xì)胞都由蛋白質(zhì)組成。蛋白質(zhì)占人體全部重量的16％，蛋白質(zhì)是人體氮的唯一來源。一、蛋白質(zhì)的基本知識1、如何推算食物中蛋白質(zhì)含量？凱氏定氮法：100克蛋白質(zhì)中平均含氮量為16克，即每克氮相當(dāng)于6.25克蛋白質(zhì)（100/16=6.25）。因此只要測定生物樣品中的含氮量，就可推算出其中蛋白質(zhì)的大約含量。每克樣品含氮克數(shù)*6.25*100=100克樣品中蛋白質(zhì)含量。（1）構(gòu)造人的身體。

人體的每個組織：毛發(fā)、皮膚、肌肉、骨骼、內(nèi)臟、大腦、血液、神經(jīng)等都是由蛋白質(zhì)組成。（2）更新、修補(bǔ)人體組織：

細(xì)胞處于永不停息的衰老、死亡、新生的新陳代謝過程.

例如年輕人的表皮28天更新一次。如果一個人蛋白質(zhì)的攝入、吸收、利用都很好，那么皮膚會光澤而有彈性。反之，人則經(jīng)常處于亞健康狀態(tài)。2、蛋白質(zhì)的重要作用（3）蛋白質(zhì)構(gòu)成人體必需的催化和調(diào)節(jié)功能的各種酶。（4）激素的主要原料。胰島素是由51個氨基酸分子合成，是機(jī)體內(nèi)唯一降低血糖的激素。生長素是由191個氨基酸分子合成。腎上腺素是酪氨酸的衍生物。（5）維持神經(jīng)系統(tǒng)的正常功能：味覺、視覺和記憶。

……

3、蛋白質(zhì)缺乏與過量后果蛋白質(zhì)缺乏：成年人，肌肉消瘦、肌體免疫力下降、貧血，嚴(yán)重者將產(chǎn)生水腫。未成年人，生長發(fā)育停滯、貧血、智力發(fā)育差，視覺差。蛋白質(zhì)過量：過量攝入蛋白質(zhì)，將會因代謝障礙產(chǎn)生蛋白質(zhì)中毒甚至于死亡。網(wǎng)絡(luò)探索——蛋白質(zhì)中毒綜合癥在日常生活中，常常讓一些體虛、大病初愈的患者及產(chǎn)婦大量蛋白質(zhì)食物（如雞蛋、瘦肉、奶制品等），以增強(qiáng)體質(zhì)。然而，效果往往并不明顯，甚至出現(xiàn)副作用。諸如腹部脹悶、頭目眩暈、四肢乏力，嚴(yán)重者還可導(dǎo)致昏迷。現(xiàn)代醫(yī)學(xué)把這些癥狀稱之為“蛋白質(zhì)中毒綜合癥”。

蛋白質(zhì)中毒綜合癥——原因體內(nèi)蛋白質(zhì)含量過高，

在腸道中造成異常分解，產(chǎn)生大量的氨，肝臟短期內(nèi)沒有足夠的能力將其排除，一旦氨溶于血液之中，導(dǎo)致血氨驟然升高,這種氨是有毒的,并擴(kuò)散到腦組織中,引起腦組織代謝功能障礙。有時未完全消化的蛋白質(zhì)在腸道中腐敗，產(chǎn)生酚、吲哚等，這些化學(xué)物質(zhì)對人體的毒害很大.因而出現(xiàn)上述“蛋白質(zhì)中毒綜合癥”的病理表現(xiàn)。蛋白質(zhì)的每日需要量5、蛋白質(zhì)的需要量成人每日最低需要量:30～50g/d我國營養(yǎng)學(xué)會推薦的成人每日需要量:80g/d二、蛋白質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)組成元素：組成基本結(jié)構(gòu)單元：相對分子質(zhì)量：蛋白質(zhì)C、H、O、N、S(P)等氨基酸幾千到100萬以上三、氨基酸的結(jié)構(gòu)氨基羧基氨基酸:分子中同時含有氨基(-NH2或者-NH-）和羧基（-COOH)的一類化合物。幾乎所有的蛋白質(zhì)都是由不同數(shù)目的20種基本氨基酸組成的,這20種氨基酸的氨基都連接在羧基相鄰的α-碳原子上，稱α-氨基酸。除脯氨酸外，其它19種α-氨基酸的結(jié)構(gòu)簡式可表示為其中R為氨基酸的特征基團(tuán)序號中文名稱英文縮寫

結(jié)構(gòu)式

1甘氨酸Gly(G)

2丙氨酸Ala(A)

3亮氨酸*Leu(L)

4異亮氨酸*Ile(I)

5纈氨酸*Val(V)

6脯氨酸PrO(P)

7苯丙氨酸*Phe(F)

8甲硫氨酸*Met(M)

9絲氨酸Ser(S)

10蘇氨酸*Ihr(T)

20種天然氨基酸表中帶*者為人體必需氨基酸。序號中文名稱

英文縮寫

結(jié)構(gòu)式

11半胱氨酸

Cys(C)

12谷氨酰胺Gln(Q)13天冬酰胺

Asn(N)

14酪氨酸

Tyr(Y)

15色氨酸*

Trp(W)

16天冬氨酸

Asp(D)

17谷氨酸

Glu(E)

18賴氨酸*Lys(K)

19精氨酸*Arg(R)

20組氨酸*

His(H)

20種天然氨基酸（續(xù)）表中帶*者為人體必需氨基酸。氨基酸的手性異構(gòu)體☆二十種氨基酸(除甘氨酸外)均為“手性分子”。

蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值取決于其含必需氨基酸種類及比例的多少.

必需氨基酸：人體必不可少，而機(jī)體內(nèi)又不能合成的，必須從食物中補(bǔ)充的氨基酸，有八種：蛋氨酸（又名甲硫氨酸）、色氨酸、賴氨酸、纈氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸竅門：假設(shè)來借一兩本書。組氨酸對于兒童也是必須的。四、蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值（一）賴氨酸：促進(jìn)大腦發(fā)育，是肝及膽的組成成分，能促進(jìn)脂肪代謝，防止細(xì)胞退化；（二）色氨酸：促進(jìn)胃液及胰液的產(chǎn)生；（三）苯丙氨酸：參與消除腎及膀胱功能的損耗；（四）蛋氨酸（又叫甲硫氨酸）；參與組成血紅蛋白、組織與血清，有促進(jìn)脾臟、胰臟及淋巴的功能；（五）蘇氨酸：有轉(zhuǎn)變某些氨基酸達(dá)到平衡的功能；（六）異亮氨酸：參與胸腺、脾臟及腦下腺的調(diào)節(jié)以及代謝；腦下腺屬總司令部作用于甲狀腺、性腺；（七）亮氨酸：作用平衡異亮氨酸；（八）纈氨酸：作用于黃體、乳腺及卵巢。（九）組氨酸：作用于代謝的調(diào)節(jié)；

必需氨基酸的作用五、肽鏈理論

一分子氨基酸的羧基與另一分子氨基酸氨基脫水縮合的化合物叫做肽，氨基酸之間通過酰胺鍵（肽鍵）連接而成。指示:

刪除樣本文檔圖標(biāo),并替換為工作文檔圖標(biāo)，如下:在Word中創(chuàng)建文檔.返回PowerPoint在“插入”菜單中選擇“對象...”單擊“從文件創(chuàng)建”定位“文件”框中的文件名確認(rèn)選中“顯示為圖標(biāo)”。單擊“確定”選擇圖標(biāo)從“幻燈片放映”菜單中選擇“動作設(shè)置”單擊“對象動作”，并選擇“編輯”單擊“確定”肽鍵多肽鏈可簡表如下：二肽由二個氨基酸縮合而成的叫二肽，由三個氨基酸縮合而成的叫三肽，由較多的氨基酸縮合而成的叫多肽。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)1952年丹麥人Linderstrom-Lang最早提出蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)可以分成四個層次:

一級結(jié)構(gòu)：氨基酸序列

二級結(jié)構(gòu)：α-螺旋，β-折疊等

三級結(jié)構(gòu)：所有原子空間位置

四級結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)多聚體蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子的一級結(jié)構(gòu)是指肽鏈中氨基酸的數(shù)目、種類和連接順序。不同的蛋白質(zhì)，一級結(jié)構(gòu)不同。1954年英國生化學(xué)家Sanger報道了牛胰島素的一級結(jié)構(gòu)，是世界上第一例確定一級結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)。Sanger由此1958年獲Nobel化學(xué)獎。(見新教材101頁）1965年我國科學(xué)家完成了結(jié)晶牛胰島素的合成，是世界上第一例人工合成蛋白質(zhì)。一級結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)功能的關(guān)系

許多先天性疾病是由于某一重要的蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)發(fā)生了差錯引起的。

如血紅蛋白6位谷氨酸(Glu)被纈氨酸(Val)代替（基因突變)，即表現(xiàn)為鐮刀狀貧血，為世上最常見的血紅蛋白病。一級結(jié)構(gòu)變化，蛋白質(zhì)性質(zhì)改變蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)主要包括α-螺旋、β-折疊等。α螺旋結(jié)構(gòu)肽鏈的主鏈形成緊密的螺旋，螺旋通過氫鍵維持穩(wěn)定。蛋白質(zhì)中的肽鏈中，一些氨基酸上的羰基（C=O)能與另一些氨基酸上的氨基（N-H)形成氫鍵。肽鏈卷曲成一個螺旋結(jié)構(gòu)，其上下內(nèi)徑相同，被稱為α螺旋。蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)側(cè)視圖俯視圖α-螺旋蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)β-折疊層5.1.2核酸

核酸是生命遺傳信息的攜帶者和傳遞者。一方面對于生命的延續(xù)，生物物種遺傳特性的保持，生長發(fā)育，細(xì)胞分化等起著重要的作用。另一方面，生物變異，如腫瘤、遺傳病、代謝病等也密切相關(guān)。

核酸的分類和組成核酸分為兩大類.DNA和RNA。脫氧核糖核酸（DNA）是遺傳信息攜帶者，為雙鏈分子。核糖核酸（RNA）主要是負(fù)責(zé)DNA遺傳信息的翻譯和表達(dá)，為單鏈分子。核酸的分類核酸的組成核酸（DNA和RNA）的基本結(jié)構(gòu)單元是核苷酸。核苷酸本身由核苷和磷酸組成,而核苷則由戊糖和堿基形成DNA與RNA結(jié)構(gòu)相似，但在組成成份上略有不同。核酸核苷酸磷酸核苷戊糖堿基

DNA和RNA的基本化學(xué)組成

化學(xué)組成DNARNA

堿基

嘌呤堿

腺嘌呤（A）鳥嘌呤(G)

腺嘌呤（A）鳥嘌呤(G)

嘧啶堿胞嘧啶(C)

胸腺嘧啶(T)

胞嘧啶(C)

尿嘧啶(U)戊糖脫氧核糖核糖酸磷酸磷酸見課本103頁腺嘌呤鳥嘌呤組成核酸的堿基組成核酸的堿基尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶5-氟尿嘧啶屬于抗腫瘤藥，能干擾DNA合成。對RNA的合成也有一定的抑制作用。臨床用于結(jié)腸癌、直腸癌、胃癌、乳腺癌等。網(wǎng)絡(luò)探索—5-氟尿嘧啶不良反應(yīng)1.骨髓抑制：主要為白細(xì)胞減少、血小板下降。2.食欲不振、惡心、嘔吐、口腔炎、胃炎、腹痛及腹瀉等胃腸道反應(yīng)。3.注射局部有疼痛、靜脈炎或動脈內(nèi)膜炎。4.其他：常有脫發(fā)、紅斑性皮炎、皮膚色素沉著手足綜合征及暫時性小腦運(yùn)動失調(diào).嘌呤與痛風(fēng)痛風(fēng)是什么？原因？癥狀？影響？痛風(fēng)是一種嘌呤代謝失調(diào)的疾病，臨床特點(diǎn)是血尿酸升高。過量的尿酸，會結(jié)成晶體，沉積在關(guān)節(jié)內(nèi)，引起劇痛。癥狀：通常大拇扯首先發(fā)熱紅腫，疼痛無比。再嚴(yán)重時會影響膝、腕及踝關(guān)節(jié)，造成關(guān)節(jié)畸形僵硬。慢性痛風(fēng)可導(dǎo)致腎結(jié)石、痛風(fēng)性腎病等。

為何尿酸會過高?

尿酸是體內(nèi)嘌呤代謝的產(chǎn)物。一般情況下嘌呤的生產(chǎn)量和排泄量大約相等。如果生產(chǎn)過多或排泄不出，會代謝成尿酸囤積體內(nèi)，會導(dǎo)致血液中尿酸值升高。

嘌呤與痛風(fēng)海鮮加啤酒，痛風(fēng)跟著走。原因

海鮮含有大量嘌呤；啤酒則含有維生素B1，是嘌呤分解代謝的催化劑。嘌呤與維生素B1混合在一起，導(dǎo)致人體血液中的尿酸含量迅速增加；尿酸不能及時排出體外，就以鈉鹽的形式沉淀下來，形成結(jié)石或痛風(fēng)。這種病人嚴(yán)重時，滿身紅疙瘩，疼癢不止，無法行走。

嘌呤與痛風(fēng)預(yù)防痛風(fēng)飲食：

戒吃高嘌呤的食物：動物內(nèi)臟、海產(chǎn)、貝殼食物、肉類、蘑菇、濃湯等

宜吃的食物

多吃高鉀質(zhì)食物，如香蕉、西蘭花、西芹等。鉀質(zhì)可減少尿酸沉淀，有助將尿酸排出體外。

注意：吃海鮮不要喝啤酒核苷糖與堿基之間的C-N鍵，稱為C-N糖苷鍵。脫氧核糖核苷在DNA分子中存在4種脫氧核糖核苷胞嘧啶脫氧核苷 腺嘌呤脫氧核苷鳥嘌呤脫氧核苷胸腺嘧啶脫氧核苷核糖核苷在RNA分子中存在4種核糖核苷（胞苷）（尿苷）（腺苷）（鳥苷）胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷腺嘌呤核苷鳥嘌呤核苷核苷酸核苷酸是DNA和RNA的重復(fù)單元，它分為脫氧核糖核苷酸和核糖核苷酸。如圖：

核酸的結(jié)構(gòu)核酸的一級結(jié)構(gòu)是指組成核酸的諸核苷酸之間的連鍵的性質(zhì)和核苷酸排列順序。1953年，J.Watson和F.Crick根據(jù)DNA結(jié)晶的X-衍射結(jié)構(gòu)分析數(shù)據(jù)提出了著名的DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型。核酸的二級結(jié)構(gòu)DNA的二級結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)雙螺旋結(jié)構(gòu)是DNA二級結(jié)構(gòu)的最基本形式。DNA以雙股核苷酸鏈的形式存在，在雙鏈之間存在嚴(yán)格兩兩配對關(guān)系。堿基配對規(guī)則

（A=TG≡C）堿基互補(bǔ)配對規(guī)則DNA以雙股核苷酸鏈形式存在，在雙鏈之間存在著根據(jù)其堿基性質(zhì)的嚴(yán)格兩兩配對關(guān)系。堿基互補(bǔ)規(guī)則：一條鏈上的嘌呤堿必須與另一條鏈上的嘧啶堿相配，腺嘌呤(A)通過形成兩條氫鍵與胸腺嘧啶(T)相配；鳥嘌呤(G)經(jīng)三條氫鍵與胞嘧啶(C)相配。5.1.3生物催化劑-酶酶是一類具有催化功能的生物分子，所以又稱為生物催化劑。絕大多數(shù)的酶都是蛋白質(zhì)。酶的催化作用特點(diǎn)高效率

酶催化反應(yīng)速率一般比非酶催化反應(yīng)快1010-1014倍高度專一性酶一般只能選擇性地催化一種或一類相同類型的化學(xué)反應(yīng)在常溫、常壓和接近PH中性的生理條件下進(jìn)行反應(yīng)。胰蛋白酶胰蛋白酶的結(jié)構(gòu)排列順序

生物固氮是固氮微生物特有的一種生理功能，這種功能是在固氮酶的催化作用下進(jìn)行的。

固氮酶是一種能夠?qū)⒎肿拥€原成氨的酶。生物固氮與化學(xué)模擬固氮化學(xué)模擬生物固氮意義氮是構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本元素之一，是農(nóng)作物生長的必需營養(yǎng).化肥一般都含有氮。氨是硫銨、碳銨、尿素的合成原料之一，它是由氫氣和空氣中的氮?dú)夂铣傻?，這個過程需要在500℃、300大氣壓下進(jìn)行，還要有大型的離心壓縮機(jī)，投資大、耗能高，很不經(jīng)濟(jì)?？茖W(xué)家們爭取用化學(xué)的方法模擬生物固氮，來實(shí)現(xiàn)在溫和條件下固定空氣中的氮，這就是化學(xué)模擬生物固氮?；瘜W(xué)模擬固氮的研究，將為化學(xué)氮肥生產(chǎn)提供新型的催化劑，這對現(xiàn)代氮肥工業(yè)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都具有極其重要的意義。5.1.4遺傳密碼的破譯與中心法則的揭示(自學(xué)）DNA的復(fù)制中心法則遺傳密碼DNA的復(fù)制DNA復(fù)制的發(fā)現(xiàn)：

Watson和Crick在提出DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)之后，又提出了DNA半保留復(fù)制模型；

1958年，Meselson和Stanl采用同位素標(biāo)記的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了DNA的半保留復(fù)制。

當(dāng)DNA進(jìn)行復(fù)制時，雙螺旋結(jié)構(gòu)解開成兩條單鏈，各自作為模板，通過堿基互補(bǔ)配對原則合成與之互補(bǔ)的新鏈。在子代DNA雙鏈中，一條是來自于親代，另一條完全重新合成。這種復(fù)制方式稱為半保留復(fù)制。半保留復(fù)制親代DNA復(fù)制子代DNA

解鏈DNA的復(fù)制解旋與復(fù)制DNAATTGACCTGACTGATATGGCCGTGACTGAATTACCTGATTGACCTGACTGAATTGACCTGACTGA

DNA的半保留複製

按半保留復(fù)制方式，子代DNA與親代DNA的堿基序列一致，即子代保留了親代的全部遺傳信息，體現(xiàn)了遺傳的保守性。半保留復(fù)制的意義

遺傳的保守性，是物種穩(wěn)定性的分子基礎(chǔ)，但不是絕對的?；蛲蛔冪牭稜罴t細(xì)胞基因突變：DNA分子上核苷酸序列或數(shù)目發(fā)生改變?；蚪Y(jié)構(gòu)改變會引起生物體性狀的巨大變化。/2009_02/235012532.html(基因突變催生短腿臘腸犬