201905讲-生命的化学基础和基本单位1.ppt

1,第五讲 生命的化学基础,第一节 生命的元素组成 第二节 构成生命的基本元件,2,第一节 生命的元素组成,生命的形式多种多样，生命的形态多变，但是化学成分是同一的。 元素：无机界的 C、H 、O、N 、P 、S 分子：蛋白质、核酸、脂、糖、维生素 认识生命 认识组成生命的物质,3,1.1 哪些元素参与生物体的组成？,参与生物体组成的元素总共约二、三十种,4,常量元素,微量元素,5,“反自然” 现象,（1）自然界：C、H、O 总和 96% （2）地球表面元素的丰度最高的是O、Si、Al、Fe、Ca 在生物体内，C最高，O第3位，Ca第5，而Fe、Al和Si极微量 生命体与普通物质不同！,6,为什么是C、H、N、O?,H、O、N、C分别共用1，2，3，4个电子对，是可获得稳定构型的最小原子。 O、N、C能形成多种化学价，如：H2O2（-1），O2（0），H2O（-2） O是次于F、Cl的第三个跟原子最有亲和力的原子。,7,1.2 如何判定一种元素的营养学意义？,判定方法: （1）让实验动物摄入缺少某一种元素的膳食，观察是否出现特有的病症 （2）向膳食中添加该元素后，实验动物的上述特有病症是否消失 （3）进一步阐明该元素在身体中起作用的代谢机理,8,1925年，Cu：发生冠心病的主要原因，与酶的活性有关。 1931年，Mg、Mn、Mo：与酶的活性有关。 1934年，Zn：在青少年的发育生长，癌症等的发病和防治起有作用。 1935年，Co：与酶的活性有关。 1957年，Se：缺硒产生克山病，与肝功能，冠心病发病和防治有关。,对人体必需微量元素的认识较晚,9,其它微量元素,Fe：与氧的运送和酶的活性有关，缺少时引起缺铁性贫血。 I ：缺碘产生地方性甲状腺肿，幼儿发生呆小症。 F ：与牙齿健康有关，缺氟产生龋齿，过多则斑齿和氟中毒。 Ni：过低会引起急性白血病。 Sn：影响骨钙化速度。,10,1.3 例子,例一、钙 人每天需要摄入多少钙？ 从粪、尿、汗中排出 320-450mg 吸收率约40% 320 × 100/40 = 800 mg,11,人体每天需要补充多少钙？,12,钙几乎参加每一种生理代谢过程,Ca在人体中的含量为 1.2 kg / 70 kg （2%），骨骼及牙齿 99%，血浆中 10克。 需要 Ca 参与的生理过程： 肌肉： 肌肉收缩；免疫：白细胞吞噬功能 循环： 微循环改善；内分泌：激素分泌 骨骼： 骨骼形成；神经：应激性,13,缺钙引起的疾病,婴、幼、少儿-佝偻病 老年人-骨质疏松症 例如： 上海地区骨质疏松症患者 男 20.1%；女 48.1%， 其中60岁以上，男 24.9%；女 75.5%,14,高血压,（还带来别的效应）,缺钙,反常钙内流,血管,内壁细胞 平滑肌细胞,中钙反常积储,血管内皮细胞钙化，损伤胆固醇，脂类沉积。细胞因子分泌血小板，血细胞粘附平滑肌细胞，或纤维细胞增生导致动脉硬化,血管外周阻力增大,高血压,血管收缩,15,肾结石肾结石中主要成分是草酸钙，但是限制钙摄入恰恰会使肾结石加重。,草酸钙：草酸来自蔬菜，食物中钙可使草酸在肠道中结成草酸钙，从粪便中排出,缺钙,反常钙内流，损伤肾细胞,肾脏对钙回收功能受损,高钙尿液与尿中草酸结合形成结石,尿钙排出增多,16,影响钙吸收的因素,维生素D 促小肠吸收钙 促骨骼释放钙 促肾细胞回收钙,降血钙素 抑骨骼释放钙 抑肾细胞回收钙,甲状旁腺素 促小肠吸收钙 促骨骼释放钙 促肾细胞回收钙,17,例二 锌,18,羧基肽酶,醇脱氢酶,19,例三 铬,20,21,例四 硒,22,第二节 构成生命的基本元件 从生物小分子到生物大分子,2.1 生物小分子与生物大分子的关系 2.2 生物小分子简介 2.3 生物大分子的形成 2.4 生物大分子的高级结构,23,不同类型的细胞，分子组成大致相同，但是这些物质的相对含量相差很大。,24,2.1 生物小分子和生物大分子的关系,（由小分子到大分子）,小分子 单 糖 氨基酸 核苷酸 脂 类,大分子 多 糖 蛋白质 核 酸,复合大分子 糖蛋白 糖 脂 脂蛋白,25,合成大分子 （聚合）,大分子分解 （水解）,26,2.2 生物小分子简介,（1）水,水占生物体的 60 以上的重量 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,水对生物体非常重要,27,水影响生命活动的例子：,肺泡在水环境中保证 O2 和 CO2 的交换 水分子间氢键造成水的表面张力，可使肺泡瘪塌。 肺泡中存在一种表面活性蛋白破坏水的表面张力，使肺泡胀开。,28,（2）氨基酸,氨基酸具有碳 碳上同时连有一个氨基和羧基 大多数构成蛋白质的氨基酸具有光学异构体，均为L型,29,各种氨基酸的区别在侧链基团R,30,参与蛋白合成的只有20种天然氨基酸,31,氨基酸的功能,（1）作为组建蛋白质的元件 （2）有的氨基酸或其衍生物具有生物活性（代谢调节、信号传递等）,32,（3）单糖,多羟基醛或多羟基酮称为糖。,33,葡萄糖结构式,天然单糖 大多数是 D-型糖,吡喃型,C1上羟基位置不同出现-，-两种构型,34,吡喃型葡萄糖的立体构象,35,单糖的结构特点和生物功能,结构特点 A、有同分异构体 B、天然单糖大多数是 D-型糖 C、在水溶液中五碳糖和六碳糖多成环状的吡喃型,生物功能 A、作为多糖的组成元件 B、作为能量分子 C、组成寡糖参与细胞信号传递,36,（4）核苷酸,核苷酸分子由三个部分组成：碱基、五碳糖和磷酸 碱基糖之间是糖苷键；糖磷酸之间是磷酸酯键,37,碱 基,腺嘌呤A,尿嘧啶U,胞嘧啶C,鸟嘌呤G,胸腺嘧啶T,38,DNA水解液中 RNA水解液中 腺脱氧核苷酸（dAMP） 腺苷酸（AMP） 鸟脱氧核苷酸（dGMP） 鸟苷酸（GMP） 胞脱氧核苷酸（dCMP） 胞苷酸（CMP） 胸腺脱氧核苷酸（dTMP） 尿苷酸（UMP） 另外还有一些重要的具有生物活性的核苷酸,参加大分子核酸组成的只有8种核苷酸,39,ATP参与能量代谢,cAMP和cGMP参与细胞信号传递,40,（5） 脂类,脂类：生物体内不溶于水而溶于有机溶剂的各种小分子。 脂类种类很多，分子结构相差较大 A、中性脂肪或油：甘油三脂 B、类脂：磷脂、鞘脂和固醇,41,甘油三酯分子结构,42,磷脂分子结构,43,（1） 磷脂分子可以看成是一个极性头，两条非极性尾巴。 （2） 鞘脂分子和磷脂不同。但总体看来，也可看成一个极性头，两条非极性尾巴。,44,磷脂和细胞膜,45,（1）固醇类的内核由 4 个环组成 （2）一些人体重要维生素和激素是固醇 （3）胆固醇是细胞的必要成份 （4）血清中的胆固醇太多会促使形成动脉硬化和心脑血管疾病,46,（6） 维 生 素,维生素A （视黄醇） 维生素C （抗坏血酸） 维生素E 维生素K （血凝维生素）,47,2.3 生物大分子的形成,生物大分子主要有三大类： 蛋白质 核 酸 多 糖 它们都是由生物小分子单体通过特有的共价键联结而成。,48,（1）氨基酸通过肽键联成肽链,根据肽链的长短可分为寡肽、多肽和蛋白质,49,肽链的两端具有不同结构和性质氨基端和羧基端,50,（2）单糖通过糖苷键联成多糖链,51,糖苷键不同导致多糖的立体结构差异,52,多糖链的两端具有不同结构和性质还原端和非还原端,53,（3）核苷酸通过磷酸二酯键联成核酸,54,DNA 和 RNA 在组成成份上有差别,DNA RNA 脱氧核糖 核糖 有胸腺嘧啶 有尿嘧啶 无尿嘧啶 无胸腺嘧啶,55,5-末端,3-末端,DNA具有方向性,56,2.4 生物大分子的高级结构,由生物小分子到生物大分子，分子增大，出现新的性质。 其中最主要的特点是：生物大分子有独特的立体结构、空间构型和分子整体形状。,57,一级结构,二级结构,三级结构,四级结构,螺旋,折叠,蛋白质的高级结构,58,（1）蛋白质的高级结构,蛋白质的一级结构是指肽链中氨基酸 的排列顺序,59,邻近几个氨基酸残基形成的一定的结构形状 包括： 螺旋 折叠 转角 无规卷曲 无序结构,蛋白质的二级结构,60,平行 -折叠,反平行 -折叠,-螺旋,61,蛋白质的三级结构,整条肽链盘绕折叠形成一定的空间结构形状。如:纤维蛋白和球状蛋白。,62,蛋白质的四级结构,四级结构是各条肽链之间的位置和结构，只存在于由两条肽链以上组成的蛋白质。,63,1953年，Watson & Crick提出的模型,（2）核酸的高级结构,64,DNA双螺旋结构,（1）两条反向平行的核苷酸链共同盘绕形成双螺旋，糖磷酸糖构成螺旋主链。 （2）两条链的碱基都位于中间，碱基平面与螺旋轴垂直。 （3）两条链对应碱基呈配对关系：AT；GC （4）螺旋直径 2nm，螺距 3.4nm，每一螺距中含10bp。 DNA双螺旋可以看作是 DNA 的二级结构，DNA的三级结构的形成需要蛋白质帮助。,65,DNA分子结构的特征,原核生物DNA分子中有基因重叠现象 真核生物DNA分子中普遍存在插入顺序(内含子) 编码的核苷酸顺序就携带着遗传信息。,ATGCCGAGTCAGACTACGA,GENE,GENE2,插入顺序,编码区,DNA:ACGTGGCCAGCC,Thr,Trp,Pro,Ala,AA:,66,RNA为单链结构,RNA局部形成碱基配对，形成高级结构。,67,（3）多糖链的高级结构,不同高级结构带来不同的生物学性能 淀粉形成螺旋状，能源贮存 纤维素呈长纤维状，结构支架,糖原,淀粉,纤维素,68,（4）维持生物大分子高级结构的重要因素非共价键,氢键 盐键(离子键) 疏水键 范德华力 二硫键 脂键,69,盐键 (离子键）,氢键,二硫键,疏水键,疏水键,70,非共价键的键强度很小，所以,A、需要多个非共价键才足以维持高级结构的稳定。 B、高级结构不很稳定。生物大分子变性就是因为高级结构破坏，大分子性质改变，生物活性丧失。但是，一级结构尚未破坏。,71,RNase的变性和复性,注意：二硫键也在维持蛋白质高级结构中起重要作用。,72,蛋白质变性使高级结构破坏,变性后的蛋白质分子还能复性,73,本讲摘要,生命的形式多种多样，生命的形态多变，但是化学成分是同一的。生物体中 C、H、O 、N元素的总和超过了96%。 构成生命的小分子主要包括：水、氨基酸、糖、核苷酸、脂和维生素等。 构成生命的大分子主要包括：蛋白质、核酸和多糖等，它们都是由生物小分子单体通过特有的共价键联结而成。 生物大分子具有高级结构，即独特的立体结构、空间构型和分子整体形状等，在生物体的生理功能上起着重要作用。,74,思考题,简述蛋白质高级结构的内含和重要性 简述DNA双螺旋模型 从结构、性质和生理功能三个方面比较氨基酸、糖、脂和核苷酸四大类生物小分子 维持蛋白质高级结构的非共价键有哪些？,