《基礎生命科學》生命的基本化學組成

1、4 生命的基本化學組成,4.1 生命的化學基礎4.2 糖類化合物4.3 脂類化合物4.4 蛋白質*,主要內容,4.1 生命的化學基礎,組成生物體的主要元素包括C、H、O、N、P、S、Ca等，以上7種元素約占生物體的99.35%，其中C、H、O、N 4種元素占96%。 微量元素：Fe、Cu、Mo、Zn、Mn、Ni、I、Si等，例 Fe ：所有的生物所需； I：主要是脊椎動物所需（每天攝入0.15毫克即可滿足）。,生物

2、體的主要元素,生物具有多樣性，但生物體的化學組成基本相似。,不同的生物體，其分子組成也大體相同。,無機分子：無機鹽和水。有機分子：蛋白質、核酸、脂類和多糖是組成生物體最重要的生物大分子。哪一種分子含量最高？水是生物體內所占比例最大的化學成分。,分為無機分子和有機分子：,生物體的主要生物分子,碳原子的不同排列方式和長短是生物分子多樣性的基礎；碳原子相互連接成鏈或成環(huán)，形成各種生物大分子的基本結構。,生物大分子的基本特性,遵循共同的建

3、成和分解規(guī)律：生物大分子由簡單的單體小分子脫水縮合而成；分解時是通過水解反應；,結構復雜：構成生物分子的結構單元分子具有不同的排列組合，并可以進一步形成非常復雜的三維空間結構；,生物體中的有機化合物主要含有羥基、羰基、羧基和氨基等功能基團，這些功能基團幾乎都是極性基團。功能基團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胞中。,生物大分子的基本性質還取決于與碳骨架相連接的功能基團,糖廣泛存在于生物界，是地球上

4、數(shù)量最多的一類有機化合物。對于植物來說，占其干重的85－90％、細菌占10％－30％、動物小于2％。糖分子含C、H、O 3種元素，通常3者的比例 為1:2:1，一般化學通式為(CH2O)n。糖類包括小分子的單糖、寡糖和多糖。從化學本質上來說，糖類是多羥醛、多羥酮或其衍生物。,4.2 糖類化合物,糖類的生物學功能,作為生物體的結構成分：植物、真菌以及細菌的細胞壁；昆蟲和甲殼類的外骨骼等；作為生物體內的主要能源物質：生物氧化的燃料－－

5、葡萄糖和能量的貯存物質－－淀粉和糖原等；生物體內的重要中間代謝物質：糖類通過這些中間物質為其它生物分子如氨基酸、核苷酸以及脂肪酸等提供碳骨架；作為細胞識別的信息分子：許多膜蛋白、分泌蛋白和受體蛋白都是糖蛋白，即在特定部位結合一定量的寡糖。這些糖鏈可能起信號識別的作用。,天然的單糖一般都是D型，重要的單糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脫氧核糖等,單糖,重要的二糖包括蔗糖、麥芽糖、乳糖等,二糖（寡糖）,麥芽糖由兩分子葡萄糖單體脫水縮合

6、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,蔗糖,乳糖,重要的多糖有淀粉、糖原、纖維素、氨基葡聚糖等,多糖,葡萄糖單體聚合而成,脂類的組成及性質：脂類是脂肪、磷脂、類固醇等類化合物的總稱，是由脂肪酸和醇所形成的酯類及其衍生物脂類分子含C、H、O 3種元素，但H:O遠大于2，有些脂含P和N；各種脂類分子的結構可以差異很大，但均不溶于水，而溶于非極性溶劑；脂類主要包括：三酰甘油酯（中性酯）

7、、磷脂、類固醇、萜類以及蠟。,4.3 脂類(lipids)化合物,脂類的組成和功能,是生物膜的主要成分；主要能源物質，脂肪氧化時產生的能量大約是糖 氧化時的二倍；參與細胞的識別；是某些生物大分子的組成；生物活性物質，如b-胡蘿卜素、維生素E等；生物表面的保護層：保持體溫、水份、抗逆等。,脂類的生物學功能：,中性脂肪(動物-fat)和油(植物-oil),脂肪：甘油三酯中含較多飽和脂肪酸，且常溫下呈固態(tài)的；油：甘油三酯中含較

8、多不飽和脂肪酸，且常溫下呈液態(tài)的。,由甘油(丙三醇)和脂肪酸結合成的三酰甘油酯或稱為甘油三酯。,又稱磷酸甘油酯，甘油的一個羥基是與磷酸及其衍生物結合，如卵磷脂（磷脂酰膽堿）、腦磷脂等；磷脂是生物膜的主要成分，也是代謝中的一種甲基供體。磷酸膽堿一端為極性的頭，兩個脂肪酸一端為非極性的尾，其中一個脂肪酸通常含不飽和雙鍵，因此總有點彎折。,磷脂,類固醇也稱甾類，以環(huán)戊烷多氫菲為基礎，不含脂肪酸，但具有脂類性質，也是細胞膜的重要成分。,類固醇

9、,其中膽固醇等脂類主要存在于動物細胞內，既是細胞膜的重要成分，也是血中脂蛋白復合體的成分，與動脈硬化有關。,結構蛋白：生物結構成分，如膠原蛋白、角蛋白等；伸縮蛋白：收縮與運動，如肌纖維中的肌球蛋白等；防御蛋白：如免疫球蛋白、金屬硫蛋白等；貯存蛋白：貯存氨基酸和離子等，如酪蛋白、卵清蛋白、載鐵蛋白等；運輸?shù)鞍祝哼\輸功能，如血液中運送O2與CO2的血紅蛋白和運送脂質的脂蛋白；控制離子進出的離子泵等；激素蛋白：調節(jié)物質代謝、生長分化

10、等，如生長激素；信號蛋白：接受與傳遞信號，如受體蛋白等；酶：催化功能，包括參與生命活動的大多數(shù)酶。,4.4 蛋白質,蛋白質的主要種類和功能,氨基酸結構的共同特點在于與羧基相連的碳原子（?-碳原子）上都有一個氨基和一個R基；氨基酸呈兩性離子狀態(tài)，具有等電點；組成蛋白質的氨基酸都是L－型的，所以,蛋白質是由20種氨基酸組成的生物大分子,除Gly外其它19種氨基酸都是L-?-氨基酸。,不同氨基酸其R基各不相同，R基的結構決定了20種氨

11、基酸的特殊性質,蛋白質的特定構象即蛋白質的三維空間結構和形態(tài)對于蛋白質的功能起決定性的作用。蛋白質變性（構象發(fā)生變化）使得其特定的功能便立即發(fā)生變化。,蛋白質結構與功能的關系,蛋白質的空間結構,一級結構二級結構三級結構四級結構,蛋白質一級結構是靠共價鍵（肽鍵）維系的；而高級結構是靠非共價鍵（氫鍵、疏水鍵、離子健和范德華力）維系的。,一級結構：蛋白質的一級結構是氨基酸序列，決定許多性質與功能、決定蛋白質在細胞內的定位信號

12、、修飾信號和壽命信號（N端第一個aa殘基是Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly、Pro則蛋白質壽命長，另12種aa則壽命短）,,二級結構：多肽鏈局部折疊形成的構象單元。因為肽鏈中C原子連有O(略顯負電性), 而N原子共價結合有H(略顯正電性), 因而可形成鏈內H鍵，導致二級結構?螺旋（ ? -Helix）和 ?折疊(? -Sheet)的形成。,螺旋（?-Helix）和?折疊(?-Sheet),? -Sheet,暴露于潮

13、濕環(huán)境中幾乎可以伸長一倍，但冷卻干燥后即可收縮到原來的長度。,?－角蛋白,? －角蛋白（如絲心蛋白）,三級結構：在二級結構基礎上，整個單體蛋白質分子或亞基由于R基團的疏水性或親水性不同，可進一步形成的特定立體結構，即三級結構（體現(xiàn)生物活性）。,血紅蛋白的三級結構,2－3級結構之間又有2個結構層次：結構域（domain）和特征序列（motif）。,四級結構：在三級結構的基礎上，多亞基蛋白裝配形成特定空間徘布，即蛋白質四級結構。,血紅蛋白

14、的四級結構,Protein Misfolding Can Have Deadly Consequences:,A comparison of normal (PrPc) and abnormal (PrPsc) prion proteins:These two proteins are formed by polypeptide chains that can be identical in amino acid sequence,

15、 but they fold differently.,Soluble,insoluble,Causing “mad cow disease”,蛋白質的在溶液中的性質,,蛋白質可以變性和復性：在一些特殊條件下，如高溫、高濃度水溶性有機溶劑(如胍、脲等)中，蛋白質的次級鍵或二硫鍵斷裂或重排，造成蛋白質構象上的變化，使其功能活性喪失，這就是蛋白質的變性。變性的蛋白質分子在適宜的條件下恢復到天然構象的過程叫蛋白質的復性；對于水溶性的蛋白來說

16、，它的水溶液是親水性膠體；蛋白質表面有一層水化膜(層)；蛋白質具有鹽溶和鹽析現(xiàn)象；在280nm處有特異吸收峰；蛋白質具有特定的等電點，在這一pH值時，蛋白質所帶的正電荷與負電荷恰好相等，即靜電荷等于零。,蛋白質由氨基酸組成，有些性質與氨基酸相似，但由于蛋白質形成過程中，有新的化學鍵形成，因此，蛋白質還具有自己獨特的性質。,推薦課外選學內容：,蛋白質的分離和純化,根據(jù)分子量的大小：凝膠過濾（分子篩），凝膠電泳；利用溶解度差別的分離

17、：等電點沉淀、鹽溶和鹽析、有機溶劑分級分離、溫度控制；利用電荷不同：電泳、離子交換層析；根據(jù)配體特異性互作特性：親和層析。,推薦課外選學內容：,蛋白質可以分離和的純化：,離子交換層析,分子篩,親和層析,推薦課外選學內容：,推薦課外選學內容：,推薦課外選學內容：,生命元素中，碳元素具有特別重要的作用。生物大分子的基本性質取決于有機化合物的碳骨架和功能基團。蛋白質、核酸、脂類和多糖等，都是由含有功能基團的相同或相近的單體脫水縮合而成。

18、 糖類包括單糖、寡糖和多糖。糖是生物代謝反應的重要中間代謝物，是細胞重要的結構成分，可構成核酸和糖蛋白等重要生物大分子，糖類又是生命活動的主要能源。 脂類主要是由碳原子和氫原子通過共價鍵結合形成的非極性化合物，具有疏水性。中性脂肪和油都是由甘油和脂肪酸結合成的脂類。卵磷脂是生物膜脂質雙層的主要成分。 蛋白質是細胞最重要的結構成分并參與所有的生命活動過程。蛋白質的特定構像對于蛋白質的功能起決定性的作用。 核酸