生命的化学基础和基本单位

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1、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 O C H N P S 其他 人 65% 18% 10 % 8 % 1.0 % 0.2 % 2.8 % 杆菌 69 % 15 % 11 % 8 % 1.2 % 1.0 % 5.0 % 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

2、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

3、 : （ 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。

4、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？ 人群 钙的数量（ mg） 成人 800 婴儿（ 10个月） 400 幼儿（ 3岁） 600 少年（ 10岁） 800 青年（ 12-18岁） 1000 老年 1200 孕妇 /哺乳 1500 12 钙几乎参加每一种生理代谢过程 Ca在人体中的

5、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

6、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

7、四 硒 22 人体缺乏某种微量元素会导致疾病，如缺铁导致贫血； 缺锌使免疫力下降并影响发育和智力，缺碘发生甲状腺 肿大等。若能在药物治疗的同时，辅以食补，效果将会 更好。 缺铁： 可多食黑木耳、海藻类、动物肝脏、黄花菜、血 豆腐、蘑菇、油菜、腐竹、酵母、芝麻、蚬子等。 缺锌 ：可多食鱼、牡蛎、瘦猪肉、牛肉、羊肉、动物肝 肾、蛋类、可可、奶制品、干酪、花生、芝麻、大豆制 品、核桃、糙米、粗面粉等，严重者可服用新稀宝等补 锌产品。 缺镁： 可多食海带、紫菜、芝麻、大豆、糙米、玉米、 小麦、菠菜、芥菜、黄花菜、黑枣、香蕉、菠萝等。 缺碘： 可多食海带、紫菜、海鱼、海虾等。 23 第二节 构 成生命的

8、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 24 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。 25 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 26 合成大分子 （聚合） 大分子分解 （水解） 27 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

9、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 28 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。 29 （ 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 30 各种氨基酸的区别在 侧链基团 R 31 氨基酸名称 英文缩写 简 写 氨基酸名称 英文缩写 简 写 甘氨酸 Gly G 丝氨酸 Ser S 丙氨酸 Ala A 苏氨酸 Thr T 缬氨酸 Val V

10、天冬酰胺 Asn N 异亮氨酸 Ile I 谷酰胺 Gln Q 亮氨酸 Leu L 酪氨酸 Tyr Y 苯丙氨酸 Phe F 组氨酸 His H 脯氨酸 Pro P 天冬氨酸 Asp D 甲硫氨酸 Met M 谷氨酸 Glu E 色氨酸 Trp W 赖氨酸 Lys K 半胱氨酸 Cys C 精氨酸 Arg R 参与蛋白合成的只有 20种天然 氨基酸 32 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） 33 （ 3） 单糖 多羟基醛或 多羟基酮称 为糖。 34 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

11、同出现 -， - 两种构型 35 吡喃型葡萄糖的立体构象 36 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 37 （ 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 38 碱 基 腺嘌呤 A 尿嘧啶 U 胞嘧啶 C 鸟嘌呤 G 胸腺嘧啶 T 39 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 （ dG

12、MP） 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 40 ATP参与能量代谢 cAMP和 cGMP参与 细胞信号传递 41 （ 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 C、 固醇 42 甘 油 三 酯 分 子 结 构 43 磷 脂 分 子 结 构 44 （ 1） 磷脂分子 可以看成是 一个 极性头 ， 两条非 极性尾巴

13、 。 （ 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 。 45 磷脂和细胞膜 46 （ 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 47 （ 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） 48 维生素 a： 功能：可维持正常的视觉反应、骨骼发育和上皮组织的正常形态与功能。主 要来源于牛奶、鸡蛋、鱼肝油、肝脏、深绿色或深黄色蔬菜及水果等。 过量危害：维生素 a如在体

14、内大量蓄积，可能发生骨骼脱钙、关节疼痛、皮肤 干燥、食欲减退等中毒症状。 维生素 d： 功能：活化的维生素 d可促进钙质吸收，进而使骨质钙化，维持正常的骨骼。 主要来源于鱼肝油、肝脏、蛋黄、牛奶等。 过量危害：长期大量口服维生素 d，可导致眼睛发炎、皮肤瘙痒、厌食、恶心、 呕吐、肌肉疼痛、乏力等。 维生素 e： 功能：与生殖作用有关，缺乏维生素 e容易导致不育。维生素 e在体内具有良好 的抗氧化性，可延缓细胞老化。主要来源于植物油、绿色蔬菜、动物脏器、 豆类、蛋黄、瓜果、瘦肉、花生等。 过量危害：大剂量长期服用维生素 e会引起血小板聚集，形成血栓，还可导致 胃肠功能紊乱、眩晕、视力模糊等，还可

15、引起妇女月经过多或闭经。 维生素 b6： 功能：与新陈代谢有关，故其需要量随蛋白质摄取量的多少来决定。主要来 源于麦胚、牛奶、酵母、荚豆类、肉类，尤以肝脏为佳。 过量危害：服用维生素 b6每天大于 50毫克，可引起神经系统副作用，如手脚 发麻和肌肉无力等。 49 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。 50 （ 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 51 肽链的两端具有不同结构和性 质 氨基端和羧基端 52 （ 2） 单糖通过 糖苷键 联成多糖链 53 糖苷键不同

16、导致多糖的立体结构差异 54 多糖链的两端具有不同结构和 性质 还原端和非还原端 55 （ 3） 核苷酸通过 磷酸二酯键 联 成核酸 56 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 57 5-末端 3-末端 DNA 具 有 方 向 性 磷酸基 糖基 氢键 碱基 58 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。 59 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 60 （ 1

17、） 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 61 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 62 平 行 - 折 叠 反 平 行 - 折 叠 - 螺 旋 63 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。 64 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。 65 1953年， Watson & Crick提出的模型 （ 2） 核酸的高级结构 66 DNA双螺旋结构 （ 1）两条 反向平行 的核苷酸链共同盘绕

18、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： A T； 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。 67 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

19、Thr Trp Pro Ala AA: 68 RNA为单链结构 RNA局部形成 碱基配对，形 成高级结构。 69 （ 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 70 （ 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 71 盐键 (离子键 ） 氢键 二硫键 疏水键 疏水键 72 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

20、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。 73 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。 74 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 75 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。 76 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？