2生物化学与分子生物学部分(I) 窦震

现代生物学导论生物化学与分子生物学部分(I)窦震合肥微尺度物质科学国家实验室生命的分子组成（从化学的视角了解生命）生命的物质基础—蛋白质生命活动信息流（DNA复制、RNA转录、Protein翻译）基因工程及应用（生物技术）基因组与蛋白质组主要内容生物大分子：指的是作为生物体内主要活性成分的各种分子量达到上万或更多的有机分子。常见的生物大分子包括蛋白质、核酸、脂类、糖类。这个定义只是概念性的，与生物大分子对立的是小分子物质（二氧化碳、甲烷等）和无机物质，实际上生物大分子的特点在于其表现出的各种生物活性和在生物新陈代谢中的作用。比如：某些多肽和某些脂类物质的分子量并未达到惊人的地步，但其在生命过程中同样表现出了重要的生理活性。与一般的生物大分子并无二致。生物大分子大多数是由简单的组成结构聚合而成的，蛋白质的组成单位是氨基酸，核酸的组成单位是核苷酸……生物大分子都可以在生物体内由简单的结构合成，也都可以在生物体内经过分解作用被分解为简单结构，一般在合成的过程中消耗能量，分解的过程中释放能量。组成生物体四大类有机分子：糖类、脂类、蛋白质、核酸（从化学角度分类）另有两类具有生物学功能的有机分子（小分子）：激素、维生素（从功能角度分类）化学上各不相同具有生物活性的有机分子糖，又称碳水化合物，是多羟基醛或多羟基酮及其缩聚物和某些衍生物的总称，一般由碳、氢与氧三种元素所组成，广布自然界。碳水化合物（carbohydrate）名字的来由是生物化学家在先前发现糖类化合物的分子式都能写成Cn(H2O)m，故以为是碳和水的化合物，但是后来的发现证明了许多糖类并不合乎其上述分子式。如鼠李糖(C6H12O5)。有些符合上述通式的不是糖类，如甲醛(CH2O)等。糖为人体之重要的营养素；而核糖与去氧核糖为组成核酸的重要物质；蔗糖则是植物体内运输，并储存于植物的根或茎中。糖类糖类大致可以分为以下几类：以结构区分：单糖：糖类中结构最简单的一类，是组成更复杂的碳水化合物的基本单位。所有单糖都带有甜味，都是还原糖，而且可溶于水，简单的单糖一般是含有3-7个碳原子的多羟基醛或多羟基酮。单糖可以根据每分子内碳原子的数目分成丙糖、戊糖和己糖。戊糖和己糖是最常见的碳水化合物类别，常见的戊糖有核糖和脱氧核糖，常见的己糖则有葡萄糖、果糖和半乳糖。寡糖：由2～10个单糖组成。主要分成两大类：双糖（二糖）：双糖是由两个单糖分子脱水缩合而成的糖苷，苷元是另一分子的单糖。双糖经酶水解后会生成两个分子的单糖。双糖的例子有乳糖、蔗糖、麦芽糖。除了蔗糖，其余的双糖也是还原糖。低聚糖指由3~10个单糖组成的糖，如低聚麦芽糖、低聚果糖、环糊精等。它们不易被人体的消化道酶分解，故属于低热量的甜味料，能促进肠内有益细菌的繁殖。多糖：由10个以上单糖分子聚合而成。经水解后可生成多个单糖或低聚糖。根据水解后生成单糖的组成是否相同，可以分为：同聚多糖：同聚多糖由一种单糖组成，水解后生成同种单糖。如阿拉伯胶、糖原、淀粉、纤维素等。杂聚多糖：杂聚多糖由多种单糖组成，水解后生成不同种类的单糖。如粘多糖、半纤维素等。以官能基区分：醛糖——具醛基的糖酮糖——具酮基的糖葡萄糖(Glucose)，又称为血糖、玉米葡糖、玉蜀黍糖，甚至简称为葡糖，分子式C6H12O6，是自然界分布最广且最为重要的一种单糖，它是一种多羟基醛。水溶液旋光向右，故亦称“右旋糖”。葡萄糖在生物学领域具有重要地位，是活细胞的能量来源和新陈代谢中间产物。植物可通过光合作用产生葡萄糖。在糖果制造业和医药领域有着广泛应用。葡萄糖：最重要的单糖物理性质：旋光性：单糖具有不对称碳原子，故又旋光性。旋光物质使平面光偏振面发生旋转的能力称旋光性、光学活性或旋光度。甜度：常以蔗糖为标准，定为100，果糖、葡萄糖、麦芽糖的相对甜度为173、74、32。溶解度：易溶于水。化学性质：D-葡萄糖具有一般醛糖的化学性质：在氧化剂作用下，生成葡萄糖酸，葡萄糖二酸或葡萄糖醛酸；在还原剂作用下，生成山梨醇；在弱碱作用下，葡萄糖可与另两种结构相近的六碳糖──果糖和甘露糖──三者之间通过烯醇式相互转化。化学结构与构象：吡喃型环状结构，船式结构vs.椅式结构天然的葡萄糖，无论是游离的或是结合的，均属D构型，在水溶液中主要以吡喃式构形含氧环存在，为α和β两种构型的衡态混合物。葡萄糖：理化性质二糖：由两个单糖分子经缩合反应除去一个水分子而成的糖。糖苷键麦芽糖（葡萄糖+葡萄糖）、蔗糖（葡萄糖+果糖）、乳糖（半乳糖+葡萄糖）以蔗糖为主要成分的食糖根据纯度的由高到低又分为：冰糖（99.9%）、白砂糖（99.5%）、绵白糖（97.9%）和赤砂糖（也称红糖或黑糖）（89%）。多糖：储存多糖(淀粉,糖原)、结构多糖(纤维素,几丁质)淀粉(starch)：由直链淀粉和支链淀粉组成的混合物。前者为无分支的螺旋结构；后者以24~30个葡萄糖残基以α-1,4-糖苷键首尾相连而成，在支链处为α-1,6-糖苷键。淀粉遇碘呈蓝黑色，是淀粉螺旋中央空穴恰能容下碘分子，通过范德华力，两者形成一种蓝黑色错合物。糯米与其他稻米的最主要分别是它所含的淀粉中以支链淀粉为主，达95%至100%，因而煮后较具黏性。糖原(glycogen)：糖原是由葡萄糖残基构成的含许多分支的大分子高聚物。分子量一般在10*6-10*7道尔顿，可高达10*8道尔顿，是体内糖的贮存形式，分子中葡萄糖主要以α-1，4-糖苷键相连形成直链，其中部分以α-1，6-糖苷键相连构成枝链，糖原主要贮存在肌肉和肝脏中，肌肉中糖原约占肌肉总重量的1-2%，肝脏中糖原占总量6-8%。肌糖原分解为肌肉自身收缩供给能量，肝糖原分解主要维持血糖浓度。甲壳素(C8H13O5N)n，又名几丁质、甲壳质或壳多糖，是长链状，由约由8000个单体组成的多糖，为自然界的一种半透明而坚固的材料。甲壳素是真菌的细胞壁和节肢动物的外骨骼里的主要组成部分。几丁质被证明能用在几种医学和工业目的。纤维素(cellulose):是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖。无论一年生或多年生植物，尤其是各种木材都含布大量的纤维素。自然界中，植物体内约有50％的碳存在于纤维素的形式。棉花、亚麻、芋麻和黄麻部含有大量优质的纤维素。棉花中的纤维素含量最高，达90%以上。木材中的纤维素则常与半纤维素和木质素共同存在。纤维素是一种复杂的多糖，有8000至10000个葡萄糖残基通过β-1,4-糖苷键连接而成。天然纤维素为无臭、无味的白色丝状物。纤维素在水中有高度的不溶性，同时也不溶于稀酸、稀碱和有机溶剂，主要的生物学功能是构成植物的支持组织。膳食纤维食物纤维素包括粗纤维、半粗纤维和木质素。食物纤维素是一种不被消化吸收的物质，过去认为是“废物”，现在认为它在保障人类健康，延长生命方面有着重要作用。因此，称它为第七种营养素。纤维素的主要生理作用是吸附大量水分，增加粪便量，促进肠蠕动，加快粪便的排泄，使致癌物质在肠道内的停留时间缩短，对肠道的不良刺激减少，从而可以预防肠癌发生。糖代谢大多数食物中的碳水化合物在几个小时之内就会被转化成葡萄糖单糖。也有一些碳水化合物不能转化，例如果糖（fructose），虽然其也能作为细胞能量来源，但是并不会转换为葡萄糖，也不参与胰岛素-葡萄糖调节机制。另外，纤维素也不能被转换成葡萄糖，虽然其是由许多葡萄糖分子组成的长链，这是因为人类和许多动物的消化道没有能力消化它。当血液中葡萄糖的浓度升高时，比如饭后，β细胞就释放胰岛素到血液中。胰岛素使得大多数的细胞（通常的估计是全身2/3的细胞，包括肌细胞和脂肪组织）从血液中吸收葡萄糖作为他们的能量，或者转化成其它人体所需要的分子，或者储存起来。因为胰岛素是调节大多数组织细胞（主要是肌细胞和脂肪细胞，不包括中枢神经系统的神经元细胞）葡萄糖吸收的主要激素，所以胰岛素缺乏和细胞受体对胰岛素不敏感在所有类型的糖尿病中都扮演着重要的角色。胰岛素也是葡萄糖和储存于肝脏和肌肉细胞中的肝糖之间相互转换的主要控制信号，血糖浓度降低既会导致胰岛β细胞减少释放胰岛素，也会降低葡萄糖向肝糖的转化。高胰岛素水平可以加速多种生化合成的过程，比如细胞的生长和分裂、蛋白质合成和脂肪形成等。糖尿病是一种因体内胰岛素绝对或者相对不足所导致的一系列临床综合症。糖尿病的主要临床表现为多饮、多尿、多食和体重下降（“三多一少”），以及血糖高、尿液中含有葡萄糖（正常的尿液中不应含有葡萄糖）等。世界卫生组织将糖尿病分为四种类型：1型糖尿病、2型糖尿病、续发糖尿病和妊娠期糖尿病，虽然每种类型的糖尿病的症状都是相似甚至相同的，但是导致疾病的原因和它们在不同人群中的分布却不同。不同类型的糖尿病都会导致胰腺中的β细胞不能产生足量的胰岛素以降低血糖的浓度，导致高血糖症的发生。1型糖尿病一般是由于自体免疫系统破坏产生胰岛素的β细胞导致的；2型糖尿病是由于组织细胞的胰岛素抵抗（通俗地说，就是细胞不再同胰岛素结合，使得进入细胞内部参与生成热量的葡萄糖减少，留在血液中的葡萄糖增多）、β细胞功能衰退或其他多种原因引起的；妊娠期糖尿病则与2型糖尿病相似，也是源于细胞的胰岛素抵抗，不过其胰岛素抵抗是由于妊娠期妇女分泌的激素（荷尔蒙）所导致的。总的治疗原则是通过改变生活方式，包括饮食控制、体育锻炼和减轻体重，并配合一定的药物治疗，以达到控制血糖、预防并发症的目的。葡萄糖代谢三条途径葡萄糖葡萄糖-6-磷酸核糖-5-磷酸糖原丙酮酸乙酰辅酶A乳酸氨基酸糖原合成糖原降解磷酸戊糖途径糖异生糖酵解柠檬酸循环/三羧酸循环糖酵解,glycolysis是指在氧气不足条件下，葡萄糖分解为丙酮酸的过程，此过程中伴有少量ATP的生成。这一过程是在细胞质中进行，不需要氧气，每一反应步骤基本都由特异的酶催化。在缺氧条件下丙酮酸则可在乳酸脱氢酶的催化下，接受磷酸丙糖脱下的氢，被还原为乳酸。1分子葡萄糖→2分子丙酮酸+2分子ATP三羧酸循环,体内物质糖、脂肪或氨基酸有氧氧化的主要过程。通过生成的乙酰辅酶A与草酰乙酸缩合生成三羧酸（柠檬酸）开始，再通过一系列氧化步骤产生CO2、NADH及FADH2，最后仍生成草酰乙酸，进行再循环，从而为细胞提供了降解乙酰基而提供产生能量的基础。由克雷布斯（Krebs）于20世纪30年代最先提出。在三羧酸循環中，反应物葡萄糖或者脂肪酸会变成乙酰辅酶A。这种「活化醋酸」（一分子辅酶和一个乙酰基相连），会在循环中分解生成最终产物二氧化碳并脱氢，质子将传递给辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD+）和黄素腺嘌呤（FAD），使之成为NADH+H+和FADH2。NADH+H+和FADH2会继续在呼吸链中被氧化成NAD+和FAD，并生成水。这种受调节的「燃烧」会生成ATP，提供能量。三羧酸循环生理意义1、三羧酸循环是机体获取能量的主要方式。1个分子葡萄糖经无氧酵解仅净生成2个分子ATP，而有氧氧化可净生成38个ATP，其中三羧酸循环生成24个ATP，在一般生理条件下，许多组织细胞皆从糖的有氧氧化获得能量。糖的有氧氧化不但释能效率高，而且逐步释能，并逐步储存于ATP分子中，因此能的利用率也很高。2、三羧酸循环是糖，脂肪和蛋白质三种主要有机物在体内彻底氧化的共同代谢途径，三羧酸循环的起始物乙酰-CoA，不但是糖氧化分解产物，它也可来自脂肪的甘油、脂肪酸和来自蛋白质的某些氨基酸代谢，因此三羧酸循环实际上是三种主要有机物在体内氧化供能的共同通路，估计人体内2/3的有机物是通过三羧酸循环而被分解的。3、三羧酸循环是体内三种主要有机物互变的联结机构，因糖和甘油在体内代谢可生成α-酮戊二酸及草酰乙酸等三羧酸循环的中间产物，这些中间产物可以转变成为某些氨基酸；而有些氨基酸又可通过不同途径变成α-酮戊二酸和草酰乙酸，再经糖异生的途径生成糖或转变成甘油，因此三羧酸循环不仅是三种主要的有机物分解代谢的最终共同途径，而且也是它们互变的联络机构。NatCellBiol.2011Mar;13(3):310-6.NatCellBiol.2011Mar;13(3):195-7.糖原合成Glycogensynthesis磷酸戊糖途径Pentosephospha