大学化学第07章—生命化学基础-9-9

2021/1/11第7章生命化学基础Chapter7BasicLifeChemistry2021/1/12我们知道，地球上充满着无数的生物，从最简单的病毒、类病毒、菌藻、树草、鱼虫鸟兽到最复杂的人类，处处能觉察到生命的活动。那么所有的生物是由什么组成的呢？学过生物的人会知道，生物体主要是细胞的集合体，但是不同生物体，它的细胞的大小和形状有所不同。请问大家细胞主要由哪些物质组成的呢？如果大家课前预习过，就会知道细胞主要由蛋白质、核酸、糖类、脂类等有机化合物组成。好，接下来我将重点介绍以下几个方面内容，首先介绍的是2021/1/13本章概要7.1氨基酸、蛋白质与酶8.1.1氨基酸；8.1.2肽键和多肽；8.1.3蛋白质；8.1.4酶7.2糖与脂8.2.1糖类；8.2.2脂类7.3核酸8.3.1核酸的分类；8.3.2核苷酸的组成；8.3.3DNA的组成与结构；8.3.4结论7.4染色体、基因与遗传8.4.1染色体的组成与结构；8.4.2基因与遗传信息复习：228～245；预习：247～264；习题：13.3,13.9,13.15,13.16。2021/1/147.1氨基酸、蛋白质与酶7.1.1氨基酸(TheAminoAcids)7.1.1.1氨基酸的定义分子中同时含有氨基（-NH2）和羧基（-COOH）的有机化合物称为氨基酸。在生命体中，氨基和羧基连接在同一个碳原子上，称为-氨基酸，其结构通式为:人体内的蛋白质由20种氨基酸组成。由于所处位置的不同，20种氨基酸可以组成极大数量的不同蛋白质大分子。CCOOHNH2RH2021/1/15理论式酸性条件下碱性条件下等电点时CCOOHNH2RHCCOO-NH3RHCRHCOOHNH3CCOO-NH2RH7.1.1.2氨基酸的性质pH值的影响:在强酸性溶液中，氨基（H2N−）获得质子成为阳离子(H3N+−)；在强碱性溶液中，羧基（−COOH）失去质子成为阴离子(−COO-)；在某中性溶液中，通过分子内质子自转移生成中性内盐(H3N+−CH(R)−COO-)。2021/1/16在某pH值下,给定的某种氨基酸只生成中性内盐,此时的氨基酸在电场中既不向正极移动又不向负极移动。此时的pH值称为该氨基酸的等电点。由于不同氨基酸的等电点不同，可以用电泳法或离子交换树脂法将不同的氨基酸分离开来。2021/1/177.1.2肽键和多肽（Peptides）由一分子氨基酸的羧基(-COOH)与另一分子氨基酸的氨基（H2N-）通过脱水缩合形成肽键（-CO-NH-）:由n个氨基酸缩合形成的化合物称为n肽；n≤10时称为寡肽；n10时称为多肽；分子量104时称为蛋白质。NHHCHRCOHOHNHCR'HCOHH2NCHRCONHCHR'COOH++H2O-OH2021/1/18形成肽键后，氨基酸已不是原来的氨基酸，称为氨基酸残基，则n肽有n个氨基酸残基；氨基酸通过多肽键可以形成一条很长的链状化合物，称为多肽链。（COOH端）（NH3端）丝甘酪丙亮SerGlyTyrAlaLeuCHCCH2H3N+NOOHHCHCHNOCHHCCH2ONHCCHCH3NOCHHCOO-CH2CCH3H3CHArOH2021/1/197.1.3蛋白质（Protein）7.1.3.1定义由一条或多条多肽链组成的生物大分子称为蛋白质；每一条多肽链有二十~数百个氨基酸残基不等；各种氨基酸残基按一定的顺序排列。2021/1/1107.1.3.2蛋白质的结构一级结构：肽链上氨基酸的排布顺序为蛋白质的一级结构。二级结构：由于多肽链有规则的旋转或折叠所形成的几何走向称为蛋白质的二级结构。三级结构：螺旋形的肽链进一步折叠或卷曲形成球状或颗粒状的分子，称为蛋白质的三级结构。2021/1/111四级结构：两条或更多条肽链按一定的空间形状组合到一起所得到的结合物称为蛋白质的四级结构。2021/1/1127.1.3.3蛋白质的分类按形状分为球状蛋白和纤维状蛋白;按功能分为活性蛋白和非活性蛋白;按化学组成可分为简单蛋白和结合蛋白;等球状蛋白：是结构最复杂、功能最多样的一类蛋白质，形状近似于球形或椭球形，分子比较对称，溶解度较好，多数可溶于水或稀中性盐溶液中。如血红蛋白,肌红蛋白，球蛋白等。2021/1/113-角蛋白：存在于动物的毛发、蹄爪、羽毛、甲壳和指甲中，富含胱氨酸。-角蛋白：存在于蜘蛛丝、蚕丝、爬行动物鳞片中，又称丝蛋白，富含甘氨酸、丝氨酸和丙氨酸。胶原蛋白：是脊椎动物中含量最丰富的蛋白质(1/4~1/3)，是皮肤、软骨、动脉管壁及结缔组织的成分。纤维状蛋白：纤维状蛋白外形呈细棒状或纤维状，分子对称性差，溶解性各不相同，大多数不溶于水。在动物体内对组织器官起着支持、保护等作用，在动物体内含量丰富。2021/1/114简单蛋白：仅由-氨基酸形成的肽链组成，不含其它化学成分。如清蛋白，球白蛋白，谷蛋白等。结合蛋白质：由简单蛋白和非蛋白（辅基）组成。按结合蛋白辅基不同，可分为：脂蛋白：脂蛋白是一类由脂与蛋白质结合而成的结合蛋白质。广泛分布于生物细胞和血液中。脂蛋白的作用是输运脂质与固醇类物质。金属蛋白：蛋白质+金属离子，如血红蛋白，激素，胰岛素，等。2021/1/115色蛋白：蛋白质+显色物质，如血红蛋白，植物中的叶绿蛋白和细胞色素等。核蛋白：蛋白质+核酸，存在于所有动植物细胞核和细胞浆内，如病毒、核蛋白、动植物细胞中的染色体蛋白，等。糖蛋白是一类由糖同蛋白质结合而成的结合蛋白质。一切动、植物的组织、体液中均含有糖蛋白。糖蛋白是细胞膜的结构物质，许多激素与酶均属于糖蛋白。如胰岛素等。……2021/1/116胰岛素结构模型胰岛素是一种蛋白质类激素。在人体十二指肠旁边，有一条长形的器官，叫做胰腺。在胰腺中散布着许许多多的细胞群，叫做胰岛。胰岛素是由胰岛β细胞受内源性或外源性物质如葡萄糖、乳糖、核糖、精氨酸、胰高血糖素等的刺激而分泌的一种蛋白质激素。2021/1/117胰岛素的分子结构为51个氨基酸组成，有两个二硫键连接的两条肽链。两条肽链分别为21个氨基酸组成的A链和30个氨基酸组成的B链，氨基酸排列有种属差异。猪胰岛素与人胰岛素仅在B链第30位氨基酸上有所不同，牛胰岛素在A链上还有两个氨基酸不同。人胰岛素的一级结构2021/1/118胰岛素的作用：一、调节糖代谢胰岛素能促进全身组织对葡萄糖的摄取和利用，并抑制糖原的分解和糖原异生，因此，胰岛素有降低血糖的作用。胰岛素分泌过多时，血糖迅速下降，脑组织受影响最大，可出现惊厥、昏迷，甚至引起胰岛素休克。胰岛素分泌不足就会导致血糖升高；若超过肾糖阈，则糖从尿中排出，引起糖尿病；另外，由于血液成份中改变(含有过量的葡萄糖),亦导致高血压、冠心病和视网膜血管病等病变。2021/1/119二、调节蛋白质代谢胰岛素一方面可以促进蛋白质的合成，另一方面又能够抑制蛋白质的分解，因而有利于机体的生长。但胰岛素单独作用时，对生长的促进作用并不很强，只有与腺垂体生长素共同作用时，才能发挥明显的效应。三、调节脂肪代谢胰岛素能促进脂肪的合成与贮存，使血中游离脂肪酸减少，同时抑制脂肪的分解氧化。胰岛素缺乏可造成脂肪代谢紊乱，脂肪贮存减少，分解加强，血脂升高，久之可引起动脉硬化，进而导致心脑血管的严重疾患；与此同时，由于脂肪分解加强，生成大量酮体，出现酮症酸中毒。2021/1/120胰岛素的发现：1788年ThomasCanley(英)——证实胰腺损伤可导致糖尿病1869年Langerhans(德)——发现胰腺内具有分泌功能的细胞团1889-1893年Vonmering和Minkowski(德)——证实胰腺细胞团产生降血糖物质1893年EdouardLaguesse(法)——将胰腺细胞团命名为胰岛1909年JeandeMeyer(比利时)——将胰岛分泌的降糖物质命名为胰岛素2021/1/121JamesBCollip考立普(化学家)FrederickG.Banting(医生)获1923年诺贝尔医学奖ChariesHBest(学生助理)J.J.RMacleod麦克劳德(生理学家)获1923年诺贝尔生理学奖为纪念四位科学家为糖尿病治疗做出的杰出贡献将班廷（Banting）医生的生日（11月14日）定为世界糖尿病日1921年，加拿大班廷和贝斯特首次成功地从狗的胰脏中提取到了胰岛素。1922年开始用于临床治疗，不仅能很好的控制高血糖，也使糖尿病患者恢复原有的寿命，得到与正常人相同的享受生活的权利。那么至今用于临床的胰岛素几乎都是从猪、牛胰脏中提取的。2021/1/122班廷偶然在一篇论文中读到：如果阻塞胰脏通向十二指肠的导管，就有可能引起胰脏萎缩。班廷脑海里立即产生了一个想法：结扎狗的胰导管，等狗的胰脏外分泌组织（即腺泡）萎缩，只剩下内分泌组织（即胰岛）以后，再试图分离出胰岛素以治疗糖尿病。班延找到多伦多大学有名的糖代谢专家麦克劳德教授，允许他在暑假期间来实验室做实验，给了班廷10条狗和一名叫贝斯特的学生做助手。2021/1/1231921年5月，班廷通过切除狗的胰脏和结扎胰导管，在患有糖尿病的狗身上，共注射了75次以上的胰岛素提取液，降低了血糖和尿糖的含量，延长了狗的寿命，这些证明了提取胰岛素实验取得了初步的成功。不过，他们还面临着一个重要的问题：提取液的制备手续太复杂，而且还很不纯净，胰岛素的含量太少，无法应用于临床。此时，麦克劳德教授直接参与班廷的实验，还动员生化学家考立普等参加，在后面的实验中，考立普对于胰岛素提取液的纯化作出了重大的贡献。他们很快研制出一种方法，在酸性和冷冻的条件下，用酒精能够抑制胰蛋白酶的活性，从而直接从动物（主要是牛）胰腺里提取胰岛素，并在美国的一家制药公司进行大规模的工业生产。2021/1/1241926年，首次从动物胰脏中提取到结晶胰岛素。1955年，英国弗雷德里克·桑格首次测定了牛胰岛素的氨基酸排列顺序，并在1958年获得诺贝尔化学奖。FrederickSanger(英国)2021/1/1251965年，9月17日，中国科学家王应睐等首次完整人工合成了结晶牛胰岛素。这是当时人工合成的具有生物活性的最大的天然有机高分子化合物，实验的成功使中国成为第一个合成蛋白质的国家。70年代初期，英国和中国的科学家又成功地用X射线衍射方法测定了猪胰岛素的立体结构。这些工作为深入研究胰岛素分子结构与功能关系奠定了基础。2021/1/1267.1.4酶（Enzyme）7.1.4.1定义酶是一类由生物细胞产生的、具催化活性的特殊蛋白质。酶是人体内新陈代谢的催化剂，只有酶存在，人体内才能进行各项生化反应。人体内酶越多，越完整，其生命就越健康。2021/1/1277.1.4.2酶催化的特点酶催化的效率极高：因此只需要极微量的酶就能够保证生物体内化学反应的进行；(活化能)酶催化的专一性特强：生物体内每一种化学反应就有一种酶与之对应,如蛋白酶只能催化蛋白质水解成多肽，因此生物体内酶的种类很多。酶的活性严重依赖于温度因素。各种酶在最适温度范围内，酶活性最强，酶促反应速度最大。在适宜的温度范围内，温度每升高10℃，酶促反应速度可以相应提高1～2倍。不同生物体内酶的最适温度不同。2021/1/128一般来说，动物体内的酶最适温度在35到40℃之间，植物体内的酶最适温度在40-50℃之间；细菌和真菌体内的酶最适温度差别较大，有的酶最适温度可高达70℃。过高或过低的温度都会降低酶的催化效率，即降低酶促反应速度。最适温度在60℃以下的酶，当温度达到60～80℃时，大部分酶被破坏，发生不可逆变性；当温度接近100℃时，酶的催化作用完全丧失。2021/1/129酶的活性严重依赖于pH、重金属离子浓度等因素。酶在最适pH范围内表现出活性，大于或小于最适pH，都会降低酶活性。主要表现在两个方面：①改变底物分子和酶分子的带电状态，从而影响酶和底物的结合；②过高或过低的pH都会影响酶的稳定性，进而使酶遭受不可逆破坏。人体中的大部分酶所处环境的pH值越接近7，催化效果越好。