基础生物学--化学组成与结构单位

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1、基础生物学,第二课：生物体的化学组成 与结构单位,基础生物学,2.1 生物体的基本化学基础 2.2 生物体的大分子及其功能 2.3 细胞的起源 2.4 细胞的生物学特征 2.5 细胞的分类 2.6 细胞的生长、分裂、衰老与死亡,本节纲要,2.1 生物体的基本化学基础,生物具有多样性，但化学组成基本相似。,组成生物体的主要元素包括 等，P:？,元素,C、H、O、N、P、S、Ca,以上7种元素约占生物体的99.35%，其中C、H、O、N 4种元素占96%。,Fe ：所有的生物所需；I：主要是脊椎动物所需（每天摄入0.15毫克即可满足）。,微量元素：Fe、Cu、Mo、Zn、Mn、Ni、I、Si等，,

2、不同的生物体，其分子组成也大体相同。,无机分子：无机盐和水。 有机分子：蛋白质、核酸、脂类和多糖是组成生物体最重要的生物大分子。水是生物体内所占比例最大的化学成分。,无机分子和有机分子：,分子,生物大分子的基本特性,分子建成和分解规律：小分子脱水缩合建成；大分子水解分解；,单体分子相同：一切生物体中的各类有机大分子都是分别由相同或相似的单体氨基酸、脱氧核苷酸或核苷酸 结构复杂（三维）： 结构单元不同的排列组合，形成非常复杂的三维空间结构；,碳原子是基本骨架：不同排列方式和长短；以碳原子相互连接成链或成环作为基本结构，以共价键的形式与氢、氧、氮及磷相结合。,极性功能基团：羟基、羰基、羧基、氨基、

3、巯基、磷酸基等。,生物大分子的基本性质还取决于与碳骨架相连接的功能基团,强亲水性基团适应细胞水溶性环境中的稳定性。,功能基团,2.1 生物体的基本化学基础 2.2 生物体的大分子及其功能 2.3 细胞的起源 2.4 细胞的生物学特征 2.5 细胞的分类 2.6 细胞的生长、分裂、衰老与死亡,本节纲要,糖广泛存在于生物界，是地球上数量最多的一类有机化合物。对于植物来说，占其干重的8590、细菌占1030、动物小于2。糖分子含C、H、O 3种元素，通常3者的比例 为1:2:1，一般化学通式为(CH2O)n。糖类包括小分子的单糖、寡糖和多糖。从化学本质上来说，糖类是多羟醛、多羟酮或其衍生物。,I 糖

4、类,组成,生物学功能,作为生物体的结构成分：植物、真菌以及细菌的细胞壁；昆虫和甲壳类的外骨骼等；作为生物体内的主要能源物质：生物氧化的燃料葡萄糖和能量的贮存物质淀粉和糖原等；生物体内的重要中间代谢物质：糖类通过这些中间物质为其它生物分子如氨基酸、核苷酸以及脂肪酸等提供碳骨架；作为细胞识别的信息分子：许多膜蛋白、分泌蛋白和受体蛋白都是糖蛋白，即在特定部位结合一定量的寡糖。这些糖链可能起信号识别的作用。,单糖：,分类,D型天然单糖（葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脱氧核糖等）。,寡糖：,麦芽糖由两分子葡萄糖单体脱水缩合形成 蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖缩合形成 乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖缩合而

5、成,蔗糖,分类,单糖分子的脱水缩合。,多糖：,葡萄糖单体聚合而成,分类,淀粉、糖原、纤维素、氨基葡聚糖等,脂肪、磷脂、类固醇等类化合物的总称，是由脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍生物。 含C、H、O 3种元素，但H:O远大于2，有些脂含P和N； 结构可以差异很大，但极性性质相类似。大多数不溶于水，而溶于非极性溶剂； 主要的脂类：三酰甘油酯（中性酯）、磷脂、类固醇、萜类以及蜡。,II 脂类,组成,是生物膜的主要成分； 主要能源物质，脂肪氧化时产生的能量大约是糖氧化时的二倍； 参与细胞的识别； 是某些生物大分子的组成； 生物活性物质，如b-胡萝卜素、维生素E等； 生物表面的保护层：保持体温、水份、抗逆

6、等。,脂类的生物学功能：,脂肪 油 (甘油三酯、三脂酰甘油),脂肪：含较多饱和脂肪酸， 常温下呈固态；油：含较多不饱和脂肪酸，常温下呈液态的。,由甘油(丙三醇)和脂肪酸结合成的三酰甘油酯或称为甘油三酯。,分类,结构：甘油的一个羟基是与磷酸及其衍生物结合。卵磷脂（磷脂酰胆碱）脑磷脂功能：生物膜，代谢中的甲基供体,磷脂（磷酸甘油酯）,分类,通常含不饱和双键,基础结构：环戊烷多氢菲 不含脂肪酸，但具有脂类性质 细胞膜的重要成分。,类固醇（甾类）,分类,动物细胞 细胞膜的重要成分 血脂蛋白复合体成分,*胆固醇,结构蛋白：生物结构成分（胶原蛋白、角蛋白）； 伸缩蛋白：收缩与运动（肌纤维中的肌球蛋白）；

7、防御蛋白：（免疫球蛋白、金属硫蛋白）； 贮存蛋白：贮存氨基酸和离子等（酪蛋白、卵清蛋白、载铁蛋白）； 运输蛋白：运输功能，（血红蛋白和运送脂质的脂蛋白，控制离子进出的离子泵）； 激素蛋白：调节物质代谢、生长分化等（生长激素）； 信号蛋白：接受与传递信号（受体蛋白）； 酶：催化功能，包括参与生命活动的大多数酶。, 蛋白质,蛋白质的主要种类,2D电泳 多维质谱（MALDI-TOP） 芯片技术, 蛋白质,氨基酸结构的共同特点在于与羧基相连的碳原子（-碳原子）上都有一个氨基和一个R基； 氨基酸呈两性离子状态，具有等电点(pI)，即在特定的pH值溶液中，氨基酸所带的净电荷为零，此时的pH值即为该种氨基酸

8、的等电点； 组成蛋白质的氨基酸都是L型的。（Gly）,氨基酸结构特点及基本性质, 蛋白质,组成单位：氨基酸,不同氨基酸其R基各不相同，R基的结构决定了20种氨基酸的特殊性质。, 蛋白质,一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基脱水缩合，形成肽键并生成二肽化合物。不同数目的氨基酸以肽键顺序相连形成多肽，多肽形成蛋白质分子的亚单位。, 蛋白质,蛋白质的特定构象即蛋白质的三维空间结构和形态对于蛋白质的功能起决定性的作用。 蛋白质变性（构象发生变化）使得其特定的功能立即发生变化。,结构与功能的关系, 蛋白质,蛋白质的空间结构,一级结构二级结构三级结构四级结构, 蛋白质,一级结构：氨基酸序列 性质与功能定位

9、信号修饰信号寿命信号 （N端第一个aa残基是Met、Ser、Thr、Ala、Val、Cys、Gly、Pro则蛋白质寿命长，另12种aa则寿命短）？, 蛋白质,蛋白质的寿命？寿命的长短与N端氨基酸是否有关？,二级结构：在一级结构的基础上，多肽链局部折叠形成的构象单元。因为肽链中C原子连有O(略显负电性), 而N原子共价结合有H(略显正电性), 因而可形成链内H键，导致二级结构的形成。, 蛋白质,螺旋（ -Helix） 折叠( -Sheet),三级结构：在二级结构基础上，整个单体蛋白质分子或亚基由于R基团的疏水性或亲水性不同，可进一步形成的特定立体结构，即三级结构（体现生物活性）。,血红蛋白,2种

10、中间结构层次结构域（domain）特征序列（motif）, 蛋白质,四级结构：在三级结构的基础上，多亚基蛋白装配形成特定空间徘布，即蛋白质四级结构。,血红蛋白的四级结构, 蛋白质,暴露于潮湿环境中约伸长一倍，冷却干燥后收缩。,角蛋白, 角蛋白（如丝心蛋白）,核酸是重要的生物大分子之一； 贮存遗传信息，控制蛋白质的合成，从而控制着细胞和生物体的生命过程； 核酸是由许多顺序排列的核苷酸组成的大分子，包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)； 贮存遗传信息的特殊DNA片段称为基因，它编码蛋白质的氨基酸序列。, 核酸,功能, 核酸,一级结构,每一个核苷酸含有一个戊糖分子、一个磷酸分子和一个含氮的

11、有机碱（碱基）。 脱氧核糖上第一位碳原子与嘌呤或嘧啶结合，就成为脱氧核苷，第五位碳或第三位原子再与磷酸结合，就成为脱氧核糖核苷酸（脱氧核糖核酸，脱氧核苷酸）。,核苷酸,核酸的基本组成,DNA的碱基是 A、T、G、C;RNA的碱基是 A、U、G、C。, 核酸,一级结构,多个核糖核苷酸以磷酸二酯键相连成长链的多核苷酸分子，即成为核酸的基本结构。,核酸, 核酸,一级结构, 核酸,空间结构,二级结构：两条多核苷酸长链以反向平行盘绕而成的双螺旋状结构。B-DNA、 A-DNA Z-DNA,Chargaff（(1905-2002) 法则（1950）：,同一物种碱基组成相同，且不受年龄、营养状况及环境的影响

12、（对维持物种的稳定性起很重要的作用）；不同的物种DNA的碱基组成具有独特性。,DNA分子碱基组成中腺嘌呤和胸腺嘧啶的摩尔数相等，即A=T, 鸟嘌呤和胞嘧啶的摩尔数也相等，即GC，嘌呤的总数=嘧啶的总数 ，即A+G=C+T。, 核酸,核酸的空间结构是由许多顺序排列的核苷酸单体组成的大分子，具有复杂的高级结构。, 核酸,DNA分子为二条多核苷酸链以一共同轴为中心，盘绕成右手双螺旋结构。螺旋直径2nm。螺旋盘绕形成链间的两种沟，即宽的大沟与狭窄的小沟。 二条多核苷酸链的走向相反，通常取左侧链从上到下为53端，右则链从下向上为53端，这样二条链构成反平行排列的双螺旋。 二条多核苷酸链借氢键而连系在一起

13、。其中的氢键是一条链上碱基的-NH2的氢与另一链上碱基的氧或氮形成。T与A之间有二个氢键，G与C之间有三个氢键。这种相配关系称为碱基互补或碱基配对。由于二条链中碱基互补，所以二链彼此又称为互补链。,DNA及其双螺旋结构的发现,1951年 Watson 丹麦的哥本哈根 Wilkins教授 英国剑桥大学Cavendish实验室 Crick 伦敦大学Kings实验室 女科学家Franklin Wilkins教授 Randall教授 DNA应该是双螺旋 A与T、 C与G巧妙连接 符合X衍射数据 DNA的复制 1953年2月28日，Waterson 和Crick用金属线又制出了新的DNA模型，他们为自然

14、科学树立了一座闪闪发光的里程碑。,糖类分子在现代医学上的意义；现今蛋白质研究的方法和瓶颈；脂类分子在生理学中的意义；DNA分子结构研究的最新进展,小结,2.1 生物体的基本化学基础 2.2 生物体的大分子及其功能 2.3 细胞的起源 2.4 细胞的生物学特征 2.5 细胞的分类 2.6 细胞的生长、分裂、衰老与死亡,本节纲要,2.3 细胞的起源,进化论者：生命以一种自发的方式开始，从无生命的化学物质经由纯粹自然的过程而来。在地球降温到合适的程度时，简单的气体，如：氢、氮、氨、二氧化碳等混合在一起，起化学反应，产生基本的氨基酸(amino acids)，适当的时候便发展成为DNA的链，最终成为细

15、胞。,可能：1、花费几十亿年的时间2、有赖太阳额外的能量；3、火山的作用；4、雷电、宇宙射线等共同维系,Stanley Miller & Harold Urey,2.3 细胞的起源,Prof. Dr. Sir Fred Hoyle（英国天文学家、数学家 1915-2001）,1040000 年,1967年 诺贝尔化学奖获得者Prof. Dr. Manfred Eigen, 1927-,一个普通的基因平均有 221 个核糖或字母；如果让 4 个核糖字母（ A. C. G. T. ）自己胡乱地串联起来，它刚巧碰出一个特别基因的可能性是多少？,A,4 分之 1,AT,42 分之 1,221,4221

16、 分之 1,10133 分之 1,十万亿 亿（ 16 个亿字）分之一,生命的特征：,应激性和适应性,信息传递,主动行为,被动行为,新环境下特征的保存,随机性？,生物分子,细胞,49,细胞学说,1855年，Virchow完善细胞学说。1.所有生物都由细胞和细胞的产物组成；2.新的细胞必须经过已存在的细胞分裂而产生。,2.3 细胞的起源,细胞的起源与进化阶段,1. 从原始生命到原始细胞,主要标志：原始界膜的产生,病毒：由细胞衍生 枝原体：独立生活或胞内寄生，0.1 0.3 Nanobacteria：极微小的细胞生命，可至0.01,2.3 细胞的起源,2. 从原始细胞到原核细胞的前体,3. 从原核细胞到真核细胞,4. 真核细胞起源,结构推测原始的基因、基因组 + 膜系统 （ ？）,2.3 细胞的起源,