医学生物学第二章 生命的物质基础

第二章 生命的物质基础,学习目标 掌握遗传物质DNA和RNA的结构与功能 熟悉蛋白质的分子结构和功能 熟悉酶的概念和催化特性 了解原生质的概念及原生质中水、无机盐、糖类、脂类等化合物的构成和功能,医 学 生 物 学,第二章 生命的物质基础,原生质：决定生命的物质，即组成细胞的全部生命物质。 细胞的主要元素： 原生质中化学元素有50多种，主要包括C、H、O、N、P、S、Ca等，以上7种元素约占生物体的99.35%，其中C、H、O、N 四种元素约占90%。,细胞的化学组成,医 学 生 物 学,微量元素： Si 、Fe、Cu、Mo钼、Zn、Mn、Ni镍、I、Ba钡、Co钴等，含量虽少，但是缺一不可。 Fe ：所有的生物所需；缺乏可导致贫血。成年男性需摄入15mg/天，成年女性20mg/天，孕妇25mg/天 I：主要是脊椎动物所需。需摄入0.15mg/天。缺乏会引起地方性甲状腺肿。 Cu：缺乏可引起各种疾病。需摄入0.03mg/天,细胞的化学组成,组成生物体的化学元素在非生物界都能找到，没有一种元素为生物特有。生命的物质基础来源于非生命物质 组成生命的化学元素常以化合物形式存在，并按特定方式结合，组成复杂的生命体系。生物与非生物又存在本质区别,医 学 生 物 学,细胞的化学组成,医 学 生 物 学,无机化合物：水和无机盐。 有机化合物：糖类、脂类、维生素、蛋白质、核酸。 生物大分子：蛋白质、核酸由于分子量巨大，结构复杂，具有生物活性，故有此称。,第一节 无机化合物,一、水 1. 在原生质中含量最高（60%95%）； 2. 不同器官含水量不同，骨骼22%，肌肉76%，脑86%，眼玻璃体99%； 3. 水的含量随年龄、性别的不同而不同。水的含量随人年龄的增长而递减。男性总体水含量多于女性。（女性总体脂含量多于男性）；,医 学 生 物 学,一、水,4. 原生质中两种存在形式：游离水（自由流动；绝大部分）、结合水（细胞结构成分）； 5. 生理功能：1）良好的溶剂（极性） 2）参与细胞内各种代谢活动 3）调节体温（水比热大；排汗） 4）润滑剂,医 学 生 物 学,二、无机盐,1. 在原生质中含量约1%，多以离子形式存在。 2. 含量较高的阳离子：K+,Na+,Ca2+,Mg2+等；阴离子主要有：Cl-,SO42-,HCO3-,PO43-等； 3. 无机盐的主要功能： 1）参与构成某些蛋白质或酶（Fe2+参与血红蛋白的组成）。 2）调节细胞内外的pH值（血浆中 H2CO3/HCO3缓冲液）,医 学 生 物 学,二、无机盐,3）维持细胞的膜电位，如K+、Na+等离子。（如静息电位，极化状态） 4）维持细胞内外的渗透压，如0.9%NaCl。,医 学 生 物 学,二、无机盐,4. 无机离子在细胞内外液中分布和含量有很大差别，且保持稳定比例，若比例失调会导致疾病。 例：血液中Ca2+含量偏低会导致抽搐，Fe2+缺乏导致缺铁性贫血。,医 学 生 物 学,第二节 有机化合物,一、糖类 C、H、O 1. 又称碳水化合物，分子式缩写(CH2O)n 2. 根据糖的水解情况可分为单糖、双糖和多糖。 3. 单糖：不能被水解成更简单类型的糖（多羟基醛/酮）；常见的单糖有葡萄糖（血糖）、果糖、核糖（构成RNA）、脱氧核糖（构成DNA）等； 4. 双糖：由两分子单糖脱去一分子水缩合而成的糖；常见的双糖有蔗糖、乳糖、麦芽糖，多为储存的营养物质或代谢中间产物。,医 学 生 物 学,一、糖类,一、糖类,5. 多糖：由10个以上单糖脱水缩合而成的糖，分子量可达几万至几百万；主要包括淀粉（主食）、纤维素（蔬菜，木材50%，棉花90%）和糖原（肝糖原-血糖、肌糖原-肌肉运动；储能）。 6. 糖的主要功能： 1）供能。人体所需能量50%70%来自糖类； 2）参与物质构成。参与细胞壁、细胞膜、核酸、免疫球蛋白构成。,医 学 生 物 学,二、脂类,1.脂类是脂肪、类脂和固醇类化合物的总称； 2.脂类难溶于水，易溶于有机溶剂； 3.元素构成主要为C,H,O三种，有些脂类还含有N,P等元素。,医 学 生 物 学,二、脂类,1）脂肪：由一分子甘油和三分子脂肪酸结合而成，是动植物细胞储存脂类的主要形式。,医 学 生 物 学,二、脂类,1）脂肪：储能、供能的重要物质，提供20%30%人体需能；还有保护、固定内脏器官和维持体温等作用。 2）类脂：甘油、脂肪酸、磷酸和含氮碱四部分组成；人体重要的类脂是磷脂类，主要有磷脂酰胆碱（卵磷脂）和磷脂酰乙醇胺（脑磷脂）。 3）固醇类化合物：主要包括胆固醇、胆汁酸、性激素、维生素D等；在维持细胞结构和正常代谢等方面起调节作用。,医 学 生 物 学,二、脂类,磷脂分子： 一端由甘油、磷酸和含氮碱组成，易于与水相溶，称为亲水端；另一端则由两条脂肪酸链构成，不溶于水，称为疏水端。 磷脂是构成细胞膜及细胞内各种膜结构的主要组成成分。,医 学 生 物 学,三、维生素,1.维生素（vitamin，vit）是机体维持正常功能所必需，但在人体内不能合成，必须由食物供给的一类小分子有机化合物。 2.根据溶解性不同，可把维生素分为脂溶性维生素（A、D、E、K）和水溶性维生素（B族、C）。 3.维生素每日需要量很少，非结构非供能物质，但在调节物质代谢和维持生理功能等方面发挥重要作用。,医 学 生 物 学,三、维生素,4.维生素缺乏症： 缺乏vitA引起夜盲症、干皮病等； 缺乏vitD，儿童导致佝偻病，成人引起软骨病； 缺乏vitB1可引起脚气病； 缺乏vitB2可引起口角炎、唇炎、眼睑炎、畏光等症。,医 学 生 物 学,四、蛋白质,蛋白质（protein）是生物体基本组成成分，含量最丰富的生物大分子，占细胞干重50%，分子量几千到几百万。 组成元素主要为C、H、O、N、S，有些含有P及金属元素Fe、Cu、Zn等。 分布广泛，是生命活动主要物质基础和体现者。,医 学 生 物 学,（一）蛋白质的化学组成,医 学 生 物 学,氨基酸为基本构成单位,氨基酸结构通式： 20种R基？,医 学 生 物 学,（二）蛋白质的分子结构,1.氨基酸在蛋白质分子中的连接方式 (1)肽键(peptide bond)是由一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基脱水缩合而形成的化学键。 (2)肽(peptide) 1）肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化合物。 2）两分子氨基酸缩合形成二肽，三分子氨基酸缩合则形成三肽,医 学 生 物 学,医 学 生 物 学,肽键,（二）蛋白质的分子结构,3）由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡肽，由更多的氨基酸相连形成的肽称多肽。 4）肽链中的氨基酸分子因为脱水缩合而基团不全，被称为氨基酸残基(residue)。 5）多肽链(polypeptide chain)是指许多氨基酸之间以肽键连接而成的一种结构。分别有： N 末端：多肽链中有自由氨基的一端， C 末端：多肽链中有自由羧基的一端。,医 学 生 物 学,（二）蛋白质的分子结构,（3）多肽链本身并不具有生物学功能，只有当多肽链自身经过螺旋、折叠、盘曲等复杂变化，形成特定空间结构的蛋白质，才具有生物学功能。,医 学 生 物 学,蛋白质的一级结构,蛋白质的二级结构,螺旋,医 学 生 物 学,蛋白质的三级结构,医 学 生 物 学,蛋白质的四级结构,指亚基集结的结构 并不是所有蛋白质都有四级结构,医 学 生 物 学,蛋白质的结构层次,医 学 生 物 学,（二）蛋白质的分子结构,（4）蛋白质变性：蛋白质的空间结构具有相对的不稳定性，当受到外界环境影响时，蛋白质的空间结构将发生改变或被破坏，蛋白质的理化性质也将发生相应改变，甚至丧失生物活性。 1）物理因素：如加热、紫外线、高压等 2）化学因素：如酸、碱、有机溶剂、重金属离子等,医 学 生 物 学,（二）蛋白质的分子结构,（5）不同蛋白质多肽链数目不同（1条，2条，多条）；组成的肽链可相同也可不同；再加上每种蛋白质种类数目排列顺序多变，故构成种类繁多的蛋白质。 （6）蛋白质种类的多样性和结构的复杂性，是生物种类多样性和生命现象复杂性的物质基础。例如人、牛胰岛素差别仅在B链第30位氨基酸的不同。,医 学 生 物 学,（三）蛋白质的功能,1.结构和支持作用：胶原蛋白、角蛋白、胞质中结构蛋白。 2.催化作用：酶是具有生物催化活性的蛋白质。 3.调节作用：体内有些激素属于蛋白质，如胰岛素、生长素。 4.运输作用：血液中运送O2与CO2的血红蛋白和运送脂质的脂蛋白；控制离子进出的离子泵等；,医 学 生 物 学,（三）蛋白质的功能,5.防御作用：免疫球蛋白、抗体、金属硫蛋白等 6.运动功能：肌肉收缩、细胞分裂、细胞运动都与蛋白质有关。如肌纤维中的肌球蛋白等； 7.贮存蛋白：贮存氨基酸和离子等，如酪蛋白、卵清蛋白、载铁蛋白等； 8.信号蛋白：接受与传递信号，如受体蛋白等；,医 学 生 物 学,五、酶,（一）酶的概念 酶（enzyme）是由活细胞合成的、具有高度催化效能的一类特殊蛋白质；是催化体内代谢反应的最主要催化剂。 核酶（ribozyme）和脱氧核酶（deoxyribozyme）是具有高效、特异催化作用的核糖核酸和脱氧核糖核酸，近年发现，数量少，主要作用于核酸。,医 学 生 物 学,五、酶,根据酶组成成分可分为单纯酶（全蛋白质，如淀粉酶、脂肪酶）和结合酶（蛋白质+辅助因子，如脱氢酶类）。 辅助因子在催化反应中起转移电子、原子或功能基团作用，有的是金属，许多来自维生素。,医 学 生 物 学,（二）酶的催化活性,除一般催化剂特性外，还具有以下特性： 1.高度的专一性：指一种酶只能催化一种或一类底物的反应。如淀粉酶、麦芽糖酶。故体内酶种类繁多。 2.高度的催化效能：比普通催化剂高1071013倍。 3.高度的不稳定性：引起蛋白质变性的因素均影响酶的催化活性。在适宜条件下，酶催化活性较高，反之较低甚至完全失活。,医 学 生 物 学,六、核酸,核酸是重要的生物大分子之一，分子量几十万到几千万。 名称由来？ 遗传信息的贮存者和携带者，控制蛋白质的合成，从而控制着生物体的生长、发育、繁殖、遗传与变异。,医 学 生 物 学,（一）核酸的化学组成,核苷酸是核酸的基本组成单位。核酸由数十个至数千万个核苷酸聚合而成。,（二）核酸的分类,医 学 生 物 学,根据戊糖的不同而分类： 脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA） 核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）。,核苷酸的分类,核苷酸的分类,构成RNA的有四种： AMP腺嘌呤核苷酸 GMP鸟嘌呤核苷酸 CMP胞嘧啶核苷酸 UMP尿嘧啶核苷酸 构成DNA的有四种: dAMP腺嘌呤脱氧核苷酸 dGMP鸟嘌呤脱氧核苷酸 dCMP胞嘧啶脱氧核苷酸 dTMP胸腺嘧啶脱氧核苷酸,医 学 生 物 学,DNA和RNA的主要区别,戊糖不同 碱基组成不同 核苷酸种类 DNA为双链， RNA为单链 分布不同 功能不同 （详见P13 表2-1）,医 学 生 物 学,三磷酸腺苷ATP,医 学 生 物 学,（三）核酸的结构与功能,医 学 生 物 学,1. DNA的结构与功能 (1) DNA的分子结构 核苷酸之间以3，5-磷酸二酯键连接形成多核苷酸链，即核酸。,磷酸二酯键,医 学 生 物 学,医 学 生 物 学,DNA双螺旋结构模型要点,由两条方向相反，相互平行的多脱氧核苷酸链组成，以右手螺旋方式盘绕中心轴。螺旋直径为2nm，形成大沟及小沟相间。 这些沟结构与蛋白质、DNA之间的相互识别有关。,碱基对间距0.34nm，螺旋一圈10对碱基，螺距3.4nm 。,医 学 生 物 学,基本骨架：磷酸和脱氧核糖交替排列 碱基互补配对原则(A=T; GC)。,DNA的三种构象,医 学 生 物 学,(2) DNA的功能,1) 以基因的形式储存遗传信息。它是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动的信息基础。 2) 作为基因复制的模板 3) 作为基因转录的模板 基因：DNA分子中的特定功能区段。其中的核苷酸排列顺序决定了基因的功能。每个基因平均大小约1000个碱基对。 遗传信息：蕴藏在DNA分子碱基排列顺序中的信息。 进化程度越高的生物其DNA分子越大，人类基因组有3109个碱基对。,医 学 生 物 学,2) DNA的自我复制,医 学 生 物 学,复制是指以亲代DNA为模板合成子链DNA的过程。,2) DNA的自我复制,DNA合成时，以亲代DNA解开的两股单链为模板，按碱基配对规律，合成子代DNA的过程。子代DNA，一股单链来源于亲代，另一股单链为新合成。子代和亲代的DNA碱基序列一致。这种复制方式称为半保留复制。 按半保留复制方式，子代DNA与亲代DNA的碱基序列一致，即子代保留了亲代的全部遗传信息，体现了遗传的保守性。是物种稳定性的分子基础，但不是绝对的。,医 学 生 物 学,复制的半不连续性,前导链 (leading strand),滞后链 (lagging strand),顺解链方向生成的子链，复制为连续进行，称为前导链。,另一股链复制方向与解链方向相反，不能顺着解链方向连续延长，称为滞后链。,复制中不连续片段称为冈崎片段(okazaki fragment)。,前导链连续复制而滞后链不连续复制，就是复制的半不连续性。,DNA的半不连续复制,医 学 生 物 学,DNA的半不连续复制,医 学 生 物 学,3) DNA的转录（RNA的生物合成）,医 学 生 物 学,转录：以DNA一条链为模板，在RNA聚合酶的作用下，互补合成RNA的过程 。,3) DNA的转录,医 学 生 物 学,2. RNA的结构与功能,经转录