生命物质与人体健康.pptx

基础化学基础化学8.1氨基酸、蛋白质和酶氨基酸、蛋白质和酶 8.2核酸和基因工程核酸和基因工程8.3疾病与治疗疾病与治疗 8.4生命元素与人体健康生命元素与人体健康 目目 录录 1基础化学基础化学糖蛋白质核酸氨基酸8.1 8.1 氨基酸、蛋白质和酶氨基酸、蛋白质和酶2基础化学基础化学v氨基酸是蛋白质水解的最终产物。v由蛋白质水解得到的氨基酸有20种。v蛋白质水解得到的氨基酸都是属于-氨基酸，可用如下通式表示：v不同的氨基酸仅仅是R基团部分有所不同。8.1.1 8.1.1 氨基酸氨基酸3基础化学基础化学序号序号中文名称中文名称英文缩写英文缩写结构式结构式1甘氨酸Gly(G)2丙氨酸Ala(A)3亮氨酸*Leu(L)4异亮氨酸*Ile(I)5缬氨酸*Val(V)6丝氨酸Ser(S)7苏氨酸*Ihr(T)8甲硫氨酸(蛋氨酸)*Met(M)9半胱氨酸Cys(C)10苯丙氨酸*Phe(F)20种天然氨基酸种天然氨基酸4基础化学基础化学序号序号 中文名称中文名称 英文缩写英文缩写结构式结构式11谷氨酰胺Gln(Q)12天冬酰胺Asn(N)13酪氨酸Tyr(Y)14色氨酸*Trp(W)15天冬氨酸Asp(D)16谷氨酸Glu(E)17赖氨酸*Lys(K)18精氨酸*Arg(R)19组氨酸*His(H)20脯氨酸PrO(P)20种天然氨基酸种天然氨基酸（续）（续）5基础化学基础化学表中带表中带*者为人体必需氨基酸，儿童有者为人体必需氨基酸，儿童有10种，成人则为前种，成人则为前8种。种。氨基酸特性：氨基酸特性：无色晶体，熔点较高（一般无色晶体，熔点较高（一般200）不溶于有机溶剂，易溶于水不溶于有机溶剂，易溶于水具有两性具有两性思考：什么是必需氨基酸？什么是必需氨基酸？必需氨基酸必需氨基酸人体所必需但自身不能制造的氨基酸，它们必人体所必需但自身不能制造的氨基酸，它们必须从食物中摄取。须从食物中摄取。思考：20种氨基酸都是人体必需氨基酸吗？种氨基酸都是人体必需氨基酸吗？必需氨基酸必需氨基酸6基础化学基础化学除甘氨酸外，其余除甘氨酸外，其余19种氨基酸的种氨基酸的-碳原子都与碳原子都与4个不相同的基个不相同的基团相连。这种结构的的化合物在空间有两种不同的排布：团相连。这种结构的的化合物在空间有两种不同的排布：这两种不同排布的化合物不能重叠，它们之间的关系就象这两种不同排布的化合物不能重叠，它们之间的关系就象实物和镜像、左手和右手的关系：实物和镜像、左手和右手的关系：构型异构与手性分子构型异构与手性分子7基础化学基础化学这种由于基团在空间的排列方式不同引起的异构称为这种由于基团在空间的排列方式不同引起的异构称为构型构型异构异构。这种与这种与4个不同基团相连的碳原子称为个不同基团相连的碳原子称为不对称碳原子不对称碳原子，通常用通常用*C表示：表示：*这种实物和镜像不能重叠的分子称为这种实物和镜像不能重叠的分子称为手性分子手性分子或或不对称分不对称分子子，两者称为一对，两者称为一对对映体对映体，其中一个为，其中一个为D-型，另一个为型，另一个为L-型。型。蛋白质水解得到的氨基酸都是蛋白质水解得到的氨基酸都是L-型氨基酸型氨基酸。8基础化学基础化学肽是氨基酸分子间通过肽键相连的一类化合物。由二个氨基酸缩合而成的叫二肽，由三个氨基酸缩合而成的叫三肽，由较多的氨基酸缩合而成的叫多肽。二肽8.1.2 8.1.2 多肽多肽肽键9基础化学基础化学多肽链可简单表示如下：氨基酸残基N端端C端端一种广泛存在于动植物细胞中的重要三肽，是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成。它的结构式为：命名-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸简称谷胱甘肽10基础化学基础化学肽键的结构11基础化学基础化学蛋白质是生物体内一类极为重要的功能大分子化合物。蛋白质是生物体内一类极为重要的功能大分子化合物。从最简单的病毒、细菌等微生物到高等动物，一切生命过程和繁衍活动都与蛋白质密切相关，可以说没有蛋白质就没有生命。蛋白质种类繁多，结构十蛋白质种类繁多，结构十分复杂，估计在人体内有分复杂，估计在人体内有几十万种以上的蛋白质。几十万种以上的蛋白质。8.1.3 8.1.3 蛋白质蛋白质12基础化学基础化学为了表示其不同层次的结构，常将蛋白质结构分为一级结构、为了表示其不同层次的结构，常将蛋白质结构分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。二级结构、三级结构和四级结构。但但小分子蛋白质与大分子多肽之间不存在绝对严格的分界线小分子蛋白质与大分子多肽之间不存在绝对严格的分界线。现在还认为多肽一般没有严密并相对稳定的空间结构，即其空现在还认为多肽一般没有严密并相对稳定的空间结构，即其空间结构比较易变，具有可塑性；而蛋白质分子具有相对严密，间结构比较易变，具有可塑性；而蛋白质分子具有相对严密，比较稳定的空间结构，这也是蛋白质发挥生物功能的基础，因比较稳定的空间结构，这也是蛋白质发挥生物功能的基础，因此一般此一般将胰岛素（牛胰岛素相对分子质量为将胰岛素（牛胰岛素相对分子质量为5733）划归为蛋白）划归为蛋白质质。蛋白质与多肽均是氨基酸的多聚物，通常将蛋白质与多肽均是氨基酸的多聚物，通常将相对分子质量相对分子质量在在10000以上的称为蛋白质，以上的称为蛋白质，10000以下的称为多肽。以下的称为多肽。13基础化学基础化学蛋白质分子的蛋白质分子的一级结构一级结构是指多肽链中氨基酸残基的连接方式是指多肽链中氨基酸残基的连接方式和排列顺序。和排列顺序。不同的蛋白质，一级结构不同。蛋白质的一级结构是由基因上的遗传密码的排列顺序决定蛋白质的一级结构是由基因上的遗传密码的排列顺序决定的。的。一级结构一级结构最为重要，它包含着最为重要，它包含着决定蛋白质空间结构决定蛋白质空间结构的的基本因素，也是蛋白质生物功能的多样性和种属特异性的基本因素，也是蛋白质生物功能的多样性和种属特异性的结构基础。结构基础。1.蛋白质的一级结构蛋白质的一级结构14基础化学基础化学A链含有11种共21个氨基酸残基，N-端为甘氨酸，C-端为天冬酰胺，A链本身的6位和11位上的二个半胱氨酸通过二硫键相连成环；B链含16种共30个氨基酸残基，其N-端为苯丙氨酸，C-端为丙氨酸。牛胰岛素的一级结构示意图牛胰岛素由二条肽链共51个氨基酸残基组成15基础化学基础化学1965年我国科学工作者在世界上首次用人工方法合成具有全部生物活性的结晶牛胰岛素。蛋白质的人工合成不仅在哲学上、理论上有重大意义，而且为合成比天然产物更有效的多肽抗生素、激素等药物开辟了广阔前景。16基础化学基础化学蛋白质的蛋白质的空间结构空间结构又叫蛋白质的又叫蛋白质的构象构象、高级结构高级结构、立体结立体结构构、三维结构三维结构等，指的是蛋白质分子中所有原子在三维空等，指的是蛋白质分子中所有原子在三维空间中的排布。间中的排布。维持蛋白质分子构象的作用力有：氢键、盐键、疏水键、范维持蛋白质分子构象的作用力有：氢键、盐键、疏水键、范德华力和二硫键等。德华力和二硫键等。蛋白质的空间结构主要包括蛋白质的二级结构、三级结构和四蛋白质的空间结构主要包括蛋白质的二级结构、三级结构和四级结构。级结构。最早研究蛋白质空间结构的上世纪最伟大的化学家最早研究蛋白质空间结构的上世纪最伟大的化学家L.Pauling，在在20世纪世纪30年代就开始应用年代就开始应用X-衍射方法来研究蛋白质晶体结构。衍射方法来研究蛋白质晶体结构。1951年首先提出了蛋白质的立体结构模型：年首先提出了蛋白质的立体结构模型：-螺旋和螺旋和-折叠。折叠。2.蛋白质的空间结构蛋白质的空间结构17基础化学基础化学维持蛋白质分子构象的各种作用力维持蛋白质分子构象的各种作用力a氢键；b盐键；c疏水键；d二硫健18基础化学基础化学蛋白质的蛋白质的二级结构二级结构是指多肽链的主链骨架中若干肽段在空间是指多肽链的主链骨架中若干肽段在空间的伸展方式。的伸展方式。维系主链构象稳定的最主要因素是主链的羰基和亚氨基之间维系主链构象稳定的最主要因素是主链的羰基和亚氨基之间所形成的氢键：所形成的氢键：蛋白质的二级结构最重要的是蛋白质的二级结构最重要的是-螺旋螺旋和和-折叠折叠，还有，还有-转角转角和和无规卷曲无规卷曲等。等。（1）蛋白质的二级结构）蛋白质的二级结构19基础化学基础化学在在-螺旋螺旋结构中，结构中，多肽链中各肽键平面多肽链中各肽键平面通过通过-碳原子的旋转，碳原子的旋转，围绕中心轴形成一种围绕中心轴形成一种紧密螺旋盘曲构象。紧密螺旋盘曲构象。绝大多数蛋白质分子绝大多数蛋白质分子中所存在的中所存在的-螺旋几螺旋几乎都是右手乎都是右手螺旋。螺旋。-螺旋螺旋结构结构20基础化学基础化学-螺旋其结构特点如下：肽链呈螺旋上肽链呈螺旋上升，每相隔升，每相隔3.6个氨基酸残基个氨基酸残基上升上升1圈，每圈，每个氨基酸残基个氨基酸残基沿轴旋转沿轴旋转100，沿轴向升高，沿轴向升高0.15nm，故螺，故螺距约为距约为0.54nm；21基础化学基础化学螺旋间靠氢键维系，氢键是螺旋间靠氢键维系，氢键是由同一条主链上一个氨基酸由同一条主链上一个氨基酸残基中的残基中的C=O氧与后面第四氧与后面第四个氨基酸残基中的个氨基酸残基中的N-H氢形成，氢形成，方向与螺旋轴大致平行，由方向与螺旋轴大致平行，由于每个肽键中的于每个肽键中的C=O和和N-H都都参与形成链内氢键、故保持参与形成链内氢键、故保持了了-螺旋的最大稳定性。螺旋的最大稳定性。22基础化学基础化学-螺旋的四种表示方法23基础化学基础化学-折叠一般有两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段共同参与形成，它们平行排列，并在两条肽链或一条肽链内的两个肽段之间以氢键维系而成。-折叠结构24基础化学基础化学纤维状蛋白质纤维状蛋白质一般只有一类二级结构构象单元，而一般只有一类二级结构构象单元，而球状蛋白质球状蛋白质可能在同一分子内有几类二级结构构象单元。可能在同一分子内有几类二级结构构象单元。蛋白质的蛋白质的三级结构三级结构是指是指蛋白质（主要指球状蛋蛋白质（主要指球状蛋白）分子在二级结构的白）分子在二级结构的基础上依靠非共价键力基础上依靠非共价键力进一步卷曲、折叠而构进一步卷曲、折叠而构成的一种不规则的、特成的一种不规则的、特定的、更复杂的空间结定的、更复杂的空间结构。构。-转角转角-折迭折迭-螺旋螺旋无规卷曲无规卷曲(2)蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构25基础化学基础化学抹香鲸肌红蛋白的三级结构 存在于哺乳动物存在于哺乳动物（鲸、海狗和海豚）（鲸、海狗和海豚）肌肉中的肌红蛋白肌肉中的肌红蛋白是一种较小的球状是一种较小的球状蛋白，它是由一条蛋白，它是由一条含含153个氨基酸残基个氨基酸残基组成的多肽链。主组成的多肽链。主链中链中75绕曲成绕曲成8段段比较直的比较直的-螺旋。螺旋。26基础化学基础化学1971年年我国科学工作者我国科学工作者全部完成了全部完成了0.25nm分辨率的猪胰岛素晶体结构的分辨率的猪胰岛素晶体结构的测定工作。测定工作。1974年又完成了分辨率为年又完成了分辨率为0.18nm的胰岛素晶体结构的分析工作。的胰岛素晶体结构的分析工作。我国测定绘制的猪胰岛素空间结构示意图猪胰岛素结构猪胰岛素结构27基础化学基础化学蛋白质的四级结构中的每一个具有三级结构的多肽链称为蛋白质的四级结构中的每一个具有三级结构的多肽链称为亚亚基基（或（或亚单位亚单位）。一般亚基多为偶数，较小的蛋白质亚基数）。一般亚基多为偶数，较小的蛋白质亚基数一般为一般为210个，多的可达上千个。个，多的可达上千个。血红蛋白血红蛋白有两条有两条-链、两条链、两条-链，链，-链含链含141个氨基酸残基，个氨基酸残基，-链含链含146个氨基酸残基（个氨基酸残基（共共4个亚基、近于一个直径为个亚基、近于一个直径为5.5nm的球体的球体）。）。很多蛋白质是以三级结构的球状蛋白质的聚集体形式存在的。很多蛋白质是以三级结构的球状蛋白质的聚集体形式存在的。这种由球状蛋白质通过非共价键彼此结合在一起的聚集体称这种由球状蛋白质通过非共价键彼此结合在一起的聚集体称为蛋白质的为蛋白质的四级结构。四级结构。溶菌酶、肌红蛋白等无四级结构。溶菌酶、肌红蛋白等无四级结构。(3)(3)蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构28基础化学基础化学血红蛋白的四级结构 29基础化学基础化学酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为为生物催化剂生物催化剂。绝大多数的酶都是蛋白质。绝大多数的酶都是蛋白质。酶的辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度与作用特点不同酶的辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度与作用特点不同又可分为又可分为辅酶辅酶或或辅基辅基。非蛋白质部分非蛋白质部分(辅助因子辅助因子)8.1.4酶和酶工程酶和酶工程酶酶单纯酶单纯酶仅由氨基酸残基构成的酶仅由氨基酸残基构成的酶结合酶结合酶蛋白质部分蛋白质部分(酶蛋白酶蛋白)全酶全酶30基础化学基础化学（2）高度选择性高度选择性酶一般只能选择性地催化一种或一类相酶一般只能选择性地催化一种或一类相同类型的化学反应。酶催化的反应几乎不产生副反应。同类型的化学反应。酶催化的反应几乎不产生副反应。（1）高效性高效性酶是自然界中催化活性最高的一类催化剂。酶是自然界中催化活性最高的一类催化剂。酶的催化效率通常比非催化反应高酶的催化效率通常比非催化反应高1081022倍，比一般催化倍，比一般催化剂高剂高1071013倍。倍。（3）反应条件温和反应条件温和酶促反应一般在酶促反应一般在pH58的水溶液中的水溶液中进行，反应温度范围为进行，反应温度范围为2040。在非水溶剂中，有些酶可。在非水溶剂中，有些酶可在在100以上反应。以上反应。1.酶的催化作用特点酶的催化作用特点31基础化学基础化学其中其中E-S复合物的形成是决定反应速率的关键步骤。复合物的形成是决定反应速率的关键步骤。在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶-底物中间复底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。物再分解成产物和酶。2.酶催化反应的机理酶催化反应的机理32基础化学基础化学(1)“锁与钥匙锁与钥匙”学说学说刚性模刚性模式式(2)“诱导契合诱导契合”学说学说柔柔性模式性模式3.酶与底物结合的模式酶与底物结合的模式33