[理学]第6章 生物无机化学

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1.核甘
❖ 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷 键
NH2
OH
N
N
N
N
NH2 N
OH N
NN HOCH2 O
HH
H2N N N HOCH2 O
HH
HO N HOCH2 O
HH
HO N HOCH2 O
HH
H
H
H
HH
H
H
H
OH OH
OH OH
OH OH
OH OH
腺嘌呤核苷 鸟嘌呤核苷
胞嘧啶核苷 尿嘧啶核苷
第6章 生物无机化学
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概念
生物无机化学是用无机化学的原理和 方法，从分子水平来研究生物体的化学 组成，及其在体内的代谢转变规律从而 阐明生命现象本质的一门科学。
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第一节
生命
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一、生命的定义
• 自我复制(self-replication) • 自我装配(self-assemble) • 自我调节(self-regulation)
3.生化发展史： （1）静态：18世纪下半叶开始，主要工作： 组成、结构、生理功能 （2）动态：1930年后研究代谢过程 （3）50年代后：分子 生物学、蛋白质、核酸、 DNA—双螺旋模型—分子遗传学
生物无机化学在几十年中飞速发展，在较短年代里集
中着大量科学发现。其中很多都称的上是人类认识自然 界的里程碑，有划时代的意义。有相当数量的科学家因 此获得诺贝尔奖。
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进入分子原子领域
• “看不见了” • 如何研究呢？ • 化学、物理学的研究方法与手段 • 分离（有时需分解更小分子）、纯化、
化学物理分析（分子量、元素组成）
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源自http://140.112.78.220/~juang/BCbasics/Cellxx.htm#Cell0102
1969-1972, Arber(瑞士),Smith(美)与Nathans(美)在核酸限制 酶的分离与应用方面做出突出贡献,1978年共获诺贝尔奖。
1972 Berg（美）在基因工 程基础研究方面作出了杰出 成果，获1980年诺贝尔奖。 1973 Cohen等（美）用核 Paul Berg 酸限制性内切酶EcoR1，首 次基因重组成功。
鸟嘌呤Guanine
O NH
NH 2 N
O NH
N
O
H
N
O
H
N
O
H
尿嘧啶Uracil 胞嘧啶Cytosine 胸腺嘧啶Thymine
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（二） 核酸的分子结构
1.DNA的分子结构
（1）DNA的一级结构
❖ 概念：DNA的一级结构是指DNA分子中脱氧核苷酸的排列 顺序。
不同的DNA分子（或片段）其一级结构不同，即脱氧核苷酸 排列顺序不同，也就是碱基排列顺序不同。
❖ 2、基本结构单位：氨基酸（AA）
❖ 3、大小：蛋白质是大分子化合物
❖ 4、空间结构：一级结构、二级结构、三级结构、 四级结构……
❖ 5、重要性：数量多、种类多、功能多
❖ 6、蛋白质的合成：AA顺序的遗传编码
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（二） 氨基酸
• 1.结构通式
• -氨基酸
H 2N
COOH CH R
不变部分 可变部分
❖ 在电场中，如果蛋白质分子所带正电荷多于负电荷， 净电荷为正，则向负电极移动，反之，净电荷为负， 向正极移动，这种泳动现象称电泳。
❖ 蛋白质在等电点PH条件下，不发生电泳现象，利 用蛋白质的电泳现象，可以将蛋白质的电泳现，可 以将蛋白质进行分离纯化。
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2.蛋白质特有的性质-------胶体。
❖ 意义：遗传信息
❖ 基本结构单位：脱氧核糖核苷酸
❖ 连接键：3’，5’－磷酸二酯键
❖ 书写及阅读方向：从5端到3h端
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（2）DNA的二级结构 概念：DNA的二级结构是指DNA的双螺旋结构。
• DNA双螺旋结构
DNA分子由两条DNA 单链组成。
DNA的双螺旋结构是 分子中两条DNA单链之 间基团相互识别和作用 的结果。
细胞是生物体的基本结构单元
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细 胞 的 基 本 构 成
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二、生命的的共同“语言”——化 学
著名的诺贝尔奖获得者亚瑟·肯伯格 （Arthur Kornberg）在哈佛大学医学院 建校100周年时说：“所有的生命体都有 一个共同的语言，这个语言就是化学。”
DNA是生命体的“共同语言”
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1953年 Watson（美）与 Crick（英）提出DNA分子的双螺 旋结构模型，1962年共获诺贝尔奖。
弗朗西斯·克里克（Francis H. Crick）
詹姆斯·沃森（James D. Watson）
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Hamilton O. Smith Daniel Nathans Werner Arber
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Herbert Boyer Stanley Cohen
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2001 Venter（美）等报道完成了人类基因组草图测序。
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我国生物化学的开拓者——吴宪教授
蛋白质研究领域内国际上最具有权威性的综 述性丛书《Advances in Protein Chemistry》第47卷（1995年）发表了美国 哈佛大学教授、蛋白质研究的老前辈J. T. Eddsall的文章“吴宪与第一个蛋白质变性 理论（1931）Hsien Wu and the first Theory of Protein Denaturation(1931)”， 对吴宪教授的学术成就给予了极高的评价。 该卷还重新刊登了吴宪教授六十四年前关于 蛋白质变性的论文。一篇在1931年发表的 论文居然在1995年仍然值得在第一流的丛 书上重新全文刊登，不能不说是国际科学界 的一件极为罕见的大事。
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2.组成核甘的戊糖
❖ 组成核酸的戊糖有两种。DNA所含的糖为βD-2-脱氧核糖；RNA所含的糖则为β-D-核糖。
HOCH2 O OH HH
H
H
OH OH
D-核糖
HOCH2 O OH HH
H
H
OH H
D-2-脱氧核糖
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3.组成核甘的碱基
NH 2 N
N
O
N NH
N H
N
N H
N
NH 2
腺嘌呤Adenine
侵的作用。
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第五节 核酸
核酸是生物体内极其重要的生物大分子，是生命 的最基本的物质之一。最早是瑞士的化学家米歇尔于 1870年从脓细胞的核中分离出来的，由于它们是酸性 的，并且最先是从核中分离的，故称为核酸。核酸的 发现比蛋白质晚得多。核酸分为脱氧核糖核酸（简称 DNA）和核糖核酸（简称RNA）两大类，基本结构单 位都是核苷酸。
人类8种必需AA：（人体体内不能自身合成，必须 从食物中获得）
赖、色、甲硫、苯丙、苏、缬、亮、异亮
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3.氨基酸的分类
❖ 法一：按R基化学结构特点分为四大类： ❖ 1、脂肪AA（15种） ❖ 2、芳香族AA（2种）：苯丙氨酸、酪氨酸 ❖ 3、杂环族AA（2种）：组氨酸、色氨酸 ❖ 4、杂环亚AA（1种）：脯氨酸
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1.肽键（peptide bond）： 0.127nm 键长=0.132nm 0.148nm
• 肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有
明显的共轭作用。
• 组成肽键的原子处于同h一平面。
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（四）蛋白质的性质
1.蛋白质的两性解离和等电点
❖蛋白质与多肽一样，能够发生两性离解，也有等电 点。在等电点时，蛋白质的溶解度最小，在电场中 不移动。
❖ 法二：按R基极性分两类：
➢ 极性AA：11种
➢ 非极性AA：9种
❖ 法三：
➢ 1、中性AA（有极性与非极性15种）
➢ 2、酸性AA（2种）：天冬氨酸、谷氨酸
➢ 3、碱性AA（3种）：组、赖、精
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4.理化性质
（1）、物理性质：无色晶体、有味（甜、鲜、苦） 或无味，不同强度溶于水、稀酸、稀碱，但不溶于 任何有机溶剂，酒精可使AA发生沉淀。 （2）、光学性质：具旋光性，有紫外吸收现象， 波长为280nm，但仅有酪氨酸、色氨酸、苯丙氨酸 有此性质。
➢ 第二类元素：包括S、P、Cl、Ca、K、Na和 Mg。这类元素也是组成生命体的基本元素。
➢ 第三类元素：包括Fe、Cu、Co、Mn和Zn。是 生物体内存在的主要少量元素。
➢ 第四类元素：包括Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、
I、Mo、Se、Si等。
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生物分子
• 生物分子是生物体和生命现象的结构基础和 功能基础，是生物化学研究的基本对象。
❖ 在适当的条件下，蛋白质能够从溶液中沉淀出来。
❖ 蛋白质的沉淀分为可逆沉淀和不可逆沉淀。
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4.蛋白质的变性作用
❖天然蛋白质因受物理或化学因素的影响，分子构 象发生变化，致使蛋白质的理化性质和生物学功 能随之发生变化，但一级结构未遭破坏，这种现 象称为变性作用。
❖变性后的蛋白质称为变性蛋白。
❖导致蛋白质变性的因素：热、紫外光、激烈的搅 拌以及强酸和强碱等。
• 生物分子的主要类型包括：多糖、脂、核酸 和蛋白质等生物大分子。
• 维生素、辅酶、激素、核苷酸和氨基酸等。 • 七大营养要素：水、无机盐、糖、脂、蛋白
质、维生素、氧。
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第二节
发展简史
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1.中国：古代4200年前已开始造酒、酿醋、做豆腐。