[理学]第6章 生物无机化学

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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• 一个边界 • 一套执行机构 • 一套遗传机构
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人与其他生物最大的区别是什么？ 形态、语言、感情、知觉－－－
• 知—认识自己、认识世界的动机与实践
• 世界是什么样？为什么是这样？
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• 世界是什么样的？
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• 天文学、地理学、动物学、植物学、人 类学…………
• 进一步缩小分析 • 生理学、细胞学
❖ 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。
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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
❖ 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。
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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
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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。
+ H+
R
+ H+
COOH 2N C H
R
PH 1 净电荷 +1
正离子
7 0 两性离子 等电点PI
10 -1 负离子
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（三）肽与肽键
一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基之间失 水形成的酰胺键称为肽键，所形成的化合物称 为肽。
由两个氨基酸组成的肽称为二肽，由多个氨基酸 组成的肽则称为多肽。组成多肽的氨基酸单元称 为氨基酸残基。
❖由于蛋白质的分子量很大，它在水中能够形成 胶体溶液。蛋白质溶液具有胶体溶液的典型性 质，如丁达尔现象、布郎运动等。
❖由于胶体溶液中的蛋白质不能通过半透膜，因 此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除去
3.蛋白质的沉淀作用
❖蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量大小、所 带的电荷和水化作用有关。
❖改变溶液的条件，将影响蛋白质的溶解性质
• 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。
2.世界：在物理、化学、生物学、医学有了一 定发展才出现的。
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。
❖ 除甘氨酸外，氨基酸均含有一个手性-碳原子，因 此都具有旋光性。比旋光度是氨基酸的重要物理常 数之一，是鉴别各种氨基酸的重要依据。
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（3）、两性解离：等电点PI－AA分子所带的
净电荷为零（即分子内正电＝负电）时溶液的 PH值。
H3N +
COOH CH R
-H +
COO- -H +
p K 1 ' H 3N + C H p K 2 '
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第三节
学科交叉
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生物化学与其它学科的关系
有机化学
无机化学
化学
物理化学
分析化学
高分子化学
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动
植
物 生物学 物
学
学
微生物学
生理学
无机 化学
生 物
生
无 机
物
化 学
学
栽培、育种
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遗传学
生态
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第四节 蛋白质
（一）蛋白质的概述
❖ 蛋白质（protein）是最基本的生命物质之一。
❖ 1、元素组成：平均含N量约＝16%（特征代表）
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。
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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。
❖ 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
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
各种氨基酸的区别在于侧链R基的不同。20种基 本氨基酸按R的极性可分为非极性氨基酸、极性性 氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸
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2.氨基酸的性质
（1）、天然蛋白质仅有20种AA、均为- AA （2）、旋光性：＋、－（除甘氨酸没有旋光性） （3）、构型：D－、L－（除甘氨酸，天然蛋白
质的AA均为L－AA）。 （4）、构象
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（一） 核甘酸
❖ 核苷酸是核苷的磷酸酯。作为DNA或RNA结 构单元的核苷酸分别是5′-磷酸-脱氧核糖核苷 和5′-磷酸-核糖核苷。
O
HO P OH2C O B OH
O
HO P OH2C O B OH
OH OH
OH
核糖核苷酸
脱氧核糖核苷酸
B=腺 嘌 呤 ， 鸟 嘌 呤 ， 胞 嘧 啶 ， 尿 嘧 啶 或 胸 腺 密 啶
➢ 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。
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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
第6章 生物无机化学
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1
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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3
一、生命的定义
• 自我复制(self-replication) • 自我装配(self-assemble) • 自我调节(self-regulation)
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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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
❖ 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。
❖类型：不可逆变性、可逆变性（可复性）
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（五）蛋白质的生物学功能
（1）作为酶，蛋白质具有催化功能。 （2）作为结构成分，它规定和维持细胞的构造。 （3）作为代谢的调节者（激素或阻遏物），它能
协调和指导细胞内的化学过程。 （4）作为运输工具，它能在细胞内或者透过细胞
膜传递小分子或离子。 （5）作为抗体，它起着保护有机体，防御外物入
❖ 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wk.baidu.com有的性质-------胶体。
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。
生物体的化学组成
• 自然界 所有的 生命物 体都由 三类物 质组成 水、无 机离子 和生物 分子
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生命体的元素组成
➢ 在地球上存在的92种天然元素中，只有28种元 素在生物体内被发现。
➢ 第一类元素：包括C、H、O和N四种元素，是 组成生命体最基本的元素。这四种元素约占了生 物体总质量的99%以上。