FAFU第二章生物大分子及其相互作用

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物质代谢与能量代谢相伴随。在这个过程中,ATP(三磷酸腺苷) 是 能量转换和传递的中间体。
1953年Watson 和 Crick描绘出了DNA的 双螺旋结构模型,这 在生命科学发展历史 上是一个具有里程碑 意义的重大事件 。
生命科学从此进入了 分子生物学新时代。
悼 念 克 里 克
第一节 生物活性物质的本质
一、生物活性物质的属性 二、生物活性分子的化学本质 三、生物大分子的高聚物性质
一、生命是结构和功能高度协调的系统
生命体由有机化合物构成的生物分子组成 生命体与环境持续进行物质和能量交换 细胞内生物大分子相互处于拥挤环境 生命体能够进行自我更新
(1)生物体是由生物大分子(biomolecule)等有机物构成的
三 大 物 质 代 谢 途 径 之 间 的 联 系
三、生物大分子的高聚物特性 • 核酸(DNA和RNA) • 蛋白质 • 多糖 • 脂质
核 酸(Nucleic Acid)
核酸(DNA和RNA) 核酸分子的骨架是由核苷酸以[3’,5’]-磷酸二酯键连接
成的多核苷酸链。DNA和RNA的区别在于前者是4种脱氧核 糖核苷酸,后者为4种核糖核苷酸,不同的脱氧核苷酸或核 苷酸的区别在于其碱基的不同。
(一)生物分子在化学组成上的统一性与多样性
• 对于生命个体来说,无论是原 核生物还是真核生物,其化学 组成都是蛋白质、核酸、脂类 等生物大分子和一些小分子化 合物及无机盐组成。
(二) 生物大分子中构件在代谢中的重要性
• 生物大分子中的单体不仅 作为结构单位,同时还是 合成机体时许多重要组分 的前体。尤其是单糖,脂 肪酸及氨基酸也是机体中 间代谢的重要枢纽。
代号
C 4:0 C 6:0 C 8:0 C10:0 C12:0 C14:0 C16:0 C16:1,n-7 cis C18:0 C18:1,n-9 cis C18:1,n-9 trans C18:2,n-6,9,all cis C18:3,n-3,6,9,all cis C18:3,n-6,9,12 all cis C20:0 C20:4,n-6,9,12,15 all cis C20:5,n-3,6,9,12,15 all cis C22:1,n-9 cis C22:5,n-3,6,9,12,15 all cis C22:6,n-3,6,9,12,15,18 all cis C24:1,n-9 cis
(3) 所有生物大分子共同存在于细胞环境中 细胞是生命的结构基础,是生物体结构功能的
基本单位。 (4) 生物体能进行自我更新
生物体能精确的自我复制、生长、繁殖,而且 在一定的条件下产生变异,产生新的生命类型, 从而对新环境表现出适应性。
二、生物活性分子的化学本质
• 尽管活细胞或生命物体是由许多无生命的有机化 合物组成,但细胞不是包容所有相遇的物质和无 选择地摄取。在生命的进化过程中,只是特定生 物分子的聚集才能使生命出现。
生物类群之间的本质差异? 生物学还原成简单的化学!
前言
一、在我们居住的地球,有大约1000万种生物。 从高山到平原,从沙膜到极地,从空中到海洋,几乎到处
都有生命的踪迹。有天上飞的,地下爬的,水中游的。 有的生物只是一个单细胞,如大肠杆菌和酵母菌;有的则
有复杂的组织和器官,象人体就有1014体细胞。 二、如果就生物大分子而言,人体大约有50000种以上的蛋白 质,同时含有数以万计的核酸及其它大分子种类。
核酸的类别与分布
➢ 核酸分为两大类: 脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic Acid, DNA) 核糖核酸(Ribonucleic Acid,RNA)
➢ RNA根据它的功能,可以分为 信使RNA(messenger RNA,mRNA) 转运RNA(transfer RNA,tRNA) 核糖体RNA(ribosome RNA,rRNA)
关于生命有机体的化学组成、生物分子,特别是生 物大分子(biological macromolecule)的结构、相互 关系及其功能。
生物大分子是由小分子单体聚合而成的多聚体。如氨基酸—蛋白 质、核苷酸—核酸、葡萄糖—淀粉等。生物大分子执行着各种各样 的生物学功能,如生物催化、物质运输、代谢调节、贮存、传递与 表达遗传信息等。 它们复杂的空间结构是其功能的化学基础。
细胞
超分子复合物 染色体,核糖体,膜,微管等
生物大分子 DNA,RNA,蛋白质,多糖,脂等
单体
核苷酸,氨基酸,单糖,脂肪酸
(2) 生物体能与环境不断地交换物质与能量 活机体中存在着一个具一定顺序、相互协调、可
自我调节的代谢网络,其中各个代谢反应都有相应的 酶催化。细胞和机体与环境保持在一个远离平衡态 的稳态(steady state)中。与此相反,无生命物质总 是趋向于与环境达成平衡。
• 脂质是一类包括许多化学上不同的物质,如 磷脂、类固醇、胡萝卜素及脂溶性维生素等。 其共同特点在于难溶于水,从结构上说不属 于高聚合物。
• 化学本质是脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍 生物,脂质的元素主要是碳、氢、氧,及氮、 硫、磷。
常见的脂肪酸
名称
丁酸(butyric acid) 己酸(caproic acid) 辛酸(caprylic acid) 癸酸(capric acid) 月桂酸(1auric acid) 肉豆蔻酸(myristic acid) 棕榈酸(palmitic acid) 棕榈油酸(palmitoleic acid) 硬脂酸(stearic acid) 油酸(oleic acid) 反油酸(elaidic acid) 亚油酸(1inoleic acid) α-亚麻酸(α-1inolenic acid) γ-亚麻酸(γ-1inolenic acid) 花生酸(arachidic acid) 花生四烯酸(arachidonic acid) 二十碳五烯酸(timnodonic acid,EPA ) 芥子酸(erucic acid) 二十二碳五烯酸(鰶鱼酸)(clupanodonic acid) 二十二碳六烯酸(docosahexenoic acid,DHA) 二十四碳单烯酸(神经酸)(nervonic acid)
脂类的功能
一、构成体质 二、功能与保护机体 三、提供必需脂肪酸与促进脂溶性维生素的吸收 四、增加饱腹感和改善食品感官性状
第二节 生物分子内相互作用的化学力
一、生物分子相互作用的化学力
• (一)扩散作用
– 分子随热运动而移动称为扩散(diffusion)。
• (二)专一性相互作用
当热运动时各种分子被带到 一起,那些表面形态相匹配 的分子正确地靠拢。促使大 分子发生特异相互反应的一 些非共价键包括离子键、氢 键和范德华力。
细胞
细胞器
生物大 分子
单体

N2
胞 CO2
H2O
细胞中的物质代谢与能量代谢
合成代谢(anabolism): 将小分子的前体(precursor)经过特 定的代谢途径构建成较大的分子,并且消 耗能量。
分解代谢(catabolism): 将较大的分子经过特定的代谢途径, 分解成小的分子并且释放出能量。
现已知道,在DNA、基因或RNA水平,存在各种体现功 能结构域,结构域本身特点和形态及它们所处的空间大分子 的空间结构形态都直接影响DNA,基因或RNA的功能发挥。
在蛋白质水平由于它们是直接体现生物理功能的物质,其 空间结构对其功能影响更为直接。因此,蛋白质的空间结构 与功能的关系研究是结构分子生物学研究的主体。
分子生物学 (Molecular Biology)
第二章 生物大分子及其相互作用
福建农林大学食科院 赵 超
College of Food Science, Fujian Agriculture and Forestry University
2012.03.01
第2章 生物大分子及其相互作用
2.1 生物活性物质的本质 2.2 生物大分子间相互作用的化学力 2.3 生物大分子的自我组装 2.4 生物大分子的相互作用
(一)生物大分子虽然具有复杂的结构,但在组成方面却存 在一种基本的简单性,例如: 1.DNA由4种脱氧核糖核苷酸(4dNTP)聚合而成; 2.RNA由4种核糖核苷酸(4NTP)聚合而成; 3.蛋白质由20余种氨基酸聚合而成; 4.多糖由少数几种单糖聚合而成。
(二)所有的生物都使用相同种类的的构件分子,似乎它们 是从一个共同的祖先进化而来。
异构体(D或L型) ✓除了甘氨酸外,蛋白质水解后的所有α-氨基
酸都是L-型
蛋白质分子的骨架由氨基酸通过肽键连接 成的多肽链。
糖与多糖
• 糖类物质是一类多羟基醛或多羟基酮类化合物 或聚合物;
• 糖类物质可以根据其水解情况分为:单糖、寡 糖和多糖;
• 在生物体内,糖类物质主要以均一多糖、杂多 糖、糖蛋白和蛋白聚糖形式存在。
蛋白质的组成单位——基本氨基酸
1. 化学结构
R-CH(NH2)-COOH 含有氨基的羧酸 R代表氨基酸之间相 异 的 部分 ,叫 R 基 , 又 称为侧链。
酪氨酸分子
2.结构通式
COOH H2N C H
R
不变部分 可变部分
除脯氨酸外,其他均具有如上结构通式。
组成蛋白质的基本氨基酸有20种, ✓除脯氨酸为α-亚氨基酸外,均为α-氨基酸 ✓除甘氨酸外,都具有旋光性(+、-)和光学
1.单糖的结构
• 重要的己糖包括:葡萄糖、果糖、半乳糖、甘 露糖等。
2. 多糖
(1).淀粉(分为直链淀粉和支链淀粉)பைடு நூலகம்• 直链淀粉分子量约1万-200万,250-260
个葡萄糖分子,以(14)糖苷键聚合 而成。呈螺旋结构,遇碘显紫蓝色。 • 支链淀粉中除了(14)糖苷键构成糖 链以外,在支点处存在(16)糖苷键, 分子量较高。遇碘显紫红色。
六、研究生物大分子结构的新技术、新方法和新仪器不断 改进和涌现,如:
DNA重组技术
酶逐步降解技术
基因自动合成和测序技术
X线晶体学分析技术
计算机技术
以及不同技术组合,使获得清晰度的结构图象,了解生 物过程中蛋白质构象的动态变化,以及对生物大分子结构 进行贮存,比较和结构——功能预测成为可能。
生物大分子
(2).纤维素 • 由葡萄糖以(14)糖苷键连接而成的直链,
不溶于水。 (3).几丁质(壳多糖) • N-乙酰-D-葡萄糖胺,以(14)糖苷键缩合
而成的线性均一多糖。 (4).杂多糖 • 糖胺聚糖(粘多糖、氨基多糖等) • 透明质酸 • 硫酸软骨素 • 硫酸皮肤素 • 硫酸角质素 • 肝素
脂类(lipides)
地球上的全部生物,估计包括1011种蛋白和差不多相同数 量的核酸。
即使极为简单的大肠杆菌(其体积约为2×10-12cm3),也含 有3000多种蛋白质,1000多种核酸,还有1000多种其他生物 大分子和低分子的有机化合物。
三、在这样种类复杂,形态万千的生物体系中,人们 必须寻求生命状态的基本逻辑原理,这就是:
基本结构单位的排列顺序构成生物大分子的一级结构,生 物大分子在其一级结构的基础上形成复杂的空间结构。
自然界典型的生物大分子的分子量在10~103KD之间。
五、基因组研究、基因表达调控研究、结构分子生物学研究 和信号传导研究是当今分子生物学研究的4大前沿领域。
生物功能由结构所决定。生物大分子在表现其生理功能过 程中,必须具备特定的空间立体结构(即三维结构)。
脂类分类:
根据化学结构分:
甘油酯类 神经鞘脂类 类固醇
根据生理功能不同分:

脂肪(甘油三酯)

磷脂:含磷酸及有机碱的脂类

糖脂:含糖及有机碱的脂类

类脂
胆固醇及其酯

类固醇 胆汁酸

类固醇激素
• 脂肪的生理功能: 1)氧化供能 2)储存能量 3)提供必需脂肪酸
• 类脂的生理功能: 1)是生物膜的组成成分; 2)协助脂类和脂溶性维生素的吸收; 3)胆固醇是机体合成维生素D3、胆汁酸及 各种类固醇激素的重要原料。
(三)每种生物的特性是通过它具有的一套与众不同的核酸 和蛋白质而保持的。
(四)每种生物大分子在细胞中有特定的功能。 以上这些正是生物化学、分子生物学、分子遗传学所要 研究的基本问题所遵循的逻辑。
四、生物大分子(biopolymer、biomacromolecule)是 指生物体内由分子量较低的基本结构单位首尾相连形成的多 聚化合物。包括核酸、蛋白质和多糖。
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