第一章人体中的化学

一、蛋白质
氨基酸
组成基本单位
主要组成元素为碳、氢、氧、氮 有的还含有硫、磷、碘或金属元素 （如铁、铜、锌等）
2017/8/25
氨基酸的结构
蛋白质是由廿种基本氨基酸组成的。 氨基酸结构通式:

氨基酸的结构
氨基酸的结构
氨基酸的结构
氨基酸的结构
氨基酸的结构
氨基酸之间的连接

一分子氨基酸的α- 羧基与另一分子氨基酸 α-氨基脱水缩合的化合物叫做肽，氨基酸之 间通过酰胺键（蛋白质化学中将这类酰胺键 专称为肽键）连接而成。
血 红 蛋 白
的 四 级 结 构
蛋白质的功能多样性
1.催化功能 2.结构功能 3.运输功能 4.贮存功能 5.运动功能 6.防御功能 7.调节功能 8.信息传递功能 9.遗传调控功能 10.其他功能
二、核 酸(nucleic acid)
是以核苷酸为基本组成单位的生物大 分子，携带和传递遗传信息。
元素 铁(Fe) 年代 17世纪 元素 铬(Cr) 年代 1959
碘(I)
铜(Cu) 锰(Mn)
1850
1928 1931
锡(Sn)
钒(V) 氟(F)
1970
1971 1971
锌(Zn)
钴(Co) 钼(Mo) 硒(Se)
1934
1935 1953 1957
硅(Si)
镍(Ni) 砷(As)
1972
1974 1975
（一） -螺旋
（二）-折叠
（三）-转角和无规卷曲
-转角
无规卷曲是用来阐述没有确定规律性的那部 分肽链结构。
（四）模体
在许多蛋白质分子中，可发现二个或 三个具有二级结构的肽段，在空间上相互
接近，形成一个特殊的空间构象，被称为
模体(motif)。
钙结合蛋白中结 合钙离子的模体
锌指结构
（五）氨基酸残基的侧链对二级结构形成 的影响
有益元素即没有这些元素有妨人体健康。
污染元素→有20-30种普遍存在于组织中的元素，它们的 浓度是变化的，而它们的生物效应和作用还未被人们 认识，它们也可能来自环境的沾污，因此称沾污元素。 当沾污元素的浓度达到了可以产生能觉察到生理或形 态症状时，就可以将沾污元素称为污染元素。
高等动物必需微量元素的确证历史
被认为是真核生物ＤＮＡ的三级结构
一个个核小体连接成串珠状结构
折叠
折叠
染色单体
DNA的功能
DNA的基本功能是以基因的形式荷载遗 传信息，并作为基因复制和转录的模板。它 是生命遗传的物质基础，也是个体生命活动 的信息基础。 基因从结构上定义，是指DNA分子中的 特定区段，其中的核苷酸排列顺序决定了基 因的功能。



链蛋白质，称钙媒介蛋白质（分子量为16700）。
表4-1 化学元素的生物功能
元素 H B 功 能 水，有机化合物的组成成分 植物生长必需
C
N O F Na Mg Si P
有机化合物组成成分
有机化合物组成成分 水，有机化合物的组成成分 鼠的生长因素，人骨骼的成长必需 细胞外的阳离子，Na+ 酶的激活，叶绿素构成，骨骼的成分 在骨骼、软骨形成的初期阶段所必需 含在ATP等之中，为生物合成与能量代谢所必需
蛋白质的二级结构
定义
蛋白质分子中某一段肽链的局部空间
结构，即该段肽链主链骨架原子的相对空
间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象 。
主要的化学键： 氢键
蛋白质二级结构的主要形式
• -螺旋 ( -helix ) • -折叠 ( -pleated sheet ) • -转角 ( -turn ) • 无规卷曲 ( random coil )
核酸的分类及分布
脱氧核糖核酸
(deoxyribonucleic acid, DNA) 90%以上分布于细胞核，其余分布于 核外如线粒体，叶绿体，质粒等。 携带遗传信息，决定细胞和个 体的基因型(genotype)。
核糖核酸
分布于细胞核、胞液。 参与细胞内DNA遗传信息的表 达。某些病毒RNA也可作为遗 传信息的载体。
二、人体内化学元素的功能

元素在人体内所起到的生理和生化作用，主要有以下几个方面： （1）结构材料。无机元素中钙、磷构成硬组织，碳、氢、氧、氮、 硫构成有机大分子结构材料，如多糖、蛋白质等。 （2）载体作用。如含有Fe2+的血红蛋白对O2和CO2的运载作用等。 （3）激活作用。人体内约有1/4的酶的活性与金属离子有关。有的 金属离子参与酶的固定组成，称为金属酶。金属离子充当了酶的激 活剂。 （4）调节作用。体液主要是由水和溶解于其中的电解质所组成。 存在于体液中的Na+、K+、Cl-等离子在调节体液的物理、化学特性 方面发挥了重要作用。 （5）“信使”作用。化学信号的接受器是蛋白质。Ca2+作为细胞 中功能最多的信使，它的主要受体是一种由很多氨基酸组成的单肽
人
体
中
的
化
学
本章主要内容：生命元素的功能，人体中 重要的生命有机化合物 ，人体中的化学反 应。
第 1章
人体中的化学
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使用说明
一：人体内的化学元素概述
二:人体中重要的生命化合物 三：人体中的化学反应
第一节
人体内的化学元素概述
一、人体中化学元素的分类 二、人体内化学元素的功能
一、人体中化学元素的分类
O NH2-CH-C H
甘氨酸
+
OH
O NH-CH-C H
甘氨酸
H
OH
-HOH
O O NH2-CH-C-N-CH-C H HH OH
甘氨酰甘氨酸
肽键
* 肽是由氨基酸通过肽键缩合而形成的化 合物。 * 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…… * 由十个以内氨基酸相连而成的肽称为寡 肽(oligopeptide)，由更多的氨基酸相连 形成的肽称多肽(polypeptide)。
3’
2.碱基在双螺旋内侧，磷酸基 与脱氧核糖在外侧，彼此间 以磷酸二酯键相连，构成 ＤＮＡ的骨架。
双链中相对的碱基按 Ａ＝Ｔ和Ｇ≡Ｃ通过 氢键配对连接，形成 互补.
3’
5’C
DNA 的 三 级 结 构
原核生物
没有典型的细胞核结构， 超螺旋结构 被认为是原核生物ＤＮＡ的三级结构
真核生物
真核生物ＤＮＡ的三级结构是由ＤＮＡ分 子与组蛋白(histine)和非组蛋白(nonhistine protein,NHP)结合组成。 核小体结构
蛋白质二级结构是以一级结构为基础的。
一段肽链其氨基酸残基的侧链适合形成-螺旋
或β-折叠，它就会出现相应的二级结构。
三、蛋白质的三级结构
（一） 定义
整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置。
即肽链中所有原子在三维空间的排布位置。 主要的化学键 疏水键、离子键、氢键和 Van der Waals力等。
碱基
（Purine bases ）
腺嘌呤 (A) 鸟嘌呤 (G) 胞嘧啶(C) 尿嘧啶 (U) D-核糖
磷酸
RNA
酸
(Acid)
磷酸
核酸的组成
核糖核酸（RNA） 脱氧核糖核酸（DNA）
核酸
核苷酸
核苷 戊糖 碱基
磷酸
O
DNA的结构与功能
DNA的结构
1. DNA的一级结构 2. DNA的二级结构 3. DNA的三级结构
核酸的发现和研究工作进展

1868年 Fridrich Miescher从脓细胞中提取“核素”
1944年 Avery等人证实DNA是遗传物质
1953年 Watson和Crick发现DNA的双螺旋结构 1968年 Nirenberg发现遗传密码 1975年 Temin和Baltimore发现逆转录酶 1981年 Gilbert和Sanger建立DNA 测序方法 1990年 美国启动人类基因组计划(HGP) 1994年 中国人类基因组计划启动 2001年 美、英等国完成人类基因组计划基本框架
必需元素 →生命过程的某一环节（一个或一组反应）需要
该元素的参与，即该元素存在于所有健康的组织中；生
物体具有主动摄入并调节其体内分布和水平的元素；存 在于体内的生物活性化合物的有关元素；缺乏该元素时
会引起生化生理变化，当补充后即能恢复。
常量元素→人体内大约含30多种元素，其中有11种为常量 元素，它们是：C,H,O,N,S,P,Cl,Ca,Mg,Na,K。这11种 元素在人体内的含量为 99.95 %，其余的0.05%为微量 元素或超微量元素。←微量元素
高级 结构
蛋白质的一级结构
定义
蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列
顺序。 主要的化学键 肽键，有些蛋白质还包括二硫键。
一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学 功能的基础。
蛋白质的高级结构
蛋白质的多肽链并不是线形伸展的，而是 按一定方式折叠盘绕成特有的空间结构。 蛋白质的三维构象，也称空间结构或高级 结构，是指蛋白质分子中原子和基团在三 维空间上的排列、分布及肽链的走向。高 级结构是蛋白质表现其生物功能或活性所 必须的，包括二级、三级和四级结构。
(ribonucleic acid, RNA)
核酸的化学组成
1. 元素组成
C、H、O、N、P（9~10%）
2. 分子组成 —— 碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱
—— 戊糖(ribose)：核糖，脱氧核糖
—— 磷酸(phosphate)
碱 基
N
NH2 N
嘌呤(purine)
N 7 8 9 NH
NH N
DNA的生物学功能
携带遗传信息，并传递遗传信息
DNA分子中核苷 酸的排列顺序.
四种脱氧核糖核苷酸 通过3’、5’ -磷酸二酯 键彼此连接而形成的 直线形或环线形分子.
即DNA分子的空间结构 双螺旋结构
1. ＤＮＡ由两条反向平 行的脱氧多核苷酸，围 绕一中心轴（假想轴） 构成右手双螺旋结构。
5’C
Zn
Se Mo Sn I
许多酶的活性中心，胰岛素组份
与肝功能肌肉代谢有关 黄素氧化酶，醛氧化酶，固氮酶等所必需 鼠发育必需 甲状腺素的成分
第二节 人体中重要的生命有机化合物

人体内碳、氢、氧、氮、磷、硫等6个元 素，它们是组成人体中氨基酸、蛋白质、 脂肪、糖类、酶和核酸等物质的基础， 这一节着重介绍这些重要的生命有机化 合物。
* 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)。
蛋白质的分类
* 根据蛋白质组成成分 单纯蛋白质 结合蛋白质 = 蛋白质部分 + 非蛋白质部分 * 根据蛋白质形状 纤维状蛋白质
球状蛋白质
蛋白质的分子结构包括
一级结构(primary structure)
二级结构(secondary structure) 三级结构(tertiary structure) 四级结构(quaternary structure)
戊 糖
HO CH2 5´ O OH HO CH2 O OH
4´ 3´
OH
1´ 2´
OH OH
核糖(ribose) （构成RNA）
脱氧核糖(deoxyribose) （构成DNA）
两类核酸的基本化学组成比较
嘌呤碱 腺嘌呤 (A ) 鸟嘌呤 (G)
DNA
(Base) 嘧啶碱 胞嘧啶 (C) （Pyrimidine bases） 胸腺嘧啶(T) 戊糖 D-2-脱氧核糖 (Pentose)
5 4
6 3 N
1N 2
腺嘌呤(adenine, A)
O N
NH
NH
鸟嘌呤(guanine, G)
N
NH2
嘧啶(pyrimidine)
5 4 3 2 N
O
NH
6 1 NH
NH2
NH
O
尿嘧啶(uracil, U)
O H3C
N
NH
NH
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱNH
O
O
胞嘧啶(cytosine, C)
胸腺嘧啶(thymine, T)
三、 糖类

糖类又名碳水化合物，它是生物体中重
要的生命有机物之一，如纤维素、淀粉、
葡萄糖、果糖和肝糖等，对于维持动植
物的生命起着重要的作用。
糖的基本知识
概念：多羟基的醛或多羟基的酮
即为糖。
分类：单糖、双糖、寡糖、多糖
直立式、环式、椅式 异构体：有许多
• 肌红蛋白 (Mb)
C 端 N端
四、蛋白质的四级结构
有些蛋白质分子含有二条或多条多肽链， 每一条多肽链都有完整的三级结构，称为蛋白 质的亚基 (subunit)。 蛋白质分子中各亚基的空间排布及亚基接
触部位的布局和相互作用，称为蛋白质的四级 结构。 亚基之间的结合力主要是疏水作用，其次 是氢键和离子键。
S
Cl K
蛋白质的组分，组成Fe-S蛋白质
细胞外的阴离子，Cl细胞外的阳离子，K+
元素
功 能
Ca
V Cr Mn Fe Co Cu
骨骼、牙齿的主要组分，神经传递和肌肉收缩所必需
鼠和绿藻生长因素，促进牙齿的矿化 促进葡萄糖的利用，与胰岛素的作用机制有关 酶的激活、光合作用中水光解所必需 最主要的过渡金属，组成血红蛋白、细胞色素、铁-硫 蛋白等 红血球形成所必需的维生素B12的组份 铜蛋白的组成，铁的吸收和利用