生命科学导论 上海交通大学生命科学与技术学院 College of Life Science and Biotechnology Shanghai Jiao Tong University http://bioscience.sjtu.edu.cn
第二讲 构造生物体的基本元件 从生物小分子到生物大分子 一 生物小分子与生物大分子的关系二 生物小分子简介三 生物大分子的形成四 生物大分子的高级结构
一 生物小分子和生物大分子的关系 ( 本节见参考书第 22-47 页 ) 小分子 大分子 复合大分子 单糖 多糖 糖蛋白 氨基酸 蛋白质 糖脂 核苷酸 核酸 脂蛋白 脂类 ( 由小分子到大分子 )
合成大分子 ( 聚合 ) 大分子分解 ( 水解 )
二 生物小分子简介 ( 本节见参考书第 22-37 页 ) 1 水 水对生物体非常重要 水占生物体的 60% 以上的重量 地球上生命起源于水中, 陆生生物体内细胞也生活在水环境中 水的性质影响生命活动, 如 : 溶解性质, 酸碱度 (ph )
为何水具有表面张力? 水分子之间具有的静电引力称为氢键, 正是由于氢键使水具有黏性 吸附性和一定的表面张力 水的这些性质还可形成毛细管作用, 使得植物根系吸收水分后可克服重力向上运输到茎和叶片
一个水分子的正极与另一水分子的负极相吸引, 之间出现的较弱的作用力称为氢键 氢键对维持生物大分子的稳定极重要
水影响生命活动的例子 : 肺泡在水环境中保证 O 2 和 CO 2 的交换 水分子间氢键造成水的表面张力, 可使肺泡瘪塌 肺泡中存在一种表面活性蛋白破坏水的表面张力, 使肺泡胀开
2 氨基酸 氨基酸是同时具有 α- 氨基和 α- 羧基的小 分子 ( 氨基酸通式 ) 参与蛋白合成的共有 20 种天然氨基酸
(1)α- 碳原子 (2) 具有 α- 氨基和 α- 羧基是各种氨基酸的共性 (3) 各种氨基酸的区别在侧链基团 R 返回
20 种天然氨基酸除甘氨酸外, 都带一个不 对称碳原子 α 碳原子, 都有光学异构体 ( 镜映 体 )
CH H 4 C CH 4 已知 19 种天然氨基酸均为 L- 型氨基酸
根据侧链结构和性质, 可把 20 种氨基酸分成不同的组 : 疏水氨基酸 : 亲水氨基酸 : 酸性氨基酸 : 碱性氨基酸 : 含硫氨基酸 : 含羟基氨基酸 : 带环氨基酸 : 亮氨酸丝氨酸天冬氨酸精氨酸半胱氨酸苏氨酸酪氨酸
氨基酸的功能 : (1) 作为组建蛋白质的元件 (2) 有的氨基酸或其衍生物具有生物活性 ( 代谢调节 信号传递等 )
3 单糖 多羟基醛或多羟基酮称为糖 以葡萄糖为例, 葡萄糖是六碳糖 ( 葡萄糖结构式 ) 单糖的生物功能 : A 作为多糖的组成元件 B 作为燃料 C 组成寡糖参与细胞信号传递 重要单糖
链式结构 ( 葡萄糖结构式 ) 环式结构 ( 粗黑线表示这部分向着页面的外部方向, 细线表示这部分位于页面最内侧 )
(1)C 2 ----C 5 均为不对称碳原子 六碳糖有 16 种同分异构体 (2) 天然单糖在 C 5 位上羟基有固定结构方向, 天然单糖大多数是 D- 型糖 (3) 链式结构的葡萄糖在在水溶液中 C 1 ---C 5 之间脱水通过氧桥相联成环状 - 吡喃型 (4) 各个 C 上羟基位于环上或环下 ;C1 上羟基位置不同出现 α-,β- 两种构型 返回
返回
4 核苷酸 核苷酸分子由三个部分组成 : 碱基 : 嘧啶 嘌呤五碳糖 : 核糖或脱氧核糖磷酸
DNA 分子的基本单位 : 核苷酸 (1) 碱基 糖之间是 β 糖苷键 (2) 糖 磷酸之间是磷酸酯键
参加大分子核酸组成的共有 8 种核苷酸 DNA 水解液中腺脱氧核苷酸 (damp) 鸟脱氧核苷酸 (dgmp) 胞脱氧核苷酸 (dcmp) 胸腺脱氧核苷酸 (dtmp) RNA 水解液中腺苷酸 (AMP) 鸟苷酸 (GMP) 胞苷酸 (CMP) 尿苷酸 (UMP) 另外还有一些重要的具有生物活性的核苷酸具有生物活性的核苷酸
camp, cgmp 参与 细胞信号传递 ATP 参与能量代谢 返回
5 脂类 脂类是脂肪酸和醇所形成的酯及其衍生物 葡萄糖 --- 水溶性的 油 脂 --- 脂溶性的
脂类种类很多, 分子结构相差较大 A 油脂: 甘油三脂 B 磷脂和鞘脂 C 固醇
甘油三酯分子结构 返回
磷脂分子结构
(1) 磷脂分子可以看成是一个极性头, 两条非极性尾巴 (2) 鞘脂分子和磷脂不同 但总体看来, 也可看成一个极性头, 两条非极性尾巴 返回
(1) 固醇类的内核由 4 个环组成 (2) 一些人体重要维生素和激素是固醇 (3) 胆固醇是细胞的必要成份 (4) 血清中的胆固醇太多会促使形成动脉硬化和心脑血管疾病
雄性激素 雌性激素 性激素就是一种固醇类化合物 一些固醇类化合物可以作为兴奋剂使用, 但同时也会对运动员带来损害.
重要的脂类 : 举例 Tay-Sachs 症, 儿童的悲剧 Tay-Sachs 遗传病是最为悲惨的人类遗传病之一 带有导致该病的突变基因的纯合子婴儿在出生时表现正常 ; 然而, 数月之后他们表现为对噪音的极度敏感, 眼睛视网膜上出现一个樱桃红的小点 这些早期症状往往被父母和医生所忽略 在出生后半年到一年, 患儿出现的进行性的神经退化导致精神障碍 眼盲 耳聋以及身体控制机能的丧失 在两岁时通常已经完全瘫痪, 并出现呼吸性感染 一般在三至四岁时患儿就死亡了
重要的脂类 : 举例 Tay-Sachs 症, 儿童的悲剧 关于此病的唯一好消息就是它在大多数人群中就十分罕见的 ; 然而在中欧地区的德裔犹太人中, 此病的发病率达到了儿童的 1/3600, 并且大约 1/30 的成人带缺陷基因 如果两人都是缺陷基因携带者, 通常他们小孩就有四分之一的可能是这种缺陷基因的纯合子并最终会发展成为 Tay- Sachs 症
重要的脂类 : 举例 Tay-Sachs 症, 儿童的悲剧 导致 Tay-Sachs 症的突变位于 HEXA 基因, 它的编码产物是己糖胺酶 A 该酶作用于神经节苷脂 GM2 并将它分解 神经节苷脂 GM2 的功能是覆盖于神经细胞, 使神经细胞与相邻的细胞分隔开, 从而加速神经冲动的传递 如果该酶不存在, 神经节苷脂 GM2 会累积并窒息神经细胞, 最终导致神经系统功能丧失和瘫痪
生物分子在细胞内的分布 : 三种生物大分子 : 蛋白质 核酸 多糖 脂类是生物小分子
三 生物大分子的形成 ( 本节见参考书第 37-47 页 ) 生物大分子主要有三大类 : 蛋白质 核酸 多糖它们都是由生物小分子单体通过特有的共价键联结而成
1 氨基酸通过肽键联成肽链 寡肽 : 含有 2-20 个氨基酸残基 ( 如二肽 五肽 八肽 ) 多肽 : 含 20-50 个氨基酸残基蛋白质 : 含几十个氨基酸残基注意 : 肽链有方向性, 氨基端 ( N 端 ), 羧基端 ( C 端 )
一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基脱水缩合形成肽键 返回
一条肽链的两端有不同结构和性质 : 一端的氨基酸残基带有游离氨 基, 称氨基端 ; 另一端的氨基酸残基带有游离羧基, 称羧基端 返回
正常人的红细胞 正常的血红蛋白 镰刀状红细胞 镰刀状红细胞的血红蛋白 蛋白质分子中氨基酸序列对其功能十分重要!
蛋白质种类 结构蛋白 贮藏蛋白 收缩蛋白 转运蛋白
对比不同动物的血红蛋白之氨基酸序列, 可以表现不同动物间的亲缘关系. ( 如人 黑猩猩 大猩猩 猴在 2600 万年前具有共同祖先 )
2 单糖通过糖苷键联成多糖链 (1) 贰糖对贰糖结构的了解包括弄清楚 : 单糖基成份 α- 还是 β- 糖苷键 麦芽糖 取代位置
麦芽糖的结构 返回
(2) 淀粉和纤维素都由葡萄糖组成, 它们之间 主要区别在于 α- 糖苷键和 β- 糖苷键的区别
糖原 淀粉 纤维素
(2) 淀粉和纤维素都由葡萄糖组成, 它们之间主要区别在于 α- 糖苷键和 β- 糖苷键的区别 (3) 注意 : 多糖链也有方向性, 有还原端和非还原端
OH 一条多糖链的两端有不同结构和性质 : 一端的糖基有游离的半缩醛羟基, 称还原端 ; 另一端的糖基没有游离的半缩醛羟基, 称非还原端
3 核苷酸通过磷酸二酯键联成核酸 (1) 核酸链也有方向性 (2) DNA 和 RNA 在组成成份上有差别 DNA RNA 脱氧核糖 核糖 有胸腺嘧啶, 有尿嘧啶, 无尿嘧啶 无胸腺嘧啶
一端的核苷酸, 其 5 -C 没有进入磷酸二酯键, 称 5 末端 ; 另一端的核苷酸, 其 3 -C 没有进入磷酸二酯键, 称 3 末端 返回
四 生物大分子的高级结构 ( 本节见参考书第 37-47 页 ) 1 蛋白质的高级结构 蛋白质的一级结构是指肽链中氨基酸的排列顺序 蛋白质的二级结构是指邻近几个氨基酸形成的一定的结构形状 如 :α- 螺旋和 β- 折叠
由生物小分子到生物大分子, 分子增大, 出现新的性质 其中最主要的特点是 : 生物大分子有独特的立体结构 空间构型和分子整体形 状 返回
一级结构 二级结构 α- 螺旋 β- 折叠 三级结构 四级结构 返回
蛋白质的三级结构是指整条肽链盘绕折叠形成一定的空间结构形状 如纤维蛋白和球状蛋白 蛋白质的四级结构是指各条肽链之间的位置和结构 所以, 四级结构只存在于由两条肽链以上组成的蛋白质
血红蛋白质的三级结构和四级结构 返回
蛋白质的高级结构使蛋白质具有特殊的表面几何构型, 有如一把特殊构造的钥匙, 因此可与特殊构型的底物反应
2 维持生物大分子高级结构的 重要因素 -- 非共价键 C=O H-O C-N H 氢 键 C-O O H 3 N- + 盐 键
返回
非共价键的键强度很小, 所以 A 需要多个非共价键才足以维持高级结构的稳定 ; B 高级结构不很稳定 生物大分子变性就是因为高级结构破坏, 大分子性质改变, 生物活性丧失 但是, 一级结构尚未破坏
RNase 的变 性和复性 注意 : 双硫键也在维持蛋白质高级结 构中起重要作用
蛋白质变性使高级结构破坏 变性后的蛋白质分子还能复性
蛋白质的可逆变性与不可逆变性 : 尿素可造成温和的变性 100 度温度可造成不可逆变性 去除尿素后复性 降温后重新折叠, 但不能复性 返回
3 核酸的高级结构 (1) DNA 双螺旋 A 两条反向平行的核苷酸链共同盘绕形成 双螺旋, 糖 - 磷酸 - 糖构成螺旋主链
DNA 的双螺旋结构
3 核酸的高级结构 (1) DNA 双螺旋 A 两条反向平行的核苷酸链共同盘绕形成双螺旋, 糖 - 磷酸 - 糖构成螺旋主链 B 两条链的碱基都位于中间, 碱基平面与螺旋轴垂直
C 两条链对应碱基呈配对关系 A=T G C D 螺旋直径 20A, 螺距 34A, 每一螺距中含 10 bp DNA 双螺旋可以看作是 DNA 的二级结构 DNA 的三级结构的形成需要蛋白质帮助
碱基之间的氢键 GC 间有三个氢键, AT 间有两个氢键 BACK
在蛋白质的帮助下,DNA 可以形成三级结构, 在细胞内被高度压缩成染色体 BACK
(2)RNA 为单链盘绕, 局部形成碱基配对 例如 : 转运 RNA(tRNA) 的三叶草结构
trna 的三叶草结构
4 多糖链的高级结构 不同高级结构带来不同的生物学性能 淀粉形成螺旋状能源贮存 纤维素呈长纤维状结构支架
糖元淀粉纤维素
再见!