第四讲 生命的物质基础

孙 啸程 璐

— 生命的形式多种多样

— 生命的形态多变

但是化学成分是同一的• 元素：无机界的 C 、 H 、 P 、 N 、 P 、S

• 分子：蛋白质、核酸、脂、糖、维生素

认识生命 ——〉认识组成生命的物质

生命的基本单位

—细胞

不同类型的细胞结构和功能不同，但化学组成基本相似———生命的物质基础

一、元素组成二、分子组成

1 、水和无机盐2 、糖类3 、脂类4 、蛋白质5 、核酸

基本元素： C ， H ， O ， N ， S ， P ， Ca 等占人体 99.35% 。

其它元素：Na ， K ， Fe ， Mg ， Mn ， Zn ， Cu ，Cl ， I 等数量少，但作用大。如很多金属元素是酶的辅助因子。

偶然存在的元素：V、 Mo、 Li、 F、 Br、 Si、 As、 Sn、等

一、元素组成

“反自然” 现象

自然界： C 、 H 、 O 总和 < 1%

生物体： C 、 H 、 O 、 N 总和 > 96%

生命体与普通物质的不同

微量元素Fe 氧的运送和酶的活性有关，缺少时，引起缺铁性贫血。

Cu 发生冠心病的主要原因，与酶的活性有关。

Zn 在青少年的发育生长，癌症等的发病和防治起有作用。

Mo （钼）与酶的活性、食道癌的发病率和防治有关。

I 缺碘产生地方性甲状腺肿，幼儿发生呆小症，

Mn （锰）与酶的活性有关。

Co （钴）与酶的活性有关。青春期少女 0.015mg/ 每日。

V （钒）软体动物富有钒；鱼体含量较低。

Zn （锌）在青少年的发育生长，癌症等的发病和防治起有作用。Ni （镍）植物中 15 － 55ppm, 人为 0.1ppm ；急性白血病 .25μg/ml

Sn （锡）影响骨钙化速度；Si （硅）矽肺， Si 浸润细胞。

F （氟）与牙齿健康有关，缺氟产生龋齿；过多则斑齿和氟中毒。

Se （硒）缺硒产生克山病，与肝功能，冠心病发病和防治有关 .

% O C H N P S 其他人 65 18 10 8 1.0 0.25 2.75

生命形式多样，但基本元素构成是基本一致的；

杆菌 69 15 11 8 1.2 1.00 5.00

为什么是这 20 多种元素参与生命组成？

这个问题现在没有确切的答案。天然存在的 90 种元素中，有 65 种元素不参与生物体组成。从地球表面元素的丰度来看，排在前几位的是 O （占 47% ）， Si （占 38% ），Al （占 7.9% ）， Fe （占 4.5% ）， Cu （占 3.5% ），可是在生物体内，都是 C 占的比重最大， O 排在第三位， Ca 在第五位，而 Fe 和 Al ， Si 仅以极微量存在于生物体中。 C 在生物体结构组成中的重要地位， P 在生物体能量代谢中的特殊地位，引人注目。已有一些文章试图从它们的外层电子能量和元素化学性质来分析。

Why C 、 H 、 N 、 O?

– H 、 O 、 N 、 C 分别是共用 1 ， 2 ， 3 ， 4 个电子对，是可获得稳定构型的最小原子 , 能形成稳定的分子

– 比具有同样原子价数的其它元素更稳定

– O 、 N 、 C 是仅能形成多价的元素 H2O2,O2,H2O

– O2,O 是次于 F 、 Cl 的第三个跟原子有亲和力的原子是很强的电子受体，得到电子，释放能量

人体的元素成分

说明：日推荐量乃是美国 FDA 建议的每种微量元素每日摄入量。 在生物体中，碳，氢，氧，氮，磷，硫，氯等几种非金属元素，含量比较多，钠，钾，镁，钙等金属元素，含量也比较多，以上统称常量元素。写在表的右侧的铁，锌等金属元素和硅，硒等非金属元素，在生物体内 含量甚少，称为微量元素。 碳，氢，氧，氮，磷，硫这几种元素，是构成如蛋白质，核酸，糖类，脂类等生物分子的重要原料，氯，钠，钾等参与体内水盐平衡；碘是甲状腺素的重要成分；而镁，钙，铁，锌等配合体内蛋白质成分，参与酶活性调节，氧的输送等重要功能。

二、分子组成不同类型的细胞，分子组成大致相同，但是这些物质

的相对含量相差很大。

有 机 物

• 蛋白质 (Protein)• 核酸 (Nucleic acid)• 糖 (Carbohydrate)• 脂类 (Lipid) 等

• 其中蛋白质是由氨基酸(amino acid) 构成的 , 核酸是由核苷酸(nucleotide) 构成

• 因此氨基酸、核苷酸被称为构件分子 (building block molecule)

• 各种生物的构件是相同的

几类重要的生命物质• 遗传信息的存储和传递者——核酸

生命信息载体• 遗传信息的表达者——蛋白质

生命机器生命过程的催化剂（酶）

• 生物体主要供能物质—— 糖类生命过程的能源

• 生物体的重要构件和储能物质——脂类构件、储能

无 机 物• 水 (water)— 生命的源泉

• 无机盐 (mineral)

离子 —调节生命的环境细胞渗透压PH

酶的活化

1 、水和无机盐水

生命来自海洋，生物离不开水。水的特性符合生物生存的需要：– 水是极性分子，形成极性共价键，可以和相邻的水分子形成不稳

定的氢键，使水有较强的内聚力和表面能力；– 很强的结合能力、最好的极性溶剂，对于物质的运输、生命中化

学反应的进行，正常的新陈代谢具有重要意义；– 水的比热为 1cal/g, 在温度改变时，热量的需求和释放较大，使细

胞的温度和代谢速率得以保持稳定，维持体温；– 固态水比液态水的密度底，有利于水生生物的生存。

无机盐一般以离子状态存

在， Na+、 K+、 Ca2+、 Mg2+、 Cl- 、 HPO4 2-

作用：（ 1 ）对细胞的渗透压和 PH起着重要作用（ 2 ）酶的活化因子和调节因子， Mg++,Ca++

（ 3 ）合成有机物的原料 , PO4 3 - 合成磷脂、核苷酸（ 4 ）动作电位、肌肉收缩等， Na+、 K+、 Ca2+

内环境稳定： PH值生物生存 3~8.5 ，各种生物、各种组织均有适宜的 PH范围，细胞中的离子有一定的缓冲能力。

2 、糖类

1. 生命活动所需能量来源；2. 重要的中间代谢产物；3. 构成生物大分子；4. 分子识别作用。

组成： C:H:O=1:2:1

功能：

糖的分类

• 单糖 - 构成各种糖分子的基本单位• 寡糖 - 若少数几个（ 2-6 ）单糖分子连接 • 多糖 –大量单糖分子的连接 • 结合糖

单糖分类

己糖

丙糖

戊糖

丁糖

重要的单糖

甘油醛 核糖 脱氧核糖

半缩醛羟基

半缩醛羟基

葡萄糖 果糖 半乳糖

寡　糖• 麦芽糖 (maltose) • 两分子葡萄糖由糖苷键连接，具还原性• 蔗糖 (sucrose)

由一分子葡萄糖和一分子果糖通过糖苷键连接而成，无还原性

食用的糖主要是蔗糖• 乳糖 (lactose)

半乳糖和葡萄糖结合而成存在于哺乳动物的乳汁中

寡 糖（ oligosaccharides ）

双糖：麦芽糖、蔗糖、纤维二糖、乳糖等

-麦芽糖

多　糖• 均一多糖 淀粉

– 植物细胞（谷粒，块根，果实）糖原 – 动物细胞（如肝细胞中的糖原）纤维素 – 植物细胞木材 -50%纤维素，棉花 -90%纤维素

• 非均一多糖 透明质酸 软骨素

多糖（ polysaccharides ）

多糖：由很多单糖分子缩合脱水而成的分支或不分支的长链分子，如淀粉、糖原、纤维素

纤维素

β- 葡萄糖

3 、脂类生命体的重要构件和储能物质

• 中性脂肪 (fat) 和油 (oil)

由甘油和脂肪酸结合而成• 类脂 (lipoid)

磷脂 ； 糖脂 ； 固醇； 萜类

脂 类 由 C 、 H 、 O 组成， H:O远大于 2 ，不溶于水，能溶于非极性溶剂，类别较多，结构差异很大功能 :

– 生物膜的组成，磷脂、胆固醇– 储存能量– 生物表面的保护层– 很好的绝缘体，保温– 生物学活性，维生素 Va 、 Vd ，激素：前列腺素

（ 1 ）中性脂肪 (Fat) 和油 (Oil)

甘油和脂肪酸结合而成，甘油的每一个 -OH 和脂肪酸的 -COOH 结合，形成酯键。

+

（ 2 ）蜡（ wax ）由长链脂肪酸和长链一元醇脱水而成皮肤表面，毛、羽、植物叶及果实表面以及昆虫体表

（ 3 ）磷脂（ phospholipids ）磷酸甘油脂，甘油的一个 α-羟基和磷酸结合成酯

存在与细胞的膜系统中，在脑、肺、肾、心、骨髓、卵及大豆细胞中含量丰富。

卵磷脂、脑磷脂、丝氨酸磷脂等。

结构特征：亲水头 疏水长链

磷脂类• 细胞膜的主要结构成分

• 有极性的头部和两条疏水的尾部

磷脂和细胞膜

磷脂

脂双分子层

磷酸基团 疏水脂肪酸链

（ 4 ）其他脂类

• 类固醇 — 特殊芳香族结构，理化性质与脂肪相近

• 萜类 — 结构与类固醇相似。– 如植物细胞中的胡萝卜素

– 维生素 E 维生素 K

• 结合脂类

固 醇

维生素

4 、蛋白质遗传信息的表达者

• 氨基酸 – 遗传信息载体

• 蛋白质的结构 - 多层次

• 蛋白质结构与功能的关系变化多端

生物分子信息

细胞

分子

存贮、复制和传递遗传信息的系统

生物信息的载体

DNA 通过自我复制，在生物体的繁衍过程中传递遗传信息

基因通过转录和翻译，使遗传信息在生物个体中得以表达，并使后代表现出与亲代相似的生物性状。

基因控制着蛋白质的合成

DNA RNA蛋白

质转录 翻译

蛋白质的功

能 – 酶的催化作用 – 运载和贮存 – 协调动作 – 机械支持 – 免疫保护 – 产生和传递神经冲动 – 生长和分化的控制

蛋白质的构件分子——氨基酸

• 氨基酸的通式

• 氨基酸的分类

氨基酸的通式

• 组成蛋白质的常见氨基酸有二十种 ，通式如下：

• R 不同，组成的

氨基酸就不同

氨基酸名称 英文缩写 简 写 氨基酸名称 英文缩写 简 写甘氨酸 Gly G 丝氨酸 Ser S

丙氨酸 Ala A 苏氨酸 Thr T

缬氨酸 Val V 天冬酰胺 Asn N

异亮氨酸 Ile I 谷酰胺 Gln Q

亮氨酸 Leu L 酪氨酸 Tyr Y

苯丙氨酸 Phe F 组氨酸 His H

脯氨酸 Pro P 天冬氨酸 Asp D

甲硫氨酸 Met M 谷氨酸 Glu E

色氨酸 Trp W 赖氨酸 Lys K

半胱氨酸 Cys C 精氨酸 Arg R

20 种标准氨基酸的英文简写

氨基酸的分类• 对于 20 种标准的氨基酸，按照侧链化学性质

的不同，可以分为以下三组：

– 疏水性的氨基酸• Ala 、 Val 、 Leu 、 Ile 、 Phe 、 Pro 和 Met

– 带电氨基酸• Arg 、 Lys （ + ）和 Asp 、 Glu （ - ）

– 极性氨基酸• Ser 、 Thr 、 Cys 、 Asn 、 Gln 、 His 、 Tyr 、 Trp

• 甘氨酸（ Gly ）的侧链只有一个氢原子，是最简单的氨基酸，具有独特的性质，可以单作为第四类，也可以归于第一类。

• 含有芳香性侧链Phe 、 Tyr 、 Trp 、 His

• 侧链为醇或酚的氨基酸有Ser 、 Thr 、 Tyr

• 可以形成氢键Arg 、 Lys 、 Asp 、 Glu 、 Ser 、 Thr 、 Asn 、

Gln 、 His 、 Tyr 及 Trp

氨基酸的性质• 两性解离性质• 紫外吸收特性： 紫

外吸收 (紫外分光光度法的基础 )

• Tyr λmax=278nm Trp λmax=279nm phe λmax=259nm

肽键、肽和多肽

不同数目的 aa 以肽键顺序相连，形成链状分子，即是肽或多肽，通常分子量在 1500 以下的为肽，在 1500 以上的为多肽， -NH2端为 N末端写在左，另一端为 C末端，写在右。

蛋白质的结构层次

1 、一级结构 2 、二级结构 3 、三级结构 4 、四级结构

蛋白质一级结构• 肽键• 肽链• 氨基酸排列顺序等

二级结构肽链的主链在空间的走向

»α- 螺旋»β- 折叠»β- 转角»无规卷曲»无序结构

α-螺旋

多肽主链骨架围绕一个轴螺旋上升。

α螺旋最为常见，每一圈 3.6 个残基，螺距 0.54nm ，残基高度 0.15nm,螺旋半径 0.23nm

氢键封闭环包含 13 个原子

每一个 Φ=-57o Ψ=-47o

β -折叠

平行 β - 折叠 反平行 β - 折叠

β折叠 : 较 α螺旋伸展的构象，两条或多条肽链间互相以氢键连接起来的成片层状结构，平行或反平行两种类型。β转角： 4 个连续的 aa残基组成，主链骨架以 180返回折叠，第 n 个残基的羰基氧原子与 n+3 个残基上的亚氨基氢原子之间形成氢键。

蛋白质的超二级结构

• （ i ）—环—花样• （ ii ）发夹花样

（—环—花样） • （ iii ）希腊图案花样

由四条反平行片组成• （ iv ）——花样

- 环 - - 环 -

三级结构

• 亲水基位于球体表面 ,疏水基位于球体内部

• 球状蛋白溶于水

三级结构（ tertiary structure ）

在二级结构基础上的肽链再折叠形成的构象。

球蛋白： α螺旋 + 不规则的不成 α螺旋的部分，并折叠成球形。

酶、蛋白质激素、抗体以及细胞质和细胞膜中的蛋白质。

三级结构

四级结构• 多亚基构成的寡聚蛋白结构• 均一寡聚蛋白 由相

同亚基构成• 非均一寡聚蛋白

由不同亚基构成

四级结构（ quanternary structure ）组成蛋白质的多条肽链在天然构象空间上的排列方式，多以弱键互相连接。疏水力、氢键、盐键每条肽链本身具有一定的三级结构，就是蛋白质分子的亚基。

蛋白质的各级结构

氨基酸

一级结构

二级结构

三级结构

四级结构血红蛋白

• 球蛋白– 近似球形，表面富含亲水基团，溶于水

如：酶、多种蛋白质激素、各种抗体 细胞质和细胞膜中的蛋白质

• 纤维蛋白– 蛋白质分子围绕一个纵向轴缠绕成螺旋状 如：指甲、毛发、真皮、韧带等

蛋白质的空间作用力

• 氢键• 盐键 ( 离子键 )

• 疏水键• 范德华力 • 二硫键• 脂键

盐键( 离子键）

氢键二硫键 疏水键

氢键氢键

疏水键

蛋白质的空间作用力

蛋白质结构与功能的关系

• 一级结构与功能的关系序列分析

• 空间结构与功能的关系结构分析

一级结构即氨基酸顺序 高级结构 生物学功能

正常红细胞 镰刀型红细胞

镰刀型红细

胞

正常红细

胞

空间结构与功能的关系

DNA 聚合酶活性位点

聚合

酶DNA

• 蛋白变性的特点： 蛋白质变性后，生物活性丧失，溶解度下降，粘度增加。

• 可逆变性• 不可逆变性

空间结构与功能的关系

N U

去折叠

重折叠

蛋白变性

可逆变性不可逆变性

尿素

天然核糖核酸酶

硫醇

松散核糖核酸酶

变性核糖核酸酶 天然核糖核酸酶

除去硫醇 除去尿素

除去硫醇除去尿素

蛋白质结构测定

• 1 、 X射线衍射结构分析

• 2 、核磁共振结构分析

生命过程的催化剂——酶

• 酶的概念– 是一类具有生物催化活性的蛋白质分子，它可以提高反应速率。

– 生物分子处于不断变化之中，很少反应没有酶参与– 补充定义……

• 酶的作用机理– 特异的结构– 与底物复合

酶的作用特点• 只催化热力学允许的反应

• 只加快反应速度 , 不改变反应平衡点

• 对正逆反应催化作用相同

• 降低反应活化能

酶的催化特点• 反应条件温和• 高效• 专一• 多样• 催化活性受多因素影响

反应物

生成物

无酶时的活化能

有酶时的活化能

反应焓变

酶降低反应活化能

酶的作用机理

• A+B+E C+D+E

• S+E SE P+E

• 邻近与定向• 酸碱催化• 共价催化

• 底物形变• 微环境的影响

酶 底物 酶 -底物复合物 酶 +产物

酶的作用机理

酶的生理意义• 生物体内绝大多数反应都在酶的作用下

进行

• 各种反应的综合就是生命

5 、核酸遗传信息的存储和传递者

• 核酸的化学结构• 核酸的分类• DNA 的结构• RNA 的结构特点

• 碱基 +戊糖

• 核苷 + 磷酸

• 核苷酸 poly 聚合

• 核酸

• ( 核苷酸之间通过 3.’5’ 磷酸二脂键连接 )

核酸的化学结构

碱基

戊糖 磷酸

碱 基

腺嘌呤 A

尿嘧啶 U

胞嘧啶 C

鸟嘌呤G

胸腺嘧啶 T

戊 糖• 核糖

• 脱氧核糖

核酸的分类• 核酸分为：

• 脱氧核糖核酸 (Deoxyribonucleic acid DNA),DNA 含 G.A.C.T四种碱基和脱氧核糖

• 核糖核酸 (Ribonucleic acid RNA) ， RNA含 G.A.C.U四种碱基和核糖

DNA RNA

碱基

腺嘌呤 (adennine,A)

鸟嘌呤 (guanine,G)

胞嘧啶 (cytosine,C)

胸腺嘧啶 (thymine,T)

腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶尿嘧啶

(Uracil,U)

戊糖

脱氧核糖 核糖

磷酸

磷酸 磷酸

DNA的结构• DNA 的碱基组成• DNA 的一级结构• DNA 的二级结构 (双螺旋 )

• DNA 分子结构的某些特征

DNA的碱基组成• A+G=C+T,G=C,A=T

• 同种生物的不同组织的碱基组成相同 , 不同生物的同种组织的碱基组成不同

• 年龄 ,营养 , 环境不影响碱基组成

DNA的一级结构

5`- 磷酸

3`-羟基

一种十分稳固的结构—— DNA双螺旋

• 碱基堆积力

• H 键

• 离子键

DNA的二级结构 (双螺旋 )

模型一九五三年 . Watson & Crick提出

小沟

大沟

DNA的两种二级结构

Z-DNA B-DNA

大沟

大沟

小沟

DNA双螺旋的意义• 有效的解决了遗传信息的储存、传送和

自我复制• 提出了遗传信息的流动过程• 复制 DNA 转录 RNA 翻译蛋白质

DNA分子结构的特征

• 原核生物 DNA 分子中有基因重叠现象

• 真核生物 DNA 分子中普遍存在插入顺序 ( 内含子 )

• 编码的核苷酸顺序就携带着遗传信息。

ATGCCGAGTCAGACTACGAGENE1

GENE2

插入顺序编码区

DNA:ACGTGGCCAGCCThr Trp Pro AlaAA:

RNA的结构• 单链，不存

在碱基比例关系

• 局部能形成碱基对，出现双螺旋，不 配对区域形成突起 ( 环 )

核糖核酸 (RNA)分为

• 信使 RNA(mRNA) - 转录遗传信息

• 转运 RNA(tRNA) - 运载氨基酸

• 核糖体 RNA(rRNA ） - 蛋白质合成

mRNA结构特点• 线形单链结构，携带 DNA 信息，作为指导合成蛋白质的模板

• 5ˊ- 端有甲基化结构，抗水解• 有前导序列• 3ˊ--polyA 结构• 半衰期短 ( 几分钟到几小时 )

• 四环四臂

• aa臂与反密码臂是识别 aa与密码的重要结构

tRNA的结构

TΨC 环

D 环

反密码环

rRNA的结构• 真核生物的核糖体

5S,5.8S,18S,23S,28SrRNA

• 原核生物的核糖体 16S,23S,5SrRNA

大肠杆菌的 rRNA的结构核糖体

亚单位 亚单位

蛋白质 蛋白质

尿素 尿素

rRNA mRNA tRNA

反密码子

氨基酸 新生肽链

核糖体mRNA

思考题

1 、写出氨基酸的基本通式。2 、生物大分子有哪些特性？3 、具体写出蛋白质的一至四级结构代表什么？

4 、 DNA 结构的特点与功能？