《生物分子导论》PPT课件.ppt

,生 物 化 学 Biochemistry,主讲教师：时国庆化学与生物工程学院生物科学与工程系Tel:62334497,教材：生物化学教程第一版，王镜岩、朱圣庚、徐长法主编，高等教育出版社。参考书：生物化学第三版，王镜岩、朱圣庚、徐长法主编，高等教育出版社。新编生物化学辅导与习题精选（第一版），余琼等编著，化学工业出版社。Lehninger Principles of Biochemistry4th edition，David Nelson and Michael Cox,W.H.Freeman,2004,教学方式：多媒体教学考试方式：闭卷考试（平时成绩：20%，考试成绩：80%）学习方法：多思考，多求证，多涉猎。,生物类期刊、网站,科学网 生物谷 生物通 Science网络版 生物化学与生物物理进展，科学通报，Science，Nature图书馆网络数据库,第一章 生物分子导论,活生物（living organism）的共同特征,化学成分的同一性严整有序的结构新陈代谢自我复制的能力,生物化学就是研究生物体的物质组成和生命过程中的化学变化的一门科学。简单说，生物化学就是生命的化学,一、生命物质的化学组成,（一）生命体的基本元素,Bulk elements(shaded orange)are structural components of cells and tissues and are required in the diet in gram quantities daily.For trace elements(shaded bright yellow),the requirements are much smaller:for humans,a few milligrams per day of Fe,Cu,and Zn,even less of the others.The elemental requirements for plants and microorganisms are similar to those shown here;the ways in which they acquire these elements vary.,常量元素：占生物体全部质量的99以上的C、H、O、N四种元素，和P、S、K、Na、Ca、Mg、Cl共11种元素，称为常量元素，原子序数在20以下。微量元素：包括所有生物中都存在的Mn、Fe、Co、Cu、Zn和部分生物中存在的B、F、Al、Si、Se、As、Ni、I、V、Cr、Br、Sn、Ba、Mo，占人体总量不足。,2010年12月3日，美国宇航局宣布，发现一种能够利用有毒元素As生存和繁殖的微生物变形菌纲的GFAJ-1菌株，它的细胞成分构成中As元素代替了P元素。,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。生物分子的主要类型包括：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。,（二）生物分子,1、生物分子是碳的化合物,生物大分子基本特征,1)、C原子可以形成多种化学键2)、C-C单键具有很强的化学稳定性3)、碳原子骨架既有灵活性又有稳定性,2、生物大分子是由结构比较简单的小分子构件分子（blook-building molecule）所聚合形成。蛋白质：氨基酸 核酸：核苷酸 淀粉：葡萄糖,生物大分子基本特征,3、构成生物大分子的结构单元分子大多数都是手性分子。例如，构成蛋白质的氨基酸都是 L型，构成多糖的葡萄糖都是 D型。,生物大分子基本特征,4、具有非常复杂的结构。,生物大分子基本特征,二、生物分子的三维结构,（一）生物分子的大小,参考数值：肝细胞直径约20m，线粒体直径约1.5 m,（二）立体异构与构型,同分异构体,（三）生物分子间相互作用的立体专一性,（四）构象与三维结构,由于分子中单键自由旋转以及键角有一定的柔性，具有同一结构式和同一构型的分子在空间中可有多种形态，这些形态称为构象（conformation）。构象反映有机分子中原子或原子基团在空间里的实际排列，因而有时把构象看作是三维结构的同义语。,（五）三维结构的分子模型,骨架模型：反映键角、键长球棍模型：反映原子类型、键角、键长空间填充模型：每个原子的半径与它的范德华半径成比例。其它模型：cartoon,ribbon,mesh,surface,三、生物结构中的非共价作用力,生物分子主要是通过非共价力彼此影响，以行使功能的。生物结构中的非共价力有：离子键、氢键、范德华力和疏水相互作用。,（一）离子键,发生在带电荷基团之间的一种相互作用力。对环境非常敏感，水，特别是无机离子能显著影响离子键的强弱。,（二）氢键,由电负性较大原子与氢共价结合的基团具有很大的偶极矩，氢核周围电子云密度小，带有一定的正电荷，当遇到另一电负性大的原子时产生静电吸引，称为氢键。氢键具有方向性和饱和性。,（三）范德华力,广义范德华力包括定向效应、诱导效应和分散效应等。范德华力包括吸引力和斥力两种相互作用，范德华力只有当两个非键合原子之间处于一定距离时才能达到最大。虽然范德华力相对来说比较弱，但由于范德华力相互作用数量大，并且具有加和性，因此范德华力是一种不可忽视的作用力。,（四）疏水相互作用,生物大分子中的疏水基团彼此靠近、聚集以避开水的现象称之疏水相互作用（hydrophobic interaction）。因为水分子彼此之间的相互作用要比水与其它非极性分子的作用更强烈，非极性侧链避开水聚集被压迫到生物大分子内部，而大多数极性侧链在生物大分子表面维持着与水的接触。疏水相互作用在维持生物大分子构象中起着主要的作用，也是使蛋白质多肽链进行折叠的主要驱动力。,疏水作用的机理,水分子中氧原子的4个轨道是不等性sp3杂化,极性化合物在水中的溶解是熵增加的过程,水分子在非极性化合物周围形成笼型结构，有序性增加，熵减少。热力学不利！,在疏水相互作用下，蛋白质疏水氨基酸折叠在蛋白质内部，而亲水氨基酸残基暴露在外。,四、水和生命,为什么没有水就没有生命？,水的物理性质,高熔点、高沸点、高热焓、高介电常数、高表面张力、密度比固态水大。,水的化学性质,水是一种优良的溶剂。生物体内的全部化学反应都是在水中进行的。水是一种优良的质子供体和受体，参与多种生物反应。疏水作用是生物分子组装或折叠的主要驱动力。,五、生物分子的起源与进化,化学进化的理论实验室中化学进化的演示 Milley实验 核酶的发现原始生物分子 20种氨基酸、5种碱基、2种单糖（葡萄糖、核糖）、1种醇（甘油）、1种脂肪酸（棕榈酸）、1种胺（胆碱）进化论是生物化学学习的钥匙,生命体是由约30种化学元素组成的，自然选择这些元素是由这些元素的化学性质决定的。生物分子的活性、生物分子间的相互作用是与结构密切相关的。生物分子是通过非共价力相互作用，行使功能的。水在生命的化学过程中起不可替代的作用。进化论是学好生物化学的钥匙。,本章小结,问题,Si在自然界中的丰度仅次于氧，并且在元素周期表中与C位于同一族，但为什么自然界选择C而不是Si作为生物分子的骨架构造元素？,