生命特殊吗？ “生命物质” 特殊吗？ 生命活动的物质基础：化学家所知的生命物质

生命的化学 功能 结构 分子 元素

生物体的主要元素 生物具有多样性，但生物体的化学组成基本相似 组成生物体的主要元素包括C、H、O、N、P、S、Ca等，以上7种元素约占生物体的99.35%，其中C、H、O、N 4种元素占96%。

生命的基本化学组成： 生命本质的一致性 不同的生物体，其分子组成也大体相同 生物体都是由蛋白质、核酸、脂类、糖、无机盐和水组成。 哪一种分子含量最高？ 蛋白质、核酸、脂类和多糖是组成生物体最重要的生物大分子，水是生物体内所占比例最大的化学成分

有机化合物的碳骨架和功能基团 碳骨架 结构排列和长短决定了有机化合物的基本性质 Ｃ、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｐ、Ｓ 碳骨架 结构排列和长短决定了有机化合物的基本性质 在生命元素中，碳原子具有特别重要的作用，碳原子相互连接成链或成环，形成各种生物大分子的基本结构。

生物大分子的基本性质还取决于与碳骨架相连接的官能团 生物体中的有机化合物主要含有羟基、羰基、羧基和氨基等官能团， 这些功能基团几乎都是极性基团。功能基团的极性使得生物分子具有亲水性，有利于这些化合物稳定于有大量水分子存在的细胞中。

脱水缩合反应与水解反应 由生物单体分子合成生物大分子多聚体往往涉及与功能基团相关的脱水反应，又称为脱水缩合反应。 使生物大分子多聚体分解为单体的分解反应往往需要有水分子参与，因此又称为水解反应。 水解反应是脱水缩合反应的逆反应

生物分子在化学结构上的一些共同特点： 碳骨架 各种官能团 单体 --〉聚合物 Organism

生物体系：生物分子分工合作的有机体 形成多层次的复杂结构 物质和能量的运输、转化与存储 信息传递、调控 …

糖类化合物 你知道糖类有哪些主要生理功能？

糖类分子的生物学功能 1) 光能转变为化学能的储存方式主要是形成葡萄糖. 糖类分子可为生物的各种生理生化反应,提供能源. 1) 光能转变为化学能的储存方式主要是形成葡萄糖. 糖类分子可为生物的各种生理生化反应,提供能源. 3) 糖类分子可形成多糖, 如纤维素,它们是植物的主要结构成分. 4) 糖是生物代谢反应的重要中间代谢物，还可构成核酸和糖蛋白等重要生物成分

你能用简单的几句话说明糖类化学结构的特点吗？ 化学组成？ 单体分子？ 聚合方式？

糖类包括小分子的单糖、寡糖和由单糖构成的大分子的多糖

单糖 化学结构：多羟基醛、多羟基酮（醛糖、酮糖） 一般有多个手性中心 （有旋光性）。（分子式相同而结构式不同的两种有机化合物称为同分异构体 ：特例：原子间连接方式相同，手性中心构型差别：旋光异构体） 重要的单糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脱氧核糖等

五碳糖和六碳糖等在水溶液中大多成环式结构 化学结构相同，原子空间排布不同：不同构象

二糖 重要的二糖包括蔗糖、麦芽糖、乳糖等 麦芽糖由两分子葡萄糖单体脱水缩合形成 蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖缩合形成 乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖缩合而成 Alpha 1-4糖苷键

多糖 重要的多糖有淀粉、糖原、纤维素、氨基葡聚糖等

脂类(lipids)化合物 脂类有哪些重要生理功能？ 化学结构有哪些特点？

脂类的组成和功能 脂类是脂肪、磷脂、类固醇等类化合物的总称 脂类是生物膜的主要成分 脂肪氧化时产生的能量大约是糖氧化时的二倍。 生物表面的保护层/保持体温/生物活性物质

化学结构特点：含长/大、饱和度低的烷基链 胆固醇 重要的物理化学特点：疏水性、 物性（比重、凝固点、黏度等随组成变化大）

脂 肪 （植物中称油）

磷脂 又称磷酸甘油脂， 胆碱 磷酸 甘油 脂肪酸 形成卵磷脂,脑磷脂，或丝氨酸磷脂

磷脂是生物膜脂质双层的主要成分，磷酸胆碱一端为极性的头，两个脂肪酸一端为非极性的尾，其中一个脂肪酸通常含不饱和双键，因此总有点弯折

类固醇如胆固醇等脂类也是细胞膜的重要成分、重要的信号分子（脂溶性激素）

核 酸

核酸生理功能 核酸贮存遗传信息，控制蛋白质的合成。 贮存遗传信息的特殊DNA片段称为基因，它编码蛋白质的氨基酸序列，从而决定蛋白质的功能。通过蛋白质的作用，DNA实际上控制着细胞和生物体的生命过程 DNA控制蛋白质的合成是通过RNA来实现的，即遗传信息由DNA转录到RNA，后者决定蛋白质的氨基酸序列

Nucleic Acid 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

                                                                                      碱 基 Base 腺嘌呤A 鸟嘌呤G 嘌呤，是双环分子；嘧啶，是单环分子 胞嘧啶C 胸腺嘧啶T 尿嘧啶U

戊 糖 脱氧核糖 核糖

核苷酸 每一个核苷酸含有一个戊糖（核糖或脱氧核糖）分子、一个磷酸分子和一个含氮的有机碱（碱基）。 脱氧核糖或核糖上第一位碳原子与嘌呤或嘧啶结合，就成为脱氧核苷或核苷，第三位或第五位碳原子再与磷酸结合，就成为脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸。

Nucleotides 核苷酸

Nucleotides 核苷酸

核酸的化学结构 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)

A DNA chain, also called a strand, has a sense of direction, in which one end is chemically different than the other. 5' end (5 prime) terminates in a 5' phosphate group (-PO4); the 3' end terminates in a 3' hydroxyl group (-OH). DNA strands are always synthesized in the 5' to 3' direction

单链DNA骨架 Example of DNA Backbone: 5'-d(CGAAT):

DNA分子是由两条脱氧核糖核酸长链互以碱基配对相连而成的螺旋状双链分子

DNA 双链配对

一种十分稳固的结构 ——DNA双螺旋 碱基堆积力 H键 离子键

Base Pairs                                                             

日本科学家用化学方法成功合成自然界不存在的人造碱基对，并使含有这种碱基对的ＤＮＡ（脱氧核糖核酸）顺利复制和转录。这项技术一旦成熟，就有望带来拥有崭新功能的ＤＮＡ或蛋白质，而这一切是以往的转基因技术所无法实现的。  -2006-9-05- 科技新闻

DNA Double Helix

DNA Helix Axis

DNA的二级结构 大沟 大沟 小沟 Z-DNA B-DNA

从双螺旋到染色体

DNA双螺旋结构的发现 1943年薛定谔在都柏林作的一系列演说 1944年出版“生命是什么”一书 将一大批年轻的物理学家吸引到生物学领域 物理学出身的Crick， 31岁，攻读 博士学位 英国剑桥大学Cavendish实验室， M. Perutz, L. Bragg, X-射线衍射实验室

1951年 Watson 23岁 生物学本科毕业， 研究生阶段研究噬菌体中DNA复制 丹麦的哥本哈根 Wilkins教授 DNA纤维X-射线衍射，来到Cavendish实验室 女科学家Franklin， 高质量的DNA纤维X-射线衍射图 Watson和Crick开始构造DNA的结构模型 各种尝试

DNA应该是双螺旋 A与T、 C与G巧妙配对 符合X衍射数据 DNA的复制 Waterson 和Crick用金属线又制出了新的DNA模型，他们为自然科学树立了一座闪闪发光的里程碑。

DNA复制：遗传信息的复制

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) 转运RNA(tRNA) 核糖体RNA(rRNA)

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)

tRNA的结构 氨基酸臂 反密码环 额外环 aa臂与反密码臂是识别aa与密码的重要结构 TΨC环 TΨC环 D环(二羟尿嘧啶环) TΨC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

RNA 为 什 么 不 稳 定

DNA和RNA分子均可作为遗传信息载体

SARS病 毒

DNA,RNA和蛋白质的进化关系图解

从RNA世界到DNA世界 RNA世界向DNA世界的过渡可以概括如下：地球上最早出现的生物大分子为RNA，RNA同时具有催化与编码两种功能。RNA可以催化肽键形成并合成蛋白质，此后RNA与蛋白质联手以RNA为模板合成DNA。这是一个关键的转变时期，生命世界的三大主要多聚分子，RNA、蛋白质和DNA的分工基本定形：RNA的编码功能由DNA取代，催化功能转移到蛋白质，RNA自身则成为传达遗传信息的中介分子。在现存的生化体系中我们仍可发现这些原始关系的珠丝马迹，RNA分子仍在许多方面保留着其原初的风貌。此后由DNA组成的基因组成为生命进化的主角。

RNA：仍然有许多待解的谜团 非编码基因：小RNA 很多小ＲＮＡ起重要调控作用

蛋白质

蛋白质的功能 1）结构：如胶原蛋白，蚕丝蛋白 2）储藏：如乳汁蛋白，卵白蛋白， 种子蛋白 3）转运：如血红蛋白，转铁蛋白 4）信息传递、调节：激素（如胰岛素，神经生长因子、受体）、跨膜受体蛋白（接受信号） 6）收缩：如肌动蛋白 7）功防：如毒素、抗体、重金属结合蛋白 8）催化：酶类

蛋白质的功能---蜘蛛丝线蛋白

蛋白质功能的缺陷：分子病 ---镰刀形血红细胞

蛋白质是由20种氨基酸组成的生物大分子 氨基酸结构的共同特点在于，在与羧基相连的碳原子（-碳原子）上都有一个氨基，另一个R基。

不同氨基酸其R基各不相同，R基的结构决定了20种氨基酸的特殊性质 NH

一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基脱水缩合，形成肽键并生成二肽化合物。不同数目的氨基酸以肽键顺序相连形成多肽，多肽形成蛋白质分子的亚基。

蛋白质的一级结构（化学结构） N端 C端 二硫键 氨基酸序列：CYIGNCPLG

蛋白质的一级结构 序列 最早发明用化学方法测定氨基酸序列方法的科学家获得了诺贝尔化学奖 发展蛋白质序列分析的质谱技术的科学家03年再次获得诺贝尔化学奖 今天，我们可以根据遗传密码，把基因序列翻译成蛋白质序列

蛋白质的结构层次 Primary structure = Sequence Secondary structure = Helix, strand/sheet, turn, or loop. Tertiary structure = One folded chain of amino acids. Quaternary structure = Combination of multiple proteins into functional unit.

蛋白质折叠成独特的三维结构 蛋白质的特定构象即蛋白质的三维空间结构和形态对于蛋白质的功能起决定性的作用。 蛋白质变性（构象发生变化）使得其特定的功能便立即丧失。

蛋白质分子必须有特定的三维空间结构才能表现其生物功能。

近年来得知，某些疾病是由于蛋白质折叠错误而引起的，如类似于疯牛病的某些神经性疾病、老年性痴呆症、帕金森氏症等，这些折叠病已引起了人们极大的注意。

核糖核酸酶是由124个氨酸基残基组成的蛋白质，有4对二硫键，４对二硫键组合有(2×4)!/244!=105种可能的组合方式 SH 110 60年代，Anfinsen提出氨基酸序列决定了蛋白质特定三维空间结构的著名假说。 核糖核酸酶是由124个氨酸基残基组成的蛋白质，有4对二硫键，４对二硫键组合有(2×4)!/244!=105种可能的组合方式

蛋白质折叠之谜 化学结构--〉空间结构 自组织！！！ 如果我们能够掌握自然界如何实现分子自组织的规律。。。

蛋白质与进化 自然界：约20万种 可以划分为不同的家族 同源蛋白 相似的结构与功能 分子进化 生物信息学

蛋白质结构实验测定 生物物理方法 X-射线晶体衍射 多维核磁共振 电镜三维重构（膜蛋白）

1-3 蛋白质的二级结构 alpha helices，螺旋 beta sheets, 折叠 and turns，转角

蛋白质的二级结构： 饱和的主链氢键 Alpha-helix

螺旋

-折叠 平行-折叠 反平行-折叠 20%的情况是一边为平行链而另一边为反平行的链

  图1-11平行β折叠氢键形成和折叠 图1-12 反平行β折叠氢键形成和折叠  

平行和反平行混合β折叠氢键的形成

转角 (Turn)

超二级结构(Motif)

蛋白质的三级结构

结构域 三级结构的基本单位是结构域。 一个结构域指的是一条多肽链或能够独立折叠为稳定的三级结构的多肽链的一部分。 结构域也是一个功能单位，通常蛋白质中不同的结构域是和不同的功能相关的。

三级结构类型（折叠类）

蛋白质的四级结构 许多球状蛋白分子含有两条或多条多肽链，这些多肽链间以非共价键的方式相连接。每一条多肽链都有自己的三级结构，这样的多肽链被称作蛋白质的亚基，又被称作亚单位。 蛋白质的四级结构指的是各个亚基在寡聚蛋白质中的空间排布关系和蛋白质亚基之间的相互作用，它不考虑每个亚基自身的构象。

1+1大于1：血红蛋白的四级结构 亚基间的协同效应 氧合百分比 氧分压

蛋白质三维结构预测 蛋白质三维结构由一级结构所决定，如何根据一级结构预测蛋白质的三级结构？ 生物信息学，计算生物学 理论物理，生物物理

Molecular Chaperones 细胞内蛋白质折叠 分子伴侣 Chaperone：Person,usually a married or elderly woman who, for the sake of propriety, accompanies a young unmarried lady in public as guide and protector（Oxford English dictionary）

Native GAPDH GuHCl  Dilution GroEL Spontaneous or + BSA Aggregates Fully unfolded polypeptide Dilution GroEL Spontaneous or + BSA Aggregates Native PDI MgATP intermediate GroES Native

本章摘要 生命元素中，碳元素具有特别重要的作用。生物大分子的基本性质取决于有机化合物的碳骨架和功能基团。蛋白质、核酸和多糖等，都是由含有功能基团的相同或相近的单体脱水缩合而成。 糖类包括单糖、寡糖和多糖。糖是生物代谢反应的重要中间代谢物，是细胞重要的结构成分，可构成核酸和糖蛋白等重要生物大分子，糖类又是生命活动的主要能源。 脂类主要是由碳原子和氢原子通过共价键结合形成的非极性化合物，具有疏水性。中性脂肪和油都是由甘油和脂肪酸结合成的脂类。卵磷脂是生物膜脂质双层的主要成分。 蛋白质是细胞最重要的结构成分并参与所有的生命活动过程。蛋白质的特定构像对于蛋白质的功能起决定性的作用。 核酸包括脱氧核糖核酸（DNA)和核糖核酸(RNA)两类。DNA是右旋的双螺旋结构。DNA是遗传信息的携带者。贮存遗传信息的特殊DNA片段称为基因，它决定蛋白质的功能。RNA是一类单链分子，在蛋白质的合成中起重要作用。1953年 Watson和Crick建立了DNA双螺旋结构理论，奠定了现代分子生物学基础。