生物化學(xué)基本知識,第一節(jié) 生命元素第二節(jié) 生命配體(氨基酸,蛋白質(zhì),核酸)第三節(jié) 酶第四節(jié) 常見的幾種輔酶,.,第一節(jié) 生命必需元素及其動(dòng)態(tài)平衡,生命是一個(gè)復(fù)雜的過程,但必需滿足以下6個(gè)條件:1.能夠從它周圍環(huán)境的原材料中生產(chǎn)它自己所需的組成成分;2.能夠從它周圍的環(huán)境中吸取能量并將其轉(zhuǎn)化為不同形式的功,從而使自身保持生存;3.催化能夠維持其生命活動(dòng)的各種化學(xué)反應(yīng);4.為生物合成及其他生物過程提供準(zhǔn)確的信息以保證其準(zhǔn)確的再生;5.使其自身保持相對的隔離狀態(tài),從而保證與外部環(huán)境的交換在嚴(yán)格的條件控制下進(jìn)行;6.調(diào)控其自身活動(dòng),以便在環(huán)境變化的情況下保持其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)。,.,定義：它們的缺乏會(huì)導(dǎo)致生物組織嚴(yán)重的，不可逆的 損傷。嚴(yán)格講,必需元素應(yīng)該滿足以下幾個(gè)條件：首先，這些元素在不同組織中均有一定濃度；其次，除去這些元素會(huì)造成這些組織在生理或結(jié)構(gòu)上的不正常；再次，這些元素的存在能夠使生物生理或結(jié)構(gòu)的不正常現(xiàn)象消失或預(yù)防不正?，F(xiàn)象的產(chǎn)生；最后,這些元素有專門的生物功能。 目前為止,有24（or26?）種元素被列為哺乳動(dòng)物的必需元素，其中14種為金屬元素。,必需元素or生命元素essential elements,.,占人體總重量低于0.01的元素,人體中的元素,常量元素,微量元素,C、H、O、N、P、S、Cl、Na、Mg、K和Ca等11種，約占體重的99.25。,As、B、Ti、Al、Ba、Nb 、 Rb、和Zr等8種。,Bi、Sb、Be、Cd、Hg和Sb等6種。,必需微量元素,非必需微量元素,有毒微量元素,占人體總重量高于0.01的元素,鐵、鋅、銅、鉻、錳、硒、鎳、鈷、氟、碘、鉬、釩、錫、硅、溴等15種。,.,生命元素,.,Concentrations (mM)of some ions in seawater and blood plasma,There is even a striking parallelism between the concentrations of the dominant ions in seawater and, for example, in blood plasma, which suggests that our ancestry is rooted in the sea.,.,Biological function of selected metal ions,.,The importance of organic compounds in the functioning of the human body is well known. Some idea of the vital role played by elements other than carbon for specific functions is shown in the table.,The impact of inorganic species in the body,.,Non-essential but valuable elements,A few elements have become of marked clinical value.,Clinical value of some elements,.,最適營養(yǎng)濃度定律,濃度，明顯地影響著它對生物體是“必需”、“有益”還是“有害”。法國科學(xué)家G. Bertrand 在研究錳對植物生長的影響后，提出了一個(gè)最適營養(yǎng)定律：植物缺少某種必需元素時(shí)不能成活，當(dāng)該元素適量時(shí)就能茁壯成長，但過量時(shí)又轉(zhuǎn)為有害。,.,Obviously, serious ailments and diseases can be caused in humans by an incorrect balance of elements. It should be emphasized that there is always a fine balance between a deficiency and an excess intake (both of which could lead to death) and a short range of daily intake which is essential and optimal.,.,Ailments and diseases caused by a deficiency (d) or excess (e) of essential elements,.,微量元素引起的地方病,.,表2.微量元素引起的地方病(續(xù)),.,微量元素引起的地方病,地方性甲狀腺腫,碘缺乏,地方性克汀病,呆小聾啞癱,.,侏儒、先天畸形,厭食、生長障礙，骨畸形,鋅缺乏,六旬母親肩背侏儒兒子30載，用壞20個(gè)背篼,.,硒缺乏,克山病,心律不齊，心臟擴(kuò)大，心率衰竭，休克,大骨節(jié)病,肌肉萎縮、發(fā)育障礙、行動(dòng)蹣跚,地方性硒中毒,硒過量,脫發(fā)脫甲，皮膚潮紅、神經(jīng)、牙齒損害,.,微量元素引起的地方病(續(xù)),黑皮病,慢性砷中毒,皮膚色素過渡沉著、神經(jīng)性皮炎，致癌。,水俁病,慢性甲基汞中毒,感覺障礙、共濟(jì)失調(diào)，語言、智力障癌。,.,元素的中毒,骨痛病,易骨折、骨質(zhì)疏松、軟化變形，疼痛,鋁過量引起的腦癡呆,.,電鍍時(shí)吸入鉻酸霧，產(chǎn)生的六價(jià)鉻化物，可損害人體皮膚及呼吸道，形成很深的潰瘍性鉻瘡。鉻瘡出現(xiàn)后，鉻毒素進(jìn)入人體血液沉淀。,女工陳麒穗,在重慶市巴南區(qū)渝南鑫光燈具有限公司電鍍車間打工四個(gè)月，體內(nèi)鉻含量竟然超標(biāo)一萬倍!,.,鬼剃頭,鉈中毒,脫發(fā)、頭暈、乏力、食欲不振，視物模糊。,清華女生“鉈”中毒后無望掙扎十多年,.,Toxic elements,.,.,.,第二節(jié) 生命配體,蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)是生命體系中最重要的一類生物大分子，是生命活動(dòng)的主要承載者以及生命現(xiàn)象的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。核酸：核酸是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)，與生物的生長，發(fā)育等呈長生命活動(dòng)以及癌變等異常生命活動(dòng)相關(guān)。酶:具有生物催化功能的生物大分子,大多數(shù)由蛋白質(zhì)組成（少數(shù)為RNA）。,.,蛋白質(zhì)（protein）,蛋白質(zhì)是生命體系中最重要的一類生物大分子，是生命活動(dòng)的主要承載者以及生命現(xiàn)象的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，大約1/3的蛋白質(zhì)為金屬蛋白。它們的生物功能可分為：具有催化功能的蛋白質(zhì)-酶(enzyme)。生物體內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)幾乎都是在生物催化劑催化下完成的。酶是生物催化劑中最重要的一類。研究金屬酶的結(jié)構(gòu)，功能，催化機(jī)理及其模擬構(gòu)成了生物無機(jī)化學(xué)的主題。具有運(yùn)輸功能的蛋白質(zhì)；具有營養(yǎng)貯存功能的蛋白質(zhì)；具有結(jié)構(gòu)功能的蛋白質(zhì)；具有防御功能的蛋白質(zhì)；具有調(diào)控功能的蛋白質(zhì)；如胰島素(insulin)，鋅指蛋白(zinc finger protein)等。,.,蛋白質(zhì)可以被酸堿或蛋白酶催化水解完全水解得到各種氨基酸的混合物，部分水解通常得到多肽片段。最后得到各種氨基酸的混合物。所以，氨基酸是蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元。大多數(shù)的蛋白質(zhì)都是由20種氨基酸組成。這20種氨基酸被稱為基本氨基酸。,蛋白質(zhì),L-氨基酸,.,.,.,UV 特征吸收： 260280 nm,.,構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種氨基酸在可見光區(qū)都沒有光吸收，但在遠(yuǎn)紫外區(qū)(<220 nm)均有光吸收。在近紫外區(qū)(220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力。,.,.,.,pKa,.,氨基酸殘基可能的配位方式,Cys-M Cys-M2 His-M(-nitrogen),His-M(-nitrogen),.,Asp-M Asp-M Asp-MMonodentate Bidentate, chelating Bidentate, bridging,Similar structures are formed by glutamic acid,.,Met-M Tyr-M,.,重要的不常見氨基酸,在少數(shù)蛋白質(zhì)中分離出一些不常見的氨基酸，通常稱為不常見蛋白質(zhì)氨基酸,這些氨基酸都是由相應(yīng)的基本氨基酸衍生而來的。,.,非蛋白氨基酸,除了上述構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸以外，自然界還存在一些并不是蛋白質(zhì)組分的氨基酸，這些氨基酸通常被稱為非蛋白氨基酸，至今已經(jīng)發(fā)現(xiàn)200多種以上，它們具有不同的功能。,高半胱氨酸：甲硫氨酸生物合成的中間產(chǎn)物,.,蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),.,將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)層次進(jìn)一步細(xì)分，可在二、三級結(jié)構(gòu)之間增加超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域兩個(gè)層次。,The Structures of Proteins,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),一級結(jié)構(gòu),二級結(jié)構(gòu),三級結(jié)構(gòu),四級結(jié)構(gòu),超二級結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)域,低,高,.,蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(Primary structure)包括組成蛋白質(zhì)的多肽鏈數(shù)目.多肽鏈的氨基酸順序，以及多肽鏈內(nèi)或鏈間二硫鍵的數(shù)目和位置。其中最重要的是多肽鏈的氨基酸順序，它是蛋白質(zhì)生物功能的基礎(chǔ)。,牛胰核糖核酸酶的一級結(jié)構(gòu),.,蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu),肽鏈的主鏈在空間的排列。它只涉及肽鏈主鏈的構(gòu)象及鏈內(nèi)或鏈間形成的氫鍵。,.,蛋白質(zhì)中的幾種超二級結(jié)構(gòu), motif, motif, hairpin,相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元經(jīng)常按照一定規(guī)律、規(guī)則地組合在一起，彼此相互作用，形成在空間構(gòu)象上特征的二級結(jié)構(gòu)組合單位。,.,結(jié)構(gòu)域（structural domain）,對于一些相當(dāng)大的蛋白質(zhì)分子，一條長的多肽鏈，有時(shí)要先分別折疊成幾個(gè)相對獨(dú)立的區(qū)域，再組裝成球狀或顆粒狀的復(fù)雜構(gòu)象（三級結(jié)構(gòu)）。這種在二級結(jié)構(gòu)或超二級結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上形成的特定區(qū)域稱為結(jié)構(gòu)域（structural domain）。每個(gè)結(jié)構(gòu)域自身都是緊密裝配的，但結(jié)構(gòu)域之間的聯(lián)系是比較松散的，因此在兩個(gè)結(jié)構(gòu)域間常常形成空穴。不同的蛋白質(zhì)，其結(jié)構(gòu)域的數(shù)目各不相同。蛋白質(zhì)分子分成幾個(gè)結(jié)構(gòu)域的現(xiàn)象，通常與蛋白質(zhì)的功能有關(guān)。,.,疏水 相互作用,靜電相互作用,金屬離子配位作用,折疊結(jié)構(gòu)鏈間氫健,螺旋結(jié)構(gòu)鏈內(nèi)氫健,二硫健,側(cè)鏈之間氫健,穩(wěn)定蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的主要作用力,.,蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)(Quaternary Structure)是指由多條各自具有一、二、三級結(jié)構(gòu)的肽鏈通過非共價(jià)鍵連接起來的結(jié)構(gòu)形式；各個(gè)亞基在這些蛋白質(zhì)中的空間排列方式及亞基之間的相互作用關(guān)系。,四級結(jié)構(gòu),.,proteins,.,核酸（Nucleic acid）,核酸分為脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸（RNA)兩種。DNA是染色體的主要成份。DNA是所有生物的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)，生物體的遺傳信息都貯存在DNA中。RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中。有三種RNA，即信使核糖核酸(mRNA)核糖體核糖核酸(rRNA)和轉(zhuǎn)運(yùn)核糖核酸(tRNA)。有一類被稱為核糖酶（ribozyme）的RNA分子具有酶學(xué)功能，有關(guān)核糖酶中金屬離子的作用是目前生物無機(jī)化學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)研究內(nèi)容。,.,.,五種堿基,嘌呤(purine) 腺嘌呤(adenine, A) 鳥嘌呤(guanine, G),(1) 嘌呤堿,.,(2) 嘧啶堿,嘧啶(pyrimidine),胞嘧啶(cytosine, C),尿嘧啶(uracil, U for RNA),胸腺嘧啶(thymine, T for DNA),.,(3) 核 苷,腺嘌呤脫氧核苷,.,(4) 胞嘧啶脫氧核苷,(5) 5-腺嘌呤核苷酸,.,三磷酸腺苷 ATP(Adenosine triphosphate): energy-rich, 30.51 KJ/mol, 8.36 KJ/mol,.,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962"for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material",Francis H. C. Crick,Maurice H. F. Wilkins,James D. Watson,., 兩條鏈以相反方向繞同一軸形成右旋雙螺旋,直徑2nm, 轉(zhuǎn)一周高度3.4nm, 含10個(gè)核苷酸, 大溝槽, 小溝槽。 內(nèi)側(cè)base基以H band相連,維持double helix。 A = T, G C base complementary base stacking force 堿基堆積力 內(nèi)疏水， 外親水， 靜電作用。 double-stranded cyclic DNA 雙鏈環(huán)型DNA Superhelix 超螺旋 Supercoil 超卷曲,DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)要點(diǎn),.,嘌呤和嘧啶(Hydrogen bond),.,DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型示意圖,.,Helical forms of DNA,1 turn 10b 11b 12b1 rise 3.4Å 2.3Å 3.8Å,.,Parameters of A-, B-, and Z-DNA,.,Structure of a G-quartet,Different strand orientations for 4-strand intermolecular quadruplexes,International Journal of Mass Spectrometry 253 (2006) 225237,G-四鏈體結(jié)構(gòu)（G-quadruplex）由富含G的DNA鏈形成的特殊二級結(jié)構(gòu),.,DNA RNA,兩類多核苷酸鏈的片斷結(jié)構(gòu),.,RNA的結(jié)構(gòu),大腸桿菌16S rRNA,tRNA,.,第三節(jié) 酶,非蛋白質(zhì)部分輔基 Prosthetic group,酶結(jié)合蛋白，需要有非蛋白質(zhì)組分才表現(xiàn)出活性。,酶蛋白質(zhì)無催化活性 apoenzyme,輔因子（cofactor）非蛋白部分： 輔酶（coenzyme） 輔基（Prosthetic）,全酶 酶蛋白輔因子,.,Enzyme nomenclature,Enzyme classification,酶的分類,酶,.,酶功能(誘導(dǎo)契合理論 induced fit theory),激活劑（activator）；抑制劑（inhibition）；酶原（proenzyme）,.,第四節(jié) 幾種重要的輔酶或輔基,FMN and FAD,.,黃素單核苷酸（FMN）,.,黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）,.,Flavin coenzymes can exists in three different redox states, and each state has a different color；Flavin molecules can participate in both one- and two- electron transfer reactions；,.,NAD和NADP,NAD和NADP都是脫氫酶的輔酶，與酶蛋白結(jié)合很松弛。,.,煙酰胺腺嘌呤二核苷酸(NAD), 輔酶I (Co I),NAD和NADP都是脫氫酶(dehydrogenase)的輔酶，與酶蛋白結(jié)合很松弛，主要功能也是傳遞氫和電子。,.,煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADP), 輔酶II (Co II),.,輔酶A,輔酶A(Co A)是丙酮酸酶系的輔酶，主要功能是轉(zhuǎn)移酰基，它所含的硫基可與酰基形成硫酯，在代謝過程中起傳遞作用。輔酶A的結(jié)構(gòu)如下圖所示。,.,輔酶Q,輔酶Q(Co Q)又稱泛醌(ubiquinone)，如圖所示。它存在線粒體中，動(dòng)物的輔酶Q，n = 10。它可被還原為氫醌，傳遞氫和電子。,.,謝謝！,.,