高中生物竞赛的化学基础
上节课知识回顾：细胞壁的结构图
质体：
质体根据色素和功能的不同，分为三种主要类型
叶绿体
有色体
白色体
内质网 脂类双分子层为基础形成的囊腔和管道系统。分为糙面内质网和光面内质网，光面内质网与脂类合成和代谢有关。糙面内质网膜上附有颗粒状的核糖体。核糖体是细胞合成蛋白质的场所，糙面内质网合成并运输蛋白质。内质网是许多细胞器的来源。
4 核糖体
核糖体是合成蛋白质的场所。核蛋白体含有大约40%蛋白质和60%的RNA。核糖体大小约15-30纳米的小颗粒，由大小两个亚单位组成。
核糖体常几个到几十个与信使RNA分子结合成念珠状的复合体，称为多聚核糖体。
微 体
单层膜泡状，与溶酶体相似，但酶种类不同。
分为两种类型：一是过氧化物酶体，含氧化酶，氧化脂肪酸产生H2O2；另一种为乙醛酸循环体，只存在于植物细胞中在种子萌发生成幼苗的细胞中数量较多，与脂肪代谢有关，能将脂肪分解成糖。
细胞骨架
细胞质中存在着骨架结构，称为细胞骨架。构成细胞骨架的三种结构是微管、微丝和居间纤丝（中间纤维）。它们和细胞质基质中更细微的纤维状蛋白系统，称为微梁系统。
微管呈中空管状或纤丝状结构,微管的管壁由13条原纤丝集合而成，每条原纤丝由α和β球状蛋白，即微管蛋白的亚基组成双体，沿着管径的长轴呈斜向交替排列。微管在细胞中起支架作用，使细胞保持一定的形状；微管还参与构成纺锤丝；参与细胞壁的形成和生长；微管也与胞质运动和鞭毛运动有关。
微丝是比维管更细的纤丝。维持着细胞的形态结构和内部结构的有序性。
鞭毛、纤毛和中心粒
鞭毛和纤毛使细胞表面的附属物，他们的主要功能是运动。两者基本结构相同区别在于长度和数量。
鞭毛和纤毛基本结构都是微管，组成9（2）+2结构。
中心粒是另一类由微管组成的细胞器，组成圆筒状的9束三体结构中央没有微观。细胞分裂时纺锤体微丝都是从中心体伸出来的。
核被膜 包在核外的双层膜，外膜可延伸与细胞质中的内质网相连。一些蛋白质和RNA分子可通过核被膜或核被膜上的核孔进入或输出细胞核。
核仁 是核中颗粒状结构，富含蛋白质和RNA，核糖体的装配场所。
染色质是核中由DNA和蛋白质组成并可被苏木精等染料染色的物质，染色质DNA含有大量基因片段，是生命的遗传物质。间期核染色质常伸展成网状细丝——染色质；分裂时，染色质高度螺旋化变粗——染色体。
核基质：染色质和核仁都被液态的核基质所包围。
（二） 细胞核 （间期核圆球形， 幼小细胞核居中）
细胞核的主要功能
是控制蛋白质的合成，控制细胞的生长、发育和遗传。因此，细胞核被强调为"细胞的控制中心"，在细胞遗传和代谢方面起着主导作用。
第1篇
细胞与生物大分子
第一章
生命的化学基础
一、人需要哪些元素？
目前已知的化学元素有115种，其中天然元素有92种。
92种天然元素中已有81种在人体中被发现 （除He，Ne，Ar，Kr，Xe，Fr，At，Ac，Pa，Tc)。
这81种元素按其在人体所占质量的比例是否大于0.05%可划分常量元素和微量元素。
常量元素又称宏量元素，有11种。它们共占人体总质量的99.25%。它们是：C，H， O， N，P，S，K， Ca， Mg，Na，Cl
微量元素18种，它们是：Fe，F，Zn，Cu，V，Sn，Se，Mn，I，Ni，Mo，Cr，Co，Br，As，Si，B，Sr
由于环境污染或从食物中摄入量过大，
时间过长，对人体健康有害的元素称为
有害元素或有毒元素
（Bi，Sb，Be，Cd，Hg，Pb等）。
碘缺乏症
甲状腺肿 呆小症
韶关镉污染
应该注意，必需和非必需的界限是相对的。首先，随着诊断方法和检测手段的进步和完善，今天认为是非必需的元素可能明天会被发现是必需的。其次，有一个摄入量问题，即使是必需元素在人体内也有一个合适的浓度范围，超过或不足都不利于人体健康。
随着科学技术的发展，细胞的复杂结构和化学组成已逐渐被人们所认识，因而原生质作为一种物质的概念就失去了意义。现在使用原生质这一名称时，无非是泛指细胞内的生活物质，是生命的物质体系。
二、原生质的化学组成
细胞内含有的物质大致分成四类：
（一）元素组成
在研究原生质的化学成分时，人们发现组成原生质的化学元素有几十种之多，其中有10多种在数量上较多。
　　主要元素和微量元素如下：
几种生物细胞的分子组成
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？
生物体的主要生物分子
不同的生物体，其分子组成也大体相同
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。
（二）分子组成
1、水
2、无机盐
（K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42- ……等）
3、糖类
（单糖、双糖、多糖）
4、脂质
（中性脂肪和油、蜡、磷脂、类固醇、）
5、蛋白质 ——由氨基酸组成 （20种）
6、核酸（DNA、RNA）
——由核苷酸组成
想一想：
以上几种生物大分子
他们的组成元素是什么？
第二章 蛋白质的结构与功能
第一节 氨基酸与多肽
第二节 蛋白质的分子结构
第三节 蛋白质结构与功能的关系
第四节 蛋白质的理化性质及分离纯化
蛋白质化学
蛋白质(protein)是由许多不同的α-氨基酸按一定的序列通过酰胺键（蛋白质化学中专称为肽键）缩合而成的，具有较稳定的构象并具有一定生物功能的生物大分子 。
Protein
蛋白质存在于所有的生物细胞中，是构成生物体最基本的结构物质和功能物质。

蛋白质是生命活动的物质基础，它参与了几乎所有的生命活动过程。
第一节 蛋白质的生物学意义
1.催化 最重要的功能是作为生物体新陈代谢的
催化剂－－酶
2.转运 血红蛋白（氧）、血清清蛋白（脂肪
酸）－－通过血流转运物质
葡萄糖转运蛋白、氨基酸转运蛋白－－
膜转运蛋白
3.运动 染色体的运动、鞭毛运动、肌肉的收缩
4.防御和进攻 主动参与细胞防御、保护和开发
方面的作用（故也称保护蛋白），如免疫
球蛋白（抗体），血液凝固蛋白，凝血
酶，血纤蛋白原，抗冻蛋白，动物或植
物毒蛋白、干扰素
5.调节 调节其他蛋白质执行其生理功能, 如胰
岛素; 参与基因表达的调控, 如转录调控因子
6.结构成分 构建和维持生物体的结构－－结构
蛋白，给细胞和组织提供强度和保护。如
α-角蛋白，胶原蛋白
7.贮存 为生物体提供充足的N素，以及C、H、
O、S，还有Fe 。如卵清蛋白，酪蛋白，种
子贮存蛋白 ，铁蛋白
8.支架作用－－支架蛋白或接头蛋白(adapter
protein), 在应答激素和生长因子的复杂途
径中起作用。常含有多个不同的组件, 将多
种不同蛋白质装配成一个多蛋白复合体
9.异常功能 如应乐果甜蛋白（蔗糖甜度的200
倍）、节肢弹性蛋白（昆虫翅铰合部）、
胶质蛋白（海洋贝类分泌）
蛋白质工程
在重组DNA技术基础上发展起来的蛋白质工程（protein engineering）
定义：
利用基因工程的手段，包括基因的定点突变和基因表达，来改造蛋白质分子，使之具有更完善的、甚至是新的性质和功能。
蛋白质工程与基因工程的关系
基因工程 (genetic engineering): 基因体外重组、体内
表达
蛋白质工程：基因体外重组、诱变，体内表达出不同
于原蛋白质的蛋白质
蛋白质工程也称第二代基因工程

蛋白质工程所采用的生物技术也是基因重组技术。
蛋白质工程要对天然蛋白质基因进行改造，从而制造出与天然蛋白有所不同的、符合人们需要的非天然蛋白质。
第二节 蛋白质的元素组成
一般含: C 50％ ～ 55%
H 6％ ～ 8％
O 20％ ～ 23％
N 15% ～ 18%
S 0% ～ 4%
有些还含微量的P, Fe, Zn, Cu, Mo, I 等元素.

N含量在各种蛋白质中比较接近, 平均为16%
1g 氮相当于 6.25g 的蛋白质
( 6.25常称为蛋白质系数 )
蛋白质平均含N量为16％,这是凯氏定氮法测定蛋白质含量的理论依据：

蛋白质含量＝蛋白质含N量×6.25
三、氨基酸的分类
组成蛋白质的20种氨基酸均为L-α-氨基酸
成人人体必需氨基酸有八种（其余12种为非必需氨基酸，儿童比成人多一种组氨酸。）
Met Trp Lys Val Ile Leu Phe Thr  “假 设 来 借 一 两 本 书”
多肽(poly peptide)
氨基酸残基(reside):主链、侧链
氨基末端(amino terminal)或N末端
羧基末端（carboxyl terminal）或C末端
蛋白质的分类
按组成分类:
单纯蛋白质:如血清清蛋白
结合蛋白质:糖蛋白、脂蛋白、磷蛋白、金属蛋白、色蛋白。
按分子形状分类：
纤维状蛋白质：分子构象呈纤维形，长/短轴之比大于10，多为结构 蛋白，难溶于水。
球状蛋白质：近似球形或椭圆形，多数可溶于水或盐溶液。
第二节 蛋白质的分子结构
一、蛋白质分子中的非共价键。
1、氢键 如水分子
2、疏水键
3、离子键

另外还有二硫键。
二、蛋白质的一级结构（Primary Structure）
蛋白质的一级结构指多肽链中氨基酸的排列顺序。
1954年英国生化学家Sanger报道了胰岛素的一级结构，是世界上第一例确定一级结构的蛋白质。Sanger由此1958年获Nobel 化学奖。
1965年我国科学家完成了结晶牛胰岛素的合成，是世界上第一例人工合成蛋白质。
蛋白质的一级结构由遗传信息决定，其一级结构决定高级结构，一级结构是基本结构。但一级结构并不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。
蛋白质一级结构测定的意义
许多先天性疾病是由于某一重要的蛋白质的一级结构发生了差错引起的。如血红蛋白β亚基6 位Glu被Val代替（基因突变），即表现为镰刀状贫血，为世上最常见的血红蛋白病。若β亚基6位Glu被Lys取代引起另一类贫血：血红蛋白C病。
比较不同生物细胞色素C的一级结构可以帮助了解物种间的进化关系，物种间越接近，则细胞色素C的一级结构越相似。
三、蛋白质的二级结构（secondary structure）
二级结构：多肽链中各原子在局部空间或一段肽链的氨基酸残基的空间排布方式。为主链构象，不涉及侧链构象。
肽单元（peptide unit）或肽键平面：1925年L.Pauling和R.B.Corey等用X线衍射分析肽键的C—N键长时发现其键长为0.132nm,不同于C—N单键键长0.149nm,也不同于C=N双键键长0.127nm.介于二者之间,故其有一定程度的双键性能,C与N不能以C—N为轴心自由旋转。参与肽键的6 个原子Cα1、C、O、N、H、 Cα2 被约束于一个平面上，称为肽键平面，为形成二级结构的基础。
蛋白质α螺旋结构(α-helix)
Pauling and Corey提出。
右手螺旋(顺时针)。
肽链的主链形成紧密的螺旋,侧链伸向外侧，每一圈包含3.6个氨基酸残基,每个残基跨距为0.15nm,螺旋上升一圈的距离(螺距)为3.6×0.15=0.54nm.
螺旋通过氢键维持稳定。第一个肽键的NH和第四个肽键的CO形成氢键,第n个肽键的NH和第n+3个肽键的CO形成氢键。
β—折叠（β-pleated sheet）
平行式
N端
N端
反平行式
N端
C端
β—折叠靠不同肽键之间的肽键上CO与NH形成氢键而得
以稳定。反平行式比平行式稳定。
蛋白质的三级结构
三级结构:整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置,即整条肽链的三维构象。

维持蛋白质三级结构的主要作用力为侧链间的相互作用:氢键、离子键、疏水键及二硫键。
蛋白质的四级结构（quaternary structure）
四级结构：各亚基的空间排布。
亚基（subunit）：有的蛋白质分子由两条以上的肽链通过非共价键相连聚合而成，每条多肽链称为一个亚基。
维持四级结构稳定的因素为各亚基之间的作用力如氢键、离子键、疏水键。
含有四级结构的蛋白质，单独的亚基一般没有生物学功能，只有完整的四级结构才有生物学功能。
二、血红蛋白(Hemoglobin)
血红蛋白（Hb）由四个亚基(珠蛋白和血红素)组成。成人红细胞中主要为HbA1(α2β2),其中α链141aa, β链146aa,各带有一个血红素与O2结合所以一分子Hb能与4分子O2结合。
第三节 蛋白质结构与功能的关系
一、一级结构是空间构象的基础
蛋白质的一级结构决定高级结构，一级结构是基本结构。
Anfinsen在研究核糖核酸酶时发现。
天然状态
无活性
天然状态
_
二、蛋白质空间结构与功能的关系
肌红蛋白（Myoglobin）
Mb存在于肌肉中，心肌含量特别丰富。是分子量为16700的小分子球状蛋白质，由153个氨基酸残基及一个血红素组成。
五十年代，英国科学家John Kendrew和Perutz 用X衍射对抹香鲸肌红蛋白的三级结构研究获得成功 ，是第一个获得完整构象的蛋白质。它有8段α螺旋结构,A、B、C、D、E、F、G、H。整条肽链折叠成紧密球状分子，疏水侧链大都在分子内部，极性带电荷的则在分子表面，因此水溶性好。
1962年Kendrew和Perutz 由于测定了肌红蛋白及血红蛋白的高级结构而获Nobel化学奖。
Mb分子内部有一个口袋形空穴，血红素居于其中 。
血红素是血红蛋白及细胞色素等的辅基,具有重要的生理功能。 血红素是含铁的卟啉化合物，卟啉由四个吡咯环组成，铁原子位于卟啉环的中央，Fe2+有6个配位键，其中4 个和吡咯环的N配位结合，1个与Mb93位（F8）His结合，氧与Fe2+形成第6 个配位键，接近64位E7His。
分子中有一口袋形空穴,血红素居于此空穴中,铁卟啉上的两个丙酸侧链以离子键形式与肽链中两个碱性氨基酸侧链上有正电荷相连,肽键中的His又与Fe2+形成配位结合,故血红素在此空穴中保持稳定.
血红素平面
第三节 纤维状蛋白质
纤维状蛋白质都是由几条肽链绞合而成，难溶于水，如胶原蛋白、毛发中的角蛋白、弹性蛋白。主要功能是提供坚实的支架，连接各细胞、组织、器官。
一、胶原蛋白（Collagen）
组织中胶原蛋白及弹性蛋白含量（占蛋白质总量百分比）
二、弹性蛋白
分布：富有弹性的组织，如肺、大动脉等。初合成时为水溶性单体称为原弹性蛋白。原弹性蛋白从细胞分泌出来后，Lys的εNH2受赖氨酰氧化酶催化而氧化脱氨生成醛基.3个Lys衍生的醛基与1 个Lys的εNH2缩合形成十字架样的特殊交联,使弹性蛋白卷曲而具有弹性.交联后极稳定,极难溶解.
三、角蛋白
毛发、指甲、羽毛为角蛋白。哺乳动物角蛋白为α-角蛋白、鸟类及爬行类为β-角蛋白。 α-角蛋白富含半胱氨酸,并与邻近的多肽链交联,形成二硫键,因此α-角蛋白很难溶解,也经受得起一定的拉力。毛料衣服易被蛀掉是由于一类蛾的幼虫消化液中有大量巯基化合物，使二硫键还原成巯基，肽链之间的聚合被解除，肽链被消化。
蚕丝蛋白是β折叠富含Gly、Ala、Ser。牢固但不能拉伸。
第四节 球状蛋白质
一、肌红蛋白（Myoglobin）
Mb存在于肌肉中，心肌含量特别丰富。是分子量为16700的小分子球状蛋白质，由153个氨基酸残基及一个血红素组成。
血红素是血红蛋白及细胞色素等的辅基,具有重要的生理功能. 血红素是含铁的卟啉化合物，卟啉由四个吡咯环组成，铁原子位于卟啉环的中央.Fe2+有6个配位键，其中4 个和吡咯环的N配位结合，1个与Mb93位（F8）His结合，氧与Fe2+形成第6 个配位键，接近64位E7His。
五十年代，John Kendrew 用X衍射对抹香鲸肌红蛋白的三级结构研究获得成功 ，是第一个获得完整构象的蛋白质。它有8段α螺旋结构,A、B、C、D、E、F、G、H。整条肽链折叠成紧密球状分子，疏水侧链大都在分子内部，极性带电荷的则在分子表面，因此水溶性好。
第四节 蛋白质的理化性质 及分离纯化
一、蛋白质的理化性质
1、两性电离及等电点
等电点：当溶液在某一定pH环境中，使蛋白质所带正、负电荷相等，净电荷为零，在电场中不向阳极也不向阴极移动。
酸性氨基酸pI＜7,碱性氨基酸pI ＞7。蛋白质pI与所含氨基酸种类和数量有关，若蛋白质中碱性Aa较多,其pI偏碱;如从雄性鱼类精子中提取的鱼精蛋白含Arg多,其pI 约为12,若含酸性Aa较多,则pI偏酸。
蛋白质在等电点时其溶解度、导电性、粘度、渗透压最小。
蛋白质等电点性质为电泳分离的依据.
2、胶体性质
蛋白质水溶液是一种比较稳定的亲水胶体，这是因为蛋白质颗粒表面带有很多极性基团（亲水基团向外翻，疏水基团向内钻），在蛋白质颗粒外面形成一层水膜（水化层）；另外蛋白质颗粒在非等电点状态时带的相同电荷，使蛋白质颗粒间相互排斥，不致相互凝聚沉淀
3、蛋白质变性（denaturation）
在某些物理化学因素作用下，蛋白质分子内部的非共价键断裂，天然构象破坏，从而引起理化性质改变，生物活性丧失。
蛋白质变性后一级结构没有发生变化。只是空间构象发生变化。
蛋白质变性后其溶解度降低，粘度增加，生物活性丧失，易被蛋白酶水解。
变性蛋白质不一定都沉降，沉降出的蛋白质也不一定变性。
造成蛋白质变性的因素：强酸、强碱、尿素、重金属盐、乙醇、加热、紫外线、X线等。
复性：有的蛋白质变性后，将变性剂除掉，能恢复活性。
4、蛋白质的紫外吸收
Trp、Tyr280nm处有特征吸收峰，可作蛋白质定量测定
5、蛋白质的呈色反应
（1）茚三酮反应（ninhydrin reaction）。
（2）双缩脲反应（biuret reaction）。肽键与双缩脲试剂反应呈紫色。氨基酸无此反应，可用于检测蛋白质水解程度。
二、蛋白质的分离纯化
1、盐析及丙酮 沉淀
盐析：大量中性盐如(NH4)2SO4、Na2SO4、NaCl加入蛋白质溶液中,破坏蛋白质在水溶液中的稳定性因素而沉淀.各种蛋白质盐析时需盐浓度及pH不同.
血清
2、电泳
3、透析：根据分子量的大小，用透析袋将大、小分子物质分开。
4、层析：离子交换层析、亲和层析等
5、分子筛：又称凝胶过滤层析柱内填满带有小孔的颗粒，一般为葡聚糖。
6、超速离心
S：单位离心场的沉降速度。1S=1×10-13秒
3、水解
胰蛋白酶：Lys或Arg羧基形成的肽键
胰凝乳蛋白酶：芳香族Aa羧基侧的肽键
溴化腈：Met羧基侧的肽键
4、测序；Edman降解法
PITC
苯氨基硫甲酰Aa
（PTC-Aa）
苯硫乙内酰脲（PTHAa）
pH=8.3
无水HF
水
生命来自于水，水是生物体的主要组成成分之一。细胞中水的含量通常占细胞总量70%～80%。
不同机体或同一机体的不同器官，含水量差别很大。
例如，人体骨骼22％，肌肉76％，脑70％～84％，肝脏70％，皮肤72％，心脏79％，血液83％。
一般说来，水生生物和生命活动旺盛的细胞，含水较多；
陆生生物和生命活动不活跃的细胞，含水分较少。如休眠的种子、孢子含水量低于10％。
细胞中水存在形式:游离水和结合水。
水的作用是：
①游离水是良好的溶剂
②游离水是物质运输的介质
③直接参加体内的生化反应
④具有调节体温的作用
⑤保持植物固有姿态也起着重要作用