第8

章生物大分子基礎第8章生物大分子基礎（1）了解氨基酸、多肽、蛋白質的結構和相互關系。本章學習要求（3）了解核糖核苷酸、DNA和RNA的組成與結構。（4）了解基因和基因工程。（5）了解糖類的化學組成與結構。（2）初步掌握手性化合物構型的R,S標記法則。（1）了解氨基酸、多肽、蛋白質的結構和相互關系。本章學習要求8.1

氨基酸、多肽和蛋白質8.2核苷酸、DNA、RNA和基因工程8.3糖類

目錄

8.1氨基酸、多肽和蛋白質8.2核苷酸、DNA、R糖蛋白質核酸氨基酸生命8.1氨基酸、蛋白質和酶糖蛋白質核酸氨基酸生命8.1氨基酸、蛋白質和酶

氨基酸是蛋白質水解的最終產物。

由蛋白質水解得到的氨基酸有20種。

蛋白質水解得到的氨基酸都是屬于α-氨基酸，可用如下通式表示：

不同的氨基酸僅僅是R基團部分有所不同。α8.1.1氨基酸氨基酸是蛋白質水解的最終產物。由蛋白質水解得到的氨基酸有序號中文名稱英文縮寫

結構式甘氨酸Gly(G)丙氨酸Ala(A)

絲氨酸Ser(S)半胱氨酸Cys(C)

5蘇氨酸*Thr(T)

表8.120種天然氨基酸的名稱和結構序號中文名稱英文縮寫

6纈氨酸*Val(V)

7亮氨酸*Leu(L)

8

異亮氨酸*Ile(I)

9甲硫氨酸

(蛋氨酸)*Met(M)

10苯丙氨酸*Phe(F)

20種天然氨基酸（續(xù)）序號中文名稱英文縮寫

結構式6纈氨酸*Val(V)色氨酸*

Trp(W)

酪氨酸Tyr(Y)13天冬氨酸

Asp(D)

天冬酰胺

Asn(N)

15谷氨酸Glu(E)

20種天然氨基酸（續(xù)）序號中文名稱英文縮寫

結構式色氨酸*

Trp(W)

20天冬氨酸

Asp(D)

賴氨酸*Lys(K)

精氨酸*Arg(R)

組氨酸*

His(H)

20脯氨酸PrO(P)

20種天然氨基酸（續(xù)）序號中文名稱英文縮寫

結構式天冬氨酸

Asp(D)

20種天然答：表中帶*者為人體必需氨基酸，兒童有10種，成人則為前8種。氨基酸特性：無色晶體，熔點較高（一般>200℃）不溶于有機溶劑，易溶于水具有兩性思考：什么是必需氨基酸？答：必需氨基酸是人體所必需但自身不能制造的氨基酸，它們必須從食物中攝取。思考：20種氨基酸都是人體必需氨基酸嗎？答：表中帶*者為人體必需氨基酸，兒童有10種，成人則為前8種除甘氨酸外，其余19種氨基酸的α-碳原子都與4個不相同的基團相連。這種結構的的化合物在空間有兩種不同的排布：這兩種不同排布的化合物不能重疊，它們之間的關系就像實物和鏡像、左手和右手的關系：氨基酸的手性除甘氨酸外，其余19種氨基酸的α-碳原子都與4個不相同的基團☆這種由于基團在空間的排列方式不同引起的異構稱為構型異構。☆這種與4個不同基團相連的碳原子稱為不對稱碳原子，通常用*C表示：**☆這種實物和鏡像不能重疊的分子稱為手性分子或不對稱分子，兩者稱為一對對映體，其中一個為R-型，另一個為S-型。☆這種由于基團在空間的排列方式不同引起的異構稱為構型異構。☆a>b>c>da,b,c順時針排列，手性碳原子構型為Ra,b,c逆時針排列，手性碳原子構型為Sa>b>c>d肽是氨基酸分子間通過肽鍵相連的一類化合物。由二個氨基酸縮合而成的叫二肽，由三個氨基酸縮合而成的叫三肽，由較多的氨基酸縮合而成的叫多肽。二肽8.1.2多肽肽鍵肽是氨基酸分子間通過肽鍵相連的一類化合物。由二個氨基酸縮合而多肽鏈可簡單表示如下：氨基酸殘基N端C端一種廣泛存在于動植物細胞中的重要三肽，是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成。它的結構式為：命名

γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸簡稱

谷胱甘肽多肽鏈可簡單表示如下：氨基酸殘基N端C端一種廣泛存在于動植物肽鍵的結構肽鍵的結構蛋白質是生物體內一類極為重要的功能大分子化合物。

從最簡單的病毒、細菌等微生物到高等動物，一切生命過程和繁衍活動都與蛋白質密切相關，可以說沒有蛋白質就沒有生命。蛋白質種類繁多，結構十分復雜，估計在人體內有幾十萬種以上的蛋白質。8.1.3蛋白質蛋白質是生物體內一類極為重要的功能大分子化合物。從最簡單的為了表示其不同層次的結構，常將蛋白質結構分為一級結構、二級結構、三級結構和四級結構。但小分子蛋白質與大分子多肽之間不存在絕對嚴格的分界線。現(xiàn)在還認為多肽一般沒有嚴密并相對穩(wěn)定的空間結構，即其空間結構比較易變，具有可塑性；而蛋白質分子具有相對嚴密，比較穩(wěn)定的空間結構，這也是蛋白質發(fā)揮生物功能的基礎，因此一般將胰島素（牛胰島素相對分子質量為5733）劃歸為蛋白質。蛋白質與多肽均是氨基酸的多聚物，通常將相對分子質量在10000以上的稱為蛋白質，10000以下的稱為多肽。為了表示其不同層次的結構，常將蛋白質結構分為一級結構、二級結蛋白質分子的一級結構是指多肽鏈中氨基酸殘基的連接方式和排列順序。不同的蛋白質，一級結構不同。蛋白質的一級結構是由基因上的遺傳密碼的排列順序決定的。一級結構最為重要，它包含著決定蛋白質空間結構的基本因素，也是蛋白質生物功能的多樣性和種屬特異性的結構基礎。1.蛋白質的一級結構蛋白質分子的一級結構是指多肽鏈中氨基酸殘基的連接方式和排列順A鏈含有11種共21個氨基酸殘基，N-端為甘氨酸，C-端為天冬酰胺，A鏈本身的6位和11位上的二個半胱氨酸通過二硫鍵相連成環(huán)；B鏈含16種共30個氨基酸殘基，其N-端為苯丙氨酸，C-端為丙氨酸。

牛胰島素的一級結構示意圖（牛胰島素由兩條肽鏈共51個氨基酸殘基組成）A鏈含有11種共21個氨基酸殘基，N-端為甘氨酸，C-端為天1965年我國科學工作者在世界上首次用人工方法合成具有全部生物活性的結晶牛胰島素。蛋白質的人工合成不僅在理論上有重大意義，而且為合成比天然產物更有效的多肽抗生素、激素等藥物開辟了廣闊前景。1965年我國科學工作者在世界上首次用人工方法合成具有全部生蛋白質的空間結構又叫蛋白質的構象、高級結構、立體結構、三維結構等，指的是蛋白質分子中所有原子在三維空間中的排布。維持蛋白質分子構象的作用力有：氫鍵、鹽鍵、疏水鍵、范德華力和二硫鍵等。蛋白質的高級結構主要包括蛋白質的二級結構、三級結構和四級結構。最早研究蛋白質空間結構的20世紀最偉大的化學家L.Pauling，在20世紀30年代就開始應用X-衍射方法來研究蛋白質晶體結構。1951年首先提出了蛋白質的立體結構模型：α-螺旋和β-折疊。2.蛋白質的高級結構蛋白質的空間結構又叫蛋白質的構象、高級結構、立體結構、三維結a．氫鍵；b．鹽鍵；c．疏水鍵；d．二硫健附圖8.1維持蛋白質分子構象的各種作用力a．氫鍵；b．鹽鍵；c．疏水鍵；d．二硫健蛋白質的二級結構是指多肽鏈的主鏈骨架中若干肽段在空間的伸展方式。維系主鏈構象穩(wěn)定的最主要因素是主鏈的羰基和亞氨基之間所形成的氫鍵：蛋白質的二級結構最重要的是α-螺旋和β-折疊，還有β-轉角和無規(guī)卷曲等。（1）蛋白質的二級結構蛋白質的二級結構是指多肽鏈的主鏈骨架中若干肽段在空間的伸展方在α-螺旋結構中，

多肽鏈中各肽鍵平面通過α-碳原子的旋轉，圍繞中心軸形成一種緊密螺旋盤曲構象。絕大多數(shù)蛋白質分子中所存在的α-螺旋幾乎都是右手

螺旋。α-螺旋結構在α-螺旋結構中，

多肽鏈中各肽鍵平面通過α-碳原子的旋轉，α-螺旋其結構特點如下：肽鏈呈螺旋上升，每相隔3.6個氨基酸殘基上升1圈，每個氨基酸殘基繞軸旋轉100°，沿軸向升高0.15nm，故螺距約為0.54nm；α-螺旋其結構特點如下：肽鏈呈螺旋上升，每相隔3.6個氨基酸螺旋間靠氫鍵維系，氫鍵是由同一條主鏈上一個氨基酸殘基中的C=O氧與后面第四個氨基酸殘基中的N-H氫形成，方向與螺旋軸大致平行，由于每個肽鍵中的C=O和N-H都參與形成鏈內氫鍵、故保持了α-螺旋的最大穩(wěn)定性。螺旋間靠氫鍵維系，氫鍵是由同一條主鏈上一個氨基酸殘基中的C=附圖8.2α-螺旋的四種表示方法附圖8.2α-螺旋的四種表示方法β-折疊：一般有兩條以上的肽鏈或一條肽鏈內的若干肽段共同參與形成，它們平行排列，并在兩條肽鏈或一條肽鏈內的兩個肽段之間以氫鍵維系而成。β-折疊結構β-折疊：一般有兩條以上的肽鏈或一條肽鏈內的若干肽段共同參與纖維狀蛋白質一般只有一類二級結構構象單元，而球狀蛋白質可能在同一分子內有幾類二級結構構象單元。蛋白質的三級結構是指蛋白質（主要指球狀蛋白）分子在二級結構的基礎上依靠非共價鍵力進一步卷曲、折疊而構成的一種不規(guī)則的、特定的、更復雜的空間結構。β-轉角β-折疊α-螺旋無規(guī)卷曲(2)蛋白質的三級結構纖維狀蛋白質一般只有一類二級結構構象單元，而球狀蛋白質可能在圖8.2肌紅蛋白的三級結構（抹香鯨肌紅蛋白的三級結構）

存在于哺乳動物（鯨、海狗和海豚）肌肉中的肌紅蛋白是一種較小的球狀蛋白，它是由一條含153個氨基酸殘基組成的多肽鏈。主鏈中75％繞曲成8段比較直的α-螺旋。圖8.2肌紅蛋白的三級結構（抹香鯨肌紅蛋白的三級結構）存1971年我國科學工作者全部完成了0.25nm分辨率的豬胰島素晶體結構的測定工作。1974年又完成了分辨率為0.18nm的胰島素晶體結構的分析工作。附圖8.3我國測定繪制的豬胰島素空間結構示意圖豬胰島素結構1971年我國科學工作者全部完成了0.25nm分辨率的豬胰島蛋白質的四級結構中的每一個具有三級結構的多肽鏈稱為亞基（或亞單位）。一般亞基多為偶數(shù)，較小的蛋白質亞基數(shù)一般為2～10個，多的可達上千個。血紅蛋白有兩條α-鏈、兩條β-鏈，α-鏈含141個氨基酸殘基，β-鏈含146個氨基酸殘基（共4個亞基、近于一個直徑為5.5nm的球體）。很多蛋白質是以三級結構的球狀蛋白質的聚集體形式存在的。這種由球狀蛋白質通過非共價鍵彼此結合在一起的聚集體稱為蛋白質的四級結構。溶菌酶、肌紅蛋白等無四級結構。(3)蛋白質的四級結構蛋白質的四級結構中的每一個具有三級結構的多肽鏈稱為亞基（或亞附圖8.4血紅蛋白的四級結構

附圖8.4血紅蛋白的四級結構RNA主要存在于細胞質中，線粒體含量最多，RNA參與體內蛋白質的合成。核酸是一類具有非常重要生物功能和生理活性的大分子化合物，存在于所有的生物體內，它儲存著生物體內的遺傳信息，與生物的遺傳、繁衍、變異等各過程有著密切的聯(lián)系。DNA主要存在于細胞核內的染色體中，是生物遺傳的物質基礎。核酸核糖核酸

(RNA)脫氧核糖

核酸(DNA)核蛋白體RNA（rRNA）信使RNA（mRNA）轉運RNA（tRNA）8.2核苷酸、DNA/RNA和基因工程RNA主要存在于細胞質中，線粒體含量最多，RNA參與體內蛋白核酸嘌呤堿嘧啶堿脫氧核糖核糖有機堿戊糖核苷酸水解核苷磷酸水解8.2.1核酸的組成核酸嘌呤堿嘧啶堿脫氧核糖核糖有機堿戊糖核苷酸水解核苷磷酸水解含氮有機堿

核酸組成酸H3PO4H3PO4

嘌呤堿

嘧啶堿

D-2-脫氧核糖D-核糖腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)

胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)DNARNA戊醛糖DNA和RNA的組成單元含核酸酸H3PO4H3PO4

核苷酸是核苷中戊糖的3’-位或5’-位羥基與磷酸脫水而形成的核苷磷酸酯，它是核酸的基本組成單位。

5′-腺嘌呤核苷酸3′-胞嘧啶脫氧核苷酸5′-腺苷酸3′-脫氧胞苷酸

5′–AMP3′–dCMP

核苷酸核苷酸是核苷中戊糖的3’-位或5’-位羥基與磷酸脫水而形與蛋白質一樣，核酸也有一級結構、二級結構和高級結構。8.2.2核酸的結構1.核酸的一級結構核酸的一級結構是指單核苷酸按一定的種類、數(shù)量和排列順序連接而成的長鏈。核酸片段結構

不論是RNA分子還是DNA分子，單核苷酸都是通過3’,5’-磷酸二酯鍵互相連接的，即由核糖或脫氧核糖C-5’上的磷酸基以酯鍵與另一個核糖或脫氧核糖C-3’相連，如此依次相連形成一條多核苷酸鏈。與蛋白質一樣，核酸也有一級結構、二級結構和高級結構。8.2.DNA分子的雙螺旋結構是Watson和Crick等三人于1953年首先提出來的，它為從分子水平揭示生命現(xiàn)象的本質及分子遺傳學奠定了基礎，被譽為20世紀的三大發(fā)現(xiàn)之一。為此，Watson和Crick等三人榮獲了1962年的諾貝爾獎。DNA分子是由二條方向相反的平行核苷酸鏈組成（一條鏈為3＇→5＇，另一條為5＇→3＇走向），圍繞著一中心軸形成一個右手雙螺旋結構，螺旋的直徑為2.0nm。

2.DNA的二級結構——DNA雙螺旋結構DNA分子的雙螺旋結構是Watson和Crick等三人于19在雙螺旋結構中，堿基是一個平面環(huán)狀分子，其平面與中心軸垂直。兩個相鄰堿基對平面間的距離為0.34nm，其旋轉夾角為36o。每10個堿基旋轉一圈，上升高度恰好是3.40nm。

兩條鏈上的堿基位于鏈的內側，磷酸和脫氧核糖在雙螺旋的外側，彼此通過3′,5′-磷酸二酯鍵結合，形成DNA的骨架。

在雙螺旋結構中，堿基是一個平面環(huán)狀分子，其平面與中心軸垂直。一條鏈上的嘌呤堿必須與另一條鏈上的嘧啶堿相配，腺嘌呤（A）通過形成兩條氫鍵與胸腺嘧啶（T）相配；鳥嘌呤（G）經三條氫鍵與胞嘧啶（C）相配。根據堿基互補規(guī)律，當一條鏈的堿基順序已被確定，自然另一條鏈的堿基也被確定。堿基配對規(guī)律在蛋白質的體內合成，生物體的生長和生物的遺傳等方面有十分重要的意義。它決定了DNA在控制遺傳信息方面的高度可靠性。堿基互補規(guī)律一條鏈上的嘌呤堿必須與另一條鏈上的嘧啶堿相配，腺嘌呤（A）通RNA的二級結構不象DNA分子那樣呈極有規(guī)律的雙螺旋狀態(tài)。RNA是單鏈分子，分子中并不嚴格遵守堿基配對規(guī)律。附圖8.5丙氨酸轉移RNA三葉草結構思考：RNA的結構與DNA相同嗎？3.RNA的二級結構RNA的二級結構不象DNA分子那樣呈極有規(guī)律的雙螺旋狀態(tài)。DNA在復制時，首先是組成雙螺旋的二條鏈先拆分成兩條單鏈，以DNA單鏈為模板，按照堿基互補原則合成出一條互補的新鏈，這樣新形成的兩個子代DNA分子就與原來DNA分子的堿基順序完全一樣。

在此過程中，每個子代雙鏈DNA分子中都有一條來自母代DNA，另一條則是新合成的。這種復制方式稱做半保留復制。由于堿基的嚴格互補原則，這種DNA半保留復制過程極為可靠，發(fā)生錯誤的可能性僅為一萬億分之一，這就保證了生物種的穩(wěn)定性和延續(xù)性。

8.2.3基因和基因工程1.基因思考：10-12出錯率意味著什么？變異進化DNA在復制時，首先是組成雙螺旋的二條鏈先拆分成兩條單鏈，以基因就是有遺傳效應的DNA片段。基因表達就是從DNA到蛋白質的過程。生物學中的“中心法則”：將DNA的遺傳信息轉錄生成信使RNA，進而翻譯成蛋白質。由此可以看出，DNA控制著蛋白質的合成。一段DNA雙螺旋結構解旋，以其中一條單鏈為模板進行復制，合成出信使RNA。信使RNA中的核苷酸序列決定著蛋白質中的氨基酸序列。基因就是有遺傳效應的DNA片段。基因表達就是從DNA到蛋白基因結構改變會引起生物體性狀的巨大變化，這樣的突變是由基因結構的改變引起的，所以叫“基因突變”。鐮刀狀貧血病是由于血紅蛋白基因中的一個核苷酸T突變?yōu)锳(遺傳密碼由CTT變?yōu)镃AT)，造成蛋白質中的一個谷氨酸被纈氨酸代替，從而引起脫氧血紅蛋白溶解度下降，在細胞內成膠或聚合，使紅細胞變成鐮刀狀，并且喪失結合氧分子的能力。鐮刀狀紅細胞正常紅細胞基因結構改變會引起生物體性狀的巨大變化，這樣的突變是由基因結在兩個DNA分子之間，或一個DNA分子的兩個不同部位之間，按人們的設計方案，通過鏈斷裂和片段的交換重新形成了一個新的、改變了基因的組合和序列的DNA分子的過程稱為DNA重組或基因重組。基因工程（基因重組）是將不同的基因在體外人工剪切組合，并和載體的DNA連接，然后轉入另一種微生物或細胞內，進行擴增，并使轉入的基因在細胞內表達，產生所需要的蛋白質。2基因工程在兩個DNA分子之間，或一個DNA分子的兩個不同部位之間，按★2000年6月26日科學家成功繪制出人類基因組“工作框架圖”。★2001年2月12日，中、美、日、德、法、英6國科學家聯(lián)合宣布，他們又繪制出了更加準確、清晰、完整的人類基因組圖譜。基因測序結果表明，人類基因組共有32億個堿基對，包含大約3萬到4萬個基因。這一重大成果標志著生命科學又向縱深邁進了一步。2003年4月15日宣布經13年努力，共同繪制完成由31對堿基組成的人類基因序列圖。★人類基因組計劃是1990年前后開始實施的，旨在破解人類染色體約30億對堿基對遺傳信息的科研計劃，被譽為20世紀實施的三大宏偉計劃之一。★2003年12月13日我國科學家在世界上率先完成第一張水稻基因精細圖，共6萬多個基因。3人類基因組計劃★2000年6月26日科學家成功繪制出人類基因組“工作框架楊煥明等來自北京華大基因研究中心和杭州、上海、長沙和西安等地11家中國研究機構近百名研究人員，在題為《水稻基因組序列草圖》的論文中宣布，他們采用全基因組鳥槍測序法，以中國和亞太地區(qū)主要水稻栽培亞種秈稻為對象，完成了對水稻基因組序列草圖的測定和初步分析。水稻基因組序列中國云南紅河哈尼梯田，成為2002年4月5日出版的美國《科學》雜志的封面。這份世界權威學術期刊，以封面文章形式和顯著篇幅登出中國科學家繪出水稻基因組工作框架圖的歷史性論文。它標志著在基因組學這一生命科學前沿領域，中國已部分具備世界領先的實力楊煥明等來自北京華大基因研究中心和杭州、上海、長沙和西安等地科學家將根據人類基因圖譜，分析人體蛋白在化學和生物學上的正常和變異特性，特別是當人體出現(xiàn)癌癥、抑郁癥等病變時蛋白細胞的化學變化。將來，人類就可以通過調整基因指令修正人體蛋白的非正常變化。但這一工作的難度要遠遠大于完成基因圖譜研究的工作，需要生物學、化學、物理學、計算機學等多學科人才展開規(guī)模空前的通力合作。人類基因組計劃的最終目標是弄清楚每種基因制造的蛋白質及其作用。從生理過程來看，基因向細胞發(fā)出指令，制造蛋白質；蛋白質再執(zhí)行維持人的生命活動的功能，如產生熱量、分解廢物、對抗感染等。科學家將根據人類基因圖譜，分析人體蛋白在化學和生物學上的正常在未來3~5年的時間內，國際人類基因組計劃的研究內容將集中在以下幾個方面：4.繼續(xù)研究由于基因組計劃帶來的社會、倫理和法律等方面的內容。1.克隆和測定人類及模式生物（特別是小鼠）的全長DNA序列；2.開發(fā)基因識別的軟件；3.開展第三代遺傳標記研究；附圖8.6中國科研人員在進行基因組草圖“基本信息”測序

在未來3~5年的時間內，國際人類基因組計劃的研究內容將集中在8.3糖類糖類：是組成生命體系的基本物質，是一起生命體維持生命活動所需能量的主要來源之一。

是一類重要的有機化合物，是多羥基醛或多羥基酮及其縮聚物和某些衍生物的總稱。

糖類通式：Cn(H2O)m大多數(shù)糖類化合物中氫和氧的比例為2:1

糖類主要由碳、氫、氧三種元素構成，包括單糖、單糖的聚合物（低聚糖、多糖）及衍生物

8.3糖類糖類：8.3.1單糖單糖是糖類中結構最簡單的一類，是帶多個羥基的醛或酮，不能水解成更簡單的糖，易溶于水，不溶于乙醚、丙酮等有機溶劑，單糖多是結晶固體，有甜味。簡單的單糖一般含有3-7個碳原子。最簡單的單糖是含有三個碳原子的甘油醛和二羥基丙酮

甘油醛二羥基丙酮8.3.1單糖單糖是糖類中結構最簡單的一類，是帶多個羥基的糖類大多含有手性碳原子，自然界中常見的糖類很多都是手性分子，如含有6個碳原子、5個羥基的醛（五羥基己醛糖）就有4個手性碳原子，葡萄糖和古羅糖就是其中的一種。

葡萄糖古羅糖糖類大多含有手性碳原子，自然界中常見的糖類很多都是手性分子，通常，單糖分子在溶液中同時存在著開鏈結構和環(huán)狀結構例如，葡萄糖在水溶液中就存在著下列互變異構。通常，單糖分子在溶液中同時存在著開鏈結構和環(huán)狀結構8.3.1單糖的聚合物（低聚糖和多糖）通常由10個以下的單糖分子縮合而成的糖類稱為低聚糖，又稱寡糖。根據一個低聚糖水解后產生的單糖分子數(shù)目，低聚糖有二糖、三糖、四糖等。多聚糖則是由10個以上的單糖分子縮合而成。常見的二糖有乳糖、蔗糖、麥芽糖，它們是同分異構體。

蔗糖麥芽糖乳糖8.3.1單糖的聚合物（低聚糖和多糖）通常由10個以下的單本章小結蛋白質有一級結構和高級（二級、三級、四級）結構，決定生理活性的是高級結構。其中最重要的二級結構為α-螺旋。1.氨基酸是組成蛋白質的基本單元蛋白質是由20種α-氨基酸通過肽鍵組成的天然高分子化合物。20種氨基酸中有8種是必需氨基酸（兒童為10種）。核苷酸是組成核酸的基本結構單位。核苷酸由戊糖、磷酸和堿基組成。核酸可分為脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。DNA的二級結構是由“堿基互補原則”控制的雙螺旋結構。RNA的二級結構一般由一條鏈組成。2.核苷酸是核酸的基本結構單元本章小結蛋白質有一級結構和高級（二級、三級、四級）結構，決定3.糖類指的是多羥基醛或多羥基酮及其縮聚物和某些衍生物的總稱。糖類主要由碳、氫、氧三種元素構成，糖類化合物包括單糖、單糖的聚合物（低聚糖和多糖）及衍生物。3.糖類指的是多羥基醛或多羥基酮及其縮聚物和某些衍生物的總稱作業(yè)：P320復習思考題部分：1，5，13習題部分：2（1）（3），5，6（1）（3）（5）（6），7.作業(yè)：第8

章生物大分子基礎第8章生物大分子基礎（1）了解氨基酸、多肽、蛋白質的結構和相互關系。本章學習要求（3）了解核糖核苷酸、DNA和RNA的組成與結構。（4）了解基因和基因工程。（5）了解糖類的化學組成與結構。（2）初步掌握手性化合物構型的R,S標記法則。（1）了解氨基酸、多肽、蛋白質的結構和相互關系。本章學習要求8.1

氨基酸、多肽和蛋白質8.2核苷酸、DNA、RNA和基因工程8.3糖類

目錄

8.1氨基酸、多肽和蛋白質8.2核苷酸、DNA、R糖蛋白質核酸氨基酸生命8.1氨基酸、蛋白質和酶糖蛋白質核酸氨基酸生命8.1氨基酸、蛋白質和酶

氨基酸是蛋白質水解的最終產物。

由蛋白質水解得到的氨基酸有20種。

蛋白質水解得到的氨基酸都是屬于α-氨基酸，可用如下通式表示：

不同的氨基酸僅僅是R基團部分有所不同。α8.1.1氨基酸氨基酸是蛋白質水解的最終產物。由蛋白質水解得到的氨基酸有序號中文名稱英文縮寫

結構式甘氨酸Gly(G)丙氨酸Ala(A)

絲氨酸Ser(S)半胱氨酸Cys(C)

5蘇氨酸*Thr(T)

表8.120種天然氨基酸的名稱和結構序號中文名稱英文縮寫

6纈氨酸*Val(V)

7亮氨酸*Leu(L)

8

異亮氨酸*Ile(I)

9甲硫氨酸

(蛋氨酸)*Met(M)

10苯丙氨酸*Phe(F)

20種天然氨基酸（續(xù)）序號中文名稱英文縮寫

結構式6纈氨酸*Val(V)色氨酸*

Trp(W)

酪氨酸Tyr(Y)13天冬氨酸

Asp(D)

天冬酰胺

Asn(N)

15谷氨酸Glu(E)

20種天然氨基酸（續(xù)）序號中文名稱英文縮寫

結構式色氨酸*

Trp(W)

20天冬氨酸

Asp(D)

賴氨酸*Lys(K)

精氨酸*Arg(R)

組氨酸*

His(H)

20脯氨酸PrO(P)

20種天然氨基酸（續(xù)）序號中文名稱英文縮寫

結構式天冬氨酸

Asp(D)

20種天然答：表中帶*者為人體必需氨基酸，兒童有10種，成人則為前8種。氨基酸特性：無色晶體，熔點較高（一般>200℃）不溶于有機溶劑，易溶于水具有兩性思考：什么是必需氨基酸？答：必需氨基酸是人體所必需但自身不能制造的氨基酸，它們必須從食物中攝取。思考：20種氨基酸都是人體必需氨基酸嗎？答：表中帶*者為人體必需氨基酸，兒童有10種，成人則為前8種除甘氨酸外，其余19種氨基酸的α-碳原子都與4個不相同的基團相連。這種結構的的化合物在空間有兩種不同的排布：這兩種不同排布的化合物不能重疊，它們之間的關系就像實物和鏡像、左手和右手的關系：氨基酸的手性除甘氨酸外，其余19種氨基酸的α-碳原子都與4個不相同的基團☆這種由于基團在空間的排列方式不同引起的異構稱為構型異構。☆這種與4個不同基團相連的碳原子稱為不對稱碳原子，通常用*C表示：**☆這種實物和鏡像不能重疊的分子稱為手性分子或不對稱分子，兩者稱為一對對映體，其中一個為R-型，另一個為S-型。☆這種由于基團在空間的排列方式不同引起的異構稱為構型異構。☆a>b>c>da,b,c順時針排列，手性碳原子構型為Ra,b,c逆時針排列，手性碳原子構型為Sa>b>c>d肽是氨基酸分子間通過肽鍵相連的一類化合物。由二個氨基酸縮合而成的叫二肽，由三個氨基酸縮合而成的叫三肽，由較多的氨基酸縮合而成的叫多肽。二肽8.1.2多肽肽鍵肽是氨基酸分子間通過肽鍵相連的一類化合物。由二個氨基酸縮合而多肽鏈可簡單表示如下：氨基酸殘基N端C端一種廣泛存在于動植物細胞中的重要三肽，是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸組成。它的結構式為：命名

γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸簡稱

谷胱甘肽多肽鏈可簡單表示如下：氨基酸殘基N端C端一種廣泛存在于動植物肽鍵的結構肽鍵的結構蛋白質是生物體內一類極為重要的功能大分子化合物。

從最簡單的病毒、細菌等微生物到高等動物，一切生命過程和繁衍活動都與蛋白質密切相關，可以說沒有蛋白質就沒有生命。蛋白質種類繁多，結構十分復雜，估計在人體內有幾十萬種以上的蛋白質。8.1.3蛋白質蛋白質是生物體內一類極為重要的功能大分子化合物。從最簡單的為了表示其不同層次的結構，常將蛋白質結構分為一級結構、二級結構、三級結構和四級結構。但小分子蛋白質與大分子多肽之間不存在絕對嚴格的分界線。現(xiàn)在還認為多肽一般沒有嚴密并相對穩(wěn)定的空間結構，即其空間結構比較易變，具有可塑性；而蛋白質分子具有相對嚴密，比較穩(wěn)定的空間結構，這也是蛋白質發(fā)揮生物功能的基礎，因此一般將胰島素（牛胰島素相對分子質量為5733）劃歸為蛋白質。蛋白質與多肽均是氨基酸的多聚物，通常將相對分子質量在10000以上的稱為蛋白質，10000以下的稱為多肽。為了表示其不同層次的結構，常將蛋白質結構分為一級結構、二級結蛋白質分子的一級結構是指多肽鏈中氨基酸殘基的連接方式和排列順序。不同的蛋白質，一級結構不同。蛋白質的一級結構是由基因上的遺傳密碼的排列順序決定的。一級結構最為重要，它包含著決定蛋白質空間結構的基本因素，也是蛋白質生物功能的多樣性和種屬特異性的結構基礎。1.蛋白質的一級結構蛋白質分子的一級結構是指多肽鏈中氨基酸殘基的連接方式和排列順A鏈含有11種共21個氨基酸殘基，N-端為甘氨酸，C-端為天冬酰胺，A鏈本身的6位和11位上的二個半胱氨酸通過二硫鍵相連成環(huán)；B鏈含16種共30個氨基酸殘基，其N-端為苯丙氨酸，C-端為丙氨酸。

牛胰島素的一級結構示意圖（牛胰島素由兩條肽鏈共51個氨基酸殘基組成）A鏈含有11種共21個氨基酸殘基，N-端為甘氨酸，C-端為天1965年我國科學工作者在世界上首次用人工方法合成具有全部生物活性的結晶牛胰島素。蛋白質的人工合成不僅在理論上有重大意義，而且為合成比天然產物更有效的多肽抗生素、激素等藥物開辟了廣闊前景。1965年我國科學工作者在世界上首次用人工方法合成具有全部生蛋白質的空間結構又叫蛋白質的構象、高級結構、立體結構、三維結構等，指的是蛋白質分子中所有原子在三維空間中的排布。維持蛋白質分子構象的作用力有：氫鍵、鹽鍵、疏水鍵、范德華力和二硫鍵等。蛋白質的高級結構主要包括蛋白質的二級結構、三級結構和四級結構。最早研究蛋白質空間結構的20世紀最偉大的化學家L.Pauling，在20世紀30年代就開始應用X-衍射方法來研究蛋白質晶體結構。1951年首先提出了蛋白質的立體結構模型：α-螺旋和β-折疊。2.蛋白質的高級結構蛋白質的空間結構又叫蛋白質的構象、高級結構、立體結構、三維結a．氫鍵；b．鹽鍵；c．疏水鍵；d．二硫健附圖8.1維持蛋白質分子構象的各種作用力a．氫鍵；b．鹽鍵；c．疏水鍵；d．二硫健蛋白質的二級結構是指多肽鏈的主鏈骨架中若干肽段在空間的伸展方式。維系主鏈構象穩(wěn)定的最主要因素是主鏈的羰基和亞氨基之間所形成的氫鍵：蛋白質的二級結構最重要的是α-螺旋和β-折疊，還有β-轉角和無規(guī)卷曲等。（1）蛋白質的二級結構蛋白質的二級結構是指多肽鏈的主鏈骨架中若干肽段在空間的伸展方在α-螺旋結構中，

多肽鏈中各肽鍵平面通過α-碳原子的旋轉，圍繞中心軸形成一種緊密螺旋盤曲構象。絕大多數(shù)蛋白質分子中所存在的α-螺旋幾乎都是右手

螺旋。α-螺旋結構在α-螺旋結構中，

多肽鏈中各肽鍵平面通過α-碳原子的旋轉，α-螺旋其結構特點如下：肽鏈呈螺旋上升，每相隔3.6個氨基酸殘基上升1圈，每個氨基酸殘基繞軸旋轉100°，沿軸向升高0.15nm，故螺距約為0.54nm；α-螺旋其結構特點如下：肽鏈呈螺旋上升，每相隔3.6個氨基酸螺旋間靠氫鍵維系，氫鍵是由同一條主鏈上一個氨基酸殘基中的C=O氧與后面第四個氨基酸殘基中的N-H氫形成，方向與螺旋軸大致平行，由于每個肽鍵中的C=O和N-H都參與形成鏈內氫鍵、故保持了α-螺旋的最大穩(wěn)定性。螺旋間靠氫鍵維系，氫鍵是由同一條主鏈上一個氨基酸殘基中的C=附圖8.2α-螺旋的四種表示方法附圖8.2α-螺旋的四種表示方法β-折疊：一般有兩條以上的肽鏈或一條肽鏈內的若干肽段共同參與形成，它們平行排列，并在兩條肽鏈或一條肽鏈內的兩個肽段之間以氫鍵維系而成。β-折疊結構β-折疊：一般有兩條以上的肽鏈或一條肽鏈內的若干肽段共同參與纖維狀蛋白質一般只有一類二級結構構象單元，而球狀蛋白質可能在同一分子內有幾類二級結構構象單元。蛋白質的三級結構是指蛋白質（主要指球狀蛋白）分子在二級結構的基礎上依靠非共價鍵力進一步卷曲、折疊而構成的一種不規(guī)則的、特定的、更復雜的空間結構。β-轉角β-折疊α-螺旋無規(guī)卷曲(2)蛋白質的三級結構纖維狀蛋白質一般只有一類二級結構構象單元，而球狀蛋白質可能在圖8.2肌紅蛋白的三級結構（抹香鯨肌紅蛋白的三級結構）

存在于哺乳動物（鯨、海狗和海豚）肌肉中的肌紅蛋白是一種較小的球狀蛋白，它是由一條含153個氨基酸殘基組成的多肽鏈。主鏈中75％繞曲成8段比較直的α-螺旋。圖8.2肌紅蛋白的三級結構（抹香鯨肌紅蛋白的三級結構）存1971年我國科學工作者全部完成了0.25nm分辨率的豬胰島素晶體結構的測定工作。1974年又完成了分辨率為0.18nm的胰島素晶體結構的分析工作。附圖8.3我國測定繪制的豬胰島素空間結構示意圖豬胰島素結構1971年我國科學工作者全部完成了0.25nm分辨率的豬胰島蛋白質的四級結構中的每一個具有三級結構的多肽鏈稱為亞基（或亞單位）。一般亞基多為偶數(shù)，較小的蛋白質亞基數(shù)一般為2～10個，多的可達上千個。血紅蛋白有兩條α-鏈、兩條β-鏈，α-鏈含141個氨基酸殘基，β-鏈含146個氨基酸殘基（共4個亞基、近于一個直徑為5.5nm的球體）。很多蛋白質是以三級結構的球狀蛋白質的聚集體形式存在的。這種由球狀蛋白質通過非共價鍵彼此結合在一起的聚集體稱為蛋白質的四級結構。溶菌酶、肌紅蛋白等無四級結構。(3)蛋白質的四級結構蛋白質的四級結構中的每一個具有三級結構的多肽鏈稱為亞基（或亞附圖8.4血紅蛋白的四級結構

附圖8.4血紅蛋白的四級結構RNA主要存在于細胞質中，線粒體含量最多，RNA參與體內蛋白質的合成。核酸是一類具有非常重要生物功能和生理活性的大分子化合物，存在于所有的生物體內，它儲存著生物體內的遺傳信息，與生物的遺傳、繁衍、變異等各過程有著密切的聯(lián)系。DNA主要存在于細胞核內的染色體中，是生物遺傳的物質基礎。核酸核糖核酸

(RNA)脫氧核糖

核酸(DNA)核蛋白體RNA（rRNA）信使RNA（mRNA）轉運RNA（tRNA）8.2核苷酸、DNA/RNA和基因工程RNA主要存在于細胞質中，線粒體含量最多，RNA參與體內蛋白核酸嘌呤堿嘧啶堿脫氧核糖核糖有機堿戊糖核苷酸水解核苷磷酸水解8.2.1核酸的組成核酸嘌呤堿嘧啶堿脫氧核糖核糖有機堿戊糖核苷酸水解核苷磷酸水解含氮有機堿

核酸組成酸H3PO4H3PO4

嘌呤堿

嘧啶堿

D-2-脫氧核糖D-核糖腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)

胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)腺嘌呤(A)鳥嘌呤(G)DNARNA戊醛糖DNA和RNA的組成單元含核酸酸H3PO4H3PO4

核苷酸是核苷中戊糖的3’-位或5’-位羥基與磷酸脫水而形成的核苷磷酸酯，它是核酸的基本組成單位。

5′-腺嘌呤核苷酸3′-胞嘧啶脫氧核苷酸5′-腺苷酸3′-脫氧胞苷酸

5′–AMP3′–dCMP

核苷酸核苷酸是核苷中戊糖的3’-位或5’-位羥基與磷酸脫水而形與蛋白質一樣，核酸也有一級結構、二級結構和高級結構。8.2.2核酸的結構1.核酸的一級結構核酸的一級結構是指單核苷酸按一定的種類、數(shù)量和排列順序連接而成的長鏈。核酸片段結構

不論是RNA分子還是DNA分子，單核苷酸都是通過3’,5’-磷酸二酯鍵互相連接的，即由核糖或脫氧核糖C-5’上的磷酸基以酯鍵與另一個核糖或脫氧核糖C-3’相連，如此依次相連形成一條多核苷酸鏈。與蛋白質一樣，核酸也有一級結構、二級結構和高級結構。8.2.DNA分子的雙螺旋結構是Watson和Crick等三人于1953年首先提出來的，它為從分子水平揭示生命現(xiàn)象的本質及分子遺傳學奠定了基礎，被譽為20世紀的三大發(fā)現(xiàn)之一。為此，Watson和Crick等三人榮獲了1962年的諾貝爾獎。DNA分子是由二條方向相反的平行核苷酸鏈組成（一條鏈為3＇→5＇，另一條為5＇→3＇走向），圍繞著一中心軸形成一個右手雙螺旋結構，螺旋的直徑為2.0nm。

2.DNA的二級結構——DNA雙螺旋結構DNA分子的雙螺旋結構是Watson和Crick等三人于19在雙螺旋結構中，堿基是一個平面環(huán)狀分子，其平面與中心軸垂直。兩個相鄰堿基對平面間的距離為0.34nm，其旋轉夾角為36o。每10個堿基旋轉一圈，上升高度恰好是3.40nm。

兩條鏈上的堿基位于鏈的內側，磷酸和脫氧核糖在雙螺旋的外側，彼此通過3′,5′-磷酸二酯鍵結合，形成DNA的骨架。

在雙螺旋結構中，堿基是一個平面環(huán)狀分子，其平面與中心軸垂直。一條鏈上的嘌呤堿必須與另一條鏈上的嘧啶堿相配，腺嘌呤（A）通過形成兩條氫鍵與胸腺嘧啶（T）相配；鳥嘌呤（G）經三條氫鍵與胞嘧啶（C）相配。根據堿基互補規(guī)律，當一條鏈的堿基順序已被確定，自然另一條鏈的堿基也被確定。堿基配對規(guī)律在蛋白質的體內合成，生物體的生長和生物的遺傳等方面有十分重要的意義。它決定了DNA在控制遺傳信息方面的高度可靠性。堿基互補規(guī)律一條鏈上的嘌呤堿必須與另一條鏈上的嘧啶堿相配，腺嘌呤（A）通RNA的二級結構不象DNA分子那樣呈極有規(guī)律的雙螺旋狀態(tài)。RNA是單鏈分子，分子中并不嚴格遵守堿基配對規(guī)律。附圖8.5丙氨酸轉移RNA三葉草結構思考：RNA的結構與DNA相同嗎？3.RNA的二級結構RNA的二級結構不象DNA分子那樣呈極有規(guī)律的雙螺旋狀態(tài)。DNA在復制時，首先是組成雙螺旋的二條鏈先拆分成兩條單鏈，以DNA單鏈為模板，按照堿基互補原則合成出一條互補的新鏈，這樣新形成的兩個子代DNA分子就與原來DNA分子的堿基順序完全一樣。

在此過程中，每個子代雙鏈DNA分子中都有一條來自母代DNA，另一條則是新合成的。這種復制方式稱做半保留復制。由于堿基的嚴格互補原則，這種DNA半保留復制過程極為可靠，發(fā)生錯誤的可能性僅為一萬億分之一，這就保證了生物種的穩(wěn)定性和延續(xù)性。

8.2.3基因和基因工程1.基因思考：10-12出錯率意味著什么？變異進化DNA在復制時，首先是組成雙螺旋的二條鏈先拆分成兩條單鏈，以基因就是有遺傳效應的DNA片段。基因表達就是從DNA到蛋白質的過程。生物學中的“中心法則”：將DNA的遺傳信息轉錄生成信使RNA，進而翻譯成蛋白質。由此可以看出，DNA控制著蛋白質的合成。一段DNA雙螺旋結構解旋，以其中一條單鏈為模板進行復制，合成出信使RNA。信使RNA中的核苷酸序列決定著蛋白質中的氨基酸序列。基因就是有遺傳效應的DNA片段。基因表達就是從DNA到蛋白基因結構改變會引起生物體性狀的巨大變化，這樣的突變是由基因結構的改變引起的，所以叫“基因突變”。鐮刀狀貧血病是由于血紅蛋白基因中的一個核苷酸T突變?yōu)锳(遺傳密碼由CTT變?yōu)镃AT)，造成蛋白質中的一個谷氨酸被纈氨酸代替，從而引起脫氧血紅蛋白溶解度下降，在細胞內成膠或聚合，使紅細胞變成鐮刀狀，并且喪失結合氧分子的能力。鐮刀狀紅細胞正常紅細胞基因結構改變會引起生物體性狀的巨大變化，這樣的突變是由基因結在兩個DNA分子之間，或一個DNA分子的兩個不同部位之間，按人們的設計方案，通過鏈斷裂和片段的交換重新形成了一個新的、改變了基因的組合和序列的DNA分子的過程稱為DNA重組或基因重組。基因工程（基因重組）是將不同的基因在體外人工剪切組合，并和載體的DNA連接，然后轉入另一種微生物或細胞內，進行擴增，并使轉入的基因在細胞內表達，產生所需要的蛋白質。2基因工程在兩個DNA分子之間，或一個DNA分子的兩個不同部位之間，按★2000年6月26日科學家成功繪制出人類基因組“工作框架圖”。★2001年2月12日，中、美、日、德、法、英6國科學家聯(lián)合宣布，他們又繪制出了更加準確、清晰、完整的人類基因組圖譜。基因測序結果表明，人類基因組共有32億個堿基對，包含大約3萬到4萬個基因。這一重大成果標志著生命科學又向縱深邁進了一步。2003年4月15日宣布經13年努力，共同繪制完成由31對堿基組成的人類基因序列圖。★人類基因組計劃是1990年前后開始實施的，旨在破解人類染色體約30億對堿基對遺傳信息的科研計劃，被譽為20世紀實施的三大宏偉計劃之一。★2003年12月13日我國科學家在世界上率先完成第一張水稻基因精細圖，共6萬多個基因。3人類基因組計劃★2000年6月26日科學家成功繪制出人類基因組“工作框架楊煥明等來自北京華大基因研究中心和杭州、上海、長沙和西安等地11家中國研究機構近百名研究人員，在題為《水稻基因組序列草圖》的論文中宣布，他們采用全基因組鳥槍測序法，