第 8 章

第 8章 生命物质与人体健康

本章学习要求 （1）了解氨基酸、蛋白质、酶的结构和特性。（2）了解核糖核酸、脱氧核糖核酸的组成与结构，DNA复制机制与基因表达；了解生命科学中的基因突变、DNA重组技术、基因工程、中心法则等近代新概念。（3）了解一些对人类危害较大的疾病的防治方法及人们在治疗癌症、心血管病、爱滋病等中的一些新方法、新技术。（4）了解生命元素的主要生理功能及其与人体健康的关系，平衡膳食的组成及毒品种类。

目录 8.1 氨基酸、蛋白质和酶 8.2 核酸和基因工程 8.3 疾病与治疗 8.4 生命元素与人体健康

8.1 氨基酸、蛋白质和酶 生命糖蛋白质氨基酸核酸

8.1.1 氨基酸 α • 氨基酸是蛋白质水解的最终产物。 • 由蛋白质水解得到的氨基酸有20种。 • 蛋白质水解得到的氨基酸都是属于α-氨基酸，可用如下通式表示： • 不同的氨基酸仅仅是R基团部分有所不同。

20种天然氨基酸 序号中文名称英文缩写结构式 1 甘氨酸 Gly(G) 2 丙氨酸 Ala(A) 3 亮氨酸* Leu(L) 4 异亮氨酸* Ile(I) 5 缬氨酸* Val(V) 6 丝氨酸 Ser(S) 7 苏氨酸* Ihr(T)8 甲硫氨酸 (蛋氨酸)* Met(M)9 半胱氨酸 Cys(C) 10 苯丙氨酸* Phe(F)

20种天然氨基酸（续） 序号中文名称英文缩写结构式 11 谷氨酰胺 Gln(Q ) 12 天冬酰胺 Asn(N) 13 酪氨酸 Tyr(Y) 14 色氨酸* Trp(W) 15 天冬氨酸 Asp(D) 16 谷氨酸 Glu(E) 17 赖氨酸* Lys(K) 18 精氨酸* Arg(R) 19 组氨酸* His(H) 20 脯氨酸 PrO(P)

必需氨基酸 思考：什么是必需氨基酸？必需氨基酸——人体所必需但自身不能制造的氨基酸，它们必须从食物中摄取。思考：20种氨基酸都是人体必需氨基酸吗？表中带*者为人体必需氨基酸，儿童有10种，成人则为前8种。氨基酸特性：无色晶体，熔点较高（一般>200℃）不溶于有机溶剂，易溶于水具有两性

构型异构与手性分子 除甘氨酸外，其余19种氨基酸的α-碳原子都与4个不相同的基团相连。这种结构的的化合物在空间有两种不同的排布：这两种不同排布的化合物不能重叠，它们之间的关系就象实物和镜像、左手和右手的关系：

☆这种与4个不同基团相连的碳原子称为不对称碳原子，通常用*C表示：☆这种与4个不同基团相连的碳原子称为不对称碳原子，通常用*C表示： * * ☆这种由于基团在空间的排列方式不同引起的异构称为构型异构。 ☆这种实物和镜像不能重叠的分子称为手性分子或不对称分子，两者称为一对对映体，其中一个为D-型，另一个为L-型。 ☆蛋白质水解得到的氨基酸都是L-型氨基酸。

8.1.2 多肽 肽是氨基酸分子间通过肽键相连的一类化合物。肽键二肽由二个氨基酸缩合而成的叫二肽，由三个氨基酸缩合而成的叫三肽，由较多的氨基酸缩合而成的叫多肽。

多肽链可简单表示如下： N端 C端氨基酸残基一种广泛存在于动植物细胞中的重要三肽，是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成。它的结构式为：命名 γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸简称谷胱甘肽

肽键的结构

8.1.3 蛋白质 蛋白质是生物体内一类极为重要的功能大分子化合物。从最简单的病毒、细菌等微生物到高等动物，一切生命过程和繁衍活动都与蛋白质密切相关，可以说没有蛋白质就没有生命。蛋白质种类繁多，结构十分复杂，估计在人体内有几十万种以上的蛋白质。

蛋白质与多肽均是氨基酸的多聚物，通常将相对分子质量在10 000以上的称为蛋白质，10 000以下的称为多肽。但小分子蛋白质与大分子多肽之间不存在绝对严格的分界线。现在还认为多肽一般没有严密并相对稳定的空间结构，即其空间结构比较易变，具有可塑性；而蛋白质分子具有相对严密，比较稳定的空间结构，这也是蛋白质发挥生物功能的基础，因此一般将胰岛素（牛胰岛素相对分子质量为5733）划归为蛋白质。为了表示其不同层次的结构，常将蛋白质结构分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。

1. 蛋白质的一级结构 蛋白质分子的一级结构是指多肽链中氨基酸残基的连接方式和排列顺序。不同的蛋白质，一级结构不同。蛋白质的一级结构是由基因上的遗传密码的排列顺序决定的。一级结构最为重要，它包含着决定蛋白质空间结构的基本因素，也是蛋白质生物功能的多样性和种属特异性的结构基础。

牛胰岛素的一级结构示意图牛胰岛素由二条肽链共51个氨基酸残基组成牛胰岛素的一级结构示意图牛胰岛素由二条肽链共51个氨基酸残基组成 A链含有11种共21个氨基酸残基，N-端为甘氨酸，C-端为天冬酰胺，A链本身的6位和11位上的二个半胱氨酸通过二硫键相连成环； B链含16种共30个氨基酸残基，其N-端为苯丙氨酸，C-端为丙氨酸。

蛋白质的人工合成不仅在哲学上、理论上有重大意义，而且为 合成比天然产物更有效的多肽抗生素、激素等药物开辟了广阔前景。 1965年我国科学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结晶牛胰岛素。

2.蛋白质的空间结构 最早研究蛋白质空间结构的上世纪最伟大的化学家L.Pauling，在20世纪30年代就开始应用X-衍射方法来研究蛋白质晶体结构。1951年首先提出了蛋白质的立体结构模型：α-螺旋和β-折叠。蛋白质的空间结构又叫蛋白质的构象、高级结构、立体结构、三维结构等，指的是蛋白质分子中所有原子在三维空间中的排布。蛋白质的空间结构主要包括蛋白质的二级结构、三级结构和四级结构。维持蛋白质分子构象的作用力有：氢键、盐键、疏水键、范德华力和二硫键等。

维持蛋白质分子构象的各种作用力 a．氢键； b．盐键； c．疏水键；d．二硫健

（1）蛋白质的二级结构 蛋白质的二级结构是指多肽链的主链骨架中若干肽段在空间的伸展方式。维系主链构象稳定的最主要因素是主链的羰基和亚氨基之间所形成的氢键：蛋白质的二级结构最重要的是α-螺旋和β-折叠，还有β-转角和无规卷曲等。

α-螺旋结构 在α-螺旋结构中，多肽链中各肽键平面通过α-碳原子的旋转，围绕中心轴形成一种紧密螺旋盘曲构象。绝大多数蛋白质分子中所存在的α-螺旋几乎都是右手螺旋。

α-螺旋其结构特点如下： 肽链呈螺旋上升，每相隔3.6个氨基酸残基上升1圈，每个氨基酸残基沿轴旋转100°，沿轴向升高0.15nm，故螺距约为0.54nm；

螺旋间靠氢键维系，氢键是由同一条主链上一个氨基酸残基中的C=O氧与后面第四个氨基酸残基中的N-H氢形成，方向与螺旋轴大致平行，由于每个肽键中的C=O和N-H都参与形成链内氢键、故保持了α-螺旋的最大稳定性。螺旋间靠氢键维系，氢键是由同一条主链上一个氨基酸残基中的C=O氧与后面第四个氨基酸残基中的N-H氢形成，方向与螺旋轴大致平行，由于每个肽键中的C=O和N-H都参与形成链内氢键、故保持了α-螺旋的最大稳定性。

α-螺旋的四种表示方法

β-折叠结构 β-折叠一般有两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段共同参与形成，它们平行排列，并在两条肽链或一条肽链内的两个肽段之间以氢键维系而成。

(2) 蛋白质的三级结构 纤维状蛋白质一般只有一类二级结构构象单元，而球状蛋白质可能在同一分子内有几类二级结构构象单元。蛋白质的三级结构是指蛋白质（主要指球状蛋白）分子在二级结构的基础上依靠非共价键力进一步卷曲、折叠而构成的一种不规则的、特定的、更复杂的空间结构。 β-折迭 β-转角无规卷曲 α-螺旋

存在于哺乳动物（鲸、海狗和海豚）肌肉中的肌红蛋白是一种较小的球状蛋白，它是由一条含153个氨基酸残基组成的多肽链。主链中75％绕曲成8段比较直的α-螺旋。抹香鲸肌红蛋白的三级结构

猪胰岛素结构 1971年我国科学工作者全部完成了0.25nm分辨率的猪胰岛素晶体结构的测定工作。1974年又完成了分辨率为0.18nm的胰岛素晶体结构的分析工作。我国测定绘制的猪胰岛素空间结构示意图

(3) 蛋白质的四级结构 很多蛋白质是以三级结构的球状蛋白质的聚集体形式存在的。这种由球状蛋白质通过非共价键彼此结合在一起的聚集体称为蛋白质的四级结构。蛋白质的四级结构中的每一个具有三级结构的多肽链称为亚基（或亚单位）。一般亚基多为偶数，较小的蛋白质亚基数一般为2～10个，多的可达上千个。溶菌酶、肌红蛋白等无四级结构。血红蛋白有两条α-链、两条β-链，α-链含141个氨基酸残基，β-链含146个氨基酸残基（共4个亚基、近于一个直径为5.5nm的球体）。

血红蛋白的四级结构

8.1.4 酶和酶工程 单纯酶——仅由氨基酸残基构成的酶酶蛋白质部分 (酶蛋白) 结合酶全酶酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂。绝大多数的酶都是蛋白质。非蛋白质部分 (辅助因子) 酶的辅助因子按其与酶蛋白结合的紧密程度与作用特点不同又可分为辅酶或辅基。

1. 酶的催化作用特点 （1）高效性酶是自然界中催化活性最高的一类催化剂。酶的催化效率通常比非催化反应高108～1022倍，比一般催化剂高107～1013倍。（2）高度选择性酶一般只能选择性地催化一种或一类相同类型的化学反应。酶催化的反应几乎不产生副反应。（3）反应条件温和酶促反应一般在pH＝5～8的水溶液中进行，反应温度范围为20～40℃。在非水溶剂中，有些酶可在100 ℃以上反应。

2. 酶催化反应的机理 在酶催化的反应中，第一步是酶与底物形成酶-底物中间复合物。当底物分子在酶作用下发生化学变化后，中间复合物再分解成产物和酶。其中E-S复合物的形成是决定反应速率的关键步骤。

3.酶与底物结合的模式 (1) “锁与钥匙”学说——刚性模式 (2) “诱导契合”学说——柔性模式

4. 酶工程 酶工程是指酶制剂在工业上的大规模生产和应用。主要内容酶的制备、酶和细胞的固定化、酶反应器的设计和放大、反应条件的设计和优化等。主要任务通过预先设计，经过人工控制，获得大量所需酶，并保持酶的稳定性，发挥最大的催化功能。酶催化反应的基本步骤：酶制剂产品 → → 催化反应固定酶生物反应器 → → 目前已从生物体提取并纯化了3000种以上酶，工业化生产已有100多种，如胰蛋白酶（消化药）、溶菌酶、天冬酰胺酶（抑肿瘤）等。

8.2 核酸和基因工程 脱氧核糖核酸(DNA) 核酸核蛋白体RNA（rRNA）信使RNA（mRNA）核糖核酸(RNA) 转运RNA（tRNA）核酸是一类具有非常重要生物功能和生理活性的大分子化合物，存在于所有的生物体内，它储存着生物体内的遗传信息，与生物的遗传、繁衍、变异等各过程有着密切的联系。 DNA主要存在于细胞核内的染色体中，是生物遗传的物质基础。 RNA主要存在于细胞质中，线粒体含量最多，RNA参与体内蛋白质的合成。

8.2.1 核酸的组成 嘧啶碱有机碱嘌呤碱核苷核糖水解水解核酸核苷酸戊糖脱氧核糖磷酸

DNA和RNA的组成单元 核酸组成酸 H3PO4 H3PO4 嘌呤碱嘧啶碱 DNA RNA 戊醛糖 D-2-脱氧核糖 D-核糖腺嘌呤(A) 鸟嘌呤(G) 腺嘌呤(A) 鸟嘌呤(G) 含氮有机碱胞嘧啶(C) 胸腺嘧啶(T) 胞嘧啶(C) 尿嘧啶(U)

核苷酸 核苷酸是核苷中戊糖的3 ＇位或5 ＇位羟基与磷酸脱水而形成的核苷磷酸酯，它是核酸的基本组成单位。 5’-腺嘌呤核苷酸 3’-胞嘧啶脱氧核苷酸 5’-腺苷酸 3’-脱氧胞苷酸5´–AMP 3´–dCMP

8.2.2 核酸的结构 与蛋白质一样，核酸也有一级结构、二级结构和高级结构。 1.核酸的一级结构核酸的一级结构是指单核苷酸按一定的种类、数量和排列顺序连接而成的长链。不论是RNA分子还是DNA分子，单核苷酸都是通过3’，5’磷酸二酯键互相连接的，即由核糖或脱氧核糖C-5’上的磷酸基以酯键与另一个核糖或脱氧核糖C-3’相连，如此依次相连形成一条多核苷酸链。核酸片段结构

2. DNA的二级结构——DNA双螺旋结构 DNA分子的双螺旋结构是Watson和Crick等三人于1953年首先提出来的，它为从分子水平揭示生命现象的本质及分子遗传学奠定了基础，被誉为20世纪的三大发现之一。为此，Watson和Crick等三人荣获了1962年的诺贝尔奖。 DNA分子是由二条方向相反的平行核苷酸链组成（一条链为3 ＇→5 ＇，另一条为5 ＇→3 ＇走向），围绕着一中心轴形成一个右手双螺旋结构，螺旋的直径为2.0nm。

两条链上的碱基位于链的内侧，磷酸和脱氧核糖在双螺旋的外侧，彼此通过3´,5´-磷酸二酯键结合，形成DNA的骨架。两条链上的碱基位于链的内侧，磷酸和脱氧核糖在双螺旋的外侧，彼此通过3´,5´-磷酸二酯键结合，形成DNA的骨架。在双螺旋结构中，碱基是一个平面环状分子，其平面与中心轴垂直。两个相邻碱基对平面间的距离为0.34nm，其旋转夹角为36°。每10个碱基旋转一圈，上升高度恰好是3.40nm。

碱基互补规律 一条链上的嘌呤碱必须与另一条链上的嘧啶碱相配，腺嘌呤（A）通过形成两条氢键与胸腺嘧啶（T）相配；鸟嘌呤（G）经三条氢键与胞嘧啶（C）相配。根据碱基互补规律，当一条链的碱基顺序已被确定，自然另一条链的碱基也被确定。碱基配对规律在蛋白质的体内合成，生物体的生长和生物的遗传等方面有十分重要的意义。它决定了DNA在控制遗传信息方面的高度可靠性。

3. RNA的二级结构 思考： RNA的结构与DNA相同吗？ RNA的二级结构不象DNA分子那样呈极有规律的双螺旋状态。 RNA是单链分子，分子中并不严格遵守碱基配对规律。丙氨酸转移RNA三叶草结构

8.2.3 DNA的复制与基因表达 1. DNA的自复制 DNA在复制时，首先是组成双螺旋的二条链先拆分成两条单链，以DNA单链为模板，按照碱基互补原则合成出一条互补的新链，这样新形成的两个子代DNA分子就与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。在此过程中，每个子代双链DNA分子中都有一条来自母代DNA，另一条则是新合成的。这种复制方式称做半保留复制。由于碱基的严格互补原则，这种DNA半保留复制过程极为可靠，发生错误的可能性仅为一万亿分之一，这就保证了生物种的稳定性和延续性。

2.基因表达 基因就是有遗传效应的DNA片段。基因表达就是从DNA到蛋白质的过程。生物学中的“中心法则”：将DNA的遗传信息转录生成信使RNA，进而翻译成蛋白质。由此可以看出，DNA控制着蛋白质的合成。一段DNA双螺旋结构解旋，以其中一条单链为模板进行复制，合成出信使RNA。信使RNA中的核苷酸序列决定着蛋白质中的氨基酸序列。

遗传密码字典 信使RNA上每3个核苷酸翻译成蛋白质链上的一个氨基酸，把这3个核苷酸称为遗传密码，也称三联体密码或密码子。一共有64种遗传密码。

基因结构改变会引起生物体性状的巨大变化，这样的突变是由基因结构的改变引起的，所以叫“基因突变”。基因结构改变会引起生物体性状的巨大变化，这样的突变是由基因结构的改变引起的，所以叫“基因突变”。镰刀状贫血病是由于血红蛋白基因中的一个核苷酸T突变为A(遗传密码由CTT变为CAT)，造成蛋白质中的一个谷氨酸被缬氨酸代替，从而引起脱氧血红蛋白溶解度下降，在细胞内成胶或聚合，使红细胞变成镰刀状，并且丧失结合氧分子的能力。镰刀状红细胞正常红细胞

8.2.4 重组DNA与基因工程 在两个DNA分子之间，或一个DNA分子的两个不同部位之间，按人们的设计方案，通过链断裂和片段的交换重新形成了一个新的、改变了基因的组合和序列的DNA分子的过程称为DNA重组或基因重组。基因工程（基因重组）是将不同的基因在体外人工剪切组合，并和载体的DNA连接，然后转入另一种微生物或细胞内，进行扩增，并使转入的基因在细胞内表达，产生所需要的蛋白质。

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