生物大分子简介
生物大分子之概述
生命的化学基础
内容
第二章：生命的化学基础2.4 生物大分子概述
2.5 糖
2.6 脂类
2.7 核酸
2.8 蛋白质
2.4 生物大分子
•生物分子的碳链骨架
•糖类
•脂类
•蛋白质
•核酸
生物分子的碳链骨架
•碳链是生物分子的最基本结构，可形成四个共价键(covalent bond)。
它上面连上不同的化学基团或元素可构成不同的生物分子。
碳链可以是链状或环状，不同的环又可以串接成链状。
这些变换无穷的组合构成了天文数字的潜在生物分子。
但真实存在的生物分子数量远远少于潜在数量，这是自然选择和进化的结果。
•烃：甲烷、辛烷、脂肪中的烃
生命化学中的功能团
•羟基：存在于醇和糖中
•羰基：存在于糖中
•氨基：存在于氨基酸和尿素中
•羧基：存在于氨基酸、脂肪酸和某些维生素中
•共价键中储藏能量，生物氧化中断裂释放能量，供给生命活动
不同构象是生命分子产生功能的基础
•构象：单键的自由旋转使相同的结构或构型的分子在空间形成的特定的形态。
脑化学中分子形状的重要性。
生物大分子
Essential for replicating DNA and transcribing RNA 5’ 3’
• Sugar-phosphate backbones (negatively charged): outside • Planner bases (stack one above the other): inside back
Cytidine 5’-triphosphate (CTP) Deoxy-cytidine 5’-triphosphate (dCTP) Uridine 5’-triphosphate (UTP) Thymidine/deoxythymidie 5’-triphosphate (dTTP)
Cytosine (C) Cytidine
核蛋白 Nulceoprotein: nucleic acids + protein (Section A4) 糖蛋白 carbohydrate + protein Glycoprotein: 脂蛋白 Lipid + protein Lipoprotein:
大分子的组装
Protein complexes (蛋白质复合体) Nucleoprotein (核蛋白)
viruses
•The foundation of the molecular biology
C. Properties of nucleic acids
•Two separate strands Antiparellel (5’3’ direction) Complementary (sequence) Base pairing: hydrogen bonding that holds two strands together
生物大分子的定义
生物大分子的定义
生物大分子指的是一种具有一定结构和功能的有机大分子，它是由多种有机构成的大
分子组合而成的，应用于生物领域的有机物质，如蛋白质、核酸和多糖等。
它们可以用来
在细胞中执行各种功能。
它们不仅仅是以分子形式存在，而且可能还发挥蒸汽态或液态作用。
生物大分子实际上是一组大分子，有两个不同的类型：一种称为有机分子，另一种称
为有机结构。
这些大分子都分子由有机元素（如碳、氢、氧、氮和磷）的原子构成。
典型
的有机分子结构包括我们熟知的蛋白质和核酸。
而且，生物大分子不仅是由有机分子组成，还可能由有机结构组成，典型的有机结构包括多糖、生物膜等。
在生物领域，生物大分子可以在多种不同的基因组中存在，如不同种类的植物和动物，并可能用来调节细胞中的基因表达。
生物大分子也可以用来调节细胞形态和功能，如细胞
间的胞外物质的分布，细胞膜的形成、细胞迁移等等。
此外，这些大分子还可以作为基因
疾病的治疗或预防药物，或者用来制造抗病毒疫苗。
自从人们发现生物大分子开始，他们逐渐发挥出更大的作用。
研究人员开发出各种类
型的生物大分子，用来实现生物学上各种有用的功能，如编辑基因和调节细胞生物过程等。
生物大分子已成为有关基础和临床研究的重要工具，为临床诊断和治疗提供帮助。
生物大分子在医学中的应用
生物大分子在医学中的应用生物大分子是指由多个单体结合而成的超大分子，例如蛋白质、核酸、多糖等。
这些大分子在医学领域中具有广泛的应用，可以用于疾病诊断、治疗和药物研发。
本文将就生物大分子在医学中的应用进行探讨。
一、生物大分子在疾病诊断中的应用蛋白质是细胞内最重要的大分子之一，在诊断疾病方面具有很大的潜力。
通过分析血液中特定蛋白质的含量，可以发现某些疾病的早期生物标记物，从而进行早期诊断。
例如，前列腺癌是男性常见的恶性肿瘤之一。
通常情况下，病人需要通过生物检测来进行诊断。
然而，由于前列腺生物标志物的浓度非常低，因此使用常规方法很难检测到。
因此，研究人员使用了一种基于生物学反应的试剂盒，该试剂盒可以检测到血清中前列腺生物标志物的微量浓度。
这种检测方法的灵敏度比传统方法高出数十倍，更能精确地诊断前列腺癌。
类似的，利用蛋白质作为生物标志物，其他疾病的早期诊断也得以实现。
比如，皮肤癌和乳腺癌的诊断利用了肿瘤标志物的检测，通过统计血液或尿液中的肿瘤标志物的含量来判断患者是否患有癌症。
二、生物大分子在疾病治疗中的应用生物大分子可以用于疾病治疗的方法包括基因治疗、免疫治疗、蛋白质治疗等。
下面我们将分别探讨这些方法的应用。
（1）基因治疗基因治疗是一种针对人类基因组的治疗方法，是目前治疗先进疾病的有效途径之一。
常见的基因治疗方法包括基因替换、基因敲除、基因修饰等。
例如，患者的细胞分泌的抗凝血酶因某些原因不足，可以通过基因工程技术先构建人工基因抗凝血酶，然后将其导入患者的细胞内，使其细胞自行产生乘載抗凝血剂的蛋白。
这种方法使得患者在避免烦琐药物日常注射的同时，持续地提供最佳的抗凝血功效。
（2）免疫治疗免疫治疗是一种治疗疾病的方法，通过刺激或调节机体免疫系统来达到治疗目的。
免疫制剂包括单克隆抗体、细胞疫苗、疫苗等。
免疫治疗的优势在于，其治疗的目标是特异性抗原，扩大了治疗的覆盖面，同时也对人体损伤较小。
一些免疫治疗临床成功的案例包括：重组人源单克隆抗体的使用既可用于肿瘤、克隆的治疗，也是治疗病毒性感染和免疫疾病如风湿病等的重要药物，此外，对于病毒感染则可将疫苗作为传统的治疗方法。
生物大分子及其结构和功能分析
生物大分子及其结构和功能分析随着科学技术的不断发展，人类对于生物大分子的理解也日渐深入透彻。
生物大分子，是指具有生物学功能并由较大的分子量组成的有机分子。
它们承担着构建和维持生命的重要作用，如核酸、蛋白质、多糖等。
接下来，我们将从分子结构和功能两个角度分析并探讨生物大分子的特点。
一、分子结构的特点生物大分子的分子结构复杂、多样，在细胞内部起着不同的功能。
其中，核酸、蛋白质和多糖是最为常见的三种生物大分子。
下面我们依次介绍它们的分子结构特点。
1.核酸核酸是生命物质的重要组成部分，是继承遗传信息的基础分子。
核酸分为DNA和RNA两种。
从分子结构上看，核酸基本上是由核苷酸单元组成的。
核苷酸是由糖、磷酸和核碱基三个部分组成的，核酸分子中的磷酸桥作为连接核苷酸单元的桥梁，使核苷酸单元构成一个长链。
2.蛋白质蛋白质是细胞内最重要的物质之一，从分子结构上看，蛋白质是由氨基酸单元组成的。
氨基酸的特点是：一个分子中含有氨基、羧基和一个特异性侧链，其中特异性侧链的不同是构成各种不同氨基酸的主要差异。
蛋白质通过氨基酸单元组成的长链折叠而成复杂的三维空间结构，并根据这种结构发挥不同的生物学功能。
3.多糖多糖也是由不同的单元结构组成，是一种由具有多个糖基的单元结构组成的大分子，即由多个单糖分子通过糖苷键连接而成的高分子，如淀粉、纤维素等。
多糖的主要特点是它的分子结构是纤维状的，可以形成一些软组织。
二、功能的表现生物大分子的分子结构决定了它的生物学功能，下面我们将从维持生命循环、构建基因和参与代谢等角度介绍生物大分子的生物学功能。
1. 维持生命循环DNA和RNA是继承遗传信息的基础分子，是维持生命循环的关键分子。
DNA 分子的遗传信息转换成RNA分子的过程称之为转录，而RNA分子的遗传信息转换成蛋白质的过程称之为翻译。
这两个过程共同构成了基因表达途径，使得生物大分子可以传递遗传信息，维持生命循环。
2. 构建基因生物大分子不仅承载着生命的遗传信息，同时也为生物发育和进化提供了基础。
生物大分子
蛋白质一级结构与功能的关系
1. 相似结构表现相似的功能 (不同动物来
源的胰岛素)
2. 不同结构具有不同的功能 (催产素与抗
利尿激素) 3. 一级结构的改变与分子病 (镰刀状红细 胞性贫血)
镰刀形红细胞贫血
HbA β 肽 链 N-val · his · leu · thr · pro · glu · glu · · · · ·C(146) HbS β 肽链 N-val · his · leu · thr · pro · val · glu · · · · ·C(146)
机体生物大分子的结构 和功能
概述
一、生物大分子的概念 二、蛋白质的结构和功能 三、核酸的结构和功能
四、多糖的结构和功能
五、生物大分子功能特性与共性
一、生物大分子的概念
生物体内由小分子如氨基酸、核苷酸等聚合而 成的种类繁多、结构复杂、功能多样的高分子 物质称为生物大分子（macromolecule） 。
包括蛋白质、核酸和高分子的碳氢化合物 分子量 104—1012
二、蛋白质的结构和功能
蛋白质的结构
蛋白质由20种L-a-氨基酸组成，他们在化学结 构上具有共同的特点：
氨基酸决定蛋白质的功能
氨基酸不同 R基不同 理化性质不同
功能不同理化性质不同蛋白质空间 Nhomakorabea构象不同
两性电解质（电泳的原理）
等电点(PI)：蛋白质或两性电解质(如氨基酸)所带净电荷为
零时溶液的pH，此时蛋白质或两性电解质在电场中的迁移率为
零。符号为pI。
溶液PH≥PI 溶液PH≤PI
呈酸性 呈碱性
正极 负极
必须氨基酸：甲携（缬）来一本亮色书（苏）
肽键与多肽
两个氨基酸脱水缩合形成的化学键叫做肽键，三 个以上氨基酸形成的肽称为多肽
生物大分子
生物大分子生物大分子指的是作为生物体内主要活性成分的各种分子量达到上万或的有机分子。
常见的生物大分子包括蛋白质、核酸、脂类、糖类。
糖类代谢与脂类代谢之间的关系应该清楚，糖类与脂肪之间的转化是双向的，但它们之间的转化程度不同，糖类可以大量形成脂肪，例如酵母菌放在含糖培养基中培养，细胞内就能够生成脂类，个别种类的酵母菌合成的脂肪可以高在这酵母菌干重的40%；然而脂肪却不能大量转化为糖类，例如某些动物在冬眠的时候，脂肪可以转变成糖类。
糖类代谢与蛋白质代谢的关系，首先使明确必需氨基酸和非必需氨基酸的概念：所谓非必需氨基酸是指在人体细胞中可能合成的氨基酸；所谓必需氨基酸是指在人体细胞中不能合成的氨基酸，人体的必需氨基酸共有8种，它们是赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸、甲硫氨酸。
然后应指出糖类与蛋白质之间的转化也可以是双向的：糖类代谢的中间产物可以转变成非必需氨基酸，但糖类不能转化为必需氨基酸，因此糖类转变蛋白质的过程是不全面的；然而几乎所有组成蛋白质的天然氨基酸通过脱氨基作用后，产生的不含氮部分都可以转变为糖类，例如，用蛋白质饲养患人工糖尿病的狗，则有50%以上的食物蛋白质可以转变成葡萄糖。
蛋白质代谢与脂类代谢的关系，蛋白质与脂类之间的转化依不同的生物而有差异，例如人和动物不容易利用脂肪合成氨基酸，然而植物和微生物则可由脂肪酸和氮源生成氨基酸；某些氨基酸通过不同的途径也可转变成甘油和脂肪酸，例如用只含蛋白质的食物饲养动物，动物也能在体内存积脂肪。
糖类、蛋白质和脂类的代谢之间相互制约，糖类可以大量转化成脂肪，而脂肪却不可以大量转化成糖类。
只有当糖类代谢发生障碍时才由脂肪和蛋白质来供能，当糖类和脂肪摄入量都不足时，蛋白质的分解才会增加。
例如糖尿病患者糖代谢发生障碍时，就由脂肪和蛋白质来分解供能，因此患者表现出消瘦。
国际生物大分子
• DNA结构：双螺旋链结构，负责遗传信息的存储和传递
• RNA结构：单链或双链结构，参与蛋白质的合成和翻译过程
• DNA/RNA复合物结构：如核糖体、病毒等，参与生物体的生命活动
• 碳水化合物的结构与功能
• 单糖结构：如六碳糖、五碳糖等，是生物体内的主要能源物质
• 多糖结构：如淀粉、纤维素等，负责生物体内的能量储存信息传递和代谢过程
生物大分子的结构与功能
• 蛋白质的结构与功能
• 一级结构：氨基酸的线性序列，决定蛋白质的基本结构和性质
• 二级结构：氨基酸链中的α螺旋和β折叠，影响蛋白质的稳定性和活性
• 三级结构：蛋白质分子中的空间折叠，决定蛋白质的特异性和功能
• 四级结构：多个亚基组成的多肽链复合物，如血红蛋白、酶等
• 药物筛选：通过高通量筛选技术筛选具有治疗作用的药物
• 药物优化：通过研究药物与靶点的相互作用，优化药物设计和结构
生物大分子在生物技术领域的应用
生物制品和疫苗
生物检测和诊断
• 生物制品：通过生物工程技术生产生物制品，如酶、细
• 生物传感器：通过生物大分子研发生物传感器，如酶传
胞因子等
感器、抗体传感器等
• 后翻译质量控制：通过泛素-蛋白酶体系统等调控蛋白质的稳定性和活性，保证蛋白质功能的正常发挥
• 核酸的质量控制
• 复制质量控制：通过复制因子、复制起始因子等调控DNA的复制过程，保证遗传信息的准确传递
• 转录质量控制：通过转录因子、增强子和沉默子等调控基因的转录过程，保证基因表达的准确性
• 修复质量控制：通过修复酶、损伤识别等调控DNA的修复过程，保证遗传信息的完整性
到几亿道尔顿之间
形成的大分子
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3. 醣成分的功能雖未確立，但一般認為可能會影響蛋白質的 構形、安定性與生物活性，和胚胎的發育分化，或細胞的 辨識等有關
絲胺酸 (-OH)
天門冬醯胺 (-NH2)
醣蛋白中寡醣與蛋白質連接的方式
低密度 脂蛋白受體
4. 葡萄糖的立體構形 葡萄糖的結構為六元環，以實際的立體構形表示時有船形 或椅形兩種 葡萄糖的椅形構形是所有六碳醣中最穩定的構形，因此 自然界中葡萄糖的含量最多
開
葡萄糖
鏈
式
構
造
環 式 構 造
果糖
氧化亞銅沉澱
菲林反應 (Fehling’s reaction)
葡萄糖氧化酶
血糖或糖尿的測定
椅形
軸位取代基 平位取代基
同種類的單醣分子
纖維素
肝糖
不同種類的單醣分子
非還原端
→
直鏈澱粉
直鏈澱粉 支鏈澱粉
還原端
澱粉中的葡萄糖分子以 α(1 → 4)糖苷鍵連接
氫鍵
直鏈澱粉的螺旋狀立體構造，與碘液反應時呈藍色
4. 肝糖的結構與支鏈澱粉類似，與碘液作用時亦呈紫紅色 5. 植物、酵母、細菌等亦含有由不同單醣分子(如阿拉伯糖、
2. 常見的單糖 六碳醣中有葡萄糖，半乳糖，果糖與甘露糖 五碳醣中有核糖與去氧核糖
醛糖
三碳醣
酮糖
六碳醣
五碳醣
3. 許多單醣分子在水溶液中的構造 以葡萄糖為例 - 可在開鏈式與環式結構間快速互變，因此在鹼性的CuSO4 溶液中，其醛基或酮基仍具有反應性，可將Cu+2還原成 Cu+，故一般單醣為還原糖
生物大分子簡介
緒論
1. 細胞為生物的基本構造，細胞內所含的主要物質為水與 含碳的有機化合物
2. 細胞內主要的有機化合物有醣類、脂質、蛋白質與核酸等 生物大分子
2. 重要的生物大分子各有其特殊的官能基、特性與構形， 決定了各類生物大分子所扮演的功能
醣類
1. 醣類的定義 含多元醇(-OH)的醛類或酮類，或經水解後產生此類化合 物的衍生物
甘露糖等)所組成的儲存性多醣 6. 結構性多醣中的纖維素，是植物細胞壁的主要成分也是
自然界含量最多的化合物 7. 纖維素也Biblioteka 聚葡萄糖，但組成的葡萄糖分子間以糖苷鍵
β(1 →4)連接，人體無法消化利用 8. 纖維素的構造較為展延，適合擔任結構支撐與保護的角色 9. 甲殼動物外骨骼的幾丁質與動物細胞膜外或細胞間質的
甘蔗與甜菜中含量最多，是一般食用的糖
乳糖
非還原端
麥芽糖
還原端
蔗糖
(非還原糖)
常見的雙醣
5. 寡醣通常連接於其他成分形成醣蛋白、醣脂或肽聚醣 6. 寡醣分子通常以不同種類的單醣或單醣衍生物連接而成
單醣衍生物 - 醣酸、醣胺、醣酯、去氧醣 - 醣醇 7. 寡醣的多元功能
醣酸 醣胺
唾液酸
醣酯
各種單醣衍生物(1)
黏多醣也是由不同單醣衍生物構成的結構性多醣，其醣 分子間的鍵結多為β(1 → 4)的形式
纖維素中的葡萄糖分子以 β(1 →4)糖苷鍵連接
氫鍵
氫鍵
氫鍵
纖維素的結構較為展延
N-乙醯葡萄糖胺
甲殼動物外骨骼的幾丁質也是組成的糖分子以β(1 → 4)的鍵結形式連接
醣蛋白
1. 醣蛋白 一種以共價鍵與醣分子結合的複合蛋白 種類繁多，分佈廣，具有多種重要的生理功能 所含的醣成份包括各種不同的單糖或單糖衍生物
唾液酸
寡醣可作為蛋白質降解的指標 - 偵測醣蛋白上的糖成分 - 肝細胞膜上的asialoglycoprotein
receptor偵測無唾液酸的蛋白質
唾液酸
唾液酸
醣醇
代糖成分
其他
去氧醣
由植物提煉出可作為強心劑 各種單醣衍生物(2)
肽聚醣的構造
NAG
NAM
革蘭氏陽性菌
革蘭氏陰性菌
多醣
1. 自然界存在的高分子量多醣，依功能可分為儲存性多醣與 結構性多醣
玻尿酸 角質素
軟骨素
肝質 軟骨素
纖維結合素 肝質
細胞外基質 軟骨素
細胞骨架
脂質
1. 脂質 不溶於水但溶於有機溶劑 其化學成分極不相同但依其功能可歸類如表二
2. 脂質可和醣類或蛋白質結合而形成醣脂質與脂蛋白 3. 脂質分類的方法不同，依其化學結構可分為含脂肪酸成分
的複脂(即可皂化的脂質)與不含脂肪酸的單脂 4. 最常用於純化與分析各類脂質的技術有薄層層析法與氣相
2. 儲存性多醣以植物的澱粉與動物的肝醣為代表 兩者均由葡萄糖組成，又稱聚葡萄糖
3. 澱粉可分直鏈澱粉與支鏈澱粉 直鏈澱粉由葡萄糖分子以α(1 → 4)糖苷鍵連接而成 - 為長形直鏈化合物，形成螺旋狀的立體構造 與碘液反應時呈藍色 支鏈澱粉含支鏈，主鏈中的葡萄糖分子以糖苷鍵α(1 →4) 連接，但支鏈為α(1 → 6)鍵結，與碘液反應時呈紫紅色
層析法等
表二 脂質的生物功能
生物功能 結構功能 運輸功能 保護功能 儲存功能 調節管制功能 其它
例子 細胞膜的磷脂類 血液中的脂蛋白、白蛋白 組織器官周圍的三酸甘油脂 脂肪組織中的三酸甘油脂 膽固醇衍生的激素 參與代謝反應的脂溶性維生素
脂肪酸
1. 生物體僅含微量的未酯化游離脂肪酸，大部分的脂肪酸 均是複脂的成分
船形
葡萄糖的立體構造
雙醣與寡醣
1. 雙醣由兩個單醣分子以糖苷鍵結合而成 2. 常見的雙醣有麥芽糖、乳糖與蔗糖，除蔗糖外均為還原糖 2. 麥芽糖由兩個葡萄糖分子以α(1 → 4)糖苷鍵結合
為澱粉的組成單元 3. 乳糖是半乳糖與葡萄糖以β(1 → 4)糖苷鍵結合
為乳汁中主要的糖成分 4. 蔗糖由葡萄糖及果糖以α(1 → 2)糖苷鍵連接構成
2. 大部分的醣類具有分子式(CH2O)n, (n ≧ 3) 俗稱碳水化合物
3. 醣類在生物界的分布很廣，主要的功能如表一 4. 醣類可分為單醣，寡醣與多醣三大類
表一 醣類的生物功能
生物功能
燃料分子
儲存功能 結構功能 辨識功能 其它
例子
葡萄糖
澱粉與肝糖 纖維 寡糖 代謝中間產物
單醣
1. 單糖的分類 醛醣，酮醣 三碳醣，四碳醣，五碳醣，六碳醣，七碳醣 - 磷酸化
蛋白醣
1. 結締組織中的主要聚合物如軟骨醣與肝質醣屬於蛋白醣， 此類成份在各組織細胞間質的基液中分佈極廣，如在軟骨 組織中軟骨醣的含量即可達乾重40%之多
2. 有些蛋白醣參與細胞內外的”溝通”
軟骨素
蛋白醣 常見的糖
皮膚素
肝質(肝素) 玻尿酸 角質素
不同種類的蛋白醣
蛋白醣 纖維結合素
膠原蛋白纖維
2. 脂肪酸的區別在於碳鏈的長短與雙鍵的數目及位置，表三 為自然界常見的脂肪酸