骨化學(xué)考古ppt課件 3. 生物化學(xué)基礎(chǔ)知識

生物化學(xué)基礎(chǔ)知識內(nèi)容蛋白質(zhì)基本知識——膠原蛋白糖類基本知識——參與代謝脂類基本知識——?dú)埩粑锓治龉趋赖某蓭r作用——污染的識別與防治蛋白質(zhì)基本知識生物大分子生命是由蛋白質(zhì)、核酸、多糖和脂類等四中大分子組成。生命中最重要的兩類物質(zhì)是蛋白質(zhì)（Protein）和核酸（Nucleicacid）。蛋白質(zhì)主要作用是執(zhí)行生物功能，核酸主要作用是傳遞遺傳信息，決定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能。氨基酸（aminoacid，AA），其結(jié)構(gòu)通式如下：蛋白質(zhì)的構(gòu)件分子-氨基酸羧基氨基側(cè)鏈α碳原子氫原子疏水性氨基酸親水性氨基酸20種常見氨基酸（8種必需AA）中文名英文名三字母縮寫縮寫中文名英文名三字母縮寫縮寫1.丙氨酸AlanineAlaA11.蘇氨酸Threonine

ThrT2.纈氨酸ValineValV12.半胱氨酸CysteineCysC3.亮氨酸LeucineLeuL13.酪氨酸TyrosineTyrY4.異亮氨酸IsoleucineIleI14.天冬酰胺AsparagineAsnN5.苯丙氨酸PhenylalaninePheF15.谷氨酰胺GlutamineGlnQ6.色氨酸TryptophaneTrpW16.組氨酸HlstidineHisH7.蛋氨酸MethionineMetM17.賴氨酸LysineLysK8.脯氨酸ProlineProP18.精氨酸ArgnineArgR9.甘氨酸GlycineGlyG19.天冬氨酸AsparticacidAspD10.絲氨酸SerineSerS20.谷氨酸GlutamicacidGluE氨基酸的連接（肽）羧基氨基肽鍵（也叫酰胺鍵）肽與多肽鏈N端C端表示方法：Leu-Ala-Asp-Glu-Ser--------氨基酸的排列順序稱為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的合成蛋白質(zhì)代謝1.合成蛋白質(zhì)：外源蛋白質(zhì)進(jìn)入人體，在消化道內(nèi)消化（各種蛋白質(zhì)水解酶）后形成游離的氨基酸，然后才能被吸收，進(jìn)入血液，供給細(xì)胞合成自身蛋白質(zhì)。2.分解代謝：氨基酸先脫去氨基，形成碳骨架——α-酮酸可進(jìn)行氧化，形成CO2和H2O，產(chǎn)生ATP，也可轉(zhuǎn)化為糖和脂肪。膠原蛋白Collagen膠原蛋白是脊椎動物體內(nèi)含量最豐富的蛋白質(zhì)，約占體內(nèi)所有蛋白質(zhì)的30%，是動物體結(jié)締組織中非常重要的結(jié)構(gòu)性纖維蛋白質(zhì)，它分布於人體的真皮層、硬骨、肌腱、齒質(zhì)、筋膜、器官被膜、纖維性軟骨等組織中，扮演結(jié)合組織的角色，在軟骨與肌腱中含90%以上，皮膚組織含50%以上，主要提供組織所需的強(qiáng)度及柔軟性。膠原蛋白分為四種類型：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ。Ⅰ型主要分布在骨骼中。膠原蛋白在體內(nèi)以膠原纖維的形式存在。膠原蛋白結(jié)構(gòu)膠原蛋白是由3條多肽鏈組成的。多肽鏈主要以3聯(lián)體重復(fù)組成：（gly-X-Y）nX是脯氨酸proY是羥脯氨酸Hyp和羥賴氨酸Hyl細(xì)胞合成的膠原蛋白初級結(jié)構(gòu)：包含三股螺旋區(qū)域、非三股螺旋區(qū)域、碳端蛋白分子及氮端蛋白分子，而膠原蛋白又包含在其中。骨膠原蛋白兩種類型人類骨骼中的骨膠原具有兩種狀態(tài)。不可溶性膠原蛋白（InsolubleCollagen，簡稱ISC）——明膠化法提取，對于無法提取出ISC的骨樣，古食譜的重建也就無從談起?？扇苄阅z原蛋白（SolubleCollagen，簡稱SC）。在骨骼的長期埋藏過程中，ISC可逐漸轉(zhuǎn)化為SC，在利用明膠化法提取時，SC很容易溶解在廢液里，在處理過程中嘗嘗予以廢棄。小雙橋遺址位于河南省鄭州市西北約20Km的小雙橋村及其西南，地理坐標(biāo)為34051′N，133033′E。實(shí)驗(yàn)樣品全部選自該遺址考古發(fā)掘出土的動物骨骼，共４例個體。經(jīng)動物考古學(xué)家鑒定，分別是1例狗、1例豬和2例牛。動物的年代為商代中期（距今約3400年）。SC與ISC的C、N穩(wěn)定同位素比值相似，同樣可以應(yīng)用于古食譜研究穩(wěn)定同位素比值相似的機(jī)理研究結(jié)果表明，SC與ISC的總氨基酸組成，完全符合Ⅰ型膠原蛋白的特點(diǎn)。此外，SC與ISC相比，8種必需氨基酸組成，非常接近，變異范圍僅為0.25%；而11種半必需氨基酸和非必需氨基酸，則變化稍大0.90%。顯然，不同性質(zhì)氨基酸含量的少許差異，是造成兩種蛋白Ｃ、Ｎ穩(wěn)定同位素相似但不相同的主要原因。糖基本知識糖的生理功能1.提供能源3.構(gòu)成細(xì)胞的成分2.提供碳源4.構(gòu)成某些生物活性物質(zhì)糖的概念糖(carbohydrates)即碳水化合物Cn（H2O）n其化學(xué)本質(zhì)為多羥醛或多羥酮類及其衍生物或多聚物。葡萄糖果糖糖為什么是甜的？早在20世紀(jì)60年代，就有人提出了糖之所以甜，是因?yàn)樘穷惙肿又卸己卸嗔u基，多羥基中兩個氫原子之間有一定的距離，這個距離恰好能與舌頭上的味覺感受器形成化學(xué)吻合物。這種化學(xué)吻合物可以刺激味覺感受器，使其產(chǎn)生脈沖，進(jìn)而由神經(jīng)將脈沖傳入大腦，使人感到甜味。

單糖-葡萄糖和果糖的結(jié)構(gòu)雙糖蔗糖麥芽糖糖苷鍵兩個葡萄糖1個葡萄糖1果糖多糖多糖是由多個糖分子縮合，失水而成的。多糖在水溶液中不形成真溶液，只能形成膠體，沒有甜味。淀粉——最終水解產(chǎn)物——葡萄糖直鏈淀粉——可溶支鏈淀粉——不可溶直鏈淀粉支鏈淀粉-1,4-糖苷鍵-1,6-糖苷鍵脂類基本知識脂類功能脂類（lipids，也稱為脂質(zhì)）是一類不溶于水而易溶于有機(jī)溶劑，并能為機(jī)體利用的有機(jī)化合物。油脂是熱能最高的營養(yǎng)成分，1g油脂在完全氧化時放出的熱量約為糖類的2倍。正常情況下，每人每日需進(jìn)食50g-60g脂肪，約能供應(yīng)日需總熱量的20%-25%。人體中的脂肪是維持生命活動的備用能源。一般成年人體內(nèi)儲存的脂肪約占體重的10%-20%。

脂類分類脂類衍生物質(zhì)脂類衍生物質(zhì)是生物體的重要組成成分并參與多種代謝，具有重要的生理功能。甘油三酯——甘油+脂肪酸脂肪酸碳鏈或烷烴羧基（丙三醇）（Triglyceride)，縮寫TG常見的脂肪酸（一端是長的碳?xì)滏?，一端是一個羧基）必需脂肪酸：機(jī)體必需但自身又不能合成或合成量不足，必須從植物油中攝取的脂肪酸叫必需脂肪酸。包括亞油酸、亞麻酸和花生四烯酸?！狢-C-C——C=C—動物脂肪和某些植物油（包括椰子油、棕櫚油和可可油）的脂肪酸屬于飽和脂肪酸。順式不飽和脂肪酸飽和脂肪酸固態(tài)fat液態(tài)Oil氫化油與反式脂肪酸在從前，食用的脂肪主要是動物脂肪，例如黃油、奶油、豬油，它們比較稀少、昂貴。植物油倒是便宜，但是供食用的植物油基本上都是順式不飽和脂肪酸，它們很不穩(wěn)定，是液體，而且容易變質(zhì)，這是由于自由基攻擊鏈條中的雙鍵造成的。20世紀(jì)初，德國化學(xué)家威廉·諾曼想到了一個解決辦法，給植物油中的雙鍵提供氫原子，讓它們變飽和，這個過程稱為氫化，這樣制造出來的油就叫氫化油。如果所有的雙鍵都被氫化、飽和了，順式脂肪酸就變成了反式飽和脂肪酸。

植物油氫化之后，變成了半固體，性質(zhì)穩(wěn)定、不容易變質(zhì)，可以代替動物脂肪使用，而且價格要便宜得多。

脂肪酸與殘留物分析脂類物質(zhì)具有一定的生物種屬特異性，不同類型和不同物種的生物所含脂類物質(zhì)的成分和比例均有差異，所含脂肪酸的碳原子數(shù)目、不飽和鍵的數(shù)目等也不盡相同，這些差異則可作為鑒別生物種類的分子標(biāo)志物。另外在同等環(huán)境下脂類物質(zhì)在地層中保存的穩(wěn)定性要強(qiáng)于DNA和蛋白質(zhì)其原因可能是由于脂類物質(zhì)碳骨架大多以飽和鍵相連而且不溶于水；同時脂肪的表面經(jīng)過一定時間的氧化會形成硬膜，對于其內(nèi)部的脂肪具有一定的保護(hù)作用脂類物質(zhì)已經(jīng)逐漸生物考古學(xué)研究的一個重要手段，在探索古代的環(huán)境、古人的食譜和器物的用途等方面發(fā)揮出獨(dú)特的作用。在考古學(xué)中應(yīng)用脂肪酸檢測技術(shù)可以追溯到20世紀(jì)七十年代。英國學(xué)者J.Condamin等在1976年首先運(yùn)用氣相色譜法（GC）檢測考古遺址出土的雙耳細(xì)頸橢圓土罐中的痕量油脂，論文發(fā)表在著名的《Archaeometry》雜志上。1977年德國化學(xué)家RolfRottlander從北歐新石器時代湖濱聚落出土的陶片上鑒定出殘留的芥菜油，橄欖油，菜籽油，黃油等油脂；其后又通過分析德國Heuneburg的鐵器時代山城中的陶片，證實(shí)某些小口尖底瓶含有橄欖油和葡萄酒的殘?jiān)?，而在羅馬發(fā)現(xiàn)的小口尖底瓶中的黑色木炭形式的物質(zhì)則為小麥面粉，從而有效地揭示了這些古代器物的功能及其當(dāng)時古人的食譜。1979年，日本學(xué)者分析出平城京遺址出土的油燈殘油為菜子油，對北海道出土的約1.2萬年前的刮削器的分析表明含有北海道鹿的脂肪酸；其后又檢測出宮城縣出土的大約14萬年前的舊石器上附著的脂肪酸，其中70%屬于猛犸象、13%是麋鹿,7%是鹿的。1982年，日本成立了脂肪酸分析專門研究小組。經(jīng)長期研究建立了含萬余種現(xiàn)代動植物和5000種來自考古資料脂肪酸信息的數(shù)據(jù)庫。日本學(xué)者首先采用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC-MS）檢測脂肪酸，大大提高了實(shí)驗(yàn)的敏感度。隨著脂肪酸分析技術(shù)的不斷推廣和應(yīng)用，大家逐漸認(rèn)識必須建立各種動植物的脂肪酸組成和結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，方能對考古檢測出的脂肪酸進(jìn)行有效的比對分析。到目前為止，加拿大學(xué)者M(jìn).E.Malainey等做了130種當(dāng)?shù)噩F(xiàn)生的動植物的脂肪酸組成的數(shù)據(jù)庫；日本學(xué)者建立了含5000種古代樣品和10000種現(xiàn)代樣品的數(shù)據(jù)庫。脂肪酸與環(huán)境分析烷烴是最簡單的有機(jī)物，只含碳?xì)鋯捂I,故化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定,碳鏈沒有支鏈的稱正構(gòu)或正鏈烷烴，是脂肪酸的基本架構(gòu)。高等生物體內(nèi)脂肪酸代謝的基本產(chǎn)物是正構(gòu)烷烴，由脂肪酸脫去羧基而形成，故具有奇偶優(yōu)勢。正鏈烷烴是植物葉表皮蠟的主要成分植物生物體死亡后，有機(jī)質(zhì)不斷降解，可以形成更多的正構(gòu)烷烴,因此正構(gòu)烷烴廣泛分布于各類沉積物中，是地球化學(xué)研究中常用的分子標(biāo)志物。正構(gòu)烷烴與高等生物來源1）通常用正構(gòu)烷烴碳優(yōu)勢指數(shù)表示，即CPI值（carbonpreferenceindex碳優(yōu)勢指數(shù)）。計(jì)算公式為：CPI=ΣC23～C35(奇數(shù))/ΣC22～C34(偶碳數(shù))用檢測樣品的色譜圖中正構(gòu)烷烴奇數(shù)碳的峰面積與偶數(shù)碳的峰面積之比來計(jì)算2）平均碳鏈長度（ACL,AverageCarbonLength）指檢測樣品的色譜圖中正構(gòu)烷烴的主峰的碳數(shù)，即混合物中主要含有那幾種烷烴。地質(zhì)體中的正構(gòu)烷烴1)來源于具有光合作用的藻類、菌類等低等生物的正構(gòu)烷烴，ACL較短（Ｃ15以下），且CPI值(碳優(yōu)勢指數(shù))接近1,基本沒有奇偶優(yōu)勢；2)苔蘚類植物和水生大型植物（沉水和浮水植物）多產(chǎn)生中等長度鏈長的烷烴，多以n-C15、nC17和n-C18組分為主，具有一定奇偶特性;3)陸源高等植物中一般以高分子量（C23～C35）的正構(gòu)烷烴占優(yōu)勢,來源于高等植物的表皮蠟，其中木本植物以C27或C29為主峰,且C29一般來源于落葉木本植物；而草本植物以C31或C33為主峰,所以用檢測結(jié)果中C27和C29的峰積分面積之和比上C31和C33的峰積分面積之和可以反映古植被中木本植物和草本植物的比例。部分木本和草本科屬植物的CPI值和主峰碳數(shù)脂肪酸分析方法采樣

——要十分注意防止人手上的脂肪、現(xiàn)存動植物的脂肪和化學(xué)物質(zhì)的污染，嚴(yán)禁手的接觸和塑料、尼龍等化學(xué)制品、報紙、棉花等材料的使用

——在采集遺址中的土壤時，要用充分洗凈的鏟子采集放入干凈的玻璃瓶中，并充入惰性氣體；或者用錫紙包裹土壤，排除空氣后冷凍保存。

——對陶器、石器、獸骨等材料采樣時，一定要采集周圍的土壤。

——凡是接觸過化學(xué)制品的樣本，都不能要。提取脂肪酸在玻璃容器中放入分析材料和用水、三氯甲烷和甲醇混合而成的溶劑，使用超聲進(jìn)行提取，脂肪會溶解在溶劑里，經(jīng)過過濾后再加入三氯甲烷分離，糖脂的一部分會溶解在水里，其他脂肪酸溶解在下層的三氯甲烷中。將含有脂肪酸的溶液用硅酸薄層分離法剔除獲得脂肪酸。脂肪酸測定用氣體分離法質(zhì)量分析儀測定脂肪酸的分子量。脂肪酸加熱后會氣化，使其通過含有不揮發(fā)性液體的玻