第四讲生命的化学组成

第四讲生命的化学组成第1页，共40页，2023年，2月20日，星期四4.1生命的化学元素生物具有多样性，但生物体的化学组成基本相似

组成生物体的主要元素包括C、H、O、N、P、S、K、Na、Ca、等，以上元素约占生物体的99.35%，其中C、H、O、N4种元素占96%。生物体的主要元素微量元素：铁、铜、锌、锰、钼、钴、镍、镉、锡、硅、碘等。第2页，共40页，2023年，2月20日，星期四由生物单体分子合成生物大分子多聚体往往涉及与功能基团相关的脱水反应，又称为脱水缩合反应。使生物大分子多聚体分解为单体的分解反应往往需要有水分子参与，因此又称为水解反应。水解反应是脱水缩合反应的逆反应生命的基本化学反应第3页，共40页，2023年，2月20日，星期四在生命元素中，碳原子具有特别重要的作用，碳原子相互连接成链或成环，形成各种生物大分子的基本结构。生命化合物的骨架与基本功能基团碳碳之间可以不同的键型相结合，形成不同长度的链状、分支链状或环状结构。碳骨架结构排列和长短决定了有机化合物的基本性质第4页，共40页，2023年，2月20日，星期四生物体中的有机化合物主要含有羟基、羰基、羧基和氨基等功能基团，这些功能基团几乎都是极性基团。功能基团的极性使得生物分子具有亲水性，有利于这些化合物稳定于有大量水分子存在的细胞中。生物大分子的基本性质还取决于与碳骨架相连接的功能基团第5页，共40页，2023年，2月20日，星期四

水占生物体的60％以上的重量地球上生命起源于水中，陆生生物体内细胞也生活在水环境中水的性质影响生命活动，如：溶解性质，酸碱度，pH

4.2生物小分子1、水，水对生物体非常重要第6页，共40页，2023年，2月20日，星期四2、氨基酸

氨基酸是指一类含有羧基并在与羧基相连的碳原子下连有氨基的有机化合物。已发现的有180多种，参与蛋白合成的共有20种天然氨基酸氨基酸的功能：（1）作为组建蛋白质的元件（2）有的氨基酸或其衍生物具有生物活性（代谢调节、信号传递等）必需氨基酸是指人体内不能合成，必须从食物中获取的氨基酸，其他为非必需氨基酸。

人体8种必需氨基酸：

异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸

。

第7页，共40页，2023年，2月20日，星期四不同氨基酸其R基各不相同，R基的结构决定了20种氨基酸的特殊性质NH第8页，共40页，2023年，2月20日，星期四

根据侧链结构和性质，可把20种氨基酸分成不同的组：中性氨基酸：

亮氨酸、异亮氨酸、甘氨酸、丙氨酸、颉氨酸酰胺氨基酸：

天冬酰胺、谷氨酰胺酸性氨基酸：

天冬氨酸、谷氨酸碱性氨基酸：

赖氨酸、精氨酸含硫氨基酸：

半胱氨酸、蛋氨酸（甲硫氨酸）含羟基氨基酸：苏氨酸、丝氨酸芳香族氨基酸：苯丙氨酸、酪氨酸杂环氨基酸：组氨酸、色氨酸、脯氨酸第9页，共40页，2023年，2月20日，星期四3、单糖

多羟基醛或多羟基酮称为单糖。以葡萄糖为例，葡萄糖是六碳糖单糖的生物功能：A、作为多糖的组成元件B、作为燃料C、组成寡糖参与细胞信号传递

分子式相同而结构式不同的两种有机化合物称为同分异构体，如葡萄糖和果糖，葡萄糖是六碳多羟基醛糖，而果糖是六碳多羟基酮糖第10页，共40页，2023年，2月20日，星期四重要的单糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脱氧核糖等第11页，共40页，2023年，2月20日，星期四构型是指一个分子由于其中各原子特有的固定的空间排列，而使该分子具有的特定的立体化学形式，单糖具有L、D构型五碳糖和六碳糖等在水溶液中大多成环式结构第12页，共40页，2023年，2月20日，星期四二糖寡糖由少数分子的单糖（2-10个）缩合形成的糖。二糖最常见，是两分子的单糖通过脱水缩合作用形成糖苷键连接而成重要的二糖包括蔗糖、麦芽糖、乳糖等麦芽糖由两分子葡萄糖单体脱水缩合形成蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖缩合形成乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖缩合而成第13页，共40页，2023年，2月20日，星期四4、核苷酸核苷酸分子由三个部分组成：碱基（嘧啶、嘌呤）；五碳糖（核糖或脱氧核糖）；磷酸。脱氧核糖或核糖上第一位碳原子与嘌呤或嘧啶结合，就成为脱氧核苷或核苷，第三位或第五位碳原子再与磷酸结合，就成为脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸。第14页，共40页，2023年，2月20日，星期四核苷酸的有机碱分为两类；一类是嘌呤，是双环分子；一类是嘧啶，是单环分子。嘌呤包括腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)2种嘧啶有胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)3种。DNA的碱基是A、T、G、C，RNA的碱基是A、U、G、C。第15页，共40页，2023年，2月20日，星期四5、脂肪酸脂肪酸是一类一端含有一个羧基的长的脂肪族碳氢链。脂肪酸包括有分支的或无分支的、饱和的或不饱和的（碳氢链含有双键）等类型。常见的饱和脂肪酸：软脂酸、硬脂酸常见的不饱和脂肪酸：油酸、亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸、棕榈油酸、DHA（二十二碳六烯酸）、EPA（二十碳五烯酸）不饱和脂肪酸常温下多呈液态，饱和脂肪酸多呈固态或者半固态。脂肪酸与维生素、氨基酸一样是人体最重要的营养素之一。

第16页，共40页，2023年，2月20日，星期四4.3生物大分子

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，其中蛋白质占15％，核酸占7％，糖占3％，脂类占2％，无机盐占1％。水占70％左右。

由生物小分子到生物大分子，分子增大，其中最主要的特点是：生物大分子有独特的立体结构、空间构型和分子整体形状。第17页，共40页，2023年，2月20日，星期四生物小分子和生物大分子的关系

小分子大分子复合大分子

单糖多糖糖蛋白

氨基酸蛋白质糖脂核苷酸核酸脂蛋白脂类（由小分子到大分子）糖苷键肽键磷酸二脂键C-C、双键、羰基等第18页，共40页，2023年，2月20日，星期四1、多糖的结构与功能

糖分子含C、H、O3种元素，通常3者的比例为1:2:1，一般化学通式为(CH2O)n,，故曾被称为碳水化合物糖是生物代谢反应的重要中间代谢物，糖类是细胞重要的结构成分，可构成核酸和糖蛋白等重要生物成分、糖又是生命活动的主要能源多糖由许多单糖分子缩合、脱水而成。根据其单糖组分分为同聚多糖和杂多糖。多糖可以作为能量贮存物质如淀粉、糖原，人体内作为能源的糖类主要是糖原和葡萄糖，糖原是糖的贮存形式，在肝脏和肌肉中含量最多，而葡萄糖是糖的运输形式，两者均可氧化而释放能量。一些多糖也可作为动植物的结构支架，如纤维素、几丁质。此外很多多糖具有复杂的生理功能，如一些植物多糖具有抗病毒作用。

第19页，共40页，2023年，2月20日，星期四重要的多糖有淀粉、糖原、纤维素、氨基葡聚糖等第20页，共40页，2023年，2月20日，星期四多糖链的高级结构

不同高级结构带来不同的生物学性能淀粉形成螺旋状能源贮存纤维素呈长纤维状结构支架第21页，共40页，2023年，2月20日，星期四淀粉糖元纤维素第22页，共40页，2023年，2月20日，星期四2、蛋白质的结构与功能一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基脱水缩合形成肽键氨基酸通过肽键联成肽链

第23页，共40页，2023年，2月20日，星期四一条肽链的两端有不同结构和性质：肽链有方向性：氨基端（N端），羧基端（C端）一端的氨基酸残基带有游离氨基，称氨基端；另一端的氨基酸残基带有游离羧基，称羧基端。第24页，共40页，2023年，2月20日，星期四寡肽：含有10左右氨基酸残基（如二肽、五肽、八肽）多肽：含10－20个氨基酸残基多肽是形成蛋白质分子的亚单位。

蛋白质：由20种L-型α氨基酸组成的长链生物大分子，含几十个氨基酸残基

第25页，共40页，2023年，2月20日，星期四

结构蛋白伸缩蛋白贮存蛋白保护蛋白运输蛋白激素蛋白信号蛋白酶和辅酶蛋白质的主要种类和功能第26页，共40页，2023年，2月20日，星期四蛋白质的高级结构

蛋白质的一级结构是指肽链中氨基酸的排列顺序蛋白质的二级结构是指邻近几个氨基酸形成的一定的结构形状。如：α－螺旋和β－折叠第27页，共40页，2023年，2月20日，星期四

蛋白质的四级结构是指各条肽链之间的位置和结构。（亚基组成的寡聚蛋白结构）所以，四级结构只存在于由两条肽链以上组成的蛋白质。

蛋白质的三级结构是指整条肽链盘绕折叠形成一定的空间结构形状。如纤维蛋白和球状蛋白。

第28页，共40页，2023年，2月20日，星期四蛋白质的特定构象即蛋白质的三维空间结构和形态对于蛋白质的功能起决定性的作用。如纤维蛋白可作为结构蛋白蛋白质变性（构象发生变化）使得其特定的功能便立即丧失。加热、紫外线照射、化学因素、重金属盐、高压蛋白质结构与功能的关系第29页，共40页，2023年，2月20日，星期四脂类的组成和功能脂类是指生物体内不溶于水而溶于有机溶剂的各种分子,是脂肪、和类脂及其衍生物的总称。脂类分子也含C、H、O3种元素，但H:O远大于2，有些脂含P和N，各种脂类分子的结构可以差异很大脂类不溶于水，可溶于非极性溶剂。脂类是生物膜的主要成分；脂肪氧化时产生的能量大约是糖氧化时的二倍。脂类是生物表面的保护层/保持体温/生物活性物质3、脂类化合物第30页，共40页，2023年，2月20日，星期四（1）脂肪脂肪是由1分子甘油和3分子脂肪酸构成的酯，故称三脂酰甘油或甘油三酯。如三个脂肪酸相同，称为简单三酰甘油（简单甘油三脂），否则称为混合三酰甘油（混合甘油三脂）多数天然油脂都是简单甘油三脂与混合甘油三脂的复杂混合物第31页，共40页，2023年，2月20日，星期四类脂是一些物理性质与脂肪相似的生物分子，主要包括磷脂、糖酯、胆固醇及胆固醇酯。

磷脂又称磷酸甘油脂，与脂肪不同之处在于甘油的一个羟基不是与脂肪酸结合成酯，而是与磷酸及其衍生物(如磷酸胆碱)结合，形成。常见如卵磷脂、脑磷脂（2）磷脂第32页，共40页，2023年，2月20日，星期四卵磷脂是生物膜脂质双层的主要成分，磷酸胆碱一端为极性的头，两个脂肪酸一端为非极性的尾，其中一个脂肪酸通常含不饱和双键，因此总有点弯折。卵磷脂控制肝脂代谢，防止脂肪肝，在蛋黄、脑、红细胞中极多第33页，共40页，2023年，2月20日，星期四

类固醇如胆固醇等脂类也是细胞膜的重要成分（3）类固醇1

固醇类的内核由4个环组成2

一些人体重要维生素（维生素D）和激素是固醇3胆固醇是细胞的必要成份（尤其内脏中），生物膜的透性、对毒素的保护4血清中的胆固醇太多会促使形成动脉硬化和心脑血管疾病第34页，共40页，2023年，2月20日，星期四核酸贮存遗传信息，控制蛋白质的合成核酸包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),都是由许多顺序排列的核苷酸组成的大分子。贮存遗传信息的特殊DNA片段称为基因，它编码蛋白质的氨基酸序列，从而决定蛋白质的功能。通过蛋白质的作用，DNA实际上控制着细胞和生物体的生命过程DNA控制蛋白质的合成是通过RNA来实现的，即遗传信息由DNA转录到RNA，后者决定蛋白质的氨基酸序列4、核酸第35页，共40页，2023年，2月20日，星期四参加大分子核酸组成的共有8种核苷酸

DNA水解液中

RNA水解液中腺嘌呤脱氧核苷酸（dAMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）鸟嘌呤脱氧核苷酸（dGMP）鸟嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶脱氧核苷酸（dCMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）胸腺嘧啶脱氧核苷酸（dTMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）第36页，共40页，2023年，2月20日，星期四多个核糖核苷酸以磷酸顺序相连成长链的多核苷酸分子，即成为核酸的基本结构脱氧核糖核酸、核糖核酸的结构TTT第37页，共40页，2023年，2月20日，星期四

DNA分子是由两条脱氧核糖核酸长链互以碱基配对相连而成的螺旋状双链分子；DNA主要存在于细胞核内的染色质中，线粒体和叶绿体中也有，是遗传信息的携带者。1953年JamesWatson和FrancisCrick描述了DNA双螺旋结构,标志了现代遗传学时代的开始DNA双螺旋结构第38页，共40页，2023年，2月20日，星期四DNA双螺旋结构理论A、两条反向平行的核苷酸链