第二章-生命的物质基础

第二章生命的物质基础生命的基本特征之一是化学成分的同一性生命具有相同的元素组成具有相同的生物大分子种类生物大分子由相同的单体组成，蛋白质的单体包括20种氨基酸，核酸包括8种核苷酸。自然界中存在130种元素，其中含量最丰富的元素是O、Si、Al、Fe。而在生物体中大约只有25种元素是构成生命不可缺少的元素。常量元素：C、H、O、N、S、P、Ca、K、Na、Mg、Cl的11种元素。微量元素：Fe、Mn、Zn、Cu、Mo等14种元素。2.1生命的元素组成参与生命组成的元素在元素周期表中的分布生物体和地表环境中元素丰度的比较来源原子总数中该元素原子的比例%HCONCa和MgNa和KPSi其他生物体软组织中4824240.80.70.60.30.10.2地表环境中10.8470.74.74.10.12513“反自然”现象与生命具有浓集自然界中稀少元素的能力有关，而这种能力也正是生命的一种突出的特征。这样一批元素显示出的在生命活动中的重要意义，绝非偶然，是经过长期进化过程考验的。常量元素的重要性显而易见，但在生物体内含量却变化很大C、H、O、N是构成蛋白质、核酸、糖和脂类生物分子的必要成分。P在生物体能量转移中有举足轻重的作用。S是一些氨基酸和多糖的成分。Ca具有代谢调节功能且是动物的骨骼和牙齿的组分Na、K、Ca、Mg、Cl等对保持生物体内水盐平衡及形成神经元的跨膜电位，还有充当酶的辅助因子等方面至关重要。Na+K+Ca+Mg+Cl-海水459.09.810.152.5538.0螯虾146.03.98.14.3139.0淡水0.650.012.000.210.48蚌13.90.311.00.312.0海水和淡水动物血液中的离子浓度单位：mmol/L微量元素的营养学意义1．让实验动物摄入缺少某一种元素的膳食,观察是否出现特有的病症。2．向膳食中添加该元素后，实验动物的上述特有病症是否消失。3．进一步阐明该种元素在身体中起作用的代谢机理。

通过实验动物的饲养实验来研究证明某一种微量元素在营养学上是必不可少的，至少需要做下面三个方面的实验:因为实验技术上难度较高，一些微量元素如硒、铬、氟等，直至20世纪50年代到70年代，才逐渐证明为人体所必需的微量元素。Se1957Cr1959Si、F1972部分微量元素的主要功能：Fe：氧的运送和酶的活性有关，缺少时，引起缺铁性贫血。Cu：发生冠心病的主要原因，与酶的活性有关。Zn：与很多核酸及蛋白质的合成密切相关，促进蛋白质的吸收和合成、细胞的分裂生长和再生。对青少年的发育生长起有作用。I：缺碘产生地方性甲状腺肿，幼儿发生呆小症，Mo（钼）：与酶的活性、食道癌的发病率和防治有关。Mn（锰）：与酶的活性有关。Co（钴）：与酶的活性有关，是维生素B12的组成成分。V（钒）：抑制胆固醇的合成、刺激造血功能、类胰岛素作用。F（氟）：与牙齿健康有关，缺氟产生龋齿；过多则斑齿和氟中毒。Ni（镍）：能够增强造血功能、促进糖类分解

、稳定遗传基因、增强人体免疫力，并与肝硬化、尿毒症、心血管疾病的生成有一定关系。

Sn（锡）：影响骨钙化速度。Si（硅）：参与胶原的生物合成、降低铝的生物毒性作用。Se（硒）：硒具有强抗氧化、清除自由基，提高人体对抗辐射的能力说明：日推荐量是美国FDA建议的每种微量元素每日摄入量。以70kg标准体重成人计

微量元素是双刃剑微量元素是双刃剑这说明，对每种微量元素而言，人体的摄入不足固然会影响健康，但摄入量过多，也会造成危害。Fe是人体合成血红蛋白的重要原料。

Fe缺乏常会造成贫血和营养不良、口腔溃疡、舌炎等。补Fe过多也有害：过多的Fe会沉积于肝脏、胰脏、淋巴等组织器官中，会导致肝硬化和糖尿病。Fe可干扰微量元素Zn的吸收，导致Zn的缺乏。补Fe过多可诱发癌症，因为癌细胞生长复制比正常细胞需要更多的铁。婴儿期如Fe摄入量过多，可导致“猝死综合征”。Zn是合成精细胞和胰岛素的重要材料，体内缺Zn可导致男子生育能力降低，也可诱发糖尿病。Zn过多也有害处：干扰Fe、Cu二价离子的吸收，造成贫血。Zn在胃液中可转变成具有强烈腐蚀作用的氧化锌，当其浓度过高时，可出现恶心、呕吐、腹痛、腹泻等消化道症状。Zn过高可能会抑制白细胞的吞噬能力，易引起细菌感染。对一些慢性病患者来说，Zn可引起组织损伤或修复不良。I对甲状腺的正常功能是必不可少的，缺碘会造成甲状腺肿大（大脖子病）。但近年来的研究发现，沿海地区居民的甲状腺功能低下，与I的摄入量过多有关。

对于吃碘片能否防辐射，专家指出，吃碘不能“防”核辐射，但可以减少对放射性碘的吸收。因为核辐射产生后，人体的甲状腺会吸入一种叫放射性碘131的物质，并会造成甲状腺损伤。而为了保护甲状腺，吃碘片可阻断对这一放射性物质的吸收。但是，这种办法对受辐射后身体其他部位几乎无效。如果大量摄入碘，对人体是有害而无益，在短期内可能会出现肠部不适和过敏现象及甲状腺疾病，严重甚至会致命。碘片是要在受到辐射后服用。所以，没有受到放射性碘131污染威胁的人不需要服用碘片。

微量元素贵在“微”、而不是多。所以，不论是在食物中获取微量元素，还是通过服用微量元素制剂的方式补充，都应重视微量元素之间全面均衡的问题，否则效果就不理想。2.2生命的分子组成

生物体都是由蛋白质、核酸、脂类、糖、无机盐和水等组成。水是生物体内所占比例最大的化学成分，蛋白质、核酸、脂类和糖类是组成生物体最重要的生物大分子不同的生物体，其分子组成也大体相同一、水和无机盐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占生物体的60％以上的重量水的性质影响生命活动如：溶解性质，pH水对生物体非常重要水母97%藻类90%鱼类80-85%蛙78%高等植物60—80%哺乳动物，65%人体各组织器官的含水量比较眼球血液内脏器官肌肉骨骼牙齿92%90%80%76%22%12%水的特性符合生物生存的需要：水是极性分子，形成极性共价键，可以和相邻的水分子形成不稳定的氢键，使水有较强的内聚力、表面张力和附着力。水很强的结合能力，最好的极性溶剂，对于物质的运输、生命中化学反应的进行，正常的新陈代谢具有重要意义。水的比热为1cal/g，在温度改变时，热量的需求和释放较大，使细胞的温度和代谢速率得以保持稳定，维持体温。无机盐1、存在形式：一般以离子状态存在，Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、PO43-2、生理功能：（1）对细胞的渗透压和PH起着重要作用（2）酶的活化因子和调节因子，Mg2+,Ca2+

（3）是细胞内某些复杂化合物的重要组成成分,PO43-（合成磷脂、核苷酸）（4）动作电位、肌肉收缩等，Na+、K+、Ca2+二、糖类1、元素组成：C:H:O=1:2:1一般化学通式为(CH2O)n2、生理功能：（1）生命活动所需能量来源（2）重要的中间代谢产物（3）构成生物大分子，形成糖脂和糖蛋白（4）分子识别作用生物体主要供能物质3、分类糖类单糖寡糖多糖构成各种糖分子的基本单位少数几个（2-10）单糖分子连接大量单糖分子的连接单糖不能水解的最简单糖类丙糖：甘油醛戊糖：核糖、脱氧核糖己糖：葡萄糖、果糖、半乳糖

甘油醛核糖脱氧核糖

糖代谢的中间产物构成RNA构成DNA光合作用暗反应的产物

葡萄糖果糖半乳糖（C6H12O6，同分异构体）二糖二糖植物细胞动物细胞蔗糖甘蔗、甜菜中麦芽糖萌芽的种子中乳糖哺乳动物乳汁中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糖苷键多糖多糖植物细胞动物细胞纤维素：细胞壁的基本组成成分淀粉：植物贮存能量的物质肝糖原肌糖原动物贮存能量的物质多糖宝库多糖除了能量储存和生物体保护与支架作用外，还有一些意想不到的功能。植物细胞壁中有一些复杂的多糖成分。由好几种不同的单糖组成。当细胞遇到致病霉菌侵入时，霉菌分泌的酶把胞壁中复杂多糖分解成寡糖，后者有信号分子功能，其他植物细胞接受信号之后，作出防御霉菌入侵的种种反应。昆虫和蟹虾等的甲壳中的甲壳素，又称几丁质，是由一种葡萄糖衍生物N-乙酰氨基葡萄糖所组成的多糖。加工获取的几丁质，以及经过化学处理脱去乙酰基后，得到的壳聚糖的应用途径：可处理吸收污水中的重金属离子可用来做成人造皮肤，治疗烧伤患者可用以制备外科手术缝合线作为保健食品，具有降血脂、提高免疫等功效。一些植物和真菌来源的多糖，如香菇多糖、茯苓多糖、枸杞多糖等，已证实具较强的免疫激活功能，已被用于癌症患者的辅助治疗。三、脂类1、元素组成：主要由C、H、O组成，可能有的种类含有N、P等2、生理功能：（1）构成生物膜的骨架（2）主要的储能物质（3）参与细胞识别（4）某些重要的生物大分子组分（5）构成身体或器官保护层（6）有些脂类是重要的生物学活性物质，维生素A、维生素D、前列腺素生命体的重要构件和储能物质3、分类中性脂肪脂类磷脂类固醇中性脂肪（甘油三酯或三酰甘油）1甘油+3脂肪酸中性脂肪酯键脂肪酸是具有长碳氢链和一个脂肪酸的共性1.一般为偶数碳原子

2.脂肪酸分子的碳链越长，熔点越高；不饱和脂肪酸的熔点比同等链长的饱和脂肪酸的熔点要低。

3.哺乳动物体内不能合成含2个以上双键的不饱和脂肪酸必需脂肪酸不能被人体合成，而必需由膳食供给的多不饱和脂酸。必需脂肪酸主要包括两种，亚麻酸和亚油酸。功能：1.是磷脂的重要组成部分。

2.是合成前列腺素、血栓素等类二十烷酸的前体物质。

3.与胆固醇的代谢有关。

4.能够吸引水分滋润皮肤细胞，防止水分流失。

缺乏的表现：可引起生长迟缓、生殖障碍、皮肤损伤（出现皮疹等）以及肾脏、肝脏、神经和视觉方面的多种疾病。

摄入过多的危害：必需脂肪酸属于多不饱和脂肪酸，过多的摄入可使体内的氧化物、过氧化物等增加，可对机体产生多种慢性危害。此外，还会抑制免疫功能。中性脂肪脂常温下呈固态——动物脂肪一般情况水解得到的主要是饱和脂肪酸

油一般情况水解得到的主要是不饱和脂肪酸常温下呈液态——植物油磷脂又称磷酸甘油脂，与中性脂肪不同之处在于甘油的其中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)结合成酯。存在与细胞的膜系统中，在脑、肺、肾、心、骨髓、卵及大豆细胞中含量丰富。卵磷脂、脑磷脂、丝氨酸磷脂等。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。固醇因胆固醇过多而造成的血管壁过厚胆固醇：参与真核细胞细胞膜的组成；与人体血液循环中脂质的运输以及动脉粥样硬化和心血管疾病有关性激素：激发和维持人体的第二性征肾上腺皮质激素：与糖代谢或水盐代谢的调节有关当链中碳原子以双键连接时，脂肪酸分子可以是不饱和的。当一个双键形成时，这个链存在两种形式：顺式和反式。顺式（cis）键看起来象U型，反式（trans）键看起来象线形。顺式键形成的不饱和脂肪酸室温下是液态如植物油，反式键形成的不饱和脂肪酸室温下是固态。反式脂肪酸

植物油加氢可将顺式不饱和脂肪酸转变成室温下更稳定的固态反式脂肪酸。反式脂肪虽然披着植物油的“外衣”，过量食用却比动物油危害更大。其危害主要表现在：降低记忆力：反式脂肪酸对可以促进人类记忆力的一种胆固醇有抵制作用。容易发胖：反式脂肪酸不容易被人体消化，容易在腹部积累，导致肥胖。反式脂肪酸易引起冠心病：反式脂肪酸能使有效防止心脏病及其他心血管疾病的胆固醇（HDL）降低。容易形成血栓：反式脂肪酸会增加人体血液的黏稠度和凝聚力，容易导致血栓的形成。怀孕期或哺乳期的妇女，过多摄入含有反式脂肪酸的食物会影响胎儿的健康：研究发现，胎儿或婴儿可通过胎盘或乳汁被动摄入反式脂肪酸，他们比成人更易患上必需脂肪酸缺乏症，影响生长发育。影响男性生育能力：反式脂肪酸会减少男性荷尔蒙的分泌，对精子的活跃性产生负面影响，中断精子在身体内的反应过程。影响生长发育期的青少年对必需脂肪酸的吸收，同时对青少年中枢神经系统的发育造成不良影响如果配料中含有“人造奶油”、“起酥油”、“氢化植物油”、“部分氢化植物油”、“氢化脂肪”、“氢化菜油”、“固体菜油”、“起酥油”、“人造酥油”、等字眼，那么该食品就含有一定量反式脂肪。四、蛋白质1、生理功能：

（1）遗传信息的表达（2）酶的催化作用（3）运载和存储（4）协调动作（5）机械支持（6）免疫保护（7）产生和传递神经冲动（8）生长和分化的控制遗传信息的表达者2、蛋白质的构建单体——氨基酸氨基酸的通式氨基酸的分类氨基酸的生理功能氨基酸的通式组成蛋白质的常见氨基酸有二十种，通式如下：R不同，组成的氨基酸就不同氨基酸的分类按酸碱性质可分为三类：酸性氨基酸（1个-NH2，2个-COOH)：Asp、Glu碱性氨基酸（2个-NH2，1个-COOH)：Arg、Lys；另外His具有氮环，呈弱碱性，也是碱性氨基酸。中性氨基酸（1个-NH2，1个-COOH)：脂肪族氨基酸：Gly、Ala、Val、Leu、Ile芳香族氨基酸：Tyr、Phe、Trp含羟基氨基酸：Ser、Thr含硫氨基酸：Cys、Met亚氨基酸：Pro氨基酸的生理功能作为蛋白质的合成原料。一些氨基酸及其衍生物是体内重要的活性物质。如甘氨酸也是一种神经递质；5-羟色胺是色氨酸的衍生物在神经信息传导中起重要作用；甲状腺素是酪氨酸的衍生物，是人体重要激素之一。必需氨基酸20种氨基酸中，有8种氨基酸不能在人体内合成，必需从食物中摄入。这8种氨基酸是Val、Leu、Ile、Thr、Phe、Met、Trp、Lys，儿童的必需氨基酸还包括Asp、His3、肽键、多肽不同数目的氨基酸通过肽键形成长短不同的肽链，通常二肽至十肽称为寡肽，十肽以上称为多肽。多肽形成蛋白质分子的亚单位。4、蛋白质的空间结构一级结构二级结构三级结构四级结构一级结构：氨基酸排列顺序二级结构：邻近的几个或几十个氨基酸，经过一定程度的折叠形成蛋白质的二级结构α-螺旋β-折叠β-转角无规卷曲α-螺旋α螺旋最为常见，多肽主链骨架围绕一个轴螺旋上升。每一圈3.6个残基，螺距0.54nm，残基高度0.15nm,螺旋半径0.23nm氢键封闭环包含13个原子β-折叠较α螺旋伸展的构象，两条或多条肽链间互相以氢键连接起来的成片层状结构，平行或反平行两种类型。平行式反平行式β-转角4个连续的氨基酸残基组成，主链骨架以180º

折回折叠，第1个残基的羰基氧原子与4个残基上的亚氨基氢原子之间形成的氢键。三级结构由一个已经具有了某些a-螺旋和/或b折叠区的多肽链折叠成一个紧密包裹的、几乎成球形的空间结构，或称为天然构象。重要特点是在一级结构上离得远的氨基酸残基在三级结构中可以靠的很近，它们的侧链可以发生相互作用。三级结构主要是靠疏水作用维持稳定的，此外二硫键也是稳定三级结构的力。四级结构数条具有独立的三级结构的多肽链通过非共价键相互连接而成的聚合体结构。每条肽链本身具有一定的三级结构，就是蛋白质分子的亚基。四级结构靠非共价键、疏水作用及范德华力维持稳定。五、核酸1、核酸的构建单体——核苷酸遗传信息的存储和传递者碱基+戊糖核苷+磷酸核苷酸碱基腺嘌呤A鸟嘌呤G尿嘧啶U胸腺嘧啶T胞嘧啶C戊糖多核苷酸链核苷酸之间通过磷酸二酯键连接成多核苷酸链2、核酸的分类DNARNA碱基腺嘌呤(adennine,A)鸟嘌呤(guanine,G)胞嘧啶(cytosine,C)胸腺嘧啶(thymine,T)腺嘌呤鸟嘌呤胞嘧啶尿嘧啶(Uracil,U)戊糖脱氧核糖核糖磷酸磷酸磷酸3、DNA的结构DNA的碱基组成DNA的一级结构DNA的二级结构(双螺旋)DNA的碱基组成G≡C，A=T，A+G=C+T同种生物的不同组织的碱基组成相同，不同生物的同种组织的碱基组成不同年龄，营养，环境不影响碱基组成构成DNA分子的核苷酸连接及其顺序DNA的一级结构5`端3`端DNA的二级结构(双螺旋)RNA的结构

单链，不存在碱基比例关系局部能形成碱基对，出现双螺旋，不配对区域形成突起(环)RNA的类型信使RNA（mRNA）—转录遗传信息转运RNA（tRNA）—运载氨基酸核糖体RNA（rRNA）—蛋白质合成核酸的生物学功能核酸是基本的遗传物质，DNA控制着蛋白质的生物合成，决定着蛋白质的遗传特性，因而在个体的生长、发育、生殖、遗传变异和转化等一系列生命现象中起决定性作用。贮存遗传信息的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活动过程。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。维生素维生素是参与生物生长发育和代谢所必需的一类小分子有机化合物。各种维生素之间除都是有机物外，没有共同的理化性质。把它们归为一类是由于在生理作用上有其共同之处：它们都不是建造细胞的基本材料，也不能在体内氧化而提供能量。它们在体内大多数都是参加各种酶系统的工作而促进生理活动，或以其他形式调节生理活动。它们的需要量不多，但人体自身不能合成（维生素D另外），所以必需从膳食中摄取。人体有13种维生素4种脂溶性维生素：维生素A、D、E、K9种水溶性维生素：8种维生素B、维生素C维生素A又称视黄醇。是构成视觉细胞中感受弱光的视紫红质的组成成分，与暗视觉有关。动物肝脏中有丰富的维生素A维生素A维生素D维生素D有D3和D2两种。在人体内存在的维生素原有VitD3原和VitD2原，经紫外线照射可以转化为VitD3和VitD2。人的皮肤中的VitD原为7-脱氢胆固醇，以紫外线照射转化为VitD3（胆钙化醇），进入骨骼后有助于钙的吸收和沉积。VitD3可从膳食中取得，如鸡蛋、牛奶。维生素E维生素E又称生育酚，主要有四种衍生物，分为α、β、γ和δ。能促进性激素分泌；是最重要的抗氧化剂之一，保护机体细胞免