第02章-生命的化学基础

第一篇生命的化学基础目前已知的化学元素有115种，其中天然元素有92种。92种天然元素中已有81种在人体中被发现（除He，Ne，Ar，Kr，Xe，Fr，At，Ac，Pa，Tc等)。有25种元素是生命所必需的，包括O，C，H，N，Ca，P，K，S，Na，Cl，Mg；以及B，Cr，Co，Cu，F，I，Fe，Mn，Mo，Se，Si，Sn，V与Zn。一、生命需要约25种元素细胞的元素组成最基本元素：C基本元素：C、H、O、N主要元素：C、H、O、N、S、P人体中存在的元素上述元素按其在人体所占质量的比例是否大于万分之一可划分大量元素和微量元素。大量元素：

C，H，O，N，P，S，K，Ca，Mg，Na和Cl微量元素：

Fe，Mn，Zn，Cu，B，Mo，Co，F，I，Se，Si，Sn，V和Cr

备注:大量元素和微量元素都是生物体生命活动所必需的，缺乏时会出现相应的缺素症状；它们的划分依据是根据元素在生物体内的含量（含量占生物总质量万分之一），而不是其生理作用。大量元素与微量元素碘是人体所必需的微量元素，成年人每天需碘约0.15mg。微量元素：碘碘缺乏甲状腺肿铁是维持生命必须的微量元素，女性每天应摄入16mg的铁，而男性每天应摄入9mg。微量元素：铁含亚铁血红素的血红蛋白电镜下的红细胞缺铁性贫血的血涂片正常血涂片原子是物质的最小单位

原子核

原子

电子每一种原子中质子的数目为该原子所特有，称为原子序数元素由原子组成质子中子同位素：质子数和电子数都相同，但中子数不同的原子放射性同位素用于元素示踪：14C放射性同位素用于医学诊断放射性辐射的危害同位素的应用电子决定原子的化学性质；最外层中的电子数决定原子的化学特性。化学键使原子形成化合物电子的得失——形成离子键电子对共用——形成共价键化合物由元素组成水是生命之源，是生命的介质水占细胞总重量的70%左右水占3月龄胎儿体重比例的90%水占初生婴儿体重比例的80%水占少年人体重比例的75%水占成年人体重比例的70%水占老年人体重比例的65%水是细胞中不可缺少的物质水是极性分子水分子之间会形成氢键液态水有较强的内聚力和表面张力水的特性水是极性分子氢键水分子间的氢键使水能缓和温度的变化冰的密度小于水水的特性水的特性水是极好的溶剂水能够电离大多数活细胞的pH近于7。哪怕细胞中pH的微小变化对细胞都是有害的。生物体内H+和OH-必须处于平衡状态。新陈代谢包括了无数的化学反应，使生物体内的众多物质千变万化化学反应实际是原子的重新组合，而不会创造或破坏原子；是破坏已有的化学键，形成新的化学键化学反应使原子重组原子化合成分子或简单分子形成复杂分子时，会出现新的性质生物体内发生成千上万各式各样的重要反应生命是物质的，所有的细胞都是由水、蛋白质、糖类、脂质、核酸、盐类和各种微量的有机化合物所组成其中，糖类、脂质、蛋白质和核酸等化合物被称为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更多的有机分子某些多肽和某些脂类物质的分子量并未达到惊人的地步，但其在生命过程中同样表现出重要的生理活性二、组成细胞的生物大分子生物大分子的特点在于其表现出的各种生物活性和在新陈代谢中的作用细胞合成的几乎所有分子都含有碳活的生物体内含碳化合物的量仅次于水碳原子能互相连接成链或环，从而生成各种大分子，如糖类、蛋白质等碳是组成细胞中各种大分子的基础乙烯乙炔异丁烷丁烷苯环戊烷有机化合物由碳氢化合物衍生而来，常含有含氧或氮的功能团羟基（－OH）——醇类——糖类、水溶性维生素羰基（－CO）——醛/酮类——某些糖类羧基（－COOH）——羧酸——氨基酸、蛋白质、脂肪酸、维生素氨基（－NH2）——胺类——氨基酸、蛋白质、尿素这些功能团都有极性，是亲水的（hydrophilic），是水溶性的许多生物分子含有两种或更多种功能团，有利于形成大分子碳是组成细胞中各种大分子的基础生物大分子可分为4类：蛋白质、核酸、糖类和脂质细胞利用单体组成多聚体多聚体：由相同或相似的小分子组成的长链单体：组成多聚体的小分子20种氨基酸可组成约1012种蛋白质4种核苷酸可组成种类繁多的DNA细胞利用少数种类的小分子合成多种大分子细胞将单体组成多聚体的方式：脱水合成

HO―A―A―A―H+HO―A’―H

HO―A―A―A―A’―H

H2O细胞将多聚体分解为单体的方式：水解反应

HO―A―A―A―A’―H

H2O

HO―A―A―A―H+HO―A’―H

细胞利用少数种类的小分子合成多种大分子糖类是细胞中重要的有机物，不仅提供生命活动所需的能源，而且是重要的中间代谢物，用来合成其他重要的生物大分子糖分子含C、H、O三种元素，基本化学式：CH2O糖类包括小分子的单糖、双糖、三糖等，以及由单糖构成的大分子的多糖糖类单糖：具有许多羟基；具有羰基单糖有两种形式——醛糖和酮糖重要的单糖有：丙糖——如甘油醛和二羟丙酮丁糖——如赤藓糖戊糖——如核糖、脱氧核糖、核酮糖、木糖和阿拉伯糖己糖——葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等糖类葡萄糖与果糖都是六碳糖，分子式相同（C6H12O6）同分异构体：羰基位置不同

葡萄糖是醛糖，果糖是酮糖与其他分子发生反应的能力不同甜度不同糖类寡糖：由几个（2～10）单糖缩合而成的糖

双糖：两个单糖缩合而成的糖乳糖：葡萄糖＋半乳糖

麦芽糖：葡萄糖＋葡萄糖

蔗糖：葡萄糖＋果糖

糖类多糖：由数百至数千个单糖分子通过脱水合成而形成的多聚体均一多糖：由一种单糖分子缩合而成的多糖，常见的有：淀粉、糖原、纤维素等不均一多糖：由不同的单糖分子缩合而成的多糖，叫做不均一多糖。常见的有：透明质酸、硫酸软骨素等。糖类淀粉：植物细胞中的储藏营养物（分为直链和支链两类，支链淀粉平均每22个葡萄糖一个分支）糖原：多糖在动物细胞中储藏的形式，平均每8～10个葡萄糖一个分支纤维素：植物细胞壁的主要成分糖类脂质主要由C和H以非极性的共价键组成，是疏水的脂质在细胞中具有独特的生物学功能：生物膜的重要成分储能的分子构成生物表面的保护层很好的绝缘体有些脂类是重要的生物学活性物质脂质脂肪是脂质中主要的贮能分子脂肪由甘油和3个脂肪酸通过脱水合成而形成，又称甘油三酯或三酰基甘油脂肪含多个碳氢链，因此含能量较多，1g脂肪中贮存的能量约为1g淀粉的两倍动物脂肪中的不饱和脂肪酸很少，而植物油中则较多脂质磷脂、蜡和类固醇都是脂质磷脂：结构与脂肪类似，只是分子中只有两个脂肪酸，另一个酸为磷酸；是细胞膜的重要组分脂质磷脂、蜡和类固醇都是脂质蜡：由长链的醇与长链的脂肪酸形成的酯；高度疏水，可保护生物体的表面类固醇：碳链折成4个环——3个六元环和1个五元环胆固醇：最常见的类固醇，细胞膜的重要成分，动物体内合成其它类固醇的原料雌、雄激素都是类固醇脂质蛋白质是由氨基酸组成的多聚体蛋白质是一切生命的物质基础，是细胞内行使各种生物功能的生物大分子蛋白质占细胞干重的50%，占人体干重的16.3%，在细胞和生物体的生命过程中发挥十分重要的作用蛋白质功能代表功能代表结构材料胶原、角蛋白激素胰岛素、生长激素运动肌动蛋白、肌球蛋白物质运输Na+-K+泵营养储存酪蛋白、铁蛋白信号转导乙酰胆碱受体基因调控Lac操纵子渗透压调节血清白蛋白免疫作用抗体毒素白喉和霍乱毒素电子转移细胞色素催化作用（酶）氧化还原酶、连接酶蛋白质的分类（根据功能）结构蛋白：组成细胞结构的基础（毛、发、肌腱、韧带等）收缩蛋白：与结构蛋白共同起作用（肌球蛋白、肌动蛋白）贮藏蛋白：卵清蛋白为胚胎发育提供了氨基酸防御蛋白：抗体——与病原体作斗争转运蛋白：负责物质转运的蛋白质（血红蛋白）信号蛋白：细胞之间传递信号（某些激素）酶：生物催化剂蛋白质为生命活动所必需蛋白质的结构和功能都极为多样，这是由于氨基酸的种类、数目、排列顺序及其肽链的空间结构不同决定的所有的氨基酸都含有一个羧基、一个氨基和一个变化的侧链（R），它们都连接在中间的C上。侧链（R）决定了氨基酸的特性，并控制蛋白质的折叠蛋白质由20种氨基酸组成氨基酸必需氨基酸：人（或其它脊椎动物）自身不能合成，需要从食物中获得的氨基酸，共10种：

赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、苏氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸、组氨酸、精氨酸蛋白质由20种氨基酸组成非必需氨基酸：