化学与生命教案

第五章化学与生命

教学目的与要求：

1.了解生命体中的化学元素的作用；

2.了解生命体中的重要有机化合物；

教学重点与难点

重点：生物体中的化学元素的重要功能

难点：生物体中的化学元素

生命科学是以生物体的生命过程为研究对象，是由生物学、化学、医学

等学科相互渗透形成的交叉学科。生命过程本身可以说就是许多生物体的物

质基础和生命活动的基本规律，化学是必不可少的，它不仅提供了方法，而

且在理论、技术方面多起着重要的作用。

早在20世纪初，化学家就开始研究单糖、血红素、叶绿素、维生素等生

物小分子的化学结构，其后又向生物大分子—蛋白质和核酸进军：首先建

立了蛋白质结晶、分离纯化方法，并在此基础上用研究小分子结构的理论和

方法去研究生物大分子的结构，进而从50年代起取得了一系列重大突破。蛋

白质和核酸的研究成果不仅是生物化学迅速发展，而且由此诞生了结构生物

学和分子生物学，并导致了后来围绕基因的一系列研究。20世纪中期，因化

学和生物学一起攻克遗传信息分子结构与功能关系的问题，使生命科学的研

究轨迹进入以基因组成、结构、功能为核心的新阶段。20世纪的100年间因

从事与生命科学相关的化学基础研究工作而获得诺贝尔奖的就有28项之多。

第一节生命体中的化学元素

一、生命体中的化学元素分类

1.按照在生物体内存在方式分为:

①矿物元素：除C,H,O,N之外的其他元素，一般以无机盐即电解质形态

存在，不超过体重的4-5%。

②非矿物元素：C,H,O,N,构成水分和有机物，占总体重的95%。

2.按照在体内含量分为：常量元素（含量在0.01%以上），微量元素（低于

0.01%）

人体中的常量元素有：C,H,O,N,S,P,Cl,Ca,Mg,Na,K共11种

微量元素有：I,F,Cu,Fe,Si,Zn,Mn,Co等

3.按照在体内的作用分为：必需元素、非必需元素和有毒元素

必需元素：维持有机机体正常的生物功能所不可缺少的化学元素。公认

的有27种。每种必需元素在体内的含量都有其合适的范围，超过或不足都不

利于人体健康。如：人体对碘的需要量为O.lmg/天，耐受量为：lOOOmg/天，

当碘含量大于lOOOOmg/天，即会中毒。

非必需元素：是指没有这些元素生命仍可以维持。（含量是变化的）

有毒元素：对生命体具有有害作用的元素。如：Hg,Pb,Cd,Be,Te,As均

为有害元素。

二、化学元素在生命体内的作用

1.构成人体组织的重要材料：C,H,N,O,P,S组成生命的基本物质一糖

类、蛋白质、核酸等：Ca,P,Mg骨骼和牙齿的重要成分。Fe是血红蛋白和细

胞色素的重要成分；胰岛素中含有Zn等。

2.起运载作用：金属离子或它们所形成一些配合物在体内传递物质和能

量代谢过程中气重要作用。如含Fe?+的血红蛋白对。2和CO2起运载作用。

3.组成金属酶或作为酶的激活剂：现已鉴定出3000种以上的酶，约有1

/3的酶在它们本身结构中含有金属离子或者虽本身不含金属但必须有金属

离子存在才具有活性，前者称为金属酶，后者称为金属激括酶。例如生物体

中重要代谢物的合成与降解都需要锌酶的参与，近年还发现锌酶可以控制生

物遗传物质的复制、转录与翻译。

4.调节体液的物理、化学特性：Na+、K+、C「在维持液体中水、电解质

平衡、酸碱平衡发挥着重要的作用。

5.传递信息的作用：Ca2+能激活多种酶起到传递生命信息的“信使”作用。

下面列出了人体中一些生物元素的主要功能。

元素名称主要功能

碳有机化合物的主要组成成分

氢水及有机化合物的主要组成成分

氧水及有机化合物的主要组成成分

氮有机化合物的组成成分

氟人体骨骼成长所必需的元素

氯细胞外的阴离子（c「），维持体液平衡

碘甲状腺素的成分

硫蛋白质的成分

硒与肝功能肌肉代谢有关的元素

磷含在ATP等之中，是生物合成与能量代谢必需的元素

硅骨骼及软骨形成的初期阶段必需的元素

钾细胞内的阳离子（K+）,维持体液平衡

钠细胞外的阳离子（Na+）,维持体液平衡

钙骨骼、牙齿的主要组分，神经传递和肌肉收缩必需的元素

镁酶的激活，叶绿素构成，骨骼的成分

锌胰岛素的成分.许多酶的活性中心

锦能的激活，光合作用中水分解必需的元素

铁组成血红蛋白、细胞色素、铁-硫蛋白等，输送氧

钻形成红血球所必需的维生素Bl2的组分

铜铜蛋白的组分，铁的吸收和利用

钥黄素氧化酸、醛氧化酶，固氮能等必需的元素

钮促进牙齿的矿化

铭促进葡萄糖的利用，与胰岛素的作用机制有关

各种元素在人体组织体液中富集情况大致如下:

头发中：铝、碑、锐；

大脑中：钠、镁、钾；

脑垂体中：锢、溟、镒、格；

眼液中：钠；

视网膜中：领；

齿质及跌琅质中：钙、镁、氟；

牙组织中：钙、磷；

甲状腺中：碘、纲、滨；

心脏中：钙、钾；

肺中：锂、钠;

胰腺中：镁；

肾脏中：锂、硒、钙、镁、钾、钥、镉、汞；

消化液中:钠；

骨筋中：锂、镁、钾；

肌肉中：锂、镁、钾；

骨组织中：钠、钙、钾、磷；

血液中：铁、钠、锂、钙、钾；

肝脏中：锂、硒、铝、锌、钙、镁、钾、铜。

三、一些重要的生命必需元素

1.钙：（P345）99%以上的Ca存在于骨骼和牙齿中，主要存在形式为：

[Ca3（PO4）2];体液中的钙是以Ca?+或与蛋白质结合的形式存在。

钙化：是磷酸钙的细微结晶沉积在骨骼的软有机骨架上的过程，钙化作

用必须要由钙、磷和维生素D存在。

作用：①骨骼的钙化作用必须有Ca?*的存在；

②有调控神经传导和人体肌肉收缩功能；

③还可以使血液凝固。

保持血液中钙的固定含量可通过血液与骨骼之间不断进行的该交换来达

到，故缺钙可导致骨质疏松。

钙是人体必需元素，缺钙的主要症状是过敏、肌肉抽搐、痉挛，缺钙会

引起高血压，造成动脉硬化，甚至会促成肠癌的发生。因此，人体必须每日

摄入足量的钙，才能保证正常的生长发育及新陈代谢。人体内钙的来源主要

靠饮食，深绿色的蔬菜、连骨带壳吃的小鱼小虾、豆类、骨粉中含钙较多，

奶及奶制品中的钙可吸收率高。

2.磷（P346）：是构成人体骨骼和牙齿的主要成分。骨骼和牙齿中的磷占人

体总磷量的85%。牙釉质的主要成分是羟基磷灰石Ca/OHMPOR和少量氟

磷灰石CaioF2（P04）6、氯磷灰石CaioC12（P04）6等。羟基磷灰石是不溶性物质。

当糖吸附在牙齿上并且发酵时，产生的H+和0H.结合生成H2O及P04）,就

会使羟基磷灰石溶解，使牙齿受到腐蚀。如果用氟化物取代羟基磷灰石中的

OH',生成的氟磷灰石能抗酸腐蚀，有助于保护牙齿。

另外15%的磷分布在细胞和体液中，是以三磷酸腺昔（ATP）中的PCI?一形

式存在。三磷酸腺昔（ATP）是一个高能的化合物，又称为活体的燃料。它

参与多种不同反应，如生物体内释放的能量，可使无机磷酸盐转化为高能有

机磷酸化合物及磷酸肌酸等，从而使大部分所产生的能量得以储存和利用。

由于磷的分布很广，因此人们日常饮食中很少缺磷。此外，磷酸盐在维持机

体酸碱平衡上有缓冲作用。如果摄取过量的磷，会破坏矿物质的平衡和造成

缺钙。

3.钾、钠和氯：Na+和C「在体内的作用是与K+等元素相互联系在一起的,

错综复杂。其最主要的作用是控制细胞、组织液和血液内的电解质平衡，以保

持体液的正常流通和控制体内的酸碱平衡。Na+与K+、Ca2\Mg?+还有助于

保持神经和肌肉的适当应激水平;NaCl和KC1对调节血液的适当粘度或稠度

起作用；胃里开始消化某些食物的酸和其他胃液、胰液及胆汁里的助消化的

化合物，也是由血液里的钠盐和钾盐形成的。此外，适当浓度的Na+、K+和CF

对于视网膜对光反应的生理过程也起着重要作用。可见,人体的许多重要功能

都与Na+、C「和K+有关,体内任何一种离子的不平衡（多或少），都会对身体产生

不利影响。如运动过度，出汗太多时，体内的Na+、C「和K+大为降低，就会出现

不平衡，使肌肉和神经反应受到影响，导致恶心、呕吐、衰竭和肌肉痉挛等现象。

因此，运动员在训练或比赛前后，需喝特别配制的饮料,以补充失去的盐分。

由于新陈代谢，人体内每天都有一定量的Na+、C「和K+从各种途径排出体

外，因此需要膳食给予补充，正常成人每天氯化钠的需要量和排出量大约为3

g〜9go

此外，常用淡盐水漱口，不仅对咽喉疼痛、牙龈肿疼等口腔疾病有治疗和

预防作用，还具有预防感冒的作用。

4.铁：成人体内含铁总量为4-5克，相当于一个小铁钉的重量，约占人体体

重的0.004%,但它的作用却十分大。其中有60-70%以血红蛋白、3%以肌红

蛋白和0.2%以其他化合物的形式存在，其余约30%则以贮备铁的形式存在。

贮备铁主要以铁蛋白的形式贮存于肝脏、脾脏和骨髓的网状内皮系统中。

体内铁的来源：一是从食物中摄取，称为外源性铁；二是已经衰老破坏

了的红血细胞中的铁再生重利用，称为内源性铁。

铁在食品中以两种形式存在：

(1)非血红素铁，主要是以三价铁的形式与蛋白质、氨基酸和有机酸结

合成配合物，存在于植物性食物中，这种形式的铁必须在胃酸作用下先于有

机部分分开，并还原成二价铁以后，才能被吸收。

(2)血红素铁，是与血红蛋白及肌红蛋白中的叶琳结合的铁。这种铁是

以吓琳铁的形式直接被肠粘膜上皮细胞吸收，然后在粘膜细胞内分离出铁，

并结合成铁蛋白。因此，血红素铁的吸收不受各种因素的干扰。

成年男子每天需要从食物中摄取铁约10mg,男少年18mg,女少年24

mgo因此，必须注意摄取含铁的食物，含铁较多的食物有动物肝脏、肾、心

脏、瘦肉、蛋黄、紫菜、海带、黑木耳、芹菜、油菜和番茄等。膳食中的蛋

白质和维生素C能提高铁的吸收率。因此，既含铁又富含维生素C的红枣、

桔子是治疗缺铁性贫血的良好食物。茶叶中含有能使铁沉淀的糅质，不利于

铁的吸收。饮用大量咖啡也会阻碍铁的吸收。缺铁性贫血患者应尽量少喝茶

和咖啡。

虽然铁有重要功能，但也不能摄入过量。当血液中铁蛋白浓度达200mg

/L时，心脏病发病率会高出三倍。血液中铁蛋白浓度每上升百分之一，心

脏病发作的危险性就会提高百分之四。这是因为过剩的铁促进自由基的形成,

而自由基会损害动脉壁细胞，也会损伤心肌。为此，如果没有患缺铁性贫血

症，就不要刻意补充铁，只要经常食用含铁的食物即可;

5.锌、铜：成人体内的含锌量大约为2.5克锌是人体中70多种不同酶的

组成成分，是调节DNA聚合酶的必须组成部分。锌能保护皮肤、骨骼和牙

齿的正常；促进性器官正常发育和维持性机能的正常；还能维护免疫功能，

缺锌时，淋巴细胞受损、细胞免疫力降低、胸腺因子活性降低、DNA合成减

少、细胞表面受体发生变化、血红细胞种CO2运输受阻。

锌主要在小肠吸收，与血浆中的蛋白或传递蛋白结合进入血液循环。锌的

吸收率受食物中含有的植酸与草酸的影响而下降，因为锌可以与它们生成不

易溶解的复合物。

铜占成人体中的1/（1X106）,在体内的铜以铜蛋白的形式存在，铜能促

进血红蛋白的合成和红血球细胞的发育。铜也是一些酶的组分，缺铜会使酪

氨酸酶丧是制造黑色素的能力，引起白瘢风、白发等黑色素脱失症。缺铜还

可以发生营养性贫血和心脏肥大、脸色苍白、生长停滞等症状。成人通常吸

收摄入铜的26%〜75%,随每日食入铜的数量而异。从消化道中吸收的铜，

以生物可利用的离子形式存在；然而大部分被排出的铜则被牢固地结合成胆

汁盐。这个过程称为机体的内环境稳定。它保持了人体吸收和排出之间的适

当平衡。谷物、肉类、茎蔬、豆荚类、坚果和巧克力等，是铜的丰富来源。

人体摄入的其它营养素的浓度，对铜的吸收有重要影响。所有的必需矿物

质，包括铜、锌、铁、镒、铭、铝和硒，在吸收代谢上都是相互作用的。这

意味着，每一种矿物质都可能在一定程度上影响其它矿物质的吸收和代谢。

铜与锌之间的相互作用可能是最重要的，因为在肠内吸收时，锌直接与

铜竞争。

过量摄入锌，可能会引起缺铜。高浓度的抗坏血酸（维他命C）也会抑

制铜的吸收。这就指出了平衡膳食的重要性，特别是对于老年人，他们吸收

必需微量元素（例如铜）的能力低下，从而更易于造成缺乏。从出生到6个

月的婴儿，每天应摄入0.4mg〜0.6mg铜。6个月的婴儿到10岁的儿童每天

应当从膳食中摄入0.7mg〜2mg铜。成人摄入量应为每天2毫克。婴儿每公

斤体重所需铜的数量，是成人的3倍以上。

因为铜对于人的生命和健康是必需的，并且它存在于多数的食物中，所

以铜作为平衡膳食的组成部分实际上不会带来危险。

目前铜对健康有不良影响的事例比较罕见。过去这些不良影响通常来自

于职业性的暴露，例如从工业烟气中吸入铜。现代的生产工艺已使这类事例

极少发生，对于现代工人来说铜中毒已不再成为问题了。

从食物和饮水中正常地摄入铜，一般极少会引起健康问题。在异常情况下，

当摄入的铜太多足以产生毒性反应时，机体会自我保护，把过量的铜在吸收

进入组织之前，通过呕吐排出体外。这种高剂量的反应称为“急性中毒”。慢

性中毒虽然出现得更少，但会长期影响健康。在非常罕见的患有某种遗传疾

病的人群中，例如患有威尔逊氏病（不能从体内排出铜）或者门克士病（体

内不能吸收铜）的人群，这会危及生命。

铜除了营养价值外，还在医药上起重要作用。可以用来处理皮肤疾病和

细菌感染，消除磷中毒症，以及医治痛风和某些癌症。

6.碘、氟：是构成人体的微量元素。碘在人体内含量约20mg〜50mg,其中

三分之二集中在约20g〜25g重的甲状腺内，其余分布在血清、肌肉、肾上

腺、卵巢中。

碘是甲状腺的主要成分。甲状腺所分泌的甲状腺素是一种激素，它能显著

地增强机体内能量代谢和蛋白质、糖类、脂肪的合成与分解，促进生长发育。

成年人每天需摄入碘100陷〜150咋。人体内缺乏碘时，就会引起甲状腺增

生、结节和隆起，患甲状腺肿。据统计，全世界约有两亿人患甲状腺肿。幼

儿时期缺碘，会影响生长发育，思维迟钝。成年时期缺碘，会使皮肤干燥、

发毛零落、性情失常。孕妇缺碘，可使新生儿患呆小症。因此，人体缺碘造

成的危害是十分严重的。

我国有些地区受地理条件限制，饮食中缺碘，很多人患甲状腺肿大（粗脖

子病），成为地方病。为了防治这种地方病，除了改善人们的食物品种，多吃

富含碘的海带、紫菜、海蛰等海产品外，我国政府还明令规定，供应全国人

民作为调味品的食盐，一律用含碘盐。

目前我国食用的含碘盐是将碘化物与食盐按1：20000-1：50000的比

例混合均匀而成。碘化物主要是碘化钾或碘酸钾。由于碘化钾极不稳定，在

高温和阳光照射下，容易分解并挥发，在酸性条件下更易分解。所以，还要

加入适量碳酸钠（用量为碘化钾的1〜4倍）及硫代硫酸钠（用量为碘化钾的

1/100）作稳定剂。

氟是人体中的一种必需微量元素。在人体必需元素中，人体对氟含量最为

敏感，从满足人体对氟的需要到由于氟过多而导致中毒的量之间相差不多，因

此氟对人体的安全范围比其他微量元素窄得多。所以要更加注意自然界、饮

水及食物中氟含量对人体健康的影响。

氟在人体中主要分布在骨胳、牙齿、指甲和毛发中，尤以牙釉质中含量多,

氟的摄入量或多或少也最先表现在牙齿上。当人体缺氟时，会患踽齿，氟多了又

会患斑釉齿，如果再多，会患氟骨症等系列病症。

人体中氟的主要来源是饮水，有研究认为，饮水含氟量为1.0mg/L〜1.5

mg/L较为适宜,最高不得超过2.0mg/Lo

市场上出售的加氟牙膏含有氟化钠、氟化锯等氟化合物,有防耦作用，适用

于缺氟地区。是否需要选用这种牙膏,最好听取卫生部门或牙医的建议。

第二节生命体中的重要有机化合物

一、糖类：

糖是自然界存在的一大类具有生物功能的有机化合物。它主要是山绿色

植物光合作用形成的。这类物质主要由C,H和。所组成，其化学式通常以

Cn（H2O）n表示，其中C,H,O的原子比恰好可以看作由碳和水复合而成，

所以有碳水化合物之称，其实糖类物质是多羟基醛类或酮以及以它们为构筑

单元所形成的聚合物。作为构筑单元的糖称为单糖，它的聚合物称为多糖。

常见的葡萄糖和果糖都是单糖类，它们的链状结构是

6

CHOI

CHi2o

H-C—OHI

If

HO——C—H-C

I

H-C—OHH-C—OH

II

H-C—OHH-C—OH

II

CH2OHCH2OH

果锯

-C

由上述结构式可见，葡萄糖含有一个醛基（'H）,六个碳原子，称己醛

糖；而果糖则含有一个酮基（'）,六个碳原子，称己酮糖。此外，植

物体内的淀粉、纤维素，动物体内的糖原、甲壳素等则属于多糖类。糖类物

质的主要生物学功能是通过生物氧化而提供能量，以满足生命活动的能量需

要。

单糖不仅多羟基醛酮有链状结构，还可以通过城基与分子内的羟基结合成

环状结构:

CH2OH

环状醛糖环状酮糖

多糖能水解为很多个单糖分子。多糖广泛存在于自然界，是类天然的

高分子化合物。多糖在性质上与单糖、低聚糖有很大的区别，它没有甜味，

一般不溶于水。与生物体关系最密切的多糖是淀粉、糖原和纤维素。

淀粉是葡萄糖的高聚体，水解到二糖阶段为麦芽糖，完全水解后得到葡

萄糖。淀粉有直链淀粉和支链淀粉两类。直链淀粉含儿百个葡萄糖单元，支

链淀粉含几千个葡萄糖单元。在天然淀粉中直链的约占22%〜26%,它是可

溶性的，其余的则为支链淀粉。当用碘溶液进行检测时，直链淀粉液呈显蓝

色，而支链淀粉与碘接触时则变为红棕色。图9-1和图9-2分别为直链淀粉

和支链淀粉结构示意图。支链淀粉是多分子的特征。

图9-1直凝淀粉结构示意图

糖原乂称动物淀粉，是动物的糖贮存库，也可看作体内能源库。糖原的

结构与支链淀粉有基本相同的结构（葡萄糖单位的分支链），只是糖原的分支

更多。糖原呈无定形无色粉末，较易溶于热水，形成胶体溶液。糖在动物的

肝脏和肌肉中含量最大，当动物血液中葡萄糖含量较高时，就会结合成糖原

储存于肝脏中，当葡萄糖含量降低时，糖原就可分解成葡萄糖而供给机体能

量。

纤维素是自然界中最丰富的多糖。它是没有分支的链状分子，与直链淀

粉一样，是由D-葡萄糖单位组成。纤维素结构与直链淀粉结构间的差别在于

D-葡萄糖单位之间的连接方式不同。由于分子间氢键的作用，使这些分子链

平行排列、紧密结合，形成了纤维束，每一束有100〜200条纤维系分子链。

这些纤维束拧在一起形成绳状结构，绳状结构再排列起来就形成了纤维素，

如图所示。纤维素的机械性能和化学稳定性与这种结构有关。

89-3扭在一起的纤维素捱

淀粉与纤维素仅仅是结构单体在构型上的不同，却使它们有不同的性质。

淀粉在水中会变成糊状，而纤维素不仅不溶于水，甚至不溶于强酸或碱。人

体中由于缺乏具有分解纤维素结构所必需的酶（生物催化剂），因此纤维素不

能为人体所利用，就不能作为人类的主要食品。但纤维素能促进肠的蠕动而

有助于消化，适当食用是有益的。牛、马等动物的胃里含有能使纤维素水解

的酶，因此可食用含大量纤维素的饲料。纤维素是植物支撑组织的基础，棉

花中纤维素含量高达98%,亚麻和木材中含纤维素分别为80%和50%左右。

纤维素是制造人造丝、人造棉、玻璃纸、火棉胶等的主要原料。

多糖水解不是一步成为单糖的。如淀粉水解成糊精，再水解成为麦芽糖,

最终成为葡萄糖。这些由少数（2〜6个）单糖分子构成的糖称为寡糖（又称低聚

糖），其中以双糖存在最为广泛，人们食用的蔗糖（来自甘蔗和甜菜）就是由葡

萄糖和果糖形成的双糖，甜度较差的麦芽糖（来自淀粉）可用做营养基和培养

基，来自乳汁的乳糖甜度适中，用于食品工业和医药工业，它们也都是双糖。

糖类不仅是生物体的能量来源，而且在生物体内发挥其他作用，因为糖

类可以与其他分子形成复合物，即复合糖类。例如糖类与蛋白质可组成糖蛋

白和蛋白聚糖，糖类可以与脂类形成糖脂和多脂多糖等。复合糖类在生物体

内的种类和结构的多样性及功能的复杂性，更是超过了简单糖。糖类在生物

界的重要性还在于它对各类生物体的结构支持和保护作用。很多软体动物的

体外有一层硬壳，组成这层硬壳的物质包括被称为基质的甲壳素。甲壳素的

主要成分是乙酰氨基葡萄糖为结构单元的多糖。甲壳素的分子结构因此也和

纤维素很相似，具有高度的刚性，能忍受极端的化学处理。在动物细胞表面

没有细胞壁，但细胞膜上有许多糖蛋白，而且细胞间存在着细胞间质，其主

要组分是结构糖蛋白和多种蛋白聚糖构成，另外，还有含糖的胶原蛋白，胶

原蛋白也是骨的基质。这些复合糖类对动物细胞也有支持和保护作用。

糖类还能通过很多途径影响生物体的生命过程，其中有些是有益于健康

的，有些是有害的。在生物体内有很多水溶性差的有机化合物，有的来自食

物（有的是体内的代谢产物），它们长期储存在体内是有害的。生物体内有一

些酶能催化葡萄糖醛酯和许多水溶性差的化合物相连接，使后者能溶于水中,

进而被排出体外，这时糖类起到了解毒的作用。

二、蛋白质

蛋白质是细胞结构里最复杂多变的一类大分子，它存在于一切活细胞中。

1839年德国化学家MulderGT给这类化合物起名叫做蛋白质（Protein）,意思

是“头等重要的所有的蛋白质都含C,N,0,H元素，大多数蛋白质还含

S或P,也有些含其他元素如Fe,Cu,Zn等。多数蛋白质的分子量范围在

L2万至100万间。蛋白质是氨基酸聚合物，水解时产生的单体叫氨基酸。蛋

白质的种类繁多，功能迥异，各种特殊功能是由蛋白质分子里氨基酸组合和

顺序决定的。

1.氨基酸构成蛋白质的氨基酸是a-氨基酸，为方便起见，简称氨基酸。

它们是a-碳［竣基（一C00H）旁边的碳］上有一个氨基（一NH2）的有机酸。事实

上，同时有氨基和竣基的化合物，都叫氨基酸。a—氨基酸的结构通式如下：

HH

0

I〃H—L/

R—C—C

X0HX0H

NH2

a-氨基酸的通式甘氨酸

氨基酸中的R基侧链是各种氨基酸的特征基团。最简单的氨基酸是廿氨

酸，其中的R是一个H原子。人体内的主要蛋白质大约由20种氨基酸组成,

它们的R基团如表所示：

名称R基符号

甘氨酸H—Gly

丝氨酸HO—CH2—Ser

一

苏氨酸CHs—CHThr

OH

半胱氨酸HS—CH2—Cys

酪氨酸Tyr

HO—CH;—

天冬酰胺%人Asn

C-CH-

西2

谷氨酰胺Gin

^C-CH-CH-

冬氨酸Asp

C-CH-

胫2

谷氨酸Glu

C—CH—CH

心22

丙氨酸CH3-Ala

1*缴氨酸

1Vai

名称R基符号

*亮氨酸CHs、Leu

CH—CH—

CH/2?

*异亮氨酸

CHS-CH2-CH—He

CHS

脯氨酸辔Pro

HC^'

Z2

H1

zY

H

*某丙氨酸Phe

*色氨酸Trp

H

*甲硫氨酸（蛋氨酸）CH3—s—CH2—CH2—Met

*赖氨酸Lys

H3一CH2—CH2—CH2—CH2-

*精氨酸M,N—C—NH—CH,—CHCHArg

2II22

料

*组氨酸H(|=]-CH2-His

H氏/NH

H

*代表必需氨基酸；精氨酸和组氨酸对儿童为必需氨基酸，但对成人却不是必需氨基酸。

蛋白质中的氨基酸是L-构型。（氨基酸有L-构型和D-构型，它们彼此类

似但构型不同，将它们重叠时，它们并非等同，而是互为镜象，不能重叠，

这两种构型分别为L-型和D-型。单糖也有D-,L-两种异构体，与人类关系

密切的是D-葡萄糖和D-果糖。）

人体需要L-氨基酸而不能利用D-氨基酸。L-和D-构型的a-氨基酸如下

所示

COOHCOOH

II

HZH—C—HH-C-NH2

II

RR

L-氨基酸D-氨基酸

2、肽键

蛋白质分子中氨基酸连接的基本方式是一分子氨基酸的竣基与另一分子

0

II

氨基酸的氨基，通过脱水（缩合反应），形成一个酚胺键—C—NH一,新生成

的化合物称为肽。肽分子中的酰胺键亦称肽键。

最简单的肽由两个氨基酸组成，称为二肽。例如两个甘氨酸分子缩合成

二肽，甘氨酰甘氨酸（符号为Gly-Gly）：

肚键iH

二

甘熟酸甘氨酸甘氨酰甘氨酸

肽键中的氨基酸由于参与肽键的形成已经不是原来完整的分子，因此称

为氨基酸残基。含有三个、四个、五个等氨基酸残基的肽分别称为三肽、四

肽、五肽等。肽的命名是根据参与其组成的氨基酸残基来确定的，通常从肽

键的NH2末端氨基酸残基开始，称为某氨基酰某氨基酰……某氨基酸。具有

下列化学结构的五肽命名为丝氨酰甘氨酰酪氨酰丙氨酰亮氨酸，可用符号

Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu表示。

若由两种不同的氨基酸如甘氨酸和丙氨酸来进行缩合，则可能形成两种

不同的二肽:

肽键

甘氨酰丙氨酷（G1厂Ala）丙氨酰甘氨酸（Ala-Gly）

多个氨基酸失水形成的肽称多肽,多肽一般是链状化合物。若4种氨基

酸（例如甘氨酸Gly,丙氨酸Ala,丝氨酸Ser和胱氨酸Cy^）排列组合，可能

的连结方式则有24种：

Gly-Ala-Ser-CyAla-Gly-Ser-CySer-Ala-Gly-CyCy-Ala-Gly-Ser

Gly-Ala-Cy-SerAla-Gly-Cy-SerSer-Ala-Cy-GlyCy-Ala-Ser-Gly

Gly-Ser-Ala-CyAla-Ser-Gly-CySer-Gly-Ala-CyCy-Gly-Ala-Ser

Gly-Ser-Cy-AlaAla-Ser-Cy-GlySer-Gly-Cy-AlaCy-Gly-Ser-Ala

Gly-Cy-Ser-AlaAla-Cy-Gly-SerSer-Cy-Ala-GlyCy-Ser-Ala-Gly

Gly-Cy-Ala-SerAla-Cy-Ser-GlySer-Cy-Gly-AlaCy-Ser-Gly-Ala

17种不同的氨基酸组合的不同方式可达到3.56x1014种。但目前在自然

界中已发现的蛋白质种类比起这个数目来还差得很远。同样，由-组氨基酸

按不同顺序组成的蛋白质种类的理论数目和实际存在于细胞中的种类数也相

差甚远。这个现象说明只有某些氨基酸并按某几种顺序组合而成的蛋白质才

与生命或生理活性有关。

蛋白质分子是由一条或多条多肽链构成的生物大分子。蛋白质的种类很

多，以前认为蛋白质都是天然的，但现在差不多任何顺序的肽链都能合成，

包括自然界里没有的。所以种类是无限的，其中有的已知有生物功能和活性。

按分子形状来分有球蛋白和纤维蛋白。球蛋白溶于水、易破裂，具有活性功

能，而纤维状蛋白不溶于水，坚韧，具有结构或保护方面的功能，头发和指

甲里的角蛋白就属纤维状蛋白。按化学组成来分有简单蛋白和复合蛋白，简

单蛋白只由多肽链组成，复合蛋白由多肽链和辅基组成，辅基包括核甘酸、

糖、脂、色素（动植物组织中的有色物质）和金属配离子等。

为了表示蛋白质结构的不同层次，经常使用一级结构、二级结构、三级

结构和四级结构这样一些专门术语。一级结构就是共价主链的氨基酸顺序，

二、三和四级结构又称空间结构（即三维构象）或高级结构。

-•级结构决定了蛋白质的功能，对它的生理活性也很重要，顺序中只要

有一个氨基酸发生变化，整个蛋白质分子会被破坏。催产素（促进子宫肌肉收

缩）、加压素（增加血压）、舒缓激肽（调节血压）和牛胰岛素的化学结构即一级

结构。

Gys-Tyr—Ile-Glrt-Asit-Cys-Pro-Len-Gly

1II1I

----------------S_S-----------NH2

牛催产素

牛加压素

Arg-Pro-Pro-Glj^Phe-Ser-Pro-Phe-Arg

舒缓谢肽

蛋白质的二级结构是指蛋白质分子中多肽链本身的折叠方式。例如角蛋

白中的多肽链，排列成卷曲形，称为a-螺旋。在这种结构里，氨基酸形成螺

旋圈，肽键中与氮原子相联的氢，与附在沿链更远处的肽键中和碳原子相连

的氧以氢键相结合。而丝的纤维蛋白具有不同的二级结构。在丝里，几种走

向不同的肽链互相紧靠，使蛋白成为"之”字形，所以有折叠结构之称，也称

0构型。链是由氢链联结的，R基团向上或向下延伸。a螺旋和折叠结构分别

如图所示。

蛋白质的三级结构是指二级结构折叠卷曲形成的结构。一般讲，球蛋白

是一个折叠得非常紧密的球形，如图9-6所示。蛋白质的四级结构是指几个

蛋白质分子（称为亚基）聚集成的高级结构。高级结构不再进一•步讨论。

蛋白质广泛而又多变的功能决定了它们在生理上的重要性。蛋白质的生

物学功能是多种多样的。例如有的作为催化剂（酶），有的起运输、调节或防

御作用。这些作用都与蛋白质复杂的结构紧密相关。

团

(a)a螺旋（b）折登结构

图9-5多肽链构型

图9-6肌红蛋白的三级结构G艮据2必辨率的资料分析所得的结构)

3.酶：酶是生物体中具有重要功能的一种蛋白质，它的作用是催化细胞新陈

代谢过程中的各种化学变化，故称之为生物催化剂。

特点：具有高度的专一性和强大的催化能力。

人类从发明酿酒、造醋、制酱、发面时起，就对生物催化作用有了初步

的认识，不过当时并不知道有酶这类生物催化剂。进入19世纪后期，人们已

积累了不少关于酶的知识，认识到酶来自生物细胞。进入20世纪，不仅发现

了很多酶，而且酶的提取、分离、提纯等技术有了很大的发展，并注意到有

不少酶在作用中需要低分子量的物质(辅酶)参与，对酶的本质进行了深入的

研究。1926年第一次成功地从刀豆中提取了胭酶的结晶，并证明每种结晶

具有蛋白质的化学本质，它能催化尿素分解为NE和CO2。尔后，相继分离

出许多酶(如胃蛋白酶、胰蛋白酶等)的晶体。科学实验证明了酶的化学组成

同蛋白质一样，也是由氨基酸组成的，它们都具有蛋白质的化学本性。至今,

人们已鉴定出2000种以上的酶，其中有200多种已得到了结晶。酶是一类由

生物细胞产生的、以蛋白质为主要成分的、具有催化活性的生物催化剂。

酶催化作用，有其很多特点，最主要的如下。

(1)酶是由生物细胞在基因指导下合成的，其主要成分是蛋白质。

(2)酶催化反应都是在比较温和的条件下进行的。例如在人体中的各种酶

促反应，一般是在体温(37℃)和血液pH约为7的情况下进行的，这与它的特

定结构有关。因此酶对周围环境的变化比较敏感，若遇到高温、强酸、强碱、

重金属离子、配位体或紫外线照射等因素的影响时，易失去它的催化活性。

（3）酶具有高度的专一性，即某一种酶仅对某一类物质甚至只对某一种物

质的给定反应起催化作用，生成一定的产物。如胭酶只能催化尿素水解生成

NH3和C02,而对尿素的衍生物和其他物质都不具有催化水解的作用，也不

能使尿素发生其他反应。酶的这种专一性通常可用酶分子的几何构象给予解

释。如麦芽糖酶是一种只能催化麦芽糖水解为两分子葡萄糖的催化剂，这是

由于麦芽糖酶的活性部位（即反应发生的位置）能准确地结合•个麦芽糖分

子，当两者相遇时，使两个单糖单位相连接的链合变弱，其结果是水分子的

进入并发生水解反应。麦芽糖酶不能使蔗糖水解，使蔗糖水解的是蔗糖酶。

早年提出“一把钥匙开一把锁”的酶催化锁钥模型如图9-7所示。

近年来的研究结果表明，把酶和底物看成刚性分子是不完善的，实际上

它们的柔性使二者可以相互识别相互适应而结合。

（4）酶促反应所需要的活化能低，而且催化效率非常高。例如，氏。2分解

1

为H20和。2所需的活化能是75.3kJmor；用胶态箱作催化剂活化能降为49

11

kJmor；当用过氧化氢酶催化时的活化能仅需8kJ-mol-左右，并且H2O2分

解的效率可提高1（）9倍！

钥匙在锁中钥匙打开了的锁

分子）如应物）分子的配合物）酶分子）产物）

图9-7酶催化作用的锁一钥理论

影响酶作用的主要因素（P359）：

①必须有足够数量的底物；（因为当有足够的底物与所有的酶结合以后,

反应将以最大的速度进行。）

②环境温度是影响酶作用的关键；（酶对温度非常敏感，100C时，所有

酶的活性都将被破坏，温度很低时，酶也会失去活性。一般人体中各种酶的

最适宜的温度为37℃)

③每种酶的作用都有特定的酸碱范围。(介质的酸碱度会影响酶的活性，

大多数酶在中性PH值为7附近活性最高，但胃蛋白酶在PH值为1~2时活

性最高，因此每一种酶在其特定的PH条件下，可具有很高的催化活性，否

则将失去它的活性。)

从酶的化学组成来看，可分成单纯酶和结合酶两大类。单纯酶的分子组成

全为蛋白质，不含非蛋白质的小分子物质。如酥酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪

酶、核糖核酸酶等都属单纯酶。结合酶的分子组成除蛋白质外，还含有对热

稳定的非蛋白质的小分子物质，这种非蛋白质部分叫做辅助因子。酶蛋白与

辅助因子结合后所形成的复合物或配合物叫做全酶。辅助因子是这类酶起催

化作用的必要条件，缺少了它们，酶的催化作用即行消失，酶蛋白、辅助因

子各自单独存在时都无催化作用。酶的辅助因子可以是金属离子［如Cu(II),

Zn(II),Fe(III),Mg(II),Mn(II)等］的配合物(如血红素、叶绿素等),也可以

是复杂有机化合物。

人体对食物的消化、吸收，通过食物获取能量，以及生物体内复杂的代谢

过程都包含许多化学反应，必须有各种不同的酶参与作用。这些专一性的酶

组成一系列酶的催化体系，维持生物体内各种代谢过程有规律的进行。

新陈代谢简称代谢。代谢包含物质代谢与能量代谢两部分，实际上两者不

可分。物质代谢是泛指生物体与外界不断交换物质的过程，包括从体外吸取

养料和物质在体内的变化。狭义的代谢是指物质在细胞中的合成和分解过程,

一般称中间代谢。合成代谢一般是将简单物质变成复杂物质，而分解代谢则

是将复杂物质变为简单物质。代谢过程是生命现象的基本特征。糖、脂肪和

蛋白质的合成途径各有不同，但它们的分解途径的共同点是，氧化成C02和

H2OO

生物体是通过物质的氧化获得能量的，但物质氧化时所产生的能量一般不

能直接被利用。机体利用能量的方式是将生物氧化系统释放的能量，以高能

键的形式先贮存在生物体内的ATP中（ATP是核甘酸-三磷酸腺昔英文名称的

缩写，其分子是由一分子腺嗯吟，一分子核糖和三分子磷酸连接而成），当需

要时再释放出来供各种生理活动和生化反应需用。所以在物质代谢同时也有

能量代谢。生物氧化过程，即是由各种有机物（食物来源）在酶的作用下，氧

化生成C02和H2O,并释放出能量的过程。

+。1-®-^COa+^04-^1：

由于酶的催化作用，生物氧化得以在比较温和的条件下及有水的环境中

进行，并且能量主要是以自由能形式逐步释放直接供给需要能量的过程。

通过食物氧化得到的能量主要用于合成ATPo然后在适当的催化剂存在

时，ATP将经历三步水解，其提供的能量可用来引起其他化学反应。各种生

物活动，如核酸、蛋白质的生物的合成、糖、脂肪、药物等物质的代谢，以

及细胞内外物质的转运等等，都有ATP参与。ATP被称为生物体内的能量使

者。对于大多数细胞代谢过程的酶已经有了较多的了解。

目前酶学研究中的新领域包括：酶合成的遗传控制与遗传病、许多酶系

统的自我调节性质、生长发育及分化中酶的作用与肿瘤及衰老的关系、细胞

相互识别过程中酶的作用等等。

三、核酸

核酸是一类多聚核甘酸，它的基本结构单位是核甘酸。采用不同的降解

法可以将核酸降解成核甘酸，核甘酸还可进一步分解成核甘和磷酸，核甘再

进一步分解生成碱基（含N的杂环化合物）和戊糖。也就是说核酸是由核甘酸

组成的，而核甘酸乂由碱基、戊糖与磷酸组成。

”公广碱基一噂吟碱，啥嚏碱

产核苗+

L戊精一D-核糖，D-2-脱氧核糖

核酸一核甘酸f

+磷酸

核酸中的碱基分两大类：喋吟碱与口密嗟碱。核酸中的戊糖有两类：D-核

糖和D-2-脱氧核糖。核酸的分类就是根据核酸中所含戊糖种类不同而分为核

糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类。

RNA中的碱基主要有四种：腺喋吟、鸟喋吟、胞嗒咤、尿喀咤。DNA

中的碱基主要也是四种，三种与RNA中的相同，只是胸腺喀咤代替了尿喘

咤。两类核酸的基本化学组成见表5-2。

DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核甘酸即：脱氧腺喋

吟核甘酸、脱氧鸟喋吟核甘酸、脱氧胞喀喘核甘酸和脱氧胸腺喀咤核甘酸所

组成。这四种核甘酸的排列顺序(序列)正是分子生物学家多年来要解决的问

题。因为生物的遗传信息贮存于DNA的核甘酸序列中，生物界物种的多样

性即寓于DNA分子四种核甘酸千变万化的不同排列之中。

表5-2两类核酸的基本化学组成

DNARNA

腺嗯吟腺喋吟

喋吟碱

鸟喋吟鸟喋吟

胞喀咤胞喀咤

喀咤碱

胸腺嗑咤尿喀咤

戊糖D-2-脱氧核糖D-核糖

酸磷酸磷酸

核酸是遗传信息的携带者与传递者。核酸有着几乎多得无限的可能结构,

而生物体的遗传特征就反映在DNA分子的结构上，即DNA的结构携带着遗

传的全部信息，就是通常所说的DNA携带着遗传的密码。生物体的遗传信

息以密码的形式编码在DNA分子上，表现为特定的核甘酸排列顺序，并通

过DNA的复制由亲代传递给子代。在后代的生长发育过程中，遗传信息自

DNA转录给RNA,然后翻译成特异的蛋白质，以执行各种生命功能，使后

代表现出与亲代相似的遗传性状。所谓复制，就是指以原来DNA分子为模

板合成出相同分子的过程。所谓转录，就是在DNA分子上合成出与其核首

酸顺序相对应的RNA的过程。而翻译则是在RNA的控制下，从DNA得来

的核甘酸顺序合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。由于生命活

动是通过蛋白质来表现,所以生物的遗传特征实际上是通过DNA-RNA一蛋

白质过程传递的，就是遗传信息传递的中心法则，如图9-8所示。

图9-8中心法则简示

1953年，英国剑桥大学的Watson和Crick提出了著名的生物遗传物质

DNA分子的双螺旋模型，这是生命化学、乃至生物学中的重大里程碑。这一

发现为遗传工程的发展奠定了理论基础。DNA分子双螺旋结构模型如图9-9

所示。

图9-9DNA分子双螺旋结构模型Q)及其图解(b)

遗传工程从狭义上理解就是指DNA重组技术。即提取或合成不同生物

的遗传物质(DNA),在体外切割、拼接和重新组合，然后通过载体将重组的

DNA分子引入受体细胞，使重组DNA在受体细胞中得以复制与表达。从遗

传工程的概念看，遗传工程的直接目的就是改造生物，从而使其更好地为人

类服务。例如，作为人类主要食物的谷类作物含有大量糖类，而人体所必需

的蛋白质、氨基酸与维生素的含量却很少。有些微生物可以产生这些物质，

用大规模发酵的方法培养微生物，进而提取这些物质，就可以进行工业化生

产。采用DNA重组及细胞融合等技术改造了苏氨酸、色氨酸、赖氨酸等氨

基酸的生产菌，与原始菌株相比，氨基酸的含量提高了儿十倍，且生产成本

下降。这些氨基酸产品广泛用于营养食品、助鲜及饲料添加剂等生产，从而

部分代替了粮食产品。又如，生物固氮的遗传工程研究是一个令人神往的重

要领域，其目的就是培养出能自行供氮的作物。一切植物的生长都需要氮元

素，大气中虽有80%的氮气，但除了豆科植物外，都不能直接利用空气中的

分子态的N2O与豆科植物根部共生的根瘤菌可以固定分子态氮并转化成能被

植物吸收的状态。如果把根瘤菌的固氮基因转移到水稻、小麦、玉米等作物

细胞中，就有可能使这些作物直接利用空气中的氮，这不仅可提高产量，增

加谷类作物的蛋白质含量，而且能大大节省化肥，从而降低生产成本，减轻

环境污染。遗传工程研究的开展，将为解决人类面临的食品与营养、健康与

环境、资源与能源等一系列重大问题开辟了新途径，也具有极大的经济潜力。

第三节营养与健康

一、食物的化学组成和分类

食品就其本身的含义来说，是指可食的、含有易消化营养素的物质。为

要确定食品的营养价值，食品的化学成分是十分重要的。

止匕外，供人类食用的食物，不仅要有足够的营养，还需要我们掌握平衡

营养的概念。

天然成如「无机成分：水、无机盐

食品1I有机成分：蛋白质、糖类、脂类、维生素、激素、

色素类、有毒物质

I非天然成分：食品添加剂、污染物质

二、各种营养要素与健康

1.糖类：

碳水化合物（即糖类）是食品的重要成分，它广泛存在于植物体中，是绿色

植物经过光合作用的产物，占植物体干重的50%--80%。动物体内不能制造

碳水化合物，是以食用植物的碳水化合物为能源的，因此，碳水化合物，主

要是由植物性食品供给。淀粉是碳水化合物在自然界中最主要的存在形态。

在早些年代，因发现一些糖类如蔗糖、淀粉以及纤维素等都是由碳、氢、

氧三种元素所组成，且其中氢与氧原子之比为2：1,相当于水分子中氢与氧

原子之比，可以用通式C£H20）m来表示，故称为碳水化合物。但是后来发现

有些糖类，如鼠李糖（C6Hl2。5）、去氧核糖（C5HH）。4）并不符合上述通式，而某

些符合通式的化合物如醋酸、乳酸、甲醛、苯三酚并不具备碳水化合物的结

构和性质，而且碳水化合物也并非由碳和水所组成。所以，碳水化合物这个

名称不过是历史上沿用的名称而已。相对于蛋白质、脂类来说，称为糖类是

较为合适的。

从化学结构特点来说，碳水化合物（糖类）是一类多羟基醛或多羟基酮以及

它们分子间的缩水产物。这些缩水产物经水解后，仍可产生多羟醛或多羟酮。

按分子的大小，食品中的碳水化合物可分为三大类：

1）单糖。单糖是最简单的多羟醛或多羟酮，它不能再进行水解。单糖有多种,

其中最重要的是葡萄糖和果糖。葡萄糖和果糖的分子式均是C6Hl2。6,葡萄

糖是一个己醛糖，果糖是一个己酮糖。

葡萄糖在自然界分布圾广，多存在于蜂蜜、成熟的葡萄和其他果汁以及植

物的根、茎、叶、花中。在动物血液中也含有葡萄糖。它是人体内新陈代谢

不可缺少的重要营养物质，果糖也广布于植物界中。它与葡萄糖共同存在于

蜂蜜及许多果汁中，它们都是蔗糖的组成部分。纯单糖都是结晶，极易溶于

水，有甜味。其相对甜度（取蔗糖甜度为100）见下表。

甜味剂相对甜度甜味剂相对甜度

蔗糖100木糖醇100〜140

果糖173糖精20000〜70000

葡萄糖74糖精钠200〜70。

麦芽糖32〜60甘草（甘草甜素）200—500

乳糖16〜27

2）低聚糖。经水解后产生二分子、三分子或少数分子单