第二讲-生命组成的物质基础

第二讲生命组成的物质基础第一节原子与分子—生命的化学基础授课内容：自然界的一切物质都是由原子组成的。细胞乃至生命也是由原子组成的一、组成细胞及生物体的主要元素及作用组成细胞及生物体的主要元素包括C、H、O、N、P、S、Ca等水85%,无机盐1.5%,蛋白质10%,脂质2%,糖类0.4%,DNA0.4%,RNA:0.7%C、H、O、N、P、S、Ca等，以上7种元素约占生物体的99.35%，其中C、H、O、N4种元素约占96%。（1）碳元素：具有特别重要的作用，碳原子相互连接成链或环，形成各种生物大分子的基本骨架；（2）氧元素：存在于几乎所有的有机化合物中，是构成水的元素之一，又为细胞呼吸所必需；（3）氢元素：存在于几乎所有的有机化合物中，是构成水的另一种元素，在生物代谢反应中，氢离子还与能量的转移密切相关；（4）磷元素：是核酸、生物膜中磷脂的成分，参与细胞中的能量转移反应，还是骨骼的结构成分；（5）氮元素：是蛋白质、核酸、植物细胞中叶绿素等的重要组成元素；（6）钙元素：是动物骨骼、牙齿等的成分，钙离子在肌肉收缩、细胞信号传导中发挥作用，并参与血液的凝结和植物细胞壁的组成；（7）硫元素：是大多数蛋白质的成分；（8）钾离子和钠离子：是细胞质与动物组织液的主要阳离子，对于维持体液或细胞内外正负离子平衡、神经脉冲的传导有重要作用，钾离子可影响肌肉收缩，控制叶片气孔的开闭等；（9）镁元素：参与多种酶的活化，是植物细胞中叶绿素的成分；（10）氯元素：是细胞质与动物组织液的主要阴离子，对于维持体液或细胞内外正负离子平衡有重要作用，对于植物光合作用也是必不可少的；（11）铁元素：是动物血红蛋白的重要成分，还可参与某些酶的活化；（12）微量元素：包括I,Mn,Cu,Zn,Co,F,Mo,Se,B和Si等。授课内容：原子的结构与性质原子由原子核和核外电子组成。原子核由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成。元素是具有相同核电荷数的同一类原子的总称。原子的化学性质很大程度上取决于核外电子的分布和运动状态（图2-4）。同位素：原子核内质子数相同，中子数不同，原子质量不同但是这些原子化学性质相同，仍属于同一种元素，在元素周期表中占有同样的位置根据放射性有无，分为放射性同位素和稳定同位素放射性同位素不稳定，会不间断地、自发地放射出射线，直至变成另一种稳定同位素，这就是所谓“核衰变”。核衰变的时候，可放射出α射线、β射线、γ射线和电子俘获等等，但并不是同时放射出这几种射线。核衰变的速度不受温度、压力、电磁场等外界条件的影响，也不受元素所处状态的影响，只和时间有关。衰变的快慢，通常用“半衰期”来表示，是一种特征常数。半衰期是指一定数量放射性同位素原子数目减少到其初始值一半时所需要的时间。不同的放射性同位素有不同的半衰期，衰变的时候放射出射线的种类和数量也不同。两种H原子是制造氢弹的材料；12C是作为确定原子量标准的原子；铀是制造原子弹的材料和核反应堆的原料，碘–131(I-131)治疗甲状腺疾病，钴-60治疗癌症和肿瘤。授课内容：所有的原子都具有可以做功的能量。其原因在于带负电荷的电子被带正电荷的原子核所吸引，保持在其特定的轨道上。氧化与还原：在细胞内的生物化学反应过程中，高能电子可以从一个原子或化合物向另一个原子或化合物转移，失去电子被称为氧化，得到电子被称为还原。生物体内的元素一般都以离子形式存在，主要有阳离子：Na+、K+、Ga2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+阴离子：Cl-、SO42-、HPO42-、HCO3-pH值对健康的影响：HCO3-和HPO42-构成机体中最重要的缓冲系统，维持酸碱平衡。pH值在7.35-7.45之间，人体处于正常的酸碱平衡状态。pH值＜7.35时，身体处于健康和疾病之间的亚健康状态；pH值＜7时，产生重大疾病；pH值＜6.9时，变成植物人；pH值在6.8-6.7之间，人就会死亡。三、化学键和水分子的性质授课内容：简单介绍或复习化学键、键能、共价键、离子键、极性与非极性的概念。化学键、键能、共价键、离子键、极性、非极性H2O分子之间可形成氢键。在细胞中，由于氢键使水具有黏性、吸附性和一定的表面张力，因此在生物细胞中有时具有特殊的功用。水的上述性质形成的毛细管作用，使得植物根系吸收水分后可以克服重力向上运输到茎和叶片中。没有水就没有生命。H2O（水）分子是占生物细胞中比例最大的基本组分，水又是细胞中代谢反应的基本环境。互动问题：水分子是极性分子还是非极性分子？参考答案：由于氧原子有高的电负性，即具有很强的吸引电子的能力，氧原子与氢原子或碳原子共用电子时，便形成了极性共价键。当2个H原子与1个O原子形成H2O分子时，它们之间的2个极性共价键呈V形，靠O原子一端形成水分子的负极，2个H原子一端形成正极。虽然整个水分子是电中性的，但由于极性共价键的V形排列，因此H2O分子是极性化合物分子。四、有机化合物的碳骨架与功能基团授课内容：不同的生物及细胞，其原子组成大体相同，其分子组成也大体相同。生物体主要由蛋白质（约15%）、核酸（约7%）、脂质（约2%）、糖类（约3%）、无机盐（约1%）和水（约70%）等组成（图2-9）。不同的生物体，其分子组成大体相同。生物体主要由蛋白质、核酸、脂质、糖类、无机盐和水组成。除了水以外，含碳化合物是生物体中最普遍的物质。碳原子有4个外层电子，能与其他原子形成4个强共价键。碳原子之间及与其他原子间以共价键等形式相结合，可以形成大量化学性质与相对分子质量不同的生物分子。碳原子之间及与其他原子间以共价键等形式相结合，可以形成大量化学性质与相对分子质量不同的生物分子。碳骨架结构排列和长短决定了有机化合物的基本性质。授课内容：功能基团往往可以引发有机化合物间特定的化学反应有机化合物的性质还取决于与碳骨架相连接的某些含氧、氮、硫、磷的原子团（又称为功能基团）。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。细胞中有形成生物大分子的缩合合成反应，也有使生物大分子多聚体分解为单体的水解反应。蛋白质、核酸、脂质和糖类等生物大分子是由一些含有功能基团的彼此相同或相近的单体聚合而成的。第二节糖类（1）糖的分布：糖类广布于生物细胞中，所有生物细胞皆含核糖。（2）糖的定义：糖类是多羟醛或多羟酮及其缩合物和某些衍生物的总称。（3）糖的功能：糖是生物代谢过程的重要中间代谢物，糖类是细胞重要的结构成分，可构成纤维素、淀粉、核酸和糖蛋白等重要生物大分子，糖类又是生命活动的主要能源。（4）糖的分类：糖类包括小分子的单糖、寡糖和大分子多糖。糖类广布于生物细胞中，所有生物细胞皆含核糖。糖是生物代谢过程的重要中间代谢物，糖类是细胞重要的结构成分，可构成纤维素、淀粉、核酸和糖蛋白等重要生物大分子，糖类又是生命活动的主要能源。糖类包括小分子的单糖、寡糖和由单糖构成的大分子多糖。一、单糖单糖的结构。单糖的主要碳骨架可以从3个碳到7个碳。单糖分子含C、H、O3种元素，通常三者的比例为1∶2∶1，一般化学通式为(CH2O)n。重要的单糖包括甘油醛、核糖、葡萄糖、果糖和半乳糖等.葡萄糖成环结构和三维立体构型。以葡萄糖为例说明单糖分子的链式、环式结构和特定的三维立体构型。五碳糖和六碳糖等单糖分子在水溶液中成环式结构，即单糖分子中的醛基或酮基与另一个碳原子上的羟基反应生成半缩醛或半缩酮，从而形成环式结构。功能基团如羟基（－OH）位于环骨架平面的上方或下方，由各原子间共价键及电子分布的原因，整个葡萄糖分子在水溶液中形成特定的三维立体构型。二、二糖在生物细胞中，两分子的单糖可以经过脱水缩合作用形成以糖苷键连接的二糖。二糖水解后又可形成两分子的单糖。重要的二糖包括人们经常食用的蔗糖、麦芽糖和乳糖等。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。三、多糖多糖一般是几百个或几千个单糖脱水缩合形成的多聚体多糖一般是几百个或几千个单糖脱水缩合形成的多聚体。多糖与人类生活关系密切，最重要的多糖有淀粉、纤维素、糖原和氨基葡聚糖如几丁质等。互动问题1：为什么纤维素不能作为人体的营养而淀粉可以？参考答案1：纤维素与淀粉和糖原中葡萄糖单体之间连接方式不同。淀粉是由a-D-葡萄糖单体以a-1,4-糖苷键连接组成的链状多聚体分子，纤维素是β-D-葡萄糖以β-1,4-糖苷键相连接构成的不分支多糖大分子。由于酶（如唾液酶和纤维素酶）具有专一性，而人体内没有纤维素酶，所以纤维素不能作为人体的营养。互动问题2：淀粉没有甜味，为什么我们吃面包时，咀嚼一会儿会感觉到甜？参考答案2：因为面包中的淀粉在唾液酶的作用下，可以水解成有甜味的寡糖和单糖。一些多糖还是生物细胞的营养贮存成分（如生物学实验中培养细菌的培养基所加入的琼脂，在细胞中可以被分解成单糖以维持相关代谢的进行。许多多糖是保护和构建细胞、保持细胞和生物体形状的重要生物大分子成分。一些多糖是生物细胞的营养贮存成分，在细胞中可以被分解成单糖以维持相关代谢的进行。许多多糖是保护和构建细胞、保持细胞和生物体形状的重要生物大分子成分。膳食纤维是木质素与不能被人体消化道分泌的消化酶所消化的多糖的总称。包括纤维素、半纤维素、果胶等。功能：（1）吸水通便；（2）改善菌群，防止肠道病变；（3）降低血清胆固醇；（4）利于减肥；（5）利于胰岛素分泌；来源：植物性食物，如谷类、豆类、蔬菜、水果、米糠、麸皮、苹果、梨、菠萝、花生壳等。第三节脂类由脂肪酸和醇作用生成的酯及其衍生物统称为脂类，一般不溶于水而溶于脂溶性溶剂。种类繁多；化学成分和结构差异大；本不属于一类化合物；根据脂溶性特点统称为脂类。脂与酯的区别酯：脂肪酸与醇类所形成的酯脂：包括酯在内一、脂类的作用与分类脂类又名类脂化合物，是存在人体内的一族形式不同的有机化合物，一般不溶于水，但溶于醇、醚等非极性有机溶剂中。脂类主要由碳、氢、氧组成，但氢与氧之比大于2：1，氧化时需要更多的氧，能提供更多的能量。（一）功能与作用生物体能量储存的主要形式脂肪的热值最高脂肪是高度浓缩的代谢燃料分子空腹或禁食时体内能量的主要来源防止热量散发，维持动物体温类脂是机体的组织结构成分及生物活性成分生物膜：磷脂、胆固醇生理作用：激素、细胞内信使、细胞识别和免疫脂肪氧化分解的许多中间产物可转化为糖类和氨基酸有些微生物可以利用脂肪为唯一碳源，灰青霉、大毛霉（二）分类单纯脂类：脂肪酸与醇脱水缩合形成的化合物。蜡：高级脂肪酸与高级一元醇，植物体表覆盖物，叶面，动物体表覆盖物，蜂蜡。甘油脂：高级脂肪酸与甘油，最多的脂类。复合脂类：单纯脂加上磷酸等基团产生的衍生物。磷脂：甘油磷脂（卵、脑磷脂）、鞘磷脂（神经细胞中含量丰富）。脂的前体及衍生物衍生脂：上述脂类的水解产物，包括脂肪酸及其衍生物、甘油、鞘氨醇等。异戊二烯系脂类：由若干异戊二烯碳架构成，萜类、类固醇、固醇、前列腺素。结合脂类：脂与其它生物分子形成的复合物。糖脂：糖与脂类通过糖苷键连接起来的化合物（共价键），如霍乱毒素、破伤风毒素的受体—神经节苷脂。脂蛋白：脂类与蛋白质在肝脏内通过非共价结合形成的产物，如血液中的几种脂蛋白，VLDL、LDL、HDL、VHDL是脂类的运输方式。二、脂肪酸及其衍生物（一）脂肪酸脂肪酸是具有长碳氢链和羧基末端的有机化合物的总称。自然界中的脂肪酸主要以酯或酰胺形式存在。存在于各种脂类中，以游离形式存在的极少。1、脂肪酸分类:饱和脂肪酸硬脂酸：18:0软脂酸：16:0不饱和脂肪酸油酸：18:1(9)/花生四烯酸：20:4(5.8.11.14)/二十二碳六烯酸(DHA)/亚油酸：18:2(9.12)/а-亚麻酸：18:3(9.12.15)脂肪酸甲酯——生物柴油2、脂肪酸共性链长为14-20个碳原子的占多数，一般都是偶数碳原子；软脂酸、硬脂酸、油酸最普遍；高等植物和低温生活动物不饱和脂肪酸含量高于饱和脂肪酸；碳链长度相同，不饱和脂肪酸熔点低于饱和脂肪酸；不饱和脂肪酸双键一般在9-10之间；不饱和脂肪酸几乎都是顺式；细菌所含的脂肪酸种类比高等生物少得多。多不饱和脂肪酸：必需脂肪