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’―HH2O细胞将多聚体分解为单体的方式：水解反应HO―A―A―A―A’―HH2OHO―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：人（或其它脊椎动物）能由简单前体合成，不需要由饮食供给的氨基酸食物蛋白质的质和量、各种氨基酸的比例，直接关系到人体蛋白质合成的量一个氨基酸分子中的-氨基，与另一氨基酸分子中的-羧基脱水缩合，形成一个新的共价键C-N，称为肽键多肽：分子量在1,500以上，由多个氨基酸通过肽键相连形成的产物蛋白质由20种氨基酸组成多肽链的一端有一个-NH2，称N-端；另一端有一个-COOH，称C-端一个蛋白质分子由一条或几条多肽链组成每一条多肽链都有独特的氨基酸序列，折叠成特有的三维形状球状蛋白质与丝状蛋白质蛋白质的结构决定其功能蛋白质分子的专一形状由4个水平的结构决定前一级结构决定下一级结构蛋白质的结构决定其功能蛋白质结构一级结构二级结构三级结构四级结构-螺旋-折叠胰岛素一级结构：多肽链中氨基酸残基的排列顺序称为蛋白质的一级结构一级结构的变化往往导致蛋白质生物功能的变化蛋白质的结构决定其功能二级结构：一级结构中部分肽链向单一方向卷曲或折叠而形成的有周期性重复的主体结构或构象蛋白质的结构决定其功能-折叠-螺旋三级结构：1条多肽链的总的三维形状，称为蛋白质的三级结构蛋白质的三级结构十分重要，蛋白质的功能依赖于其三级结构蛋白质的结构决定其功能四级结构：蛋白质分子的2条或2条以上三级结构的多肽链，相互组合，并以弱键相互连接，形成一定的构象，称为蛋白质的四级结构蛋白质的结构决定其功能血红蛋白一级结构（氨基酸序列）二级结构（蛋白质中局部区域的折叠结构）三级结构（一条多肽链完全折叠后的结构）四级结构（两条或两条以上的多肽链组成的结构）蛋白质的结构决定其功能蛋白质的变构（allosteric）作用：由于小分子物质与蛋白质分子的一个亚单位结合，导致该蛋白质分子及其亚单位的构象发生变化，进而其活性也发生变化蛋白质的结构决定其功能血红蛋白酶蛋白质的变性（denaturation）：蛋白质在重金属盐、酸、碱等的作用下，或是加热至70～100C，或在X射线、紫外线的照射下，蛋白质的多肽链松开，失去其专一的三维形状，从而失去其生物学活性蛋白质的结构决定其功能蛋白质的复性（renaturation）：蛋白质变性后如变性条件不剧烈，若设法将变性剂除去，则该变性蛋白尚能恢复其天然构象和生物学活性蛋白质的一级结构包含着建立正确空间结构的全部信息，即一级结构决定了三级结构。糖类氨基酸脂肪蛋白质可大量转化少量转化，因为甘油能转化为糖类，而脂肪酸几乎不能转化为糖类糖类、脂肪、蛋白质之间的相互转化核酸最先从细胞核中分离得到，且是酸性，故而得名核酸分为两类：脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）DNA存在于细胞核、线粒体和叶绿体中，是遗传信息的携带者DNA中的遗传信息先在细胞核中转录到RNA中RNA然后进入细胞质，再被翻译成蛋白质∴DNA决定了蛋白质的一级结构核酸核苷酸（nucleotide）是组成核酸这种多聚体的单体核酸核苷酸戊糖含氮碱基磷酸基团核糖脱氧核糖嘧啶胸腺嘧啶（T）胞嘧啶（C）尿嘧啶（U）嘌呤腺嘌呤（A）鸟嘌呤（G）多核苷酸（polynucleotide）由核苷酸脱水合成而形成形成一个重复出现的糖－磷酸主链（磷酸二酯键）核酸DNA分子是双链分子，两条单链分子间以A-T、G-C相配对的方式而成双螺旋状核酸DNA双螺旋模型1953年，J.Watson和F.Crick在研究了M.Wilkins和R.Franklin获得的DNA的X射线衍射图谱后推断出DNA分子的双螺旋结构1962年，J.Watson、F.Crick和M.Wilkins