化学与生命健康[精品ppt课件]

自然界可以分为有机界（生命的）和无机界（无生命的）。而生命的本质正是生命学科研究的核心。生物体系以生命物质为基础构成，生命过程本身就是无数化学变化的综合表现。一个活的机体必须有储存和传递信息、繁衍后代、对内调节和对外适应、合理而有效地利用环境的物质与能量等等功能。从分子水平看，这些功能正是许多有生物活性分子之间的有组织的化学反应的表现。在这些反应中，一种反应的产物成了另一种反应的起点。生命是以一套在细胞内外发生的为整体生物所调控的动态化学过程为基础，当这些过程停止时，生命就停止。生命的停止不意味着一切化学反应的终结，而是生物体的分解降解全部变成无机物的另一套过程的开始。在研究生物体的物质基础和生命活动基本规律的领域里，化学不仅提供方法和材料，而且在提供理论、观点、技术等方面发挥着重要作用。生命科学以生物体的生命过程为研究对象，是生物学、化学、物理学、数学、医学、环境科学等学科之间相渗透形成的交叉学科，而生命科学的研究在解决粮食、能源、人体健康等人类社会主要问题中有重要作用。21世纪是生命科学的世纪。因此对生命科学，特别是对构成生命的糖类、蛋白质、核酸等基本物质以及与生命现象有关的化学有一个粗略的了解，是十分必要的。9.1生命体中的重要有机化合物9.1.1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。它主要是由绿色植物光合作用形成的。这类物质主要由C，H和O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，其实糖类物质是含多羟基的醛类或酮类化合物。常见的葡萄糖和果糖是最简单的糖类。此外，植物体内的淀粉、纤维素，动物体内的糖原、甲壳素等也都属于糖类。单糖凡不能被水解的多羟基醛糖或多羟基酮糖，例如葡萄糖和果糖称为单糖。单糖不仅有链状结构，还有环状结构。寡糖凡能水解成少数（2～6个）单糖分子的称为寡糖（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）可用做营养基和增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。多糖凡能水解为很多个单糖分子的糖为多糖。多糖广泛存在于自然界，是一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。淀粉是葡萄糖的高聚体，完全水解后得到葡萄糖。淀粉有直链淀粉和支链淀粉两类。糖原又称动物淀粉，是动物的能量贮存库。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。光合作用是一个很复杂的过程，其总反应为CO2和H2O在叶绿素的作用下吸收太阳能转化为高能的糖类。6CO2+6H2O+能量（太阳光）叶绿素C6H12O6+6O2在光合作用中，CO2被还原为糖，而H2O被氧化成O26CO2+24H++24e-→C6H12O6+6H2O9.1.2蛋白质、氨基酸、肽键蛋白质是细胞里最复杂的、变化最大的一类大分子，它存在于一切活细胞中。所有的蛋白质都含C，N，O，H元素。蛋白质水解时产生的单体叫氨基酸,氨基酸是构成蛋白质的基础。氨基酸构成蛋白质的氨基酸是α-氨基酸，简称氨基酸。氨基酸中的R基侧链是各种氨基酸的特征基因。最简单的氨基酸是甘氨酸，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9－1所示。*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。肽键氨基酸的氨基，通过脱水，形成一个酰胺键，新生成的化合物成为肽，肽分子中的酰胺键亦成为肽键。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-甘氨酸蛋白质多个氨基酸失水形成的肽称为多肽，多肽一般是链状化合物。蛋白质分子是由一条或多条多肽链构成的生物大分子。蛋白质的种类按功能分:活性蛋白非活性蛋白按分子形状分:球蛋白纤维蛋白(头发和指甲里的角蛋白)按化学组成分:简单蛋白(只由多肽链组成)复合蛋白(由多肽链和辅基组成，辅基包括核苷酸、糖、脂、色素和金属配离子等)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）蛋白质的作用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。来自食物的蛋白质是身体的氮和硫的主要来源。除催化功能和结构功能外，还构成了肌肉收缩的体系。作为抗体，它们是身体的防卫系统，而作为激素，则能够调节身体的腺体的活动。在血液中它们维持体液平衡，是凝血机制的一部分，能输送氧气和类脂物等。9.1.3酶人类从发明酿酒、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。1926年第一次成功地从刀豆中提取了脲酶的结晶，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NH3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。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。酶催化作用的主要特点：（1）酶是由生物细胞产生的，其主要成分是蛋白质，因而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。（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。（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）能准确地结合一个麦芽糖分子，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。这是一个过于简单化的比喻，但它说明了一个重要的问题，通过减少开始这项工作所需要的能量，酶使得这项困难的工作变容易了。就像钥匙只能适合于特殊钥匙孔的形状一样，酶在活性部位具有只允许对某些分子起作用的特殊的结构。（4）酶促反应所需要的活化能低，而且催化效率非常高。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。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。9.1.4核酸核酸是一类多聚核苷酸，核酸是由核苷酸组成的，而核苷酸又由碱基、戊糖与磷酸组成。核酸的分类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：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶。DNA中的碱基主要也是四种，三种与RNA中的相同，只是胸腺嘧啶代替了尿嘧啶。DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸(即：脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸)所组成。这四种核苷酸的排列顺序（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的核苷酸序列中，生物界物种的多样性即寓于DNA分子四种核苷酸千变万化的不同排列之中。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，表现为特定的核苷酸排列顺序，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苷酸顺序相对应的RNA的过程。而翻译则是在RNA的控制下，从DNA得来的核苷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体来表现，所以生物的遗传特征实际上是通过DNA→RNA→蛋白质过程传递的，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几十倍，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N2。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。9.2基因、遗传信息基因是具有遗传功能的单元，一个基因是DNA片段中核苷酸碱基特定的序列，此序列载有某特定蛋白质的遗传信息。人们形象的将DNA碱基序列称为遗传编码，DNA序列分析是揭开遗传密码的关键，也是基因研究的基础。基因每个DNA分子含有很多基因，这些基因按一定顺序排列，就成为创造蛋白质的图纸和指挥复制的命令。基因是控制生物性状的遗传物质的功能单位和结构单位，是有遗传效应的DNA片段，每个基因中可以含有成百上千个脱氧核苷酸。基因对性状的决定性作用是通过DNA控制蛋白质的合成来实现的。核酸是遗传信息的携带者与传递执行者，遗传信息由DNA→RNA→蛋白质的表达过程，也称基因表达，是分子生物学（分子遗传学）研究的核心。人体细胞约有10万个基因，迄今弄清楚的不到5%。科学家们预言，将用10～15年测定出人类基因组30亿个碱基对（遗传密码）的全序列。一旦破译工作全部完成，就能掌握人类遗传信息，建立起完整的遗传信息库，由此危害人类健康的5000多种遗传病以及与遗传密切相关的癌症、心血管疾病和精神疾患等，可以得到预测、预防、早期诊断与治疗。今后必将继续发现大量新的重要基因，如控制记忆与行为的基因，控制细胞衰老与程序性死亡的基因，新的癌基因与抑癌基因，以及与大量疾病有关的基因。这些成果将被用来为人类健康服务。遗传信息指生物为复制与自己相同的东西、由亲代传递给子代、或各细胞每次分裂时由细胞传递给细胞的信息。常言道“种瓜得瓜，种豆得豆”，这简练而又朴素的语言真切地反映了生物界物种代代相传的普遍规律。人们早就发现生物（包括植物和动物乃至人类）的性状可从上一代传至下一代，这就是遗传现象，也是为什么儿女的肤色、像貌、高矮等总是与父母相像的原因。普遍存在于色彩斑斓的生物界中，神秘的遗传现象必定有其物质基础，它就是存在于细胞核中的核酸。核酸又和蛋白质一起组成了染色体，人体的每一个成熟细胞的核中含有23对或46条染色体，人体拥有数以万计