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第1篇細(xì)胞與生物大分子生命的化學(xué)基礎(chǔ)第二章元素周期表中各種元素在生命機(jī)體中的豐度
2.1原子和分子1、生命中的元素常量元素又稱宏量元素,有11種。它們共占人體總質(zhì)量的99.25%。它們是:O,C,H,N,Ca,P,S,K,Na,Cl,Mg微量元素14種,它們是:(Fe,F(xiàn),Zn,Cu,V,Sn,Se,Mn,I,Mo,Cr,Co,Si,B)。必需的微量元素在生物體內(nèi)的作用很大。如碘缺乏。
碘缺乏癥甲狀腺腫呆小癥應(yīng)該注意:必需和非必需的界限是相對的。首先,隨著診斷方法和檢測手段的進(jìn)步和完善,今天認(rèn)為是非必需的元素可能明天會被發(fā)現(xiàn)是必需的。其次,有一個攝入量問題,即使是必需元素在人體內(nèi)也有一個合適的濃度范圍,超過或不足都不利于人體健康。
韶關(guān)鎘污染水是生物體的主要組成成分之一。一般占體重的60%-90%。存在方式:游離水95%;結(jié)合水5%。隨著細(xì)胞的衰老,細(xì)胞的含水量逐漸下降,活細(xì)胞的含水量不低于75%。沒有水就沒有生命,作用不可替代,水的特有屬性:(1)水分子是極性分子(polarmolecule)
(2)水分子間可形成氫鍵(hydrogenbond)
(3)水分子水能夠電離。2、水--細(xì)胞中不可缺少的物質(zhì)電負(fù)性(electrionegativity):一個原子拉住共用電子的力量.
拉住電子的力量越大,電負(fù)性越強(qiáng)。氧的電負(fù)性比氫的強(qiáng)。略帶負(fù)電荷的一端(O)與略帶正電荷的一端(H)相互吸引,形成一個較弱的鍵—?dú)滏I(hydrogenbond)。
極性共價鍵水的作用是:①游離水是良好的溶劑②游離水是物質(zhì)運(yùn)輸?shù)慕橘|(zhì)③直接參加體內(nèi)的生化反應(yīng)④具有調(diào)節(jié)體溫的作用⑤保持植物固有姿態(tài)也起著重要作用2.2糖關(guān)于糖類,你知道哪些?六、作用二、分類三、單糖一、概述四、雙塘五、多糖二、分類(根據(jù)其能否被水解、分子的大?。﹩翁牵鹤詈唵蔚奶?,不能再水解的糖。如:葡萄糖,果糖寡糖:水解能生成2~10個單糖分子的糖;如蔗糖、麥芽糖(雙糖)多糖:能水解成多個分子的單糖。如:淀粉,纖維素三、單糖
(Monosaccharides)葡萄糖(glucose)和果糖(fructose)是最常見的單糖。二者的分子式皆為C6H12O6。結(jié)構(gòu)式分別為:1、可看出單糖分子的兩個特點(diǎn):
(1)有許多羥基所以單糖屬于醇類;;
(2)有羰基,羰基在分子一端的為醛基(葡萄糖),在分子中間的,成為酮基(果糖),所以單糖按功能基可分為醛糖和酮糖。2、二者是同分異構(gòu)體,其區(qū)別僅在于原子的排列不同,即在于羰基的位置不同。3、都是由6個碳原子組成,是己糖。醛糖酮糖葡萄糖的某些物理化學(xué)性質(zhì)卻不能用其線狀結(jié)構(gòu)來解釋。如,糖有變旋光現(xiàn)象,即旋光度發(fā)生變化。這用葡萄糖的線狀直鏈結(jié)構(gòu)是無法解釋的。說明葡萄糖應(yīng)該還有其它的結(jié)構(gòu)。Haworth提出一種環(huán)狀結(jié)構(gòu)。即單糖在水溶液中還會形成環(huán),環(huán)狀結(jié)構(gòu)與線狀結(jié)構(gòu)互相轉(zhuǎn)變,達(dá)成平衡。單糖的環(huán)狀結(jié)構(gòu)(了解)Haworth結(jié)構(gòu)式成功的解釋了以上問題。常見的單糖還有以下幾種:即含有3,4,5,7個碳原子組成的(按碳原子數(shù)目分),尤其是5個碳原子的戊糖,是組成核酸的成分。H2O四、雙糖
(Disaccharides)雙糖:由兩分子單糖失水而生成的化合物(一分子的半縮醛羥基與另一分子單糖中羥基脫水而形成糖苷)。如:麥芽糖葡萄糖葡萄糖α-1,4糖苷鍵
麥芽糖由兩分子葡萄糖單體脫水縮合形成蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖縮合形成乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖縮合而成五、多糖
(Trisaccharides)多糖是由成百上千個單糖通過脫水合成而形成的多聚體。這些天然高分子化合物,都是葡萄糖通過糖苷鍵相連而成的多聚體。多糖分為兩類:一類是營養(yǎng)儲備多糖,如:淀粉和糖原;另一類是結(jié)構(gòu)多糖,如纖維素和幾丁質(zhì)最重要的有3種:淀粉、糖原和纖維素。淀粉支鏈淀粉(α-1,4糖苷鍵和α-1,6糖苷鍵)
直鏈淀粉(α-1,4糖苷鍵)含有1000個以上葡萄糖結(jié)構(gòu)單位,每一個單位由a-1,4糖苷鍵相連。(1)、直鏈淀粉(amylose)直鏈淀粉的形狀示意圖直鏈淀粉的形狀并不是伸展?fàn)顟B(tài)的直鏈,而是有規(guī)律的卷曲成螺旋狀,每一螺旋圈約有6個葡萄糖結(jié)構(gòu)單位。螺旋中有空穴,空穴正好允許碘分子進(jìn)入其中,碘分子與淀粉之間形成碘-淀粉復(fù)合物,從而改變了碘原來的顏色。
3、糖原(glycogen)
儲存在肝細(xì)胞核肌細(xì)胞中,也形成螺旋,不過分支更多。
糖原水解產(chǎn)物也是葡萄糖。
淀粉和糖元是儲能的,當(dāng)需要時,即可被水解成葡萄糖。3、纖維素(cellobiose)纖維素是構(gòu)成細(xì)胞壁及支柱組織的主要成份,也是自然界分布最廣的多糖。結(jié)構(gòu):絞成繩索狀的纖維素
(1)水解產(chǎn)物也是葡萄糖;(2)在生理上,纖維素只能被纖維素酶又叫-糖苷酶催化水解,但不能被淀粉酶催化水解。人體內(nèi)無水解β-1,4糖苷鍵的酶存在,不能利用纖維素作為能源物質(zhì);但在食草動物(如牛、羊)的消化系統(tǒng)中,含有這種酶,故這些動物可以用草作為營養(yǎng)來源。
(3)纖維素具有促進(jìn)胃腸蠕動,幫助消化,防止便秘作用。
膳食纖維(4)對于植物,纖維素存在于細(xì)胞壁中,不卷曲,數(shù)千條合在一起,象電纜一樣,形成堅固的支撐物,支持著高聳的大樹。起著保護(hù)細(xì)胞和支持植物體的作用。淀粉糖元纖維素六、作用1、供作能源:能量主要是由糖類在降解代謝過程中提供的,如:淀粉多糖在消化道中水解成葡萄糖,葡萄糖在細(xì)胞內(nèi)氧化,能提供大量的能量2、對植物的作用充當(dāng)結(jié)構(gòu)性物質(zhì),在植物中莖稈的主要成分是纖維素,是起支柱作用的物質(zhì)。二、脂類分類七、脂類功能三、脂肪一、概述2.3脂質(zhì)四、磷脂五、蠟六、類固醇
脂類(lipid)亦譯為脂質(zhì)或類脂,是一類不溶于水而能溶于非極性溶劑的生物有機(jī)分子。其化學(xué)本質(zhì)是脂肪酸和醇所形成的酯類及其衍生物。
脂類的元素組成主要是CHO,有些尚含NSP。一、概述
脂肪(甘油三酯)
磷脂:含磷酸及有機(jī)堿的脂類糖脂:含糖及有機(jī)堿的脂類類脂膽固醇及其酯類固醇膽汁酸類固醇激素
二、脂類分類(了解)根據(jù)生理功能不同:根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu):甘油酯類神經(jīng)鞘脂類類固醇按化學(xué)組成分類單純脂類:脂肪、蠟復(fù)合脂類衍生脂類式中R是脂肪酸的烴鏈,若相同則稱為單純甘油酯;若不同則稱為混合甘油酯。
三、脂肪(fat)(甘油三酯)脂肪:1分子甘油和3分子脂肪酸結(jié)合而成的酯(甘油三酯、三?;视停?/p>
。甘油三酯的分子結(jié)構(gòu)其特點(diǎn)是主要由碳和氫兩種元素以非極性的共價鍵組成,由于這些分子是非極性的,所以和水不能相溶,因此是疏水的,易溶于乙醚、氯仿、苯和丙酮等有機(jī)溶劑中。四、磷脂:甘油磷酸脂類甘油只有兩個羥基被脂肪酸酯化,而甘油的第三個羥基被磷酸所酯化。細(xì)胞膜的主要結(jié)構(gòu)成分。甘油磷酸酯的結(jié)構(gòu)磷脂分子結(jié)構(gòu)脂膜結(jié)構(gòu)圖不飽和雙鍵極性頭部非極性尾部五、蠟
也是脂,是由一些長鏈的醇和長鏈脂肪酸形成的脂。脂肪酸同乙醇酯化形成(如蜂蠟)。蠟的碳?xì)滏満荛L,熔點(diǎn)高于甘油酯,它們的疏水性比脂肪更強(qiáng),所以可以保護(hù)生物體的表面。細(xì)胞中不含蠟質(zhì),但有的細(xì)胞可分泌蠟質(zhì)。如:植物表皮細(xì)胞分泌的蠟?zāi)?,防干燥;同翅目昆蟲的蠟腺、如高等動物外耳道的耵聹腺。女王花蒂--景天科石蓮花屬六、類固醇
類固醇化合物分子都是以環(huán)戊烷多氫菲為其核心結(jié)構(gòu)。由于含有醇基而又為固體故命名為固醇.廣布于動植物體中。動物固醇以膽固醇為代表,植物固醇以麥角固醇為代表。
固醇類物質(zhì)有重要生物學(xué)意義。麥角固醇可變?yōu)榫S生素D2,動物固醇有下列功能:①7-脫氫膽固醇經(jīng)紫外光照射可得維生素D3,所以也稱維生素D原。②膽固醇可變?yōu)樾约に睾湍I上腺皮質(zhì)激素,膽汁酸也由膽固醇轉(zhuǎn)變而來。③膽固醇與某些疾病有關(guān)。膽管阻塞或膽石等都可因膽固醇結(jié)晶而成。此外,動脈硬化也可能與固醇的代謝失常有關(guān),患動脈粥樣硬化的病人,血管內(nèi)壁上常有顯著的膽固醇沉著。因膽固醇過多而造成的血管壁過厚①脂肪是貯存能量的主要形式。②磷脂、糖脂、固醇等是構(gòu)成生物膜的重要物質(zhì)。③在機(jī)體表面的脂類有防止機(jī)械損傷和防止熱量散失的作用。④脂類作為細(xì)胞表面的組分與細(xì)胞識別、種的特異性、組織免疫性等有密切關(guān)系。⑤萜、類固醇具有維生素、激素等生物功能。七、脂類的功能二、蛋白質(zhì)分子的基本組成單位——氨基酸三、肽鍵與肽鏈四、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)一、蛋白質(zhì)的生物學(xué)意義2.4蛋白質(zhì)(一)蛋白質(zhì)是生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)
生物體內(nèi)的蛋白質(zhì)是除水以外,機(jī)體組織中最多的組分,占人體干重的45%,占細(xì)菌干重的50~70%
。蛋白質(zhì)是有機(jī)化合物,離不開C、H、O三種元素,還含有N、P、S、金屬元素等。
一、蛋白質(zhì)的生物學(xué)意義1.作為生物催化劑:在體內(nèi)催化各種物質(zhì)代謝反應(yīng)的酶幾乎都是蛋白質(zhì)。--酶2.調(diào)節(jié)代謝反應(yīng):一些激素是蛋白質(zhì)或肽,如胰島素、生長素。--信號蛋白3.運(yùn)輸載體:如紅細(xì)胞中運(yùn)輸O2、CO2要靠Hb(Hemoglobin血紅蛋白)、運(yùn)輸脂類物質(zhì)的是載脂蛋白、運(yùn)鐵蛋白等轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白或叫載體蛋白。--轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4.參與機(jī)體的運(yùn)動:如心跳、胃腸蠕動等,依靠與肌肉收縮有關(guān)的蛋白質(zhì)來實(shí)現(xiàn),如肌球蛋白、肌動蛋白。--收縮蛋白(二)蛋白質(zhì)的生物學(xué)功能5.參與機(jī)體的防御:
機(jī)體抵抗外來侵害的防御機(jī)能,靠抗體,抗體也稱免疫球蛋白,是蛋白質(zhì)。--防御蛋白6.接受傳遞信息:如口腔中的味覺蛋白、視網(wǎng)膜中的視覺蛋白。--信號蛋白
7.調(diào)節(jié)或控制細(xì)胞的生長、分化、遺傳信息的表達(dá)。
--信號蛋白8.其它:如雞蛋清蛋白、牛奶中的酪蛋白是營養(yǎng)和儲存蛋白;膠原蛋白、纖維蛋白等屬于結(jié)構(gòu)蛋白。還有甜味蛋白、毒素蛋白等都具有特異的生物學(xué)功能。
--儲藏蛋白、結(jié)構(gòu)蛋白(三)蛋白質(zhì)的分類(了解)
:蛋白質(zhì)根據(jù)功能分類:結(jié)構(gòu)蛋白:毛、發(fā)、肌腱、韌帶、蝅和蜘蛛的絲收縮蛋白:肌肉的收縮需要收縮蛋白與肌腱共同作用儲藏蛋白:卵清蛋白、植物種子的貯藏蛋白防御蛋白:抗體轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白:血紅蛋白信號蛋白:激素等負(fù)責(zé)細(xì)胞之間的信號傳導(dǎo)酶:生物體內(nèi)最重要的蛋白質(zhì)二、蛋白質(zhì)分子的基本組成單位——氨基酸(一)氨基酸的結(jié)構(gòu)通式:1、構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸均為L-α-氨基酸。2、具有α-氨基和α-羧基是各種氨基酸的共性3、各種氨基酸的區(qū)別在于側(cè)基R基上。
從氨基酸的結(jié)構(gòu)通式可以看出:1、按側(cè)基R基與水的關(guān)系分:
(1)非極性氨基酸:有甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、脯氨酸。(2)極性不帶電氨基酸:天冬酰胺、谷氨酰胺、絲氨酸、蘇氨酸、半胱氨酸、酪氨酸。(3)極性帶電氨基酸:天冬氨酸、谷氨酸、賴氨酸、精氨酸、組氨酸。疏水親水(二)氨基酸的結(jié)構(gòu)與分類疏水性氨基酸的結(jié)構(gòu)
親水性氨基酸的結(jié)構(gòu)3、按氨基酸分子中羧基與氨基的數(shù)目分(了解)
:
(1)酸性氨基酸:一氨基二羧基氨基酸,有:天冬氨酸、谷氨酸、(2)堿性氨基酸:二氨基一羧基氨基酸,有:賴氨酸、精氨酸、組氨酸(3)中性氨基酸:一氨基一羧基氨基酸,有:甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、脯氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、絲氨酸、蘇氨酸。2、按側(cè)基R基的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分(了解)
:
(1)脂肪族氨基酸(2)芳香族氨基酸:苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸(3)雜環(huán)氨基酸:脯氨酸、組氨酸4、按氨基酸是否能在人體內(nèi)合成分:
(1)必需氨基酸:指人體內(nèi)不能合成的氨基酸,必須從食物中攝取,有八種:異亮氨酸、甲硫氨酸、纈氨酸、亮氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蘇氨酸、賴氨酸。(2)非必需氨基酸:指人體內(nèi)可以合成的氨基酸。有十種。(3)半必需氨基酸:指人體內(nèi)可以合成但合成量不能滿足人體需要(特別是嬰幼兒時期)的氨基酸,有兩種:組氨酸、精氨酸。IleMetValLeuTrpPheThrLys一家寫兩三本書來(三)氨基酸的兩性電離及化學(xué)性質(zhì)
氨基酸既含有氨基,可接受H+,又含有羧基,可電離出H+,所以氨基酸具有酸堿兩性性質(zhì)。通常情況下,氨基酸以兩性離子的形式存在,如下圖所示:
羧基可以發(fā)生酯化;氨基可以發(fā)生?;磻?yīng);氨基與亞硝酸作用可轉(zhuǎn)變?yōu)榱u基等等。此外,由于官能團(tuán)的相互影響氨基酸還有其特殊的性質(zhì)。
與茚三酮的反應(yīng):除脯氨酸與羥脯氨酸外,可與其它氨基酸生成藍(lán)紫色化合物。脯氨酸與羥脯氨酸為黃色化合物。(α-氨基與α-羧基共同參加的反應(yīng))三、肽鍵與肽鏈1.肽鍵(酰胺鍵):一個氨基酸的α-COOH和相鄰的另一個氨基酸的α-NH2脫水形成共價鍵。如下圖:肽鍵和肽的結(jié)構(gòu)2.氨基酸借肽鍵連接起來叫肽,肽是一大類物質(zhì),即:
1)兩個氨基酸組成的肽叫二肽;
2)三個氨基酸組成的肽叫三肽;3)多個氨基酸組成的肽叫多肽;4)氨基酸借肽鍵連成長鏈,稱為肽鏈,肽鏈兩端有自由-NH2和-COOH,自由-NH2端稱為N-末端(氨基末端),自由-COOH端稱為C-末端(羧基末端);
5)構(gòu)成肽鏈的氨基酸已殘缺不全,稱為氨基酸殘基;
6)肽鏈中的氨基酸的排列順序,一般-NH2端開始,由N指向C,即多肽鏈有方向性,N端為頭,C端為尾。蛋白質(zhì)的水解1、酸水解2、堿水解3、蛋白酶水解
蛋白質(zhì)酸堿水解常用于蛋白質(zhì)的組成分析(破壞氨基酸),而酶水解用于制備蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物。水解方式:
蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是非常復(fù)雜的,具有多種結(jié)構(gòu)層次,蛋白質(zhì)分子的專一形狀是由4個水平的結(jié)構(gòu)決定的,這4個水平是一級、二級、三級、四級結(jié)構(gòu)。二級、三級、四級結(jié)構(gòu)是空間結(jié)構(gòu)。在二級與三級之間還存在超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域這兩個結(jié)構(gòu)層次。四、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)1、蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)
蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)(Primarystructure)又稱為共價結(jié)構(gòu)或化學(xué)結(jié)構(gòu)。它是指蛋白質(zhì)中的氨基酸按照特定的排列順序通過肽鍵連接起來的多肽鏈結(jié)構(gòu)。多肽中氨基酸的排列順序
二級結(jié)構(gòu)的概念:多肽鏈在一級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,按照一定的方式有規(guī)律的旋轉(zhuǎn)或折疊形成的空間構(gòu)象。其實(shí)質(zhì)是多肽鏈在空間的排列方式。2、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)
蛋白質(zhì)多肽鏈的二級結(jié)構(gòu)主要有兩種形式:一種是右螺旋型,又叫做α-螺旋;另一種是褶紙型,又叫做β-折疊
。這種二級結(jié)構(gòu)的形成都是由于距離一定的肽鍵之間形成氫鍵。α-螺旋型多肽鏈結(jié)構(gòu)可示意如圖α-螺旋β-折疊
肽鏈伸展在紙型的片面上,相鄰的肽鏈又通過氫鍵(圖中虛線)相互連接。
是一條多肽鏈進(jìn)一步扭曲折疊成一定的空間結(jié)構(gòu)形態(tài)。在在扭折時,傾向于把親水的極性基團(tuán)露于表面,而疏水的非極性基團(tuán)包在中間。
肌紅蛋白的空間結(jié)構(gòu)3、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)如:纖維蛋白和球狀蛋白。纖維狀蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)了解幾個各具有特定的一、二、三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈在一起或者還和輔基在一起,再以一定的關(guān)系相集合,這是蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。
組成蛋白質(zhì)的各個多肽稱為亞基,四級結(jié)構(gòu)是由各亞基之間形成的鍵所維持。亞基可以相同也可以不同。
4、蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)血紅蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)運(yùn)甲狀腺素蛋白的一,二,三,四級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu)三級結(jié)構(gòu)四級結(jié)構(gòu)總結(jié):蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)
蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)是指肽鏈中氨基酸的排列順序蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是指鄰近幾個氨基酸形成的一定的結(jié)構(gòu)形狀。
如:α-螺旋和β-折疊蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是指整條肽鏈盤繞折疊形成一定的空間結(jié)構(gòu)形狀。如纖維蛋白和球狀蛋白。蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)是指各條肽鏈之間的位置和結(jié)構(gòu)。所以,四級結(jié)構(gòu)只存在于由兩條肽鏈以上組成的蛋白質(zhì)。前一級結(jié)構(gòu)決定著下一級結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)決定著它的功能2.5核酸
核酸是由核苷酸組成的多聚體。核苷酸(nucleotide)由三部分組成:即戊糖、磷酸基團(tuán)和含氮堿基。兩類:即核糖和2-脫氧核糖。按照戊糖的不同,核酸分成兩類:一類戊糖是核糖的稱核糖核酸(簡稱RNA),一類戊糖是2-脫氧核糖的稱脫氧核糖核酸(簡稱DNA)。
1.戊糖RNA、DNA所含堿基各有四種,DNA含有A、G、C、TRNA含有A、G、C、U
2.堿基
DNA的四種核苷戊糖與含氮堿基形成的苷叫做核苷由于RNA、DNA所含堿基各有四種,所以它們各有四種核苷。
3.核苷
RNA的四種核苷
核苷中糖-5'位羥基與磷酸所形成的酯。
4.核苷酸
核酸是由許多核苷酸單元所構(gòu)成的高分子化合物,在核酸分子中,核苷酸單元是通過磷酸酯鍵,在戊糖的3’位上聯(lián)結(jié)起來的,即5’磷酸基團(tuán)與戊糖3’位—OH脫水形成一個重復(fù)出現(xiàn)的糖-磷酸主鏈,如:RNA
4.核酸結(jié)構(gòu)
5’端3’端核酸鏈也有方向性核酸核苷酸核苷磷酸堿基戊糖RNA通常為單鏈,DNA具有雙螺旋的二級結(jié)構(gòu)。如下圖:
核酸鏈中,含不同堿基的各種核苷酸是按一定的排列次序互相聯(lián)結(jié)的,這就形成了核酸的一級結(jié)
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