第02章-生命的化學基礎

第一篇生命的化學基礎目前已知的化學元素有115種，其中天然元素有92種。92種天然元素中已有81種在人體中被發(fā)現(xiàn)（除He，Ne，Ar，Kr，Xe，F(xiàn)r，At，Ac，Pa，Tc等)。有25種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(xiàn)，I，F(xiàn)e，Mn，Mo，Se，Si，Sn，V與Zn。一、生命需要約25種元素細胞的元素組成最基本元素：C基本元素：C、H、O、N主要元素：C、H、O、N、S、P人體中存在的元素上述元素按其在人體所占質(zhì)量的比例是否大于萬分之一可劃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(xiàn)，I，Se，Si，Sn，V和Cr

備注:大量元素和微量元素都是生物體生命活動所必需的，缺乏時會出現(xiàn)相應的缺素癥狀；它們的劃分依據(jù)是根據(jù)元素在生物體內(nèi)的含量（含量占生物總質(zhì)量萬分之一），而不是其生理作用。大量元素與微量元素碘是人體所必需的微量元素，成年人每天需碘約0.15mg。微量元素：碘碘缺乏甲狀腺腫鐵是維持生命必須的微量元素，女性每天應攝入16mg的鐵，而男性每天應攝入9mg。微量元素：鐵含亞鐵血紅素的血紅蛋白電鏡下的紅細胞缺鐵性貧血的血涂片正常血涂片原子是物質(zhì)的最小單位

原子核

原子

電子每一種原子中質(zhì)子的數(shù)目為該原子所特有，稱為原子序數(shù)元素由原子組成質(zhì)子中子同位素：質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)都相同，但中子數(shù)不同的原子放射性同位素用于元素示蹤：14C放射性同位素用于醫(yī)學診斷放射性輻射的危害同位素的應用電子決定原子的化學性質(zhì)；最外層中的電子數(shù)決定原子的化學特性?；瘜W鍵使原子形成化合物電子的得失——形成離子鍵電子對共用——形成共價鍵化合物由元素組成水是生命之源，是生命的介質(zhì)水占細胞總重量的70%左右水占3月齡胎兒體重比例的90%水占初生嬰兒體重比例的80%水占少年人體重比例的75%水占成年人體重比例的70%水占老年人體重比例的65%水是細胞中不可缺少的物質(zhì)水是極性分子水分子之間會形成氫鍵液態(tài)水有較強的內(nèi)聚力和表面張力水的特性水是極性分子氫鍵水分子間的氫鍵使水能緩和溫度的變化冰的密度小于水水的特性水的特性水是極好的溶劑水能夠電離大多數(shù)活細胞的pH近于7。哪怕細胞中pH的微小變化對細胞都是有害的。生物體內(nèi)H+和OH-必須處于平衡狀態(tài)。新陳代謝包括了無數(shù)的化學反應，使生物體內(nèi)的眾多物質(zhì)千變?nèi)f化化學反應實際是原子的重新組合，而不會創(chuàng)造或破壞原子；是破壞已有的化學鍵，形成新的化學鍵化學反應使原子重組原子化合成分子或簡單分子形成復雜分子時，會出現(xiàn)新的性質(zhì)生物體內(nèi)發(fā)生成千上萬各式各樣的重要反應生命是物質(zhì)的，所有的細胞都是由水、蛋白質(zhì)、糖類、脂質(zhì)、核酸、鹽類和各種微量的有機化合物所組成其中，糖類、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和核酸等化合物被稱為生物大分子生物大分子指的是作為生物體內(nèi)主要活性成分的各種分子量達到上萬或更多的有機分子某些多肽和某些脂類物質(zhì)的分子量并未達到驚人的地步，但其在生命過程中同樣表現(xiàn)出重要的生理活性二、組成細胞的生物大分子生物大分子的特點在于其表現(xiàn)出的各種生物活性和在新陳代謝中的作用細胞合成的幾乎所有分子都含有碳活的生物體內(nèi)含碳化合物的量僅次于水碳原子能互相連接成鏈或環(huán)，從而生成各種大分子，如糖類、蛋白質(zhì)等碳是組成細胞中各種大分子的基礎乙烯乙炔異丁烷丁烷苯環(huán)戊烷有機化合物由碳氫化合物衍生而來，常含有含氧或氮的功能團羥基（－OH）——醇類——糖類、水溶性維生素羰基（－CO）——醛/酮類——某些糖類羧基（－COOH）——羧酸——氨基酸、蛋白質(zhì)、脂肪酸、維生素氨基（－NH2）——胺類——氨基酸、蛋白質(zhì)、尿素這些功能團都有極性，是親水的（hydrophilic），是水溶性的許多生物分子含有兩種或更多種功能團，有利于形成大分子碳是組成細胞中各種大分子的基礎生物大分子可分為4類：蛋白質(zhì)、核酸、糖類和脂質(zhì)細胞利用單體組成多聚體多聚體：由相同或相似的小分子組成的長鏈單體：組成多聚體的小分子20種氨基酸可組成約1012種蛋白質(zhì)4種核苷酸可組成種類繁多的DNA細胞利用少數(shù)種類的小分子合成多種大分子細胞將單體組成多聚體的方式：脫水合成

HO―A―A―A―H+HO―A’―H

HO―A―A―A―A’―H

H2O細胞將多聚體分解為單體的方式：水解反應

HO―A―A―A―A’―H

H2O

HO―A―A―A―H+HO―A’―H

細胞利用少數(shù)種類的小分子合成多種大分子糖類是細胞中重要的有機物，不僅提供生命活動所需的能源，而且是重要的中間代謝物，用來合成其他重要的生物大分子糖分子含C、H、O三種元素，基本化學式：CH2O糖類包括小分子的單糖、雙糖、三糖等，以及由單糖構成的大分子的多糖糖類單糖：具有許多羥基；具有羰基單糖有兩種形式——醛糖和酮糖重要的單糖有：丙糖——如甘油醛和二羥丙酮丁糖——如赤蘚糖戊糖——如核糖、脫氧核糖、核酮糖、木糖和阿拉伯糖己糖——葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等糖類葡萄糖與果糖都是六碳糖，分子式相同（C6H12O6）同分異構體：羰基位置不同

葡萄糖是醛糖，果糖是酮糖與其他分子發(fā)生反應的能力不同甜度不同糖類寡糖：由幾個（2～10）單糖縮合而成的糖

雙糖：兩個單糖縮合而成的糖乳糖：葡萄糖＋半乳糖

麥芽糖：葡萄糖＋葡萄糖

蔗糖：葡萄糖＋果糖

糖類多糖：由數(shù)百至數(shù)千個單糖分子通過脫水合成而形成的多聚體均一多糖：由一種單糖分子縮合而成的多糖，常見的有：淀粉、糖原、纖維素等不均一多糖：由不同的單糖分子縮合而成的多糖，叫做不均一多糖。常見的有：透明質(zhì)酸、硫酸軟骨素等。糖類淀粉：植物細胞中的儲藏營養(yǎng)物（分為直鏈和支鏈兩類，支鏈淀粉平均每22個葡萄糖一個分支）糖原：多糖在動物細胞中儲藏的形式，平均每8～10個葡萄糖一個分支纖維素：植物細胞壁的主要成分糖類脂質(zhì)主要由C和H以非極性的共價鍵組成，是疏水的脂質(zhì)在細胞中具有獨特的生物學功能：生物膜的重要成分儲能的分子構成生物表面的保護層很好的絕緣體有些脂類是重要的生物學活性物質(zhì)脂質(zhì)脂肪是脂質(zhì)中主要的貯能分子脂肪由甘油和3個脂肪酸通過脫水合成而形成，又稱甘油三酯或三酰基甘油脂肪含多個碳氫鏈，因此含能量較多，1g脂肪中貯存的能量約為1g淀粉的兩倍動物脂肪中的不飽和脂肪酸很少，而植物油中則較多脂質(zhì)磷脂、蠟和類固醇都是脂質(zhì)磷脂：結構與脂肪類似，只是分子中只有兩個脂肪酸，另一個酸為磷酸；是細胞膜的重要組分脂質(zhì)磷脂、蠟和類固醇都是脂質(zhì)蠟：由長鏈的醇與長鏈的脂肪酸形成的酯；高度疏水，可保護生物體的表面類固醇：碳鏈折成4個環(huán)——3個六元環(huán)和1個五元環(huán)膽固醇：最常見的類固醇，細胞膜的重要成分，動物體內(nèi)合成其它類固醇的原料雌、雄激素都是類固醇脂質(zhì)蛋白質(zhì)是由氨基酸組成的多聚體蛋白質(zhì)是一切生命的物質(zhì)基礎，是細胞內(nèi)行使各種生物功能的生物大分子蛋白質(zhì)占細胞干重的50%，占人體干重的16.3%，在細胞和生物體的生命過程中發(fā)揮十分重要的作用蛋白質(zhì)功能代表功能代表結構材料膠原、角蛋白激素胰島素、生長激素運動肌動蛋白、肌球蛋白物質(zhì)運輸Na+-K+泵營養(yǎng)儲存酪蛋白、鐵蛋白信號轉(zhuǎn)導乙酰膽堿受體基因調(diào)控Lac操縱子滲透壓調(diào)節(jié)血清白蛋白免疫作用抗體毒素白喉和霍亂毒素電子轉(zhuǎn)移細胞色素催化作用（酶）氧化還原酶、連接酶蛋白質(zhì)的分類（根據(jù)功能）結構蛋白：組成細胞結構的基礎（毛、發(fā)、肌腱、韌帶等）收縮蛋白：與結構蛋白共同起作用（肌球蛋白、肌動蛋白）貯藏蛋白：卵清蛋白為胚胎發(fā)育提供了氨基酸防御蛋白：抗體——與病原體作斗爭轉(zhuǎn)運蛋白：負責物質(zhì)轉(zhuǎn)運的蛋白質(zhì)（血紅蛋白）信號蛋白：細胞之間傳遞信號（某些激素）酶：生物催化劑蛋白質(zhì)為生命活動所必需蛋白質(zhì)的結構和功能都極為多樣，這是由于氨基酸的種類、數(shù)目、排列順序及其肽鏈的空間結構不同決定的所有的氨基酸都含有一個羧基、一個氨基和一個變化的側(cè)鏈（R），它們都連接在中間的C上。側(cè)鏈（R）決定了氨基酸的特性，并控制蛋白質(zhì)的折疊蛋白質(zhì)由20種氨基酸組成氨基酸必需氨基酸：人（或其它脊椎動物）自身不能合成，需要從食物中獲得的氨基酸，共10種：

賴氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、蘇氨酸、異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸、組氨酸、精氨酸蛋白質(zhì)由20種氨基酸組成非必需氨基酸：