生命的化学基础和基本单位

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1、第 五 讲 生 命 的 化 学 基 础 第 一 节 生 命 的 元 素 组 成 生 命 的 形 式 多 种 多 样 ， 生 命 的 形 态 多 变 ，但 是 化 学 成 分 是 同 一 的 。 元 素 ： 无 机 界 的 C、 H 、 O、 N 、 P 、 S 分 子 ： 蛋 白 质 、 核 酸 、 脂 、 糖 、 维 生 素 认 识 生 命 认 识 组 成 生 命 的 物 质O C H N P S其他人65% 18% 10 % 8 % 1.0 % 0.2 % 2.8 %杆菌69 % 15 % 11 % 8 % 1.2 % 1.0 % 5.0 % 1.1 哪 些 元 素 参 与 生 物 体 的

2、 组 成 ？ 参与生物体组成的元素总共约二、三十种 常 量元 素 微 量元 素 元素 体重% 干重% 元素 含量(m g) 日推荐量(m g) C 9.4 61.7 Fe 4500 10-18 H 65 5.7 F 2600 0.1 4 O 25.5 9.3 Zn 2000 3 15 N 1.4 11 Si 24 1g Se 13 10 200ug P 0.22 3.3 M n 12 0.5 5 S 0.05 1.0 I 11 40 150ug M o 9 0.15 0.5 N a+ 0.03 0.7 C r 6 10 20ug K + 0.06 1.3 C o 1.1 140 580ug M

3、 g+2 0.01 0.3 N i C a +2 0.31 5.0 Sn C l 0.08 0.7 V Sr B A l 常 量 元 素 微 量 元 素 “ 反 自 然 ” 现 象 （ 1） 自 然 界 ： C、 H、 O 总 和 96% （ 2） 地 球 表 面 元 素 的 丰 度 最 高 的 是 O、 Si、Al、 Fe、 Ca 在 生 物 体 内 ， C最 高 ， O第 3位 ， Ca第 5， 而 Fe、 Al和 Si极 微 量 生 命 体 与 普 通 物 质 不 同 为 什 么 是 C、 H、 N、 O? H、 O、 N、 C分 别 共 用 1， 2， 3， 4个 电 子 对 ，是 可

4、 获 得 稳 定 构 型 的 最 小 原 子 。 O、 N、 C能 形 成 多 种 化 学 价 ， 如 ： H2O2（ -1） ， O2（ 0） ， H2O（ -2） O是 次 于 F、 Cl的 第 三 个 跟 原 子 最 有 亲 和 力的 原 子 。 1.2 如 何 判 定 一 种 元 素 的 营 养 学意 义 ？ 判 定 方 法 : （ 1） 让 实 验 动 物 摄 入 缺 少 某 一 种 元 素 的 膳 食 ，观 察 是 否 出 现 特 有 的 病 症 （ 2） 向 膳 食 中 添 加 该 元 素 后 ， 实 验 动 物 的 上述 特 有 病 症 是 否 消 失 （ 3） 进 一 步 阐

5、 明 该 元 素 在 身 体 中 起 作 用 的 代谢 机 理 1925年 ， Cu： 发 生 冠 心 病 的 主 要 原 因 ， 与酶 的 活 性 有 关 。 1931年 ， Mg、 Mn、 Mo： 与 酶 的 活 性 有 关 。 1934年 ， Zn： 在 青 少 年 的 发 育 生 长 ， 癌 症等 的 发 病 和 防 治 起 有 作 用 。 1935年 ， Co： 与 酶 的 活 性 有 关 。 1957年 ， Se： 缺 硒 产 生 克 山 病 ， 与 肝 功 能 ，冠 心 病 发 病 和 防 治 有 关 。对 人 体 必 需 微 量 元 素 的 认 识 较 晚 其 它 微 量 元

6、素 Fe： 与 氧 的 运 送 和 酶 的 活 性 有 关 ， 缺 少 时 引起 缺 铁 性 贫 血 。 I ： 缺 碘 产 生 地 方 性 甲 状 腺 肿 ， 幼 儿 发 生 呆小 症 。 F ： 与 牙 齿 健 康 有 关 ， 缺 氟 产 生 龋 齿 ， 过 多则 斑 齿 和 氟 中 毒 。 Ni： 过 低 会 引 起 急 性 白 血 病 。 Sn： 影 响 骨 钙 化 速 度 。 1.3 例 子 例 一 、 钙人 每 天 需 要 摄 入 多 少 钙 ？ 从 粪 、 尿 、 汗 中 排 出 320-450mg 吸 收 率 约 40% 320 100/40 = 800 mg 人 体 每 天

7、需 要 补 充 多 少 钙 ？人群钙的数量（mg）成人800婴儿（10个月）400幼儿（3岁）600少年（10岁）800青年（12-18岁）1000老年1200孕妇/哺乳1500 钙 几 乎 参 加 每 一 种 生 理 代 谢 过 程 Ca在 人 体 中 的 含 量 为 1.2 kg / 70 kg （ 2%） ， 骨 骼 及 牙 齿 99%， 血 浆 中 10克 。 需 要 Ca 参 与 的 生 理 过 程 ：肌 肉 ： 肌 肉 收 缩 ； 免 疫 ： 白 细 胞 吞 噬 功 能循 环 ： 微 循 环 改 善 ； 内 分 泌 ： 激 素 分 泌骨 骼 ： 骨 骼 形 成 ； 神 经 ： 应

8、激 性 缺 钙 引 起 的 疾 病 婴 、 幼 、 少 儿 -佝 偻 病老 年 人 -骨 质 疏 松 症 例 如 ： 上 海 地 区 骨 质 疏 松 症 患 者男 20.1%； 女 48.1%，其 中 60岁 以 上 ， 男 24.9%； 女 75.5% 高 血 压（ 还 带 来 别 的 效 应 ）缺 钙 反 常 钙 内 流 血 管 内 壁 细 胞平 滑 肌 细 胞 中 钙 反 常 积 储血 管 内 皮 细 胞 钙 化 ， 损 伤 胆固 醇 ， 脂 类 沉 积 。 细 胞 因 子分 泌 血 小 板 ， 血 细 胞 粘 附 平滑 肌 细 胞 ， 或 纤 维 细 胞 增 生导 致 动 脉 硬 化

9、血 管 外 周 阻 力 增 大高 血 压 血 管 收 缩 肾 结 石 肾 结 石 中 主 要 成 分 是 草 酸 钙 ，但 是 限 制 钙 摄 入 恰 恰 会 使 肾 结 石 加 重 。q草 酸 钙 ： 草 酸 来 自 蔬 菜 ， 食 物 中 钙 可 使草 酸 在 肠 道 中 结 成 草 酸 钙 ， 从 粪 便 中 排 出q缺 钙 反 常 钙 内 流 ， 损 伤 肾 细 胞 肾 脏 对 钙 回 收 功 能 受 损高 钙 尿 液 与 尿 中 草 酸结 合 形 成 结 石尿 钙 排 出 增 多 影 响 钙 吸 收 的 因 素 维 生 素 D 促 小 肠 吸 收 钙 促 骨 骼 释 放 钙 促 肾

10、细 胞 回 收 钙 降 血 钙 素 抑 骨 骼 释 放 钙 抑 肾 细 胞 回 收 钙 甲 状 旁 腺 素 促 小 肠 吸 收 钙 促 骨 骼 释 放 钙 促 肾 细 胞 回 收 钙 例 二 锌 羧 基 肽 酶 醇 脱 氢 酶 例 三 铬 例 四 硒 人体缺乏某种微量元素会导致疾病，如缺铁导致贫血；缺锌使免疫力下降并影响发育和智力，缺碘发生甲状腺肿大等。若能在药物治疗的同时，辅以食补，效果将会更好。缺铁：可多食黑木耳、海藻类、动物肝脏、黄花菜、血豆腐、蘑菇、油菜、腐竹、酵母、芝麻、蚬子等。缺锌：可多食鱼、牡蛎、瘦猪肉、牛肉、羊肉、动物肝肾、蛋类、可可、奶制品、干酪、花生、芝麻、大豆制品、核桃、

11、糙米、粗面粉等，严重者可服用新稀宝等补锌产品。缺镁：可多食海带、紫菜、芝麻、大豆、糙米、玉米、小麦、菠菜、芥菜、黄花菜、黑枣、香蕉、菠萝等。缺碘：可多食海带、紫菜、海鱼、海虾等。 2.1 生 物 小 分 子 与 生 物 大 分 子 的 关 系2.2 生 物 小 分 子 简 介2.3 生 物 大 分 子 的 形 成2.4 生 物 大 分 子 的 高 级 结 构 不 同 类 型 的 细 胞 ， 分 子 组 成 大 致 相 同 ，但 是 这 些 物 质 的 相 对 含 量 相 差 很 大 。 2.1 生 物 小 分 子 和 生 物 大 分 子 的 关 系（ 由 小 分 子 到 大 分 子 ） 小 分

12、 子 单 糖 氨 基 酸 核 苷 酸 脂 类 大 分 子 多 糖蛋 白 质 核 酸 复 合 大 分 子 糖 蛋 白糖 脂脂 蛋 白 合 成 大 分 子 （ 聚 合 ）大 分 子 分 解 （ 水 解 ） 2.2 生 物 小 分 子 简 介（ 1） 水q 水 占 生 物 体 的 60 以 上 的 重 量q 地 球 上 生 命 起 源 于 水 中 ， 陆 生 生 物 体 内细 胞 也 生 活 在 水 环 境 中 。q 水 的 性 质 影 响 生 命 活 动 ， 如 ： 溶 解 性 质 ，酸 碱 度 ， pH 水 对 生 物 体 非 常 重 要 水 影 响 生 命 活 动 的 例 子 ： 肺 泡 在

13、水 环 境 中 保 证 O2 和 CO2 的 交 换 水 分 子 间 氢 键 造 成 水 的 表 面 张 力 ， 可 使肺 泡 瘪 塌 。 肺 泡 中 存 在 一 种 表 面 活 性 蛋 白 破 坏 水 的表 面 张 力 ， 使 肺 泡 胀 开 。 （ 2） 氨 基 酸 氨 基 酸 具 有 碳 碳 上 同 时 连 有 一个 氨 基 和 羧 基 大 多 数 构 成 蛋 白 质的 氨 基 酸 具 有 光 学异 构 体 ， 均 为 L型 各 种 氨 基 酸 的 区 别 在 侧 链 基 团 R 氨基酸名称英文缩写简 写氨基酸名称英文缩写简 写甘氨酸Gly G丝氨酸Ser S丙氨酸Ala A苏氨酸Thr

14、 T缬氨酸Val V天冬酰胺Asn N异亮氨酸Ile I谷酰胺Gln Q亮氨酸Leu L酪氨酸Tyr Y苯丙氨酸Phe F组氨酸His H脯氨酸Pro P天冬氨酸Asp D甲硫氨酸Met M谷氨酸Glu E色氨酸Trp W赖氨酸Lys K半胱氨酸Cys C精氨酸Arg R参 与 蛋 白 合 成 的 只 有 20种 天 然氨 基 酸 氨 基 酸 的 功 能 （ 1） 作 为 组 建 蛋 白 质 的 元 件 （ 2） 有 的 氨 基 酸 或 其 衍 生 物 具 有 生物 活 性 （ 代 谢 调 节 、 信 号 传 递 等 ） （ 3） 单 糖 多 羟 基 醛 或多 羟 基 酮 称为 糖 。 葡 萄

15、 糖 结 构 式天 然 单 糖大 多 数 是 D-型 糖 吡 喃 型C1上 羟 基 位 置 不同 出 现 -， -两 种 构 型 吡 喃 型 葡 萄 糖 的 立 体 构 象 单 糖 的 结 构 特 点 和 生 物 功 能结 构 特 点 A、 有 同 分 异 构 体 B、 天 然 单 糖 大 多数 是 D-型 糖 C、 在 水 溶 液 中 五碳 糖 和 六 碳 糖 多 成环 状 的 吡 喃 型 生 物 功 能 A、 作 为 多 糖 的 组成 元 件 B、 作 为 能 量 分 子 C、 组 成 寡 糖 参 与细 胞 信 号 传 递 （ 4） 核 苷 酸 核 苷 酸 分 子 由 三 个 部 分 组

16、成 ： 碱 基 、 五 碳 糖和 磷 酸 碱 基 糖 之 间 是 糖 苷 键 ； 糖 磷 酸 之 间是 磷 酸 酯 键 碱 基腺嘌呤A尿嘧啶U 胞嘧啶C鸟嘌呤G胸腺嘧啶T DNA水 解 液 中 RNA水 解 液 中腺 脱 氧 核 苷 酸 （ dAMP） 腺 苷 酸 （ AMP）鸟 脱 氧 核 苷 酸 （ dGMP） 鸟 苷 酸 （ GMP）胞 脱 氧 核 苷 酸 （ dCMP） 胞 苷 酸 （ CMP）胸 腺 脱 氧 核 苷 酸 （ dTMP） 尿 苷 酸 （ UMP）另 外 还 有 一 些 重 要 的 具 有 生 物 活 性 的 核 苷 酸参 加 大 分 子 核 酸 组 成 的 只 有 8种

17、核 苷 酸 ATP参 与 能 量 代 谢cAMP和 cGMP参 与细 胞 信 号 传 递 （ 5） 脂 类 脂 类 ： 生 物 体 内 不 溶 于 水 而 溶 于 有 机 溶剂 的 各 种 小 分 子 。 脂 类 种 类 很 多 ， 分 子 结 构 相 差 较 大 A、 中 性 脂 肪 或 油 ： 甘 油 三 脂 B、 类 脂 ： 磷 脂 、 鞘 脂 C、 固 醇 甘油三酯分子结构 磷脂分子结构 （ 1） 磷 脂 分 子可 以 看 成 是 一 个极 性 头 ， 两 条 非极 性 尾 巴 。（ 2） 鞘 脂 分 子和 磷 脂 不 同 。 但总 体 看 来 ， 也 可看 成 一 个 极 性 头 ，

18、两 条 非 极 性 尾 巴 。 磷 脂 和 细 胞 膜 （ 1） 固 醇 类 的 内 核 由 4 个 环 组 成（ 2） 一 些 人 体 重 要 维 生 素 和 激 素 是 固 醇（ 3） 胆 固 醇 是 细 胞 的 必 要 成 份（ 4） 血 清 中 的 胆 固 醇 太 多 会 促 使 形 成 动 脉硬 化 和 心 脑 血 管 疾 病 （ 6） 维 生 素 维 生 素 A （ 视 黄 醇 ） 维 生 素 C （ 抗 坏 血 酸 ） 维 生 素 E 维 生 素 K （ 血 凝 维 生 素 ） 维生素a：功能：可维持正常的视觉反应、骨骼发育和上皮组织的正常形态与功能。主要来源于牛奶、鸡蛋、鱼肝油

19、、肝脏、深绿色或深黄色蔬菜及水果等。过量危害：维生素a如在体内大量蓄积，可能发生骨骼脱钙、关节疼痛、皮肤干燥、食欲减退等中毒症状。维生素d：功能：活化的维生素d可促进钙质吸收，进而使骨质钙化，维持正常的骨骼。主要来源于鱼肝油、肝脏、蛋黄、牛奶等。过量危害：长期大量口服维生素d，可导致眼睛发炎、皮肤瘙痒、厌食、恶心、呕吐、肌肉疼痛、乏力等。维生素e：功能：与生殖作用有关，缺乏维生素e容易导致不育。维生素e在体内具有良好的抗氧化性，可延缓细胞老化。主要来源于植物油、绿色蔬菜、动物脏器、豆类、蛋黄、瓜果、瘦肉、花生等。 过量危害：大剂量长期服用维生素e会引起血小板聚集，形成血栓，还可导致胃肠功能紊乱

20、、眩晕、视力模糊等，还可引起妇女月经过多或闭经。维生素b6：功能：与新陈代谢有关，故其需要量随蛋白质摄取量的多少来决定。主要来源于麦胚、牛奶、酵母、荚豆类、肉类，尤以肝脏为佳。过量危害：服用维生素b6每天大于50毫克，可引起神经系统副作用，如手脚发麻和肌肉无力等。 生 物 大 分 子 主 要 有 三 大 类 ： 蛋 白 质 核 酸 多 糖 它 们 都 是 由 生 物 小 分 子 单 体 通 过特 有 的 共 价 键 联 结 而 成 。 （ 1） 氨 基 酸 通 过 肽 键 联 成 肽 链 根 据 肽 链 的 长 短 可 分 为 寡 肽 、 多 肽 和 蛋白 质 肽 链 的 两 端 具 有 不

21、同 结 构 和 性质 氨 基 端 和 羧 基 端 （ 2） 单 糖 通 过 糖 苷 键 联 成 多 糖 链 糖 苷 键 不 同 导 致 多 糖 的 立 体 结 构 差 异 多 糖 链 的 两 端 具 有 不 同 结 构 和性 质 还 原 端 和 非 还 原 端 （ 3） 核 苷 酸 通 过 磷 酸 二 酯 键 联成 核 酸 DNA 和 RNA 在 组 成 成 份 上 有 差 别DNA RNA 脱 氧 核 糖 核 糖 有 胸 腺 嘧 啶 有 尿 嘧 啶 无 尿 嘧 啶 无 胸 腺 嘧 啶 5 -末 端 3 -末 端 DNA具有方向性磷 酸 基糖 基 氢 键碱 基 由 生 物 小 分 子 到 生

22、物 大 分 子 ， 分 子 增 大 ，出 现 新 的 性 质 。 其 中 最 主 要 的 特 点 是 ： 生 物 大 分 子 有 独特 的 立 体 结 构 、 空 间 构 型 和 分 子 整 体 形状 。 一 级 结 构二 级 结 构三 级 结 构四 级 结 构 螺 旋 折 叠 蛋 白质 的高 级结 构 （ 1） 蛋 白 质 的 高 级 结 构 蛋 白 质 的 一 级 结 构 是 指 肽 链 中 氨 基 酸 的 排 列 顺 序 邻 近 几 个 氨 基 酸 残 基 形 成 的 一 定 的 结 构 形 状 包 括 ： 螺 旋 折 叠 转 角无 规 卷 曲无 序 结 构蛋 白 质 的 二 级 结 构

23、 平行 -折叠 反平行 -折叠-螺旋 蛋 白 质 的 三 级 结 构 整 条 肽 链 盘 绕 折 叠 形 成 一 定 的 空 间 结 构形 状 。 如 :纤 维 蛋 白 和 球 状 蛋 白 。 蛋 白 质 的 四 级 结 构 四 级 结 构 是 各 条 肽 链 之 间 的 位 置 和 结 构 ，只 存 在 于 由 两 条 肽 链 以 上 组 成 的 蛋 白 质 。 1953年 ， Watson & Crick提 出 的 模 型 （ 2） 核 酸 的 高 级 结 构 DNA双 螺 旋 结 构 （ 1） 两 条 反 向 平 行 的 核 苷 酸 链 共 同 盘 绕 形 成双 螺 旋 ， 糖 磷 酸

24、糖 构 成 螺 旋 主 链 。 （ 2） 两 条 链 的 碱 基 都 位 于 中 间 ， 碱 基 平 面 与螺 旋 轴 垂 直 。 （ 3） 两 条 链 对 应 碱 基 呈 配 对 关 系 ： A T；G C （ 4） 螺 旋 直 径 2nm， 螺 距 3.4nm， 每 一 螺 距中 含 10bp。 DNA双 螺 旋 可 以 看 作 是 DNA 的 二 级 结 构 ， DNA的 三 级 结 构 的 形 成 需 要 蛋 白 质 帮 助 。 DNA分 子 结 构 的 特 征 原 核 生 物 DNA分 子中 有 基 因 重 叠 现 象 真 核 生 物 DNA分 子中 普 遍 存 在 插 入 顺序 (

25、内 含 子 ) 编 码 的 核 苷 酸 顺 序就 携 带 着 遗 传 信 息 。 ATGCCGAGTCAGACTACGAGENE GENE2插 入 顺 序编 码 区DNA:ACGTGGCCAGCCThr Trp Pro AlaAA: RNA为 单 链 结 构 RNA局 部 形 成碱 基 配 对 ， 形成 高 级 结 构 。 （ 3） 多 糖 链 的 高 级 结 构 不 同 高 级 结 构带 来 不 同 的 生物 学 性 能 淀 粉 形 成 螺 旋状 ， 能 源 贮 存 纤 维 素 呈 长 纤维 状 ， 结 构 支架糖 原 淀 粉纤 维 素 （ 4） 维 持 生 物 大 分 子 高 级 结 构的

26、 重 要 因 素 非 共 价 键 氢 键 盐 键 (离 子 键 ) 疏 水 键 范 德 华 力 二 硫 键 脂 键 盐 键(离 子 键 ） 氢 键 二 硫 键 疏 水 键疏 水 键 非 共 价 键 的 键 强 度 很 小 ， 所 以 A、 需 要 多 个 非 共 价 键 才 足 以 维 持 高 级 结构 的 稳 定 。 B、 高 级 结 构 不 很 稳 定 。 生 物 大 分 子 变 性就 是 因 为 高 级 结 构 破 坏 ， 大 分 子 性 质 改变 ， 生 物 活 性 丧 失 。 但 是 ， 一 级 结 构 尚未 破 坏 。 RNase的 变性 和 复 性注 意 ： 二 硫 键 也 在

27、维 持 蛋 白 质 高 级 结构 中 起 重 要 作 用 。 蛋 白 质 变 性 使 高 级 结 构 破 坏变 性 后 的 蛋 白 质 分 子 还 能 复 性 本 讲 摘 要 生 命 的 形 式 多 种 多 样 ， 生 命 的 形 态 多 变 ， 但 是 化 学成 分 是 同 一 的 。 生 物 体 中 C、 H、 O 、 N元 素 的 总和 超 过 了 96%。 构 成 生 命 的 小 分 子 主 要 包 括 ： 水 、 氨 基 酸 、 糖 、 核苷 酸 、 脂 和 维 生 素 等 。 构 成 生 命 的 大 分 子 主 要 包 括 ： 蛋 白 质 、 核 酸 和 多 糖等 ， 它 们 都

28、是 由 生 物 小 分 子 单 体 通 过 特 有 的 共 价 键联 结 而 成 。 生 物 大 分 子 具 有 高 级 结 构 ， 即 独 特 的 立 体 结 构 、 空间 构 型 和 分 子 整 体 形 状 等 ， 在 生 物 体 的 生 理 功 能 上起 着 重 要 作 用 。 思 考 题 简 述 蛋 白 质 高 级 结 构 的 内 含 和 重 要 性 简 述 DNA双 螺 旋 模 型 从 结 构 、 性 质 和 生 理 功 能 三 个 方 面 比 较氨 基 酸 、 糖 、 脂 和 核 苷 酸 四 大 类 生 物 小分 子 维 持 蛋 白 质 高 级 结 构 的 非 共 价 键 有 哪 些 ？