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1、第第4讲讲 生命的化学组成生命的化学组成4.1 生命的化学元素4.2 生物小分子4.3 生物大分子4.1 生命的化学元素生物具有多样性，但生物体的化学生物具有多样性，但生物体的化学组成基本相似组成基本相似 组成生物体的主要元素包括组成生物体的主要元素包括C C、H H、O O、N N、P P、S S、K K、NaNa、CaCa、等，以上元素约占、等，以上元素约占生物体的生物体的99.35%99.35%，其中，其中C C、H H、O O、N 4N 4种元种元素占素占96%96%。生物体的主要元素微量元素：铁、铜、锌、锰、钼、钴、镍、镉、锡、硅、碘等。由生物单体分子合成生物大分子多聚体往往涉及与功
2、能基团相关的脱水反应，又称为脱水缩合反应。使生物大分子多聚体分解为单体的分解反应往往需要有水分子参与，因此又称为水解反应。水解反应是脱水缩合反应的逆反应生命的基本化学反应在生命元素中，碳原子具有在生命元素中，碳原子具有特别重要的作用，碳原子相特别重要的作用，碳原子相互连接成链或成环，形成各互连接成链或成环，形成各种生物大分子的基本结构。种生物大分子的基本结构。生命化合物的骨架与基本功能基团 碳碳之间可以不同的键型相结合，形成不同长度的链状、分支链状或环状结构。碳骨架碳骨架 结构排列和长短决定了有机化合物的基本性质结构排列和长短决定了有机化合物的基本性质生物体中的有机化合物主要生物体中的有机化合
3、物主要含有羟基、羰基、羧基和氨含有羟基、羰基、羧基和氨基等功能基团，基等功能基团，这些功能基这些功能基团几乎都是极性基团。功能团几乎都是极性基团。功能基团的极性使得生物分子具基团的极性使得生物分子具有亲水性，有利于这些化合有亲水性，有利于这些化合物稳定于有大量水分子存在物稳定于有大量水分子存在的细胞中。的细胞中。生物大分子的基本性质还生物大分子的基本性质还取决于与碳骨架相连接的取决于与碳骨架相连接的功能基团功能基团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 4.2 生物小分子1、水，水对生物体非常
4、重要2、氨基酸 氨基酸是指一类含有羧基并在与羧基相连的碳原子下连有氨基的有机化合物。已发现的有180多种，参与蛋白合成的共有20种天然氨基酸氨基酸的功能：氨基酸的功能：（1 1）作为组建蛋白质的元件）作为组建蛋白质的元件（2 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）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）必需氨基酸是指人体内不能合成，必须从食物中获取的氨基酸，其他为非必需氨基酸。人体8种必需氨基酸：异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸。不同氨基酸其R基各不相同，R基的结构决定了20种氨基酸的特殊性质NH 根据侧链结构和性质，可把
5、20种氨基酸分成不同的组：中性氨基酸：亮氨酸、异亮氨酸、甘氨酸、丙氨酸、颉氨酸酰胺氨基酸：天冬酰胺、谷氨酰胺酸性氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸碱性氨基酸：赖氨酸、精氨酸含硫氨基酸：半胱氨酸、蛋氨酸（甲硫氨酸）含羟基氨基酸：苏氨酸、丝氨酸芳香族氨基酸：苯丙氨酸、酪氨酸杂环氨基酸：组氨酸、色氨酸、脯氨酸3、单糖 多羟基醛或多羟基酮称为单糖。以葡萄糖为例，葡萄糖是六碳糖单糖的生物功能：A、作为多糖的组成元件B、作为燃料C、组成寡糖参与细胞信号传递 分子式相同而结构式不同的两种有机化合物称为同分异构体，如葡萄糖和果糖，葡萄糖是六碳多羟基醛糖，而果糖是六碳多羟基酮糖重要的单糖包括葡萄糖、果糖重要的单糖包括葡萄
6、糖、果糖、半乳糖半乳糖、核糖核糖、脱氧核糖脱氧核糖等等构型是指一个分子由于其中各原子特有的固定的空间排列，而使该构型是指一个分子由于其中各原子特有的固定的空间排列，而使该分子具有的特定的立体化学形式分子具有的特定的立体化学形式，单糖具有L、D构型五碳糖和六碳糖等在水溶液中大多成环式结构二糖二糖寡糖由少数分子的单糖（2-10个）缩合形成的糖。二糖最常见，是两分子的单糖通过脱水缩合作用形成糖苷键连接而成重要的二糖包括蔗糖、麦芽糖、乳糖等麦芽糖由两分子葡萄糖单体脱水缩合形成蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖缩合形成乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖缩合而成4、核苷酸核苷酸分子由三个部分组成：碱基（嘧啶、嘌
7、呤）；五碳糖（核糖或脱氧核糖）；磷酸。脱氧核糖或核糖上第一位碳原子与嘌呤或嘧啶结合，就成为脱氧核苷或核苷，第三位或第五位碳原子再与磷酸结合，就成为脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸。核苷酸的有机碱分为两类；一类是嘌呤，是双环分子；一类是嘧啶，是单环分子。嘌呤包括腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)2种嘧啶有胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)3种。DNA的碱基是A、T、G、C，RNA的碱基是A、U、G、C。5 5、脂肪酸、脂肪酸脂肪酸是一类一端含有一个羧基的长的脂肪族碳氢链。脂肪酸包括有分支的或无分支的、饱和的或不饱和的（碳氢链含有双键）等类型。常见的饱和脂肪酸：软脂酸、硬脂酸常见的不饱和脂肪酸：油酸、亚
8、油酸、亚麻酸、花生四烯酸、棕榈油酸、DHA（二十二碳六烯酸）、EPA（二十碳五烯酸）不饱和脂肪酸常温下多呈液态，饱和脂肪酸多呈固态或者半固态。脂肪酸与维生素、氨基酸一样是人体最重要的营养素之一。4.3 生物大分子 蛋白质、核酸、脂类和多糖是组成生物体最重要的生物大分子，其中蛋白质占15，核酸占7，糖占3，脂类占2，无机盐占1。水占70左右。由生物小分子到生物大分子，分子增大，其中最主要的特由生物小分子到生物大分子，分子增大，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。形状。生物小分子和生物大分子的关系生物小分子和生
9、物大分子的关系 小分子小分子小分子小分子 大分子大分子大分子大分子 复合大分子复合大分子复合大分子复合大分子 单糖单糖 多糖多糖 糖蛋白糖蛋白 氨基酸氨基酸 蛋白质蛋白质 糖脂糖脂 核苷酸核苷酸 核酸核酸 脂蛋白脂蛋白 脂类脂类 （由小分子到大分子）糖苷键糖苷键肽键肽键磷酸二脂键磷酸二脂键C-CC-C、双键、双键、羰基等羰基等1、多糖的结构与功能 糖分子含C、H、O 3种元素，通常3者的比例为1:2:1，一般化学通式为(CH2O)n,，故曾被称为碳水化合物糖是生物代谢反应的重要中间代谢物，糖类是细胞重要的结构成分，可构成核酸和糖蛋白等重要生物成分、糖又是生命活动的主要能源多糖由许多单糖分子缩合
10、、脱水而成。根据其单糖组分分为同聚多糖和杂多糖。多糖可以作为能量贮存物质如淀粉、糖原，人体内作为能源的糖类主要是糖原和葡萄糖，糖原是糖的贮存形式，在肝脏和肌肉中含量最多，而葡萄糖是糖的运输形式，两者均可氧化而释放能量。一些多糖也可作为动植物的结构支架，如纤维素、几丁质。此外很多多糖具有复杂的生理功能，如一些植物多糖具有抗病毒作用。重要的多糖有淀粉重要的多糖有淀粉、糖原、纤维素糖原、纤维素、氨基葡聚糖氨基葡聚糖等等多糖链的高级结构多糖链的高级结构多糖链的高级结构多糖链的高级结构 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2、蛋白质的结构与功能一个氨基酸
11、的羧基和另一个氨基酸的氨基脱水缩合形成肽键氨基酸通过肽键联成氨基酸通过肽键联成氨基酸通过肽键联成氨基酸通过肽键联成肽链肽链肽链肽链 一条肽链的两端有不同结构和性质：肽链有方向性：氨基端（N 端），羧基端（C 端）一端的氨基酸残基带有游离氨基，称氨基端；另一端的氨基酸残基带有游离羧基，称羧基端。寡肽：含有 10 左右氨基酸残基 （如二肽、五肽、八肽）多肽：含 1020 个氨基酸残基 多肽是形成蛋白质分子的亚单位。蛋白质：由20种L-型氨基酸组成的长链生物大分子，含几十个氨基酸残基 结构蛋白结构蛋白 伸缩蛋白伸缩蛋白 贮存蛋白贮存蛋白 保护蛋白保护蛋白 运输蛋白运输蛋白 激素蛋白激素蛋白 信号蛋白
12、信号蛋白 酶和辅酶酶和辅酶蛋白质的主要种类和功能蛋白质的高级结构蛋白质的高级结构q 蛋白质的一级结构是指肽链中氨基酸的排列顺序q 蛋白质的二级结构是指邻近几个氨基酸形成的一定的结构形状。如：螺旋和折叠qq 蛋蛋白白质质的的四四级级结结构构是是指指各各条条肽肽链链之之间间的的位位置置和和结结构构。（亚亚基基组组成成的的寡寡聚聚蛋蛋白白结结构构）所所以以，四四级级结结构构只只存存在在于由两条肽链以上组成的蛋白质。于由两条肽链以上组成的蛋白质。q 蛋蛋白白质质的的三三级级结结构构是是指指整整条条肽肽链链盘盘绕绕折折叠叠形形成成一一定定的空间结构形状。如纤维蛋白和球状蛋白。的空间结构形状。如纤维蛋白和
13、球状蛋白。蛋白质的特定构象即蛋白质的三维空间结构和形态对于蛋白质的功能起决定性的作用。如纤维蛋白可作为结构蛋白蛋白质变性（构象发生变化）使得其特定的功能便立即丧失。加热、紫外线照射、化学因素、重金属盐、高压蛋白质结构与功能的关系脂类的组成和功能脂类的组成和功能脂类是指生物体内不溶于水而溶于有机溶剂的各种分子脂类是指生物体内不溶于水而溶于有机溶剂的各种分子,是是脂肪、和类脂及其衍生物的总称。脂肪、和类脂及其衍生物的总称。脂类分子也含脂类分子也含C C、H H、O O 3 3种元素，但种元素，但H:OH:O远大于远大于2 2，有些脂，有些脂含含P P和和N N，各种脂类分子的结构可以差异很大，各种
14、脂类分子的结构可以差异很大脂类不溶于水，可溶于非极性溶剂。脂类不溶于水，可溶于非极性溶剂。脂类是生物膜的主要成分脂类是生物膜的主要成分；脂肪氧化时产生的能量大约是糖；脂肪氧化时产生的能量大约是糖氧化时的二倍。氧化时的二倍。脂类是生物表面的保护层脂类是生物表面的保护层/保持体温保持体温/生物活性物质生物活性物质3、脂类化合物（1）脂肪脂肪是由1分子甘油和3分子脂肪酸构成的酯，故称三脂酰甘油或甘油三酯。如三个脂肪酸相同，称为简单三酰甘油（简单甘油三脂），否则称为混合三酰甘油（混合甘油三脂）多数天然油脂都是简单甘油三脂与混合甘油三脂的复杂混合物类脂是一些物理性质与脂肪相似的生物分子，主要包括磷脂、糖
15、酯、胆固醇及胆固醇酯。磷脂又称磷酸甘油脂，与脂肪不同之处在于甘油的一个羟基不是与脂肪酸结合成酯，而是与磷酸及其衍生物(如磷酸胆碱)结合，形成。常见如卵磷脂、脑磷脂（2）磷脂卵磷脂是生物膜脂质双层的主要成分，磷酸胆碱一端为极性的头，两个脂肪酸一端为非极性的尾，其中一个脂肪酸通常含不饱和双键，因此总有点弯折。卵磷脂控制肝脂代谢，防止脂肪肝，在蛋黄、脑、红细胞中极多 类固醇如胆固醇等脂类也是细胞膜的重要成分（3）类固醇1固醇类的内核由4个环组成2一些人体重要维生素（维生素D）和激素是固醇3 胆固醇是细胞的必要成份（尤其内脏中），生物膜的透性、对毒素的保护4 血清中的胆固醇太多会促使形成动脉硬化 和心
16、脑血管疾病核酸贮存遗传信息，控制蛋白质的合成核酸贮存遗传信息，控制蛋白质的合成核核酸酸包包括括脱脱氧氧核核糖糖核核酸酸(DNA)DNA)和和核核糖糖核核酸酸(RNA),RNA),都都是是由由许许多顺序排列的核苷酸组成的大分子。多顺序排列的核苷酸组成的大分子。贮贮存存遗遗传传信信息息的的特特殊殊DNADNA片片段段称称为为基基因因，它它编编码码蛋蛋白白质质的的氨氨基基酸酸序序列列，从从而而决决定定蛋蛋白白质质的的功功能能。通通过过蛋蛋白白质质的的作作用用，DNADNA实际上控制着细胞和生物体的生命过程实际上控制着细胞和生物体的生命过程DNADNA控控制制蛋蛋白白质质的的合合成成是是通通过过RNA
17、RNA来来实实现现的的，即即遗遗传传信信息息由由DNADNA转录到转录到RNARNA，后者决定蛋白质的氨基酸序列后者决定蛋白质的氨基酸序列4、核酸参加大分子核酸组成的共有参加大分子核酸组成的共有8 8种核苷酸种核苷酸 DNADNA水解液中水解液中 RNARNA水解液中水解液中腺嘌呤脱氧核苷酸（腺嘌呤脱氧核苷酸（dAMPdAMP）腺嘌呤核苷酸（腺嘌呤核苷酸（AMPAMP）鸟嘌呤脱氧核苷酸（鸟嘌呤脱氧核苷酸（dGMPdGMP）鸟嘌呤核苷酸（鸟嘌呤核苷酸（GMPGMP）胞嘧啶脱氧核苷酸（胞嘧啶脱氧核苷酸（dCMPdCMP）胞嘧啶核苷酸（胞嘧啶核苷酸（CMPCMP）胸腺嘧啶脱氧核苷酸（胸腺嘧啶脱氧核苷
18、酸（dTMPdTMP）尿嘧啶核苷酸（尿嘧啶核苷酸（UMPUMP）多个核糖核苷酸以磷酸顺序相连成长链的多核苷酸分子，即成为核酸的基本结构脱氧核糖核酸、核糖核酸的结构TTT DNADNA分子是由两条脱氧核分子是由两条脱氧核糖核酸长链互以碱基配对糖核酸长链互以碱基配对相连而成的螺旋状双链分相连而成的螺旋状双链分子子；DNA DNA主要存在于细胞核内主要存在于细胞核内的染色质中的染色质中，线粒体和叶，线粒体和叶绿体中也有，绿体中也有，是遗传信息是遗传信息的携带者的携带者。1953195319531953年年年年James Watson James Watson James Watson James W
19、atson 和和和和 Francis Francis Francis Francis CrickCrickCrickCrick描述了描述了描述了描述了DNADNADNADNA双螺旋结构双螺旋结构双螺旋结构双螺旋结构,标标标标志了现代遗传学时代的开始志了现代遗传学时代的开始志了现代遗传学时代的开始志了现代遗传学时代的开始 DNA双螺旋结构DNA双螺旋结构理论A A、两两条条反反向向平平行行的的核核苷苷酸酸链链共共同同盘盘绕绕形形成成双双螺螺旋旋，糖糖磷磷酸酸糖糖构构成成螺螺旋旋主链主链B B、两条链的碱基都位于中间，碱基平面与螺旋轴垂直、两条链的碱基都位于中间，碱基平面与螺旋轴垂直C C、两条链
20、对应碱基呈配对关系、两条链对应碱基呈配对关系 A A（腺嘌呤）（腺嘌呤）T T（胸腺嘧啶）（胸腺嘧啶）G G（鸟嘌呤）（鸟嘌呤）CC（胞嘧啶）（胞嘧啶）D D、螺旋直径、螺旋直径 2nm(20A)2nm(20A)，nm(34A)nm(34A)，每一螺距中含，每一螺距中含 10 10 个核苷酸个核苷酸 RNARNA分子结构分子结构 RNA RNA是单链的，是单链的，为单链盘绕，局部形成碱基配对为单链盘绕，局部形成碱基配对。RNA RNA在细胞核内产生，然后进入细胞质，负责将在细胞核内产生，然后进入细胞质，负责将DNADNA的遗传信的遗传信息转变成特定蛋白质的氨基酸序列息转变成特定蛋白质的氨基酸序列,在蛋白质的合成中起在蛋白质的合成中起重要作用。重要作用。