生命的化学基础

(Mn),
2
• 25种元素中常量元素 11种，其中C、 H 、O、 N、 P、S、Ca，占 99.35%；
• C、H、O、N 占 96.3%
• 微量元素有14种，人体必需，只是需要量 极少，但作用很大。
• 举例：碘（I）
3
碘缺乏症
甲状腺肿 呆小症
4
☆ 元素由原子组成，原子是物质的最小 单位，半径 (2-3)×10-8cm
• 生物体内通过化学键的破坏与形成发生各 式各样的重要反应。
2
2.2 组成细胞的生物大分子
• 细胞都由水、蛋白质、糖类、脂质、核 酸、盐类和各种微量的有机化合物组成。
• 糖类、蛋白质、核酸和脂质在生命现 象中起重要作用，分子极其巨大，被称
为 生物大分子。
3
2.2.1 碳是组成细胞中各种大分子的基础
表面张力。
8
● 水的特性
④ 水分子之间的氢键使水能缓和温度的变化 细胞的温度和代谢速率保持稳定; 动、植物维持相对恒定的体温。
⑤ 冰比水密度低
有利于水生生物的生存。
9
● 水的特性
⑥ 水是极好的溶剂。
水是生命所需物质的
良好溶剂，也是生命系 统中各种化学反应的理 想介质。
0
⑦ 水能够电离。
水分子可以电离成氢离子（H+）和羟离子(OH-)。
，从而失去其生物学活性，这种现象称为蛋白 质的变性。
0
2.6 核酸
• 核酸最先从细胞核中分离得到，且呈酸性，故而
得名。
• 核酸分为两类：脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核 酸（RNA）。
• DNA存在于细胞核、线粒体和叶绿体中，遗传信息的携带 者，合成蛋白质的模板；
• RNA在细胞核中合成，然后进入细胞质，在蛋白质合成中 起重要作用。
质子
原子 电子
中子
原子序数：每一种原子中质子的数
目称为该原子的原子序数，是该原子 所特有。
同位素：质子数和电子数相同，中
子数不同的原子称为同位素。
5
2.1.2 化合物由元素组成
☆ 电子决定原子的化学性质；最外层的电子 数决定原子的化学特性。
☆ 原子之间怎样发生反应形成化合物？ 电子的共用和得失——形成化学键。
生物界是一个多层次的组构系统：
6
● 生物分子与生命现象 ◆各种生物分子 → 特有方式组合 → （细胞）生命现象； ◆任何生物分子 即使核酸、蛋白质等关键性大分子， 离开生物体就没有生命现象；
7
● 了解生命分子 是了解生命本质的基础； 所以，在介绍细胞之前， 本章先介绍组成生物的分子
。
8
————————普通生物学 • 第1 篇 细胞• 第2章 生命的化学基础
0
2.5.1 蛋白质为生命活动所必需
蛋白质是生物体内重要的大分子，细胞、组 织和机体的结构都与蛋白质有关。
根据功能可分为7大类：
（1）结构蛋白：组成细胞结构的基础。 （2）收缩蛋白：与结构蛋白共同起作用。 （3）贮藏蛋白：卵清蛋白为胚胎发育提供了氨基酸。 （4）防御蛋白：抗体——与病原体作斗争。 （5）转运蛋白：负责物质转运的蛋白质。 （6）信号蛋白：细胞之间传递信号。 （7）酶：生物催化剂。
应的能力不同，甜度不同。
葡萄糖
果糖
0
由几个（2~6）单糖缩合而成的糖称为寡糖。 双糖：两个单糖缩合而成。
（1）双糖 如麦芽糖、蔗糖、乳糖等。
葡萄糖＋葡萄糖 麦芽糖 葡萄糖＋果 糖 蔗糖
（2）其他寡糖 三糖、四糖等。
1
2.3.2 多糖
由数百至数千个 单糖分子通过脱水 合成而形成的多聚
体称为多糖。自然 界中最多的糖类， 淀粉、糖原 、纤 维素 三类。
三级结构
（一条多肽链完全折 叠后的结构）
四级结构
（两条或两条以上的多肽 链组成的蛋白质结构）
9
蛋白质的变构作用和变性
• 由于小分子物质与蛋白质分子的一个亚单位结 合，导致该蛋白质分子及其亚单位的构象发生
变化，进而其活性也发生变化，称为变构作 用。
• 在重金属盐、酸、碱等的作用下，或加热至 70C∽100C，或在X射线、紫外线的照射下， 蛋白质的多肽链松开，失去其专一的三维形状
8
2.3.1 单糖和双糖
单糖：两种存在形式——醛糖和酮糖。
重要的单糖有：
（1）丙糖 如甘油醛和二羟丙酮。 （2）戊糖 核糖、脱氧核糖、核酮糖、
木糖和阿拉伯糖。 （3）己糖 葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等
。
9
葡萄糖、果糖：分子式 C6H12O6
特点：含许多羟基，并有羰基。 异构体：羰基的位置不同。 结构不同，所以性质也不同——与其它分子反
3
2.4 脂质
● 类型： 多种分子
◆ 脂肪（油脂） ◆ 蜡； ◆ 磷脂类（磷酸甘油酯） ◆ 类固醇； ◆ 萜类。
4
● 主要特点
◆ C、H 两种元素为主； ◆ 非极性共价键 → 疏水性； ◆ 严格意义上，非大分子
▼ 分子质量小， 远小于糖类、蛋白质、核酸；
▼ 不是聚合物；
5
● 独特的生物学功能 ◆ 生物膜的重要成分； ◆ 储能分子； ◆ 生物表面的保护层； ◆ 良好绝缘体； ◆ 有些是重要生物学活性物质。
施万提出 “细胞学说”
5
电子显微镜：加速的电子束代替可见光
，分辨力提高至0.2nm，进一步揭示了细 胞的微观领域。
种类：透射电镜（TEM）——内部结构
扫描电镜（SEM）——表面结构 电镜样本需经过加工，不能观察活的样本 。
6
7
人类精子
8
分级分离技术用于研究活的样本 细胞分级分离：
细胞破碎后将各种细胞器分开， 可分别研究它们的功能。
5
2.2.2 细胞利用少数种类的小分子合成 多种大分子
小分子 大分子 复合大分子
单糖 多糖
糖蛋白
氨基酸 蛋白质
糖脂
核苷酸 核 酸
脂蛋白
脂类
☆ 多聚体：由相同或相似的小分子组成的长链 。
6
☆ 脱水合成：细胞将单体组成多聚体的方式；
HO-A-A-A-H+HO-A’-H
HO-A-A-A-A’-H
H2O
2
淀粉：植物细胞中的储藏营养物，贮存在植物的根
、种子等中，由葡萄糖单体聚合而成。 • 需要利用糖作为能源或合成其它分子的原料时，将 淀粉水解。
糖原：动物细胞中储藏的多糖。
• 人体内贮存在肝细胞和肌细胞中，需要时将糖原水 解成葡萄糖。
纤维素：植物细胞壁的主要成分，地球上最丰富的
有机化合物。 • 保护细胞、支持植物体的作用。
3
细胞是生命活动的枢纽层次，
细胞的研究既是生命科学的出发点， 又是生命科学微观和宏观研究的汇聚 点，因此 是当前生命科学中发展最 快的领域之一。
1925年Wilson就提出 “一切生命的
关键问题都要到细胞中去寻找答案”
4
第二章 生命的化学基础 第三章 细胞结构与细胞通讯 第四章 细胞代谢 第五章 细胞的分裂和分化
☆ 水解反应：将多聚体分解为单体的反应。
HO-A-A-A-A’-H
H2O
HO-A-A-A-H + HO-A’-H
7
2.3 糖类
• 细胞中重要的有机物，含C、H、O三种元 素，基本化学式：CH2O。
• 提供生命活动所需的能源，且是重要的中 间代谢物，用来合成重要的生物大分子。
• 包括小分子的单糖、双糖、三糖等，及由单 糖构成的大分子的多糖。
1
2.5.2 蛋白质由20种氨基酸组成
氨基酸是蛋白质的结构单体，共20种。
氨基酸通式：
H R C COOH
NH2
4个基团：氨基、羧基、
H、R
R基团或侧链的结构、长短和电荷的不同，决定
各种氨基酸在溶解度以及其它特性上的差异。
2
• 一个氨基酸分子中的-氨基，与另一氨基酸 分子中的-羧基脱水缩合，形成一个新的共价 键C-N，称为肽键，并合成一个二肽化合物。
9
Differential centrifugation
0
1
• 分离活细胞的介质要求：
1）能产生密度梯度，且密度高时， 粘度不高；
2）PH中性或易调为中性； 3）浓度大时渗透压不大； 4）对细胞无毒。
2
生命体是多层次、非线性、 高度动态的耗散性结构体系，而
细胞是生命体结构与功能的基本
单位，有了细胞才有完整的生命 活动。
水解反应 脱水合成反应 生物体内H+ 和OH-必须处于平衡状态。溶 液中H+、 OH-的多少决定了溶液的酸碱性。 大多活细胞的pH近于7，细胞中pH的微小 变化对细胞都有害。
1
2.1.4 化学反应使原子重组
• 新陈代谢包括无数的化学反应，使生物体 内的众多物质千变万化。
• 原子化合成分子和简单分子形成复杂分子 时，出现新的性质。
6
2.4.1 脂肪是脂质中主要的贮能分子
脂肪：由甘油和3个脂肪酸通过脱水合成而形成，
又称甘油三酯或三酰基甘油。 • 脂肪含多个碳氢链，能量较多，1g脂肪中贮存的
能量是1g淀粉的两倍，因此是主要的贮能分子。
7
2.4.2 磷脂、蜡和类固醇都是脂质
磷脂：细胞膜的重
要组分，结构与脂肪 类似，只是分子中只 有两个脂肪酸，另一 个酸为磷酸。
4
一级结构 ：
在多肽链中，氨基酸残基的顺序称为 蛋白质的一级结构。
5
二级结构 ：
一级结构中部分肽链向单一方向卷曲或折 叠而形成的有周期性重复的主体结构或构象。
-螺旋
-折叠
指甲、毛发 蹄、角、羊毛
蚕丝、蛛丝
6
三级结构 ：
☆一条多肽链的总的
三维形状，称为蛋白
质的三级结构。
疏水性相互作用 肽链中二级结构之间
氢键
的不规则部分折叠，
使肽链进一步折叠成
二硫键
球状或纤维状。 ☆三级结构是一条多
离子键
肽链完全折叠之后的 整体结构。
Biblioteka Baidu
7
四级结构 ：
蛋白质分子的2条或2条以上三级结构的 多肽链，相互组合，并以弱键相互连接，形 成一定的构象，称为蛋白质的四级结构。
8
α－螺旋
一级结构
（氨基酸序列）
β－折叠
二级结构
（蛋白质中局部区 域的折叠结构）
• 多肽---分子量在1,500以 上，多个氨基酸通过肽 键相连形成的产物。
• 肽链有方向性，多肽链 的一端有一个-NH2，称 N-端；另一端有一个COOH，称C-端。
3
2.5.3 蛋白质的结构决定其功能
蛋白质分子有特定的空间结构——构象。
一级结构
二级结构 蛋白质
三级结构
-螺旋 -折叠
四级结构
胰岛素
☆ 碳最外层有4个电
子空位，极易形成4
个共价键; ☆ 碳架结构排列和 长短决定有机化合物 的基本性质。
4
☆ 生物体中主要有羟基（ －OH） 、羰基（－CO） 、羧基（－COOH）和氨基 （－NH2）等功能基团，这 些基团几乎都是极性基团。 ☆ 功能基团的极性使生物
分子具有亲水性，有利于
这些化合物稳定存在于含有 大量水分子的细胞中。
第二章 生命的化学基础
2.1 原子和分子 2.2 组成细胞的大分子
9
2.1 原子和分子
• 已知自然界中存在的元素有92种； • 除He，Ne，Ar，Kr，Xe，Fr，At，Ac
，Pa，Tc外，其他元素在人体中都曾被 发现； • 人体中的元素按其在人体所占质量的比
例是否大于0.01%分常量元素和微量 元素。
分重要的作用。
功能 结构材料
举例 胶原、角蛋白
运动
肌动蛋白、肌球蛋白
营养储存 酪蛋白、铁蛋白
基因调控 Lac操纵子
免疫作用 抗体
电子转移 细胞色素
功能 激素 物质运输 信号转导 渗透压调节 毒素 酶(催化作用)
举例 胰岛素、生长激素 Na+-K+ 泵 乙酰胆碱受体 血清白蛋白 白喉和霍乱毒素 氧化还原酶、连接酶
电子得失——形成离子键。
电子对共用——形成共价键
生物大分子化学键的主要形式。
水：两个氢原子分别与氧共用一对电子，通过两个
共价键连接形成。
6
2.1.3 水是细胞中不可缺失的物质 地球上的生命起源于水，水是生命的
介质，陆生生物体内细胞也生活在水环 境中。
细胞中水含量占 70%－80%
7
● 水的特性
① 水是极性分子； ② 分子之间形成氢键； ③ 水有较强的内聚力和
0
2.1.1 人的生命需要25种元素
1
表 2-1 人体中存在的元素
符号
元素
占体重的百分数/％
O
氧
65.0
C
碳
18.5
H
氢
9.5
N
氮
3.3
Ca
钙
1.5
P
磷
1.0
K
钾
0.4
S
硫
0.3
Na
钠
0.2
Cl
氯
0.2
Mg
镁
0.1
微量元素：硼(B)，铬(Cr)，钴(Co)，铜(Cu)，氟(F)，碘(I)，铁(Fe)，锰
生命的化学基础
人肉眼分辨力为0.1mm； 细胞直径一般小于0.1mm； 光学显微镜：0.2um
3
胡克（Robert Hook，英国 ）及其发明的 显微镜
列文虎克（A. van Leeuwenhoek 荷兰）的显微镜
4
19世纪30年代，德国 施莱登、施万提出
：★ 一切植物、动物都由细胞组成 ，细胞是一切动植物的基本单位。
8
蜡：由长链的醇与长链的脂肪酸形成的酯。
高度疏水，可保护生物体的表面。
类固醇：特点——碳链为3个六元环和1个五元环。
胆固醇：最常见的类固醇，细胞膜的重要成分，动
物体内合成其它类固醇的原料。
9
2.5 蛋白质
• 细胞内行使各种生物功能的生物大分子，占细胞
干重的50％，在细胞和生物体的生命过程中起着十