普通生物学课件 生命的化学基础

类固醇是一类不同的脂质。它们的特点 是碳链折成4个环，3个六元环和1个五元环。 图2．9就是一种最常见的类固醇——胆固 醇的结构式。 胆固醇是细胞膜的重要成分，也是动 物体内合成其他类固醇的原料。动物的雌、 雄性激素都是类固醇。 有一些类固醇药物称为促蛋白合成类 固醇，是人工合成的类似雄性激素的药物。 它能促进肌肉发达，增强体力，常为一些 运动员所服用。这些药物有许多严重的副 作用，对身心两方面都有严重影响，为许 多体育组织所禁用。
而纤维状蛋白质，例如，我们头发中 的蛋白质，则几乎完全由。螺旋组成。三 级结构的形成，主要是由于多肽链中R基团 间的相互作用。 许多水溶性的球状蛋白，例如，运甲 状腺素蛋白，其肽链折叠的结果是使疏水 基团埋在分子内部，而亲水基团暴露在分 子外面，可以与水接触。除去疏水基团集 中在一起外，某些极性的R基团之间形成的 氢键和离子键也有助于三级结构的维持。
水在生命活动中起着不可替代的作用，这是因为 水有许多特性。
第一，水是极性分子。 第二，水分子之间会形成氢键。 第三，液态水中的水分子具有内聚力。 第四，水分子之间的氢键使水能缓和温度的 变化。 第五，冰比水轻。 第六，水是极好的溶剂。 第七，水还有一个重要特性。
2．1．4 化学反应使原子重组 生命现象的特点之一就是新陈代谢， 新陈代谢包括无数的化学反应。这些化学反 应使生物体内的众多物质千变万化。
2．4脂质 2．4．1 油脂是脂质中主要的贮能分子 脂质包括多种多样的分子，其特点是 主要由碳和氢两种元素以非极性的共价键 组成。 由于这些分子是非极性的，所以和水 不能相容， 因此是疏水的。 严格地说，脂质不是大分子，因为它 们的相对分子质量不如糖类、蛋白质和核 酸的那么大，而且它们也不是聚合物。
脂肪中有多个碳氢链，所以是含能量 较多的分子。1g脂肪中所贮存的肩旨量约 为1 g淀粉的两倍。 动物的脂肪中不饱和脂肪酸很少，植 物油中则较多。膳食中饱和的脂肪太多会 引起动脉粥样硬化，因为脂肪还有下面要 讲的胆固醇均会在血管内壁上沉积而形成 斑块，这样就会妨碍血流，产生心血管疾 病。
2．4．2 磷脂、蜡和类固醇都是脂质 脂肪只是脂质中的一类，另外还有3类重要的 脂质；它们是磷脂、类固醇和蜡。磷脂是细胞膜 的重要组分，其结构与脂肪类似，不过分子中只 有两个脂肪酸，另外一个酸是磷酸。磷脂是非常 重要的生物分子。 蜡也是酯，是由一些长链的醇与长链脂肪酸 形成的酯。它们的疏水性比脂肪的更强，所以可 保护生物体的表面。例如，苹果、梨的表皮上都 有一层蜡，可以保护这些果实，避免干燥。动物 的表面也有蜡，例如，昆虫就有蜡保护着其躯体， 避免干燥。
双糖在细胞中是由两个单糖通过脱水作用 合成的。两个葡萄糖就形成麦芽糖，这时两 个单糖之间的两个羟基脱去一分子水，剩下 一个氧原子，与两个单糖中的两个碳原子各 形成一个共价键。 麦芽糖存在于萌发中的禾谷类子粒中，例 如，用于制作啤酒的大麦芽中就有麦芽糖。 最常见的双糖为蔗糖，是由葡萄糖与果 糖形成的，形成方式与麦芽糖的完全相同。 植物汁液中的糖主要是蔗糖，它是植物体内 运送的主要养分。食用的蔗糖就是由甘蔗茎 或甜菜根制取的。
2．1．2 化合物由元素组成 生物体内最主要的4种原子是H，C， N和0，它们的最外层轨道都没有填满， 所以都可以与别的原子发生反应。氢 原子只有一个轨道，其中只有一个电 子，它很容易再容纳电子，所以氢的 反应性特别强。碳、氮和氧也容易发 生反应。 化学键基本上有两类：离子键和共 价键。
2．1．3 水是细胞中不可缺少的物质
(4)防御蛋白 例如，抗体就是一种防御蛋白， 是存在于血液中负责与病原体作斗争的蛋白质。 (5)转运蛋白 负责物质转运的蛋白质，例如， 血红蛋白，即血液中含铁的蛋白质，是把氧从肺 转运到身体其他各部分的蛋白质。 (6)信号蛋白 信号蛋白是将信号从一个细胞 传：送到另一个细胞的蛋白质。例如，某些激素 就是信号蛋白，它们的作用是协调躯体中的某些 活动。 (7)酶 酶大概是生物体内最重要的蛋白质。 它们是生物催化剂，催化体内的每一个化学反应。
2．2组成细胞的大分子
2．2．1 碳是组成细胞中各种大分子的基础 细胞所合成的几乎所有分子都含有碳。 碳原子有着不同寻常的特性，就是能够形 成非常大的各种各样的分子。 在组成细胞的分子中最为重要的功能 团有4种：羟基(一OH)、羰基，羧基(一 COOH)和氨基(一NH2)。表2-2就是这4种 功能团的名称、结构、存在形式等。
2．5．2 蛋白质仅由20种氨基酸组成
蛋白质是结构和功能都极为多种多样 的分子，然而所有的蛋白质都仅由20种氨 基酸所组成。 蛋白质之所以多种多样，只是由于氨基 酸在分子中的排列不同。氨基酸是含有氨 基和羧基的化合物。 连接在α-C(中间的C) 上的是4个基团：氨基(一NH2)、羧基(一 COOH)、H和R。在最简单的氨基酸甘氨酸 中，R是H，在所有其他的氨基酸中，R是 各式各样的基团。这20种氨基酸的名称、 结构和缩写见表2-3。
多肽发生水解作用时，一个水分子加上 去就破坏一个肽键，于是一个氨基酸被释放 出来，剩下的是比原来的多肽少一个氨基酸 的多肽。 多肽可以由数个单体(在多肽链中特称 为氨基酸残基)至成千上万个单体组成。每 一种多肽有其独特的氨基酸序列，并因而具 有独特的三维形状。
2．5．3 蛋白质的结构决定其功能 蛋白质分子的专一形状是由4个水平的 结构决定的，这4个水平是一级、二级、三 级和四级。前一级结构决定着下一级结构。 TTR是存在于血液中的一种蛋白质，其功能 是运送甲状腺素和维生素A。它是一种球状 蛋白质，共由4条多肽链组成，每条多肽链 都一样，由127个氨基酸残基组成。 多肽链中氨基酸的排列顺序就是TTR的 一级结构。一级结构稍有变化，就会影响蛋 白质的功能。例如血红蛋白中有一个氨基酸 发生了变化，就会使得这种蛋白质不能运送 氧，而造成严重的镰形细胞贫血症。
2．2．2 细胞利用少数种类小分子合成 许多种大分子
在生命现象中起着重要作用的分子都 是极其巨大的分子，称为大分子。 生物大分子可分为4大类：蛋白质、核 酸、多糖和脂质。这4类大分子中的前三类 都是多聚体。所谓多聚体，就是由相同或 相似的小分子组成的长链。组成多聚体的 小分子称为单体。细胞利用单体组成多聚 体。生物细胞中所合成的大分子种类极多， 仅蛋白质的种类就约有1012种。
蔗糖比葡萄糖甜，但不如果糖甜，所 以20世纪80年代研究出了一种高果糖玉米 糖浆，是将甜玉米浆中的葡萄糖转变为果 糖的一种甜味剂，可用以替代蔗糖。 2．3．2 多糖 多糖是由数百至数千个单糖通过脱水 合成而形成的多聚体。这些多聚体有许多 种，最重要的有3种：淀粉(starch)、糖原 (glycogen)和纤维素(cellulose)。
2．3糖类 2．3．1单糖和双糖 糖类是一大类化合物，从最简单的糖 到很大的多糖。多糖即由糖的单体聚合而 成的长链。 糖的最基本的化学式可以写成为CH20， 好像是碳和水化合而成的。组成多糖的单 体是单糖，最常见的单糖是葡萄糖和果糖， 蜂蜜主要是这两种单糖的混合物。
葡萄糖是生物体内最重要的单糖，分 子式为C6H1206，果糖的分子式也是 C6H1206 ，但结构式不同(图2．4b)。 从这两个结构式可以看出单糖分子 的两个特点：一是有许多羟基，所以单 糖属于醇类；另一个特点是有羰基。羰 基或在分子一端(如葡萄糖)成为醛基；或 在分子中间，成为酮基(如果糖)，所以葡 萄糖属于醛糖，果糖属于酮糖。果糖要 比葡萄糖甜得多。
葡萄糖和果糖都是由6个碳原子组成 的，称为己糖。存在于生物体内的单糖 还有由3、4、5和7个碳原子组成的，分 别称为丙糖、丁糖、戊糖和庚糖。其中 戊糖尤其重要，因为它们是组成核酸的 成分。 细胞中用作燃料分子的主要是葡萄 糖。葡萄糖和其他单糖也是细胞合成别 的有机分子(如氨基酸)的原料。细胞中的 单糖若不立即被利用则通常被合成为双 糖和多糖。
2．5蛋白质 2．5．1 蛋白质为生命活动所必需
根据蛋白质在机体内的功能，可将其分为7大 类： (1)结构蛋白 是组成细胞结构的基础，例 如，哺乳动物的毛、发、肌腱和韧带，蚕和蜘 蛛的丝等都是由专门的蛋白质组成的。 (2)收缩蛋白 收缩蛋白与结构蛋白共同起 作用，例如，肌肉的运动就需要收缩蛋白与肌 腱共同起作用。 (3)贮藏蛋白 例如，卵清蛋白就是动物卵 中的子中有许多种贮藏蛋白，是种子萌发时的 养料来源，也是食物中重要的蛋白质来源。
由两条或多条肽链组成的蛋白质，还 有四级结构。组成这种蛋白质的各个多肽， 称为亚基，四级结构是由各亚基之间形成 的键所维持的。图2．11d为运甲状腺素蛋 白的整个分子，它由4个完全相同的亚基所 组成。许多蛋白质的亚基是不同的。例如， 运输氧的血红蛋白就由两种亚基，每种各 两个组成。
2．wenku.baidu.com核酸 核酸也是多聚体，是合成蛋白质的模 板。有两类核酸：脱氧核糖核酸和核糖核 酸。 组成核酸这种多聚体的单体是核苷酸。 该苷酸由3个部分组成(图2．12)。第一部 分是戊糖，DNA中的戊糖是脱氧核糖， RNA的是核糖。
一级结构中部分肽链的卷曲或折叠产 生二级结构。卷曲所形成的二级结构称为α 螺旋，折叠所形成的二级结构称为折叠片。 图2．11b中点线所代表的氢键连接的都是 一条多肽链中距离较远的两个氨基酸的C＝ O和N—H。图中a-C上的R和H都未画出(亮 氨酸除外)。三级结构表示的是一条多肽链 的总的三维形状。 三维形状一般都可以大致说是球状的 或纤维状的。球状蛋白质的三级结构中既 有螺旋区，又有折叠区。
羧基中碳原子一方面与氧形成双 键，另一方面又连接着一个羟基。羧 基能解离出，所以有羧基的化合物称 为羧酸(carboxylicacid)。 氨基由氮原子和两个氢原子组成， 氮原子上的另一个键则可连在碳上。 它起着碱的作用，能吸收H+。含氨基 的有机化合物称为胺(amine)类。
这4种功能团有一个共同特点，就是都 有极性，因为其中的氧原子或氮原子都有很 强的电负性，能够吸引电子。因此，所有含 有这些基团的化合物都是亲水的，都是水溶 性的。 表2-2中所列的化合物中都只有一种功能 团。事实上，许多生物分子中含有两种或更 多种功能团。例如糖分子中就有羟基和醛基 或酮基，氨基酸中有氨基和羧基。多种功能 团的存在有利于它们形成大分子。
表2—1中所列的微量元素也是必需的， 不过需要量极少，而且可能并非所有生物 的需要都是一致的。 例如，镍是必需微量元素但人和动物 是否需要镍。 必要的微量元素在生物体内作用很大。 例如碘是人体所必需的微量元素；成年人 每天约需0．15mg碘。缺乏碘则甲状腺不 能正常执行其功能，结果是造成甲状腺肿 大。但碘太多也会引起甲状腺肿大。
2生命的化学基础 2．1原子和分子
2．1．1 生命需要约25种元素 目前已知自然界存在的元素共有92 种，还有十几种元素是在实验室中合成 的。 这92种天然存在的元素中，有25种 是生命所必需的。 表2-1为人体所必需的元素及其在人 体中的含量。这些元素中，碳、氢、氧 和氮共占96．3％。
其中氧含量最高，这是因为组成人体 的各种化合物几乎都含有氧，而且氧也 是组成水的重要元素，人体重的60％-90 ％是水。 碳占体重的近20％，组成人体的绝 大部分物质都含有碳。 氮是组成蛋白质的重要元素，人体 组织的10％-20％是蛋白质。 氢除了是组成水的元素之一外，也 存在于生物体内的绝大多数化合物之中。
• 脂质中最常见的是脂肪，脂肪是由甘油和脂肪酸 通过脱水合成而形成的。脂肪酸的羧基中的一 OH与甘油的羟基中的一H结合而失去一分子水， 于是甘油与脂肪酸之间形成酯键，便成为脂肪分 子：酯化，所以脂肪又叫甘油三酯或三酰基甘油。 脂肪中的3个酰基一般是不同的，来源于C16、 C18或其他脂肪酸。有双键的脂肪酸称为不饱和 脂肪酸，没有双键的则称为饱和脂肪酸。图2．8 是一种脂肪的结构式。其中一个脂肪酸是C16的， 另两个是C18的，一个有一个双键，另一个有两 个双键。双键的存在使得碳链弯曲，占的空间较 大：，所以含有双键的脂肪在常温下是液态，因 为其分子不能排列得太紧密。