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第一章 生命的物质基础

一、组成生物体的化学元素

含量占生物体总质量的万分之一以上的元素，称大量元素，如C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg等。生物生活所必需，但是需要量却很少的一些元素，称微量元素，如Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo等。

二、组成生物体的化合物

（－）糖类

1．生物学功能 参与细胞组成，是生命活动的主要能源物质。

2．组成元素及种类

糖类的组成元素为C、H、O，分单糖、寡糖、多糖三类。

单糖是不能水解的最简单的糖类，其分类中只含有一个多羟基醛或一个多羟基酮，如葡萄糖、果糖、核糖、脱氧核糖。葡萄糖和果糖都是含6个碳原子的己糖，分子式都是C6H12O6，但结构式不同，在化学上叫做同分异构体。 核糖（C5H10O5）和脱氧核糖（C5H10O4）都是含有5个碳原子的戊糖，两者都是构成生物遗传物质（DNA或RNA）的重要组成成分。

寡糖（低聚糖）是由少数几个单糖分子脱水缩合而得的糖。常见的是含有2个单糖单位的双糖，如植物细胞内的蔗糖、麦芽糖，动物细胞内的乳糖，存在于藻类细菌、真菌和某些昆虫细胞内的海藻糖等。

多糖是由多个单糖缩聚而成链状大分子，与单糖、双糖不同，一般不溶于水，从而构成贮藏形式的糖，如高等植物细胞内的淀粉，高等动物细胞内的糖元。纤维素是植物中最普遍的结构多糖。

（二）蛋白质

1．生物学功能 催化、运输、免疫、调节作用，结构和机械支持作用、收缩功能。

2．组成元素和基本组成单位

蛋白质主要由C、H、O、N四种元素组成，多数还含有S。基本组成单位是氨基酸。除甘氨酸外，蛋白质中的氨基酸都具有不对称碳原子，都有L—型与D一型之分，为区别两种构型，通过与甘油醛的构型相比较，人为地规定一种为L型，另种为D一型。当书写时—NH2写在左边为L型，－NH2在右为D型。已知天然蛋白质中的氨基酸都属L型。

氨基酸与氨基酸之间可以发生缩合反应，形成的键为肽键。肽是两个以上氨基酸连接起来的化合物。两个氨基酸连接起来的肽叫二肽，三个氨基酸连接起来的肽叫三肽，多个氨基酸连接起来的肽叫多肽。多肽都有链状排列的结构，叫多肽链。蛋白质就是由一条多肽链或几条多肽链集合而成的复杂的大分子。

20种基本氨基酸中，有许多是能在生物体内从其他化合物合成的。但其中有8种氨基酸是不能在人体内合成的，叫必需氨酸。20种氨基酸的分类，主要是根据R基来区分的，分为脂肪族、芳香族和杂环族三类，其中脂肪族又分为中性（一氨基一羧基）、酸性（一氨基二羧基）和碱性（二氨基一羧基）氨基酸。按R基的极性分为极性和非极性氨基酸。

3．结构

蛋白质结构分一、二、三、四级结构。

一级结构：多肽链中氨基酸连接方式及排序。

二级结构：是指多肽链本身折叠和盘绕方式，这种周期性的结构是以肽链内或各肽链间的氢键来维持。天然蛋白质二级结构有α–螺旋、β–折叠、β–转角和自由回折四种。例如动物的各种纤维蛋白，它们的分子围绕一个纵轴缠绕成螺旋状，称为α–螺旋。相邻的螺旋以氢键相连，以保持构象的稳定。指甲、毛发以及有蹄类的蹄、角、羊毛等的成分都是呈α–螺旋的纤维蛋白，又称α–角蛋白。β–折叠片是并列的比α–螺旋更为伸展的肽链，互相以氢铸连接起来而成为片层状，如蚕丝、蛛丝中的β–角蛋白。

三级结构：是指在二级结构的基础上，进一步卷曲折叠，构成一个很不规则的具有特定构象的蛋白质分子。

四级结构：是由两条或两条以上的具有三级结构的多肽聚合而成特定构象的蛋白质分子。构成功能单位的各条肽链，称为亚基，一般地说，亚基单独存在时没有生物活力，只有聚合成四级结构才具有完整的生物活性。如：血红蛋白是由4个不同的亚基（2个α肽链，2个β链）构成的，每个链都是一个具三级结构的球蛋白。

4．特点

（1）胶体性质：蛋白质分子量很大，容易在水中形成胶体粒，具有胶体性质。在水溶液中，蛋白质形成亲水胶体，就是在胶体颗粒之外包含有一层水膜。水膜可以把各个颗粒相互隔开，所以颗粒不会凝聚成块而下沉。

（2）变构作用：含2个以上亚基的蛋白质分子，如果其中一个亚基与小分子物质结合，那就不但该亚基的空间结构要发生变化，其他亚基的构象也将发生变化，结果整个蛋白质分子的构象乃至活性均将发生变化，这一现象称为变构或别构作用。例如，某些酶分子可以和它所催化的最终产物结合，引起变构效应，使酶的活力降低，从而起到反馈抑制的效果。

（3）变性作用：蛋白质在重金属盐（汞盐、银盐、铜盐等）、酸、碱、乙醛、尿素等的存在下，或是加热至70～100℃，或在X射线、紫外线的作用下，其空间结构发生改变和破坏，从而失去生物学活性，这种现象称为变性。变性过程中不发生肽键断裂和二硫键的破坏，因而不发生一级结构的破坏，而主要发生氢键、疏水键的破坏，使肽链的有序的卷曲、折叠状态变为松散无序。这种变化不可逆。

（三）核酸

1．生物学功能

核酸是遗传信息的载体，存在于每一个细胞中。核酸也是一切生物的遗传物质，对于生物体的遗传性、变异性和蛋白质的生物合成有极其重要的作用。

2．种类

核酸分DNA和RNA。所有生物细胞都含有这两大类核酸（病毒只含有DNA或RNA）。

3．组成元素及基本组成单位

核酸是由C、H、O、N、P等元素组成的高分子化合物。其基本组成单位是核苷酸。每个核酸分子是由几百个到几千个核苷酸互相连接而成的。每个核苷酸含一分子碱基、一分子戊糖（核糖或脱氧核糖）及一分子的磷酸组成。

DNA的碱基有四种（A、G、C、T），RNA的碱基也有四种（A、G、C、U）。DNA中碱基的百分含量一定是A＝T、G＝C，不同种生物的碱基含量不同。RNA中A－U、G－C之间并没有等量的关系。

4．结构

DNA一级结构中核苷酸之间唯一的连接方式是3’、5’－磷酸二酯键（5’端为磷酸）。所以DNA的一级结构是直线形或环形的结构。DNA的二级结构是由两条反向平行的多核苷酸链绕同一中心轴构成双螺旋结构。常有A、B(即Watson－Crick模型)、C型和Z型（左手螺旋）。

5．性质 （1）一般性质

核酸和核苷酸既有磷酸基，又有碱性基团，为两性电解质，因磷酸的酸性强，通常表现为酸性。核酸可被酸、碱或酶水解成为各种组分，其水解程度因水解条件而异。RNA在室温条件下被稀碱水解成核苷酸而DNA对碱较稳定，常利用该性质测定RNA的碱基组成或除去溶液中的RNA杂质。DNA为白色纤维状固体，RNA为白色粉末；都微溶于水，不溶于一般有机溶剂。常用乙醇从溶液中沉淀核酸。

（2）核酸的紫外吸收性质

核酸中的嘌呤碱和嘧啶碱均具有共轭双键，使碱基、核苷、核苷酸和核酸在240～290nm的紫外波段有一个强烈的吸收峰，最大吸收值在260nm附近。不同的核苷酸有不同的吸收特性。由于蛋白质在这一光区仅有很弱的吸收，蛋白质的最大吸收值在280nm处，利用这一特性可以鉴别核酸纯度及其制剂中的蛋白质杂质。

（3）核酸的变性和复性

①核酸的变性：是指核酸双螺旋区的氢键断裂，碱基有规律的堆积被破坏，双螺旋松散，发生从螺旋到单键线团的转变，并分离成两条缠绕的无定形的多核苷酸单键的过程。变性主要是由二级结构的改变引起的，因不涉及共价键的断裂，故一级结构并不发生破坏。核酸变性后，一系列物理和化学性质也随之发生改变，如260nm区紫外吸收值升高(增色效应)，粘度下降，失去生物活性。②核酸的复性：变性DNA在适当条件（如缓慢冷却即退火）下，又可使两条彼此分开的链重新缔合成为双螺旋结构，这个过程称为复性。DNA复性后，许多物理、化学性质又得到恢复，生物活性也可以得到部分恢复。DNA的片段越大，复性越慢；DNA的浓度越高，复性越快。

（四）脂类

脂类是生物体内一大类重要的有机化合物，由C、H、O三种元素组成，有的（如卵磷脂）含有N、P等元素，不溶于水，但溶于乙醚、苯、氯仿和石油醚等有机溶剂。

1．生物学功能

脂类是构成生物膜的重要成分；是动植物的贮能物质；在机体表面的脂类有防止机械损伤和水分过度散失的作用；脂类与其他物质相结合，构成了细胞之间的识别物质和细胞免疫的成分；某些脂类具有很强的生物活性。

2．种类

（l）脂肪 也叫中性脂，一种脂肪分子是由一个甘油分子中的三个羟基分别与三个脂肪酸的末端羟基脱水连成酯键形成的。脂肪是动植物细胞中的贮能物质，当动物体内直接能源过剩时，首先转化成糖元，然后转化成脂肪。在植物体内就主要转化成淀粉，有的也能转化成脂肪。

（2）类脂 包括磷脂和糖脂，这两者除了包含醇、脂肪酸外，还包含磷酸、糖类等非脂性成分。含磷酸的脂类衍生物叫做磷酯，含糖的脂类衍生物叫做糖脂。磷脂和糖脂都参与细胞结构特别是膜结构的形成，是脂类中的结构大分子。

（3）固醇 又叫甾醇，是含有四个碳环和一个羟基的烃类衍生物，是合成胆汁及某些激素的前体，如肾上腺皮质激素、性激素。有的固醇类化合物在紫外线作用下会变成维生素D。在人和动物体内常见的固醇为胆固醇。

（五）水和无机盐 1．水

水是细胞的重要成分，一般发育旺盛的幼小细胞中含水量较大，生命活力差的细胞组织中含水量较小，休眠的种子和孢子中含水量一般低于10％。水的作用有：水是代谢物质的良好溶剂，水是促进代谢反应的物质，水参与原生质结构的形成，水有调节各种生理作用的功能。

2．无机盐

它在体内通常以离子状态存在，各种无机盐离子在体液中的浓度是相对稳定的，其主要作用有：维持渗透压，维持酸碱平衡，特异作用等。

[随堂练习]

例1．当蛋白质溶液的pH值与蛋白质等电点相同时，蛋白质的

A.溶解度最大 B．溶解度最小

C．溶解度与溶液pH无关 D．蛋白质变性

例2．组成蛋白质的氨基酸的α--碳原子是不对称的，但 除外。

A．丙氨酸 B．组氨酸 C．甘氨酸 D．谷氨酸

例3．组成DNA的核苷酸包括三个部分，以下哪些描述是正确的（多选）？

A．碱基相同 B．磷酸基团相同

C．脱氧核糖相同 D．以上三种物质都不同

例4．氨基酸与蛋白质共有的特性是：

A．胶体性质 B．沉淀反应 C．两性性质 D．双缩脲反应

例5．DNA与RNA分类的主要依据是：（ ）

A．空间结构的不同 B．所含碱基不同

C．所含戊糖不同 D．在细胞中存在的部位不同

例6．下列哪个糖是非还原糖：（ ）

A．D一果糖 B. D一半乳糖 C．乳糖 D．蔗糖

例7．免疫球蛋白是一种：（ ）

A．铁蛋白 B．糖蛋白 C．核蛋白 D．铜蛋白

例8． 一个蛋白质分子有5条肽链，由1998个氨基酸组成，那么形成该蛋白质分子过程中生成的水分子个数和含有的肽键数分别是多少？

例9．肾上腺皮质细胞产生的激素其结构与以下哪一种物质结构相似？（ ）

A．血红蛋白 B．胆固醇 C．酪氨酸 D．肾上腺素

例10．如果说光合作用中光反应的产物只有ATP、氧气和氢，是否正确？为什么？