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普通生物学第1篇细胞南宫中学鲍晓明第二章生命的化学基础一、原子与分子二、组成细胞的大分子三、糖类四、脂质五、蛋白质六、核酸2.1原子与分子2.1.1生命需要约25种元素元素是由原子组成的，原子是物质的最小的单位原子质子中子电子原子电子原子核质子中子（带正电）（不带电）（带负电）（带正电）（不带电）核电荷数＝质子数＝核外电子数原子的构成电子运动速度=光速构成原子的粒子的电性和质量粒子种类电性质量质子1个单位正电荷1.6726×10-27kg中子不带电1.6749×10-27kg电子1个单位负电荷质子质量的1/1836（1）质子电量=电子电量，电性相反（2）质量：质子=中子，质子≈电子*1800(3)原子的质量主要集中在原子核上。你有什么发现？几种原子的构成原子种类质子数中子数核外电子数氢101碳666氧888钠111211氯171817质子数=核外电子数不是所有的原子都含有中子。质子数不一定等于中子数。你的结论？同位素：质子数与电子数相同，中子数不同的原子。12C、13C、14C：原子序数（质子数）都是6，中子数为6、7、8其中12C、13C为稳定性同位素，14C为放射性同位素，原子核会自行衰变同位素示踪：利用放射性同位素显示某种原子在生物体内的来踪去迹，常用于生物学研究、医学和疾病诊断等方面1.自然界元素：92种2.生命必需元素约25种生物体的主要元素(大量元素)C、H、O、N、P、S、K、Ca、Cl等，占99.35%，其中C、H、O、N4种元素占96%。微量元素：含量少于0.01%“反自然”现象自然界：C、H、O总和1%生物体：C、H、O、N总和96%生命体与普通物质的不同微量元素Fe氧的运送和酶的活性有关，缺少时，引起缺铁性贫血。Cu发生冠心病的主要原因，与酶的活性有关。Zn在青少年的发育生长，癌症等的发病和防治起有作用。Mo（钼）与酶的活性、食道癌的发病率和防治有关。I缺碘产生地方性甲状腺肿，幼儿发生呆小症。图Co（钴）与酶的活性有关。青春期少女0.015mg/每日。V（钒）软体动物富有钒；鱼体含量较低。Ni（镍）植物中15－55ppm,人为0.1ppm；急性白血病.25μg/mlF（氟）与牙齿健康有关，缺氟产生龋齿；过多则斑齿和氟中毒。Se（硒）缺硒产生克山病，与肝功能、冠心病发病和防治有关.碘缺乏症甲状腺肿呆小症2005年广东韶关镉污染痛痛病：发生在日本富山县神通川流域，是由于含镉废水污染农田而引起的公害病。患者全身疼痛，终日喊疼不止，故名痛痛病。病因与发现经过：居民长期食用“镉米”、“镉鱼”饮“镉水”而发病。痛痛病患者骨骼严重畸形2.1.2化合物由元素组成化学键离子键：原子间的电子得失或共用。共价键：生物大分子化学键的主要形式•原子的各种基本粒子中，决定其化学性质的是电子，•距离原子核越远，电子所带的能量越多。•最外层的电子数决定着原子的化学性质。如：氢只有一个电子，故反应性特别强离子键：两个电荷符号相反的离子彼此吸引而形成。如盐晶体，电中性共价键：两个原子间共用一对或多对电子而形成。生物大分子化学键的主要形式。2.1.3水是细胞中不可缺少的物质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水的性质影响生命活动，如：溶解性质，酸碱度，pH水占约生物体的70％的重量水对生物体非常重要水的特性第一，水是极性分子电负性：一个原子拉住共用电子的力量非极性共价键：电负性完全相同的原子所形成的共价键，如O2、H2、CH4极性共价键：电子的“共用”不是各占一半氧的电负性最强第二，水分子间形成氢键略带负电荷的一端（O）与略带正电荷的一端（H)相互吸引，形成一个较弱的键——氢键1←→4水的特性第三，液体水的水分子具内聚力，如水的蒸腾、昆虫在水上爬行第四，水分子之间的氢键使水能缓和温度的变化，如沿海较温和、水不易蒸发、出汗散热第五，冰比水轻，固态密度小于液态，水特性→利于水生生物生存第六，水是极好的溶剂，许多极性分子易溶于水水的特性第七，水能电离，成氢离子H+和羟离子OH-pH=0最强的酸度pH=7中性（如纯水）pH=14最弱的酸度(或最强的碱度)如活细胞pH接近于7常用的洗涤剂pH在12以上缓冲剂全球性的酸雨、酸雾：矿物燃料的燃烧→硫酸、硝酸，会酸化土地、海洋水的特性•酸度：2.1.4化学反应是原子重组化学反应并不能创造或破坏原子，只能将原子重新组合，所以化学反应是破坏已有的化学键，形成新的化学键。例如：氢分子和氧分子化合成水2H-H+O=O→O+OHHHH胡萝卜素转化为维生素AC40H56β-胡萝卜素+O2+4H→2C20H30O维生素AC=CC-HC-O-H2.2组成细胞的大分子碳最外层有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了有机化合物的基本性质。2.2.1碳是组成细胞各种大分子的基础有机化合物：除CO、CO2和碳酸盐等简单化合物外的含碳化合物的统称。烃或碳氢化合物：主要包含烷烃、环烷烃、烯烃、炔烃、芳香烃。烃类均不溶于水。衍生物众多。异构体：苯环：甲烷：天然气乙烷、丙烷：液化石油气环己烷：汽油有机化合物的性质取决于功能基团，这些功能基团几乎都是极性基团。功能基团的极性使得生物分子具有亲水性，有利于这些化合物稳定于有大量水分子存在的细胞中。决定分子主要化学性质的特殊原子或基团----官能团化合物官能团名称官能团结构烷烃烯烃炔烃卤代烃醇醚酚碳-碳单键碳-碳双键碳-碳三键卤素（-X）羟基醚键羟基（酚）-C-C--C=C--C=C--X（F，Cl，Br，I)-OH(脂肪族）-C-O-C--OH(芳香族）醛酮羧酸胺硝酸化合物磺酸化合物醛基酮基羧基氨基硝基磺酸基O-C-HO-C-O-C-OH-NH2-N=OOHO-S-OHO羰基2.2.2细胞利用少数种类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（由小分子到大分子）单体多聚体单体是通用的脱水合成合成大分子（脱水聚合）大分子分解（水解）水解反应是脱水聚合反应的逆反应2.3糖类糖分子含C、H、O3种元素，通常3者的比例为1:2:1，一般化学通式为(CH2O)n学术定义糖是多羟基醛、多羟基酮或其衍生物（aldehydeorketonecompoundswithmultiplehydroxylgroups），以及可以水解产生这些化合物的物质的总称。2.3糖类葡萄糖果糖（比葡萄糖甜）异构体单糖特点：1.有羟基，醇类2.有羰基糖的分类广义的糖可分为简单糖类和糖复合物（glycoconjugates）。前者包括单糖、寡糖和多糖；后者包括糖与蛋白质、脂类等共价形成的复合物。糖类单糖多羟基酮或醛的化合物。寡糖由两个或以上糖残基两两之间通过脱水而成的。多糖数百至数千个单糖通过脱水而形成的聚合物。单糖分类己糖丙糖戊糖丁糖1.单糖甲乙丙丁戊己庚辛壬癸重要的单糖甘油醛核糖脱氧核糖戊糖（组成核酸的成分）葡萄糖果糖半乳糖己糖单糖可以通过O-糖苷键相互连接形成寡糖和多糖。（1）双糖：如麦芽糖、蔗糖、纤维二糖、乳糖等。（2）其他寡糖：三糖、四糖等。如棉子糖。2.寡糖有少数几个单糖缩合而成的糖。麦芽糖的结构淀粉植物细胞中的储藏营养物，分为直链和支链淀粉。糖原动物细胞中储藏的多糖，又称动物淀粉。纤维素植物细胞壁的主要成分。几丁质、果胶等。3.多糖自然界中最多的糖类。有单糖分子（通常为葡萄糖分子）缩合脱水而成的分支或不分支的长链分子。淀粉的高级结构糖类天然淀粉由直链淀粉与支链组成。支链淀粉是α-D-葡萄糖基以α-1,4-糖苷键连接的多糖链。支链淀粉中除了α-1,4-糖苷键的糖链外，还有α-1,6-糖苷键连接的分支。淀粉与碘有呈色反应，直链淀粉为蓝色，支链淀粉为紫红色。在烯酸或酶的作用下，淀粉水解:淀粉→糊精→麦芽糖→α-D-葡萄糖。糊精是淀粉水解的最初产物，随着水解，糖分子逐渐变小，它与碘作用分别呈红色、黄色、无色。这个反应可用于淀粉水解过程的检验。纤维素是结构性的同多糖，主要存在植物组织中。纤维素类似直链淀粉，由D-Glc残基连接而成，但残基之间由β(1→4)键连接。纤维素多糖链的伸展构象纤维素(Cellulose)糖类糖的生物功能生物体结构成分生物体内的主要能源物质作为细胞识别的信号分子参与分子和细胞识别、细胞粘附、糖复合物的定位和代谢等在生物体内转化为其他物质作为核酸的组分糖类糖复合物(Glycoconjugate)糖类糖蛋白（Glycoprotein）蛋白聚糖（Proteoglycan）肽聚糖（Peptidoglycan）糖脂（Glycolipid）脂多糖（Lipopolysaccharides）……糖蛋白：寡糖链通过特定的共价键（糖肽键）连接到蛋白质特定的氨基酸残基上形成的复合糖（或缀合蛋白质）。糖蛋白以蛋白质为主，糖作为蛋白质的辅基存在。蛋白聚糖：由一条或多条糖胺聚糖和一个核心蛋白共价连接而成的糖复合物，蛋白聚糖以多糖为主，蛋白所占比例较少。脂质的定义脂质（lipid）是一类低溶于水，高溶于非极性有机溶剂（insolubleinwaterandsolubleinorganicsolvents）的生物有机分子。对于大多数脂质分子，其化学本质是脂肪酸和醇所形成的酯类及其衍生物。2.4脂质非极性共价键不是大分子，也不是聚合物2.4.1脂肪（最常见的脂质）是脂质中主要的贮能分子丙三醇甘油三酯甘油三酯分子结构A、油脂＝甘油三酯＝脂肪是由甘油醇和脂肪酸结合成的酯。脂肪酸（fattyacids）：由一条长的烃链（hydrocarbonchain）和一个末端羧基（carboxylategroup）组成的羧酸。脂质饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的区别（分子式、空间构象、物理性质、化学性质）不饱和脂肪酸：有双键饱和脂肪酸：没有双键含双键的脂肪在常温下是液态动物脂肪和植物脂肪的差别：动：不饱和脂肪酸很少植：不饱和脂肪酸很多膳食中的脂肪：饱和的太多会动脉粥状硬化脂肪中有多个碳氢链。所以是含能量较多的分子，1g脂肪中贮存的能量约为1g淀粉的2倍。脂肪摄入过多与健康肥胖2.磷脂、蜡和类固醇都是脂质磷脂分子结构又称磷酸甘油酯磷脂分子可以看成是一个极性头，两条非极性尾巴。蜡也是酯，是由一些长链的醇与长链脂肪酸形成的酯。它的疏水性更强，可以保护生物体的表面。例如，植物和动物表面（1）类固醇的内核由4个环组成，3个六元环、1个五元环。（2）一些人体重要维生素和激素是固醇（3）最常见的类固醇——胆固醇是细胞膜的重要成分（4）促蛋白合成类固醇：类似雄性激素药物，运动员禁用脂质的分类按照化学组成可分为:1.单纯脂质:主要有甘油三酯和蜡（triacylglycerolsandwaxes）；2.复合脂质:主要有磷脂和糖脂（phospholipidsandglycolipids）；3.衍生脂质:主要有取代烃,固醇类（sterols）,萜和其他脂质。脂质中性脂肪和油甘油和脂肪酸结合而成的酯。蜡脂肪酸和醇化合而成的酯。磷脂类又称磷酸甘油酯。甘油的一个-基和磷酸结合而成的酯。类固醇胆固醇萜类类葫萝卜素是生物膜的重要成分是储能的分子构成生物表面的保护层是很好的绝缘体有些脂质是重要的生物学活性物质脂质在细胞中具有独特的生物学功能：磷脂、糖脂、胆固醇脂肪蜡类固醇脂肪2.5蛋白质Proteins1.蛋白质是生物体内的结构高分子蛋白质占干重人体中（中年人）人体45%水55%细菌50%~80%蛋白质19%真菌14%~52%脂肪19%酵母菌14%~50%糖类＜1%白地菌50%无机盐7%2.5.1蛋白质为生命活动所必需①结构蛋白→组成细胞结构的基础；②收缩蛋白→肌肉运动；③贮藏蛋白：卵清蛋白→胚胎发育；贮藏蛋白→种子萌发；④防御蛋白：血清中抗体；⑤转运蛋白：血红蛋白；⑥信号蛋白：细胞间传递信号激素→调节机体活动；⑦酶：生物催化剂。2.蛋白质是一种生物体内的功能高分子蛋白质是一类含氮有机化合物，除含有碳、氢、氧外，还有氮和少量的硫。某些蛋白质还含有其他一