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太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 第第 9 9 章章 生命现象与化学生命现象与化学 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 研究核心：生命的本质； 研究对象：生物体的生命过程； 学科性质：是生物学、化学、物理 学、数学、医学、环境科学等学科之间 相渗透形成的交叉学科。 21世纪是生命科学的世纪。 生命科学 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 自然界存在的一大类具有生物功能的有机化合物。 形成渠道：光合作用； 组成：C、H、O； 化学式：Cm(H2O)n； 又名：碳水化合物。 糖类物质是多羟基醛类或酮以及以它们为构筑单元 所形成的聚合物。 作为构筑单元的糖称为单糖；单糖的聚合物称为多 糖。 9.1 生命体中的重要有机化合物 9.1.1 糖类 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 葡萄糖、果糖 C C H OH HO C C CH2OH CHO H H HOH OH C C H O HO C C CH2OH CH2OH H HOH OH 己醛糖己酮糖 C O H (CHOH)n-1 C CH2OH OH H C O HO (CHOH)n-1 C CH2OH H CH2OH 环状醛糖环状酮糖 糖类物质的主要生物 学功能是通过生物氧化提 供能量，以满足生命活动 的能量需要。 链状结构 环状结构 单 糖 1） 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 大米中含淀粉62%86%； 马铃薯中含淀粉1214%。 多 糖 2） 可水解为单糖分子，是天然的高分子化合物。 性质：与单糖、低聚糖不同，没有甜味，不溶于水。 葡萄糖的高聚体，水解为二糖为麦芽糖，分为直链淀粉和 支链淀粉。 直链淀粉含几百个葡萄糖单元，约占2226%，可溶，遇碘 显蓝色； 支链淀粉含几千个葡萄糖单元，遇碘显红棕色。 淀粉是植物体中贮存的养分，存在于种子和块茎中。 a）淀 粉 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 食物进入胃肠后，能被胰脏分泌出的淀粉酶水解，形成 葡萄糖，葡萄糖再被小肠壁吸收，成为人体组织的营养物。 支链淀粉部分水解可产生糊精。 用途：食品添加剂、胶水、浆糊等。 又称动物淀粉，是动物的糖贮存库、体内能源库。 结构：以葡萄糖为基本单位的分支链。 性质：无定形无色粉末，易溶于热水，形成胶体溶液。 糖在动物的肝脏和肌肉中含量最大。 b）糖 原 自然界最丰富的多糖。 c）纤维素 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 结构：没有分支的链状分子，与直链淀粉相似。 葡萄糖单体的连接方式不同，直链淀粉是一条 单链；而纤维素分子间存在氢键，可使分子链平行 排列、紧密结合，形成纤维束，这些纤维束拧在一 起可形成绳状结构，绳状结构再排列起来就形成了 纤维素。 特点：优良的机械性能和化学稳定性。 淀粉与纤维素的结构差异 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 多糖水解并不是一步成为单糖。 性质：不溶于水、强酸、碱。 人体中缺乏分解纤维素的酶，故纤维素不能被人 体所利用；但纤维素能促进肠的蠕动，有助于消化。 牛、马等动物可以食用含有大量纤维素的饲料。 纤维素是植物支撑组织的基础。 用途：制人造丝、人造棉、玻璃纸、火棉胶等。 知识点 淀粉 水解 糊精麦芽糖葡萄糖 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 由少数单糖分子构成的糖称为寡糖（低聚糖）。 典型：双糖。 蔗糖(来自甘蔗、甜菜)：由葡萄糖和果糖形成的双糖； 麦芽糖(来自淀粉)：可做营养基和培养基； 乳糖：用于食品工业和医药工业。 生物界对能量的需要和利用均离不开糖类。 光合作用 自然界将光能转变为太阳能的主要途径。 6CO2 + 6H2O + 太阳能 C6H12O6 + 6O2 叶绿素 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 6CO2 + 24H+ + 24e- C6H12O6 + 6H2O 24H2O 6O2 + 24H+ + 24e- 叶绿素是含镁的配合物，能吸收可见光。当叶绿素 吸收光子后，能量就被植物细胞所摄取，进而通过一系 列的步骤以化学势能的形式将能量贮存起来。 在光照下发生的反应，称为光反应；在黑暗中进行 的反应称为暗反应。绿色植物细胞中发生的光反应和暗 反应组成了光合作用的全过程。 植物可通过光合作用制造糖类，但动物不能发生光 合作用。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 光合作用是自然界的基本反应之一。 德国科学家Deisenhofer J.、Huber R.和Micher H.因阐 明光合作用机理而获得诺贝尔化学奖。 糖类的作用 a. 糖类是生物体的能量来源； b. 可与其他分子形成复合物得到复合糖类。如 ：糖蛋白、糖脂等； c. 对各类生物体的结构起支持和保护作用。如 ：甲壳素(乙酰氨基葡萄糖)，有高的刚性，能忍受 极端的化学处理； d. 能通过多种途径影响生物体的生命过程。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 糖类的解毒作用 危害：生物体内有很多水溶性差的有机化合物，有 的来自食物，有的来自体内的代谢产物，这些有机物长 期出储存在体内是有害的。 解决方式：生物体内有一些酶能催化葡萄糖醛酯使 其与许多水溶性差的化合物相连接，这样就促进了这些 有机物质溶于水，进而被排出体外。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 9.1.2 蛋白质、氨基酸、肽键 蛋白质是细胞结构里最复杂多变的一类大分子，存在于 一切活细胞中。 1839年，德国化学家Mulder G. T.给这类化合物起名为 蛋白质protein。 组成：C、H、O、N和P、S。 分子量：1.2万至100万间。 蛋白质是由氨基酸聚合而成的，其功能与分子里氨基酸 的组合和排列顺序有关。 具有氨基和羧基的化合物都叫氨基酸；构成蛋白质的氨 基酸主要是 -氨基酸。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 CC H O R NH2 OHCC H O H NH2 OH -氨基酸 R基不同，氨基酸的种类不同。 根据R基不同，人体内的主要蛋白质 大约有20种氨基酸。 甘氨酸（Gly） 名 称R 基 丝氨酸 丙氨酸 亮氨酸 符 号 Leu Ala Ser CH HO CH2 CH3 CH2 CH3 CH3 几种氨基酸 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 氨基酸有L-型和D-型。人体需要的是L-氨基酸，不能利 用D-氨基酸。 COOH C H R H2NNH2 COOH CH R L-氨基酸D-氨基酸 蛋白质分子中氨基酸连接的基本方式：一分子氨基酸的 羧基与另一分子氨基酸的氨基，通过脱水缩合形成。 新生成的化合物称为肽；肽分子中的酰胺键为肽键；由 两个氨基酸组成的肽称为二肽。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 CC H O H NOHH H +CC H O H NOHH H CC H O H NHOHH H CC H O H NOH H + 甘氨酸甘氨酸 甘氨酰甘氨酸（ Gly-Gly） 肽键 肽键中的氨基酸由于参与肽键的形成已经不是原 来完整的分子，因此称为氨基酸残基。含有三、四、 五个等氨基酸残基的肽分别称为三肽、四肽、五肽等 。肽的命名根据参与其组成的氨基酸残基来确定，称 为某氨基酰某氨基酰氨基酸，并以相对应的氨基酸 符号来表示。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 多个氨基酸失水形成的肽称为多肽，多肽一般为链状化 合物。目前自然界中发现的蛋白质种类远远少于按排列组合 所估算的数目，这说明只有某些氨基酸按某几种顺序组合而 成的蛋白质才与生命或生理活性有关。 蛋白质是由一条或多条多肽链构成的生物大分子 。按分子形状分有球蛋白和纤维蛋白。 球蛋白性质：易溶于水、易破裂，有活性功能。 纤维蛋白性质：不溶于水、坚韧，具有结构或保 护方面的功能。如：头发、指甲里的角蛋白。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 蛋白质按化学组成分有简单蛋白和复合蛋白。简单蛋 白只由多肽链组成，复合蛋白由多肽链和辅基组成。 蛋白质结构的不同层次，常用一级、二级、三级和四 级结构表示。 一级结构是共价主链的氨基酸顺序，它决定了蛋白质 的功能，并影响着蛋白质的生理活性，一级结构中只要一 个氨基酸发生变化，整个蛋白质分子就会被破坏。 Cys-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly NH2 S-S Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly NH2 S-S 催产素 加压素 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 二级结构 三级结构 蛋白质分子中多肽链本身的折叠方式。 螺旋、 构型。 指二级结构折叠卷曲形成的结构。如：球蛋白是一 个折叠得非常紧密的球形。 四级结构是指几个蛋白质分子聚集成的高级结构。 生物学功能：催化剂（酶）、运输、调节或防御作用。 角蛋白丝的纤维蛋白 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 1926年，第一次成功地从刀豆中提取了脲酶的结 晶，而后相继分离出许多酶（如胃蛋白酶、胰蛋白酶 等）的结晶。 酶的化学组成同蛋白质一样，也由氨基酸组成， 具有蛋白质的化学本性。 酶是一类由生物细胞产生的、以蛋白质为主要成 分的、具有催化活性的生物催化剂。 9.1.3 酶 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 酶催化的特点 a. 酶是由生物细胞在基因指导下合成的，其主要 成分是蛋白质； b. 酶催化反应是在比较温和的条件下进行的，它 对周围环境的变化比较敏感； c. 酶具有高度的专一性，即某一种酶只对某一类 物质甚至某一种物质起催化作用，生成一定的产物； d. 酶促反应需要的活化能低，且催化效率高。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 麦芽糖酶催化麦芽糖水解的机制 麦芽糖的活性部位能准确地结合一个麦芽糖分子， 当两者相遇时，使两个单糖相连接的链合部位变弱，使 水分子进入发生水解，生成两分子葡萄糖。 注：麦芽糖酶不能使蔗糖水解，使蔗糖水解的是蔗 糖酶。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 酶按化学组成分有单纯酶和结合酶。 单纯酶的分子组成全是蛋白质，不含非蛋白质的小分 子物质。如：脲酶、蛋白酶、淀粉酶等。 结合酶的分子组成除蛋白质外，还含有对热稳定的非 蛋白质的小分子物质。这种非蛋白部分叫做辅助因子。酶 蛋白与辅助因子结合后所形成的复合物叫做全酶。辅助因 子是酶起催化作用的必要条件。酶蛋白、辅助因子各自单 独存在时都无催化作用。 酶的催化体系可维持生物体内各种代谢过程有规律地 进行。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 新陈代谢简称代谢，包含物质代谢和能量代谢。 物质代谢指生物体与外界不断交换物质的过程，包括 从体外吸收养料和物质在体内的变化。 狭义的代谢指物质在细胞中的合成和分解过程。 生物体通过物质氧化获得能量。 机体利用能量的方式：将生物氧化系统释放的能量以 高能键的形式先贮存在生物体内，当需要时再释放处理供 各种生理活动和生化反应需要。 生物氧化过程是各种有机物在酶的作用下，氧化成二 氧化碳和水，并释放能量的过程。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 有机物 + O2 CO2 + H2O + 能量 酶 目前酶学研究中的新领域包括：酶合成的遗传 控制与遗传病，许多酶系统的自我调节性质、生长 发育及分化中酶的作用与肿瘤及衰老的关系、细胞 相互识别过程中酶的作用等。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 核酸 嘌呤碱、嘧啶碱 9.1.4 核酸 核苷酸 核苷 磷酸 碱基 戊糖 核糖、脱氧核糖 据核酸所含戊糖种类不同，可分为核糖核酸（RNA）和 脱氧核糖核酸（DNA）。 RNA中碱基有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶；DNA 中有腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶。 DNA的一级结构由上述四种碱基构成的脱氧核糖核苷酸 组成。 核苷酸排列的顺序是分子生物学家多年来要解决的问 题。生物的遗传信息贮存于DNA的核苷酸序列中，生物界 物种的多样性也来源于DNA千变万化的不同排列。 核酸是遗传信息的携带者与传递者，生物体的遗传特 征主要反映在DNA分子的结构上。 遗传信息传递方式 a. 生物体的遗传信息以密码的形式编码在DNA分 子上，表现为特定的核苷酸排列顺序； b. 通过DNA的复制由亲代传递给子代，在后代生 长发育过程中，遗传信息由DNA转录给RNA； c. 翻译成特异的蛋白质，以执行各种生命功能，使 后代表现出与亲代相似的遗传性状。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 复制指以原来的DNA分子为模板合成出相同分子的过程； 转录指在DNA分子上合成出与其核苷酸顺序相对应的RNA 的过程； 翻译是指在RNA的控制下，从DNA得来的核苷酸顺序合成 出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。 遗传信息传递的中心法则：DNA RNA 蛋白质。 1953年，Watson和Crick提出了DNA双螺旋模型，这是生 命化学，乃至生物学里的重大里程碑，为遗传工程的发展奠定 了基础。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 DNA双螺旋结构模型 弗朗西斯克 里克（左）与 詹姆斯沃森 一起揭开了生 物遗传的秘密 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 遗传工程主要是指DNA重组技术，即提 取和合成不同生物的遗传物质（DNA），在 体外切割、拼接和重新组合，然后通过载体 将重组的DNA分子引入受体细胞，使重组的 DNA在受体细胞中得以复制与表达。 遗传工程的目的：改造生物，使其更好 地为人类服务。 生物固氮。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 基因是具有遗传功能的单元，一个基因是DNA片 段中核苷酸碱基特定的序列， 此序列载有某特定蛋白 质的遗传信息。DNA碱基排列的序列称为遗传编码， 关于这个序列的分析是基因研究的基础。 9.2 基因、遗传信息 基因是控制生物性状的遗传物质的功能单位和结 构单位，是具有遗传效应的DNA片段。 遗传信息由DNA RNA 蛋白质的表达过程称 为基因表达，是分子生物学研究的核心。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 下一世纪，人们试图利用生物技术在实验室人工 合成生命体。 意义：将古生物或冻干尸体的DNA进行扩增，揭 示其遗传密码，建立已灭绝生物的信息库，以此研究 生物的进化与分类问题。 展望 病因：基因丢失或突变，造成功能异常及病变。 解决方式：基因调变，使病变基因恢复正常。 医学 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 应用：遗传病、艾滋病、肿瘤的治疗。 恶性肿瘤致病成因：基因表达调控失常，与周围 组织相互作用发生紊乱，造成机体抗癌细胞丢失，原 癌细胞被激活。 解决方式：通过基因调变，使肿瘤细胞逆转恢复 正常。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 细胞是人体和其他生物体一切生命活动 结构与功能的基本单位。体内所有的生理功 能和生化反应都是在细胞及其合成排泄的基 质的基础上进行的。 细胞膜：生物膜的一种，把细胞内容物与 细胞的周围环境分隔开。 9.3 生物膜 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 生物膜的出现是地球上生命物质由简单到复杂的长期 演化过程中的一次飞跃。 作用：使细胞能独立于环境而存在，又能通过生物膜 与周围环境进行有选择的物质交换而维持生命活动。 生物膜是一个具有特殊结构和功能的选择性通透膜。 功能：能量转换、物质运送、信息识别与传递。 生物膜由脂质、蛋白质和糖类等物质组成，其中膜内 蛋白质是生物膜具有各种功能的主要原因。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 膜蛋白的分类 a. 能识别各种物质，在一定条件下使其有选择 地通过细胞膜的蛋白质。如：通道蛋白。 b. 分布在细胞膜表面，能“辨认”和接受细胞环 境中特异化学刺激的蛋白质。这种蛋白称为受体。 c. 膜内酶类蛋白质。 d. 与免疫功能有关的蛋白质。 不同的膜蛋白决定了细胞在功能上的特异性。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 物质运送 被动运送 被动运送：物质从高浓度一侧，顺浓度梯度的方向，通过 膜运送到低浓度一侧的过程。 特点：不需外界供给能量（自发过程）。 主动运送：细胞膜通过特定的通道或运载体把某种分子或 离子运送到膜的另一侧的运送。 特点：有选择性，能对抗浓度梯度，是一种耗能过程。 跨过生物膜的物质运送是生物膜的主要功能之一。 主动运送 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 主动运送中所需的能量只能由物质所通过的膜或膜所属的 细胞来供给。 Na+、K+的主动运送 事实：细胞内液和外液中Na+、K+浓度有很大不同。 分析：浓度差的形成和维护与细胞膜的某种功能有关。 推测：钠钾泵的存在使离子能逆着浓度差主动将细胞内的 Na+移出膜外，同时将细胞外的K+移入膜内。 科学证实：钠泵是膜结构中的一种特殊蛋白质，能催化三 磷酸腺苷水解释放能量，以此能量进行Na+、K+的主动运送。 钙泵能把细胞内过多的Ca2+转移到细胞外去。 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal University 化学与社会 + H2O2 O2 + + OH- 超氧自由基阴离子 既可作还原剂，也可作氧化剂。 9.4 氧自由基与人体健康 自由基是带有未成对电子的分子、原子或离子。 特点：未成对电子有成双趋势，比较活泼。 生物体系中，电子转移是一个基本变化。 O2 接受e- O2- OH 化学反应性比分子氧活泼，统称为活性氧； 、 为氧自由基。O2-OH O2- O2- O2-OH + H+ HO2 铁螯合物 太原师范学院化学系 Taiyuan Normal Uni