生命的化学基础

1、生命的化学基础生命的化学基础人肉眼分辨力为；人肉眼分辨力为；细胞直径一般小于；细胞直径一般小于；光学显微镜：光学显微镜：3胡克（胡克（Robert Hook，英国），英国）及其发明的显及其发明的显微镜微镜列文虎克（列文虎克（A. van Leeuwenhoek荷兰）的显微镜荷兰）的显微镜419世纪世纪30年代，德国年代，德国 施莱登、施万提出：施莱登、施万提出： 一切植物、动物都由细胞组成，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。细胞是一切动植物的基本单位。施万施万提出提出 “细胞学说细胞学说” 5电子显微镜：电子显微镜：加速的电子束代替可见光，加速的电子束代替可见光，分辨力提

2、高至，进一步揭示了细胞的微观分辨力提高至，进一步揭示了细胞的微观领域。领域。种类：种类：透射电镜（透射电镜（TEM）内部结构内部结构 扫描电镜（扫描电镜（SEM）表面结构表面结构电镜样本需经过加工，不能观察活的样本。电镜样本需经过加工，不能观察活的样本。67人类精子人类精子8分级分离技术用于研究活的样本分级分离技术用于研究活的样本细胞分级分离：细胞分级分离： 细胞破碎后将各种细胞器分开，细胞破碎后将各种细胞器分开，可分别研究它们的功能。可分别研究它们的功能。9Differential centrifugation1011 分离活细胞的介质要求：分离活细胞的介质要求：1）能产生密度梯度，且密度高

3、时，）能产生密度梯度，且密度高时， 粘度不高；粘度不高；2）PH中性或易调为中性；中性或易调为中性；3）浓度大时渗透压不大；）浓度大时渗透压不大；4）对细胞无毒。）对细胞无毒。12 生命体是多层次、非线性、生命体是多层次、非线性、高度动态的耗散性结构体系，而高度动态的耗散性结构体系，而细胞细胞是生命体结构与功能的基本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单位，有了细胞才有完整的生命活动。活动。13 细胞细胞是生命活动的枢纽层次，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，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又是生命科学微观和宏观研究的汇聚点

4、，因此点，因此 是当前生命科学中发展最是当前生命科学中发展最快的领域之一。快的领域之一。 1925年年Wilson就提出就提出 “一切生命的一切生命的关键问题都要到关键问题都要到细胞细胞中去寻找答案中去寻找答案”14第二章第二章 生命的化学基础生命的化学基础第三章第三章 细胞结构与细胞通讯细胞结构与细胞通讯第四章第四章 细胞代谢细胞代谢第五章第五章 细胞的分裂和分化细胞的分裂和分化生物界是一个多层次的组构系统：生物界是一个多层次的组构系统：16 生物分子与生命现象生物分子与生命现象 各种生物分子各种生物分子 特有方式组合特有方式组合 （细胞）（细胞）生命现象；生命现象； 任何生物分子任何生物分

5、子 即使核酸、蛋白质等关键性大分子，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；离开生物体就没有生命现象；17 了解生命分子了解生命分子 是了解生命本质的基础；是了解生命本质的基础； 所以，在介绍细胞之前，所以，在介绍细胞之前， 本章先介绍组成生物的分子。本章先介绍组成生物的分子。 182.1 原子和分子原子和分子2.2 组成细胞的大分子组成细胞的大分子第二章 生命的化学基础普通生物学普通生物学 第第1 篇篇 细胞细胞 第第2章章 生命的化学基础生命的化学基础192.1 原子和分子原子和分子 已知自然界中存在的元素有已知自然界中存在的元素有92种；种； 除除He，Ne，Ar，K

6、r，Xe，Fr，At，Ac，Pa，Tc外，其他元素在人体中都曾被发外，其他元素在人体中都曾被发现；现； 人体中的元素按其在人体所占质量的比人体中的元素按其在人体所占质量的比例是否大于例是否大于0.01%分分常量元素常量元素和和微量微量元素元素。202.1.1 人的生命需要人的生命需要25种元素种元素21符号符号元素元素占体重的百分数占体重的百分数/O氧氧65.0C碳碳18.5H氢氢9.5N氮氮3.3Ca钙钙1.5P磷磷1.0K钾钾0.4S硫硫0.3Na钠钠0.2Cl氯氯0.2Mg镁镁0.1微量元素：微量元素：硼硼(B)，铬，铬(Cr)，钴，钴(Co)，铜，铜(Cu)，氟，氟(F)，碘，碘(I)

7、，铁，铁(Fe)，锰，锰(Mn),(少于少于0.01) 钼钼(Mo)，硒，硒(Se)，硅，硅(Si)，锡，锡(Sn)，钒，钒(V)，锌，锌(Zn)表表 2-1 人体中存在的元素人体中存在的元素22 25种元素中种元素中常量元素常量元素 11种种，其中，其中C、 H 、O、 N、 P、S、Ca，占，占 99.35%； C、H、O、N 占占 96.3% 微量元素有微量元素有14种，人体必需，只是种，人体必需，只是需要量需要量极少极少，但，但作用很大作用很大。 举例：碘（举例：碘（I）23碘缺乏症甲状腺肿甲状腺肿呆小症呆小症24 元素由原子组成，原子是物质的最小元素由原子组成，原子是物质的最小单位，

8、半径单位，半径 (2-3)10-8cm原子原子质子质子电子电子中子中子原子序数：原子序数：每一种原子中质子的数每一种原子中质子的数目称为该原子的原子序数，是该原子目称为该原子的原子序数，是该原子所特有。所特有。同位素：同位素：质子数和电子数相同，中质子数和电子数相同，中子数不同的原子称为同位素。子数不同的原子称为同位素。252.1.2 化合物由元素组成化合物由元素组成 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。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？原子之间怎样发生反应形成化合物？ 电子的电子的共用共用和和得失得失形成形成化

9、学键化学键。 电子得失电子得失形成离子键。形成离子键。 电子对共用电子对共用形成形成共价键共价键 。水：水：两个氢原子分别与氧共用一对电子，通过两个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。共价键连接形成。26 地球上的生命起源于水，水是生命的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介质，陆生生物体内细胞也生活在水环境中。境中。细胞中水含量占细胞中水含量占 70%80%2.1.3 水是细胞中不可缺失的物质水是细胞中不可缺失的物质27 水的特性水的特性 水是极性分子；水是极性分子； 分子之间形成氢键；分子之间形成氢键； 水有较强的内聚力和水有较强的内聚力

10、和 表面张力。表面张力。28 水的特性水的特性 水分子之间的氢键使水能缓和温度的变化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。动、植物维持相对恒定的体温。 冰比水密度低冰比水密度低 有利于水生生物的生存。有利于水生生物的生存。29 水的特性水的特性 水是极好的溶剂。水是极好的溶剂。 水水是生命所需物质的是生命所需物质的良好溶剂，也是生命系良好溶剂，也是生命系统中各种化学反应的理统中各种化学反应的理想介质。想介质。30 水能够电离。水能够电离。 水分子可以电离成氢离子（水分子可以电离成氢离子（H+）和羟离子）和羟

11、离子(OH-)。 水解反应水解反应 脱水合成反应脱水合成反应 生物体内生物体内H+ 和和OH-必须处于平衡状态。溶必须处于平衡状态。溶液中液中H+、 OH-的多少决定了溶液的酸碱性。的多少决定了溶液的酸碱性。 大多活细胞的大多活细胞的pH近于近于7，细胞中，细胞中pH的微小的微小变化对细胞都有害。变化对细胞都有害。31 新陈代谢包括无数的化学反应，使生物体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。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。时，出现新的性质。 生物体内通过化学键的破坏与形成发生各生物体内通过化

12、学键的破坏与形成发生各式各样的重要反应。式各样的重要反应。2.1.4 化学反应使原子重组化学反应使原子重组32 细胞都由水、蛋白质、糖类、脂质、核细胞都由水、蛋白质、糖类、脂质、核酸、盐类和各种微量的有机化合物组成。酸、盐类和各种微量的有机化合物组成。2.2 组成细胞的生物大分子组成细胞的生物大分子 糖类、蛋白质、核酸和脂质在生命现糖类、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，被称象中起重要作用，分子极其巨大，被称为为 生物大分子生物大分子。332.2.1 碳是组成细胞中各种大分子的基础碳是组成细胞中各种大分子的基础 碳最外层有碳最外层有4个电个电子空位，极易形成子空位，极易形

13、成4个共价键个共价键; 碳架结构排列和碳架结构排列和长短决定有机化合物长短决定有机化合物的基本性质。的基本性质。34 生物体中主要有羟基生物体中主要有羟基（OH） 、羰基、羰基（CO） 、羧基、羧基（COOH）和氨基和氨基（NH2）等功能基等功能基团，这些基团几乎都是极性团，这些基团几乎都是极性基团。基团。 功能基团的极性使生物功能基团的极性使生物分子具有分子具有亲水性亲水性，有利于，有利于这些化合物稳定存在于含有这些化合物稳定存在于含有大量水分子的细胞中。大量水分子的细胞中。352.2.2 细胞利用少数种类的小分子合成细胞利用少数种类的小分子合成 多种大分子多种大分子 多聚体：由相同或相似的

14、小分子组成的长链。多聚体：由相同或相似的小分子组成的长链。 单体：组成多聚体的小分子称为单体。单体：组成多聚体的小分子称为单体。 小分子小分子 大分子大分子 复合大分子复合大分子 单单 糖糖 多多 糖糖 糖蛋白糖蛋白 氨基酸氨基酸 蛋白质蛋白质 糖糖 脂脂 核苷酸核苷酸 核核 酸酸 脂蛋白脂蛋白 脂脂 类类 36 脱水合成脱水合成：细胞将单体组成多聚体的方式；：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-HH2O 水解反应水解反应：将多聚体分解为单体的反应。：将多聚体分解为单体的反应。HO-A-A-A-A-HH2OHO-A-A-A-HHO-A-H+3

15、7 细胞中重要的有机物，含细胞中重要的有机物，含C、H、O三种元三种元素，基本化学式：素，基本化学式：CH2O。 提供生命活动所需的提供生命活动所需的能源能源，且是重要的，且是重要的中中间代谢物间代谢物，用来合成重要的生物大分子，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。糖构成的大分子的多糖。2.3 糖类糖类38（1）丙糖）丙糖 如甘油醛和二羟丙酮。如甘油醛和二羟丙酮。（2）戊糖）戊糖 核糖、脱氧核糖、核酮糖、核糖、脱氧核糖、核酮糖、 木糖和阿拉伯糖。木糖和阿拉伯糖。（3）己糖）己糖 葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露

16、糖等。葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等。单糖：单糖：两种存在形式两种存在形式醛糖和酮糖。醛糖和酮糖。重要的单糖有：重要的单糖有：2.3.1 单糖和双糖单糖和双糖39葡萄糖、果糖：葡萄糖、果糖：分子式分子式 C6H12O6 特点：含许多羟基，并有羰基。特点：含许多羟基，并有羰基。 异构体：羰基的位置不同。异构体：羰基的位置不同。 结构不同，所以性质也不同结构不同，所以性质也不同与其它分子反与其它分子反 应的能力不同，甜度不同。应的能力不同，甜度不同。葡萄糖葡萄糖果糖果糖40（1）双糖）双糖 如麦芽糖、蔗糖、乳糖等。如麦芽糖、蔗糖、乳糖等。 葡萄糖葡萄糖葡萄糖葡萄糖 麦芽糖麦芽糖 葡萄糖果葡萄糖果

17、糖糖 蔗糖蔗糖（2）其他寡糖）其他寡糖 三糖、四糖等。三糖、四糖等。由几个（由几个（26）单糖缩合而成的糖称为寡糖。）单糖缩合而成的糖称为寡糖。双糖：两个单糖缩合而成。双糖：两个单糖缩合而成。412.3.2 多糖多糖 由数百至数千个由数百至数千个单糖分子通过脱水单糖分子通过脱水合成而形成的多聚合成而形成的多聚体称为体称为多糖多糖。自然。自然界中最多的糖类界中最多的糖类，淀粉、糖原淀粉、糖原 、纤、纤维素维素 三类。三类。42淀粉：淀粉：植物细胞中的储藏营养物，贮存在植物的根、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。种子等中，由葡萄糖单体聚合而成。 需要利用糖作为

18、能源或合成其它分子的原料时，将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。淀粉水解。糖原：糖原：动物细胞中储藏的多糖。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。解成葡萄糖。纤维素：纤维素：植物细胞壁的主要成分，地球上最丰富的植物细胞壁的主要成分，地球上最丰富的 有机化合物。有机化合物。 保护细胞、支持植物体的作用。保护细胞、支持植物体的作用。432.4 脂质脂质 类型：类型： 多种分子多种分子 脂肪（油脂）脂肪（油脂） 蜡；蜡； 磷脂类磷脂类（磷酸甘油酯）（磷酸甘油酯） 类固醇；类固醇； 萜类。萜类。

19、44 主要特点主要特点 C、H 两种元素为主；两种元素为主； 非极性共价键非极性共价键 疏水性；疏水性； 严格意义上，非大分子严格意义上，非大分子 分子质量小，分子质量小， 远小于糖类、蛋白质、核酸；远小于糖类、蛋白质、核酸； 不是聚合物；不是聚合物；45 独特的生物学功能独特的生物学功能 生物膜的重要成分；生物膜的重要成分； 储能分子；储能分子； 生物表面的保护层；生物表面的保护层； 良好绝缘体；良好绝缘体； 有些是重要生物学活性物质。有些是重要生物学活性物质。462.4.1 脂肪是脂质中主要的贮能分子脂肪是脂质中主要的贮能分子脂肪：脂肪：由甘油和由甘油和3个脂肪酸通过脱水合成而形成，个脂肪

20、酸通过脱水合成而形成， 又称甘油三酯或三酰基甘油。又称甘油三酯或三酰基甘油。 脂肪含多个碳氢链，能量较多，脂肪含多个碳氢链，能量较多，1g脂肪中贮存的脂肪中贮存的 能量是能量是1g淀粉的两倍，因此是主要的贮能分子。淀粉的两倍，因此是主要的贮能分子。472.4.2 磷脂、蜡和类固醇都是脂质磷脂、蜡和类固醇都是脂质磷脂：磷脂：细胞膜的重细胞膜的重要组分，结构与脂肪要组分，结构与脂肪类似，只是分子中只类似，只是分子中只有两个脂肪酸，另一有两个脂肪酸，另一个酸为磷酸。个酸为磷酸。48蜡：蜡：由长链的醇与长链的脂肪酸形成的酯。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。高度疏水，可

21、保护生物体的表面。类固醇：类固醇：特点特点碳链为碳链为3个六元环和个六元环和1个五元环。个五元环。胆固醇：胆固醇：最常见的类固醇，细胞膜的重要成分，动最常见的类固醇，细胞膜的重要成分，动物体内合成其它类固醇的原料。物体内合成其它类固醇的原料。49 细胞内细胞内行使各种生物功能行使各种生物功能的生物大分子，占细胞的生物大分子，占细胞干重的干重的5050，在细胞和生物体的生命过程中起着十，在细胞和生物体的生命过程中起着十分重要的作用。分重要的作用。功能功能举例举例功能功能举例举例结构材料结构材料胶原、角蛋白胶原、角蛋白激素激素胰岛素、生长激素胰岛素、生长激素 运动运动肌动蛋白、肌球蛋白肌动蛋白、肌

22、球蛋白物质运输物质运输Na+-K+ 泵泵营养储存营养储存酪蛋白、铁蛋白酪蛋白、铁蛋白信号转导信号转导乙酰胆碱受体乙酰胆碱受体基因调控基因调控Lac操纵子操纵子 渗透压调节渗透压调节血清白蛋白血清白蛋白免疫作用免疫作用抗体抗体毒素毒素白喉和霍乱毒素白喉和霍乱毒素电子转移电子转移细胞色素细胞色素酶酶(催化作用催化作用)氧化还原酶、连接酶氧化还原酶、连接酶2.5 蛋白质蛋白质502.5.1 蛋白质为生命活动所必需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。织和机体的结构都与蛋白质有关。 根据功能可分为根据功能可分为

23、7大类：大类：（1）结构蛋白：）结构蛋白：组成细胞结构的基础。组成细胞结构的基础。（2）收缩蛋白：）收缩蛋白：与结构蛋白共同起作用。与结构蛋白共同起作用。（3）贮藏蛋白：）贮藏蛋白：卵清蛋白为胚胎发育提供了氨基酸。卵清蛋白为胚胎发育提供了氨基酸。（4）防御蛋白：）防御蛋白：抗体抗体与病原体作斗争。与病原体作斗争。（5）转运蛋白：）转运蛋白：负责物质转运的蛋白质。负责物质转运的蛋白质。（6）信号蛋白：）信号蛋白：细胞之间传递信号。细胞之间传递信号。（7）酶：）酶：生物催化剂。生物催化剂。51 H R C COOH NH2氨基酸是蛋白质的结构单体，共氨基酸是蛋白质的结构单体，共20种。种。氨基酸通

24、式：氨基酸通式：R基团或侧链的结构、长短和电荷的不同，决定基团或侧链的结构、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。各种氨基酸在溶解度以及其它特性上的差异。2.5.2 蛋白质由蛋白质由20种氨基酸组成种氨基酸组成4个基团：氨基、羧基、个基团：氨基、羧基、 H、R52 多肽多肽-分子量在分子量在1,500以以上，多个氨基酸通过肽上，多个氨基酸通过肽键相连形成的产物。键相连形成的产物。 肽链有方向性，多肽链肽链有方向性，多肽链的一端有一个的一端有一个-NH2，称，称N-端；另一端有一个端；另一端有一个-COOH，称，称C-端。端。 一个氨基酸分子中的一个氨基酸分子中的-氨基，

25、与另一氨基酸氨基，与另一氨基酸 分子中的分子中的-羧基脱水缩合，形成一个新的共价羧基脱水缩合，形成一个新的共价 键键C-N，称为肽键，并合成一个二肽化合物。，称为肽键，并合成一个二肽化合物。53蛋白质分子有特定的空间结构蛋白质分子有特定的空间结构构象构象。蛋白质蛋白质一级结构一级结构二级结构二级结构三级结构三级结构四级结构四级结构 -螺旋螺旋 -折叠折叠2.5.3 蛋白质的结构决定其功能蛋白质的结构决定其功能胰岛素胰岛素54一级结构一级结构 ： 在多肽链中，氨基酸残基的顺序称为在多肽链中，氨基酸残基的顺序称为蛋白质的一级结构。蛋白质的一级结构。55 一级结构中部分肽链向单一方向卷曲或折一级结构

26、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。叠而形成的有周期性重复的主体结构或构象。 -螺旋螺旋 -折叠折叠 指甲、毛发指甲、毛发蹄、角、羊毛蹄、角、羊毛 蚕丝、蛛丝蚕丝、蛛丝二级结构二级结构 ：56氢键氢键三级结构三级结构 ：疏水性相互作用疏水性相互作用二硫键二硫键离子键离子键一条多肽链的总的一条多肽链的总的三维形状，称为蛋白三维形状，称为蛋白质的三级结构。质的三级结构。肽链中二级结构肽链中二级结构之间之间的不规则部分折叠，的不规则部分折叠，使肽链进一步折叠成使肽链进一步折叠成球状或纤维状。球状或纤维状。三级结构是一条多三级结构是一条多肽链完全折叠之后的肽链完全折叠之

27、后的整体结构。整体结构。57 蛋白质分子的蛋白质分子的2 2条或条或2 2条以上三级结构的条以上三级结构的多肽链，相互组合，并以弱键相互连接，形多肽链，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。成一定的构象，称为蛋白质的四级结构。四级结构四级结构 ：58螺旋折叠（氨基酸序列）（氨基酸序列）（蛋白质中局部区（蛋白质中局部区 域的折叠结构）域的折叠结构）（一条多肽链完全折（一条多肽链完全折叠后的结构）叠后的结构）（两条或两条以上的多肽（两条或两条以上的多肽链组成的蛋白质结构）链组成的蛋白质结构）59 由于小分子物质与蛋白质分子的一个亚单位结由于小分子物质与蛋白质分子的一个亚

28、单位结合，导致该蛋白质分子及其亚单位的构象发生合，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，称为变化，进而其活性也发生变化，称为变构作变构作用用。 在重金属盐、酸、碱等的作用下，或加热至在重金属盐、酸、碱等的作用下，或加热至7070 C100C100 C C，或在，或在X X射线、紫外线的照射下，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，蛋白质的多肽链松开，失去其专一的三维形状，从而失去其生物学活性，这种现象称为从而失去其生物学活性，这种现象称为蛋白质蛋白质的变性的变性。蛋白质的变构作用和变性蛋白质的变构作用和变性60 核酸核酸最先从最先从细胞核细胞

29、核中分离得到，且呈中分离得到，且呈酸性酸性，故而，故而得名。得名。 核酸分为两类：核酸分为两类：脱氧核糖核酸（脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核）和核糖核酸（酸（RNA）。）。 DNA存在于细胞核、线粒体和叶绿体中，遗传信息的携带存在于细胞核、线粒体和叶绿体中，遗传信息的携带者，合成蛋白质的模板；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。起重要作用。2.6 核酸核酸611. 核苷酸核苷酸核苷酸是组成核酸的单体。核苷酸是组成核酸的单体。核苷酸核苷酸戊糖戊糖含氮碱基含氮碱基磷酸磷酸62胞嘧啶核苷尿嘧啶核苷鸟嘌呤核苷腺嘌呤核苷NNOHHONNNH2HONNOHH2NNNNNNNNH2OHHOHHOHHHOCH2HOCH2OHHOHHOHHOHHOHHOHHHOCH2OHHOHHOHHHOCH2糖与碱基之间的糖与碱基之间的C-N键，称为键，称为C-N糖苷键。糖苷键。11119911戊糖分子上的第戊糖分子上的第1位位C原子与嘌呤或嘧啶结合，形成原子与嘌呤或嘧啶结合，形成核苷核苷。63OBOHOHOH2CPOHHOOB=腺嘌呤，鸟嘌呤，胞嘧啶，尿嘧啶或胸腺密啶