生物体的化学组成

第四章生物体的化学组成

天然产生的生物主要包括浮游植物、细菌、高等植物和浮游动物。但如果从元素组成上来考察，它们均主要由碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)等元素组成，如果从生物化学组分来考察，它们主要由糖类、脂类、蛋白质、核酸及（高等植物的）木质素所组成，此外，还有少量维生素、激素和无机的矿物质（无机盐）。沉积有机质来源于生物体，它应该在一定程度上继承了原始生物体的元素组成和化学组成特征，这正是我们研究生物的化学组成的原因。第四章生物体的化学组成

糖类(saccharide)是多羟基的醛类或酮类化合物，由碳、氢、氧三种元素组成。其中氢和氧的原子比例数大都是2∶1，与水分子中氢和氧的比例相同，故习惯上又称为碳水化合物或碳水化物(carbohydrate)。

蛋白质(protein)是由氨基酸(aminoacid)单体通过肽键组成的大分子多聚体。它们构成生物机体中大部分含氮化合物。对脂类(lipid)狭义的理解主要是指动植物的油脂（脂肪）；广义的理解则还包括固醇类、萜类、烃类和色素等。有人把脂类一词的含义仅限于指动植物的油脂，而用类脂一词作为广义脂类的同义语。脂类不溶于水而溶于非极性溶剂。

核酸是生物体中至关重要的一类生物大分子，它贮存遗传信息，控制蛋白质的合成和复制。核酸包括脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）两类。

木质素和丹宁(tannin)都具有芳香族结构的特点，基本上是一种高分子量聚酚，由酚-丙烷衍生物构成的单位组成。仅发育于高等植物中。

第四章生物体的化学组成

从后面沉积有机质的组成中，将可以看到，可溶有机质（原石油）也溶解于有机溶剂。溶解性的相近，反映了组成和结构的相似。因此，脂类只需要少量变化（甚至不需要变化）就可以成为原始石油。从这点来看，脂类可能是最为重要的成油先质。第四章生物体的化学组成

脂类化合物的主要类型脂肪是由高级脂肪酸（>C10）与甘油组成的甘油三酯(triglyceride)的混合物，一般在室温下为液态的称为油(oil)，在室温下为固态的称为脂(fat)。

天然脂肪的脂肪酸具有偶数碳原子，因为它们是由C2单位（醋酸酯单位）生化合成的。脂肪酸通过脱羧作用可以转化为奇碳数（奇偶优势）的正构烷烃，也可以在还原环境下，通过加氢脱水作用形成偶数碳（偶碳优势）的正构烷烃。脂肪酸中最常出现的是具有16和18个碳原子的软脂酸和硬脂酸。不饱和的脂肪酸，尤其是在植物油中是普遍的。种子、孢子和果实尤其富有类脂化合物。藻类中已知硅藻含有大量类脂化合物，按干重基准有时含量高达70%，特别是，如果藻类生长在缺氮环境下并在冷水中时，就会产生类脂化合物含量很高的物质

一、脂肪第四章生物体的化学组成

脂类化合物的主要类型二、蜡蜡(wax)是不溶于水的固体，是由高级脂肪酸与高级一元醇和甾醇形成的酯。蜡中的脂肪酸和醇都含有偶数碳原子，如虫蜡为C25H51COOC26H53，蜂蜡为C15H31COOC30H61，巴西棕榈蜡为C25H51COOC30H61。蜡中除含有酯和少量的游离高级脂肪酸外，还含有酮、羟基醇和烃类，如植物蜡中就含有奇碳数占优势的长链正构烷烃。生物化学的研究表明，高等植物蜡中及其水解产物的酸、醇均为偶碳数的化合物，而细菌蜡则不具有这一特征。第四章生物体的化学组成

脂类化合物的主要类型3、萜（烯）类和甾类化合物

除上述脂类化合物外，还有许多似类脂组分，象油溶性色素、萜类化合物（terpenoids）和甾族化合物，以及许多复杂脂肪，如某些磷脂。由这些成分中的许多基本单位所组成的生物化学结构单元都是由5个碳原子组成的异戊间二烯单位。

自然界中，萜(terpene)、甾类(steroid)都是重要的天然产物，他们广泛存在于动植物中，化学性质比较稳定，在油气地球化学研究中有着特别重要的意义，是应用最为广泛的生物标志化合物。萜、甾类化合物可以视为是由若干个异戊二烯型单元头尾相连所构成的链状或环状化合物。在生物化学中萜类化学

第四章生物体的化学组成

脂类化合物的主要类型按化合物中所含异戊二烯型单元的数目，萜类可分为：单萜:C10，含2个异戊二烯单元倍半萜：C15，含3个异戊二烯单元二萜：C20含4个异戊二烯单元三萜:C30，含6个异戊二烯单元四萜:C40，含8个异戊二烯单元多萜:含8个以上异戊二烯单元3、萜（烯）类和甾类化合物

第四章生物体的化学组成

脂类化合物的主要类型3、萜（烯）类和甾类化合物

单萜烯（C10）大量地出现在高等植物和藻类中。它们被认为是新陈代谢不稳定的化合物。值得得出的是，单萜烯在干旱型气候的植物中特别多，它们富集在香精油中。它们除由植物而来的以外，也可由某些节肢动物生成。第四章生物体的化学组成

脂类化合物的主要类型3、萜（烯）类和甾类化合物

倍半萜类（C15）

它们主要来源于植树物、霉菌和海洋生物。据Harborne的不完全统计，已知的倍关萜类约1000多个，分别属于约100种碳架，其中包括：无环、单环、双环、三环等化合物。无环的分呈物如法呢醇，它是一种无环的类异戊间二烯醇。法呢醇是广泛分布的化合物，但是它仅以很小浓度出现。在某些细菌中，叶绿素以法呢醇代替叶绿醇进行酯化。单环和双环的倍半萜烯普遍出现在植物界的组分中。具有法呢醇型骨架的化合物被认为是许多环状倍半萜烯的生化前躯。倍半萜烯化合物大概完成了激素的调整。它们主要出现在植物质中。第四章生物体的化学组成

脂类化合物的主要类型3、萜（烯）类和甾类化合物

双萜类（C20）

是高等植物的普遍成分，它们形成树脂，尤其是针叶树树脂中的主要部分。在树脂中，它们与苯基丙烷衍生物，如松醇一起存在，而松醇是木质素的基本成分。多数双萜烯都呈现有两个或三个环的环状结构。在无环的双萜烯中叶绿醇是最重要的组分，它是非常丰富的叶绿素分子的一部分。第四章生物体的化学组成

脂类化合物的主要类型3、萜（烯）类和甾类化合物

三萜类（C30±）多为五元环，它出现在动植物体中，尤其以高等植物中最为丰富，是环状类异戊间二烯化合物中很重要的类别。代表性的三萜类为角鲨烯，它被认为是许多三萜烯（如乌散烷、齐墩果烷、羽扇烷）的先质。生物体中发现的许多占优势的三萜烯都被认为是古代沉积物和石油中烃类的直接前躯。虽然各种三萜类化合物在高等植物中相当丰富，但广泛存在的藿烷系列是在细菌和蓝绿藻中所发现的有相当大浓度的一类，其他的三萜类化合物，尤其是那些具有5个六元环的，似乎大都局限于在高等植物中。第四章生物体的化学组成

脂类化合物的主要类型3、萜（烯）类和甾类化合物

甾类化合物都是四环（三萜类）化合物，也叫类固醇化合物。甾族化合物在动植物界中比较广泛分布。一般而言，C27的胆甾醇更多存在与水生生物中，而C29甾醇更多存在于高等植物中。

第四章生物体的化学组成

各种有机质的平均组成及其意义

地球上的生物具有多样性，但各种生物的化学组成却基本相似。生物体内存在的元素和自然界比较起来，种类较少，大约仅有20多种。其中最多的是碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)、磷(P)和钙(Ca)，这七种元素约占生物体的99.35%；其中碳、氢、氧、氮4种元素约占到生物体的96%；其次为钾(K)、氯(C1)、镁(Mg)、钠(Na)、铁(Fe)等，它们的含量，与前述七种一起，占到生物体总量的99.9％；其余的0.1％为铜(Cu)、锰(Mn)、锌(Zn)、钴(Co)、碘(I)、钼(Mo)、氟(F)、钒(V)和硼(B)等[5]。这些元素在生物体内含量很少，所以又称微量元素。但它们的作用很重要，是生物维持生命活动必不可少的元素。不同物种的微量元素含量各有不同。第四章生物体的化学组成

各种有机质的平均组成及其意义

生物体的平均元素组成（据黄第藩，1982，王启军，1984）

第四章生物体的化学组成

各种有机质的平均组成及其意义

生化组分和演化产物的平均元素组成（据黄第藩，1982，王启军，1984）

第四章生物体的化学组成

各种有机质的平均组成及其意义

第四章生物体的化学组成

各种有机质的平均组成及其意义

由图表可以看出：（1）作为有机质的演化产物，石油相对富氢贫氧，煤化作用早期的泥炭相对贫氧富氢，而高阶煤相对富碳贫氢。与此相比，各类生化组分中，脂类在元素组成上相对富氢贫氧，与石油最为相近，而碳水化合物（纤维素），尤其是木质素，与泥炭最为接近，蛋白质则介于两者之间。由此不难理解，脂类只需要经过少许变化即可成为石油，因而应该是最为有利的成油先质，而碳水化合物和木质素可能主要倾向于成煤，但它可以成为重要的生气先质（以后介绍）。蛋白质则可能因为易于分解、丹宁等则可能因为数量较少而成烃意义有限。（2）就各类生物体与石油的元素组成的比较来说，浮游植物、浮游动物和细菌易于成油，而高等植物更易成煤。第四章生物体的化学组成

各种有机质的平均组成及其意义

代表性生物体及其不同部分的生化组分组成第四章生物体的化学组成

各种有机质的平均组成及其意义

可以看出，浮游植物（尤其是藻类）、浮游动物和细菌富含蛋白质，与高等植物相比，其类脂化合物含量较高。相反，高等植物以碳水化合物和木质素为主。因此，前三者应该更有利于成油（对成油贡献的大小还与它对沉积有机质的贡献量有关），而高等植物是成煤的主要先质。不过，高等植物中的某些部分，如孢子、种子、果实、树脂、角质、木栓质等，脂类化合物的含量也较高，而这些往往正是抵抗物理的、化学的和生物降解能力很强的组分，因此，它们在有利的条件下可能得到富集，成为重要的成油先质。煤成油可能就与此有关。第四章生物体的化学组成

各种有机质的平均组成及其意义

小结

生物体主要由碳、氢、氧、氮、硫、及磷、钙等主要元素和铁等其他十几种微量元素组成。所有的生物体基本上都由相同的化学成份糖类、蛋白质、脂类、核酸和木质素组成，但各种生物体中不同生化组分相对丰度各有差异。其中，脂类是最为有利的成油先质，而木质素和碳水化合物主要倾向于成煤。蛋白质容易分解，核酸相对于其他生物大分子更易遭受水解和氧化作用，因而这两种生化组