生命的化学组成

关于生命的化学组成1.生命的化学元素生物具有多样性，但生物体的化学组成基本相似

组成生物体的主要元素包括C、H、O、N、P、S、K、Na、Ca、等，以上元素约占生物体的99.35%，其中C、H、O、N4种元素占96%。1.1生物体的主要元素微量元素：铁、铜、锌、锰、钼、钴、镍、镉、锡、硅、碘等。第2页,共73页，2024年2月25日，星期天由生物单体分子合成生物大分子多聚体往往涉及与功能基团相关的脱水反应，又称为脱水缩合反应。使生物大分子多聚体分解为单体的分解反应往往需要有水分子参与，因此又称为水解反应。水解反应是脱水缩合反应的逆反应1.2生命的基本化学反应第3页,共73页，2024年2月25日，星期天在生命元素中，碳原子具有特别重要的作用，碳原子相互连接成链或成环，形成各种生物大分子的基本结构。1.3生命化合物的骨架与基本功能基团碳碳之间可以不同的键型相结合，形成不同长度的链状、分支链状或环状结构。碳骨架结构排列和长短决定了有机化合物的基本性质第4页,共73页，2024年2月25日，星期天生物体中的有机化合物主要含有羟基、羰基、羧基和氨基等功能基团，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。生物大分子的基本性质还取决于与碳骨架相连接的功能基团第5页,共73页，2024年2月25日，星期天生物体都是由蛋白质、核酸、脂类、糖、无机盐和水组成。哪一种分子含量最高？

生物体的主要生物分子

不同的生物体，其分子组成也大体相同蛋白质、核酸、脂类和多糖是组成生物体最重要的生物大分子，水是生物体内所占比例最大的化学成分第6页,共73页，2024年2月25日，星期天生命的物质基础遗传信息的存储和传递者——核酸遗传信息的表达者——蛋白质生命过程的催化剂——酶生命过程的碳源和能源——糖类生命体的重要构件和储能物质——脂类维持生命的重要小分子物质——维生素第7页,共73页，2024年2月25日，星期天

水占生物体的60％以上的重量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

2.生物小分子2.1水，水对生物体非常重要第8页,共73页，2024年2月25日，星期天人的各种生理活动都需要水，水可以溶解各种各种营养物质，脂肪和蛋白质等要成为悬浮于水中的胶体状态才能被吸收；水在血管、细胞间川流不息，把氧气和营养物质运送到组织细胞，再把代谢废物排出体外，总之人的各种代谢和生理活动都离不开水。水在调节体温上有一定的作用。当人呼吸和出汗时都会排出一些水分，同时带走一部分热量来降低体温，使人免于中暑。而在天冷时，由于水储备热量的潜力很大，人体不致因外界温度较低而使体温发生明显的波动。水还是体内的润滑剂，能滋润皮肤。体内一些关节囊液、浆膜液可使器官间免于摩擦受损，且能转动灵活。眼泪、唾液也都是相应器官的润滑剂。第9页,共73页，2024年2月25日，星期天糖分子含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

葡萄糖C6H12O6,蔗糖C12H22O11

脱氧核糖C5H10O4，乙酸C2H4O2糖是生物代谢反应的重要中间代谢物，还可构成核酸和糖蛋白等重要生物成分、糖又是生命活动的主要能源糖类包括小分子的单糖、寡糖和由单糖构成的大分子的多糖2.2糖类化合物第10页,共73页，2024年2月25日，星期天单糖

多羟基醛或多羟基酮称为单糖。以葡萄糖为例，葡萄糖是六碳糖单糖的生物功能：A、作为多糖的组成元件B、作为燃料C、组成寡糖参与细胞信号传递

分子式相同而结构式不同的两种有机化合物称为同分异构体，如葡萄糖和果糖，葡萄糖是六碳多羟基醛糖，而果糖是六碳多羟基酮糖第11页,共73页，2024年2月25日，星期天重要的单糖包括葡萄糖、果糖、半乳糖、核糖、脱氧核糖等第12页,共73页，2024年2月25日，星期天构型是指一个分子由于其中各原子特有的固定的空间排列，而使该分子具有的特定的立体化学形式，单糖具有L、D构型五碳糖和六碳糖等在水溶液中大多成环式结构第13页,共73页，2024年2月25日，星期天重要的二糖包括蔗糖、麦芽糖、乳糖等

二糖

麦芽糖由两分子葡萄糖单体脱水缩合形成蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖缩合形成乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖缩合而成第14页,共73页，2024年2月25日，星期天二糖寡糖由少数分子的单糖（2-10个）缩合形成的糖。二糖最常见，是两分子的单糖通过脱水缩合作用形成糖苷键连接而成重要的二糖包括蔗糖、麦芽糖、乳糖等麦芽糖由两分子葡萄糖单体脱水缩合形成蔗糖由一分子葡萄糖和一分子果糖缩合形成乳糖由一分子葡萄糖和一分子半乳糖缩合而成第15页,共73页，2024年2月25日，星期天重要的多糖有淀粉、糖原、纤维素、氨基葡聚糖等

多糖

第16页,共73页，2024年2月25日，星期天2.3氨基酸

氨基酸是指一类含有羧基并在与羧基相连的碳原子下连有氨基的有机化合物。已发现的有180多种，参与蛋白合成的共有20种天然氨基酸氨基酸的功能：（1）作为组建蛋白质的元件（2）有的氨基酸或其衍生物具有生物活性（代谢调节、信号传递等）必需氨基酸是指人体内不能合成，必须从食物中获取的氨基酸，其他为非必需氨基酸。

人体8种必需氨基酸：

异亮氨酸、亮氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、苯丙氨酸、苏氨酸、色氨酸、缬氨酸

。

第17页,共73页，2024年2月25日，星期天不同氨基酸其R基各不相同，R基的结构决定了20种氨基酸的特殊性质NH第18页,共73页，2024年2月25日，星期天

根据侧链结构和性质，可把20种氨基酸分成不同的组：中性氨基酸：

亮氨酸、异亮氨酸、甘氨酸、丙氨酸、颉氨酸酰胺氨基酸：

天冬酰胺、谷氨酰胺酸性氨基酸：

天冬氨酸、谷氨酸碱性氨基酸：

赖氨酸、精氨酸含硫氨基酸：

半胱氨酸、蛋氨酸（甲硫氨酸）含羟基氨基酸：苏氨酸、丝氨酸芳香族氨基酸：苯丙氨酸、酪氨酸杂环氨基酸：组氨酸、色氨酸、脯氨酸第19页,共73页，2024年2月25日，星期天2.4核苷酸核苷酸分子由三个部分组成：碱基（嘧啶、嘌呤）；五碳糖（核糖或脱氧核糖）；磷酸。脱氧核糖或核糖上第一位碳原子与嘌呤或嘧啶结合，就成为脱氧核苷或核苷，第三位或第五位碳原子再与磷酸结合，就成为脱氧核糖核苷酸或核糖核苷酸。第20页,共73页，2024年2月25日，星期天核苷酸的有机碱分为两类；一类是嘌呤，是双环分子；一类是嘧啶，是单环分子。嘌呤包括腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)2种嘧啶有胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)3种。DNA的碱基是A、T、G、C，RNA的碱基是A、U、G、C。第21页,共73页，2024年2月25日，星期天2.5脂肪酸脂肪酸是一类一端含有一个羧基的长的脂肪族碳氢链。脂肪酸包括有分支的或无分支的、饱和的或不饱和的（碳氢链含有双键）等类型。常见的饱和脂肪酸：软脂酸、硬脂酸常见的不饱和脂肪酸：油酸、亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸、棕榈油酸、DHA（二十二碳六烯酸）、EPA（二十碳五烯酸）不饱和脂肪酸常温下多呈液态，饱和脂肪酸多呈固态或者半固态。脂肪酸与维生素、氨基酸一样是人体最重要的营养素之一。

第22页,共73页，2024年2月25日，星期天2.6维生素维生素（Vitamin）是参与生物生长发育和代谢所必须的一类小分子有机化合物，由于体内不能合成或合成不足，所以必须有食物供给。1912年，波兰化学家从米糠中提取出一种能够治疗脚气病的白色物质—硫胺，并将其命名为Vitamine，即有拉丁文的生命（Vita）和氨（-amine）缩写而得，后来人们发现并非所有的维生素都是胺，所以去掉了词尾的e，成为Vitamin。第23页,共73页，2024年2月25日，星期天2.6维生素人们很早就意识到了微生物的存在，早在古埃及时，人们就发现近视某些事物可以避免患夜盲症，但是人们并不知道它的具体机理。中国古代的中医也已经注意到一些富含维生素的中药对疾病的预防和治疗作用。1747年英国海军军医詹姆斯.林德总结以前的经验，提出了用柠檬预防坏血病的方法，但他还不知道究竟是什么物质对环血病有抵抗作用。第24页,共73页，2024年2月25日，星期天2.6维生素维生素有以下特点：以本体或前体形式存在于天然食物中不能在体内合成，也不能大量储存，必须由食物提供机体需要量很少，但是在调节机体代谢方面起重要作用不构成组织，也不提供能量多以辅酶或辅机的形式发挥作用有的具有几种结构相近、活性相同的化合物第25页,共73页，2024年2月25日，星期天2.6维生素维生素（Vitamin）虽然是小分子，但是结构复杂，一般不用化学系统命名法。早起按发现顺序及来源用字母和数字命名，如维生素A、维生素B等同时还根据其功能命名为“抗……维生素”，如抗干眼病维生素（VA）、抗佝偻病维生素（VD）等。后来又根据其结构及功能命名，如视黄醇（VA1）、胆钙化醇（VD3）等。第26页,共73页，2024年2月25日，星期天2.6维生素维生素分为两种，水溶性维生素和脂溶性维生素水溶性维生素易溶于水而不易溶于非极性有机溶剂，吸收后体内储存很少，过量的从尿液中排除，包括B祖维生素和维生素C脂溶性维生素易溶于有机溶剂，不易溶于水，可随脂肪为人体吸收并在体内储存（主要在肝脏），排泄率不高，包括维生素A,D,E,K等。每一种维生素通常会产生多种反应，因此大多数维生素都有多种功能。第27页,共73页，2024年2月25日，星期天2.6维生素维生素在动植物组织中广泛存在，绝大多数维生素直接来源于食物人体一共需要13中维生素，其中包括4中脂溶性维生素（维生素A,D,E,K）和9中水溶性维生素（8种维生素B，维生素C）。当对某种维生素长期摄入量过低时会发生维生素缺乏症。在营养素缺乏中以维生素缺乏最为多见，维生素缺乏是一种渐进的过程。缺乏原因是维生素摄入量不够，吸收利用障碍和需要量相对增加等。第28页,共73页，2024年2月25日，星期天2.6维生素维生素A（视黄醇）维生素D维生素E维生素K（血凝维生素）维生素C（抗坏血酸）维生素B第29页,共73页，2024年2月25日，星期天维生素A1917年被发现。维生素A又称视黄醇，视网膜中的杆状细胞含有视紫红质，光明亮时视紫红质分解为视蛋白和视黄醛，光暗时联合为视紫红质。维生素A具有能促进细胞内感光物质视紫红质的合成与再生，维持正常的暗适应能力，从而维持正常视觉、维持上皮细胞的正常生长和分裂、促进生长发育、抗癌和维持正常免疫功能等作用第30页,共73页，2024年2月25日，星期天在红、黄、绿植物中含有的类胡萝卜素中约有1/10为A原，如α-胡萝卜素、β-胡萝卜素、γ-胡萝卜素，其中以β-胡萝卜素活性最高。维生素A的最好来源是动物肝脏（6500μg/100g），维生素A原的良好来源深色蔬菜与水果，如胡萝卜（835μg/100g）、西兰花（800μg/100g）、红薯（709μg/100g）、哈密瓜（169μg/100g）维生素A又称抗干眼醇，有维生素A1（视黄醇）和维生素A2（3-脱氢视黄醇）之分，前者主要存在于海鱼的肝脏中，生物活性较高，后者主要存在于淡水鱼的肝脏中，生物活性较小。肝脏是储存维生素A的场所。维生素A第31页,共73页，2024年2月25日，星期天维生素D是类固醇衍生物，是指含环戊氢烯菲环并具有钙化醇生物活性的一大类物质，一般由皮肤中的7-脱氢胆固醇在紫外线催化下发生光化学反应生成。可以调节小肠-骨骼、肾脏对钙的吸收和代谢，并且有对骨细胞的多种作用及调节基因转录作用等。维生素D第32页,共73页，2024年2月25日，星期天维生素D维生素D有D3（麦角钙化醇）和D2（胆钙化醇）两种。在人体内存在的维生素原有VitD3原和VitD2原，经紫外线照射可以转化为VitD3和VitD2。人的皮肤中的VitD原为7-脱氢胆固醇，以紫外线照射转化为VitD3（胆钙化醇），进入骨骼后有助于钙的吸收和沉积。VitD3可从膳食中取得，如鸡蛋，猪肝，奶油等。维生素D缺乏症表现为小儿佝偻病，成人骨质软化症，老年人骨质疏松症。维生素D摄入过多会使柔软组织产生钙化现象。第33页,共73页，2024年2月25日，星期天维生素E又称生育酚，含有一个芳香环和一个长的异戊二烯侧链。疏水性，常与细胞膜、脂质沉淀物和血液中的脂蛋白结合，通过与氧化基团和其他一些自由集团发生反应破坏它们的氧化活性，保护细胞膜不被这些基团破坏。维生素E吸收与肠道脂肪有关，影响脂肪吸收的因素也影响维生素E的吸收。大部分被吸收的维生素E通过乳糜微粒到肝脏，为肝细胞所摄取。维生素E含量丰富的食物有植物油、坚果、豆类、谷类、蛋类、内脏、绿叶蔬菜等。维生素E第34页,共73页，2024年2月25日，星期天维生素E天然的维生素E有8种，即α、β、γ、δ、ξ2、η、ε、ξ1。维生素E不足会引起：1.溶血性贫血；2.肠胃不适、阳痿、水肿、皮肤病害、肌肉萎缩等；3.月经失调、末梢血液循环障碍所致的手脚虚冷、冻伤等；4.慢性脂肪吸收不良；5.膀胱纤维症、血小板增多、掉发、头发干燥维生素过多会引起：1.头昏、晕眩、恶心、疲劳等；2.血脂过高，血液凝固障碍；3.血清甲状腺素下降；4.降低维生素A、维生素K的利用；5.肠胃不适。第35页,共73页，2024年2月25日，星期天维生素C维生素C又称抗坏血酸，是水溶性的维生素。为一含6碳的α-酮基内酯的弱酸，有酸味，是一种还原剂，其水溶液很不稳定，在有氧或碱性环境中极易氧化。维生素C在小肠被吸收，血浆中维生素C可逆浓度转运至许多组织细胞中去，并在其中形成高浓度积累人不能在体内合成VitC，必须从食物中获得，否则出现坏血病，表现为毛细血管脆弱，皮肤出现小血斑，牙龈发炎出血，牙齿松动。第36页,共73页，2024年2月25日，星期天维生素C可以参与体内氧化还原反应，作为一种电子供体，具有多种生理功能，如：抗氧化作用、提高体内-SH水平、促进铁的吸收，还可以参与羟化反应，并发挥以下作用：1.维持胶原蛋白的正常功能。维生素C是赖氨酸和脯氨酸羟化为羟赖氨酸和羟脯氨酸，后两者是胶原蛋白的主要成分2.参与胆固醇的羟化，是胆固醇转变为胆酸，降低胆固醇含量维生素C第37页,共73页，2024年2月25日，星期天人体无法存储维生素C，如果不及时补充体内的维生素C会很快消耗，典型的维生素C缺乏症为坏血症，在临床上有多种表现症状，如皮肤出现红色斑点，海绵状的牙龈，并易出血，皮肤的斑点多分布在腿部，患者脸色苍白，沮丧，部分患者甚至无法自行活动，严重的坏血病会出现开放性的溃烂伤口，牙齿脱落，最终死亡。维生素C第38页,共73页，2024年2月25日，星期天3.生物大分子

蛋白质、核酸、脂类和多糖是组成生物体最重要的生物大分子，其中蛋白质占15％，核酸占7％，糖占3％，脂类占2％，无机盐占1％。水占70％左右。

由生物小分子到生物大分子，分子增大，其中最主要的特点是：生物大分子有独特的立体结构、空间构型和分子整体形状。第39页,共73页，2024年2月25日，星期天生物小分子和生物大分子的关系

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）糖苷键肽键磷酸二脂键C-C、双键、羰基等第40页,共73页，2024年2月25日，星期天3.1多糖的结构与功能糖分子含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,，故曾被称为碳水化合物糖是生物代谢反应的重要中间代谢物，糖类是细胞重要的结构成分，可构成核酸和糖蛋白等重要生物成分、糖又是生命活动的主要能源多糖由许多单糖分子缩合、脱水而成。根据其单糖组分分为同聚多糖和杂多糖。多糖可以作为能量贮存物质如淀粉、糖原，人体内作为能源的糖类主要是糖原和葡萄糖，糖原是糖的贮存形式，在肝脏和肌肉中含量最多，而葡萄糖是糖的运输形式，两者均可氧化而释放能量。一些多糖也可作为动植物的结构支架，如纤维素、几丁质。此外很多多糖具有复杂的生理功能，如一些植物多糖具有抗病毒作用。

第41页,共73页，2024年2月25日，星期天重要的多糖有淀粉、糖原、纤维素、氨基葡聚糖等第42页,共73页，2024年2月25日，星期天多糖链的高级结构

不同高级结构带来不同的生物学性能淀粉形成螺旋状能源贮存纤维素呈长纤维状结构支架第43页,共73页，2024年2月25日，星期天淀粉糖元纤维素第44页,共73页，2024年2月25日，星期天3.2蛋白质的结构与功能一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基脱水缩合形成肽键氨基酸通过肽键联成肽链

第45页,共73页，2024年2月25日，星期天一条肽链的两端有不同结构和性质：肽链有方向性：氨基端（N端），羧基端（C端）一端的氨基酸残基带有游离氨基，称氨基端；另一端的氨基酸残基带有游离羧基，称羧基端。第46页,共73页，2024年2月25日，星期天寡肽：含有10左右氨基酸残基（如二肽、五肽、八肽）多肽：含10－20个氨基酸残基多肽是形成蛋白质分子的亚单位。

蛋白质：由20种L-型α氨基酸组成的长链生物大分子，含几十个氨基酸残基

第47页,共73页，2024年2月25日，星期天

结构蛋白伸缩蛋白

贮存蛋白保护蛋白

运输蛋白激素蛋白信号蛋白

酶和辅酶蛋白质的主要种类与功能结构功能防御功能信号功能调节功能运输功能运动功能其他功能第48页,共73页，2024年2月25日，星期天蛋白质的高级结构

蛋白质的一级结构是指肽链中氨基酸的排列顺序蛋白质的二级结构是指邻近几个氨基酸形成的一定的结构形状。如：α－螺旋和β－折叠第49页,共73页，2024年2月25日，星期天

蛋白质的四级结构是指各条肽链之间的位置和结构。（亚基组成的寡聚蛋白结构）所以，四级结构只存在于由两条肽链以上组成的蛋白质。

蛋白质的三级结构是指整条肽链盘绕折叠形成一定的空间结构形状。如纤维蛋白和球状蛋白。

第50页,共73页，2024年2月25日，星期天蛋白质的特定构象即蛋白质的三维空间结构和形态对于蛋白质的功能起决定性的作用。如纤维蛋白可作为结构蛋白蛋白质变性（构象发生变化）使得其特定的功能便立即丧失。加热、紫外线照射、化学因素、重金属盐、高压蛋白质结构与功能的关系第51页,共73页，2024年2月25日，星期天蛋白质的空间作用力

氢键盐键(离子键)疏水键范德华力二硫键脂键第52页,共73页，2024年2月25日，星期天盐键(离子键）氢键二硫键疏水键氢键氢键疏水键蛋白质的空间作用力

第53页,共73页，2024年2月25日，星期天脂类的组成和功能脂类是指生物体内不溶于水而溶于有机溶剂的各种分子,是脂肪、和类脂及其衍生物的总称。脂类分子也含C、H、O3种元素，但H:O远大于2，有些脂含P和N，各种脂类分子的结构可以差异很大脂类不溶于水，可溶于非极性溶剂。脂类是生物膜的主要成分；脂肪氧化时产生的能量大约是糖氧化时的二倍。脂类是生物表面的保护层/保持体温/生物活性物质3.3脂类化合物第54页,共73页，2024年2月25日，星期天（1）脂肪脂肪是由1分子甘油和3分子脂肪酸构成的酯，故称三脂酰甘油或甘油三酯。如三个脂肪酸相同，称为简单三酰甘油（简单甘油三脂），否则称为混合三酰甘油（混合甘油三脂）多数天然油脂都是简单甘油三脂与混合甘油三脂的复杂混合物第55页,共73页，2024年2月25日，星期天类脂是一些物理性质与脂肪相似的生物分子，主要包括磷脂、糖酯、胆固醇及胆固醇酯。

磷脂又称磷酸甘油脂，与脂肪不同之处在于甘油的一个羟基不是与脂肪酸结合成酯，而是与磷酸及其衍生物(如磷酸胆碱)结合，形成。常见如卵磷脂、脑磷脂（2）磷脂第56页,共73页，2024年2月25日，星期天卵磷脂是生物膜脂质双层的主要成分，磷酸胆碱一端为极性的头，两个脂肪酸一端为非极性的尾，其中一个脂肪酸通常含不饱和双键，因此总有点弯折。卵磷脂控制肝脂代谢，防止脂肪肝，在蛋黄、脑、红细胞中极多第57页,共73页，2024年2月25日，星期天

类固醇如胆固醇等脂类也是细胞膜的重要成分（3）类固醇1

固醇类的内核由4个环组成2

一些人体重要维生素（维生素D）和激素是固醇3胆固醇是细胞的必要成份（尤其内脏中），生物膜的透性、对毒素的保护4血清中的胆固醇太多会促使形成动脉硬化和心脑血管疾病第58页,共73页，2024年2月25日，星期天核酸贮存遗传信息，控制蛋白质的合成核酸包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA),都是由许多顺序排列的核苷酸组成的大分子。贮存遗传信息的特殊DNA片段称为基因，它编码蛋白质的氨基酸序列，从而决定蛋白质的功能。通过蛋白质的作用，DNA实际上控制着细胞和生物体的生命过程DNA控制蛋白质的合成是通过RNA来实现的，即遗传信息由DNA转录到RNA，后者决定蛋白质的氨基酸序列3.4核酸第59页,共73页，2024年2月25日，星期天参加大分子核酸组成的共有8种核苷酸

DNA水解液中

RNA水解液中腺嘌呤脱氧核苷酸（dAMP）腺嘌呤核苷酸（AMP）鸟嘌呤脱氧核苷酸（dGMP）鸟嘌呤核苷酸（GMP）胞嘧啶脱氧核苷酸（dCMP）胞嘧啶核苷酸（CMP）胸腺嘧啶脱氧核苷酸（dTMP）尿嘧啶核苷酸（UMP）第60页,共73页，2024年2月25日，星期天多个核糖核苷酸以磷酸顺序相连成长链的多核苷酸分子，即成为核酸的基本结构脱氧核糖核酸、核糖核酸的结构TTT第61页,共73页，2024年2月25日，星期天DNA一级结构5

-磷酸3

-羟基碱基脱氧核糖第62页,共73页，2024年2月25日，星期天

DNA分子是由两条脱氧核糖核酸长链互以碱基配对相连而成的螺旋状双链分子；

DNA主要存在于细胞核内的染色质中，线粒体和叶绿体中也有，是遗传信息的携带者。1953年JamesWatson和FrancisCrick描述了DNA双螺旋结构,标志了现代遗传学时代的开始DNA双螺旋结构第63页,共73页，2024年2月25日，星期天DNA双螺旋