竞赛-普通生物学

全国中学生生物学联赛（以下简称全国生物学联赛）；全国中学生生物学竞赛（以下简称全国生物学竞赛）对外称中国生物学奥林匹克，英文名称为：ChinaNationalBiologyOlympiad英文名

称缩写为CNBO；由中国动物学会和中国植物学会联合主办，由在校高中学生自愿参加的群众性生物学科竞赛活动。中国动物（植物）学会网站---全国中学生生物学联赛、竞赛实施细则（截选）

第1篇

细胞第二章生命的化学基础

一、原子与分子二、生物大分子三、糖类四、脂质五、蛋白质六、核酸

2.1原子与分子2.1.1生命需要多种元素元素是由原子组成的，原子是物质的最小的单位（化学变化）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微量元素（痕量元素）2.1.2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占约生物体的60％--90％的重量第一，水是极性分子电负性：一个原子吸引电子的能力（O>H）水是极好的溶剂，许多极性分子易溶于水亲水作用和疏水作用第二，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——氢键第三，液体水的水分子具内聚力如植物水的蒸腾、昆虫在水上爬行（表面张力）第四，水具有高的比热（氢键）。水分子之间的氢键使水能缓和温度的变化（例：1.细胞内无时无刻都在进行大量的生化反应，这些反应大都伴随着热量的产生。2.如沿海较温和。3.氢键使水有高的蒸发热，水分的蒸发起到高效的冷却作用，比如说人可以出汗散热）2.1.3无机盐和pH1.生物体内的无机盐大多溶解在水中，以离子的形式存在。

2.pH的维持相对稳定需要缓冲液（弱酸及盐或者弱碱及盐）人体的缓冲体系？2.2

组成细胞的大分子

碳最外层有4个电子空位，极易与其他原子共用4对电子形成4个共价键，碳原子之间也能共价连接成碳骨架。

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、碳酸盐和氰化物、硫氰化物等简单化合物外的含碳化合物的统称。决定分子主要化学性质的特殊原子或基团----官能团共同特点：有极性，O和N有很强的电负性，能够吸引电子，因此，所有含有这些基团的化合物都是亲水的。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）单体多聚体脱水合成合成大分子（脱水缩合）大分子分解（水解）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,因此糖过去又被称为碳水化合物(carbohydrate)。当然，有些糖的组成并不符合这个通式，如

DNA的重要组成成分脱氧核糖，

分子式为C5H10O4;

而组成为(CH2O)n的分子也不都是

糖，如甲醛HCHO(其4%的水溶液为福尔马林)、乙酸CH2COOH(醋的有效成分)等。

糖类按照聚合程度，有单糖、寡糖和多糖之分。单糖不是聚合物，不能水解为更小的单位，是组成寡糖和多糖的单体；寡糖由几个单糖聚合而成，最常见也最有生理意义的寡糖是二糖;

多糖是由糖的单体聚合而成的长链，一般没有甜味。葡萄糖果糖（比葡萄糖甜）葡萄糖和果糖是异构体，它们之间的区别仅在于原子的排列不同，具体地说，仅在于羰基的位置不同。单糖特点：

一是有许多羟基，二是有羰基。羰基或在分子一端(如葡萄糖)成为醛基，或在分子中间，成为酮基(如果糖),所以糖在化学上其实是多羟基醛或多羟基酮。2.3.1单糖

葡萄糖果糖半乳糖

甘油醛（最简单的糖）

核糖

脱氧核糖

2.3.2单糖的旋光异构

当偏振光穿过某些特定物质或某些物质的溶液时，光的振动平面会发生旋转，这种现象称为旋光性。两个互为镜像的有机分子形成的溶液，一个使偏振光向左旋转

(记作L),

另一个就会使偏振光向右旋转

(记作D),这样的分子也叫手性分子，就如同我们的左右手一样，互为镜像。

为了标记手性分子，以最简单的糖——甘油醛作为标准，人为规定费歇尔投影式中甘油醛的羟基在右的异构体为右旋，称为D-

甘油醛，羟基在左的为左旋，称为L-

甘油醛。其他手性分子均与甘油醛对比，以确定是D型还是

L型(图)。D-甘油醛L-甘油醛葡萄糖含有4（2-5号）个不对称碳原子，一定是手性分子。化学中规定，应比较不对称碳原子编号最大的一个，即第5位碳原子。经与甘油醛对比，天然葡萄糖的构型与D-

甘油醛一致，即葡萄糖为

D型。进一步研究表明，生物体内的糖，无论其含有几个碳原子，也不管是酮糖还是醛糖，只要是手性分子，绝大部分构型均为D

型，极少量L型的糖存在于某些藻类植物中。L型糖

和D型糖的有机化学性质没有任何区别，但在生物体内的性质却截然不同：L

型糖不能被糖代谢的相关酶所识别和利用，但它们同样有甜味，能够满足我们的口感。因此，这样的甜食吃得再多，也不会发胖，而且不会发生蛀牙，因为细菌同样不会利用它们。

D-葡萄糖

D-甘油醛

D-果糖需要注意，单糖是D型还是L型，只是与甘油醛对比的结果，与单糖实际的旋光性无关。因为分子中的很多基团都影响旋光性，不仅仅是作比较的那个不对称碳原子，所以D型糖完全可能使光左旋，如D-果糖就是如此。2.3.3糖的环式结构

五碳糖或六碳糖在溶液中大多以环式结构存在，链式的很少，以葡萄糖为例。半缩醛反应半缩醛羟基2.3.4二糖

麦芽糖存在于发芽的谷粒、麦芽等，主要来自淀粉水解，由两分子葡萄糖以α(1

→

4)糖苷键连接而成，其中在糖苷键形成过程中提供半缩醛羟基的是α-D-葡萄糖。我们嚼干馒头时会感觉有甜味，就是

因

为

唾

液

淀

粉

酶

将

一

部

分

淀

粉

水

解

为

麦

芽

糖

的

缘

故。

糖瓜(关东糖)、饴糖也主要是麦芽糖，麦芽糖不是很甜，甜度只有40多。麦芽糖日常食用的糖主要是蔗糖，存在于甘蔗、甜菜和各种有甜味的水果中。它是植物中糖的运输形式，也

是

甘

蔗

等

植

物

中

糖

的

主

要

储

存

形

式

。

人

体内糖以葡萄糖形式运输，而植物和许多其他生物中，为减少糖在运输中的损失(氧化),采取二糖形式运输，因为普通的与葡萄糖利用有关的酶无法打开二糖的键。蔗糖由a-

葡

萄

糖

和β

-

果

糖以αl→β2糖

苷

键

结

合

。蔗糖乳

糖

是

人

类

和

很

多

哺

乳

动

物

乳

汁中唯

一的糖，牛奶中的含量为4%,人乳中为5%~7%。乳糖由α-葡萄糖和β-半乳糖以β(1→4)糖苷键连接。乳糖不太甜，甜度不到40。乳糖依靠小肠腔内的乳糖酶水解为葡萄糖和半乳糖，才能被吸收利用。很多成年人乳糖酶缺乏，导致乳糖无法被分解和吸收而滞留于肠道，渗透压增大，使肠腔充水，造成腹泻。乳糖2.3.2多糖

淀粉是植物光合作用的产物，是由葡萄糖分子通过α糖苷键缩合而成，分为直链淀粉和支链淀粉两种。直链淀粉由200~300个葡萄糖分子缩合而成，呈卷曲的螺旋形。支链淀粉更大，由6000个或更多葡萄糖残基组成。除直链中的a(1→4)

糖苷键外，支链淀粉（粘性大）中每隔24~30个葡萄糖残基，还依靠α(1→6)糖苷键形成分支，分支上还可以再分支。糖原的化学结构与淀粉相似，只是分支更多，每

8~12个葡萄糖残基就有

一

个分支。动物中合成和储存糖原的器官主要有肝和骨骼肌。

淀粉

糖原纤维素

此处可与其他纤维素形成氢键纤维素的基本结构单元也是葡萄糖，但纤维素链没有分支。尤为重要的是，纤维素中葡萄糖单体间的连接方式与淀粉或糖原不同：淀粉中的葡萄糖以α糖苷键连接，而纤维素中的葡萄糖之间以β(1→4)糖苷键连接。虽然单糖的α构型和β构型在溶液中可以相互转换，但在多糖中，由于半缩醛基形成糖苷键，糖环无法再打开成链状，α与β之间的转化无法再进行。因此，纤维素中的β糖苷键，无法在水环境中自发变成α糖苷键。我们体内的淀粉酶只能识别α糖苷键，无法识别β糖苷键，所以我们无法消化纤维素。几丁质

几丁质也是一种常见多糖，它是节肢动物(如昆虫、甲壳类)外骨骼的主要成分，也是真菌细胞壁的主要成分。几丁质由N-乙酰

-D-葡糖胺通过β(1→4)糖苷键形成，所以几丁质除C、H

和

0

外，

还含有

N。

脂质（大多数是非极性的，疏水）难溶于水，而易溶于氯仿、苯、乙醚等有机溶剂，所以在外观上呈现油的状态。脂质主要由碳和氢两种元素组成，与糖类相比，脂质中氧元素的含量低得多。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脂质不是大分子，也不是聚合物2.4.1脂肪是脂质中主要的贮能分子（最常见的脂质）

甘油

脂肪酸

脂肪（R代表不同的长碳氢链）脱水缩合

脂肪由甘油和脂肪酸通过脱水缩合而形成。脂肪酸羧基中的—OH

与

甘油羟基中的—H结合而失去一分子水，于是甘油与脂

肪酸之间形成酯键，便成为脂肪分子水解脂肪酸：由一条长的烃链和一个末端羧基组成的羧酸。不饱和脂肪酸：有双键饱和脂肪酸：没有双键含双键的脂肪（不饱和的）在常温下是液态（植物油），膳食中饱和脂肪太多会引起动脉粥状硬化，因为饱和脂肪酸会刺激胆固醇合成。甘油三酯分子结构长链脂肪酸还可以与一些长链的一元醇形成酯，

称为蜡(wax)

。

蜡的疏水性比脂肪更强，可保护生物体

的表面。例如，苹果、梨的表皮上都有一层蜡，可以保护这些果实，避免干燥。有些动物的表面也有蜡，例如，昆虫就有蜡保护着其躯体，避免干燥，蜜蜂用蜡构建蜂巢。2.4.2磷脂是形成生物膜的重要脂质磷酸可以取代脂肪酸，与甘油的羟基形成酯键。三酰甘油中，

一个脂肪酸侧链被磷酸取代，形成磷脂酸，磷酸上再连接其他醇类，形成甘油磷脂。如磷酸基团连上胆碱，叫做磷脂酰胆碱，即卵磷脂,

存在于动物各种组织和脏器中，因其首先从卵黄中被发

现而得名。卵磷脂是肝脂蛋白合成的原料，若缺乏，则脂蛋白合成发生障碍，脂肪在肝蓄积，发生脂肪肝。磷脂分子结构磷脂分子可以看成是一个极性头，两条非极性尾巴。类固醇是含有由碳链形成的4个环的脂类，其中3个为六元环(多氢菲),1个五元环(环戊烷)。除胆固醇外，动物的性激素、维生素D和肾上腺皮质激素等都是类固醇。有一些类固醇药物称为促蛋白合成类固醇是人工合成类似雄性激素的药物，能促进肌肉发达，增强体力，常为一些运动员所服用。2.4.3类固醇和萜是不含酯键的脂质胆固醇以低密度脂蛋白的形式运输到细胞中，参与细胞膜的组建。胆固醇摄入量过多，低密度脂蛋白携带胆固醇沉积于血管壁，致使血管内皮增生，血管腔变窄，造成动脉粥样硬化。萜

类

是异戊二烯的聚合物，由异戊二烯构件分子生物合成，属于单环二萜。天然橡胶以及某些植物有特殊气味的挥发性物质，如薄荷油、樟脑等，都是萜。β胡萝卜素也属于萜类化合物，它是一种重要的捕

光色素，对植物光合作用很重要。动物摄入的β胡萝卜素在体内可以断裂形成两个维生素A分子，视黄醛是维生素A

的氧化产物，对眼的感光有重要作用。脂肪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β葫萝卜素2.5

蛋白质2.5.1蛋白质仅由20种（α-氨基酸）氨基酸组成由α-氨基酸的结构通式还可以看出，α-碳原子是一个不对称碳原子(除甘氨酸),所以氨基酸也存在旋光异构，组成蛋白质的氨基酸都是L型。2.5.2蛋白质的结构决定其功能多肽链中氨基酸的排列顺序就是蛋白质的一级结构。一级结构中部分肽链的卷曲或折叠产生二级结构,二级结构主要包括α螺旋和β折叠等。α螺旋中，肽链呈螺旋形盘绕，氨基酸羰基氧与羧基端第四个氨基酸残基α-氨基的氢形成的氢键，是维持α螺旋的主要力量。α螺旋是很多纤维状蛋白质的主要结构，如组成指甲、毛发、蹄、角等的α角蛋白。β折叠依靠平行肽链间的氢键维持，较α螺旋要伸展。如蚕丝、蜘蛛丝等主要是β折叠结构。2.5.2蛋白质的结构决定其功能蛋白质的二级结构可以结合成模体,也叫做超二级结构，如：βaβ,它位于很多蛋白质与核酸结合部位的中心；螺旋-转角-螺旋，许多蛋白质靠它与DNA双链结合。二级结构和超二级结构还可以进一步形成相对独立的结构与功能单元，称为结构域。结构域之间以肽段连在一起。一个结构域通常由几十至200个氨基酸残基组成，在真核生物中通常由一个独立的外显子编码。2.5.2蛋白质的结构决定其功能三级结构是指整条肽链折叠形成的特定空间结构，主要依靠疏水氨基酸的疏水作用和称为范德华力的分子间作用力以及离子键、氢键非共价键维持。半胱氨酸之间形成的二硫键则起到稳定业已形成的三级结构的作用。对于只含有一条肽链的蛋白质(如溶菌酶),三级结构就是最高级的结构了。由两条或多条肽链组成的蛋白质，还有四级结构。组成这种蛋白质的各个多肽，称为亚基,蛋白质亚基间的结合方式叫做四级结构。2.5.3蛋白质的一级结构决定高级结构RNA酶变性后复性实验

透析除去尿素RNA酶会完全恢复活性，8个半胱氨酸也以变性前一样的方式，两两形成二硫键。如果肽链折叠是随机的，8个半胱氨酸形成4个二硫键的方式有105种之多，而RNA酶只采用了天然存在的那一种，可见形成蛋白质高级结构的信息蕴藏在一级结构之中。2.5.3蛋白质的一级结构决定高级结构蛋白质天然的高级结构是能量最低的状态，所以较短的肽链依靠其氨基酸残基侧链基团与水的相互作用而自动折叠成天然的构象。对较大的蛋白质，由于其结构的复杂性，在折叠过程中需要其他蛋白质的帮助，以防止折叠中发生错误。这些帮助其他蛋白质折叠的蛋白质，叫做分子伴侣。因此，大的蛋白质变性后，很难自动恢复原先的结构。

双缩脲反应：含有两个或两个以上肽键的化合物都能与CuSO4碱性溶液发生双缩脲反应而生成紫色的络合物。利用这个反应借助分光光度计可以测定蛋白质的含量。2.6核酸核酸是通过核苷酸间脱水连接而形成的。核苷酸中3'-C上的羟基与下一个核苷酸中磷酸基团上一个羟基的氢脱水，形成一个磷酸酯键，从而将两个核苷酸连接起来。这样一个个地连下去，便形成了多核苷酸，即核酸。脱水后一个核苷酸的磷酸基团与下一个单体的糖相连，其结果是在多核苷酸中形成了一个重复出现的糖-磷酸主链，磷酸两端都依靠酯键分别与戊糖的3'-C和5'-C相连，形成3',5'-磷酸二酯键。3',5'-磷酸二酯键及多核苷酸核苷酸中戊糖和碱基都是环状结构，碱基更复杂，因而优先使用“1”"2"“3”命名环上的原子，而戊糖环中的原子只能用“1”“2'"“3'”来命名，以免混淆。这就是核酸中“3'"“5'”的来历。

1953年，美国生物学家沃森和英国物理学家克里克，共同提出了DNA分子的双螺旋结构模型。——DNA的二级结构2.6.2DNA双螺旋沃森（左）和克里克（右）在构建DNA模型在生命的“旋梯”上奥地利著名生物化学家查哥夫研究得出：腺嘌呤（A）的量总是等于胸腺嘧啶（T）的量(A=T)，鸟嘌呤（G）的量总是等于胞嘧啶（C）的量(G=C)。1951年，英国科学家威尔金斯和富兰克林提供了DNA的X射线衍射图谱。Watson-Crick双螺旋结构模型两条反向平行（一条5’→3’，另一条3’→5’）的多核苷酸链绕同一中心轴相互缠绕，形成右手双股螺旋。碱基位于双螺旋的内侧，磷酸与脱氧核糖在双螺旋外侧，构成DNA分子的骨架；外部亲水，内部疏水。磷酸脱氧核糖含氮碱基AAATTTGGGGCCCATC

碱基平面接近与纵轴垂直，糖环的平面接近与纵轴平行。双螺旋是一种有规律的结构平均直径2nm螺距3.4nm每旋转