生命现象与化学Word文件下载.docx

1、凡能水解成少数（26个）单糖分子的称为寡糖（又称低聚糖），其中以双糖存在最为广泛，人们食用的蔗糖（来自甘蔗和甜菜）就是由葡萄糖和果糖形成的双糖，甜度较差的麦芽糖（来自淀粉）可用做营养基和增养基，来自乳汁的乳糖甜度适中，用于食品工业和医药工业，它们也都是双糖。凡能水解为很多个单糖分子的糖为多糖。多糖广泛存在于自然界，是一类天然的高分子化合物。多糖在性质上与单糖、低聚糖有很大的区别，它没有甜味，一般不溶于水。与生物体关系最密切的多糖是淀粉、糖原和纤维素。淀粉是麦芽糖的高聚体，完全水解后得到葡萄糖。淀粉有直链淀粉和支链淀粉两类。直链淀粉含几百个葡萄糖单位，支链淀粉含几千个葡萄糖单位。在天然淀粉中直链

2、的约占2226，它是可溶性的，其余的则为支链淀粉。当用碘溶液进行检测时，直链淀粉液呈显蓝色，而支链淀粉与碘接触时则变为红棕色。图91和图92分别为直链淀粉和支链淀粉结构示意图。淀粉是植物体中贮存的养分，存在于种子和块茎中，各类植物中的淀粉含量都较高，大米中含淀粉6286，麦子中含淀粉5775，玉蜀黍中含淀粉6572，马铃薯中则含淀粉1214。淀粉是食物的重要组成部分，咀嚼米饭等时感到有些甜味，这是因为唾液中的淀粉酶将淀粉水解成了单糖。食物进入胃肠后，还能被胰脏分泌出来的淀粉酶水解，形成的葡萄糖被小肠壁吸收，成为人体组织的营养。支链淀粉部分水解可产生称为糊精的混合物。糊精主要用作食品添加剂、胶水

3、、浆糊，并用于纸张和纺织品的制造（精整）等。糖原又称动物淀粉，是动物的能量贮存库。糖原的结构与支链淀粉有基本相同的结构（葡萄糖单位的分支链），只是糖原的分支更多。糖原呈无定形无色粉末，较易溶于热水，形成胶体溶液。糖在动物的肝脏和肌肉中含量最大，当动物血液中葡萄糖含量较高时，就会结合成糖原储存于肝脏中，当葡萄糖含量降低时，糖原就可分解成葡萄糖而供给机体能量。纤维素是自然界中最丰富的多糖。它是没有分支的链状分子，与直链淀粉一样，是由D葡萄糖单位组成。纤维素结构与直链淀粉结构间的差别在于D葡萄糖单位之间的连接方式不同。由于分子间氢键的作用，使这些分子链平行排列、紧密结合，形成了纤维束，每一束有100

4、200条纤维系分子链。这些纤维束拧在一起形成绳状结构，绳状结构再排列起来就形成了纤维素，如图93所示。纤维素的机械性能和化学稳定性与这种结构有关。淀粉与纤维素仅仅是结构单体在构型上的不同，却使它们有不同的性质。淀粉在水中会变成糊状，而纤维素不仅不溶于水，甚至不溶于强酸或碱。人体中由于缺乏具有分解纤维素结构所必需的酶（生物催化剂），因此纤维素不能为人体所利用，就不能作为人类的主要食品。但纤维素能促进肠的蠕动而有助于消化，适当食用是有益的。牛、马等动物的胃里含有能使纤维素水解的酶，因此可食用含大量纤维素的饲料。纤维素是植物支撑组织的基础，棉花中纤维素含量高达98，亚麻和木材中含纤维素分别为80和5

5、0左右。纤维素是制造人造丝、人造棉、玻璃纸、火棉胶等的主要原料。生物界对能量的需要和利用均离不开糖类。生物界对太阳能的利用归根到底始于植物的光合作用和CO2的固定，与这两种现象密切有关的都是糖类的合成。光合作用是自然界将光能转变为化学能的主要途径。光合作用是一个很复杂的过程，其总反应为CO2和H2O在叶绿素的作用下吸收太阳能转化为高能的糖类。在光合作用中，CO2被还原为糖，而H2O被氧化成O2：6CO2+24H+24e-C6H12O6+6H2O12H2O6O2+24H+24e-叶绿素是含镁的配合物，具有复杂的结构，它能吸收可见光。当叶绿素吸收光子后，能量就被称为叶绿体的植物细胞中的亚细胞组分所

6、摄取，通过一系列的步骤以化学势能的形式将能量贮存起来。然后转移给通用的“生化能量贮藏室”三磷酸腺苷（ATP）。上述的光合作用常称为光反应（在光照射下才发生的反应），能在黑暗中进行的反应称为暗反应。在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。植物能通过光合作用而制造糖类，动物不能发生光合作用，但可通过摄取植物而得到。动植物体内发生代谢作用时，碳水化合物氧化成CO2和H2O（光合作用的逆反应），同时释放出能量，以供生命活动的需要。光合作用是自然界的基本反应之一，说不清它已发生了几亿年，但认识光合作用的机理却是近年的科技成果，德国科学家Deisenhofer J，Huber R和Mi

7、cher H因阐明光合作用机理而获诺贝尔化学奖。糖类不仅是生物体的能量来源，而且在生物体内发挥其他作用，因为糖类可以与其他分子形成复合物，即复合糖类。例如糖类与蛋白质可组成糖蛋白和蛋白聚糖，糖类可以与脂类形成糖脂和多脂多糖等。复合糖类在生物体内的种类和结构的多样性及功能的复杂性，更是超过了简单糖。糖类在生物界的重要性还在于它对各类生物体的结构支持和保护作用。很多低等动物的体外有一层硬壳，组成这层硬壳的物质被称为甲壳质，它是一种多糖，其化学组成是N乙酰氨基葡萄糖。甲壳质的分子结构因此也和纤维素很相似，具有高度的刚性，能忍受极端的化学处理。在动物细胞表面没有细胞壁，但细胞膜上有许多糖蛋白，而且细胞

8、间存在着细胞间质，其主要组分是结构糖蛋白和多种蛋白聚糖构成，另外，还有含糖的胶原蛋白，胶原蛋白也是骨的基质。这些复合糖类对动物细胞也有支持和保护作用。糖类还能通过很多途径影响生物体的生老病死，其中有些是有益于健康的，有些是有害的。在生物体内有很多水溶性差的化合物，有的来自食物（有的是体内的代谢产物），它们长期储存在体内是有害甚至有毒的。生物体内有一些酶能催化葡萄糖醛酯和许多水溶性差的化合物相连接，使后者能溶于水中，进而被排出体外，这时糖类起到了解毒的作用。1.2蛋白质、氨基酸、肽键蛋白质是细胞里最复杂的、变化最大的一类大分子，它存在于一切活细胞中。1839年德国化学家Mulder G T给这类

9、化合物起名叫做蛋白质（Protein），意思是“头等重要的”。所有的蛋白质都含C，N，O，H元素，大多数蛋白质还含S或P，或其他元素如Fe，Cu，Zn等。多数蛋白质的分子量范围在1.2万至100万间。蛋白质是分子量很大的聚合物，水解时产生的单体叫氨基酸。蛋白质的种类繁多，功能迥异，各种特殊功能是由蛋白质分子里氨基酸的顺序决定的，氨基酸是构成蛋白质的基础。氨基酸是碳羧基（COOH）旁边的碳上有一个氨基（NH2）的有机酸。氨基酸的结构通式如下：氨基酸中的R基侧链是各种氨基酸的特征基因。最简单的氨基酸是甘氨酸，其中的R是一个H原子。人体内的主要蛋白质大约由20种氨基酸组成，它们的R基团如表91所示。

10、蛋白质中的氨基酸是L构型。（氨基酸有L构型和D构型，它们彼此类似但构型不同，将它们重叠时，它们并非等同，而是互为镜象，不能重叠，这两种构型分别为L型和D型。单糖也有D，L两种异构体，与人类关系密切的是D葡萄糖和D果糖。）人体需要L氨基酸而不能利用D氨基酸。L和D构型的氨基酸如下所示：蛋白质分子中氨基酸连接的基本方式是肽键。一分子氨基酸的羧基与另新生成的化合物称为肽。肽分子中的酰胺键亦称肽键。*代表必需氨基酸；精氨酸和组氨酸对儿童为必需氨基酸，但对成人却不是必需氨基酸。最简单的肽由两个氨基酸组成，称为二肽。例如两个甘氨酸分子缩合成二肽，甘氨酰甘氨酸（符号为GlyGly）：肽键中的氨基酸由于参与肽

11、键的形成已经不是原来完整的分子，因此称为氨基酸残基。含有三个、四个、五个等氨基酸残基的肽分别称为三肽、四肽、五肽等。肽的命名是根据参与其组成的氨基酸残基来确定的，通常从肽键的NH2末端氨基酸残基开始，称为某氨基酰某氨基酰某氨基酸。具有下列化学结构的五肽命名为丝氨酰甘氨酰酪氨酰丙氨酰亮氨酸，可用符号SerGlyTyrAlaLeu表示。若由两种不同的氨基酸如甘氨酸和丙氨酸来进行缩合，则可能形成两种不同的二肽：多个氨基酸失水形成的肽称多肽，多肽一般是链状化合物。若4种氨基酸（例如甘氨酸Gly，丙氨酸Ala，丝氨酸Ser和胱氨酸Cy）排列组合，可能的连结方式则有24种：Gly-Ala-Ser-Cy A

12、la-Gly-Ser-Cy Ser-Ala-Gly-Cy Cy-Ala-Gly-SerGly-Ala-Cy-Ser Ala-Gly-Cy-Ser Ser-Ala-Cy-Gly Cy-Ala-Ser-GlyGly-Ser-Ala-Cy Ala-Ser-Gly-Cy Ser-Gly-Ala-Cy Cy-Gly-Ala-SerGly-Ser-Cy-Ala Ala-Ser-Cy-Gly Ser-Gly-Cy-Ala Cy-Gly-Ser-AlaGly-Cy-Ser-Ala Ala-Cy-Gly-Ser Ser-Cy-Ala-Gly Cy-Ser-Ala-GlyGly-Cy-Ala-Ser Ala-Cy

13、-Ser-Gly Ser-Cy-Gly-Ala Cy-Ser-Gly-Ala17种不同的氨基酸组合的不同方式可达到3.561014种。但目前在自然界中已发现的蛋白质种类比起这个数目来还差得很远。同样，由一组氨基酸按不同顺序组成的蛋白质种类的理论数目和实际存在于细胞中的种类数也相差甚远。这个现象说明只有某些氨基酸并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。蛋白质分子是由一条或多条多肽链构成的生物大分子。蛋白质的种类很多，按功能来分有活性蛋白和非活性蛋白；按分子形状来分有球蛋白和纤维蛋白。球蛋白溶于水、易破裂，具有活性功能，而纤维状蛋白不溶于水，坚韧，具有结构或保护方面的功能，头发和指甲

14、里的角蛋白就属纤维状蛋白。按化学组成来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，辅基包括核苷酸、糖、脂、色素（动植物组织中的有色物质）和金属配离子等。为了表示蛋白质结构的不同层次，经常使用一级结构、二级结构、三级结构和四级结构这样一些专门术语。一级结构就是共价主链的氨基酸顺序，二、三和四级结构又称空间结构（即三维构象）或高级结构。氨基酸的顺序决定了蛋白质的功能，对它的生理活性也很重要，顺序中只要有一个氨基酸发生变化，整个蛋白质分子会被破坏。催产素（促进子宫肌肉收缩）、加压素（增加血压）、舒缓激肽（调节血压）和牛胰岛素的化学结构即一级结构，如图94所示。蛋白质的

15、二级结构是指蛋白质分子中多肽链本身的折叠方式。例如角蛋白中的多肽链，排列成卷曲形，称为螺旋。在这种结构里，氨基酸形成螺旋圈，肽键中与氮原子相联的氢，与附在沿链更远处的肽键中和碳原子相连的氧以氢键相结合。根据氨基酸的顺序，各种蛋白质都有其特异的二级结构，如图95所示。蛋白质的三级结构是指球状蛋白质的立体结构。一般讲，球蛋白是一个折叠得非常紧密的球形，如图96所示。蛋白质的更高级结构不再进一步讨论。蛋白质广泛而又多变的功能决定了它们在生理上的重要性。来自食物的蛋白质是身体的氮和硫的主要来源。除催化功能和结构功能外，还构成了肌肉收缩的体系。作为抗体，它们是身体的防卫系统，而作为激素，则能够调节身体的

16、腺体的活动。在血液中它们维持体液平衡，是凝血机制的一部分，能输送氧气和类脂物等。1.3 酶人类从发明酿酒、造醋、制酱、发面时起，就对生物催化作用有了初步的认识，不过当时并不知道有酶这类生物催化剂。进入19世纪后期，人们已积累了不少关于酶的知识，认识到酶来自生物细胞。进入20世纪，不仅发现了很多酶，而且酶的提取、分离、提纯等技术有了很大的发展，并注意到有不少酶在作用中需要低分子量的物质（辅酶）参与，对酶的本质进行了深入的研究。1926年第一次成功地从刀豆中提取了脲酶的结晶，并证明每种结晶具有蛋白质的化学本质，它能催化尿素分解为NH3和CO2。尔后，相继分离出许多酶（如胃蛋白酶、胰蛋白酶等）的晶体

17、。科学实验证明了酶的化学组成同蛋白质一样，也是由氨基酸组成的，它们都具有蛋白质的化学本性。至今，人们已鉴定出2000种以上的酶，其中有200多种已得到了结晶。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。酶催化作用，有其很多特点，最主要的是：（1）酶是由生物细胞产生的，其主要成分是蛋白质，因而对周围环境的变化比较敏感，若遇到高温、强酸、强碱、重金属离子、配位体或紫外线照射等因素的影响时，易失去它的催化活性。（2）酶催化反应都是在比较温和的条件下进行的。例如在人体中的各种酶促反应，一般是在体温（37）和血液pH约为7的情况下进行的。（3）酶具有高度的专一性，即某一种酶

18、仅对某一类物质甚至只对某一种物质的给定反应起催化作用，生成一定的产物。如脲酶只能催化尿素水解生成NH3和CO2，而对尿素的衍生物和其他物质都不具有催化水解的作用，也不能使尿素发生其他反应。酶的这种专一性通常可用酶分子的几何构型给予解释。如麦芽糖酶是一种只能催化麦芽糖水解为两分子葡萄糖的催化剂，这是由于麦芽糖酶的活性部位（即反应发生的位置）能准确地结合一个麦芽糖分子，当两者相遇时，使两个单糖单位相连接的链合变弱，其结果是水分子的进入并发生水解反应。麦芽糖酶不能使蔗糖水解，使蔗糖水解的是蔗糖酶。早年提出“一把钥匙开一把锁”的酶催化锁钥模型如图97所示。这是一个过于简单化的比喻，但它说明了一个重要的

19、问题，通过减少开始这项工作所需要的能量，酶使得这项困难的工作变容易了。就像钥匙只能适合于特殊钥匙孔的形状一样，酶在活性部位具有只允许对某些分子起作用的特殊的结构近年来的研究结果表明，把酶和底物看成刚性分子是不完善的，实际上它们的柔性使二者可以相互识别相互适应而结合。（4）酶促反应所需要的活化能低，而且催化效率非常高。例如，H2O2分解为H2O和O2所需的活化能是75.3kJmol-1；用胶态铂作催化剂活化能降为49kJ当用过氧化氢酶催化时的活化能仅需8kJmol-1左右，并且H2O2分解的效率可提高109倍！从酶的化学组成来看，可分成单纯酶和结合酶两大类。单纯酶的分子组成全为蛋白质，不含非蛋白

20、质的小分子物质。如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等都属单纯酶。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，这种非蛋白质部分叫做辅助因子。酶蛋白与辅助因子结合后所形成的复合物或配合物叫做全酶。辅助因子是这类酶起催化作用的必要条件，缺少了它们，酶的催化作用即行消失，酶蛋白、辅助因子各自单独存在时都无催化作用。酶的辅助因子可以是金属离子如Cu（），Zn（），Fe（），Mg（），Mn（）等的配合物（如血红素、叶绿素等），也可以是复杂有机化合物。人体对食物的消化、吸收，通过食物获取能量，以及生物体内复杂的代谢过程都包含许多化学反应，必须有各种不同的酶参与作用。这些专一性的

21、酶组成一系列酶的催化体系，维持生物体内各种代谢过程有规律的进行。新陈代谢简称代谢。广义的代谢是泛指生物活体与外界不断交换物质的过程，包括从体外吸取养料和物质在体内的变化。狭义的代谢是指物质在细胞中的合成和分解过程，一般称中间代谢。合成代谢一般是将简单物质变成复杂物质，而分解代谢则是将复杂物质变为简单物质。代谢过程是生命现象的基本特征。糖、脂肪和蛋白质的合成途径各有不同，但它们的分解途径的共同点是，氧化成CO2和H2O。生物体是通过物质的氧化获得能量的，但物质氧化时所产生的能量一般不能直接被利用。机体利用能量的方式是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的ATP中（ATP是核苷

22、酸三磷酸腺苷英文名称的缩写，其分子是由一分子腺嘌呤，一分子核糖和三分子磷酸连接而成），当需要时再释放出来供各种生理活动和生化反应需用。生物氧化过程，即是由各种有机物（食物来源）在酶的作用下，氧化生成CO2和H2O，并释放出能量的过程。由于酶的催化作用，生物氧化得以在比较温和的条件下及有水的环境中进行，并且能量可以逐步释放。通过食物氧化得到的能量主要用于合成ATP。然后在适当的催化剂存在时，ATP将经历三步水解，其提供的能量可用来引起其他化学反应。各种生物活动，如核酸、蛋白质的生物的合成、糖、脂肪、药物等物质的代谢，以及细胞内外物质的转运等等，都有ATP参与。ATP被称为生物体内的能量使者。对于

23、大多数细胞代谢过程的酶已经有了较多的了解。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等。1.4核酸核酸是一类多聚核苷酸，它的基本结构单位是核苷酸。采用不同的降解法可以将核酸降解成核苷酸，核苷酸还可进一步分解成核苷和磷酸，核苷再进一步分解生成碱基（含N的杂环化合物）和戊糖。也就是说核酸是由核苷酸组成的，而核苷酸又由碱基、戊糖与磷酸组成。核酸中的碱基分两大类：嘌呤碱与嘧啶碱。核酸中的戊糖有两类：D核糖和D2脱氧核糖。核酸的分类就是根据核酸中所含戊糖种类不同而分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖

24、核酸（DNA）两大类。RNA中的碱基主要有四种：腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶。DNA中的碱基主要也是四种，三种与RNA中的相同，只是胸腺嘧啶代替了尿嘧啶。两类核酸的基本化学组成见表92。DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核糖核苷酸即：脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸所组成。这四种核苷酸的排列顺序（序列）正是分子生物学家多年来要解决的问题。因为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即寓于DNA分子四种核苷酸千变万化的不同排列之中。核酸是遗传信息的携带者与传递者。核酸有着几乎多得无限的可能结构，而生物体的遗传特征就反映在DNA

25、分子的结构上，即DNA的结构携带着遗传的全部信息，就是通常所说的DNA携带着遗传的密码。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，并通过DNA的复制由亲代传递给子代。在后代的生长发育过程中，遗传信息自DNA转录给RNA，然后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。所谓复制，就是指以原来DNA分子为模板合成出相同分子的过程。所谓转录，就是在DNA分子上合成出与其核苷酸顺序相对应的RNA的过程。而翻译则是在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。由于生命活动是通过蛋白体来表现，所以生物的

26、遗传特征实际上是通过DNARNA蛋白质过程传递的，就是遗传信息传递的中心法则，如图98所示。1953年，英国剑桥大学的Watson和Crick提出了著名的生物遗传物质DNA分子的双螺旋模型，这是生命化学、乃至生物学中的重大里程碑。这一发现为遗传工程的发展奠定了理论基础。DNA分子双螺旋结构模型如图99所示。遗传工程从狭义上理解就是指DNA重组技术。即提取或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DNA在受体细胞中得以复制与表达。从遗传工程的概念看，遗传工程的直接目的就是改造生物，从而使其更好地为人类服务。例如，作为人类主要

27、食物的谷类作物含有大量糖类，而人体所必需的蛋白质、氨基酸与维生素的含量却很少。有些微生物可以产生这些物质，用大规模发酵的方法培养微生物，进而提取这些物质，就可以进行工业化生产。采用DNA重组及细胞融合等技术改造了苏氨酸、色氨酸、赖氨酸等氨基酸的生产菌，与原始菌株相比，氨基酸的含量提高了几十倍，且生产成本下降。这些氨基酸产品广泛用于营养食品、助鲜及饲料添加剂等生产，从而部分代替了粮食产品。又如，生物固氮的遗传工程研究是一个令人神往的重要领域，其目的就是培养出能自行供氮的作物。一切植物的生长都需要氮元素，大气中虽有80%的氮气，但除了豆科植物外，都不能直接利用空气中的分子态的N2。与豆科植物根部共

28、生的根瘤菌可以固定分子态氮并转化成能被植物吸收的状态。如果把根瘤菌的固氮基因转移到水稻、小麦、玉米等作物细胞中，就有可能使这些作物直接利用空气中的氮，这不仅可提高产量，增加谷类作物的蛋白质含量，而且能大大节省化肥，从而降低生产成本，减轻环境污染。遗传工程研究的开展，将为解决人类面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等一系列重大问题开辟了新途径，也具有极大的经济潜力。2.基因、遗传信息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。人们形象的将DNA碱基序列称为遗传编码，DNA序列分析是揭开遗传密码的关键，也是基因研究的基础。每个DNA分

29、子含有很多基因，这些基因按一定顺序排列，就成为创造蛋白质的图纸和指挥复制的命令。现代遗传学认为，基因是控制生物性状的遗传物质的功能单位和结构单位，是有遗传效应的DNA片段，每个基因中可以含有成百上千个脱氧核苷酸。核酸贮存和传递遗传信息，蛋白质是基因作用的直接产物，并含有遗传信息。蛋白质是组成生物体的重要成分，生物体的性状主要是通过蛋白质来体现的，生物体内大部化化学反应也离不开称作酶的蛋白质进行催化。因此，基因对性状的决定性作用是通过DNA控制蛋白质的合成来实现的。核酸是遗传信息的携带者与传递执行者，遗传信息由DNARNA蛋白质的表达过程，也称基因表达，是分子生物学（分子遗传学）研究的核心。人体细胞约有10万个基因，迄今弄清楚的不到5%。科学家们预言，将用1015