生命的物质基础

专题一：生命的物质基础

[竞赛要求]

一、细胞的化学成分 1．水、无机盐

2．糖类：包括单糖、双糖、多糖

3．蛋白质：包括氨基酸、三字母缩写、蛋白质的四级结构、 蛋白质的理化性质、变性实质 4．酶类：概念、特征、分类、作用机理、影响酶活性的因素 5．脂类

6．核酸：包括DNA和RNA

7．其他重要化合物：包括ADP和ATP、NAD+，和NADH+、NADP+和NADPH+

[知识梳理]

一、组成生物体的化合物 （一）无机化合物 1．水是生命之源

水是细胞的重要成分，一般发育旺盛的幼小细胞中含水量较大，生命活力差的细胞组织中含水量较小，休眠的种子和孢子中含水量一般低于10％。

水分子具有极性，每个水分子均可与其它四个水分子之间形成氢键。水分子的极性及氢键的形成使水分子具有特殊的性质，如水分子具有较强的黏滞性。黏滞性使水分子较其它液体均具有较强的表面张力，这有助于水从根运输到茎再到叶；水从叶片的气孔蒸发，对导管中的水产生蒸腾拉力，水的黏滞性使这种拉力一直延伸到根部。表面张力使水分子可以水生昆虫在水面上跳动。

自由水的功能：代谢物质的良好溶剂，水是促进代谢反应的物质，水参与原生质结构的形成，水有调节各种生理作用的功能。

2．无机盐

＋＋＋＋＋＋

它在体内通常以离子状态存在，常见的阳离子有K、Na、Ca2、Mg2、Fe2、Fe3等；常见的阴离

－－－－－－

子有Cl、SO42、PO43、HPO42、H2PO4、HCO3等。各种无机盐离子在体液中的浓度是相对稳定的，其主要作用有：对细胞的渗透压和pH起着重要的调节作用。有些离子是酶的活化因子，如Mg+、Ca2+； 有些离子是合成有机物的原料,如PO4+可用于合成磷酸、核苷酸等，Fe2+可用于合成血红蛋白等。生物生存环境的PH范围为3~8.5。细胞中的各种离子有一定的缓冲能力，使细胞内的PH保持相对恒定，以利细胞维持正常的生命活动。

植物细胞内某些无机盐的功能及缺乏症

动物体内无机盐及其作用一览表

（二）、有机化合物

1．碳是组成生物体的最基本元素

碳原子核最外层有四个价电子，可与碳、氢、氧及氮原子形成四个强共价键。碳原子与碳原子之间可以单键相结合，可也以双键或三键相结合。碳原子能相互连接成链或环，从而生成各种大分子，这些结构称为有机物的碳链骨架。碳链骨架结构的排列方式和长短，决定了有机化合物的基本性质。

2．糖类

（1）．生物学功能

糖类的主要功能有：构成生物体的重要成分，如糖被、（植物、细菌、真菌等的）细胞壁的成分；是细胞的主要能源物质。

（2）．组成元素及种类

糖类是多羟基的醛或酮及其缩聚物和某些衍生物。其组成元素只有C、H、O，分单糖、寡糖、多糖三类。

单糖的分子通式是（CH2O)n，是不能水解的最简单的糖类。根据碳原子数，单糖又可分为三碳—六碳糖。葡萄糖和果糖六碳糖，分子式都是C6H12O6，但结构式不同，在化学上叫做同分异构体（如图）。核糖（C5H10O5）和脱氧核糖（C5H10O4）都是五碳糖，分别是构成RNA和DNA的重要成分（如图）。葡萄糖、果糖、麦芽糖等有还原性，为还原糖；淀粉、蔗糖等为非还原性。

寡糖（低聚糖）：是由少数几个单糖分子脱水缩合而得的糖。常见的是含有2个单糖单位的双糖，如植物细胞内的蔗糖、麦芽糖，动物细胞内的乳糖，存在于藻类细菌、真菌和某些昆虫细胞内的海藻糖等。蔗糖的形成见下图。

果糖 葡萄糖 脱氧核糖

核糖

（环状结构） （环状结构）

果糖 葡萄糖

（链状结构） （链状结构）

多糖是由多个单糖缩聚而成链状大分子，与单糖、双糖不同，一般不溶于水，从而构成贮藏形式的糖，如高等植物细胞内的淀粉，高等动物细胞内的糖元。纤维素是植物中最普遍的结构多糖。

糖类的复合物：主要是糖蛋白质和糖脂。

3．蛋白质

（1）．种类及功能

如按功能划分，可将蛋白质分为活性蛋白质和非活性蛋白质两大类。

活性蛋白质指在生命活动过程中具有活性的蛋白质。主要种类有：作用为催化生物体内各种化学反应，如酶。激素蛋白其作用是调节机体各种代谢过程，如：胰岛素、促性腺激素等。运输和贮存蛋白主要运输、贮存各种小分子物质、离子、电子等，如血红蛋白、载体蛋白。运动蛋白它与生物体运动有关，如细菌的

纤毛蛋白、动物的肌球蛋白和肌动蛋白等。防御蛋白防御异物侵入机体，如免疫球蛋白、干扰素等。膜蛋白分布在细胞膜上，与膜的生物学功能密切相关。受体蛋白其作用为接受和传递信息。控制生长分化的蛋白控制生物的生长和组织分化，如组蛋白、各种生长因子。

非活性蛋白包括一大类对生物体起保护或支持作用的蛋白质。主要种类有：胶原是哺乳动物皮肤的主要成分。角蛋白其作用是保护或加强机械强度。弹性蛋白存在于韧带、血管壁等处，其支持与润滑作用。

（2）．组成元素和基本组成单位

蛋白质主要由C、H、O、N四种元素组成，多数还含有S。氮是蛋白质的标志性元素，含量约占16%。蛋白质的基本组成单位是氨基酸，其通式为。组成天然蛋白质的氨基酸约有20种，都是L型的α氨基酸。氨基酸与氨基酸之间可以发生缩合反应，形成的键为肽键。肽又可划分为二肽、三肽及多肽（三肽以上）。多肽都有链状排列的结构，叫多肽链。蛋白质就是由一条多肽链或几条多肽链通过盘曲折叠形成的复杂的大分子。

（3）．结构

蛋白质结构分一、二、三、四级结构（见下图）。在蛋白质分子中，不同氨基酸以一定数目和排列顺序组合形成的多肽链是蛋白质的一级结构。蛋白质分子的高级结构决定于它的一级结构，其天然构象（四级结构）是在一定条件下的热力学上最稳定的结构。

（4）．变性

蛋白质受到某些物理或化学因素作用时引起生物活性的丧失、溶解度降低以及其他物理化学因素的改变，这种变化称为蛋白质的变性。变性的实质是由于维持高级结构的次级键遭到破坏而造成的天然构象的解体，但未涉及共价键的破坏。有些变性是可逆的（能复性），有些则不可逆。

4．核酸

（1）．生物学功能

核酸是遗传信息的载体，存在于每一个细胞中。核酸也是一切生物的遗传物质，对于生物体的遗传性、变异性和蛋白质的生物合成有极其重要的作用。

（2）．种类

核酸分DNA和RNA两大类。所有生物细胞都含有这两大类核酸（病毒只含有DNA或RNA）。

（3）．组成元素及基本组成单位

核酸是由C、H、O、N、P等元素组成的高分子化合物。其基本组成单位是核苷酸。每个核酸分子是由几百个到几千个核苷酸互相连接而成的。每个核苷酸含一分子碱基、一分子戊糖（核糖或脱氧核糖）及一分子的磷酸组成。如下图所示：

5’﹣腺瞟吟核苷酸（5’﹣AMP） 3’﹣胞嘧啶脱氧核苷酸（3’﹣dCMP）

DNA的碱基有四种（A、T、G、C），RNA的碱基也有四种（A、U、G、C）。这五种碱基的结构式如下图所示：DNA中碱基的百分含量一定是A＝T、G＝C，不同种生物的碱基含量不同。RNA中A﹣U、G﹣C之间并没有等当量的关系。

腺嘌呤（A） 鸟嘌呤（G） 胸腺嘧啶（T） 尿嘧啶（U） 胞嘧啶（C）

（4）．结构

DNA一级结构中核苷酸之间唯一的连接方式是3’、5’﹣磷酸二酯键，如下图所示。所以DNA的一级结构是直线形或环形的结构。DNA的二级结构是由两条反向平行的多核音酸链绕同一中心轴构成双螺旋结构。

5．脂类

脂类是生物体内一大类重要的有机化合物，由C、H、O三种元素组成，有的（如卵磷脂）含有N、P等元素，不溶于水，但溶于乙醚、苯、氯仿和石油醚等有机溶剂。

（1）．生物学功能

脂类是构成生物膜的重要成分；是动植物的贮能物质；在机体表面的脂类有防止机械损伤和水分过度散失的作用；脂类与其他物质相结合，构成了细胞之间的识别物质和细胞免疫的成分；某些脂类具有很强的生物活性。

（2）．种类

①脂肪：也叫中性脂，一种脂肪分子是由一个甘油分子中的三个羟基分别与三个脂肪酸的末端羟基脱水连成酯键形成的。脂肪是动植物细胞中的贮能物质，当动物体内直接能源过剩时，首先转化成糖元，然后转化成脂肪。在植物体内就主要转化成淀粉，有的也能转化成脂

肪。

②类脂：包括磷脂和糖脂，这两者除了包含醇、脂肪酸外，还

包含磷酸、糖类等非脂性成分。磷脂的这一结构使它成为一种兼性

分子。它的磷酸和含氮碱基一段是极性的，易与水相吸，构成磷脂

分子的亲水性头部，而它的脂肪酸一端是非极性的，不与水相吸，

构成磷脂分子的疏水性尾部。当磷脂分子被水分子包围时，便会自

动排成双分子层。磷脂是构成细胞膜结构的重要成分。细胞各种膜

结构的形成和特性，都与磷脂分子的双性质密切相关。

③固醇：又叫甾醇，是含有四个碳环和一个羟基的烃类衍生物，

是合成胆汁及某些激素的前体，如肾上腺皮质激素、性激素。有的

固醇类化合物在紫外线作用下会变成维生素D。在人和动物体内常见的固醇为胆固醇。

生理功能：是构成细胞组织的结构大分子，如有些固醇类化合物是构成神经鞘的主要成分。由于它有良好的绝缘性，对神经冲动的传递十分重要。某些固醇类化合物可转变为维生素D。 固醇类化合物也是某些激素的前体。例如：调节水分和盐类代谢的肾上腺皮质激素、促进性器官和第二性征发育的性激素都是固醇类化合物的衍生物。含磷酸的脂类衍生物叫做磷酯，含糖的脂类衍生物叫做糖脂。磷脂和糖脂都参与细胞结构特别是膜结构的形成，是脂类中的结构大分子。

二、其他重要化合物

一、细胞内能合流通的物质——ATP

1．ATP的结构

ATP（三磷酸腺苷）是各种活细胞内普遍存在的一种高磷酸化合物（水解时释放的能量在20～92kJ／mol的磷酸化合物）。ATP的分子简写成A－P～P～P，A代表由腺嘌呤和核糖组成的腺苷，P代表磷酸基团，～代表高能磷酸键。ATP中大量化学能就贮存在高能磷酸键中。ATP结构中的3个磷酸（Pi）可依次移去而生成二磷酸腺苷（ADP）和一磷酸腺苷（AMP），如下图：

ATP的作用

ATP水解时释放出的能量，是生物体维持细胞分裂、根吸收矿质元素离子和肌肉收缩等生命活动所需能量的直接来源，是细胞内能量代谢的“流通货币”。在动物肌肉或其他兴奋性组织中，还有一种高能磷酸化合物即磷酸肌酸，它也是高能磷酸基的贮存者，其中的能量要兑换成“流通货币”才能发挥作用。如图下图所示磷酸肌酸与ATP关系。