《(生物科技)生物化学知识二)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(生物科技)生物化学知识二)（46页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二篇 生物化学知识第一节 生命的物质基础 地球上的生物，现在已知的大约200万种。不同种类的生物体，在个体大小、形态结构和生理功能等方面都不相同。但是，组成生物体的化学元素和化合物是大体相同的，也就是说，生物体的生命活动都有共同的物质基础。一、组成生物体的化学元素 自然界中的生物和非生物都是由化学元素组成的。科学家通过研究各种生物的原生质，即细胞内的生命物质，查明了组成生物体的化学元素的种类、数量和作用。组成生物体的化学元素组成生物体的化学元素，常见的主要有20多种，其中有些含量较多，有些含量很少。例如，玉米植株和成人体内含量较多的化学元素的种类，以及各种元素的含量（占细胞干重的质量分数）如
2、下表所示：分析上表知道，组成玉米和人体的基本元素是C，此外还含有O、H和N，这4种元素在组成生物体的元素中含量最多。从上表还可看出，组成生物体的化学元素虽然大体相同，但是，在不同的生物体内，各种化学元素的含量相差很大。根据组成生物体的化学元素，在生物体内含量的不同，分成两大类。大量元素 这是指含量占生物体总重量万分之一以上的元素。例如C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg等。微量元素 通常是指生物生活所必需，但是需要量却很少的一些元素。例如Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo等。微量元素在生物体内的含量虽然很少，却是维持正常生命活动不可缺少的。组成生物体的化学元素的重要作用在组成生物体的大量元素中
3、，C是最基本的元素，C、H、O、N、P、S6种元素是组成原生质的主要元素（图11），大约共占原生质总量的97。生物体的大部分有机化合物是由上述6种元素组成的。例如，蛋白质是由C、H、O、N等元素组成的，核酸则是由C、H、O、N、P等元素组成的。生物体的化学元素，还将进一步组成多种多样的化合物，这些化合物是生物体生命活动的物质基础。例如蛋白质、核酸、糖类、脂肪等。化学元素能够影响生物体的生命活动。例如，微量元素B能够促进花粉的萌发和花粉管的伸长，当柱头和花柱中积累了大量B时，有利于受精作用的顺利进行。在缺少B时，花药和花丝萎缩，花粉发育不良。生物界与非生物界的统一性和差异性组成生物体的化学元素，
4、在无机自然界都可以找到，没有一种化学元素是生物界所特有的。这个事实说明，生物界和非生物界具有统一性。组成生物体的化学元素，在生物体内和在无机自然界中的含量相差很大。例如，C、H、N 3种化学元素在组成人体的化学成分中，质量分数共占73左右，而这3种元素在组成岩石圈的化学成分中，质量分数还不到1。这个事实说明，生物界和非生物界还具有差异性。二、组成生物体的化合物在生物体内，由组成生物体的化学元素构成各种化合物。由各种化合物共同组成原生质。原生质是细胞内的生命物质，它又分化为细胞膜、细胞质和细胞核等部分。活的细胞之所以能够进行一切生命活动，这与构成细胞的各种化合物有密切关系。构成细胞的化合物上述各
5、种化合物，在细胞中的含量不同。一般情况下，这些化合物占细胞鲜重的情况如下表所示：各种化合物在细胞中的存在形式不同，所具有的功能也都不相同。水对绝大多数生物来说，没有水就不能存活。地球上如果没有水，也就没有生命。水在细胞中含量是最多的。在不同种类的生物体中，水的含量差别较大，一般来说，生物体中水的含量为6095。例如，幼嫩植物体中水的含量约为70，动物体中水的含量约为80左右，水母的身体里水的含量竟约为97。在不同的组织、器官中，水的含量也不相同。例如，晒干的谷物中，水的含量为1315。人的肌肉中，水的含量为7278。水在细胞中以两种形式存在。一部分水与细胞内的其他物质相结合，叫做结合水。结合水
6、是细胞结构的重要组成成分，大约占细胞内全部水分的4.5。细胞中绝大部分的水以游离的形式存在，可以自由流动，叫做自由水。自由水是细胞内的良好溶剂，许多种物质溶解在这部分水中。多细胞生物体的绝大多数细胞必须浸润在液体环境中，细胞内的许多生物化学反应必须有水参加。水在生物体内的流动，可以把营养物质运送到各个细胞，同时，也把各个细胞在新陈代谢中产生的废物，运送到排泄器官或者直接排出体外。总之，各种生物体的一切生命活动，绝对不能离开水。无机盐无机盐在细胞中含量很少。大多数无机盐以离子状态存在于细胞中。细胞中含量较多的阳离子有Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Fe3+等。阴细胞中无机盐的含量虽少
7、，但是有多方面的重要作用。有些无机盐是细胞内某些复杂的化合物的重要组成部分。例如，Mg2+是叶绿素分子必需的成分，Fe2+是血红蛋白的主要成分。碳酸钙是动物和人体的骨、牙齿中的重要成分。许多种无机盐的离子对于维持生物体的生命活动有重要作用。例如，哺乳动物的血液中必须含有一定量的钙盐，如果某个动物血液中钙盐的含量太低，就会出现抽搐。生物体内的无机盐离子，必须保持一定的比例，这对维持细胞的渗透压和酸碱平衡非常重要，这是生物体进行正常生命活动的必要条件。糖类糖类是由C、H、O 3种化学元素组成的，它是生物界中含量较多的一类有机化合物。糖类是构成生物体的重要成分，也是细胞的主要能源物质。根据糖类水解后
8、形成的物质，糖类大致可以分为单糖、二糖和多糖等几类。见下列简表。单糖是不能水解的糖。其中的葡萄糖、果糖等是六碳糖，它们是在生物界分布最普遍的单糖。葡萄糖是绿色植物进行光合作用的产物，是细胞的重要能源物质。核糖是五碳糖，它是核糖核酸的组成成分，主要存在于细胞质内。脱氧核糖也是五碳糖，它是脱氧核糖核酸的组成成分，比核糖少一个氧原子，主要存在于细胞核内。二糖是水解后能够生成两分子单糖的糖。在植物细胞中，最重要的二糖是蔗糖和麦芽糖。甘蔗和甜菜里含有大量的蔗糖。发芽的大麦粒里，含有大量的麦芽糖。在动物的细胞中，最重要的二糖是乳糖。乳汁里含有乳糖。多糖是水解后能够生成许多单糖的糖，它是自然界中含量最多的糖
9、类。在植物细胞中，最重要的多糖是淀粉和纤维素。谷类中含有丰富的淀粉，淀粉是植物细胞中重要的储存能量的物质。纤维素是植物细胞壁的基本组成成分。动物细胞和人体细胞中最重要的多糖是糖元，糖元也是细胞中重要的储存能量的物质。糖元存在于细胞质中，肝脏和肌肉的细胞中含量较多，分别是肝糖元和肌糖元。淀粉和糖元经过酶的催化作用，最后水解成葡萄糖，葡萄糖氧化分解时释放大量的能量，可以供给生物体生命活动的需要。糖类是生物体进行生命活动的主要能源物质。脂类脂类主要由C、H、O 3种化学元素组成，很多种脂类物质还含有N和P等元素。脂类包括脂肪、类脂和固醇等，这些物质普遍存在于生物体内。脂肪大量储存在某些植物的种子、果
10、实细胞和动物的脂肪细胞中，它主要是生物体内储存能量的物质。此外，高等动物和人体内的脂肪，还有减少身体热量散失，维持体温恒定，减少内部器官之间摩擦和缓冲外界压力的作用。类脂中的磷脂是构成细胞膜的重要成分，也是构成多种细胞器膜结构的重要组成成分。在动物的脑和卵中，大豆的种子中，磷脂的含量较多。固醇类物质主要包括胆固醇，性激素和维生素D等，这些物质对于生物体维持正常的新陈代谢和生殖过程，起着重要的调节作用。胆固醇是人体必需的有机化合物，可以从食物中获得和在体内合成，在体内合成的比从食物中吸收的还多。如果体内胆固醇的代谢异常，就会引起一些疾病。蛋白质蛋白质在细胞中的含量只比水少，而比其他各种物质都多，
11、大约占细胞干重的50以上。它是细胞中各种结构的重要成分，在生物体内占有特殊的地位。蛋白质主要由C、H、O、N4种化学元素组成。很多重要的蛋白质还含有P、S两种元素，有的也含微量的Fe、Cu、Mn、I、Zn等元素。蛋白质是一种高分子化合物，也就是说是相对分子质量很大的生物大分子。我们知道，水分子的相对分子质量是18，而蛋白质相对分子质量的变化范围很大，从几千一直到100万以上。例如，牛的胰岛素的相对分子质量是5700，人的血红蛋白的相对分子质量是64500。蛋白质的基本组成单位是氨基酸。组成蛋白质的氨基酸大约有20种。这些氨基酸分子的结构怎样？我们知道，组成蛋白质的氨基酸分子虽然有许多种，但是各
12、种氨基酸分子在结构上却具有共同的特点。氨基酸分子的结构通式表明，每种氨基酸分子至少都含有一个氨基（NH2）和一个羧基（COOH），并且都有一个氨基和一个羧基连接在同一个碳原子上。不同的氨基酸分子，具有不同的R基。可以根据R基的不同，将氨基酸区别为不同的种类。例如，甘氨酸的R基是一个氢原子，而丙氨酸的R基是一个甲基（CH3）。蛋白质是由许多个氨基酸分子互相连接而成的。氨基酸分子互相结合的方式是：一个氨基酸分子的羧基（COOH）和另一个氨基酸分子的氨基（NH2）相连接，同时失去一分子的水，这种结合方式叫做脱水缩合。连接两个氨基酸分子的那个键（NHCO）叫做肽键。由两个氨基酸分子缩合而成的化合物，叫
13、做二肽。由3个或3个以上氨基酸分子缩合而成的，含有多个肽键的化合物，叫做多肽。多肽通常呈链状结构，叫做肽链。一个蛋白质分子可以含有一条或几条肽链，肽链通过一定的化学键互相连接在一起。这些肽链不呈直线，也不在同一个平面上，而是形成非常复杂的空间结构。由于组成每种蛋白质分子的氨基酸的种类不同，数目成百上千，排列次序变化多端，由氨基酸形成的肽链的空间结构千差万别，因此，蛋白质分子的结构是极其多样的，产生出许多不同种类的蛋白质。蛋白质分子结构的多样性，决定了蛋白质分子具有以下多种重要功能：（1）有些蛋白质是构成细胞和生物体的重要物质，如人和动物的肌肉主要是蛋白质。（2）有些蛋白质有催化作用，如参与生物
14、体各种生命活动的酶。（3）有些蛋白质有运输作用，如红细胞中的血红蛋白是运输氧的蛋白质。（4）有些蛋白质有调节作用，如胰岛素和生长激素都是蛋白质，能够调节人体的新陈代谢和生长发育。（5）有些蛋白质有免疫作用，如动物和人体内的抗体能消除外来蛋白质对身体的生理功能的干扰，起到免疫作用。总之，蛋白质是细胞中重要的有机化合物，一切生命活动都离不开蛋白质。核酸核酸是遗传信息的载体，存在于每个细胞中。核酸是一切生物的遗传物质，对于生物体的遗传变异和蛋白质的生物合成有极重要的作用。核酸是由C、H、O、N、P等化学元素组成的，也是一种高分子化合物。核酸的相对分子质量很大，大约是几十万至几百万。核酸的基本组成单位
15、是核苷酸。一个核苷酸是由一分子含氮的碱基、一分子五碳糖和一分子磷酸组成的。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长链。根据核酸中所含五碳糖的种类不同，可以将核酸分为脱氧核糖核酸和核糖核酸。这两类核酸广泛存在于细胞中。脱氧核糖核酸简称DNA，主要存在于细胞核内。它是染色体的主要组成成分，与蛋白质构成了染色体（染色质），是细胞核中的遗传物质。此外，在线粒体和叶绿体中，也含有DNA。核糖核酸简称RNA，主要存在于细胞质中。不同的生物体，所具有的DNA和RNA的序列是不相同的。第二节生命的基本单位细胞组成生物体的每一种化合物，都有其重要的生理功能，但是，任何一种化合物都不能够单独地完成某一
16、种生命活动，而只有按照一定的方式有机地组织起来，才能表现出细胞和生物体的生命现象。细胞就是这些物质最基本的结构形式。地球上的生物，除了病毒以外，所有的生物体都是由细胞构成的。细胞不仅是生物体的结构单位，而且生物体的一切生命活动都是通过细胞进行的。因此，细胞是生物体的结构和功能的基本单位。近几十年来，由于电子显微技术，以及近代物理学和化学的新技术在细胞研究上的广泛应用，特别是近年来分子生物学概念与方法的引入，促使细胞的研究进入更加深入的阶段，并且取得了迅速的发展。关于细胞，我们主要学习细胞的结构、功能、增殖、分化、癌变和衰老等基础知识。一、细胞的结构和功能构成生物体的细胞很微小，几乎都不能用肉眼看到
