普通生物学-第一章-生命的物质基础

生命的物质基础,An Essential Chemical Compounds in Life Process,学习目的： 了解和掌握组成生命的基本化学物质及其结构功能。,生命的元素组成,必需元素 磷 Phosphorus 硫 Sulphur 钙 Calcium 钾 Potassium 镁 Magnesium 氯 Chlorine 铁 Iron 锰 Manganese 硼 Boron 锌 Zinc 铜 Copper 钼 Molybdenum 镍 Nickel,有益元素 ： 钠(Na)、硅(Si)、铝(Al)、钴(Co)、钛(Ti)、钒(V)、锂(Li)、铬(Cr)、硒(Se)、碘(I)等,生命的分子组成, 水 （H2O） 无机离子 ( Inorganic ions ) 糖类 ( Carbohydrates ) 脂类 ( Lipids ) 蛋白质 ( Protein ) 核酸 ( Nuclear acid ),a、结构,极性分子 高比热 高气化热 大的表面张力 内聚力 高介电常数 良好的溶剂,1、水分子（Water）,自由水：溶媒，易蒸发，易结晶 束缚水：不作为溶媒，不易蒸发，不易结晶 （ -10 -20都不结晶） 自由水/束缚水的比值 影响生物的代谢强度及抗性,生物体中的水,水的表面能力,水的内聚力,b、生理功能,是原生质中的最大的组分； -自由水和束缚水两种形态； 生物代谢反应的底物； 是最佳的物质溶剂； 保持生物体温的相对恒定。,2、无机离子（ Inorganic Ion)的生理功能,合成有机物的原料 酶的辅助因子、活化因子、调节因子 细胞内反应体系的缓冲剂，能维持渗透压和pH的相对稳定,(1)哪些元素参与生物体的组成？,参与生物体组成的元素总共约二、三十种，他们在元素周期表中的分布如图所示。,以人体为例，各种元素在人体中含量见下表,常量元素在人体中含量较大。 微量元素在人体中含量很少。,人体元素成分,常量元素,微量元素,(2). 人体元素成分的营养学意义,要证明某一种微量元素在营养学上是必不可少的，至少需要做下面三个方面的实验:,a 让实验动物摄入缺少某一种元素的膳食,观察是否出现特有的病症。,b 向膳食中添加该元素后，实验动物的上述特有病症是否消失。,c 进一步阐明该种元素在身体中起作用的代谢机理。,只有上述三条都弄清楚，才能确定某种元素是否为营养上必需的元素。 常量元素的重要性比较容易认识。微量元素的营养学研究困难大得多。所以，一些微量元素在1950s 或 1970s 以后才确证为人体必需微量元素。,对必需的微量元素的认识较晚,1920-1930,大约在大部分维生素被认识前后,一批微量元素陆续被人们认识: P ： 1918 Cu ： 1925 Mg、Mn、 Mo： 1931 Zn： 1934 Co：1935 直到1948年才知道Co是Vb12的成分,1957年Schwarz证实硒是必需的微量元素. Cr: 1959 Si 、F：1972,生物元素的作用,元素名称 主要功能 钾K 细胞内的阳离子，维持体液平衡 钠Na 细胞外的阳离子，维持体液平衡 钙Ca 骨骼、牙齿的主要组分，神经传 递和肌肉收缩必需的元素 镁Mg 酶的激活，叶绿素构成，骨骼成分,元素名称 主要功能 锰Mn 酶的激活，光合作用中水分解必需的元素 铁Fe 组成血红蛋白、细胞色素、铁-硫蛋白等， 输送氧 钴Co 形成红血球所需的维生素B12的组分 锌Ze 胰岛素的成分许多酶的活性中心,元素名称 主要功能 钼Mo 黄素氧化酶、醛氧化酶，固氮酶等必需的元素 钒V 促进牙齿的矿化 铬Cr 促进葡萄糖的利用，与胰岛素的作用机制有关 铜Cu 铜蛋白的组分，铁的吸收和利用,(3). 元素营养方面的几个例子,例一、钙（Calcium） a 人每天需要摄入多少钙？,从粪、尿、汗中排出 320-450 mg 吸收率约 40% 320 x 100/40 = 800 mg,b、钙参加几乎每一种生理代谢过程,Ca 在体内的生理作用 骨骼及牙齿 99% 血浆中 10克,需要 Ca 参与的生理过程 肌肉：肌肉收缩 免疫：白细胞吞噬功能 循环：血液凝固 内分泌：激素分泌，毛细血管通透性 骨骼：骨骼形成，微循环改善 神经：神经肌肉应激性 （ Ca 调节多种酶的活性）,缺钙引起的疾病,婴、幼、少儿-佝偻病 老年人-骨质疏松症 上海地区骨质疏松症患者: 男 20.1% 女48.1% 其中 60岁以上: 男 24.9% 女75.5% 上海地区老年人骨折发生率: 城区 16.5% 农村 6.9%,高血压(美国：5000万，中国：15岁以上占11.8%,约9000万),（还带来别的效应）,缺钙,反常钙内流,血管,内皮细胞 平滑肌细胞,中钙反常积储,血管内皮细胞钙化，损伤 胆固醇，脂类沉积 细胞因子分泌 血小板，血细胞粘附 平滑肌细胞，或纤维细胞增生 导致动脉硬化,血管外周阻力增大,高血压,血管收缩,肾结石肾结石中重要成分是钙； 但是，限制钙摄入恰恰会使肾结石加重。,草酸钙：草酸来自蔬菜，食物中钙可使草 酸在肠道中结成草酸钙，从粪便中排出。,缺钙,反常钙内流，损伤肾细胞,肾脏对钙回收功能受损,高钙尿液与尿中草酸结合形成结石。,尿钙排出 增多,结（直）肠癌：,Ca2+,高脂膳食刺激,钙与脂酸结合,排出体外,高胆汁酸,刺激直肠细胞癌变,钙与胆汁酸结合,排出体外,影响钙吸收的因素 维生素D,促小肠吸收钙 促骨骼释放钙 促肾细胞回收钙,使血清钙,甲状旁腺素（PTH）,促小肠吸收钙 促骨骼释放钙 促肾细胞回收钙,使血清钙,抑骨骼释放钙 抑肾细胞回收钙,降血钙素（Calcitonin)，甲状腺分泌,使血清钙,例二、锌（ Zinc）,锌 在人体中有重要作用,缺乏锌会导致生理、心理及性发育迟缓；不育；伤口愈合缓慢。 锌过量会有危险，可引起脱水、腹泻、恶心，及头晕目眩。 锌的日摄入量为12毫克，孕妇为16毫克，哺乳妇女为18毫克。,羧基肽酶（黄色小圆球代表 Zn2+）,醇脱氢酶,例三、铬 ( Chromium ),铬 是人类的必需营养素,铬在人体的主要作用是参与脂肪和糖类的代谢及储存；维持骨骼肌的功能；参与控制免疫系统。 人体不大会缺乏铬。铬多以三价形式存在，在体内以烟酸铬（GTF）的形式才能被吸收。 铬缺乏时，会引起烦躁、精神混乱、虚弱和抑郁症。 铬过量会引起中毒。,例四、硒 ( Selenium ),硒 是一种特别的微量元素,硒在人体的主要作用是维持肝功能正常；与维生素E结合成抗氧化剂；去除有毒元素镉、铅、汞的毒性；维持红细胞和白细胞的功能。 缺乏硒可能引起心血管病，如在中国发现的克山病(1935于黑龙江克山县发现的心肌病)；可能会致癌，引起婴儿猝死及某种类型的贫血。 硒过量会有毒，可能引起神经疾患。 硒的日摄入量为5085微克。,例五、碘 ( Iodine ),碘在人体的主要作用是有助于甲状腺产生甲状腺素，以控制新陈代谢，维持正常的生长发育。缺乏碘可引起甲状腺肿；新陈代谢率下降导致昏睡、懒散、疲乏、体重增加。 碘过量可能会引起甲状腺疾患。 碘的日摄入量为0.120.15毫克。,氟(Fluorine)是人体的必需营养元素,氟在人体中有助于维持骨骼和牙齿的健康。 缺乏氟可能导致龋齿和骨质疏松。 氟过量会引起慢性氟中毒，牙齿出现黄斑或变色；韧带钙化；脊柱、骨盆和四肢骨骼密度增加。,氟骨病,氟斑牙,铜 ( Copper )是许多酶的重要组成部分,铜的主要作用是维持多种酶的作用；形成红细胞；促进骨骼生长。 铜不大会缺乏。 铜过量会引起严重中毒。,a. 定义 : 糖是由碳、氢、氧三种元素组成的含多羟基的醛类或酮类化合物。,通式为 （CH2O)n，n3,3 、糖类（Carbohydrates）,糖类是人体内主要的供能物质,它在人体内被消化后，主要以葡萄糖的形式被吸收。膳食中糖类的种类和比例可能与冠心病、糖尿病、高血脂、肿瘤及龋齿的发病率有密切的关系。,b.糖类在人体所起的主要作用,(A) 提供能量 (B) 合成其它物质的原料 (C) 充当结构性物质 (D) 解毒作用 (E) 促进消化道的蠕动和分泌,c. 糖的种类,根据水解后形成的物质，可分为： 单 糖： monosaccharides 不能水解成更小分子。 寡 糖：能水解成少数（2-6个）单糖分子，以双 糖存在最为广泛。 多 糖：能水解成多个单糖分子。,根据碳原子的数目分为： 三碳糖（丙糖）、四碳糖（丁糖）、 五碳糖（戊糖）、六碳糖（己糖）等。 重要的单糖有甘油醛、核糖、脱氧核糖、葡萄糖、果糖、半乳糖、甘露糖等。,葡萄糖,己糖,果糖,半乳糖,戊糖、己糖等单糖分子在溶液中通常不呈链式而呈环式结构。,D与L型单糖：,OH写在不对称碳原子的右边称为D型。 OH写在不对称碳原子的左边称为L型。,、型单糖：依据第一个碳原子上羟基和氢的相对空间位置来划分。OH在平面下方为型，在平面上方为型。,葡萄糖分子椅式构象,立体异构体区别仅在分子中羟基在空间取向上的不同。,双糖（Disaccharide）,由两个单糖分子之间缩合一分子水而形成的聚合物,经酸或酶的水解后可产生2分子单糖。,葡萄糖,果糖,蔗糖,蔗糖：由一分子葡萄糖和一分子果糖由1 2-糖苷键连接而成,多糖（Polysaccharides）,由许多单糖分子（通常为葡萄糖）缩合脱水而成的分支或不分支的长链分子。,常见的多糖有淀粉、纤维素、糖原和几丁质。,淀粉（Starch）,淀粉：植物中最普遍的储藏物质。,直链淀粉,支链淀粉,-D-葡萄糖以1C和4C连接形成的长链分子。分为直链淀粉和支链淀粉。,1，6 糖苷键,1，4 糖苷键,主链每隔8-12个葡萄糖一个分支，每个分支有 12-18个 葡萄糖分子。 遇碘呈红褐色。,动物细胞中储存的糖，是动物体主要能源。又称动物淀粉。,糖原（Glycogen）,糖原累积症,遗传性糖中间代谢障碍性疾病 可引起低血糖 可食用高蛋白食物,纤维素（Cellulose）,纤维素为不分支长链。由11.5万个-D-葡萄糖由1、4糖苷键连接而成。水解产物先后为纤维二糖和葡萄糖。,细胞壁组分。,约占植物界碳素总量的 50%以上。,糖原,淀粉,纤维素,几丁质（Chitin）,与纤维素结构相似，2C位的羟基由乙酰氨基替代。,几丁质链,是昆虫和甲壳类动物外骨骼的主要成分（蛆壳）。,甲壳素（Chitin）的保健功用,1. 强化免疫力 2. 无毒性抗癌效果 3降低胆固醇 4. 消化机能 5抑制过量摄取食盐而导致的高血压 6. 减少体内重金属的积蓄 7. 甲壳素的减肥作用,继蛋白质、脂肪、糖类、维生素和矿物质之后的人类第六生命要素。,甲壳素的开发应用前景,甲壳素的主要应用方向有： 机能食品 医药用品 食品加工 纺织 环保,透明质酸（Hyaluronic acid, HA）,是人体中自然存在的一种物质（结缔组织，粘液，眼球） 由双糖单位（葡糖醛酸-N-乙酰氨基葡糖）组成的直连高分子多糖，平均分子量介于100-1000万D之间，分子式为(C14H20NNaO11)n,透明质酸的实践运用,a. 预防及改善关节病 b. 美容,4、脂类（Lipid） 生物体内不溶于水而溶于有机溶剂的各种分子。种类很多，分子结构相差较大。 A、油脂：甘油三脂 B、磷脂 C、固醇类（甾醇类） D、萜类 E、蜡,脂类的生理功能, 生物膜的重要组分。 经济的贮能分子。 构成生物体表面的保护层，如蜡质层。 是很好的热绝缘体，以保持动物正常体温。 有些脂类具有重要的生物学活性。,甘油三酯分子结构,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。,（1） 固醇类的内核由 4 个