第五章化學(xué)與生命

教學(xué)目的與要求：

1.了解生命體中的化學(xué)元素的作用；

2.了解生命體中的重要有機(jī)化合物；

教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)

重點(diǎn)：生物體中的化學(xué)元素的重要功能

難點(diǎn)：生物體中的化學(xué)元素

生命科學(xué)是以生物體的生命過(guò)程為研究對(duì)象，是由生物學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)

等學(xué)科相互滲透形成的交叉學(xué)科。生命過(guò)程本身可以說(shuō)就是許多生物體的物

質(zhì)基礎(chǔ)和生命活動(dòng)的基本規(guī)律，化學(xué)是必不可少的，它不僅提供了方法，而

且在理論、技術(shù)方面多起著重要的作用。

早在20世紀(jì)初，化學(xué)家就開始研究單糖、血紅素、葉綠素、維生素等生

物小分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，其后又向生物大分子—蛋白質(zhì)和核酸進(jìn)軍：首先建

立了蛋白質(zhì)結(jié)晶、分離純化方法，并在此基礎(chǔ)上用研究小分子結(jié)構(gòu)的理論和

方法去研究生物大分子的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而從50年代起取得了一系列重大突破。蛋

白質(zhì)和核酸的研究成果不僅是生物化學(xué)迅速發(fā)展，而且由此誕生了結(jié)構(gòu)生物

學(xué)和分子生物學(xué)，并導(dǎo)致了后來(lái)圍繞基因的一系列研究。20世紀(jì)中期，因化

學(xué)和生物學(xué)一起攻克遺傳信息分子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的問(wèn)題，使生命科學(xué)的研

究軌跡進(jìn)入以基因組成、結(jié)構(gòu)、功能為核心的新階段。20世紀(jì)的100年間因

從事與生命科學(xué)相關(guān)的化學(xué)基礎(chǔ)研究工作而獲得諾貝爾獎(jiǎng)的就有28項(xiàng)之多。

第一節(jié)生命體中的化學(xué)元素

一、生命體中的化學(xué)元素分類

1.按照在生物體內(nèi)存在方式分為:

①礦物元素：除C,H,O,N之外的其他元素，一般以無(wú)機(jī)鹽即電解質(zhì)形態(tài)

存在，不超過(guò)體重的4-5%。

②非礦物元素：C,H,O,N,構(gòu)成水分和有機(jī)物，占總體重的95%。

2.按照在體內(nèi)含量分為：常量元素（含量在0.01%以上），微量元素（低于

0.01%）

人體中的常量元素有：C,H,O,N,S,P,Cl,Ca,Mg,Na,K共11種

微量元素有：I,F,Cu,Fe,Si,Zn,Mn,Co等

3.按照在體內(nèi)的作用分為：必需元素、非必需元素和有毒元素

必需元素：維持有機(jī)機(jī)體正常的生物功能所不可缺少的化學(xué)元素。公認(rèn)

的有27種。每種必需元素在體內(nèi)的含量都有其合適的范圍，超過(guò)或不足都不

利于人體健康。如：人體對(duì)碘的需要量為O.lmg/天，耐受量為：lOOOmg/天，

當(dāng)?shù)夂看笥趌OOOOmg/天，即會(huì)中毒。

非必需元素：是指沒(méi)有這些元素生命仍可以維持。（含量是變化的）

有毒元素：對(duì)生命體具有有害作用的元素。如：Hg,Pb,Cd,Be,Te,As均

為有害元素。

二、化學(xué)元素在生命體內(nèi)的作用

1.構(gòu)成人體組織的重要材料：C,H,N,O,P,S組成生命的基本物質(zhì)一糖

類、蛋白質(zhì)、核酸等：Ca,P,Mg骨骼和牙齒的重要成分。Fe是血紅蛋白和細(xì)

胞色素的重要成分；胰島素中含有Zn等。

2.起運(yùn)載作用：金屬離子或它們所形成一些配合物在體內(nèi)傳遞物質(zhì)和能

量代謝過(guò)程中氣重要作用。如含F(xiàn)e?+的血紅蛋白對(duì)。2和CO2起運(yùn)載作用。

3.組成金屬酶或作為酶的激活劑：現(xiàn)已鑒定出3000種以上的酶，約有1

/3的酶在它們本身結(jié)構(gòu)中含有金屬離子或者雖本身不含金屬但必須有金屬

離子存在才具有活性，前者稱為金屬酶，后者稱為金屬激括酶。例如生物體

中重要代謝物的合成與降解都需要鋅酶的參與，近年還發(fā)現(xiàn)鋅酶可以控制生

物遺傳物質(zhì)的復(fù)制、轉(zhuǎn)錄與翻譯。

4.調(diào)節(jié)體液的物理、化學(xué)特性：Na+、K+、C「在維持液體中水、電解質(zhì)

平衡、酸堿平衡發(fā)揮著重要的作用。

5.傳遞信息的作用：Ca2+能激活多種酶起到傳遞生命信息的“信使”作用。

下面列出了人體中一些生物元素的主要功能。

元素名稱主要功能

碳有機(jī)化合物的主要組成成分

氫水及有機(jī)化合物的主要組成成分

氧水及有機(jī)化合物的主要組成成分

氮有機(jī)化合物的組成成分

氟人體骨骼成長(zhǎng)所必需的元素

氯細(xì)胞外的陰離子（c「），維持體液平衡

碘甲狀腺素的成分

硫蛋白質(zhì)的成分

硒與肝功能肌肉代謝有關(guān)的元素

磷含在ATP等之中，是生物合成與能量代謝必需的元素

硅骨骼及軟骨形成的初期階段必需的元素

鉀細(xì)胞內(nèi)的陽(yáng)離子（K+）,維持體液平衡

鈉細(xì)胞外的陽(yáng)離子（Na+）,維持體液平衡

鈣骨骼、牙齒的主要組分，神經(jīng)傳遞和肌肉收縮必需的元素

鎂酶的激活，葉綠素構(gòu)成，骨骼的成分

鋅胰島素的成分.許多酶的活性中心

錦能的激活，光合作用中水分解必需的元素

鐵組成血紅蛋白、細(xì)胞色素、鐵-硫蛋白等，輸送氧

鉆形成紅血球所必需的維生素Bl2的組分

銅銅蛋白的組分，鐵的吸收和利用

鑰黃素氧化酸、醛氧化酶，固氮能等必需的元素

鈕促進(jìn)牙齒的礦化

銘促進(jìn)葡萄糖的利用，與胰島素的作用機(jī)制有關(guān)

各種元素在人體組織體液中富集情況大致如下:

頭發(fā)中：鋁、碑、銳；

大腦中：鈉、鎂、鉀；

腦垂體中：錮、溟、鎰、格；

眼液中：鈉；

視網(wǎng)膜中：領(lǐng)；

齒質(zhì)及跌瑯質(zhì)中：鈣、鎂、氟；

牙組織中：鈣、磷；

甲狀腺中：碘、綱、濱；

心臟中：鈣、鉀；

肺中：鋰、鈉;

胰腺中：鎂；

腎臟中：鋰、硒、鈣、鎂、鉀、鑰、鎘、汞；

消化液中:鈉；

骨筋中：鋰、鎂、鉀；

肌肉中：鋰、鎂、鉀；

骨組織中：鈉、鈣、鉀、磷；

血液中：鐵、鈉、鋰、鈣、鉀；

肝臟中：鋰、硒、鋁、鋅、鈣、鎂、鉀、銅。

三、一些重要的生命必需元素

1.鈣：（P345）99%以上的Ca存在于骨骼和牙齒中，主要存在形式為：

[Ca3（PO4）2];體液中的鈣是以Ca?+或與蛋白質(zhì)結(jié)合的形式存在。

鈣化：是磷酸鈣的細(xì)微結(jié)晶沉積在骨骼的軟有機(jī)骨架上的過(guò)程，鈣化作

用必須要由鈣、磷和維生素D存在。

作用：①骨骼的鈣化作用必須有Ca?*的存在；

②有調(diào)控神經(jīng)傳導(dǎo)和人體肌肉收縮功能；

③還可以使血液凝固。

保持血液中鈣的固定含量可通過(guò)血液與骨骼之間不斷進(jìn)行的該交換來(lái)達(dá)

到，故缺鈣可導(dǎo)致骨質(zhì)疏松。

鈣是人體必需元素，缺鈣的主要癥狀是過(guò)敏、肌肉抽搐、痙攣，缺鈣會(huì)

引起高血壓，造成動(dòng)脈硬化，甚至?xí)俪赡c癌的發(fā)生。因此，人體必須每日

攝入足量的鈣，才能保證正常的生長(zhǎng)發(fā)育及新陳代謝。人體內(nèi)鈣的來(lái)源主要

靠飲食，深綠色的蔬菜、連骨帶殼吃的小魚小蝦、豆類、骨粉中含鈣較多，

奶及奶制品中的鈣可吸收率高。

2.磷（P346）：是構(gòu)成人體骨骼和牙齒的主要成分。骨骼和牙齒中的磷占人

體總磷量的85%。牙釉質(zhì)的主要成分是羥基磷灰石Ca/OHMPOR和少量氟

磷灰石CaioF2（P04）6、氯磷灰石CaioC12（P04）6等。羥基磷灰石是不溶性物質(zhì)。

當(dāng)糖吸附在牙齒上并且發(fā)酵時(shí)，產(chǎn)生的H+和0H.結(jié)合生成H2O及P04）,就

會(huì)使羥基磷灰石溶解，使牙齒受到腐蝕。如果用氟化物取代羥基磷灰石中的

OH',生成的氟磷灰石能抗酸腐蝕，有助于保護(hù)牙齒。

另外15%的磷分布在細(xì)胞和體液中，是以三磷酸腺昔（ATP）中的PCI?一形

式存在。三磷酸腺昔（ATP）是一個(gè)高能的化合物，又稱為活體的燃料。它

參與多種不同反應(yīng)，如生物體內(nèi)釋放的能量，可使無(wú)機(jī)磷酸鹽轉(zhuǎn)化為高能有

機(jī)磷酸化合物及磷酸肌酸等，從而使大部分所產(chǎn)生的能量得以儲(chǔ)存和利用。

由于磷的分布很廣，因此人們?nèi)粘ｏ嬍持泻苌偃绷住４送?，磷酸鹽在維持機(jī)

體酸堿平衡上有緩沖作用。如果攝取過(guò)量的磷，會(huì)破壞礦物質(zhì)的平衡和造成

缺鈣。

3.鉀、鈉和氯：Na+和C「在體內(nèi)的作用是與K+等元素相互聯(lián)系在一起的,

錯(cuò)綜復(fù)雜。其最主要的作用是控制細(xì)胞、組織液和血液內(nèi)的電解質(zhì)平衡，以保

持體液的正常流通和控制體內(nèi)的酸堿平衡。Na+與K+、Ca2\Mg?+還有助于

保持神經(jīng)和肌肉的適當(dāng)應(yīng)激水平;NaCl和KC1對(duì)調(diào)節(jié)血液的適當(dāng)粘度或稠度

起作用；胃里開始消化某些食物的酸和其他胃液、胰液及膽汁里的助消化的

化合物，也是由血液里的鈉鹽和鉀鹽形成的。此外，適當(dāng)濃度的Na+、K+和CF

對(duì)于視網(wǎng)膜對(duì)光反應(yīng)的生理過(guò)程也起著重要作用?？梢?jiàn),人體的許多重要功能

都與Na+、C「和K+有關(guān),體內(nèi)任何一種離子的不平衡（多或少），都會(huì)對(duì)身體產(chǎn)生

不利影響。如運(yùn)動(dòng)過(guò)度，出汗太多時(shí)，體內(nèi)的Na+、C「和K+大為降低，就會(huì)出現(xiàn)

不平衡，使肌肉和神經(jīng)反應(yīng)受到影響，導(dǎo)致惡心、嘔吐、衰竭和肌肉痙攣等現(xiàn)象。

因此，運(yùn)動(dòng)員在訓(xùn)練或比賽前后，需喝特別配制的飲料,以補(bǔ)充失去的鹽分。

由于新陳代謝，人體內(nèi)每天都有一定量的Na+、C「和K+從各種途徑排出體

外，因此需要膳食給予補(bǔ)充，正常成人每天氯化鈉的需要量和排出量大約為3

g?9go

此外，常用淡鹽水漱口，不僅對(duì)咽喉疼痛、牙齦腫疼等口腔疾病有治療和

預(yù)防作用，還具有預(yù)防感冒的作用。

4.鐵：成人體內(nèi)含鐵總量為4-5克，相當(dāng)于一個(gè)小鐵釘?shù)闹亓?，約占人體體

重的0.004%,但它的作用卻十分大。其中有60-70%以血紅蛋白、3%以肌紅

蛋白和0.2%以其他化合物的形式存在，其余約30%則以貯備鐵的形式存在。

貯備鐵主要以鐵蛋白的形式貯存于肝臟、脾臟和骨髓的網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)中。

體內(nèi)鐵的來(lái)源：一是從食物中攝取，稱為外源性鐵；二是已經(jīng)衰老破壞

了的紅血細(xì)胞中的鐵再生重利用，稱為內(nèi)源性鐵。

鐵在食品中以兩種形式存在：

(1)非血紅素鐵，主要是以三價(jià)鐵的形式與蛋白質(zhì)、氨基酸和有機(jī)酸結(jié)

合成配合物，存在于植物性食物中，這種形式的鐵必須在胃酸作用下先于有

機(jī)部分分開，并還原成二價(jià)鐵以后，才能被吸收。

(2)血紅素鐵，是與血紅蛋白及肌紅蛋白中的葉琳結(jié)合的鐵。這種鐵是

以嚇琳鐵的形式直接被腸粘膜上皮細(xì)胞吸收，然后在粘膜細(xì)胞內(nèi)分離出鐵，

并結(jié)合成鐵蛋白。因此，血紅素鐵的吸收不受各種因素的干擾。

成年男子每天需要從食物中攝取鐵約10mg,男少年18mg,女少年24

mgo因此，必須注意攝取含鐵的食物，含鐵較多的食物有動(dòng)物肝臟、腎、心

臟、瘦肉、蛋黃、紫菜、海帶、黑木耳、芹菜、油菜和番茄等。膳食中的蛋

白質(zhì)和維生素C能提高鐵的吸收率。因此，既含鐵又富含維生素C的紅棗、

桔子是治療缺鐵性貧血的良好食物。茶葉中含有能使鐵沉淀的糅質(zhì)，不利于

鐵的吸收。飲用大量咖啡也會(huì)阻礙鐵的吸收。缺鐵性貧血患者應(yīng)盡量少喝茶

和咖啡。

雖然鐵有重要功能，但也不能攝入過(guò)量。當(dāng)血液中鐵蛋白濃度達(dá)200mg

/L時(shí)，心臟病發(fā)病率會(huì)高出三倍。血液中鐵蛋白濃度每上升百分之一，心

臟病發(fā)作的危險(xiǎn)性就會(huì)提高百分之四。這是因?yàn)檫^(guò)剩的鐵促進(jìn)自由基的形成,

而自由基會(huì)損害動(dòng)脈壁細(xì)胞，也會(huì)損傷心肌。為此，如果沒(méi)有患缺鐵性貧血

癥，就不要刻意補(bǔ)充鐵，只要經(jīng)常食用含鐵的食物即可;

5.鋅、銅：成人體內(nèi)的含鋅量大約為2.5克鋅是人體中70多種不同酶的

組成成分，是調(diào)節(jié)DNA聚合酶的必須組成部分。鋅能保護(hù)皮膚、骨骼和牙

齒的正常；促進(jìn)性器官正常發(fā)育和維持性機(jī)能的正常；還能維護(hù)免疫功能，

缺鋅時(shí)，淋巴細(xì)胞受損、細(xì)胞免疫力降低、胸腺因子活性降低、DNA合成減

少、細(xì)胞表面受體發(fā)生變化、血紅細(xì)胞種CO2運(yùn)輸受阻。

鋅主要在小腸吸收，與血漿中的蛋白或傳遞蛋白結(jié)合進(jìn)入血液循環(huán)。鋅的

吸收率受食物中含有的植酸與草酸的影響而下降，因?yàn)殇\可以與它們生成不

易溶解的復(fù)合物。

銅占成人體中的1/（1X106）,在體內(nèi)的銅以銅蛋白的形式存在，銅能促

進(jìn)血紅蛋白的合成和紅血球細(xì)胞的發(fā)育。銅也是一些酶的組分，缺銅會(huì)使酪

氨酸酶喪是制造黑色素的能力，引起白瘢風(fēng)、白發(fā)等黑色素脫失癥。缺銅還

可以發(fā)生營(yíng)養(yǎng)性貧血和心臟肥大、臉色蒼白、生長(zhǎng)停滯等癥狀。成人通常吸

收攝入銅的26%?75%,隨每日食入銅的數(shù)量而異。從消化道中吸收的銅，

以生物可利用的離子形式存在；然而大部分被排出的銅則被牢固地結(jié)合成膽

汁鹽。這個(gè)過(guò)程稱為機(jī)體的內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定。它保持了人體吸收和排出之間的適

當(dāng)平衡。谷物、肉類、莖蔬、豆莢類、堅(jiān)果和巧克力等，是銅的豐富來(lái)源。

人體攝入的其它營(yíng)養(yǎng)素的濃度，對(duì)銅的吸收有重要影響。所有的必需礦物

質(zhì)，包括銅、鋅、鐵、鎰、銘、鋁和硒，在吸收代謝上都是相互作用的。這

意味著，每一種礦物質(zhì)都可能在一定程度上影響其它礦物質(zhì)的吸收和代謝。

銅與鋅之間的相互作用可能是最重要的，因?yàn)樵谀c內(nèi)吸收時(shí)，鋅直接與

銅競(jìng)爭(zhēng)。

過(guò)量攝入鋅，可能會(huì)引起缺銅。高濃度的抗壞血酸（維他命C）也會(huì)抑

制銅的吸收。這就指出了平衡膳食的重要性，特別是對(duì)于老年人，他們吸收

必需微量元素（例如銅）的能力低下，從而更易于造成缺乏。從出生到6個(gè)

月的嬰兒，每天應(yīng)攝入0.4mg?0.6mg銅。6個(gè)月的嬰兒到10歲的兒童每天

應(yīng)當(dāng)從膳食中攝入0.7mg?2mg銅。成人攝入量應(yīng)為每天2毫克。嬰兒每公

斤體重所需銅的數(shù)量，是成人的3倍以上。

因?yàn)殂~對(duì)于人的生命和健康是必需的，并且它存在于多數(shù)的食物中，所

以銅作為平衡膳食的組成部分實(shí)際上不會(huì)帶來(lái)危險(xiǎn)。

目前銅對(duì)健康有不良影響的事例比較罕見(jiàn)。過(guò)去這些不良影響通常來(lái)自

于職業(yè)性的暴露，例如從工業(yè)煙氣中吸入銅?，F(xiàn)代的生產(chǎn)工藝已使這類事例

極少發(fā)生，對(duì)于現(xiàn)代工人來(lái)說(shuō)銅中毒已不再成為問(wèn)題了。

從食物和飲水中正常地?cái)z入銅，一般極少會(huì)引起健康問(wèn)題。在異常情況下，

當(dāng)攝入的銅太多足以產(chǎn)生毒性反應(yīng)時(shí)，機(jī)體會(huì)自我保護(hù)，把過(guò)量的銅在吸收

進(jìn)入組織之前，通過(guò)嘔吐排出體外。這種高劑量的反應(yīng)稱為“急性中毒”。慢

性中毒雖然出現(xiàn)得更少，但會(huì)長(zhǎng)期影響健康。在非常罕見(jiàn)的患有某種遺傳疾

病的人群中，例如患有威爾遜氏?。ú荒軓捏w內(nèi)排出銅）或者門克士病（體

內(nèi)不能吸收銅）的人群，這會(huì)危及生命。

銅除了營(yíng)養(yǎng)價(jià)值外，還在醫(yī)藥上起重要作用?？梢杂脕?lái)處理皮膚疾病和

細(xì)菌感染，消除磷中毒癥，以及醫(yī)治痛風(fēng)和某些癌癥。

6.碘、氟：是構(gòu)成人體的微量元素。碘在人體內(nèi)含量約20mg?50mg,其中

三分之二集中在約20g?25g重的甲狀腺內(nèi)，其余分布在血清、肌肉、腎上

腺、卵巢中。

碘是甲狀腺的主要成分。甲狀腺所分泌的甲狀腺素是一種激素，它能顯著

地增強(qiáng)機(jī)體內(nèi)能量代謝和蛋白質(zhì)、糖類、脂肪的合成與分解，促進(jìn)生長(zhǎng)發(fā)育。

成年人每天需攝入碘100陷?150咋。人體內(nèi)缺乏碘時(shí)，就會(huì)引起甲狀腺增

生、結(jié)節(jié)和隆起，患甲狀腺腫。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界約有兩億人患甲狀腺腫。幼

兒時(shí)期缺碘，會(huì)影響生長(zhǎng)發(fā)育，思維遲鈍。成年時(shí)期缺碘，會(huì)使皮膚干燥、

發(fā)毛零落、性情失常。孕婦缺碘，可使新生兒患呆小癥。因此，人體缺碘造

成的危害是十分嚴(yán)重的。

我國(guó)有些地區(qū)受地理?xiàng)l件限制，飲食中缺碘，很多人患甲狀腺腫大（粗脖

子?。?，成為地方病。為了防治這種地方病，除了改善人們的食物品種，多吃

富含碘的海帶、紫菜、海蟄等海產(chǎn)品外，我國(guó)政府還明令規(guī)定，供應(yīng)全國(guó)人

民作為調(diào)味品的食鹽，一律用含碘鹽。

目前我國(guó)食用的含碘鹽是將碘化物與食鹽按1：20000-1：50000的比

例混合均勻而成。碘化物主要是碘化鉀或碘酸鉀。由于碘化鉀極不穩(wěn)定，在

高溫和陽(yáng)光照射下，容易分解并揮發(fā)，在酸性條件下更易分解。所以，還要

加入適量碳酸鈉（用量為碘化鉀的1?4倍）及硫代硫酸鈉（用量為碘化鉀的

1/100）作穩(wěn)定劑。

氟是人體中的一種必需微量元素。在人體必需元素中，人體對(duì)氟含量最為

敏感，從滿足人體對(duì)氟的需要到由于氟過(guò)多而導(dǎo)致中毒的量之間相差不多，因

此氟對(duì)人體的安全范圍比其他微量元素窄得多。所以要更加注意自然界、飲

水及食物中氟含量對(duì)人體健康的影響。

氟在人體中主要分布在骨胳、牙齒、指甲和毛發(fā)中，尤以牙釉質(zhì)中含量多,

氟的攝入量或多或少也最先表現(xiàn)在牙齒上。當(dāng)人體缺氟時(shí)，會(huì)患踽齒，氟多了又

會(huì)患斑釉齒，如果再多，會(huì)患氟骨癥等系列病癥。

人體中氟的主要來(lái)源是飲水，有研究認(rèn)為，飲水含氟量為1.0mg/L?1.5

mg/L較為適宜,最高不得超過(guò)2.0mg/Lo

市場(chǎng)上出售的加氟牙膏含有氟化鈉、氟化鋸等氟化合物,有防耦作用，適用

于缺氟地區(qū)。是否需要選用這種牙膏,最好聽(tīng)取衛(wèi)生部門或牙醫(yī)的建議。

第二節(jié)生命體中的重要有機(jī)化合物

一、糖類：

糖是自然界存在的一大類具有生物功能的有機(jī)化合物。它主要是山綠色

植物光合作用形成的。這類物質(zhì)主要由C,H和。所組成，其化學(xué)式通常以

Cn（H2O）n表示，其中C,H,O的原子比恰好可以看作由碳和水復(fù)合而成，

所以有碳水化合物之稱，其實(shí)糖類物質(zhì)是多羥基醛類或酮以及以它們?yōu)闃?gòu)筑

單元所形成的聚合物。作為構(gòu)筑單元的糖稱為單糖，它的聚合物稱為多糖。

常見(jiàn)的葡萄糖和果糖都是單糖類，它們的鏈狀結(jié)構(gòu)是

6

CHOI

CHi2o

H-C—OHI

If

HO——C—H-C

I

H-C—OHH-C—OH

II

H-C—OHH-C—OH

II

CH2OHCH2OH

果鋸

-C

由上述結(jié)構(gòu)式可見(jiàn)，葡萄糖含有一個(gè)醛基（'H）,六個(gè)碳原子，稱己醛

糖；而果糖則含有一個(gè)酮基（'）,六個(gè)碳原子，稱己酮糖。此外，植

物體內(nèi)的淀粉、纖維素，動(dòng)物體內(nèi)的糖原、甲殼素等則屬于多糖類。糖類物

質(zhì)的主要生物學(xué)功能是通過(guò)生物氧化而提供能量，以滿足生命活動(dòng)的能量需

要。

單糖不僅多羥基醛酮有鏈狀結(jié)構(gòu)，還可以通過(guò)城基與分子內(nèi)的羥基結(jié)合成

環(huán)狀結(jié)構(gòu):

CH2OH

環(huán)狀醛糖環(huán)狀酮糖

多糖能水解為很多個(gè)單糖分子。多糖廣泛存在于自然界，是類天然的

高分子化合物。多糖在性質(zhì)上與單糖、低聚糖有很大的區(qū)別，它沒(méi)有甜味，

一般不溶于水。與生物體關(guān)系最密切的多糖是淀粉、糖原和纖維素。

淀粉是葡萄糖的高聚體，水解到二糖階段為麥芽糖，完全水解后得到葡

萄糖。淀粉有直鏈淀粉和支鏈淀粉兩類。直鏈淀粉含兒百個(gè)葡萄糖單元，支

鏈淀粉含幾千個(gè)葡萄糖單元。在天然淀粉中直鏈的約占22%?26%,它是可

溶性的，其余的則為支鏈淀粉。當(dāng)用碘溶液進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，直鏈淀粉液呈顯藍(lán)

色，而支鏈淀粉與碘接觸時(shí)則變?yōu)榧t棕色。圖9-1和圖9-2分別為直鏈淀粉

和支鏈淀粉結(jié)構(gòu)示意圖。支鏈淀粉是多分子的特征。

圖9-1直凝淀粉結(jié)構(gòu)示意圖

糖原乂稱動(dòng)物淀粉，是動(dòng)物的糖貯存庫(kù)，也可看作體內(nèi)能源庫(kù)。糖原的

結(jié)構(gòu)與支鏈淀粉有基本相同的結(jié)構(gòu)（葡萄糖單位的分支鏈），只是糖原的分支

更多。糖原呈無(wú)定形無(wú)色粉末，較易溶于熱水，形成膠體溶液。糖在動(dòng)物的

肝臟和肌肉中含量最大，當(dāng)動(dòng)物血液中葡萄糖含量較高時(shí)，就會(huì)結(jié)合成糖原

儲(chǔ)存于肝臟中，當(dāng)葡萄糖含量降低時(shí)，糖原就可分解成葡萄糖而供給機(jī)體能

量。

纖維素是自然界中最豐富的多糖。它是沒(méi)有分支的鏈狀分子，與直鏈淀

粉一樣，是由D-葡萄糖單位組成。纖維素結(jié)構(gòu)與直鏈淀粉結(jié)構(gòu)間的差別在于

D-葡萄糖單位之間的連接方式不同。由于分子間氫鍵的作用，使這些分子鏈

平行排列、緊密結(jié)合，形成了纖維束，每一束有100?200條纖維系分子鏈。

這些纖維束擰在一起形成繩狀結(jié)構(gòu)，繩狀結(jié)構(gòu)再排列起來(lái)就形成了纖維素，

如圖所示。纖維素的機(jī)械性能和化學(xué)穩(wěn)定性與這種結(jié)構(gòu)有關(guān)。

89-3扭在一起的纖維素捱

淀粉與纖維素僅僅是結(jié)構(gòu)單體在構(gòu)型上的不同，卻使它們有不同的性質(zhì)。

淀粉在水中會(huì)變成糊狀，而纖維素不僅不溶于水，甚至不溶于強(qiáng)酸或堿。人

體中由于缺乏具有分解纖維素結(jié)構(gòu)所必需的酶（生物催化劑），因此纖維素不

能為人體所利用，就不能作為人類的主要食品。但纖維素能促進(jìn)腸的蠕動(dòng)而

有助于消化，適當(dāng)食用是有益的。牛、馬等動(dòng)物的胃里含有能使纖維素水解

的酶，因此可食用含大量纖維素的飼料。纖維素是植物支撐組織的基礎(chǔ)，棉

花中纖維素含量高達(dá)98%,亞麻和木材中含纖維素分別為80%和50%左右。

纖維素是制造人造絲、人造棉、玻璃紙、火棉膠等的主要原料。

多糖水解不是一步成為單糖的。如淀粉水解成糊精，再水解成為麥芽糖,

最終成為葡萄糖。這些由少數(shù)（2?6個(gè)）單糖分子構(gòu)成的糖稱為寡糖（又稱低聚

糖），其中以雙糖存在最為廣泛，人們食用的蔗糖（來(lái)自甘蔗和甜菜）就是由葡

萄糖和果糖形成的雙糖，甜度較差的麥芽糖（來(lái)自淀粉）可用做營(yíng)養(yǎng)基和培養(yǎng)

基，來(lái)自乳汁的乳糖甜度適中，用于食品工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)，它們也都是雙糖。

糖類不僅是生物體的能量來(lái)源，而且在生物體內(nèi)發(fā)揮其他作用，因?yàn)樘?/p>

類可以與其他分子形成復(fù)合物，即復(fù)合糖類。例如糖類與蛋白質(zhì)可組成糖蛋

白和蛋白聚糖，糖類可以與脂類形成糖脂和多脂多糖等。復(fù)合糖類在生物體

內(nèi)的種類和結(jié)構(gòu)的多樣性及功能的復(fù)雜性，更是超過(guò)了簡(jiǎn)單糖。糖類在生物

界的重要性還在于它對(duì)各類生物體的結(jié)構(gòu)支持和保護(hù)作用。很多軟體動(dòng)物的

體外有一層硬殼，組成這層硬殼的物質(zhì)包括被稱為基質(zhì)的甲殼素。甲殼素的

主要成分是乙酰氨基葡萄糖為結(jié)構(gòu)單元的多糖。甲殼素的分子結(jié)構(gòu)因此也和

纖維素很相似，具有高度的剛性，能忍受極端的化學(xué)處理。在動(dòng)物細(xì)胞表面

沒(méi)有細(xì)胞壁，但細(xì)胞膜上有許多糖蛋白，而且細(xì)胞間存在著細(xì)胞間質(zhì)，其主

要組分是結(jié)構(gòu)糖蛋白和多種蛋白聚糖構(gòu)成，另外，還有含糖的膠原蛋白，膠

原蛋白也是骨的基質(zhì)。這些復(fù)合糖類對(duì)動(dòng)物細(xì)胞也有支持和保護(hù)作用。

糖類還能通過(guò)很多途徑影響生物體的生命過(guò)程，其中有些是有益于健康

的，有些是有害的。在生物體內(nèi)有很多水溶性差的有機(jī)化合物，有的來(lái)自食

物（有的是體內(nèi)的代謝產(chǎn)物），它們長(zhǎng)期儲(chǔ)存在體內(nèi)是有害的。生物體內(nèi)有一

些酶能催化葡萄糖醛酯和許多水溶性差的化合物相連接，使后者能溶于水中,

進(jìn)而被排出體外，這時(shí)糖類起到了解毒的作用。

二、蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)是細(xì)胞結(jié)構(gòu)里最復(fù)雜多變的一類大分子，它存在于一切活細(xì)胞中。

1839年德國(guó)化學(xué)家MulderGT給這類化合物起名叫做蛋白質(zhì)（Protein）,意思

是“頭等重要的所有的蛋白質(zhì)都含C,N,0,H元素，大多數(shù)蛋白質(zhì)還含

S或P,也有些含其他元素如Fe,Cu,Zn等。多數(shù)蛋白質(zhì)的分子量范圍在

L2萬(wàn)至100萬(wàn)間。蛋白質(zhì)是氨基酸聚合物，水解時(shí)產(chǎn)生的單體叫氨基酸。蛋

白質(zhì)的種類繁多，功能迥異，各種特殊功能是由蛋白質(zhì)分子里氨基酸組合和

順序決定的。

1.氨基酸構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸是a-氨基酸，為方便起見(jiàn)，簡(jiǎn)稱氨基酸。

它們是a-碳［竣基（一C00H）旁邊的碳］上有一個(gè)氨基（一NH2）的有機(jī)酸。事實(shí)

上，同時(shí)有氨基和竣基的化合物，都叫氨基酸。a—氨基酸的結(jié)構(gòu)通式如下：

HH

0

I〃H—L/

R—C—C

X0HX0H

NH2

a-氨基酸的通式甘氨酸

氨基酸中的R基側(cè)鏈?zhǔn)歉鞣N氨基酸的特征基團(tuán)。最簡(jiǎn)單的氨基酸是廿氨

酸，其中的R是一個(gè)H原子。人體內(nèi)的主要蛋白質(zhì)大約由20種氨基酸組成,

它們的R基團(tuán)如表所示：

名稱R基符號(hào)

甘氨酸H—Gly

絲氨酸HO—CH2—Ser

一

蘇氨酸CHs—CHThr

OH

半胱氨酸HS—CH2—Cys

酪氨酸Tyr

HO—CH;—

天冬酰胺%人Asn

C-CH-

西2

谷氨酰胺Gin

^C-CH-CH-

冬氨酸Asp

C-CH-

脛2

谷氨酸Glu

C—CH—CH

心22

丙氨酸CH3-Ala

1*繳氨酸

1Vai

名稱R基符號(hào)

*亮氨酸CHs、Leu

CH—CH—

CH/2?

*異亮氨酸

CHS-CH2-CH—He

CHS

脯氨酸轡Pro

HC^'

Z2

H1

zY

H

*某丙氨酸Phe

*色氨酸Trp

H

*甲硫氨酸（蛋氨酸）CH3—s—CH2—CH2—Met

*賴氨酸Lys

H3一CH2—CH2—CH2—CH2-

*精氨酸M,N—C—NH—CH,—CHCHArg

2II22

料

*組氨酸H(|=]-CH2-His

H氏/NH

H

*代表必需氨基酸；精氨酸和組氨酸對(duì)兒童為必需氨基酸，但對(duì)成人卻不是必需氨基酸。

蛋白質(zhì)中的氨基酸是L-構(gòu)型。（氨基酸有L-構(gòu)型和D-構(gòu)型，它們彼此類

似但構(gòu)型不同，將它們重疊時(shí)，它們并非等同，而是互為鏡象，不能重疊，

這兩種構(gòu)型分別為L(zhǎng)-型和D-型。單糖也有D-,L-兩種異構(gòu)體，與人類關(guān)系

密切的是D-葡萄糖和D-果糖。）

人體需要L-氨基酸而不能利用D-氨基酸。L-和D-構(gòu)型的a-氨基酸如下

所示

COOHCOOH

II

HZH—C—HH-C-NH2

II

RR

L-氨基酸D-氨基酸

2、肽鍵

蛋白質(zhì)分子中氨基酸連接的基本方式是一分子氨基酸的竣基與另一分子

0

II

氨基酸的氨基，通過(guò)脫水（縮合反應(yīng)），形成一個(gè)酚胺鍵—C—NH一,新生成

的化合物稱為肽。肽分子中的酰胺鍵亦稱肽鍵。

最簡(jiǎn)單的肽由兩個(gè)氨基酸組成，稱為二肽。例如兩個(gè)甘氨酸分子縮合成

二肽，甘氨酰甘氨酸（符號(hào)為Gly-Gly）：

肚鍵iH

二

甘熟酸甘氨酸甘氨酰甘氨酸

肽鍵中的氨基酸由于參與肽鍵的形成已經(jīng)不是原來(lái)完整的分子，因此稱

為氨基酸殘基。含有三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)等氨基酸殘基的肽分別稱為三肽、四

肽、五肽等。肽的命名是根據(jù)參與其組成的氨基酸殘基來(lái)確定的，通常從肽

鍵的NH2末端氨基酸殘基開始，稱為某氨基酰某氨基?！嘲被帷＞哂?/p>

下列化學(xué)結(jié)構(gòu)的五肽命名為絲氨酰甘氨酰酪氨酰丙氨酰亮氨酸，可用符號(hào)

Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu表示。

若由兩種不同的氨基酸如甘氨酸和丙氨酸來(lái)進(jìn)行縮合，則可能形成兩種

不同的二肽:

肽鍵

甘氨酰丙氨酷（G1廠Ala）丙氨酰甘氨酸（Ala-Gly）

多個(gè)氨基酸失水形成的肽稱多肽,多肽一般是鏈狀化合物。若4種氨基

酸（例如甘氨酸Gly,丙氨酸Ala,絲氨酸Ser和胱氨酸Cy^）排列組合，可能

的連結(jié)方式則有24種：

Gly-Ala-Ser-CyAla-Gly-Ser-CySer-Ala-Gly-CyCy-Ala-Gly-Ser

Gly-Ala-Cy-SerAla-Gly-Cy-SerSer-Ala-Cy-GlyCy-Ala-Ser-Gly

Gly-Ser-Ala-CyAla-Ser-Gly-CySer-Gly-Ala-CyCy-Gly-Ala-Ser

Gly-Ser-Cy-AlaAla-Ser-Cy-GlySer-Gly-Cy-AlaCy-Gly-Ser-Ala

Gly-Cy-Ser-AlaAla-Cy-Gly-SerSer-Cy-Ala-GlyCy-Ser-Ala-Gly

Gly-Cy-Ala-SerAla-Cy-Ser-GlySer-Cy-Gly-AlaCy-Ser-Gly-Ala

17種不同的氨基酸組合的不同方式可達(dá)到3.56x1014種。但目前在自然

界中已發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)種類比起這個(gè)數(shù)目來(lái)還差得很遠(yuǎn)。同樣，由-組氨基酸

按不同順序組成的蛋白質(zhì)種類的理論數(shù)目和實(shí)際存在于細(xì)胞中的種類數(shù)也相

差甚遠(yuǎn)。這個(gè)現(xiàn)象說(shuō)明只有某些氨基酸并按某幾種順序組合而成的蛋白質(zhì)才

與生命或生理活性有關(guān)。

蛋白質(zhì)分子是由一條或多條多肽鏈構(gòu)成的生物大分子。蛋白質(zhì)的種類很

多，以前認(rèn)為蛋白質(zhì)都是天然的，但現(xiàn)在差不多任何順序的肽鏈都能合成，

包括自然界里沒(méi)有的。所以種類是無(wú)限的，其中有的已知有生物功能和活性。

按分子形狀來(lái)分有球蛋白和纖維蛋白。球蛋白溶于水、易破裂，具有活性功

能，而纖維狀蛋白不溶于水，堅(jiān)韌，具有結(jié)構(gòu)或保護(hù)方面的功能，頭發(fā)和指

甲里的角蛋白就屬纖維狀蛋白。按化學(xué)組成來(lái)分有簡(jiǎn)單蛋白和復(fù)合蛋白，簡(jiǎn)

單蛋白只由多肽鏈組成，復(fù)合蛋白由多肽鏈和輔基組成，輔基包括核甘酸、

糖、脂、色素（動(dòng)植物組織中的有色物質(zhì)）和金屬配離子等。

為了表示蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同層次，經(jīng)常使用一級(jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)

結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu)這樣一些專門術(shù)語(yǔ)。一級(jí)結(jié)構(gòu)就是共價(jià)主鏈的氨基酸順序，

二、三和四級(jí)結(jié)構(gòu)又稱空間結(jié)構(gòu)（即三維構(gòu)象）或高級(jí)結(jié)構(gòu)。

-?級(jí)結(jié)構(gòu)決定了蛋白質(zhì)的功能，對(duì)它的生理活性也很重要，順序中只要

有一個(gè)氨基酸發(fā)生變化，整個(gè)蛋白質(zhì)分子會(huì)被破壞。催產(chǎn)素（促進(jìn)子宮肌肉收

縮）、加壓素（增加血壓）、舒緩激肽（調(diào)節(jié)血壓）和牛胰島素的化學(xué)結(jié)構(gòu)即一級(jí)

結(jié)構(gòu)。

Gys-Tyr—Ile-Glrt-Asit-Cys-Pro-Len-Gly

1II1I

----------------S_S-----------NH2

牛催產(chǎn)素

牛加壓素

Arg-Pro-Pro-Glj^Phe-Ser-Pro-Phe-Arg

舒緩謝肽

蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子中多肽鏈本身的折疊方式。例如角蛋

白中的多肽鏈，排列成卷曲形，稱為a-螺旋。在這種結(jié)構(gòu)里，氨基酸形成螺

旋圈，肽鍵中與氮原子相聯(lián)的氫，與附在沿鏈更遠(yuǎn)處的肽鍵中和碳原子相連

的氧以氫鍵相結(jié)合。而絲的纖維蛋白具有不同的二級(jí)結(jié)構(gòu)。在絲里，幾種走

向不同的肽鏈互相緊靠，使蛋白成為"之”字形，所以有折疊結(jié)構(gòu)之稱，也稱

0構(gòu)型。鏈?zhǔn)怯蓺滏溌?lián)結(jié)的，R基團(tuán)向上或向下延伸。a螺旋和折疊結(jié)構(gòu)分別

如圖所示。

蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)是指二級(jí)結(jié)構(gòu)折疊卷曲形成的結(jié)構(gòu)。一般講，球蛋白

是一個(gè)折疊得非常緊密的球形，如圖9-6所示。蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)是指幾個(gè)

蛋白質(zhì)分子（稱為亞基）聚集成的高級(jí)結(jié)構(gòu)。高級(jí)結(jié)構(gòu)不再進(jìn)一?步討論。

蛋白質(zhì)廣泛而又多變的功能決定了它們?cè)谏砩系闹匾?。蛋白質(zhì)的生

物學(xué)功能是多種多樣的。例如有的作為催化劑（酶），有的起運(yùn)輸、調(diào)節(jié)或防

御作用。這些作用都與蛋白質(zhì)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。

團(tuán)

(a)a螺旋（b）折登結(jié)構(gòu)

圖9-5多肽鏈構(gòu)型

圖9-6肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)G艮據(jù)2必辨率的資料分析所得的結(jié)構(gòu))

3.酶：酶是生物體中具有重要功能的一種蛋白質(zhì)，它的作用是催化細(xì)胞新陳

代謝過(guò)程中的各種化學(xué)變化，故稱之為生物催化劑。

特點(diǎn)：具有高度的專一性和強(qiáng)大的催化能力。

人類從發(fā)明釀酒、造醋、制醬、發(fā)面時(shí)起，就對(duì)生物催化作用有了初步

的認(rèn)識(shí)，不過(guò)當(dāng)時(shí)并不知道有酶這類生物催化劑。進(jìn)入19世紀(jì)后期，人們已

積累了不少關(guān)于酶的知識(shí)，認(rèn)識(shí)到酶來(lái)自生物細(xì)胞。進(jìn)入20世紀(jì)，不僅發(fā)現(xiàn)

了很多酶，而且酶的提取、分離、提純等技術(shù)有了很大的發(fā)展，并注意到有

不少酶在作用中需要低分子量的物質(zhì)(輔酶)參與，對(duì)酶的本質(zhì)進(jìn)行了深入的

研究。1926年第一次成功地從刀豆中提取了胭酶的結(jié)晶，并證明每種結(jié)晶

具有蛋白質(zhì)的化學(xué)本質(zhì)，它能催化尿素分解為NE和CO2。爾后，相繼分離

出許多酶(如胃蛋白酶、胰蛋白酶等)的晶體。科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明了酶的化學(xué)組成

同蛋白質(zhì)一樣，也是由氨基酸組成的，它們都具有蛋白質(zhì)的化學(xué)本性。至今,

人們已鑒定出2000種以上的酶，其中有200多種已得到了結(jié)晶。酶是一類由

生物細(xì)胞產(chǎn)生的、以蛋白質(zhì)為主要成分的、具有催化活性的生物催化劑。

酶催化作用，有其很多特點(diǎn)，最主要的如下。

(1)酶是由生物細(xì)胞在基因指導(dǎo)下合成的，其主要成分是蛋白質(zhì)。

(2)酶催化反應(yīng)都是在比較溫和的條件下進(jìn)行的。例如在人體中的各種酶

促反應(yīng)，一般是在體溫(37℃)和血液pH約為7的情況下進(jìn)行的，這與它的特

定結(jié)構(gòu)有關(guān)。因此酶對(duì)周圍環(huán)境的變化比較敏感，若遇到高溫、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、

重金屬離子、配位體或紫外線照射等因素的影響時(shí)，易失去它的催化活性。

（3）酶具有高度的專一性，即某一種酶僅對(duì)某一類物質(zhì)甚至只對(duì)某一種物

質(zhì)的給定反應(yīng)起催化作用，生成一定的產(chǎn)物。如胭酶只能催化尿素水解生成

NH3和C02,而對(duì)尿素的衍生物和其他物質(zhì)都不具有催化水解的作用，也不

能使尿素發(fā)生其他反應(yīng)。酶的這種專一性通常可用酶分子的幾何構(gòu)象給予解

釋。如麥芽糖酶是一種只能催化麥芽糖水解為兩分子葡萄糖的催化劑，這是

由于麥芽糖酶的活性部位（即反應(yīng)發(fā)生的位置）能準(zhǔn)確地結(jié)合?個(gè)麥芽糖分

子，當(dāng)兩者相遇時(shí)，使兩個(gè)單糖單位相連接的鏈合變?nèi)酰浣Y(jié)果是水分子的

進(jìn)入并發(fā)生水解反應(yīng)。麥芽糖酶不能使蔗糖水解，使蔗糖水解的是蔗糖酶。

早年提出“一把鑰匙開一把鎖”的酶催化鎖鑰模型如圖9-7所示。

近年來(lái)的研究結(jié)果表明，把酶和底物看成剛性分子是不完善的，實(shí)際上

它們的柔性使二者可以相互識(shí)別相互適應(yīng)而結(jié)合。

（4）酶促反應(yīng)所需要的活化能低，而且催化效率非常高。例如，氏。2分解

1

為H20和。2所需的活化能是75.3kJmor；用膠態(tài)箱作催化劑活化能降為49

11

kJmor；當(dāng)用過(guò)氧化氫酶催化時(shí)的活化能僅需8kJ-mol-左右，并且H2O2分

解的效率可提高1（）9倍！

鑰匙在鎖中鑰匙打開了的鎖

分子）如應(yīng)物）分子的配合物）酶分子）產(chǎn)物）

圖9-7酶催化作用的鎖一鑰理論

影響酶作用的主要因素（P359）：

①必須有足夠數(shù)量的底物；（因?yàn)楫?dāng)有足夠的底物與所有的酶結(jié)合以后,

反應(yīng)將以最大的速度進(jìn)行。）

②環(huán)境溫度是影響酶作用的關(guān)鍵；（酶對(duì)溫度非常敏感，100C時(shí)，所有

酶的活性都將被破壞，溫度很低時(shí)，酶也會(huì)失去活性。一般人體中各種酶的

最適宜的溫度為37℃)

③每種酶的作用都有特定的酸堿范圍。(介質(zhì)的酸堿度會(huì)影響酶的活性，

大多數(shù)酶在中性PH值為7附近活性最高，但胃蛋白酶在PH值為1~2時(shí)活

性最高，因此每一種酶在其特定的PH條件下，可具有很高的催化活性，否

則將失去它的活性。)

從酶的化學(xué)組成來(lái)看，可分成單純酶和結(jié)合酶兩大類。單純酶的分子組成

全為蛋白質(zhì)，不含非蛋白質(zhì)的小分子物質(zhì)。如酥酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪

酶、核糖核酸酶等都屬單純酶。結(jié)合酶的分子組成除蛋白質(zhì)外，還含有對(duì)熱

穩(wěn)定的非蛋白質(zhì)的小分子物質(zhì)，這種非蛋白質(zhì)部分叫做輔助因子。酶蛋白與

輔助因子結(jié)合后所形成的復(fù)合物或配合物叫做全酶。輔助因子是這類酶起催

化作用的必要條件，缺少了它們，酶的催化作用即行消失，酶蛋白、輔助因

子各自單獨(dú)存在時(shí)都無(wú)催化作用。酶的輔助因子可以是金屬離子［如Cu(II),

Zn(II),Fe(III),Mg(II),Mn(II)等］的配合物(如血紅素、葉綠素等),也可以

是復(fù)雜有機(jī)化合物。

人體對(duì)食物的消化、吸收，通過(guò)食物獲取能量，以及生物體內(nèi)復(fù)雜的代謝

過(guò)程都包含許多化學(xué)反應(yīng)，必須有各種不同的酶參與作用。這些專一性的酶

組成一系列酶的催化體系，維持生物體內(nèi)各種代謝過(guò)程有規(guī)律的進(jìn)行。

新陳代謝簡(jiǎn)稱代謝。代謝包含物質(zhì)代謝與能量代謝兩部分，實(shí)際上兩者不

可分。物質(zhì)代謝是泛指生物體與外界不斷交換物質(zhì)的過(guò)程，包括從體外吸取

養(yǎng)料和物質(zhì)在體內(nèi)的變化。狹義的代謝是指物質(zhì)在細(xì)胞中的合成和分解過(guò)程,

一般稱中間代謝。合成代謝一般是將簡(jiǎn)單物質(zhì)變成復(fù)雜物質(zhì)，而分解代謝則

是將復(fù)雜物質(zhì)變?yōu)楹?jiǎn)單物質(zhì)。代謝過(guò)程是生命現(xiàn)象的基本特征。糖、脂肪和

蛋白質(zhì)的合成途徑各有不同，但它們的分解途徑的共同點(diǎn)是，氧化成C02和

H2OO

生物體是通過(guò)物質(zhì)的氧化獲得能量的，但物質(zhì)氧化時(shí)所產(chǎn)生的能量一般不

能直接被利用。機(jī)體利用能量的方式是將生物氧化系統(tǒng)釋放的能量，以高能

鍵的形式先貯存在生物體內(nèi)的ATP中（ATP是核甘酸-三磷酸腺昔英文名稱的

縮寫，其分子是由一分子腺嗯吟，一分子核糖和三分子磷酸連接而成），當(dāng)需

要時(shí)再釋放出來(lái)供各種生理活動(dòng)和生化反應(yīng)需用。所以在物質(zhì)代謝同時(shí)也有

能量代謝。生物氧化過(guò)程，即是由各種有機(jī)物（食物來(lái)源）在酶的作用下，氧

化生成C02和H2O,并釋放出能量的過(guò)程。

+。1-?-^COa+^04-^1：

由于酶的催化作用，生物氧化得以在比較溫和的條件下及有水的環(huán)境中

進(jìn)行，并且能量主要是以自由能形式逐步釋放直接供給需要能量的過(guò)程。

通過(guò)食物氧化得到的能量主要用于合成ATPo然后在適當(dāng)?shù)拇呋瘎┐嬖?/p>

時(shí)，ATP將經(jīng)歷三步水解，其提供的能量可用來(lái)引起其他化學(xué)反應(yīng)。各種生

物活動(dòng)，如核酸、蛋白質(zhì)的生物的合成、糖、脂肪、藥物等物質(zhì)的代謝，以

及細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)等等，都有ATP參與。ATP被稱為生物體內(nèi)的能量使

者。對(duì)于大多數(shù)細(xì)胞代謝過(guò)程的酶已經(jīng)有了較多的了解。

目前酶學(xué)研究中的新領(lǐng)域包括：酶合成的遺傳控制與遺傳病、許多酶系

統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)性質(zhì)、生長(zhǎng)發(fā)育及分化中酶的作用與腫瘤及衰老的關(guān)系、細(xì)胞

相互識(shí)別過(guò)程中酶的作用等等。

三、核酸

核酸是一類多聚核甘酸，它的基本結(jié)構(gòu)單位是核甘酸。采用不同的降解

法可以將核酸降解成核甘酸，核甘酸還可進(jìn)一步分解成核甘和磷酸，核甘再

進(jìn)一步分解生成堿基（含N的雜環(huán)化合物）和戊糖。也就是說(shuō)核酸是由核甘酸

組成的，而核甘酸乂由堿基、戊糖與磷酸組成。

”公廣堿基一噂吟堿，啥嚏堿

產(chǎn)核苗+

L戊精一D-核糖，D-2-脫氧核糖

核酸一核甘酸f

+磷酸

核酸中的堿基分兩大類：喋吟堿與口密嗟堿。核酸中的戊糖有兩類：D-核

糖和D-2-脫氧核糖。核酸的分類就是根據(jù)核酸中所含戊糖種類不同而分為核

糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸(DNA)兩大類。

RNA中的堿基主要有四種：腺喋吟、鳥喋吟、胞嗒咤、尿喀咤。DNA

中的堿基主要也是四種，三種與RNA中的相同，只是胸腺喀咤代替了尿喘

咤。兩類核酸的基本化學(xué)組成見(jiàn)表5-2。

DNA的一級(jí)結(jié)構(gòu)是由數(shù)量極其龐大的四種脫氧核糖核甘酸即：脫氧腺喋

吟核甘酸、脫氧鳥喋吟核甘酸、脫氧胞喀喘核甘酸和脫氧胸腺喀咤核甘酸所

組成。這四種核甘酸的排列順序(序列)正是分子生物學(xué)家多年來(lái)要解決的問(wèn)

題。因?yàn)樯锏倪z傳信息貯存于DNA的核甘酸序列中，生物界物種的多樣

性即寓于DNA分子四種核甘酸千變?nèi)f化的不同排列之中。

表5-2兩類核酸的基本化學(xué)組成

DNARNA

腺嗯吟腺喋吟

喋吟堿

鳥喋吟鳥喋吟

胞喀咤胞喀咤

喀咤堿

胸腺嗑咤尿喀咤

戊糖D-2-脫氧核糖D-核糖

酸磷酸磷酸

核酸是遺傳信息的攜帶者與傳遞者。核酸有著幾乎多得無(wú)限的可能結(jié)構(gòu),

而生物體的遺傳特征就反映在DNA分子的結(jié)構(gòu)上，即DNA的結(jié)構(gòu)攜帶著遺

傳的全部信息，就是通常所說(shuō)的DNA攜帶著遺傳的密碼。生物體的遺傳信

息以密碼的形式編碼在DNA分子上，表現(xiàn)為特定的核甘酸排列順序，并通

過(guò)DNA的復(fù)制由親代傳遞給子代。在后代的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，遺傳信息自

DNA轉(zhuǎn)錄給RNA,然后翻譯成特異的蛋白質(zhì)，以執(zhí)行各種生命功能，使后

代表現(xiàn)出與親代相似的遺傳性狀。所謂復(fù)制，就是指以原來(lái)DNA分子為模

板合成出相同分子的過(guò)程。所謂轉(zhuǎn)錄，就是在DNA分子上合成出與其核首

酸順序相對(duì)應(yīng)的RNA的過(guò)程。而翻譯則是在RNA的控制下，從DNA得來(lái)

的核甘酸順序合成出具有特定氨基酸順序的蛋白質(zhì)肽鏈的過(guò)程。由于生命活

動(dòng)是通過(guò)蛋白質(zhì)來(lái)表現(xiàn),所以生物的遺傳特征實(shí)際上是通過(guò)DNA-RNA一蛋

白質(zhì)過(guò)程傳遞的，就是遺傳信息傳遞的中心法則，如圖9-8所示。

圖9-8中心法則簡(jiǎn)示

1953年，英國(guó)劍橋大學(xué)的Watson和Crick提出了著名的生物遺傳物質(zhì)

DNA分子的雙螺旋模型，這是生命化學(xué)、乃至生物學(xué)中的重大里程碑。這一

發(fā)現(xiàn)為遺傳工程的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型如圖9-9

所示。

圖9-9DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型Q)及其圖解(b)

遺傳工程從狹義上理解就是指DNA重組技術(shù)。即提取或合成不同生物

的遺傳物質(zhì)(DNA),在體外切割、拼接和重新組合，然后通過(guò)載體將重組的

DNA分子引入受體細(xì)胞，使重組DNA在受體細(xì)胞中得以復(fù)制與表達(dá)。從遺

傳工程的概念看，遺傳工程的直接目的就是改造生物，從而使其更好地為人

類服務(wù)。例如，作為人類主要食物的谷類作物含有大量糖類，而人體所必需

的蛋白質(zhì)、氨基酸與維生素的含量卻很少。有些微生物可以產(chǎn)生這些物質(zhì)，

用大規(guī)模發(fā)酵的方法培養(yǎng)微生物，進(jìn)而提取這些物質(zhì)，就可以進(jìn)行工業(yè)化生

產(chǎn)。采用DNA重組及細(xì)胞融合等技術(shù)改造了蘇氨酸、色氨酸、賴氨酸等氨

基酸的生產(chǎn)菌，與原始菌株相比，氨基酸的含量提高了兒十倍，且生產(chǎn)成本

下降。這些氨基酸產(chǎn)品廣泛用于營(yíng)養(yǎng)食品、助鮮及飼料添加劑等生產(chǎn)，從而

部分代替了糧食產(chǎn)品。又如，生物固氮的遺傳工程研究是一個(gè)令人神往的重

要領(lǐng)域，其目的就是培養(yǎng)出能自行供氮的作物。一切植物的生長(zhǎng)都需要氮元

素，大氣中雖有80%的氮?dú)?，但除了豆科植物外，都不能直接利用空氣中?/p>

分子態(tài)的N2O與豆科植物根部共生的根瘤菌可以固定分子態(tài)氮并轉(zhuǎn)化成能被

植物吸收的狀態(tài)。如果把根瘤菌的固氮基因轉(zhuǎn)移到水稻、小麥、玉米等作物

細(xì)胞中，就有可能使這些作物直接利用空氣中的氮，這不僅可提高產(chǎn)量，增

加谷類作物的蛋白質(zhì)含量，而且能大大節(jié)省化肥，從而降低生產(chǎn)成本，減輕

環(huán)境污染。遺傳工程研究的開展，將為解決人類面臨的食品與營(yíng)養(yǎng)、健康與

環(huán)境、資源與能源等一系列重大問(wèn)題開辟了新途徑，也具有極大的經(jīng)濟(jì)潛力。

第三節(jié)營(yíng)養(yǎng)與健康

一、食物的化學(xué)組成和分類

食品就其本身的含義來(lái)說(shuō)，是指可食的、含有易消化營(yíng)養(yǎng)素的物質(zhì)。為

要確定食品的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，食品的化學(xué)成分是十分重要的。

止匕外，供人類食用的食物，不僅要有足夠的營(yíng)養(yǎng)，還需要我們掌握平衡

營(yíng)養(yǎng)的概念。

天然成如「無(wú)機(jī)成分：水、無(wú)機(jī)鹽

食品1I有機(jī)成分：蛋白質(zhì)、糖類、脂類、維生素、激素、

色素類、有毒物質(zhì)

I非天然成分：食品添加劑、污染物質(zhì)

二、各種營(yíng)養(yǎng)要素與健康

1.糖類：

碳水化合物（即糖類）是食品的重要成分，它廣泛存在于植物體中，是綠色

植物經(jīng)過(guò)光合作用的產(chǎn)物，占植物體干重的50%--80%。動(dòng)物體內(nèi)不能制造

碳水化合物，是以食用植物的碳水化合物為能源的，因此，碳水化合物，主

要是由植物性食品供給。淀粉是碳水化合物在自然界中最主要的存在形態(tài)。

在早些年代，因發(fā)現(xiàn)一些糖類如蔗糖、淀粉以及纖維素等都是由碳、氫、

氧三種元素所組成，且其中氫與氧原子之比為2：1,相當(dāng)于水分子中氫與氧

原子之比，可以用通式C￡H20）m來(lái)表示，故稱為碳水化合物。但是后來(lái)發(fā)現(xiàn)

有些糖類，如鼠李糖（C6Hl2。5）、去氧核糖（C5HH）。4）并不符合上述通式，而某

些符合通式的化合物如醋酸、乳酸、甲醛、苯三酚并不具備碳水化合物的結(jié)

構(gòu)和性質(zhì)，而且碳水化合物也并非由碳和水所組成。所以，碳水化合物這個(gè)

名稱不過(guò)是歷史上沿用的名稱而已。相對(duì)于蛋白質(zhì)、脂類來(lái)說(shuō)，稱為糖類是

較為合適的。

從化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)說(shuō)，碳水化合物（糖類）是一類多羥基醛或多羥基酮以及

它們分子間的縮水產(chǎn)物。這些縮水產(chǎn)物經(jīng)水解后，仍可產(chǎn)生多羥醛或多羥酮。

按分子的大小，食品中的碳水化合物可分為三大類：

1）單糖。單糖是最簡(jiǎn)單的多羥醛或多羥酮，它不能再進(jìn)行水解。單糖有多種,

其中最重要的是葡萄糖和果糖。葡萄糖和果糖的分子式均是C6Hl2。6,葡萄

糖是一個(gè)己醛糖，果糖是一個(gè)己酮糖。

葡萄糖在自然界分布圾廣，多存在于蜂蜜、成熟的葡萄和其他果汁以及植

物的根、莖、葉、花中。在動(dòng)物血液中也含有葡萄糖。它是人體內(nèi)新陳代謝

不可缺少的重要營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，果糖也廣布于植物界中。它與葡萄糖共同存在于

蜂蜜及許多果汁中，它們都是蔗糖的組成部分。純單糖都是結(jié)晶，極易溶于

水，有甜味。其相對(duì)甜度（取蔗糖甜度為100）見(jiàn)下表。

甜味劑相對(duì)甜度甜味劑相對(duì)甜度

蔗糖100木糖醇100?140

果糖173糖精20000?70000

葡萄糖74糖精鈉200?70。

麥芽糖32?60甘草（甘草甜素）200—500

乳糖16?27

2）低聚糖。經(jīng)水解后產(chǎn)生二分子、三分子或少數(shù)分子單