第一部分化学与生命现象一人体中的化学.ppt

第一部分第一部分 化学与生命现象（一化学与生命现象（一 ） 人体中的化学人体中的化学 2学时 主要内容主要内容 n n 1.1 1.1 人体中的化学元素 人体中的化学元素 n n 1.2 1.2 人体中重要的生命有机化合物 人体中重要的生命有机化合物 n n 1.3 1.3 人体中的化学反应 人体中的化学反应 1.1 1.1 人体中的化学元素 人体中的化学元素 1.1.1 1.1.1 生命必需元素 生命必需元素 u人们把人体为了维持生命所必需的元素称为生命必需 元素；共25种。 1.1.2 1.1.2 常量元素和微量元素 常量元素和微量元素 u常量元素 在人体中含量高于0.01%的元素，称为常量 元素。属于这范围的有碳、氢、氧、氮、磷、硫、钙 、钠、钾、镁、氯、硅等12个元素，它们占了人体质 量的99.71%，其中氧特别多，一般估计人体内水分占 了2/3 的体重，所以说水是生命不可缺失的物质，没有 水就没有生命。 u微量元素 在人体中的化学元素，其含量低于0.01的 ，称为微量元素。铁是最早发现的人体必需微量元素 ，后来又发现碘、钒、氟、硅、镍等，至今已确认14 种微量元素为动物和人所必需的，其中10种为微量金 属元素。 1.1.3 1.1.3 人体内元素的来源 人体内元素的来源 u自然界中的生物体可以分为自养生物和异养生物两大类 u自养生物是可以通过二氧化碳和水在叶绿素和太阳光的 作用下进行光合作用产生糖而得到养分，其化学反应式 可表示如下： u所谓异养生物，它们自己不能制造养分，而必须依靠 自养生物作为养分和能量的来源。人类作为高等动物 当属异养生物。 人体中化学元素与其生理功能及日常来源人体中化学元素与其生理功能及日常来源 元素 生 理 功 能 来 源 钠钠 维维持血浆浆的酸碱平衡 食盐盐 钾钾 酶的激活剂剂 蔬菜 钙钙 骨骼等硬组织组织 不可缺少的元素，还还与肌肉 的收缩缩有密切的关系，它参与人体的许许多 酶反应应、血液凝固，维维持心肌的正常收缩缩 ，抑制神经经肌肉的兴奋兴奋 ，巩固和保持细细胞 膜的完整性 动动物骨、鸡鸡蛋、鱼虾鱼虾 和豆类类等 含钙钙丰富 镁镁 酶的激活剂剂 绿绿色蔬菜，豆类类，虾虾蟹 锌锌 缺锌锌会引起营营养不良，生殖系统统失调调 豆类类、瘦肉、米、面 铜铜 是很多酶的活性元素 ，可促进细进细 胞成熟、 催化体内氧化还还原反应应，促进铁进铁 的吸收和 利用，并协协同造血，缺铜铜会引起贫贫血和发发 育不良 动动物肝脏脏、绿绿叶蔬菜、软软体动动 物等都含有较较丰富的铜铜 元素 生 理 功 能 来 源 铁铁 构成血红红素的主要成分，主要功能是把氧 气输输送到全身各个细细胞并把CO2排出体外 ，缺铁铁会引起贫贫血症 动动物肝脏脏、蛋黄、海带带、紫菜 、菠菜 磷 主要分布于骨骼、牙齿齿、血液、脑脑、三磷 酸腺苷中，其中三磷酸腺苷是人体能量仓仓 库库 肉、虾虾、鱼鱼、奶、豆等 碘 甲状腺素的组组成成分，缺碘会引起粗脖子 病 海带带、紫菜、海参 氟 存在于骨骼和牙齿齿中，缺氟会引起龋齿龋齿 ， 但氟过过量会引起“氟骨病”和“斑釉病” 含氟牙膏 硒 是某些酶的成分，有一定的抗癌作用，缺 硒会导导致心血管病，还还会导导致溶血性贫贫血 和克山病 海米、肉类类、动动物肝脏脏、大米 、大蒜、芥菜等 1.2 1.2 人体中重要的生命有机化合物 人体中重要的生命有机化合物 人体内碳、氢、氧、氮、磷、 硫等6个元素，它们是组成人体中 氨基酸、蛋白质、脂肪、糖类、酶 和核酸等物质的基础。 1.2.1 1.2.1 氨基酸氨基酸 （1）定义 氨基酸（amino acid）：是含有一个碱性氨基和一 个酸性羧基的有机化合物，氨基一般连在-碳上。 是生物功能大分子蛋白质的基本组成单位 （2）分类 u必需氨基酸（essential amino acid）：指人（或其它脊 椎动物）（赖氨酸，苏氨酸等）自己不能合成，需要 从食物中获得的氨基酸。 u非必需氨基酸（nonessential amino acid）：指人（或 其它脊椎动物）自己能由简单的前体合成，不需要从 食物中获得的氨基酸。 u另有酸性、碱性、中性、杂环分类，是根据其化学性 质分类的。 （3）必需氨基酸的功能和食物来源 名称功能参考食物 亮氨酸 LEU 促进进睡眠；减低对对疼痛的敏感；缓缓解偏 头头痛；缓缓和焦躁及紧张紧张 情绪绪；减轻轻因 酒精而引起人体中化学反应应失调调的症状 ，并有助于控制酒精中毒 牛奶、鱼类鱼类 、香蕉、 花生及所有含丰富蛋 白质质的食物 异亮氨酸 ILE 缬缬氨酸 VAL 血红红蛋白形成必需；调节调节 糖和能量的水 平，帮助提高体能；帮助修复肌肉组织组织 ；加快创伤创伤 愈合；治疗疗肝功能衰竭；提 高血糖水，增加生长长激素的产产生 鸡鸡蛋、大豆、黑麦、 全麦、糙米、鱼类鱼类 与 奶制品 赖赖氨酸 LYB 可减低或防止单纯单纯 性疱疹感染（热热病疱 疹和口唇疱疹）的发发生；能使注意力高 度集中；使制造能量的脂肪酸可被正常 利用；有助于消除某些不孕症 鱼鱼肉、豆类类制品、脱 脂牛奶、杏仁、花生 、南瓜子和芝麻 名称功能参考食物 苯丙氨酸 PHE 降低饥饿饥饿 感；提高性欲；改善记忆记忆 力 及提高思维维的敏捷度；消除抑郁情绪绪 面包、豆类类制品、脱 脂牛奶、杏仁、花生 、南瓜子和芝麻 苏苏氨酸 THR 是协协助蛋白质质被人体吸收、利用所不可 缺少的氨基酸；防止肝脏脏中脂肪的累积积 ；促进进抗体的产产生，增强免疫系统统 肉类类等 蛋氨酸 MET 帮助分解脂肪，能预预防脂肪肝、心血管 疾病和肾脏肾脏 疾病的发发生 ；将有害物质质 如铅铅等重金属除去；防止肌肉软软弱无力 ； 治疗风疗风 湿热热和怀怀孕时时的毒血症；一 种有利的抗氧化剂剂 大豆、其它豆类类、鱼鱼 类类、大蒜、肉类类、洋 葱和酸奶 色氨酸 TRY 有助于减轻轻焦躁不安感；促进进睡眠；可 控制酒精中毒 巧克力、燕麦、香蕉 、牛奶、奶酪、肉类类 、花生 （4）性质 a-氨基酸都是无色晶体，熔点较高。易溶水，难溶 于无水乙醇、乙醚等有机溶剂。因为氨基酸既含有氨 基又含有羧基，与酸或碱作用都可以形成盐，所以氨 基酸是两性物质。 1.2.2 1.2.2 蛋白质蛋白质 u蛋白质（protein）是一切生命的物质基础，是肌体细胞 的重要组成部分，是人体组织更新和修补的主要原料， 没有蛋白质就没有生命。因此，它是与生命及与各种形 式的生命活动紧密联系在一起的物质。机体中的每一个 细胞和所有重要组成部分都有蛋白质参与。蛋白质占人 体重量的16.3%，即一个60kg重的成年人其体内约有蛋 白质9.8kg。 u蛋白质是由20多种氨基酸组成，以氨基酸组成的数量和 排列顺序不同，使人体中蛋白质多达10万种以上。它们 的结构、功能千差万别，形成了生命的多样性和复杂性 （1）定义与概述 两种不同的氨基酸脱水缩合可形成两种不同的二肽，若4种不同的 氨基酸分别用A、B、C、D表示，按照排列组合原则，它们脱水缩合 后可形成24种同分异构体： n 蛋白质和氨基酸一样，也是两性物质，与酸、碱作用 都能生成盐。 n 大多数蛋白质可溶于水或其他极性溶剂，而不溶于有 机溶剂。 n 蛋白质很容易水解，在酸、碱、酶的催化作用下，可 逐步水解分子量较小的蛋白眎、蛋白胨、多肽、最后 的水解产物是各种不同的氨基酸的混合物。 （2）性质 （3）生理功能 u构造人的身体：人体的每个组织，毛发、皮肤、肌肉 、骨骼、内脏、大脑、血液、神经、内分泌等都是由 蛋白质组成 。 u修补人体组织：人的身体由百兆亿个细胞组成，它们 处于永不停息的衰老、死亡、新生的新陈代谢过程中 。如年轻人的表皮28天更新一次，而胃黏膜两三天就 要全部更新。 u维持肌体正常的新陈代谢和各类物质在体内的输送： 载体蛋白对维持人体的正常生命活动是至关重要的， 可以在体内运载各种物质。如血红蛋白输送氧（红 血球更新速率250万/秒）、脂蛋白输送脂肪、细胞 膜的受体还有转运蛋白等。 u白蛋白：维持机体内的渗透压的平衡及体液平衡 。 u维持体液的酸碱平衡。 u免疫细胞和免疫蛋白：有白细胞、淋巴细胞、巨噬细 胞、抗体（免疫球蛋白）、补体、干扰素等。 u构成人体必需的催化和调节功能的各种酶。 u激素的主要原料：具有调节体内各器官的生理活性。 胰岛素是由51个氨基酸分子合成。生长素是由191个氨 基酸分子合成。 u构成神经递质乙酰胆碱、五羟色氨等。维持神经系统 的正常功能：味觉、视觉和记忆。 u胶原蛋白：占身体蛋白质的1/3，生成结缔组织，构成 身体骨架。如骨骼、血管、韧带等，决定了皮肤的弹 性，保护大脑。 u提供热能。 （4）蛋白质的结构 牛胰岛素结构（A、B双链两个二硫键相连，2130氨基酸） 牛胰岛素分子结构点线模型我国1965年人工合成牛胰岛素结晶 牛胰岛素常识 牛胰岛素是牛胰脏中胰岛-细胞所分泌的一种调节糖代谢的蛋 白质激素，是一种多肽。其一级结构1955年由英国桑格（ S.Sanger）测定。牛胰岛素在医学上有抗炎、抗动脉硬化、抗 血小板聚集、治疗骨质增生、治疗精神疾病等作用。中国是第 一个合成人工牛胰岛素的国家。1965年，中国科学院上海生物 化学研究所在所长王应睐的组织领导下，与北京大学和中国科 学院上海有机化学研究所的科学家通 力合作，在经历了多次 失败后，终于在世界上第一次用人工方法合成出具有生物活性 的蛋白质结晶牛胰岛素。人工牛胰岛素的合成，标志着人 类在认识生命、探索生命奥秘的征途上迈出了重要的一步。 1953年，英国人F. SangerSanger由于测定了牛胰岛素的一级 结构而获得1958年诺贝尔化学奖。 1.2.3 1.2.3 脂肪脂肪 u脂类是油、脂肪、类脂的总称。 食物中的油脂主要是油和脂肪， 一般把常温下是液体的称作油， 而把常温下是固体的称作脂肪。 u脂肪是由甘油和脂肪酸组成的三酰甘油酯（也称甘油 三酯），其中甘油的分子比较简单，而脂肪酸的种类 和长短却不相同。 天然油脂中的脂肪酸都含偶数碳原子，它们分为饱和 脂肪酸和不饱和脂肪酸两类，重要的脂肪酸及其主要来源 如下： n 不饱和脂肪酸是人体必需的脂肪酸，在体内不能合成得到 ，而要从食物中摄取。重要的必需脂肪酸有3种：亚油酸、 亚麻酸、花生四烯酸。近年来，人们在深海鱼类中发现了 EPA（二十碳五烯酸）、DHA （二十二碳六烯酸），它们 都是不饱和脂肪酸。 n 人体缺乏必需脂肪酸，会影响固醇类代谢，患肥肝病，或 血管产生粥状；也会使皮肤受影响，患顽癣或棘皮病。 n 脂肪在人体内的主要功能是供给能量，每克脂肪产 生的能量比糖、蛋白质要高。 n 脂肪还可以溶解维生素A、E，并对维生素B1有庇 护作用。 n 脂肪对蛋白质有保护作用，人在绝食时，体内先将 贮存的脂肪转为热量维持生命，而不会先分解肌肉 中的蛋白质。 n 体内脂肪贮存过多则显得肥胖，使骨骼负担过重， 心血管工作超负荷而引起疾病。 1.2.4 1.2.4 糖类糖类 u糖又称碳水化合物，包括蔗糖 （红糖、白糖、砂糖）、葡萄糖、 果糖、半乳糖、乳糖、麦芽糖、 淀粉、糊精和糖原等。 u糖类只含碳、氢、氧3种元素，许多糖类的分子式可用 通式Cx(H2O)y表示，例葡萄糖为C6H12O6可表示为 C6(H2O)6，蔗糖C12H22O11可表示为C12(H2O)11，但鼠 李糖C6H12O5不符合。 u 单糖：不能水解成更简单的多羧基醛或多羧基酮的碳水化 合物称为单糖，重要的单糖有葡萄糖和果糖。 u低聚糖：糖类分子水解后，每个分子能生成210个单糖分 子的称为低聚糖。重要的低聚糖有蔗糖和麦芽糖。 u多糖：水解后每个分子能生成10个以上单糖分子的 碳水化合物称为多糖。天然多糖一般由100300 个单糖单元构成，如淀粉、纤维素都是多糖。有些 多糖是构成动植物体骨干的物质，如纤维素、甲壳 质等。有些多糖是动物体内的贮备养料，如淀粉、 肝糖，它们可以在酶的作用下，分解为单糖以供需 要。重要的多糖是纤维素、淀粉和肝糖。 1.2.5 1.2.5 核酸核酸 n 核酸是生物体中重要的生命大分子化合物，人们最早 是从细胞核中提取得到，故名核酸。 n 核酸与蛋白质一样，也是生命的最基本物质。在生物 体内，核酸对遗传信息的贮存、蛋白质的生物合成起 着决定的作用。它与生命活动及各种代谢有密切的关 系。 n 在生物体内，核酸主要以核蛋白形式存在。核蛋白是 结合蛋白，核酸作为辅基与蛋白质结合在一起。 u核酸是链状高分子有机物，分子量在几百万以上，核 苷酸是组成核酸的单元。若将核酸水解，便产生多个 核苷酸，因此，核酸又称多聚核苷酸。 u核酸水解得到的戊糖有两种：D-核糖和D-2-脱氧核糖 。因此，核酸有两类，水解后得到D-核糖的称为核糖 核酸，又称RNA；水解后得到D-2-脱氧核糖的，称为 脱氧核糖核酸，又称DNA。 若核苷中的戊糖羟基(CH2OH)被磷酸酯化，则形成 核苷酸，核苷酸相应也有8种。 u生物体内的核苷酸除形成多聚核苷酸外，还有以游离 的形式存在，主要有多磷酸核苷酸。最重要的多磷酸 核苷酸是三磷酸腺苷，简称ATP，ATP在生物体中的 能量代谢中起着重要的作用。AMP是单磷酸腺苷， ADP是二磷酸腺苷。 核酸是由 许多核苷 酸单元构 成，核苷 酸单元是 通过磷酸 酯键与戊 糖连接起 来，形成 核酸的链 状结构。 DNA结构 u核酸具有重要的生理功能，是生物遗传的物质基础。 DNA主要存在于细胞核中，它们是遗传信息的携带 者；RNA主要存在于细胞质中，存在于DNA分子上 的遗传信息，由DNA传递给RNA，再传递给蛋白 质，通过DNA复制，将遗传信息代代传下去。 1.3 1.3 人体中的化学反应人体中的化学反应 u人体中的化学反应都是在常温常压、接近中性温和条 件下进行的，但化学反应的速度特别快，这是人体中 化学反应的特点。 1.3.1 1.3.1 人体中化学反应的特点人体中化学反应的特点 1.3.2 1.3.2 催化反应催化反应 u催化剂可以降低化学反应的活化能，能加快化学反应速度 u 催化剂的另一个特点是有选择性，一种催化剂只能催 化某一种化学反应。人体内有数千种化学反应，已经 发现人体中有两千多种酶，酶是生物催化剂，每一种 酶能催化一种化学反应。 1.3.3 1.3.3 生物氧化反应生物氧化反应 u人体内进行生物氧化反应需要氧气，人是通过呼吸从空 气中得到氧。据统计平均来说，每个人每天大约需要 8×103kJ的能量来维持生命，这就需要450升氧气来氧化 进食的食物。 u生物体在长期的进化过程中发展了氧载体，所谓氧载体 是指氧可以配位在蛋白质所含的过渡金属离子上，形成 配位键，这种配位反应是可逆的，氧可以配位上去，也 可以下来。在节肢动物和软体动物中，载氧的过渡金属 离子是铜，而在人体中是铁。 u血红蛋白具有输送氧气的功能，人们通过呼吸把空气吸到肺部，血红素 含铁（II）辅基从肺气泡中把氧络合在Fe（II）上载走，然而输送给肌 红蛋白分子和其他需要氧气的细胞和部位，此时氧分子从Fe（II）上下 来，在与生物有机分子发生生物氧化反应。 u血红蛋白载氧效率很高，室温下人的每升血液可含氧200cm3，血液中氧 的浓度达9×103mol.L-1 ，相比之下，血液载氧是水的30倍。 1.3.4 1.3.4 酶促化学反应酶促化学反应 u 酶是具有催化作用的蛋白质，主要由氨基酸组成。有些酶 还需要有非蛋白质成分（即辅基）才具有活性，辅基为金 属离子的酶称为金属酶。 u 酶的活性部位由少数几个氨基酸残基或残基上的某些基因 组成，金属离子是酶催化活性所必需的，因此，酶的活性 部位包括金属离子。 u 酶是生物催化剂，生物体代谢过程中的化学反应几乎都在 酶的催化下进行。 u 酶的催化效率极高，酶促反应的速率可比非催化反应的速 率高1081020倍。酶具有高度专一性，即一种酶只能作用 于某种特定的物质。酶促反应一般都在温和条件下进行。 u 由于酶促反应具有高效率、专一性和在温和条件下进行的 特点，所以酶在生物体的新陈代谢中发挥特殊的作用。 自主练习自主练习 n n列出生命必需的列出生命必需的2525种元素的生理功能种元素的生理功能 及日常来源。及日常来源。 谢谢！谢谢！