生命科学基础教程之生物联赛同步辅导2

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1、深圳平冈中学生物竞赛辅导教材之电子稿第二节生命的化学基础：有机分子自然界存在多种多样含碳的无机物和有机物。区分含碳化合物是无机物还是有机物，主要是看含碳分子中碳是否与碳或氢相连，相连则为含碳有机物。碳不仅可与氢结合形成碳氢化合物，也可与氧、氮、硫等形成多种形式的化合物。一些小的有机物可以形成大分子，特别形成生物大分子，参与细胞结构的组装。一、碳骨架与功能团（一）碳骨架碳原子由于其独特的性质使其能够形成生物体必需的巨大而又复杂分子的碳骨架(carbonskeleton)(图1-11)。碳原子具有4个化合价电子，因此能够形成

2、4个共价键。每一个键都能与另外的碳原子或其他不同元素的原子结合。碳—碳键特别适合作为生物大分子的骨架，一方面由于它的结合十分稳定，另一方面又能被细胞内的酶断裂。深圳平冈中学生物竞赛辅导教材之电子稿图1-5具有不同碳骨架的碳氢化合物(引自Campbell&Reece，2001)图1-6甲烷结构的三种不同表示方法(引自Campbell&Reece，2001)图1-5中所显示都是碳氢化合物，即由碳与碳或碳与氢原子共价结合的化合物。该骨架有长有短，有分支和不分支、有线性也有环状，另外碳与碳原子间既有饱和的单键，也可有不饱和的双键

3、和三键。最简单的碳氢化合物是甲烷，是由一个碳与4个氢共价结合，有三种不同的表示方式(图1-6)。深圳平冈中学生物竞赛辅导教材之电子稿细胞中的分子都有不同的形态，以适应细胞内相应的功能。碳原子能够相互连接、或与其他原子连接，产生各种不同三维形态的分子，是因为碳的4个共价键不在同一个平面上，从甲烷的球棒结构模型看，碳原子位于四面体的角上，并且是高度对称的。（二）异构体与功能团分子式相同结构不同，并具有不同性质的物质称为异构体，不同的异构体具有不同的生物学功能。有机分子中有许多异构体存在(1-7)，细胞能够识别异构体。图1-7

4、异构体与立体异构(引自Raven&Johnson，1992)有机化合物的性质不仅与碳骨架相关，同时也与碳骨架相连的原子有关。由于碳原子与碳原子或碳原子与氢原子形成的共价键没有极性，所以碳氢化合物就缺少可识别的带电区域。因此碳氢化合物在水中是不溶解的，与水的反应能力相当弱。由于碳氢化合物本身无极性，因此与其他化合物的反应能力较差。但是，碳氢化合物能够被一些化学基团所修饰，可大大改变碳氢化合物的性质。有些与碳氢化合物相结合的原子团能够改变碳氢化合物的极性，增强与其他分子的反应能力，将此类基团称为功能团(functiongro

5、up)。常见的功能团有：羟基、羰基、羧基、氨基、巯基和磷酸基团(图1-8)。深圳平冈中学生物竞赛辅导教材之电子稿图1-8主要的功能性化学基团(引自Raven&Johnson，1992)（三）单体与多聚体很多生物分子，如蛋白质和核酸等都是十分极大的分子，含有几千个原子。这些巨大的分子被称为生物大分子(macromolecule)。大多数生物大分子都是多聚体(polymer)，这些多聚体通常是由许多小的单体(monomer)连接而成的(图1-9)。蛋白质就是由20个基本的氨基酸单体组成的，、四种基本的核苷酸单体组成所有生物的

6、以DNA。所以单体就如同英文的26个字母，可组成所有的英文文字。细胞能够用不同的分子转换称不同的信息，执行细胞的生命活动。图1-15一个简单的多聚体(引自Solomonetal.2002)多聚体能够被水解(hydrolysis)成单体，在细胞内的水解反应是有酶在催化的，需要水的参与(图1-10)。单体通过共价结合形成双体或多聚体的过程称为缩合反应(condensation)，也需要酶的催化作用，同时还会生成水，深圳平冈中学生物竞赛辅导教材之电子稿所以。缩合反应又称为脱氢合成作用。值得注意的是，在生物系统中，缩合反应并非是

7、水解反应的相反过程，它需要能量，并且是由不同的酶催化的。图1-10缩合反应与水解反应(引自Raven&Johnson，1992)二、糖类糖(sugar)、淀粉(starch)和纤维素(cellulose)统称为糖类(carbohydrate)。糖类包括单糖(monosaccharide)、二糖(disaccharide)、寡糖(oligosaccharide)和由单糖构成的大分子的多糖(polysaccharide)。葡萄糖是较简单的糖，也是细胞生命活动的主要能源，它经过一系列氧化反应，释放出能量，最终变成水和CO2。单

8、纯的多糖由许多葡萄糖残基组成，如动物细胞中的糖原和植物细胞中的淀粉。它们是细胞内贮存的营养物质，提供细胞代谢所需的能源。糖不仅是生物代谢的重要能源，也是核酸和糖蛋白等重要的生物大分子的结构成分，同时也是构成细胞的结构成分，如植物细胞壁中的纤维素。糖类只含有碳、氢、氧三种元素，其比值为一个碳、两个氢和一个氧，分子式缩写