第01讲组成细胞的化学元素和化合物

第1讲 组成细胞的化学元素和化合物

一、重要合物或结构中的元素

1．单糖、二糖和多糖(几丁质除外)，以及脂肪、 固醇的元素组成都是C、H、O。

2．几丁质的化学元素组成C、H、O、N。几丁质也是一种多糖，又称为壳多糖，广泛存在于甲壳类动物和昆虫的外骨骼中，也是大多数真菌和一些藻类细胞壁的主要成分。几丁质及其衍生物在医药、化工等方面有广泛的用途。例如，几丁质能与溶液中的重金属离子有效结合，因此可用于废水处理；可以用于制作食品的包装纸和食品添加剂；可以用于制作人造皮肤；等等。

3．蛋白质的元素组成为 C、 H、 O、 N、S，有的还含有Fe等。构成生物体蛋白质的氨基酸有21种，其中8种是必须氨基酸。含有硫元素的氨基酸有：甲硫氨酸、半胱氨酸等。

4．叶绿素的元素组成是C、H、O、N、Mg。 血红素的元素组成是C、H、O、N、Fe。 甲状腺激素中含有I 等。

5．DNA、 RNA、 ATP 和 ADP 的元素组成是 C、H、O、N、P。 磷脂含 C、 H、 O、P,

甚至 N。 在构成细胞的结构中, 生物膜、染色体、核糖体和叶绿体等含C、H、O、N、P。

6．玉米在生长过程中缺乏P，植株会特别矮小，根系发育差，叶片小且呈暗绿偏紫色。

二、自由水的生理作用——参与生化反应

1．作为反应物：光合作用光反应阶段水的分解，有氧呼吸的第二阶段、水解反应等

2．作为生成物：脱水缩合反应，有氧呼吸的第三阶段等。其场所有核糖体、内质网、高尔基体、线粒体、叶绿体、细胞核。

三、糖在生物体内的功能

1．糖在生物体内承担诸多功能：糖是生物体内的主要能源物质，通过氧化分解，为生物体提供能量；有些糖是细胞的结构组分，如构成植物细胞壁的纤维素；糖可以作为合成其他生物分子的前体，通过某些代谢中间产物为氨基酸、核苷酸等提供碳骨架；糖还参与细胞与细胞之间的分子识别和信号传导，如某些糖蛋白和糖脂等。有一些寡糖可以与蛋白质或脂质结合成糖蛋白或糖脂，如人红细胞质膜上血型糖蛋白和糖脂，它们是血型的细胞表面抗原物质。

2．体外培养动物细胞时，需要为细胞分裂和生长提供营养。绝大多数情况下，培养基中都会有葡萄糖。 2．人和动物血液中葡萄糖含量低于正常时，肝脏中的糖原便分解产生葡萄糖及时补充。

3．肥胖、高血压、龋齿、某些糖尿病等都直接或间接与长期糖摄入超标有关。

4．并非所有的二糖都不能直接被吸收，如植物可以直接吸收蔗糖，只是速度很慢。

四、氨基酸和蛋白质

1．氨基酸的功能：①参与构成蛋白质；②作为神经递质，如天冬氨酸、谷氨酸和甘氨酸等。③植物体中一些氨基酸是合成其他物质的前体，如色氨酸是合成吲哚乙酸的前体物质；④微生物中一些氨基酸参与细胞构成，如D谷氨酸和D—丙氨酸是一些细菌细胞壁的成分。

2．蛋白质

①蛋白质都有自己特定的空间结构。蛋白质的空间结构 对于维持蛋白质生物功能具有重要的作用。强酸、强碱和重金属等能破坏蛋白质的空间结构，导致蛋白质失兴活。

②双缩脲反应

在碱性溶液中，双缩脲可以与Cu2+结合生成紫色络合物（如图）。由于蛋白质中含有两个或两个以上的—CO—NH—，所以蛋白质在碱性溶液中可以与Cu2+发生双缩脲反应。

3．二硫键形成：由于两个氨基酸的R基上各含有一个巯基(—SH)，每个巯基脱去一个H后形成—S—S—(二硫键)，因此每形成一个二硫键，相对分子质量减少2。

4．几种常考蛋白质的分成和功能

名称 分布 功能

大多数酶 细胞内或细胞外 催化作用

转运蛋白 生物膜 运输某些物质

某些激素（如生长激素、胰岛素） 由内分泌腺或内分泌细胞合成分泌至内环境中 调节生命活动

抗体 由浆细胞合成并分泌至内环境中 免疫作用

细胞因子 由辅助性T细胞合成分泌至内环境中 促进B细胞及细胞毒性T细胞的增殖和分化

血红蛋白 红细胞内 主要运输O2

糖蛋白 细胞外表面 保护、润滑、识别等作用

结构蛋白 细胞膜、肌纤维等 构成细胞和生物体的成分

五、核酸 自然界中绝大多数生物的遗传物质是DNA，少数病毒的遗传物质是RNA。作为生物的遗传物质一般具备以下特点：能储存海量遗传信息；结构比较稳定，但在特殊情况下又能发生突变，并且突变以后既能继续复制，也能遗传给后代；在细胞生长和繁殖的过程中能够精确地自我复制，使得前后代具有一定的连续性；能够指导蛋白质的合成，从而控制生物体的性状和新陈代谢过程。

核酸变性是指核酸中碱基对的氢键断裂，双链变成单链，从而使核酸的天然构象和性质发生变化。引起核酸变性的因素很多，由温度引起的变性称为热变性，由酸碱度引起的变性称为酸碱变性。如高温可以使DNA双链解开，乙二醛或甲醛能够破坏RNA中的碱基对。核酸的降解与变性不同，降解是指核苷酸链中3’，5’一磷酸二酯键断裂，有时核酸的变性和降解可同时进行。

六、无机盐

血钙过高导致肌无力，过低导致抽搐；钠离子缺乏神经细胞肉的兴奋性降低，肌肉酸痛、无力。体内缺钾时，会造成全身无力、疲乏、心跳减弱、头昏眼花，严重缺钾还会导致呼吸肌麻痹死亡。此外，低钾会使胃肠蠕动减慢，导致肠麻痹，加重厌食，出现恶心、呕吐、腹胀等症状。

七、生物大分子与人体健康

1．脂质与人体健康

（1）血脂是血浆中甘油三脂、胆固醇和其他类脂的总称。血脂可以与蛋白质结合形成脂蛋白。脂蛋白是血脂运输的重要载体。

（2）血浆中脂蛋白类型及功能

名称 来源 功能

乳糜颗粒（CM) 小肠合成 转运小肠吸收的甘油三酯

极低密度脂蛋白（VLDL) 肝脏合成 将甘油三酯转运至外周组织，经脂肪酶水解后释放脂肪酸

中间密度脂蛋白（IDL) VLDL中甘油三酯水解后形成 合成低密度脂蛋白的前体

低密度脂蛋白（LDL) VLDL、IDL中甘油三酯水解后形成 转运胆固醇的主要载体

高密度脂蛋白（HDL) 肝脏和小肠合成 促进胆固醇从外周组织转运至肝脏

（3）与饱和脂肪酸和顺式不饱和脂肪酸相比，过多的反式脂肪酸对人体的危害更大。反式脂肪酸会升高总胆固醇和低密度脂蛋白的含量，降低高密度脂蛋白含量，提高血液中甘油三酯等物质水平，减小低密度脂蛋白直径，导致血脂的代谢异常。反式脂肪酸还会加重炎症反应，促进氧化应激，增加心脑血管疾病的发病率。 2．糖类与人体健康

（1）食用加糖食物会促进人体分泌多巴胺，使大脑产生愉悦感。

（2）人体细胞中糖和脂肪的代谢

（3）膳食纤维是指不能被人体内源消化酶消化的碳水化合物，包括低聚糖、纤维素、木质素、果胶等。膳食纤维的功能包括：促进肠道蠕动，预防便秘；吸水膨胀，产生饱腹感；吸附葡萄糖和油脂，减缓人体对其的吸收速率或降低人体对其的吸收量等。研究表明，膳食纤维还具有预防冠心病、结肠癌、乳腺癌、前列腺癌和提高人体免疫的作用。

3．蛋白质与人体健康

健康的成年人体内，蛋白质的合成和降解处于平衡状态。肝脏是蛋白质代谢的重要场所，蛋白质代谢会产生大量的尿素和肌酐等含氮物质，对肾脏有一定的毒害作用。在细胞代谢过程中，蛋白质会转化为合成糖和脂肪的前体物质，导致血糖升高和脂肪积累。长期高蛋白饮食可能会导致肥胖、糖尿病、尿酸过高和痛风等疾病。儿童发育期蛋白质摄入不足会导致生长发育迟缓和免疫力下降。成年人长期蛋白摄入不足会使血浆渗透压降低，引起营养性组织水肿。

蛋白质代谢过程异常会引发多种代谢缺陷症，往往是由编码蛋白质代谢相关酶的基因突变所致。如人体缺乏苯丙氨酸单加氧酶会引发苯丙酮尿症，缺乏尿黑酸氧化酶导致尿黑酸症（alkaptonuria,AKU)。

人体一些激素水平的变化也会影响蛋白质的代谢。甲亢患者体内分泌过多的甲状腺激素会加速蛋白质分解和氨基酸的氧化，促进肌肉中氨基酸流出，这些氨基酸会被转化为糖，成为氧化供能的原料。因此，甲亢患者会由于软组织消耗过多而消瘦。 葡萄糖6-磷酸葡萄糖半乳糖1-磷酸葡萄糖6-磷酸果糖1，6-二磷酸果糖磷酸二羟丙酮3-磷酸甘油醛磷酸烯醇式丙酮酸甘油磷酸甘油脂肪脂肪酸乙酰辅酶A糖原乳糖丙酮酸苹果酸草酰乙酸柠檬酸丙酮酸线粒体苹果酸草酰乙酸乙酰辅酶A柠檬酸柠檬酸循环脂酰辅酶A脂酰辅酶A细胞质基质八、蛋白质、还原糖和脂肪检测实验材料的选取原则

1．凡是用到染色剂的实验，一般都需要选择无色材料，如检测生物组织中糖类、脂肪、蛋白质；观察细胞的有丝分裂和减数分裂。

2．在选择实验材料时，不仅要考虑材料本身颜色的影响，还要特别注意材料中是否包含实验对象，如甘蔗汁不能用来检测还原糖，菠菜叶的表皮细胞不能用来观察叶绿体。

3．有的实验材料必须是新鲜的，放置时间不能过长。如蔗糖本身没有还原性，但如果放置时间过长，蔗糖可能会被微生物分解，产生还原糖。

1．（2023·江苏南通·统考三模）环孢菌素A是一种从真菌培养液中分离出的由11个氨基酸组成的天然环肽，是临床上常用的免疫抑制药物。相关叙述正确的是（ ）

A．环孢菌素A与几丁质、ATP共有的元素组成为C、H、O、N

B．环孢菌素A在核糖体上合成，结构中含10个肽键

C．高温失效的环孢菌素A仍可用双缩脲试剂鉴定显蓝色

D．环孢菌素A可用于艾滋病等免疫缺陷疾病的治疗

【答案】A

【解析】A、环孢菌素A是一种天然环肽，几丁质是由N乙酰葡萄糖胺聚合而成的，故环孢菌素A与几丁质、ATP共有的元素组成为C、H、O、N，A正确；B、环孢菌素A是的化学本质是环状多肽，由11个氨基酸组成，故其在核糖体上合成，结构中含有11个肽键，B错误；C、高温失效的环孢菌素A中的肽键没有被破坏，仍可用双缩脲试剂鉴定显紫色，C错误；D、环孢菌素A是临床上常用的免疫抑制药物，而艾滋病则是一种免疫缺陷病，故不能将环孢菌素A用于艾滋病等免疫缺陷疾病的治疗，D错误。

2．（2023·江苏盐城·统考三模）下列有关组成细胞的化合物的叙述，正确的是（ ）

A．mRNA的合成需要核仁的直接参与

B．多糖、脂质、DNA都是生物大分子

C．叶绿素的组成元素有C、H、O、N、S、Mg

D．无机盐对维持细胞的渗透压和酸碱平衡具有重要作用

【答案】D

【解析】A、mRNA的合成是以DNA的一条链为模板，在RNA聚合酶的作用下，以4种核糖核苷酸为原料，遵循碱基互补配对合成的单链RNA，不需要核仁直接参与，A错误；B、多糖、DNA都是生物大分子，脂质不是生物大分子，B错误；C、叶绿素的组成元素有C、H、O、N、Mg，C错误；D、无机盐作用之一是对维持细胞的渗透压和酸碱平衡具有重要作用，D正确。 3．（2023·江苏常州·常州市第三中学校考三模）N元素是各种生物进行生命活动的必需元素，下列有关叙述正确的是（ ）

A．细菌吸收的N元素可以合成蛋白质﹑脂肪﹑核酸和ATP等物质

B．根瘤菌可以将N2转化为NH3，并利用此过程中获得的能量来合成有机物

C．小麦从土壤中吸收有机肥中的N元素，在此过程中有机肥中的能量流向小麦

D．动物线粒体内膜N元素含量高于外膜

【答案】D

【详解】A、脂肪的元素组成为C、H、O，不含N元素，因此细菌吸收的N元素不能合成脂肪，A错误；B、根瘤菌是固氮菌，能将N2转化为NH3，被植物体利用，根瘤菌是异养微生物，不能利用此过程中获得的能量来合成有机物，B错误；C、小麦是自养型生物，能进行光合作用，利用光能转变形成有机物中的能量被利用，不能利用有机肥中的能量，C错误；D、蛋白质的元素组成含有N元素，与线粒体外膜相比，线粒体内膜含有大量的蛋白质，因此动物线粒体内膜N元素含量高于外膜，D正确。