生物知識:第一章生命的物質(zhì)基礎

生物知識:第一章生命的物質(zhì)基礎

　　一、聯(lián)賽中涉及的問(wèn)題

　　生命的物質(zhì)基礎是現代生物學(xué)的重要組成部分，這部分知識在國際IBO競賽綱要中占據了一定的比例�，F行的中學(xué)生物學(xué)教材對綱要中提及的很多概念都沒(méi)有涉及到。因此，有必要根據綱要的內容進(jìn)行補充和深化。同時(shí)也應當注意，還是要以基礎知識為主，不可片面地拔高。

　�。ㄒ唬┙M成生物體的化學(xué)元素

　　組成生物體的化學(xué)元素有二十多種，它們在生物體內的含量不同。含量占生物體總質(zhì)量的萬(wàn)分之一以上的元素，稱(chēng)大量元素，如C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg等。生物生活所必需，但是需要量卻很少的一些元素，稱(chēng)微量元素，如Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo等。這些化學(xué)元素對生物體都有重要作用。組成生物體的二十多種化學(xué)元素，在無(wú)機自然界都可以找到，沒(méi)有一種化學(xué)元素是生物所特有的。這個(gè)事實(shí)說(shuō)明，生物界和非生物界具有統一性。

　�。ǘ�）組成生物體的化合物

　�。ǎ�）糖類(lèi)

　　1．生物學(xué)功能

　　糖類(lèi)參與細胞組成，是生命活動(dòng)的主要能源物質(zhì)。

　　2．組成元素及種類(lèi)

　　糖類(lèi)的組成元素為C、H、O，分單糖、寡糖、多糖三類(lèi)。

　　單糖是不能水解的最簡(jiǎn)單的糖類(lèi)，其分類(lèi)中只含有一個(gè)多羥基醛或一個(gè)多羥基酮，如葡萄糖、果糖、核糖、脫氧核糖。葡萄糖和果糖都是含6個(gè)碳原子的己糖，分子式都是C6H12O6，但結構式不同，在化學(xué)上叫做同分異構體。如下圖所示：

　　葡萄糖 果糖 葡萄糖 果糖

　　環(huán)狀結構 鏈狀結構

　　核糖（C5H10O5）和脫氧核糖（C5H10O4）都是含有5個(gè)碳原子的戊糖，兩者都是構成生物遺傳物質(zhì)（DNA或RNA）的重要組成成分。結構式如下圖所示：

　　核糖 脫氧核糖

　　寡糖（低聚糖）是由少數幾個(gè)（1個(gè)以?xún)龋﹩翁欠肿用撍�縮合而得的糖。常見(jiàn)的是含有2個(gè)單糖單位的雙糖，如植物細胞內的蔗糖、麥芽糖，動(dòng)物細胞內的乳糖，存在于藻類(lèi)細菌、真菌和某些昆蟲(chóng)細胞內的海藻糖等。蔗糖的形成見(jiàn)下圖。

　　葡萄糖 果糖 蔗糖

　　多糖是由多個(gè)單糖縮聚而成鏈狀大分子，與單糖、雙糖不同，一般不溶于水，從而構成貯藏形式的糖，如高等植物細胞內的淀粉，高等動(dòng)物細胞內的糖元。纖維素是植物中最普遍的結構多糖。

　�。ǘ�）蛋白質(zhì)

　　1．生物學(xué)功能

　　蛋白質(zhì)具有催化作用、運輸作用和貯存作用、結構和機械支持作用、收縮或運動(dòng)功能、免疫防護功能、調節作用。

　　2．組成元素和基本組成單位

　　蛋白質(zhì)主要由C、H、O、N四種元素組成，多數還含有S�；�本組成單位是氨基酸，其通式為 。組成天然蛋白質(zhì)的氨基酸約有20種，都是L型 的氨基酸。氨基酸與氨基酸之間可以發(fā)生縮合反應，形成的鍵為肽鍵。肽是兩個(gè)以上氨基酸連接起來(lái)的化合物。兩個(gè)氨基酸連接起來(lái)的肽叫二肽，三個(gè)氨基酸連接 起來(lái)的肽叫三肽，多個(gè)氨基酸連接起來(lái)的肽叫多肽。多肽都有鏈狀排列的結構，叫多肽鏈。蛋白質(zhì)就是由一條多肽鏈或幾條多肽鏈集合而成的復雜的大分子。

　　3．結構

　　蛋白質(zhì)結構分一、二、三、四級結構。在蛋白質(zhì)分子中，不同氨基酸以一定數目和排列順序編合形成的多肽鏈是蛋白質(zhì)的一級結構。蛋白質(zhì)分子的高級結構決定于它的一級結構，其天然構象（四級結構）是在一定條件下的熱力學(xué)上最穩定的結構。

　　4．變性

　　蛋白質(zhì)受到某些物理或化學(xué)因素作用時(shí)引起生物活性的喪失、溶解度降低以及其他物理化學(xué)因素的改變，這種變化稱(chēng)為蛋白質(zhì)的變性。變性的實(shí)質(zhì)是由于維持高級結構的次級鍵遭到破壞而造成的天然構象的解體，但未涉及共價(jià)鍵的破壞。有些變性是可逆的（能復性），有些則不可逆。

　�。ㄈ�）核酸

　　1．生物學(xué)功能

　　核酸是遺傳信息的載體，存在于每一個(gè)細胞中。核酸也是一切生物的遺傳物質(zhì)，對于生物體的遺傳性、變異性和蛋白質(zhì)的生物合成有極其重要的作用。

　　2．種類(lèi)

　　核酸分DNA和RNA兩大類(lèi)。所有生物細胞都含有這兩大類(lèi)核酸（病毒只含有DNA或RNA）。

　　3．組成元素及基本組成單位

　　核酸是由C、H、O、N、P等元素組成的高分子化合物。其基本組成單位是核苷酸。每個(gè)核酸分子是由幾百個(gè)到幾千個(gè)核苷酸互相連接而成的。每個(gè)核苷酸含一分子堿基、一分子戊糖（核糖或脫氧核糖）及一分子的磷酸組成。如下圖所示：

　　5'﹣腺瞟吟核苷酸（5'﹣AMP） 3'﹣胞嘧啶脫氧核苷酸（3'﹣dCMP）

　　DNA的堿基有四種（A、T、G、C），RNA的堿基也有四種（A、U、G、C）。這五種堿基的結構式如下圖所示：DNA中堿基的百分含量一定是A＝T、G＝C，不同種生物的堿基含量不同。RNA中A﹣U、G﹣C之間并沒(méi)有等當量的關(guān)系。

　　腺嘌呤（A） 鳥(niǎo)嘌呤（G） 胸腺嘧啶（T） 尿嘧啶（U） 胞嘧啶（C）

　　4．結構

　　DNA一級結構中核苷酸之間唯一的連接方式是3'、5'﹣磷酸二酯鍵，如下圖所示。所以DNA的一級結構是直線(xiàn)形或環(huán)形的結構。DNA的二級結構是由兩條反向平行的多核音酸鏈繞同一中心軸構成雙螺旋結構。

　�。ㄋ模┲�類(lèi)

　　脂類(lèi)是生物體內一大類(lèi)重要的有機化合物，由C、H、O三種元素組成，有的（如卵磷脂）含有N、P等元素，不溶于水，但溶于乙醚、苯、氯仿和石油醚等有機溶劑。

　　1．生物學(xué)功能

　　脂類(lèi)是構成生物膜的重要成分；是動(dòng)植物的貯能物質(zhì)；在機體表面的脂類(lèi)有防止機械損傷和水分過(guò)度散失的作用；脂類(lèi)與其他物質(zhì)相結合，構成了細胞之間的識別物質(zhì)和細胞免疫的成分；某些脂類(lèi)具有很強的生物活性。

　　2．種類(lèi)

　�。╨）脂肪 也叫中性脂，一種脂肪分子是由一個(gè)甘油分子中的三個(gè)羥基分別與三個(gè)脂肪酸的末端羥基脫水連成酯鍵形成的。脂肪是動(dòng)植物細胞中的貯能物質(zhì)，當動(dòng)物體內直接能源過(guò)剩時(shí)，首先轉化成糖元，然后轉化成脂肪。在植物體內就主要轉化成淀粉，有的也能轉化成脂肪。

　�。�2）類(lèi)脂 包括磷脂和糖脂，這兩者除了包含醇、脂肪酸外，還包含磷酸、糖類(lèi)等非脂性成分。含磷酸的脂類(lèi)衍生物叫做磷酯，含糖的脂類(lèi)衍生物叫做糖脂。磷脂和糖脂都參與細胞結構特別是膜結構的形成，是脂類(lèi)中的結構大分子。

　�。�3）固醇 又叫甾醇，是含有四個(gè)碳環(huán)和一個(gè)羥基的烴類(lèi)衍生物，是合成膽汁及某些激素的前體，如腎上腺皮質(zhì)激素、性激素。有的固醇類(lèi)化合物在紫外線(xiàn)作用下會(huì )變成維生素D。在人和動(dòng)物體內常見(jiàn)的固醇為膽固醇。

　�。ㄎ澹┧�和無(wú)機鹽

　　1．水

　　水是細胞的重要成分，一般發(fā)育旺盛的幼小細胞中含水量較大，生命活力差的細胞組織中含水量較小，休眠的種子和孢子中含水量一般低于10％。水的作用有：水是代謝物質(zhì)的良好溶劑，水是促進(jìn)代謝反應的物質(zhì)，水參與原生質(zhì)結構的形成，水有調節各種生理作用的功能。

　　2．無(wú)機鹽

　　它在體內通常以離子狀態(tài)存在，常見(jiàn)的陽(yáng)離子有K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋、Fe3＋等；常見(jiàn)的陰離子有Cl－、SO42－、PO43－、HPO42－、H2PO4－、HCO3－等。各種無(wú)機鹽離子在體液中的濃度是相對穩定的，其主要作用有：維持滲透壓，維持酸堿平衡，特異作用等。

　　【解題指導】

　　例l 一個(gè)蛋白質(zhì)分子有5條肽鏈，由1998個(gè)氨基酸組成，那么形成該蛋白質(zhì)分子過(guò)程中生成的水分子個(gè)數和含有的肽鍵數分別是多少？

　　析 氨基酸通過(guò)脫水縮合形成多肽，在一條由n個(gè)氨基酸組成的多肽鏈中，形成的肽鍵個(gè)數＝生成的水分子個(gè)數＝n－l。同理，在由多條肽鏈組成的蛋白質(zhì)中，形成肽鍵數目＝組成該蛋白質(zhì)分子的氨基酸數目－該蛋白質(zhì)分子中肽鏈條數。所以，此題中生成水分子數和含有的肽鍵數都應是1998－5＝1993。

　　例2 腎上腺皮質(zhì)細胞產(chǎn)生的激素其結構與以下哪一種物質(zhì)結構相似？

　　A 血紅蛋白 B 膽固醇 C 酪氨酸 D 腎上腺素

　　析 激 素依化學(xué)成分分成兩類(lèi)，一類(lèi)是由腎上腺皮質(zhì)分泌的激素統稱(chēng)腎上腺皮質(zhì)激素，屬于類(lèi)固醇激素；另一類(lèi)屬于含氮物質(zhì)激素，包括蛋白質(zhì)、多肽（胰島素、甲狀分腺 素）和胺類(lèi)（腎上腺素、甲狀腺激素）。上題中膽固醇是一種固醇類(lèi)化合物，所以腎上腺皮質(zhì)分泌的激素與膽固醇的結構相似。答案選B。

　　【鞏固練習】

　　1．關(guān)于病毒遺傳物質(zhì)的敘述，正確的一項是

　　A 都是脫氧核糖核酸

　　B 都是核糖核酸

　　C 同時(shí)存在脫氧核糖核酸和核糖核酸

　　D 有的是脫氧核糖核酸，有的是核糖核酸

　　2．構成細胞內生命物質(zhì)的主要有機成分是

　　A 蛋白質(zhì)和核酸 B 水和蛋白質(zhì)

　　C 蛋白質(zhì)和無(wú)機鹽 D 水和核酸

　　3．組成核酸和核糖核酸的核酸的種類(lèi)分別有

　　A 8種和2種 B 4種和4種 C 5種和4種 D 8種和4種

　　4．一個(gè)含有6個(gè)肽鍵的多肽，組成它的氨基酸以及至少應有的氨基和羧基的數目分別是

　　A 6、1、1 B 7、1、1 C 6、6、6 D 7、6、6

　　5．當動(dòng)物體內直接能源物質(zhì)過(guò)剩時(shí)，一般情況下，首先轉化為

　　A 葡萄糖 B 麥芽糖 C 脂肪 D 糖元

　�。�六）細胞內能合流通的物質(zhì)--ATP

　　1．ATP的結構

　　ATP（三磷酸腺苷）是各種活細胞內普遍存在的一種高磷酸化合物（水解時(shí)釋放的能量在20～92kJ／mol的磷酸化合物）。ATP的分子簡(jiǎn)寫(xiě)成A－P～P～P，A代表由腺嘌呤和核糖組成的腺苷，P代表磷酸基團，～代表高能磷酸鍵。ATP中大量化學(xué)能就貯存在高能磷酸鍵中。ATP結構中的3個(gè)磷酸（Pi）可依次移去而生成二磷酸腺苷（ADP）和一磷酸腺苷（AMP），如下圖：

　　2．ATP的作用

　　ATP水 解時(shí)釋放出的能量，是生物體維持細胞分裂、根吸收礦質(zhì)元素離子和肌肉收縮等生命活動(dòng)所需能量的直接來(lái)源，是細胞內能量代謝的流通貨幣。在動(dòng)物肌肉或其 他興奮性組織中，還有一種高能磷酸化合物即磷酸肌酸，它也是高能磷酸基的貯存者，其中的能量要兌換成流通貨幣才能發(fā)揮作用。如圖下圖所示磷酸肌酸與ATP關(guān)系。

　　磷酸肌酸 肌酸

　�。ㄆ撸㎞AD＋和NADP＋

　　NAD＋又叫輔酶Ⅰ，全稱(chēng)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸；NADP＋又叫輔酶Ⅱ，全稱(chēng)煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。它們都是遞氫體，能從底物里取得電子和氫。NAD＋和NADP＋都是以分子中的煙酰胺部分來(lái)接受電子的，所以煙酰胺是它們的作用中心。接受電子的過(guò)程如下圖所示：

　　這里雖然從底物脫下來(lái)的兩個(gè)電子都被接受了，但脫下來(lái)的兩個(gè)氫原子卻只有一個(gè)被接受，剩下的一個(gè)質(zhì)子H暫時(shí)被細胞的緩沖能力接納下來(lái)，留待參與其他反應。因此，NAD＋和NADP＋的還原形式被寫(xiě)作NADH和NADPH。

　　【解題指導】

　　例 如果說(shuō)光合作用中光反應的產(chǎn)物只有ATP、氧氣和氫，是否正確？為什么？

　　析 不正確。因為在光反應中水分子被分解，產(chǎn)生的氧原子結合成氧氣被釋放，而氫則與NADP＋結合生成NADPH，NADP＋和ATP共同為暗反應所必需的還原劑。

　　【鞏固練習】

　　6．在A(yíng)TP轉變成ADP的過(guò)程中， 能量；在A(yíng)DP轉變成ATP的過(guò)程中，ADP

　　物質(zhì)代謝釋放的能量，貯藏備用。這些轉變都必須有 參加。

　　7．關(guān)于人體細胞內ATP的描述，正確的是

　　A ATP主要在線(xiàn)粒體中生成

　　B 它含有三個(gè)高能磷酸鍵

　　C ATP轉變?yōu)锳DP的反應是不可逆的

　　D 細胞內貯有大量ATP，以滿(mǎn)足生理活動(dòng)需要

　　8．光合作用光反應的產(chǎn)物是

　　A CO2、ATP、NADH＋H＋

　　B 淀粉、CO2、NADPH＋H＋

　　C 蔗糖、O2、CO2

　　D ATP、O2、NADPH＋H＋

　　9．下列三組物質(zhì)中，光合碳循環(huán)所必需的一組是

　　A 葉綠素、類(lèi)胡蘿卜素、CO2

　　B CO2、NADPH、ATP

　　C CO2、H2O、ATP

　　D 葉綠素、NAD＋、ATP

　　【習題精選】

　　10．生物和非生物最根本的區別在于生物體

　　A 具有嚴謹的結構

　　B 通過(guò)一定的調節機制對刺激發(fā)生反應

　　C 通過(guò)新陳代謝進(jìn)行自我更新

　　D 具有生長(cháng)發(fā)育和產(chǎn)生后代的特性

　　11．若組成蛋白質(zhì)的氨基酸分子的平均相對分子質(zhì)量為130，則一條由160個(gè)氨基酸形成的多肽，其相對分子質(zhì)量為

　　A 17938 B 19423 C 24501 D 28018

　　12．某一多肽鏈內共有肽健109個(gè)，則此分子中含有的－NH2和COOH的數目至少為

　　A 110、110 B 109、109 C 9、9 D 1、1

　　13．生物界在基本組成上的高度一致性表現在

　�、� 組成生物體的化學(xué)元素基本一致

　�、� 各種生物體的核酸都相同

　�、� 構成核酸的堿基都相同

　�、� 各種生物體的蛋白質(zhì)都相同

　�、� 構成蛋白質(zhì)的氨基酸都相同

　　A ①②④ B ①③⑤ C ③④⑤ D ①②③

　　14．

　　以上的核著(zhù)酸鏈是

　　A DNA B rnRNA C tRNA D dZNrx

　　15．下列物質(zhì)中，不是氨基酸的是

　　A B

　　C D

　　16．如果將上題中的三種氨基酸縮合成化合物，那么該化合物含有的氨基、羧基、肽鍵的數目依次是

　　A 2、2、2 B 2、3、2 C 3、4、3 D 4、3、3

　　17．血紅蛋白分子中含有四條多肽鏈，共由574個(gè)氨基酸構成，那么該分子中含有的肽鍵數應是

　　A 570 B 573 C 574 D 578

　　18．下列各項不屬于脂類(lèi)物質(zhì)的是

　　A 生長(cháng)激素 B 維生素D C 性激素 D 腎上腺皮質(zhì)激素

　　19．活細胞內進(jìn)行生命活動(dòng)所需要的能量直接來(lái)自

　　A ATP的水解 B 葡萄糖的水解 C 淀粉的水解 D 脂肪的水解

　　20．在下列化合物中，構成蛋白質(zhì)的堿性氨基酸是

　　A B

　　C D NH2-CH2－CH2－COOH

　　21．當生物體新陳代謝旺盛，生長(cháng)迅速時(shí)，生物體內

　　A 結合水／自由水的比值與此無(wú)關(guān)

　　B 結合水／自由水的比值會(huì )升高

　　C 結合水／自由水的比值會(huì )降低

　　D 結合水／自由水的比值會(huì )不變

　　22．下列物質(zhì)中，對維持人體體液平衡，物質(zhì)運輸，出血時(shí)血液凝固等生理功能都有重要作用的是

　　A 蛋白質(zhì) B 維生素 C 葡萄糖 D 脂肪

　　23．人和動(dòng)物乳汁中特有的二糖水解后的產(chǎn)物是

　　A 一分子葡萄糖和一分子果糖

　　B 一分子果糖和一分子半乳糖

　　C 一分子半乳糖和一分子葡萄糖

　　D 二分子葡萄糖

　　【參考答 案】

　　1．D 2．A 3．D 4．B 5．D 6．釋放、儲存、酶 7．A 8．D 9．B 10．C 11．A 12．D 13．B 14．A 15．D 16．A 17．A 18．A 19．A 20．A 21．C 22．A 23．C

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