组成细胞的分子

组成细胞的分子 一. 教学内容: 第2章 组成细胞的分子 二. 重点和难点 1. 教学重点 组成细胞的主要元素和化合物。 ? 氨基酸的结构特点，以及氨基酸形成蛋白质的过程。 ? 蛋白质的结构和功能。 ? 糖类的种类和作用。 ? 核酸的结构和功能。 ? 水和无机盐在细胞中的作用。 2. 教学难点 ? 构成细胞的基本元素是碳，生物大分子以碳链为骨架。。 ? 氨基酸形成蛋白质的过程。 ? 蛋白质的结构多样性的原因。 ? 多糖的种类。 三. 具体内容 (一)组成生物体的化学元素 1. 组成生物体的化学元素种类:组成生物体的化学元素常见的主要有20种，根据其在生物体内的含量可分为大量元素和微量元素。 2. 基本元素和主要元素是以其对生物体的作用而言的。C，H，O，N，P，S6种元素是组成细胞内化合物的主要元素。 组成生物体的最羞本元素是C，占人体细胞干重的48.4,。其本身的化学性质使它能够通过化学健连接成链或环，从而形成各种生物大分子，而生物大分子在生物体的生命活动中具有重要作用。地球上的生命是在碳元素的基础上建立起来的。 规律 1. 从化合物的元素组成上分析代谢产物 糖类、脂质和蛋白质的组成元素中都有C，H，O，可推知其代谢产物中都还含有尿素。 2. 从化合物元素含量上分析其氧化分解时释放能量的多少脂肪分子中氧的含量远少于糖类，而氢的含量则比糖类多。 3. 化合物的特殊元素组成在同位素标记法中的应用噬菌体的蛋白质中含S，而DNA中含P，因此可素标记S和P以证明DNA是噬菌体 4. 根据元素的含量判断生物种类。 动物和植物的干重相比较，植物含的糖类比动物多，含的蛋白质比动物少，因此植物含氧元素较多，动物含氮元素 (二)生物界与非生物界的统一性和差异性 1. 统一性:是从化学元素的种类来分析的。组成生物休的化学元素在无机环境中都可以找到，没有一种是生物体所特(有的，说明了生物界和非生物界具有统一性。 2. 差异性:是从化学元素的含量上来分析的，组成生物体的化学元素与自然界中的相应元素的含量上又有一定的差别，这说明生物界和非生物界又具有差异性，即生命物质的特殊性。这种差异性是由于生物体有选择地从无机自然界吸收各种物质组成自身所造成的。 (三)水的含量、存在形式及功能。 1. 含量:细胞中含量最多的化合物。 (1)含量最多。在构成细胞的各种化合物中，水的含量最多，一般为60,,95%。 (2)不同的生物体内水的含量差别很大。例如，生活在海洋中的水母的身体里水的含量约为97%。 (3)生物体不同的生长发育阶段水的含量不同。幼儿时期,成年时期;幼嫩部分,成熟部分。 (4)同一生物不同器官水的含量也不同，如心肌含水79% 2. 自由水与结合水的相互转化:自由水和结合水在一定的条件下可以相互转化，如结合水在获得足够能量时，可转化为自由水，自由水在亲水性物质增加时，可转化为结合水。 3. 生物体内水的含量、存在形式及比例与代谢 (1)一般情况下，代谢活跃时，生物体含水量70,以上(含水量降低，生命活动不活跃或进人休眠。 (2)当自由水比例增加时，生物体代谢活跃，生长迅速，例如干种子内所含的主要是结合水，干种子只有吸足水分——自由水，才能进行旺盛的生命活动。 (3)当自由水向结合水转化较多时，代谢强度就会下降，抗寒、抗热、抗旱的性能提高(旱生植物比水生植物具有较强抗旱能力，其生理原因之一就是结合水含量较高。 形式 自由水 结合水 细胞中绝大部分的水以游离的 与细胞内的其他物质 定义 形式存在，可以自由流动 相结合的水 约占细胞内全部水分 含量 约占细胞内全部水分的95.5% 的4.5% 细胞内良好的溶剂; 参与生化反应; 是细胞结构的重要组 功能 为细胞提供液体环境; 成成分 运送营养物质和代谢废物 联系 自由水和结合水能够随新陈代谢的进行而相互转化 (四)无机盐 1. 存在形式 ，，，，，十一222-2-离子形式，如Na、K、Ca、Mg、Fe、Fe、CI、HCO ，SO4等。 3 2. 生理功能 (1)是细胞的结构成分，有些无机盐是细胞内某些复杂的化合物的重要组成部分，如 ，22+Mg是叶绿素分子必需的成分，Fe是血红蛋白的主要成分;碳酸钙是动物和人体的骨、牙齿中的重要成分;P是生物膜的主要成分磷脂的组成成分，也是ATP，NADPH的主要组成成分。 2+(2)参与并维持生物体的代谢活动:如哺乳动物血液中必须含有一定的Ca，如果某个动物血液中钙盐的含量过低就会出现抽搐。 (3)维持生物体内的平衡:体内平衡是细胞能有稳定的结构和功能，生物能维持正常的代谢和生理活动的必要条件。有关体内平衡的内容很复杂，情况多变。其中三个主要方面与无机盐含量的稳定有密切关系: 一，+、C1对细胞外液渗透压起重要作用，K则对细胞内液渗透压? 渗透压的平衡:Na 起决定作用。 ? 酸碱平衡(即pH平衡):pH调节着细胞的一切生命活动，它的改变形响着原生质 , -2体组成物的所有特性以及在细胞内发生的一切反应:如人血浆中的HCO， HPO等。 34，+2++? 离子平衡:动物细胞内外Na、K、Ca的比例是相对稳定的。细胞膜外Na高，+++K低，细胞膜内K高Na低。 (五)蛋白质 1. 蛋白质的分子结构 基本组成单位 (1)种类:组成生物体的蛋白质约有20种。 (2)氨基酸分子的结构通式: 一级结构:指蛋白质分子中由肤键连接起来的各种氨基酸的排列顺序，包括肤链中氨基酸的数目、种类和顺序。 二级结构:指蛋白质分子中多肤链本身的折叠方式，主要靠氢键维持。 三级结构:具有二级结构的肤链按照一定方式再进一步卷曲、盘绕、折叠成有一定规律性的三维空间结构。 四级结构:指由两个或更多个具有三级结构的多肚链相互作用并结合形成的整个蛋白质特定的结构。 在上述结构中，蛋白质的三维结构决定蛋白质的功能。蛋白质的三维结构主要包括三级结构和四级结构，即蛋白质的特定构象。 2. 蛋白质分子多样性的原因 如果以?、? 、?等代表不同的氨基酸，则下列几种情况能导致氨基酸组成的肽链的不同: (1)构成肽链的氨基酸种类不同，肽链的结构不同: 一?一?一?一?一?一?一?一?一?一?一 一?一?一?一?一?一?一?一?一?一?一 ?一?一?一?一?一?一?一?一?一?一 (2)构成肽链的氨基酸数目不同，肽链的结构则不同: 一?一?一?一?一?一?一?一?一?一 一?一?一?一?一?一?一 (3)构成肽链的氨基酸排列顺序不同，肤链的结构也不同: 一?一?一?一?一?一?一,一?一?一 一?一?一?一?一?一?一?一?一?一一?一?一?一?一?一?一?一?一?一 (4)空间结构不同，构成的蛋白质不同: 3. 氨基酸、多肽、肽键、肽链和蛋白质的关系 4. 蛋白质的主要功能 蛋白质分子结构复杂、种类繁多，这是蛋白质分子具有多种重要功能的基础。 结构蛋白:许多蛋白质是构成细胞和生物体的成分。如构成人和动物肌肉的肌动蛋白和肌球蛋白;构成生物膜的蛋白质。 催化作用:生物体各种新陈代谢活动几乎都是由酶催化进行的，而酶几乎都是蛋白质。 调节作用:蛋白质类的激素，如胰岛素和生长激素等，能够调节人体的新陈代谢和生长发育。 运输作用:红细胞中的血红蛋白是运输氧气和CO的工具。 2 5. 免疫作用:对于侵人动物和体内的细菌和病毒有对抗作用，从而消除其危害，起到免疫作用的是一类叫做抗体的蛋白质。 通透作用:生物膜上的蛋白质对某些物质通过细胞膜或细胞内的膜结构有重要作用，如细胞膜上的载体。 此外，蛋白质分子在血液凝固，高等动物的记忆、识别等方面也起着重要作用。因此，有人把蛋白质称为功能大分子。 (六)核酸的种类和分布: 核酸的类型 五碳糖 分布 说明 主要存在于细胞质中，如核在同一生物个体的不同细胞核糖核酸 核糖 糖体、线粒体和叶绿体中。中和不同种生物的细胞中都(RNA) (CHO) 5105细胞核中也有少量分布。 是不完全相同的。 主要存在于细胞核中，是染在同一生物个体的不同细胞 脱氧核糖核酸 脱氧核糖 色体的主要成分，细胞质中中是相同的，但在不同生物个 (DNA) (CHO) 也有少量的，存在于线粒体体的细胞中是不完全相同的。 5104 和叶绿体中。 蛋白质和核酸的比较: 类别 蛋白质 核酸 元素 C、H、O、N C、H、O、N、P 单体 氨基酸 DNA:脱氧核糖核苷酸 RNA:核糖核苷酸 分子结构 氨基酸?多肽链?空间结构DNA:双螺旋结构 ?蛋白质分子 RNA:一般是单链 分子多样性原因 由于氨基酸的种类、数量和排由于DNA中4种脱氧核苷酸 列次序的不同，以及空间结构不的数量、序列和比例不同，而使 同，蛋白质的种类多种多样 DNA呈现多样性 形成的场所 所有的蛋白质都在核糖体内DNA:在细胞核内复制 合成 RNA:在细胞核内合成 主要功能 是细胞和生物体的重要组成核酸是一切生物的遗传物质。 成分，调节细胞和生物体的代谢过DNA是主要的遗传物质，通过复制 程，有的蛋白质有免疫作用 传递遗传信息;控制蛋白质的合成， 使后代表达出与亲代相似的性状 相互关系 蛋白质的合成受DNA控制，蛋白质的性质由核酸决定;DNA的复 制，信使RNA的转录、翻译等过程要有酶的参与，蛋白质(酶)控制 了核酸代谢;两者之间相互作用，形成了细胞生命活动的一个自动控制 体系，是生命活动的基本特征 (七)细胞中的糖类 1. 作用:糖类是主要的能源物质 2. 组成元素:只有C、H、O O)m，但也有例外如脱氧核糖为CHO。又称碳水化合物。 一般可表示为Cn(H25104 3. 糖的种类: 类 概念 主要糖类举例 别 五碳糖 核糖(CHO):是构成核糖核酸(RNA)的主要成分 5105 脱氧核酸(CHO):是构成脱氧核糖酸(DNA)的主5104是指不能水要成分 单糖 解的糖 六碳糖 葡萄糖(CHO):是绿色植物光合作用的产物，是重6126 要的能源物质，常见的果糖和半乳糖也是单糖。 蔗糖 分子式:(CHO)，在甘蔗和甜菜中含量较多。 122211是指水解能麦芽糖 分子式:(CHO)，在发芽的谷粒中含量较多。 122211二糖 生成二分子乳糖 分子式:(CHO)，在动物的细胞中，如乳汁里含122211单糖的糖 量较多。 淀粉 分子式:[(CHO)]，是植物细胞中重要的贮存能量是指水解后6105n 的物质 能够生成许 多单糖的糖纤维素 分子式:[(CHO)]，是植物细胞壁的主要成分，起6105n多糖 (是自然界支持和保护作用 含量最多的糖原 分子式:[(CHO)]，存在于动物细胞的细胞质中，6105n 糖) 主要在肝脏和肌肉中，分别称为肝糖原和肌糖原。 动物细胞特有的糖:乳糖(二糖)、糖原(多糖)。 植物细胞特有的糖类:蔗糖(二糖)和麦芽糖(二糖)、淀粉和纤维素(多糖)。 注意: (1)单糖、二糖、多糖的关系 单糖二糖多糖 如:葡萄糖、麦芽糖、淀粉(或糖原)的关系: CHOCHO(CHO) 6126 1222116105n (2)糖类的化学式中如有—C—H，则该糖属于可还原性糖。 (3)糖类是主要的能源物质，但某些糖类也具有其它的功能，如贮存养料、细胞识别、润滑保护等功能。 麦芽糖?2葡萄糖 蔗糖葡萄糖 + 果糖 乳糖半乳糖 + 葡萄糖 (八)细胞中的脂质 1. 组成元素:主要由C、H、O三种元素组成，很多脂质中还有N，P。如鞘磷脂中有N、P，但脂肪中只有C、H、O。 2. 种类及功能 (1)表解 种类 功能 备注 (1)主要的储能物质(动、植物)脂肪大量存在于某些植物的种 脂肪 (2)高等动物和人:保温、减少子、果实及动物体的脂肪组织 器官之间摩擦和缓冲外界压力 中 构成细胞膜及各种细胞器膜在动物的脑、卵中、大豆的种磷脂 的重要成分 子中，磷脂的含量较多 胆固醇 构成细胞膜，参与血液中脂质的运维生素D在动物的卵黄中含量 输;性激素促进人和动物生殖器官较多;人的皮肤表皮细胞中有性激素 固醇 的发育以及生殖细胞的形成;维生胆固醇，在日光照射下，能转维生素D 素D能够促进钙、磷的吸收。 变成维生素D 【典型例题】 [例1] 血红蛋白分子中，含有574的氨基酸和4个肽链，问在形成此蛋白质分子时，失去水分子数和形成的肽键数分别是( ) A. 570、573 B. 573、573 C. 287、287 D. 570、570 :D 解析:本题考查蛋白质形成过程中缩合反应及其有关知识，通过此题加深对这些知识的理解和应用。? 在氨基酸形成肽键的过程中，每形成一个肽键时伴随着失去一个水分子，因此，形成的肽键数和失去的水分子数是一致的。? 每两个氨基酸分子缩合形成一个肽键，失去一个水分子，三个氨基酸缩合形成二个肽键，失去2个水分子;N个氨基酸缩合，形成N-1个肽键，失去N-1个水分子。? 在氨基酸形成蛋白质过程中，每增加一个肽键，就多产生一个水分子，因此正确答案是:574-4=570。 [例2] 下列各项作为鉴定生物组织中可溶性糖(还原糖)的理想材料是( ) A. 韭菜 B. 鸢尾 C. 菠菜 D. 梨 答案:D 解析:鉴定生物组织中可溶性还原性糖的实验，最理想的实验材料是含糖量较高的生物组织(或器官)，而且组织的颜色较浅或近于白色。因此韭菜、鸢尾、菠菜的叶片中叶绿素的含量较多，颜色较深，对于鉴定时的颜色反应起着掩盖作用，导致实验现象不明显，不是理想的实验材料。而只有梨符合条件。 [例3] 植物细胞和动物细胞中储藏能量的物质依次是( ) A. 纤维素和糖原 B. 麦芽糖和乳糖 C. 淀粉和糖原 D. 葡萄糖和纤维素 解析:在植物细胞中储存能量的物质是淀粉，在动物细胞中储存能量的物质是糖原。纤维素是多糖，是细胞壁的组成成分。葡萄糖、麦芽糖、乳糖都是能源物质，但不是储能物质。 答案:C [例4] 性激素和纤维素共有的化学元素是( ) A. C、H、O B. C、H、O、N C. C、H、O、P D. C、H、O、N、P 解析:性激素属于脂质，纤维素属于糖类物质，故它们共有的元素是C、H、O。可见，解此类题，应从化合物的元素组成的角度下手。 答案:A [例5] 人体某些组织的含水量近似，但形态却不同，例如心肌含水约79%而呈坚韧的形态，血液含水约82%，都呈川流不息的液态，对这种差异的解释是( ) A. 心肌内多是结合水 B. 血液中全是结合水 C. 心肌内多是自由水 D. 血液中全是自由水 解析:血液中所含水分主要是自由水，既不全是自由水，也不全是结合水。心肌中的水分主要是结合水。解此类题，应从自由水和结合水存在形式的角度下手。 答案:A [例6] 一头牛突然发生抽搐，兽医除必须对症下药外，还需注射一定量的( ) A. 生理盐水 B. 葡萄糖液 C. 葡萄糖酸钙 D. 淀粉和蔗糖 解析: 无机盐对维持细胞和生物体的生命活动有重要作用。哺乳动物的血液中如果钙离子的含量太低，会出现抽搐等症状。 答案:C [例7] 下列各种糖类物质中，既存在于动物细胞内又存在于植物细胞内的是( ) A. 淀粉和核糖 B. 葡萄糖、核糖和麦芽糖 C. 核糖、脱氧核糖和葡萄糖 D. 糖元、乳糖、蔗糖 答案:C 解析:植物体内的单糖有核糖、脱氧核糖，它们是组成RNA和DNA不可缺少的五碳糖;葡萄糖是光合作用的产物。动物体内因为也含DNA和RNA，所以也必须含有与植物体相同的五碳糖;动物摄取的淀粉等糖类食物都要经过消化变成葡萄糖才能被吸收入血液，形成血糖(即血液中的葡萄糖)，葡萄糖是细胞的重要能源物质。在植物细胞中的双糖最重要的是蔗糖和麦芽糖，在动物的细胞中，最重要的是乳糖;在植物细胞中，最重要的多糖是淀粉和纤维素。前者是储能物质，后者是细胞壁的基本组成成分，在动物细胞中最重要的多糖是糖元，它在肝脏和肌肉细胞中含量最多。 [例8] 鸽子体内既能储存能量又能减少热量散失的物质是( ) A. 糖元 B. 淀粉 C. 脂肪 D. 纤维素 答案:C 解析:糖元是储存在肝脏和骨骼肌中的多糖，虽然其中也储有能量，但没有减少热量散失的作用，淀粉和纤维素是植物体内的多糖。鸽子体内不存在淀粉和纤维素。脂肪则大量储存在动植物的脂肪细胞中，是生物体内储能的主要物质，动物和人体内的脂肪还有减少热量散失、维持体温恒定的作用。 【模拟试题】 1. 谷氨酸的R基为CHO，1分子谷氨酸含有C、H、O、N原子数依次是( ) 352 A . 5、9、4、1 B. 4、8、5、1 C. 5、8、4、1 D . 4、9、4、1 2. 下列哪项不是蛋白质在人体内的生理功能,( ) A. 细胞成分的更新物质 B. 酶的主要成分 C. 组织修复的原料 D. 能量的主要来源 3. 鉴定蛋白质时，事先留出一些黄豆组织样液，主要目的是( ) A. 重复两次，结果准确 B. 与加入双缩脲试剂后的颜色作对照 C. 再用于还原糖的鉴定 D. 失败后还可重做 4. 下列有关核酸的叙述中，正确的是( ) A. 除病毒以外，一切生物都有核酸存在 B. 核酸是由C、H、O、P元素组成的化合物 C. 组成核酸的基本单位是脱氧核苷酸 D. 核酸是一切生物的遗传物质 5. 烟草、烟草花叶病毒和噬菌体这三种生物中，构成核酸的碱基种类数依次是( ) A. 4、4、4 B. 8、4、4 C. 5、4、4 D. 7、4、2 6. 构成DNA分子的四种脱氧核苷酸的不同，取决于( ) A. 五碳糖的不同 B. 含氮碱基的种类 C. 磷酸分子的多少 D. 碱基对的排列顺序 7. SARS病原体是一种冠状病毒，其遗传物质是一条单链RNA，下列关于SARS病毒的叙述中，正确的是( ) A. 能在寄主细胞内合成多种蛋白质 B. DNA和RNA同时存在 C. 可独立生活和复制 D. 含有简单的细胞器 8. 组成蛋白质的氨基酸之间的肽键结构式是( ) A. NH—CO B. —NH—CO— C. —NH—COOH— D. NH—COOH 22 9. 下列物质中都含有氮元素的是( ) ? 核酸 ? 糖元 ? 胰岛素 ? 淀粉 A. ?? B. ?? C. ?? D. ?? 10. 医生给低血糖休克病人静脉注射质量分数为50%的葡萄糖溶液，其目的是( ) A. 供给全面营养 B. 供给能源 C. 维持渗透压 D. 供给水分 11. 关心父母是青少年的美德。学生小王为他患糖尿病的父母制作了日食谱。为该食谱，他获得了下列资料。请阅读该资料回答下列问题。糖尿病的致病原因之一是胰岛素缺乏。主要表现为血糖增高。合理的饮食是治疗糖尿病的基础，肥胖者要限制热量，减轻体重。消瘦者要有足够的热量以恢复理想的体重。饮食中碳水化合物所提供的热量不要高于总热量的55%,60%，胆固酵每日摄入量要低于300mg，糖的食用要有节制。(资料来源:《中国大百科全书》) 专家对这类病人每日主要营养成分的推荐摄入量和下图食谱的实测数据见下表: 专家推荐摄入量 下图食谱实测数据 蛋白质(g) 93 80 脂肪(g) 70 50 碳水化合物(g) 330 450 总热量(g) 9851 10910 (1)已知每克蛋白质、脂肪、碳水化合物分别产生17kJ、38kJ、17kJ热量;该食谱中蛋白质、脂肪和碳水化合物所提供的热量占总热量的百分比分别是:__________、_________和___________。 (2)通过对上题数据的分析，小王得出的结论是___________________。 (3)如果要对该食谱进行较为全面的分析，还需要的数据有___________、__________。 (4)小王对食谱的评价过程包括____________、___________和得出结论等三个环节。 12. 植物在冬季来临之前，随着气温逐渐下降，体内会发生一系列适应低温的生理变化，抗寒力得到加强，请看下图回答问题。 (1)植物含水量下降的原因是________________________。 (2)结合水上升，自由水下降，利于抗寒的原因是___________________。 (3)呼吸减弱，利于抗寒的原因是__________消耗减小，利于__________积累而使__________浓度增加。 【试题答案】 1. A 2. D 3. B 4. D 5. C 6. B 7. A 8. B 9. B 10. B 11. (1)12.5% 17.4% 70.1%(或13% 17% 70%) (2)碳水化合物提供的热量偏高，脂肪和蛋白质提供的热量偏低 (3)体重 胆固酵的实测数据 (4)获取资料 数据处理 12. (1)温度下降，蒸腾作用下降，吸水较少 (2)结合水不易结冰 (3)有机物 可溶性糖 细胞液