1.3　生命中的化学元素

1.3.1　生命体的元素组成

自然界中的生物，从大肠杆菌到人类，从藻类到高等植物，外观和功能千差万别。然而所有生物在细胞和分子水平却很相似，都由糖、脂、核酸和蛋白质四类生物大分子及水和无机离子等组成。水约占生物体质量的三分之二，生物分子约占三分之一，无机离子约占百分之一，如大肠杆菌的组成（表1.1）。

化学元素

表1.1　大肠杆菌（E.coli）的组成

生物体的物质组成复杂多样，但它们的元素组成则比较简单。在地球上存在的92种天然元素中，只有28种元素在生命体中被发现。根据各种元素的重要性及存在情况，可分成四类（表1.2）。

表1.2　生物体的元素组成

第一类元素是组成生命体的基本元素，包括C、H、O、N四种，约占生物体总质量的97％。不同的生物体，元素的质量含量略有差异。总的来说，由于水是细胞的主要成分，所以O是生物体内含量最多的元素，其次是C。这些元素之间能形成稳定的共价键，如C—C、、、、、C—O、、C—H、N—H等。生物分子的大部分都由与其他碳原子和与氢、氧或氮原子共价连接的碳原子组成，碳原子这种特异的成键性质使它能参与形成大量不同类型的分子，这些特性对于形成复杂的生物体结构和功能的多样性具有重要意义。

第二类元素包括S、P、Cl、Ca、K、Na、Mg，也是组成生物体的基本元素。S是蛋白质的重要组成元素之一，一些氨基酸含有S，如甲硫氨酸、半胱氨酸等。P是核酸和高能磷酸酯类化合物（如ATP、磷酸烯醇式丙酮酸）的基本组成元素，在生命遗传和生物能量转化中起着重要作用。Ca、K、Na和Mg在生物体内主要以无机离子形式存在。

第三类元素包括Fe、Cu、Co、Mn、Zn，是生物体内存在的主要少量元素。它们均为过渡金属元素，主要功能是作为酶的辅助成分稳定酶的结构或起催化活性中心作用。

第四类元素包括Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Se、Si、V，是生物体内存在的微量元素，功能复杂多样，有的还不完全清楚。

1.3.2　生物大分子

生物分子包括糖、脂、核酸和蛋白质四类生物大分子以及维生素、辅酶、激素、核苷酸和氨基酸等。它们都是有机化合物，常见的基团有羟基、酮基、羧基、氨基等（见表1.3），通过不同的方式（如酯键、酰胺键、磷酸酯键等）连接形成不同的化合物（表1.4）。生物分子含有不同的基团，不同的基团具有不同的性质，可发生不同的反应，基团之间相互影响又可产生某些新的特性。生物分子结构的多样性是它具有复杂生理功能的基础。

表1.3　生物分子中常见的基团

表1.4　生物分子中基团的常见连接方式

糖、脂、核酸和蛋白质四类生物大分子是构成生命体和维持生命现象的最基本的物质，它们都由结构比较简单的小分子——单体亚单位（monomeric subunit）组成。一种单一的蛋白质分子可能含有1000个甚至更多数目的氨基酸，而一种脱氧核糖核酸分子则可能含有数万个核苷酸。这些亚单位按不同的排列组合，形成数目庞大、结构复杂的线形分子或环状分子，即一级结构。在此基础上，通过分子内或分子间的基团（包括带电基团、极性或非极性基团）相互作用，进一步形成复杂的立体结构，可分为二级、三级和四级结构。生物大分子的这种复杂的立体结构，是生物分子具有复杂生理功能的重要原因。

由于构成生物分子的结构亚单位大多数具有手性特征，因此生物大分子中存在许多手性中心（主要是手性碳原子）。生物分子的手性特性对于生物分子之间的相互识别、酶分子的选择性催化等性质具有重要意义。例如抗体与抗原的结合作用，酶与底物的专一性作用，都是建立在生物分子的相互识别基础上的。近几年来，关于分子识别机制、分子识别与药物分子的选择性关系等的研究已成为生物化学领域的热门课题。

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