生物知識:第一章生命的物質基礎
一、聯賽中涉及的問題
生命的物質基礎是現代生物學的重要組成部分，這部分知識在國際IBO競賽綱要中佔據了一定的比例。現行的中學生物學教材對綱要中提及的很多概念都沒有涉及到。因此，有必要根據綱要的內容進行補充和深化。同時也應當注意，還是要以基礎知識為主，不可片面地拔高。
（一）組成生物體的化學元素
組成生物體的化學元素有二十多種，它們在生物體內的含量不同。含量佔生物體總質量的萬分之一以上的元素，稱大量元素，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，稱微量元素，如Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo等。這些化學元素對生物體都有重要作用。組成生物體的二十多種化學元素，在無機自然界都可以找到，沒有一種化學元素是生物所特有的。這個事實說明，生物界和非生物界具有統一性。
（二）組成生物體的化合物
（－）糖類
1．生物學功能
糖類參與細胞組成，是生命活動的主要能源物質。
2．組成元素及種類
糖類的組成元素為C、H、O，分單糖、寡糖、多糖三類。
單糖是不能水解的最簡單的糖類，其分類中只含有一個多羥基醛或一個多羥基酮，如葡萄糖、果糖、核糖、脫氧核糖。葡萄糖和果糖都是含6個碳原子的己糖，分子式都是C6H12O6，但結構式不同，在化學上叫做同分異構體。如下圖所示：
葡萄糖 果糖 葡萄糖 果糖
環狀結構 鏈狀結構
核糖（C5H10O5）和脫氧核糖（C5H10O4）都是含有5個碳原子的戊糖，兩者都是構成生物遺傳物質（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（1個以內）單糖分子脫水縮合而得的糖。常見的是含有2個單糖單位的雙糖，如植物細胞內的蔗糖、麥芽糖，動物細胞內的乳糖，存在於藻類細菌、真菌和某些昆蟲細胞內的海藻糖等。蔗糖的形成見下圖。
葡萄糖 果糖 蔗糖
多糖是由多個單糖縮聚而成鏈狀大分子，與單糖、雙糖不同，一般不溶於水，從而構成貯藏形式的糖，如高等植物細胞內的澱粉，高等動物細胞內的糖元。纖維素是植物中最普遍的結構多糖。
（二）蛋白質
1．生物學功能
蛋白質具有催化作用、運輸作用和貯存作用、結構和機械支援作用、收縮或運動功能、免疫防護功能、調節作用。
2．組成元素和基本組成單位
蛋白質主要由C、H、O、N四種元素組成，多數還含有S。基本組成單位是氨基酸，其通式為 。組成天然蛋白質的氨基酸約有20種，都是L型 的氨基酸。氨基酸與氨基酸之間可以發生縮合反應，形成的鍵為肽鍵。肽是兩個以上氨基酸連線起來的化合物。兩個氨基酸連線起來的肽叫二肽，三個氨基酸連線 起來的肽叫三肽，多個氨基酸連線起來的肽叫多肽。多肽都有鏈狀排列的結構，叫多肽鏈。蛋白質就是由一條多肽鏈或幾條多肽鏈集合而成的複雜的大分子。
3．結構
蛋白質結構分一、二、三、四級結構。在蛋白質分子中，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的一級結構。蛋白質分子的高階結構決定於它的一級結構，其天然構象（四級結構）是在一定條件下的熱力學上最穩定的結構。
4．變性
蛋白質受到某些物理或化學因素作用時引起生物活性的喪失、溶解度降低以及其他物理化學因素的改變，這種變化稱為蛋白質的變性。變性的實質是由於維持高階結構的次級鍵遭到破壞而造成的天然構象的解體，但未涉及共價鍵的破壞。有些變性是可逆的（能復性），有些則不可逆。
（三）核酸
1．生物學功能
核酸是遺傳資訊的載體，存在於每一個細胞中。核酸也是一切生物的遺傳物質，對於生物體的遺傳性、變異性和蛋白質的生物合成有極其重要的作用。
2．種類
核酸分DNA和RNA兩大類。所有生物細胞都含有這兩大類核酸（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。每個核酸分子是由幾百個到幾千個核苷酸互相連線而成的。每個核苷酸含一分子鹼基、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的鹼基有四種（A、T、G、C），RNA的鹼基也有四種（A、U、G、C）。這五種鹼基的結構式如下圖所示：DNA中鹼基的百分含量一定是A＝T、G＝C，不同種生物的鹼基含量不同。RNA中A﹣U、G﹣C之間並沒有等當量的關係。
腺嘌呤（A） 鳥嘌呤（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線方式是3'、5'﹣磷酸二酯鍵，如下圖所示。所以DNA的一級結構是直線形或環形的結構。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。
（四）脂類
脂類是生物體內一大類重要的有機化合物，由C、H、O三種元素組成，有的（如卵磷脂）含有N、P等元素，不溶於水，但溶於乙醚、苯、氯仿和石油醚等有機溶劑。
1．生物學功能
脂類是構成生物膜的重要成分；是動植物的貯能物質；在機體表面的脂類有防止機械損傷和水分過度散失的作用；脂類與其他物質相結合，構成了細胞之間的識別物質和細胞免疫的成分；某些脂類具有很強的'生物活性。
2．種類
（l）脂肪 也叫中性脂，一種脂肪分子是由一個甘油分子中的三個羥基分別與三個脂肪酸的末端羥基脫水連成酯鍵形成的。脂肪是動植物細胞中的貯能物質，當動物體內直接能源過剩時，首先轉化成糖元，然後轉化成脂肪。在植物體內就主要轉化成澱粉，有的也能轉化成脂肪。
（2）類脂 包括磷脂和糖脂，這兩者除了包含醇、脂肪酸外，還包含磷酸、糖類等非脂性成分。含磷酸的脂類衍生物叫做磷酯，含糖的脂類衍生物叫做糖脂。磷脂和糖脂都參與細胞結構特別是膜結構的形成，是脂類中的結構大分子。
（3）固醇 又叫甾醇，是含有四個碳環和一個羥基的烴類衍生物，是合成膽汁及某些激素的前體，如腎上腺皮質激素、性激素。有的固醇類化合物在紫外線作用下會變成維生素D。在人和動物體內常見的固醇為膽固醇。
（五）水和無機鹽
1．水
水是細胞的重要成分，一般發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於10％。水的作用有：水是代謝物質的良好溶劑，水是促進代謝反應的物質，水參與原生質結構的形成，水有調節各種生理作用的功能。
2．無機鹽
它在體內通常以離子狀態存在，常見的陽離子有K＋、Na＋、Ca2＋、Mg2＋、Fe2＋、Fe3＋等；常見的陰離子有Cl－、SO42－、PO43－、HPO42－、H2PO4－、HCO3－等。各種無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，維持酸鹼平衡，特異作用等。
【解題指導】
例l 一個蛋白質分子有5條肽鏈，由1998個氨基酸組成，那麼形成該蛋白質分子過程中生成的水分子個數和含有的肽鍵數分別是多少？
析 氨基酸透過脫水縮合形成多肽，在一條由n個氨基酸組成的多肽鏈中，形成的肽鍵個數＝生成的水分子個數＝n－l。同理，在由多條肽鏈組成的蛋白質中，形成肽鍵數目＝組成該蛋白質分子的氨基酸數目－該蛋白質分子中肽鏈條數。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 腎上腺皮質細胞產生的激素其結構與以下哪一種物質結構相似？
A 血紅蛋白 B 膽固醇 C 酪氨酸 D 腎上腺素
析 激 素依化學成分分成兩類，一類是由腎上腺皮質分泌的激素統稱腎上腺皮質激素，屬於類固醇激素；另一類屬於含氮物質激素，包括蛋白質、多肽（胰島素、甲狀分腺 素）和胺類（腎上腺素、甲狀腺激素）。上題中膽固醇是一種固醇類化合物，所以腎上腺皮質分泌的激素與膽固醇的結構相似。答案選B。
【鞏固練習】
1．關於病毒遺傳物質的敘述，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的主要有機成分是
A 蛋白質和核酸 B 水和蛋白質
C 蛋白質和無機鹽 D 水和核酸
3．組成核酸和核糖核酸的核酸的種類分別有
A 8種和2種 B 4種和4種 C 5種和4種 D 8種和4種
4．一個含有6個肽鍵的多肽，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．當動物體內直接能源物質過剩時，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--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（水解時釋放的能量在20～92kJ／mol的磷酸化合物）。ATP的分子簡寫成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中大量化學能就貯存在高能磷酸鍵中。ATP結構中的3個磷酸（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 解時釋放出的能量，是生物體維持細胞分裂、根吸收礦質元素離子和肌肉收縮等生命活動所需能量的直接來源，是細胞內能量代謝的流通貨幣。在動物肌肉或其 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揮作用。如圖下圖所示磷酸肌酸與ATP關係。
磷酸肌酸 肌酸
（七）NAD＋和NADP＋
NAD＋又叫輔酶Ⅰ，全稱煙醯胺腺嘌呤二核苷酸；NADP＋又叫輔酶Ⅱ，全稱煙醯胺腺嘌呤二核苷酸磷酸。它們都是遞氫體，能從底物裡取得電子和氫。NAD＋和NADP＋都是以分子中的煙醯胺部分來接受電子的，所以煙醯胺是它們的作用中心。接受電子的過程如下圖所示：
這裡雖然從底物脫下來的兩個電子都被接受了，但脫下來的兩個氫原子卻只有一個被接受，剩下的一個質子H暫時被細胞的緩衝能力接納下來，留待參與其他反應。因此，NAD＋和NADP＋的還原形式被寫作NADH和NADPH。
【解題指導】
例 如果說光合作用中光反應的產物只有ATP、氧氣和氫，是否正確？為什麼？
析 不正確。因為在光反應中水分子被分解，產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ATP轉變成ADP的過程中， 能量；在ADP轉變成ATP的過程中，ADP
物質代謝釋放的能量，貯藏備用。這些轉變都必須有 參加。
7．關於人體細胞內ATP的描述，正確的是
A ATP主要線上粒體中生成
B 它含有三個高能磷酸鍵
C ATP轉變為ADP的反應是不可逆的
D 細胞內貯有大量ATP，以滿足生理活動需要
8．光合作用光反應的產物是
A CO2、ATP、NADH＋H＋
B 澱粉、CO2、NADPH＋H＋
C 蔗糖、O2、CO2
D ATP、O2、NADPH＋H＋
9．下列三組物質中，光合碳迴圈所必需的一組是
A 葉綠素、類胡蘿蔔素、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於生物體
A 具有嚴謹的結構
B 透過一定的調節機制對刺激發生反應
C 透過新陳代謝進行自我更新
D 具有生長髮育和產生後代的特性
11．若組成蛋白質的氨基酸分子的平均相對分子質量為130，則一條由160個氨基酸形成的多肽，其相對分子質量為
A 17938 B 19423 C 24501 D 28018
12．某一多肽鏈內共有肽健109個，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
① 組成生物體的化學元素基本一致
② 各種生物體的核酸都相同
③ 構成核酸的鹼基都相同
④ 各種生物體的蛋白質都相同
⑤ 構成蛋白質的氨基酸都相同
A ①②④ B ①③⑤ C ③④⑤ D ①②③
14．
以上的核著酸鏈是
A DNA B rnRNA C tRNA D dZNrx
15．下列物質中，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，那麼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個氨基酸構成，那麼該分子中含有的肽鍵數應是
A 570 B 573 C 574 D 578
18．下列各項不屬於脂類物質的是
A 生長激素 B 維生素D C 性激素 D 腎上腺皮質激素
19．活細胞內進行生命活動所需要的能量直接來自
A ATP的水解 B 葡萄糖的水解 C 澱粉的水解 D 脂肪的水解
20．在下列化合物中，構成蛋白質的鹼性氨基酸是
A B
C D NH2-CH2－CH2－COOH
21．當生物體新陳代謝旺盛，生長迅速時，生物體內
A 結合水／自由水的比值與此無關
B 結合水／自由水的比值會升高
C 結合水／自由水的比值會降低
D 結合水／自由水的比值會不變
22．下列物質中，對維持人體體液平衡，物質運輸，出血時血液凝固等生理功能都有重要作用的是
A 蛋白質 B 維生素 C 葡萄糖 D 脂肪
23．人和動物乳汁中特有的二糖水解後的產物是
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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