生命的物质基础

阅读材料，请完成材料内的讨论问题。

生物体的生命活动都有共同的物质基础，主要是指组成生物体的化学元素和化合物是大体相同的。

一、组成生物体的元素

组成生物体的化学元素有二十多种，它们在生物体内的含量不同。含量占生物体总质量的万分之一以上的元素，称大量元素，如C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg等。生物生活所必需，但是需要量却很少的一些元素，称微量元素，如Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo等。这些化学元素对生物体都有重要作用。组成生物体的二十多种化学元素，在无机自然界都可以找到，没有一种化学元素是生物所特有的。这个事实说明，生物界和非生物界具有统一性。

请完成以下主题讨论。

二、组成生命的化合物

组成生物体的化学元素，一般都以化合物的形式存在。组成生物体的化合物包括无机物和有机物两大类，无机物主要有水和无机盐，有机物主要有糖类、脂类、蛋白质、核酸和维生素等。但是这些物质在不同类型细胞中的相对含量可能相差很大

（一）无机物

1.水——生命之源

地球上最早的生命是在原始海洋中孕育的，所以生命从一开始就离不开水。水是生命的介质，没有水就没有生命。

（1）水的生理功能

水是光合作用中原初光反应的底物；水较高的比热，能够使生物较好的耐受外界温度变化带来的冲击和维持体温；水可以直接参与机体的氧化还原反应过程；水使机体内良好的溶剂和润滑剂，具有运输和防治疾病的作用。

（2）人体对水的需求

正常人每日需水2.4～4.0L，其中一部分从食物获得外，其余1.0～1.25L的水需要从饮水中得到。最好的饮用水是白开水。

2.无机盐

生物体中无机盐的含量仅占身体干重的2%～5%，含量虽少，但在组成生物体结构和维持正常的生命活动中起着重要的作用。细胞中的无机盐一般都是以离子状态存在的，如Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺、C1^-、HPO₄^2-、HCO₃^-等。它们的作用主要有：它们对细胞的渗透压和PH值起着重要的调节作用；有些离子是酶的活化因子和调节因子，如Mg²⁺、Ca²⁺等；有些离子是合成有机物的原料，如HPO₄^2-是合成磷脂、核苷酸等的原料，Fe²⁺是合成血红蛋白的原料等；有些离子与细胞兴奋性的维持和肌肉的收缩有关， 如Na⁺ ,K⁺,Ca²⁺。

（二）有机物

1.糖类

糖类广泛存在于生物体内，是生命活动的主要能源物质。糖的种类很多，按其结构特点可分为单糖、寡糖、多糖三类。

（1）单糖  单糖是不能水解的最简单的糖类，如葡萄糖、果糖、核糖、脱氧核糖。根据碳原子的数量单糖可以分为丙糖(三碳糖）、 戊糖（五碳糖）、 己糖（六碳糖）。戊糖（五碳糖）中重要的是核糖和脱氧核糖，它们是构成核苷酸的重要成分；己糖中除葡萄糖、果糖外，D-半乳糖和D-甘露糖也是重要的己糖（六碳糖）。

（2）寡糖  由2～6个单糖分子通过脱水缩合结合形成的糖称为寡糖，以糖苷键为连接。其中以双糖分布最为广泛、意义最大。常见的寡糖有麦芽糖、蔗糖和乳糖。它们都溶于水，便于在生物体内运输。当生物体需要能量时，它们又可水解成单糖。

（3）多糖  多糖是由很多个单糖分子（通常为葡萄糖分子）脱水缩合而成的分支或不分支的长链分子。如淀粉、糖原，纤维素等为常见的纯多糖，透明质酸、软骨素等则为杂多糖。多糖经过降解和生物氧化后，可以将其中所储藏的能量释放出来供生命活动所用。

2.脂类

脂类包括脂肪、类脂和固醇类物质，是生物体内一大类重要的有机化合物，是构成生物体的重要物质，组成脂类的主要元素是C、H、O三种，但氧元素含量低，碳和氢元素比例高，而糖类则与此相反，因此，脂类彻底氧化后可以释放出更多的能量。

（1）脂肪  脂肪分子是由一分子甘油和三分子脂肪酸组成的，又称为甘油三酯。脂肪中在常温下呈液体的称为油，在常温下呈固体的称为脂。脂肪是动植物细胞中的贮能物质，当动物体内直接能源过剩时，首先转化成糖原，然后转化成脂肪。在植物体内就主要转化成淀粉，有的也能转化成脂肪。脂肪的主要功能是供给能量；还可以协助脂溶性维生素的吸收，如维生素 A、D、E、K；脂肪组织质地柔软，具有一定弹性，因此可以减少内部器官的摩擦，缓冲外界对机体的作用力，减少损伤；脂肪不易传热，可以保持体温。

（2）类脂  生物体内最重要的类脂是磷脂，几乎全部存在于细胞的膜系统中，在脑、肺、肾、心、骨髓、卵及大豆细胞中含量最高。卵磷脂是生物膜脂质双层的主要成分，主要存在于脑、卵黄、红细胞、肾上腺和精液中。

（3）固醇  又叫甾醇，是含有四个碳环和一个羟基的烃类衍生物，人体和动物中最重要的固醇类是胆固醇。它是合成胆汁及某些激素的前体，如肾上腺皮质激素、性激素。人体内胆固醇过高或胆固醇代谢失调，会使动脉硬化、血管阻塞，引起高血压、心脏病和中风。

3.蛋白质

蛋白质是细胞和生物体的重要组成成分，是细胞内含量最高的一种有机化合物。蛋白质在细胞和生物体的生命活动过程具有十分重要的作用。生物的结构和性状都与蛋白质有关；蛋白质还参与基因表达的调节，以及细胞中氧化还原反应、电子传递、神经传递等多种生命活动过程；在细胞和生物体内各种生物化学反应中起催化作用的酶主要也是蛋白质；许多重要的激素，如胰岛素和胸腺激素等也都是蛋白质。蛋白质在人体不能储存，因此人类的膳食中应该保证足够的蛋白质供应。

所有蛋白质的元素组成都很近似，都含有C、H、O、N四种元素。其中平均含氮量约占16％，这是蛋白质在元素组成上的一个特点。此外，有些蛋白质还含P、S两种元素，有的还含微量的Fe、Cu、Mn、I、Zn等元素。

蛋白质是一种高分子化合物，分子量很大，约在5×10³～5×10⁶左右或更大些。蛋白质水解后的最终产物是氨基酸。因此，氨基酸是组成蛋白质分子的基本结构单位。组成不同蛋白质分子的氨基酸在数量上可以是几十、几百或更多，但其种类主要有20种。

构成蛋白质的氨基酸在结构上具有共同的特点：每种氨基酸至少都有一个氨基(-NH₂)和一个羧基(-COOH)，并且都连在同一个碳原子(叫做α碳原子)上。

20种氨基酸的不同，主要表现在侧链基团 (也叫R基)的不同。20种氨基酸中，有8种是人体不能制造的，只能从食物中获得，故称为必需氨基酸。它们是：苏氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、色氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸(蛋氨酸)、亮氨酸和异亮氨酸。幼儿时期所需要的必需氨基酸比成人多了一种，即组氨酸。

蛋白质的分子结构十分复杂，大致可分为四个层次：

蛋白质的一级结构：一个氨基酸分子中的α氨基与另一个氨基酸的α羧基脱水缩合，形成肽键。仅由2个氨基酸残基形成的化合物称为二肽，由3、4、5个氨基酸残基形成的化合物分别称为三、四、五肽，10至12肽以上称为多肽。数十个或更多氨基酸残基组成的有确定构象的多肽，通常称为蛋白质。氨基酸残基的排列次序通常称为“氨基酸序列”，亦称为蛋白质的一级结构。蛋白质的许多性质和功能决定于它的一级结构。

蛋白质的二级结构：指蛋白质分子中多肽链本身的折叠方式。据实验证明，二级结构中主要α-螺旋，β-折叠两种类型。维持蛋白质二级结构稳定的主要力是氢键。

蛋白质的三级结构：指在二级结构的基础上，再由氨基酸侧链之间通过形成氢键、疏水键、二硫键等再度折迭、盘曲，形成复杂的空间结构。几乎所有具有重要生物学功能的蛋白质都有严格的特定的三级结构。

蛋白质的四级结构：指含有两条或多条肽链的蛋白质中，各条肽链如何排列，它们彼此关联聚合成大分子蛋白质的方式。构成功能单位的各条肽链，称为亚基。例如，人血红蛋白是由四个亚基(2个α亚基，2个β亚基)所组成。一般说，亚基单独存在时没有生物活力，只有完整的四级结构才有生物活力。有的蛋白质分子只有一、二、三级结构，并无四级结构，如肌红蛋白、细胞色素C等。另一些蛋白质则四种结构伺时存在，如血红蛋白、过氧化氢酶等。

酶是细胞产生的可调节化学反应速度的催化剂，绝大多数的酶都是蛋白质。生物体内一切代谢反应，只有在酶的催化下才能顺利而迅速进行。生命活动中的消化、吸收、呼吸、运动和生殖都是酶促反应过程。酶在常温、常压、中性pH的温和条件下具有很高的催化效率。酶是细胞赖以生存的基础。

4.核酸

核酸是遗传信息的载体，存在于每一个细胞中。核酸也是一切生物的遗传物质，对于生物体的遗传性、变异性和蛋白质的生物合成有极其重要的作用。

核酸是由众多核苷酸构成的，核苷酸由磷酸、戊糖、碱基组成。构成核酸的戊糖为核糖和脱氧核糖。碱基分为嘌呤碱基和嘧啶碱基两大类。嘌呤碱基有腺嘌呤（A）和鸟嘌呤(G)两种；嘧啶碱基有胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和尿嘧啶(U)三种。嘌呤或嘧啶碱基和核糖或脱氧核糖相连，形成的化合物统称核苷。核苷中糖连接一个磷酸，便形成核苷酸，核苷酸与核苷酸相连，前一个核苷酸的磷酸连在后一个核苷酸糖上，依次相连上去，形成一条长长的多核苷酸链。

核酸分为两大类：脱氧核糖核酸（简称DNA）和核糖核酸（简称RNA）。

DNA主要集中在细胞核内，线粒体和叶绿体也含有DNA。构成DNA的碱基有腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）、胞嘧啶（C）四种，分别与脱氧核糖和磷酸形成四种脱氧核苷酸，四种脱氧核苷酸按照一定的排列顺序，通过磷酸二酯键连接形成的多核苷酸链，两条多核苷酸链以互补配对原则构成双螺旋结构。核苷酸之间的连接方式是：一个核苷酸的磷酸基与下一位核苷酸的戊糖上和羟基形成磷酸二酯键，构成不分支的线性大分子骨架，两条DNA链中对应的碱基A-T以双键形式连接，C-G以三键形式连接，糖-磷酸-糖形成的主链在螺旋外侧，配对碱基在螺旋内侧。这种DNA双螺旋结构模型是在1953年Watson和Crick 确立的。在DNA 分子中，四种核苷酸的排列顺序不受任何限制，能构成极其繁多的组合形式，如一段长 100 bp 的 DNA片段，其核苷酸的排列方式有 4¹⁰⁰种，因此，DNA分子蕴藏着无穷多的遗传信息。

RNA主要分布在细胞质中，由腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）、尿嘧啶（U）四种碱基构成，RNA通常是单链分子，通常分为核糖体RNA（即rRNA）、信使RNA（即mRNA）和转运RNA (即tRNA)三类。

构成DNA和RNA的核苷酸虽然各都只有4种，但由于它们的组合不同，排列顺序不同，使DNA和RNA分子具有极大的多样性。生物学家认为，DNA和RNA中不同核苷酸的排列顺序，蕴藏着无穷无尽的遗传信息。核酸的多样性意义在于决定了生物物种的多样性，形成了丰富多彩的生物世界。