镰刀型氨基酸(碳基生物是怎么回事？「高中生物讲解」124-125)

镰刀型氨基酸

碳基生物问的问题

今天我们来继续学习细胞中的有机物，同时也将认识到碳元素的重要性。

组成细胞的有机物中，含量最高的便是蛋白质。这里需要注意一点，这个结论是针对一般细胞而言，某些特化的细胞，如脂肪细胞，其中含量最高的有机物是脂肪。

脂肪细胞中含有大量脂肪

为什么蛋白质含量最高呢？打个比方就明白了：如果说一个细胞是一座工厂，那么糖类和脂肪就相当于存款，DNA就相当于资料，蛋白质就相当于生产机器和建成工厂的一部分建材。蛋白质是生命活动的主要承担者，从化学角度看，它是目前已知的结构最复杂、功能最多样的分子。多样的结构赋予了蛋白质多样的功能。

让我们来看看，蛋白质都扮演了哪些角色吧。

我们的头发、肌肉和指甲等等，主要成分都是蛋白质。许多蛋白质是构成细胞和生物体结构的重要物质，这些蛋白质被称为结构蛋白。所以说，瘦肉是高蛋白食物——因为它本身就是主要有蛋白质构成的。

旧版课本著名的“蛋白质女王”，在新课本中已经被替换为“精神小伙”

我们体内的许多激素，化学本质就是蛋白质，如胰岛素、生长激素等。它们在我们体内的量非常少，但却有着重要的作用：调节机体的生命活动。在选修一（即旧版课本必修三的前半段）中，我们将会详细地学习人体内部分重要激素的作用。

酶已经进入了我们生活的方方面面：在鲜榨的橙汁中加入果胶酶，可以使国之澄澈清亮；牙膏会以“加入生物酶”作为卖点；工业生产上也有许多用到酶的地方。其实，酶都是由活细胞产生的，绝大多数酶的化学本质都是蛋白质。细胞中的生物化学反应，都离不开酶的催化。

有些蛋白质，是人体内的“搬运工”，它们承担了运输物质的功能。如血红蛋白，为组织带来氧气，为组织带走二氧化碳。

从图中也可以看出，血红蛋白的结构极其复杂

你知道为什么新冠肺炎痊愈者的血清可以用于治疗新冠肺炎吗？因为，痊愈者体内的免疫系统已经与新冠病毒作过斗争，分泌出了抗新冠病毒的抗体，这些抗体就可以用于消灭新冠病毒。抗体的化学本质也是蛋白质，它承担着免疫的功能。

由伤可知，蛋白质承担着组成细胞与生物体的结构、调节生命活动、催化生化反应、运输物质、免疫防御的功能，可以说，细胞的各项生命活动都离不开蛋白质。

为什么蛋白质能够承担如此多的工作呢？这得益于蛋白质的多样性。为什么会有千奇百怪各种各样的蛋白质呢？这还要从蛋白质的组成说起。

蛋白质是生物大分子，生物大分子都是由一个个基本单位组成的，这些基本单位被称为单体。蛋白质的单体就是氨基酸。蛋白质是由氨基酸脱水缩合形成的肽链盘曲折叠形成的，氨基酸是组成蛋白质的基本单位。氨基酸的结构很有特点，总有一个氨基和一个羧基连在同一个碳原子上，“氨基酸”这个名字由此得来。这个碳原子的另外两个键，分别连着一个氢原子和一个R基。这个R基多种多样，因此氨基酸也多种多样。人体中，组成蛋白质的氨基酸有21种，这不同种类的氨基酸以不同的顺序相连接形成肽链、构成一条肽链的氨基酸的数目可以变化、肽链盘曲折叠的方式也可以变化、组成蛋白质的肽链的条数也可以变化。

氨基酸结构通式

氨基酸不仅仅只是合成蛋白质的原料，还有许多别的功能，如肾上腺素和甲状腺激素就是氨基酸的衍生物，它们可以调节生命活动的进行；谷胱甘肽是三种氨基酸以特殊的方式连接而成，它具有抗氧化的作用。有八种氨基酸是人体无法合成的，它们被称作必须氨基酸，分别是苯丙氨酸、甲硫氨酸、赖氨酸、苏氨酸、色氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸。生物是非常精明的，这类氨基酸一般都不会用在需要大量合成的蛋白质中，所以，人体能大量合成的胶原蛋白，其营养程度也就可想而知了。

但是猪蹄确实挺香的

不同的肽链可以通过一些化学作用结合在一起，比如二硫键、异肽键、氢键等。很多蛋白质都是由数条肽链折叠形成的，如血红蛋白等。

由大量氨基酸组成的蛋白质是如此的精巧，以至于一些小小的改变就可能影响蛋白质的功能。如果发生了基因突变，氨基酸序列和蛋白质的空间结构就可能发生改变，就可能影响蛋白质的正常功能。镰刀型细胞贫血症就是一个例子，血红蛋白β链第六位的谷氨酸被缬氨酸所代替，形成了异常的血红蛋白，导致了红细胞贫血症的发生。

左为正常双面凹圆饼形红细胞，右为镰状细胞

在极端的理化条件下，如高温、强酸强碱、酒精等，蛋白质的空间结构也会发生改变，这被称为蛋白质的变性。因此，涂抹酒精可以达到消毒的目的。

蛋白质的结构极其复杂，是什么指导了细胞进行如此精巧的合成过程？答案是核酸。核酸，顾名思义，是从细胞核中提取的具有酸性的物质。它主要分布在细胞核中。

DNA双螺旋总能给人震撼感

核酸包括两大类，一类是脱氧核糖核酸，简称DNA；一类是核糖核酸，简称RNA。真核细胞的DNA主要分布于细胞核中，在线粒体和叶绿体中也有少量分布，原核细胞的DNA主要分布在拟核区域；RNA主要分布在细胞质中。

核酸和蛋白质一样都是生物大分子，核酸的单体是核苷酸。不同氨基酸间的主要区别体现在R基上，而不同核苷酸间的区别主要体现在碱基上。脱氧核糖核苷酸具有鸟嘌呤(G)、腺嘌呤(A)、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）四种碱基，核糖核苷酸与之大同小异，没有胸腺嘧啶而具有尿嘧啶（U）。一般情况下，在生物体的细胞中，DNA由两条脱氧核糖核苷酸链构成，而RNA由一条核糖核苷酸链构成。核酸的四种碱基以不同顺序排列，排成长链时，可以容纳相当多的信息。脱氧核苷酸的排列顺序储存着生物的遗传信息，而RNA，由于化学性质较不稳定，常作为DNA与蛋白质间的信使。RNA也可以形成酶。在HIV、SARS、新冠病毒中没有DNA，RNA作为遗传信息的载体。正因RNA的性质不稳定，它们才可以迅速变异。

我们的疫苗开发工作变慢了，因为我们已经没有病人了

核酸是细胞内携带遗传信息的物质，在生物体的遗传、变异和蛋白质的生物合成中都有着极其重要的作用。关于核酸在这些方面作用的原理，我会在必修二的讲解中为大家详细展开。

通过这两天对有机物的学习，我们知道了，生物大分子（多糖、蛋白质、核酸）都是由一个个基本单位（单体）组成的，每个生物大分子都是由单体组成的多聚体。而每一个单体都以若干个相连的碳原子作为基本骨架，所以，生物大分子也是以碳链作为基本骨架的。正是因为碳原子在组成生物大分子中发挥了重大作用，科学家们才说“碳是生命的核心元素”“没有碳，就没有生命”

最近网络上有将有趣的人戏称为“硅基生物”的潮流，这是怎么回事呢？我们地球上的生物，由于以碳链作为生物大分子的基本骨架，所以是“碳基生物”。碳和硅在化学中是同主族元素，在化学性质上有一定的相似性，因此，在遥远的外星球，也可能确实存在有硅基生物。将一个人戏称为“硅基生物”，其实就是在评价他“地球人都做不到你做的事”。

至此，必修一第二章的讲解全部结束。下一章中我们将会讲解细胞的基本结构，了解细胞膜、细胞器与细胞核，敬请期待。

碳基生物是怎么回事？「高中生物讲解」1.2.4-1.2.5,碳基生物问的问题