IB 生物/生命化学

主题 3 生命化学

化学元素和水

指出生物体中最常见的化学元素是碳、氢、氧和氮。

说明生物体需要多种其他元素，包括硫、钙、磷、铁和钠。

说明上述每种元素的一种作用

氮：蛋白质所必需。(记住，氮包含在氨基酸结构中)对植物功能所需的酶至关重要。
钙：强化骨骼和牙齿的矿物质使用钙。在神经冲动的突触传递和肌肉收缩中也很重要。调节植物细胞壁的构建。
磷：是 ATP 和 DNA 分子中磷酸基团的一部分。在植物中，它需要用于细胞繁殖和分裂。它是细胞膜的一部分。
铁：存在于血红蛋白的结构中，对红血球的产生至关重要。它参与植物光合作用中涉及光能传递的化合物。
钠：与神经冲动的传播相关的主要离子。在某些植物中可以取代膜功能中的钾。
硫：它是氨基酸的组成部分。

概述原子、离子、多肽之间的区别

原子是化学元素的单个粒子。当原子获得或失去电子时，它就会变成离子。离子带电，而原子不带电。离子根据获得或失去电子而带负电或正电。另一方面，多肽链是由通过肽键连接的氨基酸链组成，氨基酸是通过离子的结合形成的分子。

概述水的特性对生物体的重要意义，包括透明度、内聚性、溶剂性质和热性质。在相关情况下参考水分子极性和氢键。

水是透明的，这使得光线能够过滤到水生环境中，因此水生植物可以吸收光线并进行光合作用。由于所有植物的祖先起源于海洋，水的透明度对我们所知的生活产生了不可估量的影响。
水也是内聚的，也就是说它由于水分子极性而相互结合。分子的正极氢侧与另一个水分子的负极氧侧结合。这种键叫做氢键。水也是粘附的，也就是说它会与周围的其他物质结合。这种特性使水能够在植物中逆重力运输。水粘附在植物的木质部管中，并能够由于其强大的内聚力而向上拉成长柱。
水的溶剂特性使分子能够溶解在其中。这意味着水可以将矿物质向上运输到植物的木质部管中，并将糖向上运输到韧皮部管中。动物的血液主要由水组成，这使得氧气、尿素和葡萄糖能够在整个身体中运输。水也是代谢反应的场所，因为反应可以在溶解的化合物之间发生。
水的极性也抑制了其分子运动。由于所有分子都连接在一起，因此它们不能像其他非极性分子那样自由移动。因此，热量（分子的动能）受到限制，因此水具有较高的比热容（它必须吸收大量的能量才能改变状态）。这意味着水可以作为温度绝缘体，并且在各种生物体中都起着这种作用。
水的高汽化潜热是由于水分子之间存在强氢键。当液态水汽化成气态时，会释放大量的热量。

解释水作为冷却剂、运输介质和栖息地的意义，从其特性方面来说明。

'冷却剂：使我们能够进行稳态。(我们出汗以让自己降温)。此外，水的汽化潜热很高，使水分子能够从身体中吸收大量能量，然后蒸发——因此，出汗的人会损失热量。
运输介质：消化，对帮助运输血液也很重要。植物中的韧皮部利用内聚性和粘附性将溶解在水中的营养物质运输。
栖息地：生物需要水；水的充足供应在选择栖息地时至关重要。水的比热容（将 1 克水的温度提高 1 摄氏度所需的能量）和汽化潜热（1 克液体转化为气态形式所吸收的能量）可以防止植物和动物过热和死亡。

碳水化合物、脂类和蛋白质。

定义有机物

有机化合物是指存在于生物体中的含有碳的化合物。
当化合物含有碳但在环境中广泛存在时（二氧化碳和氢），则被认为是无机的。

绘制一个广义氨基酸的基本结构

广义氨基酸。

绘制葡萄糖和核糖的环状结构

葡萄糖。
核糖。

绘制甘油和广义脂肪酸的结构 [1]点击链接查看图片

概述缩合反应和水解反应在单糖、二糖、多糖之间的关系中发挥的作用；脂肪酸、甘油和甘油酯；氨基酸、二肽和多肽。

在缩合反应中，两个分子协同作用形成一个大分子以及水，因为该反应过程中会释放水。因此，两个氨基酸可以结合形成二肽，这将是一个缩合反应。单糖变成二糖也一样，你懂的。
现在在水解反应中，水分子被用来将大分子分解成小分子。想想看——“hydro”的意思是水，“lysis”的意思是分解。因此，水被用来将二糖分解成单糖。

绘制一个广义二肽的结构，显示肽键 http://homepages.ius.edu/GKIRCHNE/peptide.jpg

列出单糖、二糖、多糖的三种示例

单糖：葡萄糖、果糖和核糖
二糖：麦芽糖（葡萄糖 + 葡萄糖）和蔗糖（葡萄糖 + 果糖），以及乳糖。
多糖：淀粉（由葡萄糖亚基组成）和糖原（由葡萄糖亚基组成，但与淀粉的连接方式不同）。(植物主要使用淀粉，人类主要使用糖原)以及纤维素。

说明动物中葡萄糖、乳糖和糖原的一种功能，以及植物中果糖、蔗糖和纤维素的一种功能。

动物
- 葡萄糖：被代谢以产生能量。
- 乳糖：为哺乳动物幼崽提供能量。
- 糖原：肌肉和肝脏中长期的能量储存。
植物
- 果糖：使果实变甜，以便传播种子
- 蔗糖：能量储存
- 纤维素：细胞壁结构

说明脂类的三种功能

能量储存：人类的脂肪。植物中的油。
热量绝缘：皮肤下的一层脂肪可以减少热量损失。
浮力：脂类的密度低于水。

讨论碳水化合物和脂类在能量储存中的用途。

脂类和碳水化合物非常适合在生物体中储存能量。碳水化合物通常用于短期储存能量，而脂类则用于长期储存能量。
脂类的优点

每克含有更多的能量。因此，储存起来更轻。
脂类不溶于水；不会干扰渗透作用。

碳水化合物的优点

更容易消化，因此更容易从中释放能量。
碳水化合物溶于水，因此更容易运输。

解释蛋白质的四级结构
一级结构

通过肽键连接的氨基酸的线性序列。大约有 20 种不同的氨基酸。

二级结构

α-螺旋由氢键维持。螺旋构成角蛋白（皮肤、指甲、头发）。

β-折叠片：扁平的锯齿状氨基酸链。这些片构成丝素蛋白（丝绸）。

两种结构都是纤维状的，形成结构蛋白

三级结构

多肽链折叠成特定的形状。这意味着三级蛋白质是球状的（激素、酶、膜蛋白）。

四级结构

两个或多个多肽链连接在一起（例如血红蛋白）。

概述纤维蛋白和球状蛋白的区别，并参考每种类型的蛋白质的两个示例

纤维蛋白（如角蛋白、胶原蛋白）

链延伸
不溶性
对 pH/温度变化有抵抗力
结构材料

球状蛋白（如血红蛋白、淀粉酶）

链折叠
可溶性/胶体
易受 pH/温度变化的影响
紧凑的圆形分子

酶

定义酶和活性部位

酶：用于催化化学反应的球状蛋白质。
活性部位：酶表面发生催化的结合位点。

解释酶-底物特异性

酶的活性位点形状非常特定，具有非常精确的化学性质。活性位点与底物的形状相匹配。其他分子不适合或没有相同的化学性质。因此，该酶具有底物特异性。该酶是锁，而底物是打开锁的钥匙。

解释温度、pH 值和底物浓度对酶活性的影响

温度、pH 值和底物浓度都会影响酶催化化学反应的速率。

底物浓度：在低底物浓度下，酶活性与底物浓度成正比，这是因为底物和酶之间发生随机碰撞。因此，底物越多，反应速率越高。但是，在高底物浓度下，在某个点所有活性位点都被占据，因此提高底物浓度不会有任何影响。

温度：酶活性随着温度的升高而增加，通常每升高 10°C 酶活性就会翻倍。这是因为在较高温度下，由于分子运动速度加快，底物与活性位点之间的碰撞频率更高。但是，在高温下，酶会被变性并停止工作。这是因为热量会导致酶内部的振动，从而破坏维持结构所需的键。

pH 值：酶活性最快时有一个最佳值（大多数情况下为 pH 7），并且当 pH 值从其最佳值升高或降低时，酶活性就会降低。（酸和碱会使酶变性）

定义变性

变性：蛋白质结构发生变化，导致其生物学特性丧失。这可能是由 pH 值或温度引起的。

解释乳糖酶在生产无乳糖牛奶中的应用
乳糖 - 牛奶中存在的糖。乳糖酶是从克鲁维酵母和乳酸乳杆菌中获得的，这是一种天然生长在牛奶中的酵母。可以使用乳糖酶（二糖）将乳糖转化为葡萄糖和半乳糖。生物技术公司培养酵母并提取酶以生产无乳糖牛奶。

优势：果胶酶使果汁更流畅，易于与果肉分离。

果糖在食品制造中被广泛使用，因为它比葡萄糖甜得多。它由淀粉制成，通常存在于玉米中。需要淀粉酶将淀粉分解成葡萄糖。
酶来源：淀粉酶是从真菌中获得的。
用途：用于将淀粉分解成葡萄糖，然后使用葡萄糖异构酶将其转化为果糖。

DNA 结构

概述 DNA 核苷酸结构，包括糖（脱氧核糖）、碱基和磷酸。

一个 DNA 由脱氧核糖、磷酸基团和氮碱基（腺嘌呤、胞嘧啶、胸腺嘧啶和鸟嘌呤）组成。磷酸基团与脱氧核糖的碳原子共价结合，然后氮碱基连接到脱氧核糖上。

说出 DNA 碱基的四种名称

腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶。

概述通过共价键将 DNA 核苷酸连接成单链的过程。

两个 DNA 核苷酸可以通过一个核苷酸的糖和另一个核苷酸的磷酸之间的共价键连接在一起。可以添加更多核苷酸以形成单链。

解释使用互补碱基配对和氢键形成 DNA 双螺旋的过程。

DNA 分子由两条核苷酸链组成，然后缠绕在一起形成双螺旋。这些是在两条链的碱基之间形成的。但是，它是通过互补碱基配对形成的，因为腺嘌呤只与胸腺嘧啶形成氢键，胞嘧啶只与鸟嘌呤形成氢键。

绘制 DNA 分子结构的简图。

合适图片的 URL：http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtTxtJml/Images3/dblhelx1.gif

DNA 复制

说明 DNA 复制是半保留的。

DNA 复制复制 DNA 以产生具有相同碱基序列的新分子。它是半保留的，因为复制形成的每个新分子都使用一条新的链和一条旧的链，该旧的链从亲本 DNA 分子中保存下来。

从解开双螺旋和解旋酶分离链开始，解释 DNA 复制，然后由 DNA 聚合酶形成新的互补链。

阶段 1：DNA 双螺旋解开并被解旋酶分离成链，解旋酶破坏了将链连接在一起的氢键，并形成一个复制气泡。
阶段 2：单链作为新链的蓝图。游离核苷酸大量存在。引物酶在新的链上放置引物，使 DNA 聚合酶 III 能够在 5-碳到 3-碳方向上添加到链上。在解旋酶形成的复制气泡内形成了多个称为冈崎片段的小片段。然后去除 DNA 聚合酶 III，DNA 聚合酶 I 用相应的碱基对替换引物。然后，连接酶将这些新的碱基对与链的其余部分结合起来。这些核苷酸的碱基与亲本链的碱基形成氢键。核苷酸连接起来形成一条新链。
阶段 3：子代 DNA 分子各自重新缠绕成双螺旋。

两个子代 DNA 分子在碱基序列上彼此相同，并且与亲本分子相同，这是由于互补碱基配对（腺嘌呤与胸腺嘧啶配对，胞嘧啶与鸟嘌呤配对）。每个新链都与其形成的模板互补，并且与另一个模板相同。

解释互补碱基配对在保存 DNA 碱基序列中的重要性。

由于构成 DNA 的含氮碱基只能与互补碱基配对，因此任何两条连接的 DNA 链都是互补的。这确保了旧的碱基序列得到保存。

转录和翻译

比较 RNA 和 DNA 的结构

1. 链数。

DNA 有两条链，形成双螺旋。
RNA 有一条链。

2. 糖的种类。

DNA 有脱氧核糖。
RNA 有核糖。

3. 核苷酸。

DNA 有 A、C、G、T
RNA 有 A、C、G、U（尿嘧啶代替胸腺嘧啶）

概述 DNA 转录，包括 RNA 聚合酶形成与 DNA 链互补的 RNA 链的过程。

转录：通过制造 RNA 分子来复制基因的碱基序列。

DNA 双螺旋解开，两条链分离。
RNA 聚合酶附着在 DNA 链的启动子区域
RNA 聚合酶结合游离 RNA 核苷酸以创建 mRNA，它是相应 DNA 链的复制模板。
mRNA 从 DNA 中分离。
DNA 链重新形成双螺旋。

描述遗传密码，包括由三联体和碱基组成的密码子。遗传密码是三联体密码 - 三个碱基编码一个氨基酸。三个碱基的组合称为密码子。

解释导致多肽形成的翻译过程

在翻译 mRNA 链之前，必须对其进行处理。在 mRNA 链的末端添加一个帽子和一个尾巴，以使 mRNA 链能够离开细胞核。
链中存在内含子和外显子片段。内含子通过引入剪接体而被移除。剪接体将内含子推出去并将外显子结合在一起。
然后，mRNA 通过核孔进入细胞质。
核糖体（60s 和 40s）的两个亚基在核糖体结合位点锁定到 mRNA 上。
转移 RNA (tRNA) 是三叶草形的分子，有一个特定的氨基酸附着在上面。
每个 tRNA 还具有三个碱基，称为反密码子，它与 mRNA 结合。反密码子决定 tRNA 携带的氨基酸。
tRNA 只能在核糖体存在的情况下与 mRNA 结合。在每个核糖体中，有两个 tRNA 结合位点（氨酰 tRNA 结合位点或 A 位点和肽酰 tRNA 结合位点或 P 位点）和一个 tRNA 出口位点（E 位点）。
mRNA 被分成每组三个碱基的密码子。tRNA 上的反密码子与 mRNA 上的互补密码子结合。通过这样做，它将氨基酸带到适当的位置。
mRNA 在核糖体的亚基（小亚基和大亚基）之间移动。第一个 tRNA 分子与附着的起始氨基酸甲硫氨酸一起在 A 位点附着，并转移到 P 位点。下一个 tRNA 结合到 mRNA，并含有氨基酸。
当两个 tRNA 分子在核糖体上的 mRNA 上结合时，核糖体酶会在两个氨基酸之间形成肽键。
第一个 tRNA 从其氨基酸上脱落，并在滑入出口位点后从核糖体上脱落。
核糖体移动一个密码子的距离，一个新的 tRNA 结合进来，带来另一个氨基酸来加入多肽链。
任何 mRNA 上翻译的第一个密码子始终是 AUG。这称为起始密码子，它设置 mRNA 的阅读框架。
还有三个密码子会发出 mRNA 结束和翻译停止的信号。它们是终止密码子 UAG、UAA 和 UGA。
多个核糖体可以同时翻译相同的 mRNA。这称为多核糖体。

定义与遗传密码相关的术语“简并”和“通用”

简并：具有多个碱基三联体来编码一个氨基酸。
通用：存在于所有生物中。

讨论一个基因和一个多肽之间的关系

多肽是氨基酸的长链。
氨基酸必须以精确的顺序连接起来才能形成多肽。
基因以编码形式存储制造多肽所需的信息。
基因中碱基的顺序编码多肽中氨基酸的顺序。
基因中的信息在制造多肽的过程中被解码。
这个过程分为两个阶段，称为转录和翻译。

细胞呼吸

定义细胞呼吸

细胞呼吸：细胞内有机物中以 ATP 形式控制释放能量。

在细胞呼吸中，细胞质中的葡萄糖被分解成丙酮酸，产生少量 ATP。

葡萄糖是一种有时用于细胞呼吸的有机化合物。化学反应将葡萄糖分解成一种称为丙酮酸的更简单的化合物。利用从葡萄糖释放的能量，产生少量 ATP（2 个 ATP）。

在无氧细胞呼吸中，丙酮酸在细胞质中转化为乳酸或乙醇二氧化碳，不再产生 ATP。

乳酸发酵：在糖酵解过程中，葡萄糖被转化为两个丙酮酸。由于没有氧气，克雷布斯循环无法进行，因此电子传递链的过程也被停止。细胞质中积累了过多的丙酮酸，我们需要将其清除。因此，它被转化为可以从细胞中去除的废物 - 乳酸。没有 ATP 产生。
酒精发酵：由于没有氧气，丙酮酸被转化为乙醇/酒精，二氧化碳作为副产品产生。这就是单细胞生物克服缺氧的方式。

在有氧呼吸中，丙酮酸在线粒体中分解成二氧化碳和水，产生大量的 ATP如果存在氧气，丙酮酸会被线粒体吸收。然后丙酮酸分解成二氧化碳和水。产生大量的 ATP。

注意：如何记住它们的区别！“有氧”听起来很健康，所以会有好的结果！“无氧”听起来像“非有氧”，听起来不健康！很容易记住，对吧？还有，想想做有氧运动，同样很健康，会让你呼吸很多！

光合作用

说明光合作用涉及将光能转化为化学能。

光合作用涉及能量转换。光能，通常是阳光，被转化为化学能。

说明太阳发出的白光是由一系列波长组成的。

阳光被称为白光，但实际上是由一系列波长组成的，包括红色、蓝色和绿色。

说明叶绿素是主要的光合色素。

叶绿素的结构使其能够比其他颜色更好地吸收某些波长的颜色。

概述叶绿素对红光、蓝光和绿光的吸收差异。

红光和蓝光比绿光吸收得多。无法被吸收的绿光被反射，使植物（以及叶绿素色素）呈现绿色。

说明光能用于分解水分子（光解作用）以产生氧气和氢气，并产生 ATP。

叶绿素吸收的部分能量用于产生 ATP。
叶绿素吸收的部分能量用于分解水分子。这被称为水的光解作用。
水的光解作用导致氧气和氢气的形成。氧气作为废物被释放。

说明 ATP 和氢气（来自水的光解作用）用于固定二氧化碳以制造有机分子。

二氧化碳被吸收用于光合作用。
其中的碳被用来制造各种有机物质。
气体中的碳转化为固体化合物中的碳被称为碳固定。
碳固定涉及使用来自光解作用的氢气和来自 ATP 的能量。

解释光合作用速率可以通过氧气产量或二氧化碳吸收量直接测量，也可以通过生物量增加间接测量。

二氧化碳吸收量：由于二氧化碳在光合作用的光独立反应中很重要，因此植物对二氧化碳的消耗可以作为一种方法来确定用于碳固定的 ATP 和电子载体的速率。
氧气产量：水生植物在进行光合作用时会释放氧气泡。例如，这些气泡被收集起来，它们的体积可以被测量。
生物量增加：如果在不同的时间收获一批植物并测定它们的生物量，那么可以通过生物量的增加来确定光合作用速率。

概述温度、光照强度和二氧化碳浓度对光合作用速率的影响。:

光照 - 在低中光照强度下，速率与光照强度成正比。在高光照强度下，速率达到平台期。
二氧化碳 - 在非常低的 CO2 浓度下没有光合作用。在低到相当高的 CO2 浓度下，速率与 CO2 浓度呈正相关。在非常高的 CO2 浓度下，速率达到平台期。
温度 - 随着温度的升高，速率越来越陡峭地增加。如果温度升高 10¤C，速率大致增加一倍。当它达到最大值时，据说它处于最佳温度，大约为 40¤C。超过最佳温度，速率迅速下降，然后停止。这是因为过度热量破坏了负责催化化学反应的酶。