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1.化学元素与人体健康
自然界中的元素有些对人体是必需的，有些则是有害的。凡是人体新陈代谢或生长发育所必需的元素，称为必需元素；反之，为非必需元素。必需元素中又分常量元素和微量元素两类，成人每日需要大于100 mg的称为常量元素，也有人称为宏量元素，如钾、钠、钙、磷、镁、氯、硫等。成人每日需要小于100 mg的称为微量元素，目前认为有铁、锌、碘、硒、氟、铜、钼、锰、铬、镍、钒、锡、硅、钴等。非必需元素也分两类，一类是人体新陈代谢和生长发育并不需要，但摄入少量后不会产生严重病理现象的，如铝、铋等元素；另一种不仅人体不需要，而且摄入微量也会使人出现病态或新陈代谢严重障碍，这些元素，常称之为有害元素或有毒元素，例如汞、镉、铅等。
一、必需元素的功能
必需元素种类很多、功能各异，概括起来有以下几个方面：
（一）构成身体的重要材料：如钙、磷等是骨骼、牙齿的重要成分。
（二）维持身体的酸碱平衡：体内各种生理变化，需要有一个酸碱度稳定的内环境，溶液中呈酸性的元素有氯、硫、磷等，在肉、鱼、蛋、谷物中含量多。溶液中呈碱性的元素有钙、钠、钾、镁等，在蔬菜及水果中含量多。各种水果中的有机酸，虽然有酸味，因通常在体内经代谢分解成二氧化碳和水，并不影响体内的酸碱度。
（三）维持组织、细胞的渗透压：如钾离子维持细胞内液渗透压，钠离子维持细胞外液渗透压，这样就可保持体内细胞内外渗透压的平衡。
（四）构成身体许多重要生理活性物质：如碘是甲状腺激素的成分，铁是血红蛋白的成分，锌、硒、钼、铁等是很多酶的成分。
（五）与神经、肌肉的兴奋、收缩等有关。目前，我国膳食模式矿物质中以钙和铁缺乏较常见，某些地区和人群也可出现锌、碘、硒、氟等的缺乏。
2.还原糖的鉴定原理
生物组织中普遍存在的可溶性糖种类较多,常见的有葡萄糖、果糖、麦芽糖和蔗糖。前三种糖的分子内都含有游离的具有还原性的半缩醛羟基,因此叫做还原性糖。蔗糖的分子内没有游离的半缩醛羟基,因此叫做非还原性糖,不具有还原性。实际上在课本所提供的实验中,用斐林试剂只能检验生物组织中可溶性的还原糖存在与否,而不能鉴定可溶性的非还原性糖。
用于鉴定还原糖的实验材料准备植物组织是常用的实验材料，但必须加以选择。在双子叶植物中，光合作用的主要产物葡萄糖形成后，合成为淀粉，暂时储藏在叶子内，因此最好不用双子叶植物的叶子作实验材料。有些单子叶植物，如韭菜、鸢尾，并不将光合作用的初始产物转变为淀粉，因此叶内含有大量的可溶性单糖，但是，由于叶片中叶绿素的颜色较深，对于鉴定时的颜色反应起着掩盖作用，导致实验现象不明显，因此，也不宜用单子叶植物的叶子作实验材料。
本实验最理想的实验材料是还原糖含量较高的植物组织（或器官），而且组织的颜色较浅或近于白色的，如苹果和梨的果实。经试验比较，颜色反应的明显程度依次为苹果、梨、白色甘蓝叶、白萝卜。
斐林试剂由质量浓度为0.1 g/mL的氢氧化钠溶液和质量浓度为0.05 g/mL的硫酸铜溶液配制而成,二者混合后,立即生成淡蓝色的Cu（OH）2沉淀。Cu（OH）2与加入的葡萄糖在加热的条件下,能够生成砖红色的Cu2O沉淀,而葡萄糖本身氧化成葡萄糖酸。
用斐林试剂鉴定可溶性还原糖时,溶液的颜色变化过程为：浅蓝色→棕色→砖红色（沉淀）。
3.蛋白质的鉴定原理
鉴定生物组织中是否含有蛋白质时,常用双缩脲法,使用的是双缩脲试剂。双缩脲试剂的成分是质量浓度为0.1 g/mL的氢氧化钠溶液和质量浓度为0.01 g/mL的硫酸铜溶液。在碱性溶液（NaOH）中,双缩脲（H2NOC—NH—CONH2）能与Cu2+作用,形成紫色或紫红色的络合物,这个反应叫做双缩脲反应。由于蛋白质分子中含有很多与双缩脲结构相似的肽键,因此,蛋白质都可与双缩脲试剂发生颜色反应。
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1.蛋白质在人体内的主要功能
（1）构成酶、激素、抗体以及机体组织。（2）促进人体生长发育。（3）维持渗透压。（4）供给人体部分能量。
人体每天需要通过食物摄入一定量的蛋白质，用以机体生长、更新、组织修补以及各种生理功能的需要。也就是说，生命的产生、存在与消亡，无一不与蛋白质有关。
人体的神经、肌肉、血液、骨骼，甚至没有一处不含蛋白质，一个几千克重的婴儿长成为一个几十千克重的大人，体内各种组织成分的自我更新都离不开蛋白质。人体的新陈代谢是通过成千上万种化学反应来实现的，而这些反应都需要酶来催化，酶能在正常体温下，广泛参加人体各种各样的生命活动。如肌肉收缩、血液循环、消化、生长、发育和繁殖以及各种各样的思维活动。如果没有酶的参加，生命活动就无法进行。而这些具有各种各样特异作用的酶，和调节生理功能的一些激素一样，本身也是蛋白质。
由此可见，在生命活动中蛋白质是无处不存在的，而且具有多种多样的重要功能。生物体一旦失去蛋白质，那么一切生命活动即将停止，生命终结。所以说，蛋白质是生命物质。一个人每天需要多少蛋白质，要根据年龄、性别、劳动条件和健康情况而定，并因食物来源而有所不同。例如，一个65千克的健康成年男子，根据其体力劳动强度的不同，每天约需要蛋白质75～100克。一般成年女子略微少些。而儿童、青少年在生长发育期，以及妇女怀孕和授乳期间所需要的蛋白质便多些。至于人在生病的情况下，如烧伤、骨折、感染、肾炎等，患者的蛋白质需要量可根据病情作相应增减。
一个体重65千克，从事较轻劳动的成年男子，可以从他每天所吃的主副食（粮食500克，肉100克，蛋一个，豆制品50克，蔬菜500克）中获得所需要的75克蛋白质。根据需要与可能，他还可以适当地调剂副食，如增加些乳、蛋、肉类、豆制品、花生等提高蛋白质的质和量。如果调配得当，充分发挥各种植物蛋白质的“互补作用”，少加甚至不加动物性食品也可保证蛋白质的需要。
其他儿童、青少年、成年、老年男女以及孕妇、产妇和病人可以此为参考，调剂每天的主副食，酌情增减蛋白质的摄入量。
我们选择蛋白质食物，首先应考虑蛋白质含量的多少。如果食物中蛋白质含量很少，即使营养价值很高，也不能满足人体需要。在常用的每100克食物中，肉类含蛋白质10～20克，鱼类含15～20克，全蛋含13～15克，豆类含20～30克，谷类含8～12克，蔬菜、水果含1～2克。动物性食物比植物性食物含量多，豆类含量很多，质量上比动物性食物也不差。判断蛋白质质的优劣有三点：（1）蛋白质被人体消化、吸收得越彻底，其营养价值就越高。整粒大豆的消化率为60%，做成豆腐、豆浆后可提高到90%，其他蛋白质在煮熟后吸收率也能提高，如乳类为98%，肉类为93%，蛋类为98%，米饭为82%。（2）被人体吸收后的蛋白质，利用的程度有高有低，利用程度越高，其营养价值也越高。利用的程度高低，叫蛋白质的生理价值。常用食物蛋白质的生理价值是：鸡蛋94%，牛奶85%，鱼肉83%，虾77%，牛肉76%，大米77%，白菜76%，小麦67%。动物蛋白质的生理价值一般比植物蛋白质高。（3）看所含必需氨基酸是否丰富，种类是否齐全，比例是否适当。种类齐全、数量充足、比例适当，叫完全蛋白质，如动物蛋白质和豆类蛋白质。种类齐全，但比例不适当，叫半完全蛋白质，在谷物中含量较多。种类不全，叫不完全蛋白质，如肉皮中的胶质蛋白，平米中的平米胶蛋白。将两种以上的食物混合食用，使含的氨基酸相互补充，能更好地适合人体的需求。多吃蛋白质也不好，会增加肾脏负担，增加额外的热能消耗，不经济。所以，要合理食用蛋白质。
2.蛋白质的主要生理功能
蛋白质是一切生命的物质基础，这不仅是因为蛋白质是构成机体组织器官的基本成分，更重要的是蛋白质本身不断地进行合成与分解。这种合成、分解的对立统一过程，推动生命活动，调节机体正常生理功能，保证机体的生长、发育、繁殖、遗传及修补损伤的组织。根据现代的生物学观点，蛋白质和核酸是生命的主要物质基础。
蛋白质的生理功能：①蛋白质是构成组织和细胞的重要成分，如肌肉、骨骼及内脏主要由蛋白质组成。一切细胞的原生质都以蛋白质为主，动物的细胞膜及细胞间质也主要由蛋白质组成。②用于更新和修补组织细胞。③参与物质代谢及生理功能的调控。④氧化供能。1克蛋白质在体内氧化供能约1.67×104焦耳。⑤其他功能。如多功能血浆蛋白质的生理功能。
组成蛋白质的氨基酸有20余种，体内只能合成一部分，其余则须由食物蛋白质供给。体内不能合成或合成速度太慢的氨基酸都必须由食物蛋白质供给，故又称为“必需氨基酸”。体内能自己合成的氨基酸则不必由食物蛋白质供给的又称为“非必需氨基酸”。在体内合成蛋白质的许多氨基酸中，有8种必需氨基酸须食物供给，即赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸及缬氨酸。食物中含有的必需氨基酸越多，其营养价值越高。动物蛋白如肉类、蛋、乳均含8种必需氨基酸，又称优质蛋白；植物蛋白如豆类蛋白质所含的必需氨基酸是不全的。但若把玉米、小米及大豆三种植物蛋白质混合组成的面食，其营养价值则明显提高。这种把几种营养价值较低的蛋白质，混合后使其营养价值提高的作用又称为不同蛋白质的互补作用。
3.蛋白质工程及进展
简单地讲，蛋白质工程就是根据蛋白质的精细结构和生物活力的作用机制之间的关系，利用基因工程的手段，按照人类自身的需要，定向地改造天然的蛋白质，甚至于创造新的、自然界本不存在的、具有优良特性的蛋白质分子。蛋白质工程在诞生之日起就与基因工程密不可分。基因工程是通过基因操作把外源基因转入适当的生物体内，并在其中进行表达，它的产品还是该基因编码的天然存在的蛋白质。蛋白质工程则更进一步根据分子设计的方案，通过对天然蛋白质的基因进行改造，来实现对其所编码的蛋白质的改造，它的产品已不再是天然的蛋白质，而是经过改造的，具有了人类所需要的优点的蛋白质。天然蛋白质都是通过漫长的进化过程自然选择而来的，而蛋白质工程对天然蛋白质的改造，好比是在实验室里加快了的进化过程，期望能更快、更有效地为人类的需要服务。
对蛋白质的研究与改造：蛋白质是重要的生物大分子，参与生命体系几乎所有的过程。血红蛋白在红血球中载氧，胶原蛋白组成皮肤的大部分，各种酶催化生命活动中众多的反应。具有如此繁多功能的蛋白质，在组成和结构上有一些规律，使得人们可以着手对它进行研究和改造。蛋白质都是由一类叫做氨基酸的小分子化合物构成，这些氨基酸按特定的排列顺序首尾相连，形成特定长度的肽链。在生理条件下，由于肽链内部相邻氨基酸残基之间的相互作用，以及在顺序上相隔较远，但在空间上相互接近的氨基酸残基之间的相互作用，使得肽链总是倾向于采取一种能量最低的空间结构，来达到稳定存在的形式。这样的特定的空间结构，与蛋白质特有的功能密切相关。综合上面所说的，可以发现蛋白质的空间结构是由其氨基酸的组成和排列顺序决定的。有了这样一个规律，就可以通过改变蛋白质的氨基酸组成和排列顺序来改变其空间结构，进而影响蛋白质的功能。
当前，蛋白质工程是发展较好、较快的分子工程。这是因为在进行蛋白质分子设计后，已可应用高效的基因工程来进行蛋白质的合成。最早的蛋白工程是福什特（Forsht）等在1982～1985年间对酪氨酰－t－RNA合成酶的分子改造工作。他根据XRD（X射线衍射）实测该酶与底物结合部位结构，用定位突变技术改变与底物结合的氨基酸残基，并用动力学方法测量所得变体酶的活性，深入探讨了酶与底物的作用机制。佩里（Perry）1984年通过将溶菌酶中Ile（3）改成Cys（3），并进一步氧化生成Cys（3）～Cys（97）二硫键，使酶热稳定性提高，显著改进了这种食品工业用酶的应用价值。1987年福什特通过将枯草杆菌蛋白酶分子表面的Asp（99）和Glu（156）改成Lys，而导致了活性中心His（64）质子pKa从7下降到6，使酶在pH＝6时的活力提高10倍。工业用酶最佳pH的改变预示可带来巨大经济效益。蛋白工程还可对酶的催化活性、底物专一性、抗氧化性、热变性、碱变性等加以改变。由此可以看出蛋白工程的威力及其光辉前景。上述各例是通过对关键氨基酸残基的置换与增删进行蛋白工程的一类方法。另一类是以某个典型的折叠进行“从头设计”的方法。1988年杜邦公司宣布，成功设计并合成了由四段反平行α－螺旋组成为73个氨基残基的成果。这显示，按人们预期要求，通过从头设计以折叠成新蛋白的目标已是可望又可及了。预测结构的模型法，在奠定分子生物学基础时起过重大作用。蛋白的一级结构，包含着关于高级结构的信息这一点已日益明确。结合模型法，通过分子工程来预测高级结构，已成为人们所瞩目的问题了。
蛋白质工程应用领域极为广泛，如可开发多元疫苗，具有免疫调节机能和直接杀死癌细胞的新抗癌制剂，具高度选择性的分离剂和附着剂，超稳定并具有多种催化活性的酶，或者扩大酶对pH、温度及有机溶剂的适应性，使之耐酸碱、耐高温、不易变性或改变其异体蛋白的抗原性等等。
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1.核酸的发现
1868年，在德国化学家霍佩—赛勒（Hoppe－Seyler）的实验室里,有一个瑞士籍的研究生,名叫米舍尔（F.Miescher,1844～1895）,他在实验室所承担的工作是研究脓血中细胞的化学成分。当时实验室附近有一家医院,常常扔出许多带脓血的绷带,脓血里有与病菌“作战”而死亡的白细胞以及其他死亡的人体细胞。米舍尔细心地用洗脱的办法将绷带上的脓血收集起来。他先用酒精把细胞中的脂肪性物质去掉,然后用猪胃黏膜的酸性提取液（一种能除掉蛋白质的胃蛋白酶粗制品）进行处理,结果发现细胞的大部分被分解了,而细胞核只是缩小了一点儿,仍然保持完整。得到细胞核后,米舍尔对组成细胞核的物质进行了化学分析,发现细胞核内含有与细胞内其他有机物明显不同的物质,这种物质的磷含量很高,远高于蛋白质,而且对蛋白酶有耐受性。米舍尔认为这是一种新物质。霍佩—赛勒当时是生物化学界的权威,治学严谨,他要在亲自做实验验证米舍尔的工作后,才允许米舍尔发表这个成果。霍佩—赛勒用酵母细胞做实验,证实了米舍尔的发现。米舍尔将他发现的新物质命名为“核素”。核素十分不稳定,提取时必须非常小心,速度要快,还得保持很低的温度。为了制备核素,米舍尔常常从清晨5：00就开始在低温的房间里工作,这大大影响了他的健康。由于积劳成疾,他51岁就离开了人间。
霍佩—赛勒的另一个学生,德国的科塞尔（A.kossel,1853～1927）,发现核素是蛋白质和核酸的复合物。他小心地水解核酸,得到了组成核酸的基本成分：鸟嘌呤、腺嘌呤、胸腺嘧啶和胞嘧啶,还有些具有糖类性质的物质和磷酸。确定了核酸这个生物大分子的组成之后,随之而来的问题是这些物质在大分子中的比例,它们之间是如何连接的。斯托伊德尔（H.Steudel）找到了前一个问题的答案。通过分析,他发现单糖、每种嘌呤或嘧啶碱基、磷酸的比例为1∶1∶1。限于当时的实验条件，后一个问题没有完全解决，科塞尔及其同事只是发现,如果小心地水解核酸,糖基团与含氮的基团是连在一起的。科塞尔还对核酸与蛋白质的结合方式进行了研究。他发现有些物种的核酸与蛋白质结合比较紧密,有些则比较松散。科塞尔因其在核酸化学领域的开创性工作,荣获1910年的诺贝尔生理学或医学奖。
1911年,科塞尔的学生列文（P.A.T.Le－vine,1869～1940）对核酸做了进一步的研究。他证明核酸所含的糖类由5个碳原子组成,并将这种糖类命名为核糖。当时已经发现两种不同的核酸,列文找到了它们之间的区别：它们中的五碳糖不同。另一种糖类比核糖少一个氧原子,称为脱氧核糖。两种核酸也由原来的名字改为核糖核酸和脱氧核糖核酸。1934年,列文发现核酸可被分解成含有一个嘌呤、一个核糖或脱氧核糖和一个磷酸的片段，这样的组合叫核苷酸。他认为核苷酸是由五碳糖与磷酸基团组成的长链,每一个五碳糖上再接一个碱基。列文认为这些碱基可能以一种非常简单的方法排列,如12341234等,每个数字代表一种特定的碱基。这个模型后来被称为核酸结构的四核苷酸假说。列文虽然没有获得诺贝尔奖,但他的贡献有目共睹,并将永远留在核酸化学的历史中。
弄清物质结构的最终证明是成功地合成出这种物质。核酸的结构问题很复杂,糖类和碱基都是结构比较复杂的组分,有多种连接的可能,而且还有磷酸基团的连接问题。英国生物化学家托德（A.R Todd）成功地合成了核苷酸,并于1955年成功合成了二核苷酸。托德因其在核苷酸合成以及核苷酸辅酶方面的贡献而获得1957年诺贝尔化学奖。
2.核酸的分离和提纯
研究核酸首先要对其进行分离和提纯。制备核酸要注意防止核酸的降解和变性,尽量保持其在生物体内的天然状态。早期研究时,由于受到方法上的限制,得到的样品往往是一些降解产物。要制备天然状态的核酸,必须在温和的条件下进行,防止过酸、过碱,避免剧烈搅拌,尤其是防止核酸酶的作用。
真核生物中的染色体DNA与组蛋白结合成核蛋白（DNP）,存在于核内。DNP溶于水和浓盐溶液（如质量浓度为1 mol/L的NaCl溶液）,但不溶于质量浓度为0.14 mol/L的NaCl溶液。利用这一性质,可将细胞破碎后用浓盐溶液提取,然后用水稀释至0.14 mol/L,使DNP纤维沉淀出来,缠绕在玻璃棒上,再经多次溶解和沉淀以达到纯化目的。苯酚是很强的蛋白质变性剂,可用苯酚抽提,除去蛋白质。用水饱和的苯酚与DNP一起振荡,冷冻离心,DNA溶于上层水相,不溶性变性蛋白质，残留物位于中间界面,一部分变性蛋白质停留在酚相。如此操作反复多次以除净蛋白质。将含DNA的水相合并,在有盐存在的条件下加2倍体积冷的乙醇,可将DNA沉淀出来。再用乙醚和乙醇洗涤沉淀,用这种方法可以得到纯的DNA。
RNA比DNA更不稳定,而且RNase又无处不在,因此RNA的分离更为困难。制备RNA通常需要注意3点：（1）所有用于制备RNA的器具必须灭菌；（2）在破碎细胞的同时加入强变性剂使RNase失活；（3）在RNA的反应体系中加入RNase的抑制剂。目前最常用的制备RNA的方法有两种：（1）用酸性鈲盐/苯酚/氯仿抽提。鈲是极强烈的蛋白质变性剂,它几乎使所有遇到的蛋白质都变性。用苯酚和氯仿多次除净蛋白质。此法用于小量制备RNA。（2）用鈲盐/氯化铯将细胞抽提物进行密度梯度离心。蛋白质在最上层,DNA位于中间,RNA沉在底部。此法可制备较大量高纯度的天然RNA。不同功能RNA常分布于细胞的不同部位,分离这些RNA常常先用差速离心法,将细胞核、线粒体、叶绿体、细胞质等各部分分开,再从这些部分中分离出RNA。
3.核酸中核苷酸的连接方式
核酸是由核苷酸聚合而成的生物大分子,无分支结构。核酸中的核苷酸以磷酸二酯键彼此相连。DNA中的脱氧核糖核苷酸，通过3′,5′－磷酸二酯键连接起来,形成直线形或环形多聚体（如图2－3－2）。组成RNA的核苷酸也是以3′,5′－磷酸二酯键彼此连接起来的。（如图2－3－3）
图2－3－2 DNA中多核苷酸链 图2－3－3 RNA
的一个小片段及缩写符号 分子中一小段结构
A.DNA中多核苷酸链的一个小片段；
B.为竖线式缩写；
C.为文字式缩写。
4.法医DNA指纹技术
法医DNA指纹技术的检验开辟了生物物证检验的新领域，使法医学上的个人识别和亲子鉴定等难题达到个人同一认定的水平。该技术在法医DNA分析领域内的非同位素标记探针、DNA扩增、STR位点的复合扩增、mtDNA的测序分析、小卫星区域DNA的数字编码、人类串联重复寡核苷酸探针等方面取得的成果，提高了我国法医DNA分析水平，达到国际领先或国际先进水平。
该技术投入实际应用以来，已检案3 000余起。为一大批重大疑难案件的侦破提供了科学依据。该技术解决了微量血液、血斑及毛干指甲等特殊生物物证检材的法医DNA检验难题，最少检测量达到相当于0.02 μL血液、0.1 cm毛干，0.1立方毫米指甲；建立了短串联重复序列（STRS）复合扩增及扩增片段长度多态性研究的实验方法，适用于极微量检材及腐败检材；建立了小卫星MS32MVR—PCR方法，灵敏度极高，识别率达4.09×10－18，可进行个人同一认定，提供了一种亲权鉴定的方法，解决了微量生物物证个人同一认定问题；自行设计合成寡核苷酸重复序列片段，以PCR方法制备多聚体探针，经基因组DNA指纹分析，获得可检测基因组 DNA高度多态性的新探针，该技术能起到认定罪犯的作用，在侦察破案中意义重大，在实际办案中显示了巨大的社会效益。（摘自http：//www.wiseman.com.cn）
5.生物特征指纹识别
指纹是指人类手指上出现的条状纹路。它们的形成依赖于胚胎发育时的环境。“没有两个完全相同的指纹”这一观点已经得到公认。指纹识别已经有了很长一段时间的历史。目前，指纹鉴定已经被官方所接受在法律界成为一种有效的身份鉴定手段。全球范围内都建立了指纹鉴定机构以及罪犯指纹数据库。作为最传统、最成熟的生物鉴定方式，指纹有如下两个突出的优点：
（1）稳定性：指纹具有很强的相对稳定性。从胎儿六个月指纹完全形成到尸体腐烂，指纹纹线类型、结构、统计特征的总体分布等始终没有明显变化。尽管随着年龄的增大，指纹在外形大小，纹线粗细上会产生一些变化，局部纹线上也可能出现新的特征。但从总体上看，指纹是相对稳定的：即使手指皮肤受伤，只要不伤及真皮层，伤愈后纹线仍能恢复原状；如果伤及真皮，伤愈后形成的伤疤虽然破坏了纹线，但伤疤本身也形成了新的稳定特征。
（2）独特性：指纹具有明显的独特性。至今仍找不出两个指纹完全相同的人。由于皮肤表皮上的纹路是在胎儿六个月的时候形成的，因此同卵双胞胎的指纹也是不相同的。不仅是人与人之间，同一个人的十指指纹也有明显的区别。根据指纹学理论，两枚指纹匹配上12个特征的几率为10～50，指纹最多可以用来区分1 096个人。指纹的这一特点，为指纹用于身份鉴定提供客观依据。
基于指纹的身份鉴别系统是典型的模式识别系统。它包含两个主要的模块：训练模块和鉴别模块（鉴定或识别）。训练模块采集指纹数据，提取代表这些数据的特征，将特征和相关的身份信息存入数据库；鉴别模块采集待识别样本的生物统计数据，提取特征，然后在数据库中根据提取的特征进行检索，找到最佳匹配（鉴定模式）或者根据用户所宣称的身份，从数据库中调出相应的特征，决定它们是否匹配。图2－3－4给出了一个典型的基于指纹统计特征的身份鉴别系统。
图2－3－4 基于指纹的鉴别系统
指纹身份鉴别系统有两种工作模式：鉴定模式和识别模式。身份鉴定是指确认用户声称的身份是否与其真实身份一致，即回答“我是某人吗”的问题；身份识别是指识别出用户的真实身份，即回答“我是谁”的问题。
手指表面的皮肤凸凹不平产生的纹路就是指纹。从生理上看，纹路是手指皮肤的凸起的部分（脊），纹路之间是凹下的部分（谷）。因此，理想的指纹图像是一幅黑白相间的二值图像。但是，由于指纹通常是用按压的方式得到的，因此油墨不均匀、纸张不均匀、按压的压力不均匀、按压的位置和方向不同、手指的状况以及皮肤的变形等等都会导致指纹图像不理想。通过扫描仪或者摄像机进行数字化的时候，由于光照的影响，也会引入各种噪声。这些因素都使得灰度图像不能直接用来匹配。因此，有必要选择合适的特征来描述指纹。
为了使指纹身份鉴别系统能工作，指纹的特征（表示）应具有如下性质：
（1）保持指纹的独特性。
（2）易于进行匹配；
（3）对噪声具有一定的鲁棒性，对旋转、平移和变形具有不变性；
（4）对不完整指纹具有鲁棒性；
通常采用的有两种层次的结构特征：
全局特征：全局特征描述的是指纹的全局纹路结构，具体如下：
（1）弓型（Arch）：平弓型（PlainArch），帐弓型（TentedArch）；
（2）箕型（Loop）：放射性箕型（RadialLoop），尺骨状箕（UlnarLoop）；
（3）斗型（Whorl）：平斗型（PlainWhorl），中心对称箕（Centralpocketloop），双箕型（DoubleLoop）；
（4）杂型。
局部特征：端点和分叉点是最常用的指纹局部结构特征，也称为细节特征。采用这种特征的一个例子是细节—坐标模型，即使用指纹的细节点及其坐标和其他一些特征来描述指纹。
对于指纹身份鉴定，特别是现场的模糊指纹进行认定的时候所使用的信息是细节特征点，如小桥、环、分叉点、三角点和端点。人们根据纹路的局部结构特征共定义了大概150多种细节特征。
目前指纹识别已进入商业应用阶段，因为指纹识别技术在所有生物特征识别技术中性能价格比最好。指纹门禁系统、指纹考勤系统是基于指纹的身份鉴别技术最直接的应用成果，已有一些产品将指纹录入仪内更加方便，相信在不久的将来，随着网络化的更加普及，指纹识别的应用将更加广泛。（摘自http：//health. sohu.com/）
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1.糖类概述
糖类广泛地存在于生物界,特别是植物界。按干重计,糖类占植物体的85%～90%,占细菌的10%～30%,在动物体所占比例小于2%。动物体内糖类的含量虽然不多,但其生命活动所需要能量主要来源于糖类。糖类是地球上数量最多的一类有机化合物。地球生物量干重的50%以上是由葡萄糖的聚合物构成的。地球上糖类的根本来源是绿色植物进行的光合作用。
大多数糖类只由碳、氢、氧三种元素组成,其实验式为（CH2O）n或Cn（H2O）m。其中氢和氧的原子数比例是2∶1,犹如水分子中氢和氧之比,因此过去曾误认为这类物质是碳（carbon）的水合物（hydrate）,碳水化合物（carbohydrate）也因之而得名。但后来发现有些糖类,如脱氧核糖（C5H10O4）,它们的分子中H、O之比并非2∶1；而一些非糖物质,如甲醛（CH2O）、乙酸（C2H4O2）和乳酸（C3H6O3）等,它们的分子中H、O之比却都是2∶1,所以大家认为“碳水化合物”这一名称并不恰当。为此,1927年国际化学名词重审委员会曾建议用“糖族（glucide）”一词代替“碳水化合物”。但由于“碳水化合物”这一名称沿用已久,至今西文中仍广泛使用它。汉语中“糖类”和“碳水化合物”两词通用,但以前者居多。
糖类从化学角度看,是多羟基的醛或多羟基的酮。大家熟悉的葡萄糖和果糖,结构式如下图：

D－葡萄糖 D－果糖
葡萄糖含6个碳原子、5个羟基和1个醛基,称己醛糖；果糖含6个碳原子、5个羟基和1个酮基,称己酮糖。淀粉和纤维素也属于糖类,它们是由多个葡萄糖分子缩合而成的聚合物。此外,像N－乙酰葡糖胺、果糖－1,6－二磷酸这样一些糖类的衍生物也归入糖类。因此,从化学本质给糖类下一个定义应该是：糖类是多羟醛、多羟酮或其衍生物,或水解时能产生这些化合物的物质。
糖类是细胞中非常重要的一类有机化合物。其作用主要有以下几个方面。
作为生物体的结构成分 植物的根、茎、叶含有大量的纤维素、半纤维素和果胶物质等,这些物质构成植物细胞壁的主要成分。肽聚糖是细菌细胞壁的结构多糖。昆虫和甲壳动物的外骨骼也是糖类，称壳多糖。
作为生物体内的主要能源物质 糖类在生物体内（或细胞内）通过生物氧化释放出能量,供给生命活动的需要。生物体内作为能源储存的糖类有淀粉、糖元等。
在生物体内转变为其他物质 有些糖类是重要的中间代谢产物,糖类通过这些中间产物为合成其他生物分子如氨基酸、核苷酸、脂肪酸等提供碳骨架。
作为细胞识别的信息分子 糖蛋白是一类在生物体内分布极广的复合糖。它们的糖链可能起着信息分子的作用。细胞识别、免疫、代谢调控、受精作用、个体发育、癌变、衰老、器官移植等，都与糖蛋白的糖链有关。
2.糖蛋白
糖蛋白是一类复合糖或一类结合蛋白质。糖蛋白中的糖链很少含多于15个单糖单位的,因此糖链也称寡糖链或聚糖链。
许多膜蛋白和分泌蛋白都是糖蛋白。细胞膜中的免疫球蛋白、病毒和激素等的膜受体也常是糖蛋白；消化道上皮细胞分泌的黏液主要成分是糖蛋白；从细胞分泌到胞外体液中的蛋白质也多是糖蛋白,这些糖蛋白包括血液中存在的激素蛋白、血浆蛋白等。作为胞外基质的结构蛋白质,胶原蛋白,也是糖蛋白。糖蛋白和糖脂中的糖链序列是多变的,结构信息丰富，甚至超过核酸和蛋白质。
糖蛋白的糖链参与肽链的折叠和缔合；参与糖蛋白的转运和分泌；还参与分子识别和细胞识别,这可能是它最重要的生物学作用。分子识别是通过两个分子各自的结合部位来实现的。结合部位结构互补，相应的基团间产生足够的作用力,使两个分子结合在一起。分子识别是一种普遍的生物学现象。糖链、蛋白质、核酸和脂质各自间以及它们相互之间都存在分子识别。细胞识别实际上就是细胞表面分子的相互识别。例如,哺乳动物的卵细胞外面有一层透明的糖蛋白外衣,号称透明带,由三种糖蛋白组成,糖链能被精子表面的受体识别，精卵识别引发精子头部释放蛋白酶和透明质酸酶,使透明带水解,精子和卵细胞的细胞膜融合,精子核进入卵细胞内。
3.糖类的甜度和溶解度
严格地说,甜度不属于糖类的物理性质,它属于一种感觉。甜度通常用蔗糖作为参照物,以它为100,葡萄糖是70,麦芽糖是35,乳糖是16。果糖的甜度几乎是蔗糖的两倍,其他天然糖的甜度都小于蔗糖。
糖精是一类低热量或无热量的非糖增甜剂。糖精是人工合成的,甜度为50 000。糖精问世已有百余年。在糖精之后还合成了多种增甜剂,后来人们发现不少合成增甜剂对哺乳动物有致癌和致畸作用,多数合成增甜剂已被禁用。蛇菊苷和应乐果甜蛋白是非糖天然增甜剂,前者存在于原产南美洲巴拉圭的一种菊科植物,后者存在于原产西非尼日利亚的一种植物。非糖增甜剂可作为糖尿病、心血管病、肥胖症和高血压患者的医疗食品添加剂。
除甘油醛微溶于水外,其他单糖均易溶于水,特别是在热水中溶解度极大。单糖微溶于乙醇,不溶于乙醚、丙酮等非极性有机溶剂。蔗糖的溶解度很大；乳糖的溶解度远比蔗糖小；麦芽糖的溶解度比蔗糖小,比乳糖大。
4.脂质概述
脂质（lipid,也译为脂类或类脂）,是一类低溶于水而溶于非极性溶剂的生物有机分子。大多数脂质的化学本质是脂肪酸和醇所在形成的酯类及其衍生物。脂质的元素组成主要是碳、氢、氧,有的还含有氮、磷、硫。
脂质按化学组成,大体可分为三大类。
单纯脂质 由脂肪酸和甘油形成的酯。包括三酰甘油（或称甘油三酯）和蜡。
复合脂质 除了含有脂肪酸和醇外,还有其他非脂成分。磷脂的非脂成分是磷酸和含氮碱（如胆碱、乙醇胺）,糖脂的非脂成分是糖类。
衍生脂质 由单纯脂质或复合脂质衍生而来或与之关系密切,但也具有脂质的一般性质。（1）取代烃,主要是脂肪酸及其碱性盐（皂）和高级醇,少量脂肪醛、脂肪胺和烃；（2）固醇类（甾类）,包括固醇、性激素、肾上腺皮质激素等；（3）萜,包括许多天然色素（如胡萝卜素）、香精油、天然橡胶等；（4）其他脂质，如维生素A、D、E、K,脂多糖、脂蛋白等。
脂质的生物学功能也和它们的化学组成、结构一样,是极其多种多样的。按照脂质的生物学功能,可以把脂质分为三大类。
储存脂质 包括三酰甘油和蜡。在大多数真核细胞中,三酰甘油以微小的油滴形式存在于胞质溶胶中。脊椎动物的脂肪细胞储存大量的三酰甘油，几乎充满了整个细胞。许多植物的种子中存在三酰甘油,为种子萌发提供能量和合成前体。很多生物中油脂是能量的主要储存形式,三酰甘油是疏水的,因此有机体不必携带像储存多糖所携带的结合水。肥胖人的脂肪组织中积储的三酰甘油可达15～20 kg,足以供应一个月所需的能量。然而人体以糖元形式储存的能量不够一天的需要。当然葡萄糖和糖元也有优点,易溶于水,能快速提供代谢所需的能量。某些动物储存在皮下的三酰甘油不仅作为能储,而且作为抗低温的绝缘层。海豹、海象、企鹅和其他的南北极温血动物的身体里都填充着大量的三酰甘油。冬眠动物如熊,在冬眠前积累大量脂肪也用作能储。人和动物的皮下和肠系膜脂肪组织还起防震的填充物作用。
在海洋的浮游生物中,蜡是代谢燃料的主要储存形式。蜡还有其他功能,这与它排斥水和具有高稠度的性质有关。脊椎动物的某些皮肤腺分泌蜡以保护毛发和皮肤,使之柔韧、润滑并防永。鸟类,特别是水禽,从它们的尾羽腺分泌蜡使羽毛能防水。冬青、杜鹃和许多热带植物的叶覆盖着一层蜡,以防寄生物侵袭和水分的过度蒸发。
结构脂质 各种生物膜的骨架是由磷脂类构成的脂双层,参与脂双层构成的膜脂还有固醇和糖脂。脂双层的表面是亲水的,内部是疏水的。脂双层有屏障作用,使膜两侧的亲水性物质不能自由通过,这对维持细胞正常的结构和功能是很重要的。
活性脂质 具有专一的重要生物活性,包括数百种类固醇和萜,如雄性激素、雌性激素和肾上腺皮质激素等类固醇激素,以及对人和动物体的正常生长所必需的维生素A、D、E、K,多种光合色素等。
5.三酰甘油
动植物油脂的化学本质是酰基甘油,其中主要是三酰甘油,常温下呈液态的酰基甘油称油（oil）,呈固态的称脂（fat）。植物性酰基甘油多为油（可可脂例外）,动物性酰基甘油多为脂（鱼油例外）。
纯的三酰甘油是无色、无臭、无味的稠性液体或蜡状固体。天然油脂的颜色来自溶于其中的色素物质（如类胡萝卜素）；气味一般是由非油脂成分引起的。三酰甘油的密度均小于1 g/cm3。三酰甘油不溶于水,略溶于低级醇,易溶于乙醚、氯仿、苯和石油醚等非极性有机溶剂。
天然油脂长时间暴露在空气中会产生难闻的气味,这种现象称为酸败。酸败的原因主要是油脂的不饱和成分发生自动氧化,产生过氧化物并进而降解成挥发性醛、酮、酸的复杂混合物。其次是微生物的作用,它们把油脂分解为游离的脂肪酸和甘油,一些低级脂肪酸本身就有臭味,而且脂肪酸经过一系列酶促反应也产生挥发性的低级酮,甘油可被氧化成具有异臭的1，2－环氧丙醛。为了防止自动氧化,可在新鲜油脂和含油脂食物中加入天然的或合成的抗氧化剂。植物油的抗自动氧化能力比动物油脂强,就是因为存在天然的抗氧化剂。此外,排除氧气（真空、充氮）,降低温度（冷藏）,消除其他促进自动氧化的因素，也能防止和延缓酸败发生。
●备课资料
1.自由水、结合水和代谢水
自由水是指在生物体内或细胞内可以自由流动的水，是良好的溶剂和运输工具。如人和动物血液中含水83％，多为自由水，可把营养物质输送到各个细胞，又把细胞产生的代谢废物运到排泄器官。它的数量制约着细胞的代谢强度。如呼吸速度、光合速度、生长速度等。自由水占总含水量百分比越大则代谢越旺盛。
结合水是指在细胞内与其他物质结合在一起的水。水是极性分子，氧侧带部分负电荷，氢侧带部分正电荷，因此水分子很容易与其他极性分子间形成氢键。如氨基、羧基、羟基等均可与水结合，成为结合水。所有这些水不再能溶解其他物质，较难流动。如心肌含水79％，与血液含水量相差不多，但所含的水均为结合水，故呈坚实的形态。结合水不参与代谢作用，然而植物中结合水的含量与植物抗性大小有密切关系。即使干燥的成熟种子也保持约25％左右的水即结合水，这时原生质呈半凝固的凝胶状态，生理活性降到最低程度，但原生质的基本结构还可以保持并可抵抗干旱和寒冷等不良环境。另外，据对人和动物的研究发现，人和动物的年龄愈大，细胞中的结合水愈少，生病时，结合水也有变化。自由水和结合水的区分不是绝对的，两者在一定条件下可以相互转化。如血液凝固时，自由水就变成了结合水。
代谢水是指糖类、脂肪和蛋白质等有机物在生物体内氧化时产生的水。每100 g糖氧化时可产生55 mL水；每100 g脂肪氧化时可产生107 mL水；而100 g蛋白质可产生41 mL水。普通食谱中每418.4 J热量的食物代谢后产生12 mL水，通常成人每天需进食10 460 J热量的混合性食物，这样每天约产生300 mL代谢水。鸡胚在封闭的蛋壳内发育成小鸡所需的水全是代谢水。
2.阳离子在细胞中的作用
离子种类
在细胞中的作用
Fe2+或Fe3+
血红蛋白、细胞色素、过氧化物酶和铁蛋白的组成成分
Na+
维持膜电位
K+
参与蛋白质合成和某些酶促合成
Mg2+
叶绿素、磷酸酶、Na—K泵
Mn2+
肽酶
Cu2+
酪氨酸酶、抗坏血酸氧化酶
Co2+
肽酶
Mo2+
硝酸还原酶、黄嘌呤氧化酶
Ca2+
钙调素、肌动球蛋白、ATP酶
3.水适于作生物体进行生命活动的介质的理化性质
（1）水分子是极性分子，在水分子中氧的一端带有负电，氢的一端带有正电，每个水分子的氧都和它周围的另一些水分子的带正电的氢相吸引而形成氢键。这种氢键很脆弱，并且很快就断开，每一氢键只能保持10－10～10－11s。但断得快形成得也快，总的结果是水分子总是以不稳定的氢键形成一片，水的这一特性使水分子有较强的内聚力和表面张力。由于内聚，水就可以在根、茎、叶的导管中形成连续的水柱，从而可以从根部一直上升到参天大树的树梢。由于有较高的表面张力，所以水蝇等昆虫能在水面上行走。由于水分子的极性，它可以和多种极性分子和极性表面结合，这就是水的附着力，也是细胞内存在结合水的主要原因。
（2）水是一种极性分子使水成为一种良好的溶剂。生命系统中很多分子都是电解质或是极性分子，如小分子的糖类、氨基酸等都能溶于水，水也由此而成为生命系统中各化学反应的原理想介质。没有极性的分子，如脂类分子不溶于水，它们是生物膜的主要成分，由于它们的疏水性，膜才能存在而不被水溶解。
（3）水的比热在自然界中是最高的，为1，即1 g水上升1 ℃需4.184 J热量。而1 g空气上升1 ℃只需1.046 J热量就行了。由于水能在温度升高时吸收较多的热量，这就使细胞的温度和代谢速率得以保持稳定。水生生物还可以由于水的这一特性而不至于遭到水温急剧变化的冲击。水的蒸发热也高，1 g液态水变为气态水需要2 259.36 J，这一特性对生物的活动也是有利的，我们夏天出汗，汗水蒸发吸热多，有利于维持体温。植物在高温的夏季仍能保持低体温，就是由于水分子大量蒸发之故。提高水温和水的汽化都必须打开氢键，使水分子能自由运动，而打开氢键是需要能量的。
（4）由于水溶液的流动性大，水在生物体内还起到运输物质的作用，将吸收来的营养物质运输到各个组织中去，并将组织中产生的废物运输到排泄器官，排出体外。
（5）水还有一个重要的特点，固态的水（冰）密度比液态的水密度低。水温降低时，分子运动变慢，分子间距离缩小，水密度增大。在水温降至4 ℃时，分子间距离最小，分子运动最慢，各分子间几乎都能和另外4个水分子形成氢键。水温如再下降，各水分子间距离彼此又稍稍离开以保持最大数量的氢键存在。水温降至0 ℃时，水分子互以氢键相连而结冰，但体积略大于等量的液态水，密度也低于液态水而漂浮于水的表层。这一特性对水生生物至关重要。若冰的密度大，沉入水底，上面的水又层层结冰而下沉，水生生物将无存身之处，冰浮在表面，正好成为一层绝缘层，使下面的水保持在冰点以上，水生生物可生活于其中。此外，结冰时散热，冰融化吸热，这一过程有缓冲水温变化的作用，也有利于生物的生存。
（6）水的电离：水的一部分分子可解离成H+和OH－，H2O H+＋OH－。这样写只是为了方便，实际上水并不解离为游离的H+，而是水分子中的一个氢质子脱离它外周的电子而跳跃到另一个水分子上去，结果2个水分子产生一个带正电的H3O+和一个带负电的OH－。H2O＋H2OH3O+＋OH－，纯水在25 ℃时，H+和OH－的浓度是一样的，都为1.0×10－7 mol·L－1。pH是以mol·L－1为单位的氢离子浓度的负对数。所以纯水的pH=7，为中性。生物体内大多数的生物化学反应是在中性的环境中进行的。
本章自我检测详解
一、概念检测
判断题
1.√（组成细胞的化学元素，在无机自然界里都能找到，没有一种化学元素为细胞所特有）
2.×（能够为细胞的生命活动提供能量的能源物质主要有糖类、脂质、蛋白质等，而核酸是细胞内携带遗传信息的物质，不是能源物质）
3.×（细胞中含量最多的物质是水）
4.√（蛋白质在细胞中承担的功能多种多样。结构蛋白是构成细胞和生物体结构的重要物质，蛋白质还有催化作用、运输作用、传递信息、调节机体生命活动、免疫功能等。一切生命活动都离不开蛋白质，蛋白质是生命活动的主要承担者）
5.×（核酸包括DNA和RNA两种类型。DNA主要存在细胞核内，RNA主要存在细胞质中）
6.×（胆固醇是构成细胞膜的重要成分，参与血脂的运输。胆固醇含量过高才对生物体有害）
选择题
1.A（蔗糖和麦芽糖是植物细胞含有的糖类，乳糖是动物细胞所含有的糖类，而葡萄糖是动植物细胞共有的糖类）
2.B（脱氧核糖核酸（DNA）的基本组成单位是脱氧核苷酸）
3.D（糖类、脂肪都只含有C、H、O三种元素。胰岛素是一种蛋白质，含有C、H、O、N四种化学元素）
4.A（酷暑使在室外作业的人们大量出汗，排出过多的无机盐，导致体内的水盐平衡和酸碱平衡失调，应多喝淡盐水）
画概念图
二、知识迁移
自由水 结合水 自由水
三、技能应用
20种氨基酸在形成肽链时可以有不同的序列,这是肽链形式多样的主要原因。用数学的排列组合方式可以解释,假若一段只有20个氨基酸的肽链,那么由于不同的排列组合可以形成的肽链形式就有2020种之多。更何况肽链中的氨基酸数目远不止20个,通常是成百上千,可以想象形成的肽链形式将会是一个天文数字。
四、思维拓展
在陨石中发现了氨基酸,且非地球所有,这说明宇宙中很可能还存在与地球生物类似的生命形式。因为氨基酸是组成蛋白质的基本单位,而蛋白质又是生命活动的主要承担者。

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