生命化学
生命化学
生命体中重要的有机化合物，有糖类、脂类、蛋白质等，正是它们的存在，才使生命得以运转。
一、糖类
糖是自然界存在的一大类具有生物功能的有机化合物。它主要是由绿色植物光合作用形成的。这类物质主要由C、H和O所组成，其化学式通常以Cn（H2O）n表示，其中C、H、O的原子比恰好可以看作由碳和水复合而成，所以有碳水化合物之称。其实糖物质是多羟基醛类或酮以及以它们为构筑单元所形成的聚合物。作为构筑单元的糖称为单糖，它的聚合物称为多糖。
葡萄糖含有1个醛基，6个碳原子，称己醛糖；而果糖则含有1个酮基，6个碳原子，称己酮糖。此外，植物体内的淀粉、纤维素、动物体内的糖原、甲壳素等则属于多糖类。糖类物质的主要生物学功能是通过生物氧化而提供能量，以满足生命活动的能量需要。
多糖能水解为很多个单糖分子。多糖广泛存在于自然界，是一类天然的高分子化合物。多糖在性质上与单糖、低聚糖有很大的区别，它没有甜味，一般不溶于水。与生物体关系最密切的多糖是淀粉、糖原和纤维素。
淀粉是葡萄糖的高聚体，水解到二糖阶段为麦芽糖，完全水解后得到葡萄糖。淀粉有直链淀粉和支链淀粉两类。直链淀粉含几百个葡萄糖单元，支链淀粉含几千个葡萄糖单元。在天然淀粉中直链的约占22%～26%，它是可溶性的，其余的则为支链淀粉。当用碘溶液进行检测时，直链淀粉液呈显蓝色，而支链淀粉与碘接触时则变为红棕色。下图为支链淀粉结构示意图。
支链淀粉示意图
淀粉是植物体中贮存的养份，存在于种子和块茎中，各类植物中的淀粉含量都较高，大米中含淀粉62%～86%、麦子中含淀粉57%～75%、玉蜀黍中含淀粉65%～72%、马铃薯中则含淀粉12%～14%。淀粉是食物的重要组成部分，咀嚼米饭等时感到有些甜味，这是因为唾液中的淀粉酶将淀粉水解成了单糖。食物进入胃肠后，还能被胰脏分泌出来的淀粉酶水解，形成的葡萄糖被小肠壁吸收，成为人体组织的营养物。支链淀粉部分水解可产生称为糊精的混合物。糊精主要用作食品添加剂、胶水、浆糊，并用于纸张和纺织品制造（精整）等。
糖原又称动物淀粉，是动物的糖贮存库，也可看做体内能源库。糖原的结构与支链淀粉有基本相同的结构（葡萄糖单位的分支链），只是糖原的分支更多。糖原呈无定形无色粉末，较易溶于热水，形成胶体溶液。
糖在动物的肝脏和肌肉中含量最大，当动物血液中葡萄糖含量较高时，就会结合成糖原储存于肝脏中，当葡萄糖含量降低时，糖原就可分解成葡萄糖而供给机体能量。
纤维素是自然界中最丰富的多糖。它是没有分支的链状分子，与直链淀粉一样，是由D－葡萄糖单位组成。纤维素结构与直链淀粉结构间的差别在于D－葡萄糖单位之间的连接方式不同。由于分子间氢键的作用，使这些分子链平行排列、紧密结合，形成了纤维束，每一束有100～200条纤维系分子链。这些纤维束拧在一起形成绳状结构，绳状结构再排列起来就形成了纤维素，如下图所示。纤维素的机械性能和化学稳定性与这种结构有关。
扭在一起的纤维素链
淀粉与纤维仅仅是结构单体在构型上的不同，却使它们有不同的性质。淀粉在水中会变成糊状，而纤维素不仅不溶于水，甚至不溶于强酸或碱。人体中由于缺乏具有分解纤维素结构所必需的酶（生物催化剂），因此纤维素不能为人体所利用，就不能作为人类的主要食品。但纤维素能促进肠的蠕动而有助于消化，适当食用是有益的。牛、马等动物的胃里含有能使纤维素水解的酶，因此可食用含大量纤维素的饲料。纤维素是植物支撑组织的基础，棉花中纤维素含量高达98%，亚麻和木材中含纤维素分别为80%和50%左右。纤维素是制造人造丝、人造棉、玻璃纸、火棉胶等的主要原料。
多糖水解不是一步成为单糖的。如淀粉水解成糊精，再水解成为麦芽糖，最终成为葡萄糖。这些由少数（2～6个）单糖分子构成的糖称为寡糖（又称低聚糖），其中以双糖存在最为广泛，人们食用的蔗糖（来自甘蔗和甜菜）就是由葡萄糖和果糖形成的双糖，甜度较差的麦芽糖（来自淀粉）可用做营养基和培养基，来自乳汁的乳糖甜度适中，用于食品工业和医药工业，它们也都是双糖。
生物界对能量的需要和利用均离不开糖类。生物界对太阳能的利用归根到底始于植物的光合作用和CO2的固定，与这两种现象密切有关的都是糖类的合成。光合作用是自然界将光能转变为化学能的主要途径。
光合作用是一个很复杂的过程，其总反应为CO2和H2O在叶绿素的作用下吸收太阳能转化为多糖类，把能量转化为化学能贮存起来。具体反应如下：
在光合作用中，CO2被还原为糖，H2O中的氧被氧化成O2：
叶绿素是含镁的配合物，具有复杂的结构，它能吸收可见光。当叶绿素吸收光子后，能量就被称为叶绿体的植物细胞中的亚细胞组分所摄取，通过一系列的步骤以化学势能的形式将能量贮存起来，上述的光合作用常称为光反应（在光照射下才发生的反应），能在黑暗中进行的反应称为暗反应。在绿色植物细胞中发生的光反应和暗反应组成了光合作用的过程。
植物能通过光合作用而制造糖类，动物不能发生光合作用，但可通过摄取植物而得到。动植物体内发生代谢作用时，碳水化合物氧化成CO2和H2O（光合作用的逆反应），同时释放出能量，转移给通用的“生化能量贮藏室”三磷酸腺苷（ATP），以供生命活动的需要。
光合作用是自然界的基本反应之一，说不清它发生了几亿年，认识光合作用的机理是近年的科技成果，德国科学家Deisenhofer J、Huber R和Micher H因阐明光合作用而获诺贝尔化学奖。
糖类不仅是生物体的能量来源，而且在生物体内发挥其他作用，因为糖类可以与其他分子形成复合物，即复合糖类。
例如糖类与蛋白质可组成糖蛋白和蛋白聚糖，糖类可以与脂类形成糖脂和多脂多糖等。复合糖类在生物体内的种类和结构的多样性及功能的复杂性，更是超过了简单糖。
糖类在生物界的重要性还在于它对各类生物体的结构支持和保护作用。很多软体动物的体外有一层硬壳，组成这层硬壳的物质包括被称为基质的甲壳素。甲壳素的主要成分是乙酰氨基葡萄糖为结构单元的多糖。甲壳素的分子结构因此也和纤维素很相似，具有高度的刚性，能忍受极端的化学处理。
在动物细胞表面没有细胞壁，但细胞膜上有许多糖蛋白，而且细胞间存在着细胞间质，其主要组分是结构糖蛋白和多种蛋白聚糖构成，另外，还有含糖的胶原蛋白，胶原蛋白也是骨的基质。这些复合糖类对动物细胞也有支持和保护作用。
糖类还能通过很多途径影响生物体的生命过程，其中有些是有益于健康的，有些是有害的。在生物体内有很多水溶性差的有机化合物，有的来自食物（有的是体内的代谢产物），它们长期储存在体内是有害的。生物体内有一些酶能催化葡萄糖醛酯和许多水溶性差的化合物相连接，使后者能溶于水中，进而被排出体外，这时糖类起到了解毒的作用。
二、蛋白质、氨基酸、肽键
细胞结构里最复杂多变的一类大分子就是蛋白质，它存在于一切活细胞中。1839年德国化学家Mulder G T给这类化合物起名叫做蛋白质（Protein），意思是“头等重要的”。所有的蛋白质都含C，N，O，H元素，大多数蛋白质还含S或P，也有些含其他元素如Fe，Cu，Zn等。多数蛋白质的分子量范围在1．2万～100万间。蛋白质是氨基酸聚合物，水解时产生的单体叫氨基酸。蛋白质的种类繁多，功能迥异，各种特殊功能是由蛋白质分子里氨基酸组合和顺序决定的。
构成蛋白质的氨基酸是α－氨基酸，为方便起见，简称氨基酸。它们是α－碳羧基（—COOH）旁边的碳上有一个氨基（—NH2）的有机酸。事实上，同时有氨基和羧基的化合物，都叫氨基酸。
氨基酸中的R基侧链是各种氨基酸的特征基团。最简单的氨基酸是甘氨酸，其中的R是一个H原子。
人体内的主要蛋白质大约由20种氨基酸组成。精氨酸和组氨酸对儿童为必须氨基酸，但对成人却不是必须氨基酸。
蛋白质中的氨基酸是L－构型。（氨基酸有L－构型和D－构型，它们彼此类似但构型不同，将它们重叠时，它们并非等同，而是互为镜象、不能重叠，这两种构型分别为L－型和D－构型。单糖也有D－、L－两种异构体，与人类关系密切的是D－葡萄糖和D－果糖。）
蛋白质分子中氨基酸连接的基本方式是一分子氨基酸的羧基与另一分子氨基酸的氨基，通过脱水（缩合反应），形成一个酰胺键—C—NH—，新生成的化合物称为肽。肽分子中的酰胺键亦称肽键。
肽键中的氨基酸由于参与肽键的形成已经不是原来完整的分子，因此称为氨基酸残基。含有三个、四个、五个等氨基酸残基的肽分别称为三肽、四肽、五肽等。肽的命名是根据参与其组成的氨基酸残基来确定的，通常从肽键的NH2末端氨基酸残基开始，称为某氨基酰氨基酰……某氨基酸。具有下列化学结构的五肽命名为丝氨酰甘氨酰酪氨酰丙氨酰亮氨酸，可用符号Ser－Gly－Tyr－Ala－Leu表示。
若由两种不同的氨基酸如甘氨酸和丙氨酸来进行缩合，则可能形成两种不同的二肽。
多个氨基酸失水形成的肽称多肽，多肽一般是链状化合物。若4种氨基酸（例如甘氨酸Gly、丙氨酸Ala、丝氨酸Ser和胱氨酸Cy）排列组合，可能的连结方式则有24种。
17种不同的氨基酸以不同的方式组合可达到3．56×1014种。但目前在自然界中已发现的蛋白质种类比起这个数目来还差得很远。同样，由一组氨基酸按不同顺序组成的蛋白质种类的理论和实际存在于细胞中的种类数也相差甚远。这个现象说明只有某些氨基酸并按某几种顺序组合而成的蛋白质才与生命或生理活性有关。
蛋白质是由一条或多条多肽链构成的生物大分子的集合。蛋白质的种类很多，以前认为蛋白质都是天然的，但现在差不多任何顺序的肽链都能合成，包括自然界里没有的。所以种类是无限的，其中有的已知有生物功能和活性。
若按分子形状来分有球蛋白和纤维蛋白。球蛋白溶于水、易破裂，具有活性功能，而纤维状蛋白不溶于水、坚韧，具有结构或保护方面的功能，头发和指甲里的角蛋白就属纤维状蛋白。按化学组成来分有简单蛋白和复合蛋白，简单蛋白只由多肽链组成，复合蛋白由多肽链和辅基组成，辅基包括核苷酸、糖、脂、色素（动植物组织中的有色物质）和金属配离子等。
为了表示蛋白质结构的不同层次，经常使用一级结构、二级结构、三级结构和四级结构这样一些专门术语。一级结构就是共价主链的氨基酸顺序，二、三和四级结构又称空间结构（即三维构象）或高级结构。
一级结构决定了蛋白质的功能，对它的生理活性也很重要，顺序中只要有一个氨基酸发生变化整个蛋白质分子会被破坏。催产素（促进子宫肌肉收缩）、加压素（增加血压）、舒缓激肽（调节血压）和牛胰岛素的化学结构即一级结构。
蛋白质的二级结构是指蛋白质分子中多肽链本身的折叠方式。例如，角蛋白中的多肽链排列成卷曲形，称为α－螺旋。在这种结构里，氨基酸形成螺旋圈，肽键中与氮原子相联的氢，同附在沿链更远处的肽键中和碳原子相连的氧以氢键相结合。而丝的纤维蛋白具有不同的二级结构。在丝里，几种走向不同的肽链互相紧靠，使蛋白成为“之”字形，所以有折叠结构之称，也称β构型。链是由氢链联结的，R基团向上或向下延伸。
蛋白质的三级结构是指二级结构折叠卷曲形成的结构。一般讲，球蛋白是一个折叠得非常紧密的球形，蛋白质的四级结构是指几个蛋白质分子（称为亚基）聚集成的高级结构。高级结构不再进一步讨论。
蛋白质广泛而又多变的功能决定了它们在生理上的重要性。蛋白质的生物学功能是多种多样的。例如有的作为催化剂（酶），有的起运输、调节或防御作用。这些作用都与蛋白质复杂的结构紧密相关。
三、酶
自从人类发明酿酒、造醋、制酱、发面时起，就对生物催化作用有了一些粗浅的认识，但当时并不知道有酶这类生物催化剂。进入19世纪后期，人们已积累了不少关于酶的知识，认识到酶来自生物细胞。进入20世纪，不仅发现了很多酶，而且酶的提取、分离、提纯等技术有了很大的发展，并注意到有不少酶在作用中需要低分子量的物质（辅酶）参与，对酶的本质进行了深入的研究。1926年，第一次成功地从刀豆中提取了脲酶的结晶，并证明每种结晶具有蛋白质的化学本质，它能催化尿素分解为NH3和CO2。随后，相继分离出许多酶（如胃蛋白酶、胰蛋白酶等）的晶体。科学实验证明了酶的化学组成同蛋白质一样，也是由氨基酸组成的，它们都具有蛋白质的化学本性。
至今，人们已鉴定出2000种以上的酶，其中有200多种已得到了结晶。酶是一类由生物细胞产生的，以蛋白质为主要成分的，具有催化活性的生物催化剂。
酶催化作用，有很多特点，最主要的如下：
（1）酶是由生物细胞在基因指导下合成的，其主要成分是蛋白质。
（2）酶催化反应都是在比较温和的条件下进行的。例如在人体中的各种酶促反应，一般是在体温（37℃）和血液pH约为7的情况下进行的，这与它的特定结构有关。因此酶对周围环境的变化比较敏感，若遇到高温、强酸、强碱、重金属离子、配位体或紫外线照射等因素的影响时，易失去它的催化活性。
（3）酶具有高度的专一性，即某一种酶仅对某一类物质甚至只对某一种物质的给定反应起催化作用，生成一定的产物。如脲酶只能催化尿素水解生成NH3和CO2，而对尿素的衍生和其他物质都不具有催化水解的作用，也不能使尿素发生其他反应。
酶的这种专一性通常可用酶分子的几何构象给予解释。如麦芽糖酶是一种只能催化麦芽糖水解为两分子葡萄糖的催化剂，这是由于麦芽糖酶的活性部位（即反应发生的位置）能准确地结合一个麦芽糖分子，当两者相遇时，使两个单糖单位相连接的链合变弱，其结果是水分子的进入并发生水解反应。麦芽糖酶不能使蔗糖水解，使蔗糖水解的是蔗糖酶。早年就已经有人提出“一把钥匙开一把锁”的酶催化锁钥模型。
近年来的研究结果表明，把酶和底物看成刚性分子是不完善的，实际上它们的柔性使二者可以相互识别、相互适应而结合。
（4）酶促反应所需要的活化能低，而且催化效率非常高。例如，H2O2分解为H2O和O2所需的活化能是75．3 kJ·mol－1；用胶态铂作催化剂活化能降为49kJ·mol－1；当用过氧化氢酶催化时的活化能仅需8kJ·mol－1左右，并且H2O2分解的效率可提高109倍！
从酶的化学组成来划分，酶可分成单纯酶和结合酶两大类。单纯酶的分子组成全为蛋白质，不含非蛋白质的小分子物质。如脲酶、蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、核糖核酸酶等都属单纯酶。结合酶的分子组成除蛋白质外，还含有对热稳定的非蛋白质的小分子物质，这种非蛋白质部分叫辅助因子。
酶蛋白与辅助因子结合后所形成的复合物或配合物叫做全酶。辅助因子是这类酶起催化作用的必要条件，缺少了它们，酶的催化作用即行消失，酶蛋白、辅助因子各自单独存在时都无催化作用。酶的辅助因子可以是金属离子［如Cu（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）、Fe（Ⅲ）、Mg（Ⅱ）、Mn（Ⅱ）等］的配合物（如血红素、叶绿素等），也可以是复杂有机化合物。
人体对食物的消化、吸收，通过食物获取能量，以及生物体内复杂的代谢过程都包含许多化学反应，必须有各种不同的酶参与作用。这些专一性的酶组成一系列酶的催化体系，维持生物体内各种代谢过程有规律的进行。
新陈代谢简称代谢；代谢包含物质代谢与能量代谢两部分，实际上两者不可分。物质代谢是泛指生物体与外界不断交换物质的过程，包括从体外吸取养料和物质在体内的变化。狭义的代谢是指物质在细胞中的合成和分解过程，一般称中间代谢。
合成代谢一般是将简单物质变成复杂物质，而分解代谢则是将复杂物质变为简单物质。代谢过程是生命现象的基本物质征。糖、脂肪和蛋白质的合成途径各有不同，但它们的分解途径的共同点是，上述几类物质被氧化成CO2和H2O。
生物体是通过物质的氧化获得能量的，但物质氧化时所产生的能量一般不能直接被利用。机体利用能量的方式是将生物氧化系统释放的能量，以高能键的形式贮存在生物体内的ATP中（ATP是核苷酸－三磷酸腺苷英文名称的缩写，其分子是由一分子腺嘌呤、一分子核糖和三分子磷酸连接而成），当需要时再释放出来供各种生理活动和生化反应需用。所以在物质代谢同时也有能量代谢。
生物氧化过程，即是由各种有机物（食物来源）在酶的作用下，氧化生成CO2和H2O并释放也能量的过程。
由于酶的催化作用，生物氧化得以在比较温和的条件下及有水的环境中进行，并且能量主要是以自由能形式逐步释放直接供给需要能量的过程。
通过食物氧化得到的能量主要用于合成ATP。然后在适当的催化剂存在时，ATP将经历三步水解，其提供的能量可用来引起其他化学反应。各种生物活动，如核酸、蛋白质的生物的合成、糖、脂肪、药物等物质的代谢，以及细胞内外物质的转运等等，都有ATP参与。ATP被称为生物体内的能量使者。
因此，对于大多数细胞代谢过程的酶已经有了较多的了解。目前酶学研究中的新领域包括：酶合成的遗传控制与遗传病、许多酶系统的自我调节性质、生长发育及分化中酶的作用与肿瘤及衰老的关系、细胞相互识别过程中酶的作用等等。
四、核酸
核酸居于多聚核苷酸，其基本结构单元是核苷酸。可降解成核苷酸，核苷酸还可进一步分解成核苷和磷酸，核苷再进一步分解生成碱基（含N的杂环化合物）和戊糖。也就是说核酸是由核苷酸组成的，而核苷酸又由碱基、戊糖与磷酸组成。
核酸中的碱基分两大类即嘌呤碱与嘧啶碱。核酸中的戊糖有两类即D－核糖和D－2－脱氧核糖。
核酸的分类就是根据核酸中的所含戊糖种类不同而分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）两大类。
RNA中的碱基主要有四种即腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶、尿嘧啶。DNA中的碱基主要也是四种，三种与RNA中的相同，只是胸腺嘧啶代替了尿嘧啶。
DNA的一级结构是由数量极其庞大的四种脱氧核苷酸即脱氧腺嘌呤核苷酸、脱氧鸟嘌呤核苷酸、脱氧胞嘧啶核苷酸和脱氧胸腺嘧啶核苷酸所组成。这四种核苷酸的排列顺序（序列）正是分子生物学家多年来要解决的问题。因为生物的遗传信息贮存于DNA的核苷酸序列中，生物界物种的多样性即寓于DNA分子四种核苷酸千变万化的不同排列之中。
核酸有着几乎多得无限的可能结构，而生物体的遗传特征就反映在DNA分子的结构上，即DNA的结构携带着遗传的全部信息，就是通常所说的DNA携带着遗传的密码。
生物体的遗传信息以密码的形式编码在DNA分子上，表现为特定的核苷酸排列顺序，并通过DNA的复制由亲代传递给子代。在后代的生长发育过程中，遗传信息自DNA转录给RNA，然后翻译成特异的蛋白质，以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。
所谓复制，就是指以原来DNA分子为模板合成出相同分笔的过程。所谓转录，就是在DNA的分子上合成出与其核苷酸顺序相对应的RNA的过程。而翻译则是在RNA的控制下，从DNA得来的核苷酸顺序合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链的过程。由于生命活动是通过蛋白质来表现，所以生物的遗传特征实际上是通过DNA─→RNA─→蛋白质过程传递的，就是遗传信息传递的中心法则。
1953年，英国剑桥大学的Watson和Crick提出了著名的生物遗传物质DNA分子的双螺旋模型，这是生命化学、乃至生物学中的重大里程碑。这一发现为遗传工程的发展奠定了理论基础。(https://www.daowen.com)
遗传工程从狭义上理解就是指DNA重组技术。即提取或合成不同生物的遗传物质（DNA），在体外切割、拼接和重新组合，然后通过载体将重组的DNA分子引入受体细胞，使重组DNA在受体细胞中得以复制与表达。
从遗传工程的概念看，遗传工程的直接目的就是改造生物，从而使其更好地为人类服务。
例如，作为人类主要食物的谷类作物含有大量糖类，而人体所必需的蛋白质、氨基酸与维生素的含量却很少。有些微生物可以产生这些物质，用大规模发酵的方法培养微生物，进而提取这些物质，就可以进行工业化生产。
采用DNA重组及细胞融合等技术改造了苏氨酸、色氨酸、赖氨酸等氨基酸的生产菌，与原始菌株相比，氨基酸的含量提高了几十倍，且生产成本下降。这些氨基酸产品广泛用于营养食品、助鲜及饲料添加剂等生产，从而部分代替了粮食产品。
又如，生物固氮的遗传工程研究是一个令人神往的重要领域，其目的就是培养出能自行供氮的作物。一切植物的生长都需要氮元素，大气中虽有80%的氮气，但除了豆科植物外，都不能直接利用空气中的分子态的氮。与豆科植物根部共生的根瘤菌可以固定分子态氮并转化成能被植物吸收的状态。
如果把根瘤菌的固氮基因转移到水稻、小麦、玉米等作物细胞中，就有可能使这些作物直接利用空气中的氮，这不仅可提高产量，增加谷类作物的蛋白质含量，而且能大大节省化肥，从而降低生产成本，减轻环境污染。遗传工程研究的开展，将为解决人类面临的食品与营养、健康与环境、资源与能源等基因、遗传信息。
五、脂类
脂类又称脂质，包括两类物质：一类是脂肪，又称中性脂肪，是由1分子甘油和3分子脂肪酸组成的甘油三酯；另一类是类脂，它与脂肪化学结构不同，但物理、化学性质相似。
在营养学上较重要的类脂有磷脂、糖脂、胆固醇、脂蛋白等。由于脂类中大部分是脂肪，类脂只占5%并且常与脂肪同时存在，因而营养学上常把脂类通称为脂肪。
（一）脂肪酸
脂肪酸是由碳、氢、氧三种元素组成的一类化合物，是中性脂肪、磷脂和糖脂的主要成分。根据脂肪酸分子结构中碳链的长度分为短链脂肪酸（碳链中碳原子少于6个）、中链脂肪酸（碳链中碳原子6～12个）和长链脂肪酸（碳链中碳原子超过12个）三类。一般食物所含的脂肪酸大多是长链脂肪酸。根据碳链中碳原子间双键的数目又可将脂肪酸分为单不饱和脂肪酸（含1个双键）、多不饱和脂肪酸（含1个以上双键）和饱和脂肪酸（不含双键）三类。富含单不饱和脂肪酸和多不饱和脂肪酸组成的脂肪在室温下呈液态，大多为植物油，如花生油、玉米油、豆油、菜子油等。
以饱和脂肪酸为主组成的脂肪在室温下呈固态，多为动物脂肪，如牛油、羊油、猪油等。但也有例外，如深海鱼油虽然是动物脂肪，但它富含多不饱和脂肪酸，如20碳5烯酸（EPA）和22碳6烯酸（DHA），因而在室温下呈液态。下面将介绍一些常用油脂的脂肪酸组成。
1．必需脂肪酸
自然界存在的脂肪酸有40多种。有几种脂肪酸人体自身不能合成，必须由食物供给，称为必需脂肪酸。以往认为亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸这三种多不饱和脂肪酸都是必需脂肪酸。
近年来的研究证明只有亚油酸和亚麻酸是必需脂肪酸，而花生四烯酸则可利用亚油酸由人体自身合成。有以下几个方面的作用：①是细胞膜的重要成分，缺乏时发生皮炎，对儿童还影响其生长发育；②是合成磷脂和前列腺素的原料，还与精细胞的生成有关；③促进胆固醇的代谢，防止胆固醇在肝脏和血管壁上沉积；④对放射线引起的皮肤损伤有保护作用。
2．胆固醇
胆固醇是类脂的一种。它在人体内的重要生理功能包括：①是细胞膜的组成成分，细胞吸收养分、排出代谢废物都由细胞膜控制；②是合成胆汁酸和维生素D3的原料，前者可帮助脂肪消化吸收，后者可预防儿童佝偻病；③是合成类固醇激素的原料，特别是性激素和肾上腺皮质激素。这些激素对人体的健康和人类的繁衍都是不可或缺的。
人体胆固醇来自膳食和体内合成。体内合成量受膳食胆固醇水平影响，膳食胆固醇摄入过多时体内合成量减少，摄入过少时体内合成量增多。胆固醇在肝脏内经过分解代谢随粪便排出。正常情况下，胆固醇在血液中维持一个恰当的水平。当脂质代谢发生异常或膳食胆固醇摄入量超过身体调节能力时，血液中的胆固醇浓度就会升高并逐渐在血管内壁上沉积而引起血管腔狭窄和心血管病。
这时，除药物治疗外还应限制富含胆固醇的食物。但在脂质代谢正常的情况下无须过分限制，因为胆固醇也是人体不可缺少的营养物质。
3．鱼油中的EPA和DHA
如前所述，这两种脂肪酸都是多不饱和脂肪酸。它们之所以引起重视是因为人们发现居住在北极圈内的爱斯基摩人的膳食虽然以鱼、肉为主，脂肪、能量和胆固醇摄入量都很高，但冠心病、糖尿病的发生率和死亡率都远低于其他地区的人群。
经研究发现，鱼油中富含EPA和DHA，它们有降低胆固醇、增加高密度脂蛋白的作用，而高密度脂蛋白是一种能移去血管壁上积存的胆固醇、疏通血管的物质。它们还有抑制血小板聚集、降低血黏度和扩张血管等作用。
动物实验还发现DHA可促进脑的发育，据此推测对儿童的生长发育很可能也有好处。
有些植物油中含量丰富的亚麻酸在体内可以转变成EPA和DHA，与深海鱼油所含的EPA和DHA有同样的生物效用。
（二）脂肪的生理功能
概括起来，脂肪有以下几方面生理功能：
（1）供给能量1克脂肪在体内分解成二氧化碳和水并产生38千焦（9千卡路里）能量，比1克蛋白质或1克碳水化合物高一倍多；
（2）构成一些重要生理物质磷脂、糖脂和胆固醇构成细胞膜的类脂层，胆固醇又是合成胆汁酸、维生素D3和类固醇激素的原料；
（3）维持体温和保护内脏皮下脂肪可防止体温过多向外散失，也可阻止外界热能传导到体内，有维持正常体温的作用。内脏器官周围的脂肪垫有缓冲外力冲击保护内脏的作用；
（4）提供必需脂肪酸；
（5）脂溶性维生素的重要来源鱼肝油和奶油富含维生素A、D，许多植物油富含维生素E。脂肪还能促进这些脂溶性维生素的吸收；
（6）增加饱腹感脂肪在胃肠道内停留时间长，所以有增加饱腹感的作用。
（三）脂肪营养价值的评定
营养学上根据以下三项指标评价一种脂肪的营养价值：
（1）消化率。一种脂肪的消化率与它的熔点有关，含不饱和脂肪酸越多熔点越低，越容易消化。因此，植物油的消化率一般可达到100%。动物脂肪，如牛油、羊油，含饱和脂肪酸多，熔点都在40℃以上，消化率较低，约为80%～90%；
（2）必需脂肪酸含量。植物油中亚油酸和亚麻酸含量比较高，营养价值比动物脂肪高；
（3）脂溶性维生素。含量动物的贮存脂肪几乎不含维生素，但肝脏富含维生素A和D，奶和蛋类的脂肪也富含维生素A和D。植物油富含维生素E。这些脂溶性维生素是维持人体健康所必需的。
（四）脂肪的供给量和来源
1．脂肪的供给量
脂肪没有供给量标准。由于不同地区由于经济发展水平和饮食习惯的差异，脂肪的实际摄入量有很大差异。我国营养学会建议膳食脂肪供给量不宜超过总能量的30%，其中饱和、单不饱和、多不饱和脂肪酸的比例应为1∶1∶1。亚油酸提供的能量能达到总能量的1%～2%即可满足人体对必需脂肪酸的需要。
2．脂肪的来源
烹调用油脂和食物本身所含的油脂是脂肪的主要来源。在日常几种食物中的脂肪含量中果仁脂肪含量最高；各种肉类居中，米、面、蔬菜、水果中含量很少。
（五）基因、遗传信息
基因是具有遗传功能的单元，一个基因是DNA片段中核苷酸碱基特定的序列，此序列载有某特定蛋白质的遗传信息。人们形象地将DNA碱基序列称为遗传编码，DNA序列分析是揭开遗传密码的关键，也是基因研究的基础。
每个DNA分子含有很多基因，这些基因按一定顺序排列，就成为创造蛋白质的图纸和指挥复制的命令。现代遗传学认为，基因是控制生物性状的遗传物质的功能单位和结构单位，是有遗传效应的DNA片段，每个基因中可以含有成百上千个脱氧核苷酸。
核酸贮存和传递遗传信息，蛋白质是基因作用的直接产物，并含有遗传信息。蛋白质是组成生物体的重要成分，生物体的性状主要是通过蛋白质来体现的，生物体内大部化学反应也离不开称作酶的蛋白质进行催化。
因此，基因对性状的决定性作用是通过DNA控制蛋白质的合成来实现的。核酸是遗传信息的携带者与传递执行者，遗传信息由RNA─→DNA─→蛋白质的表达过程，也称基因表达，是分子生物学（分子遗传学）研究的核心。
人体细胞约有10万个基因，迄今弄清楚的不到5%。科学家们预言，将用10～15年测定出人类基因组30亿个碱基对（遗传密码）的全序列。一旦破译工作全部完成，就能掌握人类遗传信息，建立起完整的遗传信息库，由此危害人类健康的5000多种遗传病以及与遗传密切相关的癌症、心血管疾病和精神疾患等，可以得到预测、预防、早期诊断与治疗。
今后必将继续发现大量新的重要基因，如控制记忆与行为的基因、控制细胞衰老与程序性死亡的基因，新的癌基因与抑癌基因，以及与大量疾病有关的基因。这些成果将被用来为人类健康服务。
RNA分子既有遗传信息功能又有酶的功能。在21世纪，人们将试图在实验室人工合成生命体，已有可能利用生物技术将保存在特殊环境中的古生物或冻干尸体的DNA扩增，揭示其遗传密码，建立已绝灭生物的基因库，研究生物的进化与分类问题。
在生物医学发展激流中，对人类基因治疗的意义、策略、前景等的研究不断取得进展。人类基因治疗是将“目的基因”转移给“靶细胞”，从调控患者由于某种基因的缺失或突变造成功能异常的病变而达到治疗疾病的目的。
目前基因治疗已试用于多种疾病，如遗传病基因治疗、艾滋病的基因治疗、肿瘤基因治疗等。肿瘤的发生被认为是基因表达调控失常以及与其周围组织相互作用关系的紊乱所致。
一个正常细胞变成恶性细胞都涉及抗癌基因的丢失或失活、原癌基因被激活等步骤。
从理论上推测，原癌基因和抗癌基因相对应，在特定条件下它们对细胞分裂起正负调控作用，因此通过抗癌基因调变基因表达，使肿瘤细胞逆转而恢复正常，是治疗肿瘤的理想途径。
尽管临床基因治疗初见成效，但仍存在很多潜在的问题，如安全性急待立法，因为人类基因治疗是全新的医学领域，采用多种方法治疗多种疾病，治疗结果难以预料，因此其临床应用需要专门机构审批。我国已成立审查基因治疗的专门机构，挂靠在卫生部药政司，对基因治疗采取严谨、稳妥、科学的审查，指导基因治疗的健康发展。
一系列重大问题开辟了新途径，也具有极大的经济潜力。
六、生物膜
细胞是自然界一切生命体生命活动结构与功能的基本单位。体内所有的生理功能和生化反应，都是在细胞及其合成排泄的基质（如细胞间隙中的胶原和蛋白聚糖）的物质基础上进行的。
一切动物细胞都被一层薄膜所包裹，这便是细胞膜，为生物膜的一种，它把细胞内容物和细胞的周围环境分割开来。在地球上出现有生命物质和它由简单到复杂的长期演化过程中，生物膜的出现是一次飞跃，它使细胞能够既独立于环境而存在，又能通过生物膜与周围环境进行有选择的物质交换而维护生命活动。
细胞如果要维持正常的生命活动，不仅细胞的内容物不能流失，而且其化学组成必须保持相对稳定，这就需要在细胞和它的环境之间有某种特殊的屏障存在。它能使新陈代谢过程中，经常由细胞得到氧气和营养物质接受各种信息分子和离子，排出代谢产物和废物，使细胞保持稳态，这对维持细胞的生命活动极为重要。因此生物膜是一个具有特殊结构和功能的选择性通透膜，它的主要功能可归纳为能量转换、物质运送、信息识别与传递。
对各种膜性结构的化学分析表明，膜主要由脂质、蛋白质和糖类等物质组成。生物膜所具有的各种功能，在很大程度上决定于膜内所含的蛋白质；细胞和周围环境之间的物质、能量和信息的交换，大多与细胞膜上的蛋白质有关。
细胞膜蛋白质就其功能可分为以下几类，一类是能识别各种物质，在一定条件下有选择地使其通过细胞膜的蛋白质如通道蛋白；另一类是分布在细胞膜表面，能“辨认”和接受细胞环境中特异的化学性刺激的蛋白质，这统称为受体；还有一大类膜蛋白质属于膜内酶类，种类甚多；此外，膜蛋白质可以是和免疫功能有关的物质。总之，不同细胞都有它特有的膜蛋白质，这是决定细胞在功能上的特异性的重要因素。
一个进行着新陈代谢的活细胞，不断有各种各样的物质（从离子和小分子物质到蛋白质大分子，以及团块性物质或液体）进出细胞，包括各种供能物质、合成新物质的原料、中间代谢产物、代谢终产物、维生素、氧和CO2等进出细胞，它们都与膜上的特定的蛋白质有关。
跨过生物膜的物质运送是生物膜的主要功能之一。物质运送可分为被动运送和主动运送两大类。被动运送是物质从高浓度一侧，顺浓度梯度的方向，通过膜运送到低浓的一侧的过程，这是一个不需要外界供给能量的自发过程。而物质的主动运送，是指细胞膜通过特定的通道或运载体能识别所需分子或离子，能对抗浓度梯度，所以是一种耗能过程。
在膜的主动运送中所需要的能量只能由物质所通过的膜或膜所属的细胞来供给。在细胞膜的这种主动运送中，很重要且研究得很充分的是关于Na＋，K＋的浓度有很大不同。以神经和肌肉细胞为例，正常时膜内K＋浓度约为膜外的30倍，膜外Na＋浓度约为膜内的12倍。这种明显的浓度差的形成和维持与细胞膜的某种功能有关，而此功能要靠新陈代谢的正常进行。例如，低温、缺氧或一些代谢抑制剂的使用，会引起细胞内外Na＋、K＋正常浓度差的减小，而在细胞恢复正常代谢活动后，上述浓度差又可恢复。
很早就有人推测，各种细胞的细胞膜上普遍存在着一种称为钠钾泵的结构，简称钠泵，它们的作用就是能够逆着浓度差主动地将细胞内的Na＋移出膜外，同时将细胞外的K＋移入膜内，因而形成和保持Na＋和K＋在膜两侧的特殊分布。
后来大量科学实验证明，钠泵实际上就是膜结构中的一种特殊蛋白质，它本身具有催化ATP水解的活性，可以把ATP分子中的高能键切断而释放能量，并利用此能量进行Na＋、K＋的主动运送。
因此钠泵就是这种被称为Na＋、K＋依赖式ATP酶的蛋白质。细胞膜上的钙泵也是一种ATP酶，它能把细胞内过多的Ca2＋转移到细胞外去。
生物膜是当前分子生物学、细胞生物学中一个十分活跃的研究领域。关于生物膜的结构，生物膜与能量转换、物质运送、信息传递，以及生物膜与疾病等方面的研究及用合成化学的方法制备简单模拟膜和聚合生物膜等方面不断取得新进展。另外，人们正在研究对物质具有优良识别能力的人造膜，使模仿生物膜机能的人造内脏器官，应用于医疗诊断。
七、氧自由基与人体健康
所谓自由基，是指带有未成对电子的分子、原子或离子，未成对电子具有成双的趋向，因此常发生失去或得到电子的反应而显示出较活泼的化学性质。
氧气维持着地球上绝大多数生物的生命。虽然氧对需氧生物是有用的，但氧也有对生物不利的一面。
在生物体系中，电子转移是一个基本的变化。氧分子可以通过单电子接受反应，依次转变为
、HOOH与·OH等中间产物。由于这些物质都是直接或间接地由分子氧转化而来，而且具有较分子氧活泼的化学反应性，遂统称为活性氧，其中
、·OH为氧自由基。
超氧阴离子自由基
既可以作为还原剂供给电子，又可以作为氧化剂接受电子。
可以与H＋结合生成超氧酸HO2·；
可以在铁螯合物催化下与H2O2反应产生羟自由基·OH。
·OH是化学性质最活泼的活性氧物种。其反应特点是无专一性，几乎与生物体内所有物质，如糖、蛋白质、DNA、碱基、磷脂和有机酸等都能反应，且反应速率快，可以使非自由基反应物变成自由基。例如，·OH与细胞膜及细胞内容物中的生物大分子（用RH表示）作用：
这样，自由基通过上述方式传递和增殖。愈来愈多的氧自由基在细胞内出现会损伤细胞，引发各种疾病。很多研究表明，含氧自由基关系到多种疾病，由于
自由基可使细胞质和细胞核中的核酸链断裂，会导致肿瘤、炎症、衰老、血液病以及心、肝、皮肤等方面病变的产生。
在人体和环境中持续形成的自由基来自人体正常新陈代谢过程，大量体育运动、吸烟、食用脂肪和腌熏烤肉、发生炎症、某些抗癌药物、安眠药、射线、农药、有机物腐烂、塑料用品制造过程、油漆干燥、石棉、空气污染、化学致癌物、大气中的臭氧等也都能产生自由基。
已知自由基可损伤蛋白质，也可使蛋白质的转换增加；损害DNA可导致细胞突变；作用于—SH可使某些酶的活性降低或丧失；攻击未饱和脂肪酸可引起脂质过氧化，其氧化产物可引起—SH氧化、酶失活、膜功能受损、干扰膜的运送功能等。
另外，由燃料废气、香烟和一些粉尘造成的大气污染，使大气上空的自由基占分子污染物总量的1%～10%，因此环境污染中的自由基反应也是不可忽视的。
活性氧对生物体既有必需的一面，又有损伤的一面，所以生物体内活性氧是在不断产生不断利用又不断被清除的过程。当活性氧不断增殖清除不掉时才会造成伤害。体内过多的O2－可以依靠SOD去消除。SOD是超氧化物歧化酶英文名称的缩写，是一种具有特定生物催化功能的蛋白质，由蛋白质和金属离子组成，广泛存在于自然界的动、植物和一些微生物体内。SOD能催化O2－发生歧化反应。
活性氧H2O2对机体亦有害，但有过氧化氢酶能催化H2O2与一种还原性反应而被消除，由此在体内形成一套解毒系统，对机体起保护作用。因此，SOD是机体内O2－的清除剂。有研究表明，人体的一些病变可反映在SOD与O2－含量变化上。对SOD减少或O2－增加的疾病可用SOD药物治疗。
