动物生物化学 2 生命的化学特征

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第2,章 生命的化学特征,Chemical Properties of Life,1,本章主要内容,组成生命有机体的元素,生物分子,生命有机体中的化学键,生物化学反应的能量来源,水在生命化学过程中的作用,2,1.,生命中的元素,生命与非生命物质在化学组成上有很大的差异，然而组成生命物质的元素都是存在于非生命界的元素。,元素周期表中各种元素在生命机体中的丰度,氢、氧、碳和氮,硫和磷,钾、钠、氯、钙与镁,其他微量元素,3,表,21,生物分子中的共价键与键能,类型,键能（,kJ/mol,）,类型,键能*（,kJ/mol,）,单键,双键,O-H,458,C=O,708,H-H,433,C=N,612,P-O,416,C=C,608,C-H,413,P=O,500,C-O,350,三键,*,C-C,346,CC,813,S-H,338,C-N,297,C-S,258,N-O,220,S-S,212,*指键断裂所需要的能量*生物分子中很少见,4,硫和,磷,可以形成相对比较弱的化学键，在化学基团和能量转移中有重要作用，如巯基,-,SH,用于携带和转移脂酰基，磷酰基用于贮存和转移化学能,钾、钠、氯、钙、镁,维持细胞渗透压、细胞容积、离子平衡、细胞膜电位,钠、钾离子 神经肌肉正常兴奋性，糖原合成和蛋白质代谢,镁离子是,300,多种酶的辅因子,钙离子是骨骼的主要成分，参与广泛的细胞生理活动，如物质的转运与分泌，血液凝,固，是细胞信号传导的第二信使等,其他的微量元素,主要有铁与铜 化学价可变（,Cu,2+,/Cu,+,，,Fe,3+,/Fe,2+,），,在生物氧化过程中作为电子递体，是许多酶的辅因子。还有,Zn,2+,，,Mn,2+,，Mo,2+,和,I,等也有重要生理功能。,5,2.,生物分子,2.1,生物大分子,参与生命有机体活动的许多分子是非常巨大的，我们把生物机体中这些巨大的分子称为生物大分子（,biological macromolecules）。,生物大分子通过组成它们的单体之间的非共价相互作用，形成特定的空间结构，从而具有了不同的生物学功能。,生物大分子是表现生命特征的基本物质。,血红蛋白的空间结构,6,核酸,蛋白质和多糖是主要的生物大分子,7,2.2,类脂,类脂（如磷脂）是富含碳氢元素的一族生物小分子，其在水溶液中溶解性较差、兼具亲水和亲脂特性。细胞的膜结构就是大量磷脂分子的聚合体。,2.3,有机小分子,细胞中还存在许多具有独特功能的有机小分子物质,也是合成较大分子的前体。,如：核苷酸、氨基酸、葡萄糖,脂肪酸、胆碱、甘油等,8,3.,生命有机体中的化学键,在生物大分子之间主要存在的非共价的相互作用力包括氢键、离子键、范德瓦尔力、疏水力。,氢键,（,hydrogen bonds,）,由两个原子来分享一个氢原子，具有高度定向性，一个是氢供体，,另一个是氢受体,范德瓦尔力（,Van,der,Waals,bonds,）,一定距离内的原子之间通过偶极发生的相互作用，本质上也是静电引力,疏水力（,hydrophobic interaction,）,非极性分子或基团在水相环境中相互吸引、聚集的作用力,离子键,（,ionic bonds,）,正、负电荷之间的静电引力,9,4,种非共价作用力的示意图,范德瓦尔接触距离,10,4.,生物能量学,生物能量学（,bioenergetics）,：,研究生命有机体传递和消耗能量的过程，阐明能量的转换和交流的基本规律。,体内能量的产生、转移和利用,11,自由能,（,free energy）,能量总是从能态较高的物体流向能态较低的物体。这些过程都是自发的。,凡是自发的过程，都有能量的释放，而且其中一部分可以用来带动非自发的过程。,自发过程中能用于做功的能量称为自由能,.,体系可做功的能量（自由能）,=,体系总能量,不被利用做功的能量,表示为,:,G=H ST,H,表示体系的总能量（焓值）；,ST,表示不能被利用做功的能量，,S,为熵值，,T,为绝对温度，那么体系可做功的能量等于,H ST，,称为自由能，用,G,表示,.,自由能,G,是一个状态函数。在等温等压条件下，体系从一种状态转变为另一种状态时，自由能的改变为：,G=H S T,在自发过程中，自由能的改变为负值,表示释放的自由能可以用来做功。而,在非自发过程中，其变化是正值，表示这种改变要从外界输入能量才能实现。,12,能量偶联反应,在生命有机体中一个放能的反应可以与一个耗能的反应偶联,以推动原本不能进行的反应。,葡萄糖,+,磷酸 葡萄糖,-6-,磷酸（耗能，,G0，,为,14,kJ/mol）,ATP ADP+Pi（,放能，,G0，,为,-31,kJ/mol）,葡萄糖,+,ATP,葡萄糖,-6-,磷酸,+,ADP（,放能，,G0，,为,-17,kJ/mol）,由,葡萄糖激酶催化的反应,13,ATP,ATP,是自由能的直接供体，它的作用犹如货币一样在体内使用和流通，因此人们将它形象地称为“,通用能量货币,（,general currency of energy）”。,细胞是一个高效率的能量转换器,生命有机体中的能量转换是通过电子流动来实现的。,14,5.水,水是,生命有机体中含量最多的物质，一般占体重的,60%-70%,水有自由水和结合水，前者流动性大，含量可变，后者主要存在在胶体中，相对稳定,水分子是极性分子，既是氢键的受体，又是氢键的供体。水分子的极性和形成氢键的能力使其具有高度反应性,水有高的介电常数（,80,），因此是众多反应物的优良的溶剂，使其自由扩散或发生相互作用,没有水就没有生命。,15,水溶液中的离子,水分子竞争羰基氧与亚氨基氮之间的氢键,水分子结构图,16,本章结束,17,