《生命的化学特征》PPT课件.ppt

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1,第1章生命的化学特征(生物分子导论)ChemicalPropertiesofLife,2,本章主要内容,生命物质的化学组成生物分子的三维结构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细胞的分子组织层次生物分子的起源与进化,3,1.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,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(Cu2+/Cu+,Fe3+/Fe2+),在生物氧化过程中作为电子递体,是许多酶的辅因子。还有Zn2+,Mn2+,Mo2+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(biologicalmacromolecules)。,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,表21生物分子中的共价键与键能,*指键断裂所需要的能量*生物分子中很少见,7,核酸,蛋白质和多糖是主要的生物大分子,8,2.2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,9,3生物分子的结构,10,构型异构,几何异构,旋光异构,对映体,非对映体,11,由于单键的旋转或扭曲(键不断开)而引起分子中原子或原子团在空间的不同排列形式称为构象。这种因单键的旋转或扭曲而产生的异构体称为构象异构体。在构象异构体之间,构造式相同,而原子或原子团的空间排布方式却不相同,故属于立体异构。,12,一定构象的分子就是具有一定三维结构的分子。许多生物分子间相互作用具有立体专一性。,13,4.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(hydrogenbonds)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(VanderWaalsbonds)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(hydrophobicinteraction)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(ionicbonds)正、负电荷之间的静电引力,14,4种非共价作用力的示意图,范德瓦尔接触距离,15,5.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,16,自由能(freeenergy),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=HSTH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HST,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=HST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。,17,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14kJ/mol)ATPADP+Pi(放能,G0,为-31kJ/mol)葡萄糖+ATP葡萄糖-6-磷酸+ADP(放能,G专著。按照这个学说,生命是在长时期宇宙进化过程中发生的,是宇宙进化的某一阶段无生命的物质所发生的一个进化过程,而不是在现在条件下由非生命的有机物质突然产生的。生命起源前,经历了地球进化、生命的化学进化、生物进化。所以,生命起源大约发生在距今4535亿年间。,27,7.2生命的化学进化,(1)从无机分子生成有机分子甲烷、氨、硫化氢、氰化氢、水蒸汽等等紫外线太阳辐射提供能量闪电火山爆发合成一些简单的光、热雷鸣电闪有机化合物有机酸、氨基酸、核苷酸、单糖、脂类等等支持证据:1953年美国芝加哥大学研究生S.Miller(米勒)的模拟试验。1969年9月澳大利亚麦启逊落下一块陨石,从碎片成份分析中找到氨基酸、嘧啶、脂酸等。,28,(2).从有机小分子合成生物大分子,在原始海洋的岸边、岩石、粘土的表层或像湖泊样的小水体中,氨基酸、核苷酸等有机小分子沉积,吸收能量,通过溶液聚合或浓缩聚合的方式生成原始的蛋白质、核酸等生物大分子。美国福克斯(F.FOX)试验证实:将氨基酸混合物倾倒在160oC200oC的热砂或粘土上,水分蒸发,氨基酸浓缩并化合生成类蛋白质分子。,29,(3).从生物大分子生成多分子体系-非细胞形态原始生命的诞生,蛋白起源说(奥巴林的团聚体学说)生物大分子主要是蛋白质溶液和核酸溶液,合在一起时,可形成团聚体小滴,这就是多分子体系,它具有一定的生命现象能通过它的外膜而选择性的吸收周围的物质。混合白明胶(蛋白质)阿拉伯胶(多糖)团聚体(小滴),30,福克斯的微球体学说,最初实验:类蛋白质微球体浓缩,31,微球体的性质,(1)直径1m2m(相当于细菌大小);(2)可吸纳周围环境的脂类,并形成膜状结构;(3)膜表现选择透性,反映渗透压的变化;(4)吸纳周围环境中蛋白质分子,微球体可“增长”和“繁殖”。,32,(4).从多分子体系进化为原始生命,无论哪一种多分子体系(团聚体或微球体),如果具备以下特征的综合,那么,原始生命就诞生了。,33,(a)具有脂双层膜围成的与周围环境隔开的含水囊泡。(b)囊泡内有多种核酸、蛋白质、糖类大分子。(c)能选择性地从周围环境中吸纳“食物”。(d)利用“食物”的分解,复制自身一部分起核心作用的大分子。(e)囊泡因大分子增多而“生长”和“繁殖”。原始生命是异养、厌氧的。,34,DNARNA蛋白质体系的可能进化过程:RNARNADNARNA蛋白质蛋白质,35,(5).从原始生命进化到原始细胞,出现原始的细胞膜原始祖细胞类似于今天的小的支原体。支原体没有细胞壁,其外围是细胞膜,细胞质中只有核糖体,只含DNA、RNA和多种蛋白质。它除了可以在细胞中寄生外,也能在无细胞系统的培养基中生长、繁殖。体积相当于病毒大小,为细菌的1/1000,直径约0.1m。,36,生物进化的过程,原始生命原始原核生物(原始细菌,异养厌养)自养原核生物(蓝藻,自养需氧)真核生物,比原核生物结构、功能复杂通过有丝分裂增殖真核细胞,有性生殖要进行减数分裂,37,生物的几种进化趋势,(1)无细胞结构有细胞结构原核细胞结构真核结构单细胞结构多细胞结构(2)厌氧生物需氧生物(3)异养生物自养生物(4)无性生殖有性生殖,38,本章结束,
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