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1、1,第2章 生命的化学特征Chemical Properties of Life,2,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,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,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,5,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
2、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Zn 2+，Mn 2+ ，Mo 2+ 和I 等也有重要生理功能。,6,2.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
3、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,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.生命有机体中
4、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,10,4 种非共价作用力的示意图,范德瓦尔接触距离,11,4.生物能量学,生物能量学（bioenerge
5、tics）：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,12,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
6、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。,13,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,14,ATP ATP是
7、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。,15,5.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。,16,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,17,本章结束,
