生命的化学特征幻灯片

1、1 )2本章主要内容本章主要内容4生命物质的化学组成生命物质的化学组成4生物分子的三维结构生物分子的三维结构4生命有机体中的化学键生命有机体中的化学键4生物化学反应的能量来源生物化学反应的能量来源4水在生命化学过程中的作用水在生命化学过程中的作用 4细胞的分子组织层次细胞的分子组织层次4生物分子的起源与进化生物分子的起源与进化31.1.生命中的元素生命中的元素 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。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元素周期表中各种

2、元素在生命机体中的丰度 f氢、氧、碳和氮氢、氧、碳和氮f硫和磷硫和磷 f钾、钠、氯、钙与镁钾、钠、氯、钙与镁f其他微量元素其他微量元素 4硫和磷硫和磷 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、细胞膜电位维持细胞渗透压、细胞容积、离子平衡、细胞膜电位 钠、钾离子钠、钾离子 神经肌肉正常兴奋性，糖原合成和蛋白质代谢神经肌肉正常兴奋

3、性，糖原合成和蛋白质代谢 镁离子是镁离子是300多种酶的辅因子多种酶的辅因子 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，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，血液凝血液凝固，是细胞信号传导的第二信使等固，是细胞信号传导的第二信使等其他的微量元素其他的微量元素 主要有铁与铜主要有铁与铜 化学价可变（化学价可变（cu2+/ cu+ ， fe3+/ fe2+），在生物氧化过程中作），在生物氧化过程中作为电子递体，是许多酶的辅因子。还有为电子递体，是许多酶的辅因子。还有zn 2+，mn 2+ ，mo 2+ 和和i 等也有重要等也有重要生理功能。生

4、理功能。52.2.生物分子生物分子2.1 生物大分子生物大分子 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（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，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。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。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血红蛋白的空

5、间结构6表表 2 2 1 1 生物分子中的共价键与键能生物分子中的共价键与键能类型类型键能（键能（kj/mol） 类型类型 键能键能*（kj/mol）单键单键 双键双键 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指键断裂所需要的能量 *生物分子中很少见生物分子中很少见7核酸核酸, ,蛋白质和多糖是主要的生物大分子蛋白质和多糖是主要的生物大分子82.2 2

6、.2 类脂类脂 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。子的聚合体。 2.3 2.3 有机小分子有机小分子 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, ,也是合成较也是合成较大分子的前体。大分子的前体。如：如： 核苷酸、氨基酸、葡萄糖核苷酸、氨基酸、葡萄糖 脂肪酸、胆碱、甘油等脂肪酸、胆碱、甘油等9构型异构构象异构立体异构官能团异构位置异构碳链异

7、构构造异构同分异构 3 生物分子的结构10构型异构构型异构几何异构几何异构旋光异构旋光异构对映体对映体非对映体非对映体1112 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。134.4.生命有机体中的化学键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。键、范德瓦尔力、疏水力。 k 氢键（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，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

8、个是氢受体另一个是氢受体 k 范德瓦尔力（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k 疏水力（疏水力（hydrophobic interaction） 非极性分子或基团在水相环境中相互吸引、聚集的作用力非极性分子或基团在水相环境中相互吸引、聚集的作用力 k 离子键（离子键（ionic bonds） 正、负电荷之间的静电引力正、负电荷之间的静电引力 144 4 种非共价作用力的示意图种非共价作用力的示意图 范德瓦尔接触距离范德瓦尔接触距离 155.5.生物能量

9、学生物能量学 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：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。程，阐明能量的转换和交流的基本规律。 体内能量的产生、转移和利用体内能量的产生、转移和利用16自由能（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。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。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

10、的能量称为自由能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）体系可做功的能量（自由能）= 体系总能量体系总能量 不被利用做功的能量不被利用做功的能量表示为表示为: g = h st h表示体系的总能量（焓值）；表示体系的总能量（焓值）；st表示不能被利用做功的能量，表示不能被利用做功的能量，s为熵值，为熵值，t为绝对温度，那么体系可做功的能量等于为绝对温度，那么体系可做功的能量等于h st，称为自由能，用，称为自由能，用g表示表示. 自由能自由能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

11、时，自由能的改变为：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。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。以推动原本不能进行的反应。 葡萄糖葡萄糖 + + 磷酸磷酸 葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸磷酸 （耗能，（耗能

12、，g0g0，为，为 14 kj/mol14 kj/mol）atp adp + pi atp adp + pi （放能，（放能，g0g0，为，为 -31 kj/mol-31 kj/mol）葡萄糖葡萄糖 + atp + atp 葡萄糖葡萄糖-6-6-磷酸磷酸 + adp + adp （放能，（放能，g0g0，为，为 -17 -17 kj/mol）由葡萄糖激酶催化的反应由葡萄糖激酶催化的反应18 atp atp是自由能的直接供体，它的作用犹如货币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一样在体内使用和流通，因此人们将它形象地称为为“通用能量货币通用能量货币（ge

13、neral currency of energy）”。 细胞是一个高效率的能量转换器细胞是一个高效率的能量转换器, ,生命有机体生命有机体中的能量转换是通过电子流动来实现的。中的能量转换是通过电子流动来实现的。196.6.水和生命水和生命水是生命有机体中含量最多的物质，一般占体重的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。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。水分子是极性分子，既是氢键的受体，又是氢键的供体。水分子

14、的极性和形成氢键的能力使其具有高度反应性。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（水有高的介电常数（80），因此是众多反应物的优良的），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。溶剂，使其自由扩散或发生相互作用。没有水就没有生命。没有水就没有生命。20水溶液中的离子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竞争羰基氧与亚氨基氮之间的氢键水分子结构图水分子结构图21水循環226.细胞的分子组织层次 prokaryotic cells eukaryotic cells2324257.生物分子的起源与进化（1 1）神创论）神创论上帝创造万物，最

15、后造成人。上帝创造万物，最后造成人。 它将生命起源这一科学命题划入神学领域，是不科学它将生命起源这一科学命题划入神学领域，是不科学的。的。（2 2）灾变论）灾变论每一次灾变后，旧生物被毁没，新每一次灾变后，旧生物被毁没，新 的生物又被上帝重新创造出来。的生物又被上帝重新创造出来。（3 3）自然发生论）自然发生论生物是从非生物环境中自然发生出来生物是从非生物环境中自然发生出来的。的。 如：腐草化萤、腐肉生蛆、淤泥生鼠如：腐草化萤、腐肉生蛆、淤泥生鼠26277.2 7.2 生命的化学进化生命的化学进化 甲烷、氨、硫化氢、氰化氢、水蒸汽甲烷、氨、硫化氢、氰化氢、水蒸汽等等等等 紫外线紫外线 太阳辐射

16、太阳辐射 提供能量提供能量 闪闪 电电 火山爆发火山爆发 合成一些简单的合成一些简单的 光、热光、热 雷鸣电闪雷鸣电闪 有机化合物有机化合物 有机酸、氨基酸、核苷酸、单糖、脂类有机酸、氨基酸、核苷酸、单糖、脂类等等等等支持证据支持证据：19531953年美国芝加哥大学研究生年美国芝加哥大学研究生s.millers.miller（米勒）（米勒）的模拟试验。的模拟试验。 19691969年年9 9月月澳大利亚麦启逊澳大利亚麦启逊落下一块陨石，从碎片成份分析落下一块陨石，从碎片成份分析中找到氨基酸、嘧啶、脂酸等。中找到氨基酸、嘧啶、脂酸等。28（2 2）. .从有机小分子合成生物大分子从有机小分子合

17、成生物大分子 在原始海洋的岸边、岩石、粘土的表层或像在原始海洋的岸边、岩石、粘土的表层或像湖泊样的小水体中，湖泊样的小水体中，氨基酸、核苷酸氨基酸、核苷酸等有机小分等有机小分子沉积，吸收能量，通过子沉积，吸收能量，通过溶液聚合或浓缩聚合溶液聚合或浓缩聚合的方的方式生成原始的式生成原始的蛋白质、核酸蛋白质、核酸等生物大分子。等生物大分子。美国福克斯（美国福克斯（f.fox)f.fox)试验证实：试验证实： 将氨基酸混合物倾倒在将氨基酸混合物倾倒在160160o oc200c200o oc c的热砂或的热砂或粘土上，水分蒸发，氨基酸浓缩并化合生成类蛋粘土上，水分蒸发，氨基酸浓缩并化合生成类蛋白质分

18、子。白质分子。29（3 3）. .从生物大分子生成多分子体系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非细胞形态原始生命的诞生蛋白起源说（蛋白起源说（奥巴林的团聚体学说）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，这就是一起时，可形成团聚体小滴，这就是多分子体系多分子体系，它，它具有一定的生命现象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。能通过它的外膜而选择性的吸收周围的物质。 混合混合 白明胶（蛋白质）阿拉伯胶（多糖）白明胶（蛋白质）阿拉伯胶（多糖） 团聚体（小滴）团聚体（小滴）30 福克斯的微球体学说福克斯的微球体学说： 类蛋白质类蛋白质 微球体微球体 浓缩浓缩31微球体的性质微球体的性质32（4 4）. .从多分子体系进化为原始生命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），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，如果具备以下特征的综合，那么，原始生命原始生命就诞就诞生了。生了。 3334 dna rna 蛋白质体系的可能进化过程：蛋白质体系的可能进化过程： rna rna dna rna 蛋白质蛋白质 蛋白质蛋白质 35（5 5）. .从原始生命进化到原始细胞从原始生命进化到原始细胞出现原始的