生物体系中特殊化学键与能量

一
,
也是 一 种 高能键
。
眺一
△
一
一
一
从 分子 结构 入 手 用 生 物 热力 学 的观 点 来 阐 明 物 来 说是 至 关 重要 的 接 受能量 并 传至 其它
十 分 曲折 的
,
的 意义
,
。
结 构 的 复 杂 性 对生
, ,
。
在 磷酸基 潜在地 保持 着高 自 由能 的 同时 腺 贰基 部 分发 出 强 的 萤光
列 出 这 些 化 合 物 及 能量
表
具 有 高 能 键化 合物 及 水解 自 由能
自由 能
一
化 合物水 解
△
・
一
玩 一
乙 酞基 二
冶
仇
一
姚 冲
肌 酸 磷酸
焦磷 酸
珑 一肌 酸
十
玩
一 烯 醇丙 酮 酸
磷 酸 烯醇 丙酮 酸
一
认
磷 酸甘 油 酸
,
磷酸 甘 油酸
,
一
一
磷酸
十
线 一
一
眺
一 一
同 样 应用
定 律热力 学计 算证 明 硫 醋 键 一
,
,
。
具有 部 分 磷 酸基 乙 酞基
。
、
等化 学键 的 化合 物 加 水 分解 使 之 断开 转 移 至 其 它 分 子时 自由 能 的变 化 是 很 大 的
用 符号
一
,
习惯上
。
把 这 种 随 着 水解 反 应 或 基 团转 移反 应 的发 生 可 放 出大 量 自由能 的 化 学 键 叫做 高 能 键
玩
. 18 4
. 14 2 . 29 4 . 13 8
. 19 2
C
C H 3N H z H F H C N
3
疏水键
在讨 论 金属 离 子 与 蛋 白质 的 相 互 作用 按 照 氨 基 酸 残 基 的 配位 能力 可 把 氨基 酸分 为若
,
,
干类 其 中 一 类 氨 基 酸 中 残 基 很 象 烃 它 们 没 有 配 位 能 力 属 疏 水 基 团 如 丙 氨 酸 中 (c 玩 )Z c 氏 一 苯丙 氨 酸 (p h ) 中 卜 二 尹 等 若 把醇 脂 肪 酸 氨基 酸 等具 有疏 水 侧链 e H c 侄 H
以 及 疏 水 键 等 非 共 价键
。
同时 生 物 体 系 中还 有 几 种 特 殊 的 化 学 键 如 高 能 键 电 荷 迁 移 键 这些 非共 价 键 作 用 在 生 物 反 应 中 酶 的 活 性 选 抖 性 上 都 有 密切 的
、 、
,
,
,
。
关系
。
高能 键
在 生 物 体 内的 能 量 转换 反 应 中 高能 键 是最 重要 的 概 念 之 一
,
。
分 子 中 腺 嚷 吟碱 基 和 核 糖 部 分 几 乎是 垂 直 整 个 磷 酸 部 分 是
。
一
,
一
,
一
中碳 原 子 在键 角 所 允 许 的 范 围 内 可 以 自由旋 转 每 当 呈 卷
,
曲 形 时 末 端磷 酸基 的 两 个
,
基 就 可 与腺 贰 基 的
及
原子 接 近 发 生 水 解 转 移
结 构 以 及 活 性 等生 物 反应 中 的 重 要 性
。
诸 如 高能 健 氢键 疏 水 键 电 荷 迁
,
、
、
移 健 等 从 热 力 学的 观 点 讨 论 了 这 些 特 殊 化 学键 在 生 物 体 系 中能 量代谢 贮 藏 释放
关键词
,
生 物热 力学
氢健
非 共 价键
紧 密堆 积
在 化 学 键 中 原 子 间 由 于 形 成 正 负 离 子 靠静 电引 力 结 合 的 离 子 键 和原 子 间 自旋 方 向 相
。
,
。
正如
,
∀ ∃ ! # 在 其著 作 《 学 键 的本 质 》 书 中 所 阐 述 那 样 氢 键 则 是 唯 一 强 而有 方 向性 又 能很 化 一
快生 效 的分 子 之 间 的 相 互作 用
水是生 物 体 的 主 要 成分
、 、 、 。
氢 键在 生 理 活 性 或 药理 活 性 方 面 起 着 重 要 的 作 用 因 为 这
之 间形 成
鸟嚷 吟
与胞 啥 咤
之 间形 成
分子 间 氮键
分子 间 氢键
表
类
型
典 型氢键 的类型及 键能
一
化 合 物
#
△
键
纯 液体
# !% ! . 14 2 . 19 7
二 聚体 气 体
一
…
H
& N
F
一
…O
…N …F …N
H zO
C H O H 3 N
一 一 一
H H H
!∀ ∃ . 20 9 . 18 8
在蛋 白质 中 氢 键 的 作 用 也 是 十 分 明显 的
。
射 线 衍 射研 究表 明 蛋 白质 中多肤链 的 螺
一
旋结 构 分 子 内 氢 键 是 以
。
,
二
,
为 质子 接 受 体
。
,
为 质子 给 予 体 形 成 的
,
・
・
…
,
如果 分 子 内 不 存在 氢 键 多 肤链 的 旋 转 就 会 变 得 容 易变 形 导 致 分 子 形 态 变化 多样 而 因 此 蛋 白质 中多 肤 链 的 。 螺 旋 的 稳 定 性 就 靠 这 形 成如 同 变 性蛋 白那 样 高 度 的非 晶 质
反 的 成 单 电 子 通 过 共 同 电子 对 结 合 的 共 价 键 这 是 无 机 物 和 有 机 物 中最 主要 的 普 通 键 型
,
。
但在 实 际 分 子 中
,
,
的 离 子 键和
,
的 共 价 键 都 是 不 存 在 的 两 者 没有 绝 对 的 界 限 〔〕
。
,
’
。
故 此 有 人 又 提 出把 离 子 键 配 位键 乃 至 金 属 键 都 可 看作 共 价 键 的 极 端或 特 殊 情 况
溶液
一
T
o △S
溶解
, 。
a r F m
可见 △ s 是 一 个 很 大 的 负 值 说 明疏 水 性 的 经 溶 于 水 时 体 系 的 有 序 性 大 大 增 加 o 和 E v n s 把 此 现 象 看 作 是 溶质 的 烃 分 子 纳人 溶 剂 水 分 子 中 使 之 更 正 规 有 序 排 列 而 a
氯 化 氢 分子 中
, ,
,
例如
,
一一
可 以 认 为 实 际 结 构 是 这 两 种 结构 的 共 振 体 两 种 键 型
,
共振 使体 系稳 定
。
生 物体 系 中除 了 共 价 键 外 生 物 金 属 离 子 与 生 物 配 体 形 成 的 配 位键 对 生 物 配 合 物 的 性
,
质 功 能 有着 重要 的 意 义
。
在
生 物 体 中 为 了 抵消 这 种 高 能键 化 合 物基 团 转 移 大 量 自 由能 的增 加 反 应 伴 有 的 共 扼 反 应 是 必要 的
。
例如 精氨 酸 的磷 酸反应 就 是
,
水解 相配 合 的 共扼 及 应
丽 水 师 专 学报 自然 科 学 版
年
月ห้องสมุดไป่ตู้
‘
丫‘嗬
一
“一
嘴户 竺 “ 马硼 丈吩
。
、 ,
,
,
、
生 命 体生 存 人类 的 生 活 都是 必 不 可 少 的
, , ,
古代 中 国 印 度 人 一 直 把 水 看作 构 成 宇 宙 万 物 的
,
入 体 可 以 在 巧 天 内 不 进食 但 不能 不 喝 水 否 则 生 命 就 会 完 结
,
。
水 不仅 作 最方 便
。
的溶 剂 而 且 至 今 把 多 喝 水作 为 尿结 石 胆 结 石 等 结 石 病 一 种 最 普 通 预 防 和 治疗方 法
第
卷 年
第
期
月
丽 水 师 专 学报 自然 科 学版
肠
生 物 体 系 中特 殊 化 学 键 与 能 量
尹 钦 林
化 学 系 摘
,
要
生 物 热 力 学是 一 个 饶有 兴 趣 的 课 题
。
。
本 文 介 绍 了 与 一 般 化 学体 系 不
、
同 的 生 物 体 系 中几种 特 殊 的 化 学健及 其 能 量
,
种 氢 键 来维 持
。
在 脱氧 核 糖 核 酸 链 中 的腺 嗓 吟
中 氢 键 的重 要 性 更 为突 出
。
,
。
一
・ ・
指 出 脱 氧核 糖 与
,
,
磷酸 交 叉 结 合形 成两 条 配 合极 好 的 主链 双 螺 旋 结 构
与 另 一 条链 的 胸 腺 嗜咤
所示
一
。
双 螺 旋 间 杆 人 碱基 时 且 必 须是 一 条
。
因此 在
。
分子 中 链 间 的
或
一
,
碱 基 , 是遵循
一
一
,
配 对 规律 形 成氢键 把 两 主 链 联 结 起 来
一
一
在生 物 学
‘
,
上将 别 是 遗 传学 中特殊 的重 要 性 都 与氢键 有密 切 的 关 系
氢键 的键 能如 表
键 能 要 小得多
。
一般在
‘,
比离 子 键
一
共价 键
图
腺嗓 吟
与 胸腺 啥 咤
。
,
通 过 电 子 体 系移 向腺 贰 基 再 转 移 到 肌 肉 蛋 白质
在那 里 可 以 认 为是 用 作 收 缩 能
,
。
收 稿 日期
一
一
第 期
的 水 解 量 与 传 递 电子 数 有关
。
尹钦 林
生 物 体 系 中特 殊 化 学键 与 能 量
,
从 这 一 意 义 来 说 与其 称
为能 量 贮 存 库 还 不 如 叫其 为
,
一
个
分 子水 解
。
能 够 使 固 氮 酶 中 的 铝 铁 蛋 白 和 铁 蛋 白发 生 构 象 变化 形 成 一 条 有 利 于 电 子 传 递 的 通 道
、
水 解 放 出 的能 量 可 以 提 高 固氮 酶二 组 分 的 还 原 电 位 实 现 从 铁 蛋 白 到 钥 铁蛋 白 再
。
,
到分 子 氮 的 电 子 传 递
在 固 氮微 生 物 中
。
,
和
离子 按
结合的
,
是实
现 生 物 固 氮反 应 的 必 需 条件 之 一
氢键
在 无 机化 学 中 对作 为一 种 特 殊 的 化 学 键 特 殊 的 分 子 间的 氢 键 以 及 它 的 形 成条 件 性
, ,
质 影 响 已 作 了详 细 的 讨论
、
。
事 实 上 氢键 在 生 物 体 中 的 重 要 性 远 不 至 于 此
一
通过
,
…
和
一
……
・ ・
一
,
・
两 条分 子 间
・
氢键 连 结
、
。
图如
而 乌嘿 吟
。
与胞 嚓 咤
一
之 间通 过
…
…
一
,
……
一
一
‘,
三 条 氢键 配对 结 合 或
根据 实验 测 定
配 对 形成 氢 键 时 放 出 能 量 为
而如 果 是
一
配 对 形 成 氢 键 放 出 能 量 分 别分
幻
一
’,
第 期
一
。
,
,
种 活 性 在 靠 近 这些 小 的 键 能 之处 表 现 得 相 当强 烈
电 常数 大 的 粘度 表 面 张力 蒸 发热 主要 素
。
、
,
由 于 分 子 间 形 成 氢 键 缔 合 水 具 有 相 对 高沸 点 高 熔 点 高 介
℃ 时 密 度 最大 等特 性 这 对 于 保 持美 好 的 大 自然
尹 钦林
生 物 体 系 中特 殊 化 学键 与 能 量
一
’,
均 小于
一
一
配 对 放 出能 量 所 以
一
,
配 对 比较 稳 定
。
同样
,
,
一
配 对 形 成 氢键
可 以 放出
,
,
’,
’
能量 大大 高 于 一
一
,
或
一
配 对 形 成 氢 键 放 出 能 量分 别 为
。
可见
,
,
配 对 形 成 氢 键 才 是 最 稳定 的
,
。
,
,
。
。
、
、
的分 子 放 人 水 中 由 于 烃 系对 水 的 溶 解度 小 其 溶 解 反 应 难 于 自发 进 行 则 △ G
, , ,
’
溶解 > , O
但
实际上 该 过程 是放 热反 应 △ H o 一 根 据 吉 斯 亥 姆 兹 方 程式 ;
,
,
,
溶解 < 0
,
△G o
,
溶解 =
△H o
,
k
形 成 冰山
“
” 。
丽 水 师 专 学报 ( 自然 科 学版 )
1996 年 4 月
。
从 热力 学 观点 看 上 述显 然 是 一 种不 能 自发 的过 程
,
,
,
因 而 溶 质 分 子 的 疏 水 部 分 将 尽量
,
避 免 与 水接 触 把 靠近 的 水 分子 挤 出去 两 者 间 相 互 形 成 一 种 稳 定的 键 我 们 把 这 种 疏 水 性
通常
表示
。
很显 然 生 物 热力 学 中高 能 键 的 涵 义 不 同 于 物 理 化学 中 的 高 能键
一
,
。
中的
键 可 作 为 高 能 键 的 代表
产
一 ,
首先 是
中 四 个 经 基 全 部 离 解 成 四 价负 离 子
,
然后 在
扩 的 激 活下
,
十
,
与肌 球脱 结 合呈 活 化 态
一 一
,
键被 削弱 使得 加 水 分解 而 释放 出大 量 的 自由 能 并立 即
一“
,
’
叭
一
二
‘
上 述 反应 △ 相 配 合 即 可 进行
,
,
所 以 在 标 志下 不 能 单 独 自发 而 与
,
的水 解反 应
精氨 酸
上述 反 应△
一 一 精氨 酸 磷 酸
,
,
十
,
,
表示 在 标 志 下 反 应 物减少 了
生 成物 各 为
达 到 动态 平 衡
。
在 生 物 固 氮过 程 中 固氮 酶 每 传 递 一 对 电 子 给 分 子 氮 就 需 要
,
能量 的 转运 站 更 为确 切
。
其反 应 式 为
占 丫 李 落爆 功
、一 、
・
,
占 占
丫
・
、
‘
呜
一
‘
玲 甲 必 书 肋
十
显 金 屯 州
犷
一
△
。
一
一
‘,
这 与 葡 萄 糖一 一 磷 酸
。
,
一 一
加 水 分解 时 的 △
。
一
比较 大 于 两 倍 以 上 的能量
生 物 体 系 中具 有 高 能键 的 化 合 物 并 不少 见 表