生物化学 生命的化学特征

在自发过程中，ΔG<0, 表示释放的自由能可以用来做功 非自发过程中，ΔG>0, 表示要从外界输入能量才能实现。 图 2-5 体内能量的产生、转移和利用
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2.4.2 三磷酸腺苷，ATP（ademine triphosphate）
ATP的分子结构和高能磷酸键
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）”。
ATP等的分子中的焦磷酸键在水解时 或在转移时，可释放很高的能，大于 30.57kJ/mol，称高能磷酸键。
葡萄糖 + ATP
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2.5 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，含量相对稳定 水分子结构图
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2.1.2 硫和磷（涉及能量代谢过程）
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。
2.1.3 钾、钠、氯、钙和镁
以离子形式存在，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 镁离子是300多种酶的辅因子，特别是一些激酶类 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

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

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得以顺利进行 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 22
没有水就没有生命
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本章小结

构成生命体的元素： C H O N 为主 构成生命有机体的生物分子，特别是生物大分 子特点 （特点：分子巨大；由小分子缩合脱水形成；

如血红蛋白，铁离子价态变化是体内运输O2所必须具备的
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特点一：庞大
构成
这些生物大分子是不是就是自然存在的？× 按照模式化的程序构成 1）各类元素 2）生物大分子 生物小分子
单体之间的非 共价相互作用
缩合 脱水
可以说，细胞内一系列的生命活动，最终都是通过生物 大分子才得以体现。 生物大分子是表现生命特征的基本物质
2.4.3 能量偶联反应
在生命有机体中一个放能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。 ATP以偶联方式推动体内的非自发反应
葡萄糖 + 磷酸 ATP 葡萄糖-6-磷酸 （耗能，ΔG>0，为 14 kJ/mol） ADP + Pi （放能，ΔG<0，为 -30.56 kJ/mol） 葡萄糖-6-磷酸 + ADP （放能，ΔG<0，为 -16.56 kJ/mol） 由葡萄糖激酶催化的反应
由两个其他原子来分享一个氢原子。具有高度定向性，一个是氢供体 (与 H连接紧密)，另一个是氢受体。 二级结构的维持 离子键（ionic bonds） （ 5.9 KJ/mol, 最适静电引力距离0.28 nm） 正、负电荷之间的静电引力 形成
三者直线时， 氢键最强
疏水相互作用力 离子键
范德华力
范德瓦尔接触距离
生命有机体中的化学键 生物分子 生物化学反应的能量来源 水在生命化学过程中的作用
3 图2-1 元素周期表中各种元素在生命机体中的丰度 4
其他微量元素： Al、 As、B、 Br、 Cr、F、Ga、 I、 Mo、 Se、 Si等
2.1.1 氢、氧、碳和氮
类型 单键
最为丰富，加起来超过了细胞物质总量的99%（原子总量百分比），是构 成糖类、脂类、蛋白质和核酸的主要元素
表 2-1 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
键能 * （ kJ/mol ） 类型 双键 458 433 416 413 350 346 338 297 258 220 212 C=O C=N C=C P=O 三键** C ≡C 813 708 612 608 500 键能 * （ kJ/mol ）
生物大分子 特定的空间结构
蛋白质——血红蛋白 元素组成 生物小分子
从而形成具有了不同生物学功能的生物大分子 每种生物大分子的空间构型都是不一样的，正是因为其空 间构型的不同，才导致其在生命有机体中起到不同的作用。
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生物大分子 功能
血红蛋白的空间结构
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2.2.2 生物小分子
核酸,蛋白质和多糖是主要的生物大分子 类脂（如磷脂）——（双亲分子） 是富含碳氢元素的一族生物小分子 特点：水溶液中溶解性较差、兼具亲水和亲脂特性 功能：形成基本的膜结构 有机小分子 具有独特功能,同时，也是合成较大分子的前体。
在生物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、
一定距离内的原子之间通过偶极发生的相互作用形成（本质上是静电引力） 有作用距离要求，且不表现为一种作用力

疏水力（hydrophobic interaction） （ 0-60 ° C，大小随温度上升） 非极性分子或基团在水相环境中相互吸引、聚集的作用力

生物化学
动物生物化学实验
用化学的理论和方法研究生命有机体物质的化学组成、 分子结构、功能及在生命活动过程中化学变化规律的科学。
第2章 生命的化学特征
动物医学院生化组
1、哪些物质构成了生命有机体？元素组成如何？ 2、各类物质在构成生命有机体时比例如何？ 3、各类物质形成生命有机体靠哪些力来维持特定的 空间结构？ 4、生命有机体内一系列代谢能量的来源？
O-H H-H P-O C-H C-O C-C S-H C-N C-S N-O

特点：
1）原子序数较小，轻的元素 2）互相之间易共用1对、2对或3对电子，形成稳定的共价键 3）互相之间依赖单、双或叁键形成各种各样分子形式
多种 C骨架，构成了生命有机体大分子的结构基础
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S-S
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单键为主，存在少部分双键，三键几乎很少见。
机体生物学功能的主要执行者）

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生物有机体中非共价键作用力 ：4类 生物能量学能量如何产生？机体中有何作用？
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如：核苷酸、氨基酸、葡萄糖 脂肪酸、胆碱、甘油等来自百度文库
图 2-4 生物大分子
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2.3 生物体系中的非共价作用力
范德瓦尔力、疏水力。 氢键（hydrogen bonds） （4-13 KJ/mol）
C-H共价键能 413 KJ/mol
范德瓦尔力（Van der Waals
bonds）（距离0.3-0.4 nm, 2-4 KJ/mol ）
氢键
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不同生物分子的空间结构，并不一定只是一种作用力维持，可能是多种 作用力共同发挥作用
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2.4 生物能量学
生命有机体，必须通过一个做功的形式才能维持其生存、繁殖。
2.4.1 自由能（free energy）
根据能量第一、第二定律，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。
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巯基-SH用于携带和转移脂酰基；磷酸基用于贮存和转移化学能
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2.1.4 其他的微量元素
主要以铁与铜为典型，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
2.2 生物分子
2.2.1 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。 • 大肠杆菌中的DNA分子质量达到2.2×109道尔顿 • 蛋白质分子的平均分子量为5.0×104道尔顿
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本章主要内容
邹思湘《动物生物化学》： §2 Lehninger Principle of Biochemistry: §1, §2
2.1 生命中的元素
构成生命的元素有30多种 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。

组成生命有机体的元素
第一类元素： C、H、O和N 第二类元素： S、P 第三类元素: Cl、 Ca、 K、 Na和Mg 第四类元素： Fe3+、Cu2+、 Co、 Mn和Zn
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。
自发过程中能用于做功的能量称为自由能（G）.
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:
一种状态时，
G = H – S∙T ΔG = ΔH – ΔS ∙ T
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