生命的化学特征

水分子结构图
水分子竞争羰基氧与亚氨基氮之间的氢键
19
水循環
20
6.细胞的分子组织层次
元素周期表中各种元素在生命机体中的丰度 2
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
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
12
4 种非共价作用力的示意图
范德瓦尔接触距离 13
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。
8
构型异构
几何异构
旋光异构
对映体
非对映体
9
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。
10
▪ 一定构象的分子就是具有一定三维结构的 分子。
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。
18
水溶液中的离子
由葡萄糖激酶催化的反应
16
ATP
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）”。
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。
17
6.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 60%-70%。
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。
3
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（biological macromolecules）。
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
1
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。
氢、氧、碳和氮 硫和磷 钾、钠、氯、钙与镁 其他微量元素
类型
双键
458
C=O
433
C=N
416
C=C
413
P=O
350
三键**
346
C≡C
338
297
258
220
212
*指键断裂所需要的能量 **生物分子中很少见
键能* （kJ/mol）
708 612 608 500 813
5
核酸,蛋白质和多糖是主要的生物大分子
6
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
体内能量的产生、转移和利用
14
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:
▪ 许多生物分子间相互作用具有立体专一性。
11
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（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）
G = H – S∙T
H表示体系的总能量（焓值）；S∙T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 – S∙T，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：
ΔG = ΔH – ΔS ∙ 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。
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 4
类型
单键 O-H H-H P-O C-H C-O C-C S-H C-N C-S N-O S-S
表 2-1 生物分子中的共价键与键能
键能（kJ/mol）
15
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 ATP
葡萄糖-6-磷酸 （耗能，ΔG>0，为 14 kJ/mol） ADP + Pi （放能，ΔG<0，为 -31 kJ/mol）
葡萄糖 + ATP
葡萄糖-6-磷酸 + ADP （放能，ΔG<0，为 -17 kJ/mol）
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
7
3 生物分子的结构
碳链异构
同 构