第01章生命的化學特征ppt課件

1、本章主要內(nèi)容本章主要內(nèi)容4生命物質(zhì)的化學組成生命物質(zhì)的化學組成4生物分子的三維結(jié)構(gòu)生物分子的三維結(jié)構(gòu)4生命有機體中的化學鍵生命有機體中的化學鍵4生物化學反應(yīng)的能量來源生物化學反應(yīng)的能量來源4水在生命化學過程中的作用水在生命化學過程中的作用 4細胞的分子組織層次細胞的分子組織層次4生物分子的起源與進化生物分子的起源與進化1.1.生命中的元素生命中的元素 生命與非生命物質(zhì)在化學組成上有很大的差異，然而組成生命物質(zhì)生命與非生命物質(zhì)在化學組成上有很大的差異，然而組成生命物質(zhì)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。 元素周期表中各種元素在生命機體中的豐度元素周期表中各種元素在生命

2、機體中的豐度 F氫、氧、碳和氮氫、氧、碳和氮F硫和磷硫和磷 F鉀、鈉、氯、鈣與鎂鉀、鈉、氯、鈣與鎂F其他微量元素其他微量元素 硫和磷硫和磷 可以形成相對比較弱的化學鍵，在化學基團和能量轉(zhuǎn)移中有重要作用，如巰可以形成相對比較弱的化學鍵，在化學基團和能量轉(zhuǎn)移中有重要作用，如巰基基-SH用于攜帶和轉(zhuǎn)移脂?；?，磷酰基用于貯存和轉(zhuǎn)移化學能用于攜帶和轉(zhuǎn)移脂酰基，磷?；糜谫A存和轉(zhuǎn)移化學能鉀、鈉、氯、鈣、鎂鉀、鈉、氯、鈣、鎂 維持細胞滲透壓、細胞容積、離子平衡、細胞膜電位維持細胞滲透壓、細胞容積、離子平衡、細胞膜電位 鈉、鉀離子鈉、鉀離子 神經(jīng)肌肉正常興奮性，糖原合成和蛋白質(zhì)代謝神經(jīng)肌肉正常興奮性，糖原合成

3、和蛋白質(zhì)代謝 鎂離子是鎂離子是300多種酶的輔因子多種酶的輔因子 鈣離子是骨骼的主要成分，參與廣泛的細胞生理活動，如物質(zhì)的轉(zhuǎn)運與分泌，鈣離子是骨骼的主要成分，參與廣泛的細胞生理活動，如物質(zhì)的轉(zhuǎn)運與分泌，血液凝血液凝固，是細胞信號傳導(dǎo)的第二信使等固，是細胞信號傳導(dǎo)的第二信使等其他的微量元素其他的微量元素 主要有鐵與銅主要有鐵與銅 化學價可變化學價可變Cu2+/ Cu+ ， Fe3+/ Fe2+），在生物氧化過程中），在生物氧化過程中作為電子遞體，是許多酶的輔因子。還有作為電子遞體，是許多酶的輔因子。還有Zn 2+，Mn 2+ ，Mo 2+ 和和I 等也有等也有重要生理功能。重要生理功能。2.2.

4、生物分子生物分子2.1 生物大分子 參與生命有機體活動的許多分子是非常巨大的，我們把生物機體中這些參與生命有機體活動的許多分子是非常巨大的，我們把生物機體中這些巨大的分子稱為生物大分子巨大的分子稱為生物大分子biological macromolecules）。）。生物大分子通過組成它們的單體之間的生物大分子通過組成它們的單體之間的非共價相互作用，形成特定的空間結(jié)構(gòu)，非共價相互作用，形成特定的空間結(jié)構(gòu)，從而具有了不同的生物學功能。從而具有了不同的生物學功能。 生物大分子是表現(xiàn)生命特征的基本物質(zhì)。生物大分子是表現(xiàn)生命特征的基本物質(zhì)。 血紅蛋白的空間結(jié)構(gòu)血紅蛋白的空間結(jié)構(gòu)表表 2 2 1 1 生物

5、分子中的共價鍵與鍵能生物分子中的共價鍵與鍵能類型類型鍵能（鍵能（kJ/mol） 類型類型 鍵能鍵能*（kJ/mol）單鍵單鍵 雙鍵雙鍵 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 三鍵三鍵* C-C 346 CC 813 S-H 338 C-N 297 C-S 258 N-O 220 S-S 212*指鍵斷裂所需要的能量指鍵斷裂所需要的能量 *生物分子中很少見生物分子中很少見核酸核酸, ,蛋白質(zhì)和多糖是主要的生物大分子蛋白質(zhì)和多糖是主要的生物大分子2.2 2.2 類脂類脂 類脂如磷脂是富含碳氫元

6、素的一族生物小分子，其在水溶液中溶解性較差、兼具親水和親脂特性。細胞的膜結(jié)構(gòu)就是大量磷脂分子的聚合體。 2.3 2.3 有機小分子有機小分子 細胞中還存在許多具有獨特功能的有機小分子物質(zhì)細胞中還存在許多具有獨特功能的有機小分子物質(zhì), ,也是合成較也是合成較大分子的前體。大分子的前體。如：如： 核苷酸、氨基酸、葡萄糖核苷酸、氨基酸、葡萄糖 脂肪酸、膽堿、甘油等脂肪酸、膽堿、甘油等構(gòu)型異構(gòu)構(gòu)象異構(gòu)立體異構(gòu)官能團異構(gòu)位置異構(gòu)碳鏈異構(gòu)構(gòu)造異構(gòu)同分異構(gòu) 3 生物分子的結(jié)構(gòu)構(gòu)型異構(gòu)構(gòu)型異構(gòu)幾何異構(gòu)幾何異構(gòu)旋光異構(gòu)旋光異構(gòu)對映體對映體非對映體非對映體 一定構(gòu)象的分子就是具有一定三維結(jié)構(gòu)的分子。 許多生物分子

7、間相互作用具有立體專一性。4.4.生命有機體中的化學鍵生命有機體中的化學鍵 在生物大分子之間主要存在的非共價的相互作用力包括氫鍵、離子在生物大分子之間主要存在的非共價的相互作用力包括氫鍵、離子鍵、范德瓦爾力、疏水力。鍵、范德瓦爾力、疏水力。 k 氫鍵氫鍵hydrogen bondshydrogen bonds） k 由兩個原子來分享一個氫原子，具有高度定向性，一個由兩個原子來分享一個氫原子，具有高度定向性，一個是氫供體，是氫供體，k 另一個是氫受體另一個是氫受體 k 范德瓦爾力范德瓦爾力Van der Waals bondsVan der Waals bonds）k 一定距離內(nèi)的原子之間通過偶

8、極發(fā)生的相互作用，本質(zhì)一定距離內(nèi)的原子之間通過偶極發(fā)生的相互作用，本質(zhì)上也是靜電引力上也是靜電引力k 疏水力疏水力hydrophobic interactionhydrophobic interaction）k 非極性分子或基團在水相環(huán)境中相互吸引、聚集的作用非極性分子或基團在水相環(huán)境中相互吸引、聚集的作用力力 k 離子鍵離子鍵ionic bondsionic bonds）k 正、負電荷之間的靜電引力正、負電荷之間的靜電引力 4 4 種非共價作用力的示意圖種非共價作用力的示意圖 范德瓦爾接觸距離范德瓦爾接觸距離 5.5.生物能量學生物能量學 生物能量學生物能量學bioenergetics）：研

9、究生命有機體傳遞和消耗能量的過）：研究生命有機體傳遞和消耗能量的過程，闡明能量的轉(zhuǎn)換和交流的基本規(guī)律。程，闡明能量的轉(zhuǎn)換和交流的基本規(guī)律。 體內(nèi)能量的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移和利用體內(nèi)能量的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移和利用自由能自由能free energy） 能量總是從能態(tài)較高的物體流向能態(tài)較低的物體。這些過程都是自發(fā)的。凡是自發(fā)的過程，都有能量的釋放，而且其中一部分可以用來帶動非自發(fā)的過程。 自發(fā)過程中能用于做功的能量稱為自由能. 體系可做功的能量自由能）= 體系總能量 不被利用做功的能量表示為: G = H ST H表示體系的總能量焓值）；ST表示不能被利用做功的能量，S為熵值，T為絕對溫度，那么體系可做功的能量等于H

10、 ST，稱為自由能，用G表示. 自由能G是一個狀態(tài)函數(shù)。在等溫等壓條件下，體系從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時，自由能的改變?yōu)椋?G = H S T 在自發(fā)過程中，自由能的改變?yōu)樨撝? 表示釋放的自由能可以用來做功。而在非自發(fā)過程中，其變化是正值，表示這種改變要從外界輸入能量才能實現(xiàn)。 能量偶聯(lián)反應(yīng)能量偶聯(lián)反應(yīng) 在生命有機體中一個放能的反應(yīng)可以與一個耗能的反應(yīng)偶聯(lián)在生命有機體中一個放能的反應(yīng)可以與一個耗能的反應(yīng)偶聯(lián)以推動原本不能進行的反應(yīng)。以推動原本不能進行的反應(yīng)。 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，G0G0，為，為 14 kJ/mol14 kJ/mo

11、l）ATP ADP + Pi ATP ADP + Pi （放能，（放能，G0G0，為，為 -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，為，為 -17 kJ/mol-17 kJ/mol）由葡萄糖激酶催化的反應(yīng)由葡萄糖激酶催化的反應(yīng) ATP ATP是自由能的直接供體，它的作用猶如貨幣一樣在體內(nèi)使用和流通，因此人們將它形象地稱為“通用能量貨幣general currency of energy）”。 細胞是一個高效率的能量轉(zhuǎn)換器,生命有機體中的能量轉(zhuǎn)換是通過電子流動來實現(xiàn)的。6.6.

12、水和生命水和生命水是生命有機體中含量最多的物質(zhì)，一般占體重的水是生命有機體中含量最多的物質(zhì)，一般占體重的60%-70%。水有自由水和結(jié)合水，前者流動性大，含量可變，后者水有自由水和結(jié)合水，前者流動性大，含量可變，后者主要存在在膠體中，相對穩(wěn)定。主要存在在膠體中，相對穩(wěn)定。水分子是極性分子，既是氫鍵的受體，又是氫鍵的供體。水分子是極性分子，既是氫鍵的受體，又是氫鍵的供體。水分子的極性和形成氫鍵的能力使其具有高度反應(yīng)性。水分子的極性和形成氫鍵的能力使其具有高度反應(yīng)性。水有高的介電常數(shù)水有高的介電常數(shù)80），因此是眾多反應(yīng)物的優(yōu)良的），因此是眾多反應(yīng)物的優(yōu)良的溶劑，使其自由擴散或發(fā)生相互作用。溶劑，

13、使其自由擴散或發(fā)生相互作用。沒有水就沒有生命。沒有水就沒有生命。水溶液中的離子水溶液中的離子水分子競爭羰基氧與亞氨基氮之間的氫鍵水分子競爭羰基氧與亞氨基氮之間的氫鍵水分子結(jié)構(gòu)圖水分子結(jié)構(gòu)圖水循環(huán)6.細胞的分子組織層次 Cells are the structural and functional units of all living organisms. Cells: Prokaryotic cells Eukaryotic cells7.生物分子的起源與進化7.2 7.2 生命的化學進化生命的化學進化9 9成份分析中找到氨基酸、嘧啶、脂酸等。成份分析中找到氨基酸、嘧啶、脂酸等。（2 2）.

14、 .從有機小分子合成生物大分子從有機小分子合成生物大分子 在原始海洋的岸邊、巖石、粘土的表層或像在原始海洋的岸邊、巖石、粘土的表層或像湖泊樣的小水體中，氨基酸、核苷酸等有機小分湖泊樣的小水體中，氨基酸、核苷酸等有機小分子沉積，吸收能量，通過溶液聚合或濃縮聚合的方式生成原始的蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子。子沉積，吸收能量，通過溶液聚合或濃縮聚合的方式生成原始的蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子。美國?？怂姑绹？怂笷.FOX)F.FOX)試驗證實：試驗證實： 將氨基酸混合物傾倒在將氨基酸混合物傾倒在160oC200oC160oC200oC的熱砂或粘土上，水分蒸發(fā)，氨基酸濃縮并化合生成類蛋白質(zhì)的熱砂或粘土上，水

15、分蒸發(fā)，氨基酸濃縮并化合生成類蛋白質(zhì)分子。分子。（3 3）. .從生物大分子生成多分子體系從生物大分子生成多分子體系- -非細胞形態(tài)原始生命的誕生非細胞形態(tài)原始生命的誕生蛋白起源說奧巴林的團聚體學說）蛋白起源說奧巴林的團聚體學說） 生物大分子主要是蛋白質(zhì)溶液和核酸溶液，生物大分子主要是蛋白質(zhì)溶液和核酸溶液，合在合在一起時，可形成團聚體小滴，這就是多分子體一起時，可形成團聚體小滴，這就是多分子體系，它系，它具有一定的生命現(xiàn)象具有一定的生命現(xiàn)象能通過它的外膜而選擇性的吸收周圍的物質(zhì)。能通過它的外膜而選擇性的吸收周圍的物質(zhì)。 混合混合 白明膠蛋白質(zhì)）阿拉伯膠多糖）白明膠蛋白質(zhì)）阿拉伯膠多糖） 團團聚

16、體小滴）聚體小滴） ?？怂沟奈⑶蝮w學說?？怂沟奈⑶蝮w學說微球體的性質(zhì)微球體的性質(zhì)（4 4）. .從多分子體系進化為原始生命從多分子體系進化為原始生命 無論哪一種多分子體系團聚體或微球體），無論哪一種多分子體系團聚體或微球體），如果具備以下特征的綜合，那么，原始生命就誕如果具備以下特征的綜合，那么，原始生命就誕生了。生了。 DNA RNA 蛋白質(zhì)體系的可能進化過蛋白質(zhì)體系的可能進化過程：程： RNA RNA DNA RNA 蛋蛋白質(zhì)白質(zhì) 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) （5 5）. .從原始生命進化到原始細胞從原始生命進化到原始細胞出現(xiàn)原始的細胞膜出現(xiàn)原始的細胞膜 原始祖細胞類似于今天的小的支原體。原始祖細胞類似于今天的小