考研科目,動物生物化學 第2章 生命的化學特征

第2章生命的化學特征ChemicalPropertiesofLife1本章主要內(nèi)容1.組成生命有機體的元素2.生物大分子3.生命有機體中的化學鍵4.生物能量學5.水在生命化學中的作用

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重點與難點：生物大分子與化學鍵生物能量學

31.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)的元素都是存在于非生命界的元素。

天然存在的90多種大約30多種是生命所必須的。

4是組成生命體最基本的元素，生命體總質(zhì)量的99％，是構(gòu)成糖類、脂類、蛋白質(zhì)和核酸的主要元素。外層軌道上有一個或1個以上未成對電子，可以形成單鍵、雙鍵和三鍵。

（1）C、H、O和N56生物分子中的共價鍵與鍵能類型鍵能（kJ/mol）類型鍵能*（kJ/mol）單鍵雙鍵

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**

C-C

346

C≡C

813

S-H

338

C-N

297

C-S

258

N-O

220

S-S

2127（2）S和P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。

巰基（-SH）:用于攜帶和轉(zhuǎn)移脂酰基。

三磷酸酰苷（ATP）：用于貯存和轉(zhuǎn)移化學能。8維持細胞滲透壓、細胞容積、離子平衡、細胞電位。

Na＋、K＋離子：滲透壓的平衡，神經(jīng)肌肉正常興奮性，糖原合成和蛋白質(zhì)代謝。

Mg＋：300多種酶的輔因子。

Ca2＋：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，血液凝固，是細胞信號傳導的第二信使等。（3）K、Na、Cl、Ca、Mg9

主要有鐵與銅：化學價可（Cu2+/Cu+

，F(xiàn)e3+/Fe2+），在生物氧化過程中作為電子遞體，是許多酶的輔因子。

（4）其它的微量元素102生物分子（biologicalmacromolecules）（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巨大的分子稱為生物大分子。血紅蛋白的空間結(jié)構(gòu)11

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)，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)。

12（2）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),也是合成較大分子的前體。核苷酸、氨基酸、葡萄糖脂肪酸、膽堿、甘油等13（3）核酸、蛋白質(zhì)和多糖等主要生物大分子14蛋白質(zhì)的功能催化功能結(jié)構(gòu)組成儲存運輸功能運動功能防御功能營養(yǎng)功能調(diào)節(jié)功能遺傳信息15（4）類脂

類脂（如磷脂）是富含碳氫元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。

16173.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、離子鍵、范德瓦爾力、疏水力。

（1）氫鍵（hydrogenbonds）：

存在于帶電荷的和不帶電荷的分子之間。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（O、N），另一個是氫受體（帶部分負電荷）。18（2）離子鍵（ionicbonds）正、負電荷之間的靜電引力（3）范德瓦爾力（VanderWaalsbonds）一定距離內(nèi)（0.3-0.4nm）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。19（4）疏水力（hydrophobicinteraction）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。蛋白質(zhì)折疊、生物膜形成、酶對底物的催化。（5）二硫鍵（disulfidebond）

指2個硫原子之間的共價鍵，對穩(wěn)定蛋白質(zhì)的構(gòu)象起重要作用。204種非共價作用力的示意圖

21224.生物能量學（bioenergetics）

生物能量學：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。氧化方式吸收能量太陽光吸收能量

23(1)自由能自由能（G）:指在一個體系的總能量中，在恒溫恒壓條件下能夠做功的那一部分能量。

自由能是一種狀態(tài)函數(shù)，但變化（ΔG）:AB

ΔG=GB–

GA

ΔG<0，放能，可以做功，自發(fā)進行。

ΔG>0，吸能，非自發(fā)進行，必須供能才能進行。

ΔG=0，平衡狀態(tài)。24體內(nèi)能量的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)移和利用25

分解代謝釋放的能量并不能直接被細胞利用，必須經(jīng)一類高能物質(zhì)，其中最主要的是ATP暫時儲存（能量載體和遞體）起來，用于細胞的生命活動。細胞直能接利用的是腺苷三磷酸(ATP)中所儲存的能量。（2）ATP（腺苷三磷酸）26

ATP在3個磷酸基團中含有兩個磷酸酐鍵，成為高能分子AMP2HHOCCN-OHOHHHOHHOCH2OO-OOOP--POOOPOCNCHHCCNNNαβγATPADP（A-P~P~P），~~-27

ATP的水解

①

ATP的三個磷酸基團，使它pH7.0時帶有4個負電荷（ATP4－），由負電荷相距較近，形成斥力，使磷?；鶊F易于水解。

ATP水解ADP和Pi，AMP和PPi28

②

當ATP水解為ADP3-和HPO42-時，斥力得到緩和，電子可降到最低能水平而促使ATP釋放較多的自由能（共振穩(wěn)定性）。ATP＋H2OADP

+PiATP具有較高的磷酸基團轉(zhuǎn)移潛勢29

ATP+UDPADP+UTP（三磷酸尿苷）ATP+CDPADP+CTP（三磷酸胞苷）ATP+GDPADP+GTP（三磷酸鳥苷）有一些反應需要UTP、CTP和GTP3031

ATP循環(huán)

ATP是生物界普遍使用的供能物質(zhì)，有“通用貨幣”（generalcurrencyofenergy）之稱。

ATP水解為ADP并供出能量之后，又可通過氧化磷酸化重新合成，從而形成ATP循環(huán)。

32ATP循環(huán)ATP

ADP

肌酸

磷酸肌酸

氧化磷酸化底物水平磷酸化

~P

~P

機械能(肌肉收縮)滲透能(物質(zhì)主動轉(zhuǎn)運)化學能(合成代謝)電能(生物電)熱能(維持體溫)33

在生命有機體中一個放能的反應可以與一個耗能的反應偶聯(lián)以推動原本不能進行的反應。

葡萄糖+磷酸葡萄糖-6-磷酸（耗能,ΔG>0,為

14kJ/mol）ATPADP+Pi（放能,ΔG<0,為-31kJ/mol）葡萄糖+ATP葡萄糖-6-磷酸+ADP（放能,ΔG<0,為-17kJ/mol）（3）能量偶聯(lián)反應34（4）細胞是一個高效率的能量轉(zhuǎn)換器

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。光合細胞非光合細胞35

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，后者主要存在在膠體中，相對穩(wěn)定。

（5）水是生命的介質(zhì)

36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性。

37水有高的介電常數(shù)（80），因此是