《生命的化学特征》ppt课件

1、本章主要内容本章主要内容4生命物质的化学组成生命物质的化学组成4生物分子的三维构造生物分子的三维构造4生命有机体中的化学键生命有机体中的化学键4生物化学反响的能量来源生物化学反响的能量来源4水在生命化学过程中的作用水在生命化学过程中的作用 4细胞的分子组织层次细胞的分子组织层次4生物分子的来源与进化生物分子的来源与进化1.1.生命中的元素生命中的元素 生命与非生命物质在化学组成上有很大的差别，然而组成生命物质生命与非生命物质在化学组成上有很大的差别，然而组成生命物质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。 元素周期表中各种元素在生命机体中的丰度元素周期表中各种元素在生命

2、机体中的丰度 F氢、氧、碳和氮氢、氧、碳和氮F硫和磷硫和磷 F钾、钠、氯、钙与镁钾、钠、氯、钙与镁F其他微量元素其他微量元素 硫和磷硫和磷 可以构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，如巯可以构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，如巯基基-SH用于携带和转移脂酰基，磷酰基用于储存和转移化学能用于携带和转移脂酰基，磷酰基用于储存和转移化学能钾、钠、氯、钙、镁钾、钠、氯、钙、镁 维持细胞浸透压、细胞容积、离子平衡、细胞膜电位维持细胞浸透压、细胞容积、离子平衡、细胞膜电位 钠、钾离子钠、钾离子 神经肌肉正常兴奋性，糖原合成和蛋白质代谢神经肌肉正常兴奋性，糖原合成

3、和蛋白质代谢 镁离子是镁离子是300多种酶的辅因子多种酶的辅因子 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，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，血液凝血液凝固，是细胞信号传导的第二信使等固，是细胞信号传导的第二信使等其他的微量元素其他的微量元素 主要有铁与铜主要有铁与铜 化学价可变化学价可变Cu2+/ Cu+ ， Fe3+/ Fe2+，在生物氧化过程中，在生物氧化过程中作为电子递体，是许多酶的辅因子。还有作为电子递体，是许多酶的辅因子。还有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.生物

4、分子生物分子2.1 生物大分子 参与生命有机体活动的许多分子是非常宏大的，我们把生物机体中这些参与生命有机体活动的许多分子是非常宏大的，我们把生物机体中这些宏大的分子称为生物大分子宏大的分子称为生物大分子biological macromolecules。生物大分子经过组成它们的单体之间的生物大分子经过组成它们的单体之间的非共价相互作用，构成特定的空间构造，非共价相互作用，构成特定的空间构造，从而具有了不同的生物学功能。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根本物质。生物大分子是表现生命特征的根本物质。 血红蛋白的空间构造血红蛋白的空间构造表表 2 2 1 1 生物分子中的共

5、价键与键能生物分子中的共价键与键能类型类型键能键能kJ/mol 类型类型 键能键能*kJ/mol单键单键 双键双键 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 三键三键* C-C 346 CC 813 S-H 338 C-N 297 C-S 258 N-O 220 S-S 212*指键断裂所需求的能量指键断裂所需求的能量 *生物分子中很少见生物分子中很少见核酸核酸, ,蛋白质和多糖是主要的生物大分子蛋白质和多糖是主要的生物大分子2.2 2.2 类脂类脂 类脂如磷脂是富含碳氢元素的一族生物小分子，

6、其在水溶液中溶解性较差、兼具亲水和亲脂特性。细胞的膜构培育是大量磷脂分子的聚合体。 2.3 2.3 有机小分子有机小分子 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, ,也是合成较也是合成较大分子的前体。大分子的前体。如：如： 核苷酸、氨基酸、葡萄糖核苷酸、氨基酸、葡萄糖 脂肪酸、胆碱、甘油等脂肪酸、胆碱、甘油等构型异构构象异构立体异构官能团异构位置异构碳链异构构造异构同分异构 3 生物分子的构造构型异构构型异构几何异构几何异构旋光异构旋光异构对映体对映体非对映体非对映体 一定构象的分子就是具有一定三维构造的分子。 许多生物分子间相互作器具有立体专

7、注性。4.4.生命有机体中的化学键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。键、范德瓦尔力、疏水力。 k 氢键氢键hydrogen bondshydrogen bonds k 由两个原子来分享一个氢原子，具有高度定向性，一个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，是氢供体，k 另一个是氢受体另一个是氢受体 k 范德瓦尔力范德瓦尔力Van der Waals bondsVan der Waals bondsk 一定间隔内的原子之间经过偶极发生的相互作用，本质一

8、定间隔内的原子之间经过偶极发生的相互作用，本质上也是静电引力上也是静电引力k 疏水力疏水力hydrophobic interactionhydrophobic interactionk 非极性分子或基团在水相环境中相互吸引、聚集的作用非极性分子或基团在水相环境中相互吸引、聚集的作用力力 k 离子键离子键ionic bondsionic bondsk 正、负电荷之间的静电引力正、负电荷之间的静电引力 4 4 种非共价作用力的表示图种非共价作用力的表示图 范德瓦尔接触间隔范德瓦尔接触间隔 5.5.生物能量学生物能量学 生物能量学生物能量学bioenergetics：研讨生命有机体传送和耗费能量的过

9、：研讨生命有机体传送和耗费能量的过程，阐明能量的转换和交流的根本规律。程，阐明能量的转换和交流的根本规律。 体内能量的产生、转移和利用体内能量的产生、转移和利用自在能自在能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在能. 体系可做功的能量自在能= 体系总能量 不被利用做功的能量表示为: G = H ST H表示体系的总能量焓值；ST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 ST，称为自在能，用G表示. 自在能

10、G是一个形状函数。在等温等压条件下，体系从一种形状转变为另一种形状时，自在能的改动为： G = H S T 在自发过程中，自在能的改动为负值, 表示释放的自在能可以用来做功。而在非自发过程中，其变化是正值，表示这种改动要从外界输入能量才干实现。 能量偶联反响能量偶联反响 在生命有机体中一个放能的反响可以与一个耗能的反响偶联在生命有机体中一个放能的反响可以与一个耗能的反响偶联以推进本来不能进展的反响。以推进本来不能进展的反响。 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，为，为 14 kJ/mol 14 kJ/molATP ADP + Pi ATP AD

11、P + Pi 放能，放能，G0G0，为，为 -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，为，为 -17 kJ/mol -17 kJ/mol由葡萄糖激酶催化的反响由葡萄糖激酶催化的反响 ATP ATP是自在能的直接供体，它的作用犹如货币一样在体内运用和流通，因此人们将它笼统地称为“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经过电子流动来实现的。6.6.水和生命水和生命水是生命有机体中含量最多的物质，普通占

12、体重的水是生命有机体中含量最多的物质，普通占体重的60%-70%。水有自在水和结合水，前者流动性大，含量可变，后者水有自在水和结合水，前者流动性大，含量可变，后者主要存在在胶体中，相对稳定。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。水分子的极性和构成氢键的才干使其具有高度反响性。水分子的极性和构成氢键的才干使其具有高度反响性。水有高的介电常数水有高的介电常数80，因此是众多反响物的优良的，因此是众多反响物的优良的溶剂，使其自在分散或发生相互作用。溶剂，使其自在分散或发生相互作用。没有水就没有生命。没有水就没有

13、生命。水溶液中的离子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水分子竞争羰基氧与亚氨基氮之间的氢键水分子构造图水分子构造图水循環6.细胞的分子组织层次 Cells are the structural and functional units of all living organisms. Cells: Prokaryotic cells Eukaryotic cells7.生物分子的来源与进化7.2 7.2 生命的化学进化生命的化学进化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. .从有机小分子合成生物大分子从有机小分子合成生物大分子 在原

14、始海洋的岸边、岩石、粘土的表层或像在原始海洋的岸边、岩石、粘土的表层或像湖泊样的小水体中，氨基酸、核苷酸等有机小分湖泊样的小水体中，氨基酸、核苷酸等有机小分子堆积，吸收能量，经过溶液聚合或浓缩聚合的方式生成原始的蛋白质、核酸等生物大分子。子堆积，吸收能量，经过溶液聚合或浓缩聚合的方式生成原始的蛋白质、核酸等生物大分子。美国福克斯美国福克斯F.FOX)F.FOX)实验证明：实验证明： 将氨基酸混合物倾倒在将氨基酸混合物倾倒在160oC200oC160oC200oC的热砂或粘土上，水分蒸发，氨基酸浓缩并化合生成类蛋白质的热砂或粘土上，水分蒸发，氨基酸浓缩并化合生成类蛋白质分子。分子。3 3. .从

15、生物大分子生成多分子体系从生物大分子生成多分子体系- -非细胞形状原始生命的诞生非细胞形状原始生命的诞生蛋白来源说奥巴林的聚会体学说蛋白来源说奥巴林的聚会体学说 生物大分子主要是蛋白质溶液和核酸溶液，生物大分子主要是蛋白质溶液和核酸溶液，合在合在一同时，可构成聚会体小滴，这就是多分子体一同时，可构成聚会体小滴，这就是多分子体系，它系，它具有一定的生命景象具有一定的生命景象能经过它的外膜而选择性的吸收周围的物质。能经过它的外膜而选择性的吸收周围的物质。 混合混合 白明胶蛋白质阿拉伯胶多糖白明胶蛋白质阿拉伯胶多糖 聚聚会体小滴会体小滴 福克斯的微球体学说福克斯的微球体学说微球体的性质微球体的性质4 4. .从多分子体系进化为原始生命从多分子体系进化为原始生命 无论哪一种多分子体系聚会体或微球体，无论哪一种多分子体系聚会体或微球体，假设具备以下特征的综合，那么，原始生命就诞假设具备以下特征的综合，那么，原始生命就诞生了。生了。 DNA RNA 蛋白质体系的能够进化过蛋白质体系的能够进化过程：程： RNA RNA DNA RNA 蛋蛋白质白质 蛋白质蛋白质 5 5. .从原始生命进化到原始细胞从原始生命进化到原始细胞出现原始的细胞膜出现原始的细胞膜 原始祖细胞类似于今天的小的支原体。原始祖细胞类似于今天的小的支