生物化学生命的化学特征

关于生物化学生命的化学特征1第1页，课件共20页，创作于2023年2月2本章主要内容

组成生命有机体的元素生物分子生命有机体中的四种化学键*生物化学反应的能量来源水在生命化学过程中的作用

第2页，课件共20页，创作于2023年2月31.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。

元素周期表中各种元素在生命机体中的丰度

氢、氧、碳和氮硫和磷钾、钠、氯、钙与镁其他微量元素

第3页，课件共20页，创作于2023年2月4

组成生命的元素有30多种，其中约16种是所有生物体中都具有的。（目前已知的化学元素种类有多少？）动物体内C、

H、O、N、Na、K、Ca、Mg、P、S、Cl等元素含量最丰富。其中C、

H、O、N等4种元素含量最多，它们约占大多数细胞重量的99%。另外，Mn、Fe、Co、Cu、Zn、I、Mo、Se等在动物体内亦少量存在，称为微量元素。但具有重要的生理功能。第4页，课件共20页，创作于2023年2月5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Zn2+，Mn2+

，Mo2+

和I等也有重要生理功能。第5页，课件共20页，创作于2023年2月6生命物质的结构严整有序性：元素↓有机小分子单体：氨基酸,核苷酸,单糖,脂肪酸↓生物大分子：蛋白质,核酸,糖类,脂类↓亚细胞结构：各种细胞器,核,膜…↓细胞：原核、真核↓器官：心,肝,肾…↓整体：动物（人）,植物,微生物…第6页，课件共20页，创作于2023年2月72.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（biologicalmacromolecules）。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第7页，课件共20页，创作于2023年2月8表2‑1生物分子中的共价键与键能类型键能（kJ/mol）

类型

键能*（kJ/mol）单键

双键O-H458C=O708H-H433C=N612P-O416C=C608C-H413P=O500C-O350

三键**C-C346C≡C813S-H338C-N297C-S258N-O220S-S212*指键断裂所需要的能量**生物分子中很少见第8页，课件共20页，创作于2023年2月9核酸,蛋白质和多糖是主要的生物大分子第9页，课件共20页，创作于2023年2月102.2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、甘油等第10页，课件共20页，创作于2023年2月11共价键:

共价键是化学键的一种，两个或多个原子共同使用它们的外层电子，在理想情况下达到电子饱和状态，由此组成比较稳定和坚固的化学结构，这种化学键称为共价键。

非共价键：氢键，离子键，范德华力，疏水作用力等。3.生命有机体中的化学键

第11页，课件共20页，创作于2023年2月12生命有机体中的非共价价作用力

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（hydrogenbonds）

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(N\O)，另一个是氢受体范德瓦尔力（VanderWaalsbonds）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（hydrophobicinteraction）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（ionicbonds）正、负电荷之间的静电引力

第12页，课件共20页，创作于2023年2月134种非共价作用力的示意图

范德瓦尔接触距离（0.3-0.4nm）

第13页，课件共20页，创作于2023年2月144.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。

体内能量的产生、转移和利用第14页，课件共20页，创作于2023年2月15自由能（freeenergy）

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:G=H–S∙TH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。

第15页，课件共20页，创作于2023年2月16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。这是生命系统中能量交换的核心。

葡萄糖+磷酸葡萄糖-6-磷酸（耗能，ΔG>0，为14kJ/mol）ATPADP+Pi（放能，ΔG<0，为-31kJ/mol）葡萄糖+ATP葡萄糖-6-磷酸+ADP（放能，ΔG<0，为-17kJ/mol）由葡萄糖激酶催化的反应在自发过程中，ΔG为负值,表示释放的自由能可以用来做功。在非自发过程中，ΔG是正值，表示这种改变要从外界输入能量才能实现。第16页，课件共20页，创作于2023年2月17

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（generalcurrencyofenergy）”。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。第17页，课件共20页，创作于2023年2月185.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，相对稳定水分子是极性分子，既是氢键的