1 第 2 章 生命的化学特征 Chemical Properties of Life

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

3 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。 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

4 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-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 ** C-C 346 C≡C 813 S-H 338 C-N 297 C-S 258 N-O 220 S-S 212 * 指键断裂所需要的能量 ** 生物分子中很少见

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（ Cu 2+ / Cu + ， Fe 3+ / Fe 2+ ），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。

6 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 ）。 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

7 核酸, 蛋白质和多糖是主要的生物大分子

8 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 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

9 3. 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 ） 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

10 4 种非共价作用力的示意图 范德瓦尔接触距离

11 4. 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

12 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 : 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。

13 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 葡萄糖 -6- 磷酸 （耗能， ΔG>0 ，为 14 kJ/mol ） ATP 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 ） 由葡萄糖激酶催化的反应

14 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。

15 5. 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。

16 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 水分子结构图

17 本章结束