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1、关于生物化学生命的化学特征1第一页，本课件共有20页2本章主要内容本章主要内容4 组成生命有机体的元素组成生命有机体的元素4 生物分子生物分子4 生命有机体中的四种化学键生命有机体中的四种化学键*4 生物化学反应的能量来源生物化学反应的能量来源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 第二页，本课件共有20页31.1.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异，然而组成生命物质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。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
2、命机体中的丰度 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 第三页，本课件共有20页4 组成生命的元素有组成生命的元素有30多种，其中约多种，其中约16种是所有生物体中都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？具有的。（目前已知的化学元素种类有多少？）动物体内动物体内C、H、O、N、Na、K、Ca、Mg、P、S、Cl等元等元素含量最丰富。其中素含量最丰富。其中 C、H、O、N 等等4种元素含量最多，它们约种元素含量最多，它们约占大多数细胞重量的占大多数细胞重量的99%。另外，另外，Mn、Fe、Co、Cu、Zn
3、、I、Mo、Se等在动物体内亦等在动物体内亦少量存在，称为少量存在，称为微量元素。微量元素。但具有重要的生理功能。但具有重要的生理功能。第四页，本课件共有20页5硫和磷硫和磷 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、细胞膜电位维持细胞渗透压、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
4、白质代谢神经肌肉正常兴奋性，糖原合成和蛋白质代谢 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，血液凝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+），在生物氧化过程中作为电子递体，是许），在生物氧化过程中作为电子递体，是许多酶的辅因子。还有多酶的辅因子。还有Zn 2+，Mn 2+，Mo 2+和和I 等也有重要生理功能。
5、等也有重要生理功能。第五页，本课件共有20页6生命物质的结构严整有序性：生命物质的结构严整有序性：元元 素素 有机小分子单体：有机小分子单体：氨基酸氨基酸,核苷酸核苷酸,单糖单糖,脂肪酸脂肪酸 生物大分子：生物大分子：蛋白质蛋白质,核酸核酸,糖类糖类,脂类脂类 亚细胞结构：亚细胞结构：各种细胞器各种细胞器,核核,膜膜 细胞：细胞：原核、真核原核、真核 器官：器官：心心,肝肝,肾肾 整体：整体：动物（人）动物（人）,植物植物,微生物微生物第六页，本课件共有20页72.2.生物分子生物分子2.1 生物大分子生物大分子 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参与生
6、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（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，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。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。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血红蛋白的空间结构第七页，本课件共有20页8表表 2 2 1 1 生物分子中的共价键与键能生物分子中的共价键与键能类类型型键键能（能（kJ/mol）类类型型 键
7、键能能*（kJ/mol）单键单键 双双键键 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 三三键键*C-C 346 CC 813 S-H 338 C-N 297 C-S 258 N-O 220 S-S 212*指指键键断裂所需要的能量断裂所需要的能量*生物分子中很少生物分子中很少见见第八页，本课件共有20页9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第九页，本课件共有20页102.2 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，其在水溶液类脂（如磷脂
8、）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。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,也是合成较大分子的前也是合成较大分子的前体。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、甘油等第十页，本课件共有20页11共价键共价键:共价键是化学键的一种，两个或多个原子共同使用它们的共价键是化学键的一种，两个或多个原子共同使用它们的
9、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。定和坚固的化学结构，这种化学键称为共价键。非共价键：非共价键：氢键，离子键，范德华力，疏水作用力等。氢键，离子键，范德华力，疏水作用力等。3.3.生命有机体中的化学键生命有机体中的化学键 第十一页，本课件共有20页12生命有机体中的非生命有机体中的非共价价作用力共价价作用力 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。尔力、疏水力。k 氢键（
10、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(NO)(NO)，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 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静电引力k 疏水力（疏水力（hydrophobic interaction）非极性分子或基团在水相环境中相互吸引、聚集的作用力非极性分子或基团在水相环境中相互吸引、聚集的作用力 k 离子键（离子键（ionic bonds
11、）正、负电荷之间的静电引力正、负电荷之间的静电引力 第十二页，本课件共有20页134 4 种非共价作用力的示意图种非共价作用力的示意图 范德瓦尔接触距离（范德瓦尔接触距离（0.3-0.4nm0.3-0.4nm）第十三页，本课件共有20页144.4.生物能量学生物能量学 生物能量学（生物能量学（bioenergetics）：研究生命有机体：研究生命有机体传递和消耗传递和消耗能量的过程，阐明能量的过程，阐明能量的转换和交流的基本规律。能量的转换和交流的基本规律。体内能量的产生、转移和利用体内能量的产生、转移和利用第十四页，本课件共有20页15自由能（自由能（free energy）能量总是从能态较
12、高的物体流向能态较低的物体。这些过程都是自发的。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。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）体系可做功的能量（自由能）=体系总能量体系总能量 不被利用做功的能量不被利用做功的能量表示为表示为:G=H ST H表示体系的总能量（焓值）；表示体系的总能量（焓值）；ST表示不能被利用做功的能量，表示不能被利用做功的能量，S为熵值，为熵值，T
13、为绝对温度，那么体系可做功的能量等于为绝对温度，那么体系可做功的能量等于H ST，称为自由能，用，称为自由能，用G表示表示.自由能自由能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：态时，自由能的改变为：G=H S T 在自发过程中，自由能的改变为负值在自发过程中，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。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。第十五页，本
14、课件共有20页16能量偶联反应能量偶联反应 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/mol14 kJ/mol）ATP ADP+Pi ATP ADP+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
15、能，G0G0，为，为 -17-17 kJ/mol）由葡萄糖激酶催化的反应由葡萄糖激酶催化的反应在自发过程中，在自发过程中，G为负值为负值,表示释放的自由能可以用来做功。表示释放的自由能可以用来做功。在非自发过程中，在非自发过程中，G是正值，表示这种改变要从外界输入能量才能实现。是正值，表示这种改变要从外界输入能量才能实现。第十六页，本课件共有20页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用和流通，因此人们将它形象地称为“通用能量货币通用能量货币（general currency of e
16、nergy）”。细胞是一个高效率的能量转换器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生命有机体中的能量转换是通过电子流动来实现的。过电子流动来实现的。第十七页，本课件共有20页185.5.水水水是生命有机体中含量最多的物质，一般占体重的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（水有高的介电常数（80），因此是众多反应物的优良的溶剂，），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使其自由扩散或发生相互作用没有水就没有生命。没有水就没有生命。第十八页，本课件共有20页19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结构图水分子结构图第十九页，本课件共有20页感感谢谢大大家家观观看看第二十页，本课件共有20页