第2章 生命的化学特征

血红蛋白的空间结构
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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。
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（2）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。
核苷酸、氨基酸、葡萄糖
脂肪酸、胆碱、甘油等
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（4）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过电子流 动来实现的。 光合细胞 非光合细胞
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（5）水是生命的介质
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。
ΔG< 0，放能，可以做功，自发进行。 ΔG >0，吸能，非自发进行，必须供能才能进行。 ΔG =0，平衡状态。
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体内能量的产生、转移和利用
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（2）ATP（腺苷三磷酸）
分解代谢释放的能量并不能直接被 细胞利用，必须经一类高能物质，其中 最主要的是ATP暂时储存（能量载体和 递体）起来，用于细胞的生命活动。
细胞直能接利用的是腺苷三磷酸 ( ATP ) 中所储存的能量。
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NH
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ATP在3个磷酸基团中含有两 个磷酸酐键，成为高能分子
O γ
C
N HC N C C
N
CH
N
O
O β α
O
P ~O
P ~O
-
P
OCH
2
-O
-O
-O
H
O H H
H
HO ATP ADP AMP
OH
（A-P~P~P），
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ATP的水解
脂 酸 肪 + HS CoA 脂 CoA合 酶 酰 成 Mg 2+ ATP AMP 脂 酰
~ SCoA + PPi
三磷酸酰苷（ATP）：用于贮存和 转移化学能。
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（3）K、Na、Cl、Ca、Mg
维持细胞渗透压、细胞容积、离子平衡、细 胞电位。 Na＋、K＋离子：渗透压的平衡，神经肌肉 正常兴奋性，糖原合成和蛋白质代谢。 Mg＋：300多种酶的辅因子。 Ca2＋：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。
① ATP的三个磷酸基团，使它 pH7.0时带有4个负电荷（ATP4－）， 由负电荷相距较近，形成斥力，使磷 酰基团易于水解。
ATP水解ADP和Pi，AMP和PPi
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② 当ATP水解为ADP3-和HPO42时，斥力得到缓和，电子可降到最低 能水平而促使ATP释放较多的自由能 （共振稳定性）。 ATP＋H2O ADP + Pi
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（4）其它的微量元素
主要有铁与铜：化学价可（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。
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2 生物分子（biological macromolecules）
（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。
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思考题
1 生物大分子，生物能量学，高能磷酸化 合物的概念。 2 生物分子中的化学键有哪些，有何作用。 3 生物化学反应的特点。 4 为什么没有水就没有生命。
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（3）核酸、蛋白质和多糖等主要生物大分子
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蛋白质的功能
催化功能 储存运输功能 防御功能 结构组成 运动功能 营养功能 遗传信息
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调节功能
（4）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ATP循环
ATP
肌酸 磷酸 肌酸
~P
氧化磷酸化 底物水平磷酸化
ADP
~P
机械能(肌肉收缩) 渗透能(物质主动转运) 化学能(合成代谢) 电能(生物电) 热能(维持体温)
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（3）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 14kJ/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）
第2章 生命的化学特征
Chemical Properties of Life
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本章主要内容
1.组成生命有机体的元素 2.生物大分子 3.生命有机体中的化学键 4.生物能量学 5.水在生命化学中的作用
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重点与难点： 生物大分子与化学键 生物能量学
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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。 天然存在的90多种大约30多种是 生命所必须的。
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。 （1）氢键（hydrogen bonds）： 存在于带电荷的和不带电荷的分子之间。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（O、N），另一个是氢受体（带部 分负电荷）。
ATP具有较高的磷酸基团转移潜势
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有一些反应需要UTP、CTP和GTP
ATP + UDP
ATP + CDP
ADP + UTP（三磷酸尿苷）
ADP + CTP（三磷酸胞苷）
ATP + GDP
ADP + GTP（三磷酸鸟苷）
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ATP循环 ATP是生物界普遍使用的供能物质， 有“通用货币” （general currency of ener gy）之称。 ATP水解为ADP并供出能量之后，又 可通过氧化磷酸化重新合成，从而形成 ATP循环。
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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。
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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。
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水分子竞争羰基氧与亚氨基氮之间的氢键
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水溶液中的离子
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小结：
1 2 3 4 构成生命物质的主要元素 主要的化学键 生物能量学 水的生物学意义
P-O
C-H C-O C-C S-H
416
413 350 346 338
C=C
P=O 三键** C≡C
608
500 813
C-N
C-S N-O S-S
297
258 220 212
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（2）S和P
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。 巯基（-SH）:用于携带和转移脂 酰基。
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（2）离子键（ionic bonds） 正、负电荷之间的静电引力 （3）范德瓦尔力（Van der Waals bonds） 一定距离内（0.3-0.4nm）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。
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（4）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。蛋白质折叠、生物 膜形成、酶对底物的催化。 （5）二硫键（disulfide bond） 指2个硫原子之间的共价键，对稳定蛋 白质的构象起重要作用。
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4 种非共价作用力的示意图
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4.生物能量学（bioenergetics）
生物能量学：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。 氧化方式吸收能量 太阳光吸收能量
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(1) 自由能
自由能（G）:指在一个体系的总能量中，在 恒温恒压条件下能够做功的那一部分能量。 自由能是一种状态函数，但变化（ΔG）: A B ΔG= GB – GA
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（1）C、H、O和N
是组成生命体最基本的元素，生命 体总质量的99％，是构成糖类、脂类、 蛋白质和核酸的主要元素。
外层轨道上有一个或1个以上未成 对电子，可以形成单键、双键和三键。
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生物分子中的共价键与键能
类型 单键 O-H H-H 458 433 键能（kJ/mol） 类型 双键 C=O C=N 708 612 键能* （kJ/mol）