生命的化学特征.ppt

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1、1,第1章 生命的化学特征(生物分子导论)Chemical Properties of Life,2,本章主要内容,生命物质的化学组成生物分子的三维结构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 细胞的分子组织层次生物分子的起源与进化,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,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

2、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Zn 2+，Mn 2+，Mo 2+和I 等也有重要生理功能。,5,2.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

3、 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,6,表 21 生物分子中的共价键与键能,*指键断裂所需要的能量*生物分子中很少见,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

4、油等,9,3 生物分子的结构,10,构型异构,几何异构,旋光异构,对映体,非对映体,11,由于单键的旋转或扭曲（键不断开）而引起分子中原子或原子团在空间的不同排列形式称为构象。这种因单键的旋转或扭曲而产生的异构体称为构象异构体。在构象异构体之间，构造式相同，而原子或原子团的空间排布方式却不相同，故属于立体异构。,12,一定构象的分子就是具有一定三维结构的分子。许多生物分子间相互作用具有立体专一性。,13,4.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

5、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,14,4 种非共价作用力的示意图,范德瓦尔接触距离,15,5.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,16,自由能（free energy）,能量总是从能态较高的物体流向能态较低

6、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 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：G=H S 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。,

7、17,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，G0，为 14 kJ/mol）ATP ADP+Pi（放能，G0，为-31 kJ/mol）葡萄糖+ATP 葡萄糖-6-磷酸+ADP（放能，G0，为-17 kJ/mol）,由葡萄糖激酶催化的反应,18,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。,19,6.水和生命

8、,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。,20,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,21,水循環,22,6.细胞的分子组织层次,Cells are the structural and functional units of all living organisms.C

9、ells:Prokaryotic cells Eukaryotic cells,23,24,25,7.生物分子的起源与进化,7.1 有关生命起源的假说和争论（1）神创论上帝创造万物，最后造成人。它将生命起源这一科学命题划入神学领域，是不科学的。（2）灾变论每一次灾变后，旧生物被毁没，新 的生物又被上帝重新创造出来。（3）自然发生论生物是从非生物环境中自然发生出来的。如：腐草化萤、腐肉生蛆、淤泥生鼠,26,（4）宇生论（宇宙胚种学说）地球上的生命来自宇宙空间别的星球。1969年9月，澳大利亚麦启逊附近落下一块陨石，从碎片成分分析中检出了天然型的氨基酸等。（5）广为接受的生命起源学说 新的自然发生

10、学说1924年苏联生物学家奥巴林发表专著。按照这个学说，生命是在长时期宇宙进化过程中发生的，是宇宙进化的某一阶段无生命的物质所发生的一个进化过程，而不是在现在条件下由非生命的有机物质突然产生的。生命起源前，经历了地球进化、生命的化学进化、生物进化。所以，生命起源大约发生在距今4535亿年间。,27,7.2 生命的化学进化,（1）从无机分子生成有机分子 甲烷、氨、硫化氢、氰化氢、水蒸汽等等 紫外线 太阳辐射 提供能量 闪 电 火山爆发 合成一些简单的 光、热 雷鸣电闪 有机化合物 有机酸、氨基酸、核苷酸、单糖、脂类等等支持证据：1953年美国芝加哥大学研究生S.Miller（米勒）的模拟试验。1

11、969年9月澳大利亚麦启逊落下一块陨石，从碎片成份分析中找到氨基酸、嘧啶、脂酸等。,28,（2）.从有机小分子合成生物大分子,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、核苷酸等有机小分子沉积，吸收能量，通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（F.FOX)试验证实：将氨基酸混合物倾倒在160oC200oC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。,29,（3）.从生物大分子生成多分子体系-非细胞形态原始生命的诞生,蛋白起源说（奥巴林的团聚体学说）生物大分子主要是蛋白质溶液和核酸溶液，合在一起时，可形成团聚体小滴，这就是多

12、分子体系，它具有一定的生命现象能通过它的外膜而选择性的吸收周围的物质。混合 白明胶（蛋白质）阿拉伯胶（多糖）团聚体（小滴）,30,福克斯的微球体学说,最初实验：类蛋白质 微球体 浓缩,31,微球体的性质,（1）直径1m2m（相当于细菌大小）；（2）可吸纳周围环境的脂类，并形成膜状结构；（3）膜表现选择透性，反映渗透压的变化；（4）吸纳周围环境中蛋白质分子，微球体可“增长”和“繁殖”。,32,（4）.从多分子体系进化为原始生命,无论哪一种多分子体系（团聚体或微球体），如果具备以下特征的综合，那么，原始生命就诞生了。,33,（a）具有脂双层膜围成的与周围环境隔开的含水囊泡。（b）囊泡内有多种核酸、

13、蛋白质、糖类大分子。（c）能选择性地从周围环境中吸纳“食物”。（d）利用“食物”的分解，复制自身一部分起核心作用的 大分子。（e）囊泡因大分子增多而“生长”和“繁殖”。原始生命是异养、厌氧的。,34,DNA RNA 蛋白质体系的可能进化过程：RNA RNA DNA RNA 蛋白质 蛋白质,35,（5）.从原始生命进化到原始细胞,出现原始的细胞膜 原始祖细胞类似于今天的小的支原体。支原体没有细胞壁，其外围是细胞膜，细胞质中只有核糖体，只含DNA、RNA和多种蛋白质。它除了可以在细胞中寄生外，也能在无细胞系统的培养基中生长、繁殖。体积相当于病毒大小，为细菌的1/1000，直径约0.1m。,36,生物进化的过程,原始生命原始原核生物（原始细菌，异养厌养）自养原核生物（蓝藻，自养需氧）真核生物,比原核生物结构、功能复杂通过有丝分裂增殖真核细胞，有性生殖要进行减数分裂,37,生物的几种进化趋势,（1）无细胞结构 有细胞结构原核细胞结构 真核结构单细胞结构 多细胞结构（2）厌氧生物 需氧生物（3）异养生物 自养生物（4）无性生殖 有性生殖,38,本章结束,