第二章 生命的化学基础

第二章生命的化学基础一、原子和分子原子的结构和质量原子质量(atomicmass)等于原子的所有的质子和中子的质量之和。NielsHenrikDavidBohr,1885-1962因原子结构和原子辐射的研究，获得了1922年的诺贝尔物理学奖。Dalton1g=6.02x1023D氢原子氧原子质子电子中子SchematicviewofanSTM核素（isotope）具有不同中子数的同种元素原子叫做该种元素的核素(isotopes)。含量最丰富的三种碳的核素C14的半衰期是5600年能够发生放射性衰变的的同位素叫做放射性同位素(radioactiveisotopes)电子决定了原子的化学性质原子能级。当电子吸收能量的时候，它就会移到距离核较远的高能级上去。当电子释放能量的时候，它就会移动到距离核较近的低能级。氧化和还原组成生命的元素元素周期表。在本表中，地壳中元素的含量用方格的高度来表示，生物体中的大量元素用蓝色表示。元素符号原子序数占地壳总重百分比占人体总重百分比功能及重要性氧O846.665.0细胞呼吸所需,水的组分硅Si1427.7痕量铝Al136.5痕量铁Fe265.0痕量血红蛋白的关键成分钙Ca203.61.5骨骼和牙齿的组分,激发肌肉收缩钠Na112.80.2细胞外的主要阳离子;参与神经活动钾K192.60.4细胞外的主要阳离子;参与神经活动镁Mg122.10.1很多能量转移酶的关键成分氢H10.149.5电子载体;水和很多有机分子的组分锰Mn250.1痕量氟F90.07痕量磷P150.071.0核酸的骨架;重要的能量中介碳C60.0318.5有机分子的骨架硫S160.030.3大部分蛋白质的成分氯Cl170.010.2细胞外的主要阴离子钒V230.01痕量铬Cr240.01痕量铜Cu290.01痕量很多酶的重要成分氮N7痕量3.3一切蛋白质和核酸的成分硼B5痕量痕量钴Co27痕量痕量锌Zn30痕量痕量一些酶的关键成分硒Se34痕量痕量钼Mo42痕量痕量许多酶的关键成分锡Sn50痕量痕量碘I53痕量痕量甲状腺激素的成分地球上最丰富的元素及它们在人体中的分布化学键形成分子氯化钠离子键的形成。（a）当钠原子提供给氯原子一个电子的时候，钠原子就成了一个带正电的钠离子，而氯原子变成了带负电的氯离子。（b）氯化钠形成两种原子相间排列得非常整齐的晶格。离子键钠原子氯原子共价键构建稳定分子氢气是由两个氢原子组成的双原子分子，每个原子都与另外一个原子共享它的电子。共价键的强度由共享电子对的数目决定。因而，两个原子共享两对电子形成的双键(doublebonds)要比共享一对电子形成的单键(singlebonds)强，也就是说断裂双键比断裂单键需要更多的化学能量。最强的共价键是三键(triplebonds)，就像氮气分子中连接两个氮原子的键。二、水的化学性质水的分子结构水具有简单的分子结构。（a）每个分子由一个氧原子和两个氢原子组成。氧原子和每个氢原子分别共享一个电子。（b）氧的强电负性使水分子具有了极性：水在氧原子附近带有两个部分负电荷（δ-），而两个氢原子上分别带有一个部分正电荷（δ+）。极性分子电负性(electronegativity)(polarmolecules)氢键的结构hydrogenbonds水的性质性质解释与生命的关系内聚力氢键使水分子聚集在一起叶子将水从根吸上来；种子吸水膨胀和萌发高比热氢键断裂时吸热，形成时放热，缩小温度变化幅度水使生物体和环境的温度保持稳定高气化热水蒸发时必须要断开许多氢键水的蒸发使体表温度降低（将1克液态水转化成气体需要586卡路里热量，）冰密度低由于氢键的原因使冰晶体中的水分子距离相对远因为冰的密度比水小，湖水才不会整个冻结高极性极性水分子与离子和极性化合物相吸引，使它们能够溶解许多分子在细胞中能够自由移动，使各种化学反应能够进行表面张力冰晶体中的氢键。(a)在液态水中，氢键并不稳定，而是不断地断裂和形成。（b）当水的温度降到0℃以下，氢键变得更加稳固，形成了一种规则的晶体结构，其中水分子的四个部分电荷都和周围水分子的异性电荷相互作用。因为水形成了晶体结构，冰的密度小于水而得以飘浮。ab盐在水中溶解水是很强的溶剂非极性分子在水中会发生重排疏水性(hydrophobic)和亲水性(hydrophilic)水会迫使分子的疏水部分聚在一起，使这些分子呈现出一定的形状。水的电离H2O→OH-+H+水氢氧根离子氢离子（质子）pH值的定义是溶液中氢离子浓度的负对数：pH=-log[H+]缓冲溶液(buffer)缓冲溶液使pH的改变降到最小三、组成细胞的生物大分子计算机绘制的高分子模型。图中是一个酶分子，它参与糖代谢产能的过程。这个复杂的分子是由几百个氨基酸连接而成，最终形成了如图所示的典型的卷曲和折叠。碳化学碳原子之间，碳原子与氧、氮、硫、氢的原子之间相连，形成了生物分子的主要骨架。由于碳原子可形成四个共价键，所以含碳的分子可以形成直链、支链乃至环。丙烷（C3H8）只含有碳氢元素的化合物：烃。碳氢键是高能键。官能团（FunctionalGroups）主要的官能团糖类、醇类甲醛氨基酸、醋酸氨蛋白质、橡胶磷脂、核酸、三磷酸腺苷沼气羟基羰基羧基氨基巯基磷酸基甲基手性分子chiralmolecule大分子的构建图3.3高分子的生成和解体。（a）生物大分子是由亚基连接而成的聚合物。高分子中每个残基之间的共价键是通过脱水聚合反应形成的，这个反应需要能量，同时还产生了一分子的水。（b）破坏残基之间的共价键需要加上一分子的水，这一水解过程同时释放了能量。生物大分子蛋白质、核酸、糖、脂类大分子亚基功能例子蛋白质球蛋白(globular)氨基酸催化；转运血红蛋白（hemoglobin）结构蛋白(structural)氨基酸支持毛发，蚕丝核酸DNA核苷酸编码基因染色体（chromosome）RNA核苷酸基因表达信使RNA（messengerRNA）脂类脂肪(fat)甘油和三个脂肪酸储存能量黄油、玉米油磷脂甘油和两个脂肪酸，磷酸基，极性的R基细胞膜卵磷脂（lecitin）前列腺素(prostaglandin)含有两个非极性侧链的五碳环化学信使前列腺素E（PGE）类固醇四个熔合的碳环激素（hormones），膜胆固醇(cholesterol);雌激素(estrogen)萜长碳链色素（pigment），结构成分胡萝卜素(carotene)；橡胶糖类淀粉，糖原葡萄糖储存能量土豆纤维素葡萄糖（glucose）细胞壁纸和芹菜的纤维几丁质修饰过的葡萄糖支持结构螃蟹壳蛋白质功能一些较常见的结构蛋白。（a）胶原蛋白：网球拍上的纤维，从肠组织中获得；（b）血纤维蛋白：血凝块的扫描电子显微镜照片（3000倍）；(c)角蛋白：孔雀的羽毛；(d)丝：蛛网；(e)角蛋白：人的头发abcde功能蛋白质的种类实例作用新陈代谢酶水解酶切开多糖（催化）蛋白酶分解蛋白质聚合酶合成核酸激酶使糖和蛋白质磷酸化防御免疫球蛋白抗体标记待消除的蛋白质毒素蛇毒阻断神经功能细胞识别细胞表面抗原主要组织相容性复合体蛋白（MHC）本体识别体内运输球蛋白血红蛋白在血液中运输氧气和二氧化碳肌红蛋白在肌肉中运输氧气和二氧化碳细胞色素电子传递跨膜运输转运蛋白钠钾泵维持膜可兴奋状态质子泵化学渗透阴离子通道运输氯离子支持结构纤维胶原蛋白软骨角蛋白毛发,指甲血纤维蛋白血凝块运动肌肉肌动蛋白肌纤维收缩肌球蛋白肌纤维收缩调节渗透压白蛋白血清白蛋白保持血液渗透压基因调控阻遏蛋白lac阻遏蛋白调控转录调节机体功能激素胰岛素调节血糖水平抗利尿激素增加肾的保水能力催产素调节子宫收缩以及母乳分泌储藏结合离子铁蛋白储藏铁，特别是在脾脏酪蛋白在乳汁中储藏离子钙调蛋白结合钙离子氨基酸是构成蛋白质的基本单位R|H2N－C－COOH|H极性不带电带电的具有特殊功能非芳香族芳香族非极性一个氨基酸分子的－NH2末端和另一个氨基酸的－COOH末端相连形成肽键。由于肽键具有部分双键的性质，所以不能绕轴自由旋转。蛋白质是氨基酸的聚合体蛋白质的结构层次X-射线衍射研究蛋白质结构α-turn-αmotif基元一级结构二级结构三级结构四级结构α螺旋β折叠伴侣蛋白(chaperonin)的作用伴侣蛋白核酸DNA分子的第一张照片。这张显微图片显示了一段放大了百万倍的DNA分子，DNA分子的扫描隧道显微图片（放大2000000倍）。核苷酸分子的结构含氮碱基磷酸基糖基嘌呤嘧啶磷酸二酯键脂类形成膜并可用于储存能量脂肪饱和及不饱和脂肪。（a）棕榈油不含碳碳双键，因此碳链上有最大数目的氢原子，这是一种饱和脂肪。许多动物的甘油三酯（脂肪）是饱和的。由于饱和的脂肪酸链紧密相邻，这些甘油三酯形成不流动的形态，也叫硬脂。（b）亚油酸含有双键，也就含有了比理论上的最大值少的氢原子，这是一种不饱和脂肪酸。植物脂肪是标准的不饱和脂肪，碳链上的双键引起的纽结使得三酰基甘油无法紧密排列，其结果就是形成了室温下呈液态的油。ab磷脂是细胞膜的核心组分卵磷脂磷脂分子在水中形成双层膜糖类（carbohydrate）单糖甘油醛核糖葡萄糖果糖半乳糖双糖蔗糖乳糖麦芽糖多糖直链淀粉支链淀粉肝糖原结构糖将一个含氮的基团加到葡萄糖上，将纤维素修饰成壳多糖（几丁质）