环境生物化学第二章

2.细胞内的生物分子化学环境生物化学2.1生物分子概论2.1.1概述2.1.2生物元素2.1.3生物分子中的作用力2.1.4生物分子低层次结构的同一性2.1.5生物分子高层次结构的同一性环境生物化学2.1.1概述自然界所有的生命物体都由三类物质组成：水、无机离子和生物分子，各自所占的比例如图2-1所示：图2-1生命物体的物质组成水：65%-75%，蛋白质：10%-15%，脂质：3%-7%，糖类：2%-4%，核酸：3%-5%，其他有机物：1%，无机物：2%-3%环境生物化学⑴生物分子是生物特有的有机化合物生物分子（biomolecule）泛指生物体特有的各类分子，它们都属于所谓的有机化合物。典型的细胞含有一万到十万种生物分子，其中近半数是小分子，分子量一般在500以下。其余都是生物小分子的聚合物，分子量很大，一般在一万以上，有的高达1012，因而称为生物大分子。环境生物化学构成生物大分子的小分子单元，称为构件。氨基酸、核苷酸、单糖和脂肪酸分别是组成蛋白质、核酸、多糖和脂肪的构件。⑵生物分子具有复杂有序的结构所有的生命过程都以生物分子一定的结构为基础。种类繁多的生物分子都有自己特有的结构。尤其是生物大分子，它们的分子量都很大，构件种类多，数量大，排列顺序千变万化，因而其结构十分复杂。估计仅蛋白质就有1010～1012种。环境生物化学生物分子又是有序的，每种生物分子都有自己的结构特点，所有的生物分子都以一定的有序性(组织性)存在于生命体系中。⑶生物结构具有特殊的层次生物用少数几种生物元素(C、H、O、N、S、P)构成小分子构件，如氨基酸、核苷酸、单糖、脂肪酸等，再用简单的构件构成复杂的生物大分子，由生物大分子构成超分子集合体，进而形成细胞器、细胞、组织、器官、系统和生物体（图2-2）。环境生物化学生物的不同结构层次有着质的区别:低层次结构简单，没有种属专一性，结合力强;高层次结构复杂，有种属专一性，结合力弱。环境生物化学⑷生物分子都行使专一的功能每种生物分子都具有专一的生物功能。糖能提供能量，分子量极大的核酸能储存和携带遗传信息，种类繁多的蛋白质分子形式专一的催化、调节、运输、换能、运动等功能。任何生物分子的存在，都有其特殊的生物学意义。人们研究某种生物分子，就是为了了解和利用它的功能。环境生物化学⑸代谢是生物分子存在的条件代谢不仅产生了生物分子，而且使生物分子以一定的有序性处于稳定的状态中，并不断得到自我更新。⑹生物分子体系有自我复制的能力遗传物质DNA能自我复制，其他生物分子在DNA的直接或间接指导下合成。生物分子的复制合成，是生物体繁殖的基础。环境生物化学⑺生物分子能够人工合成和改造自然界的生物分子是通过漫长的进化产生的。随着生命科学的发展，人们已能在体外人工合成各类生物分子，包括合成复杂的生物大分子蛋白质、核酸等，以合成和改造生物大分子为目标的生物技术方兴未艾。环境生物化学2.1.2生物元素在生物体中能维持生命活动的必需元素称为生命元素，它们的重要性、数量和分布方式相差很大。有些可以叫做基本元素，因为在所有的生物体中都有；有些元素却只存在于某种生物中。迄今为止，在生物体中发现的元素有60多种。其中有27种是细胞中所具有的，也是生物体所必需的，称为生物元素。环境生物化学在这27种元素中有6种，即C、H、O、N、P和S对生命起着特别重要的作用，大部分有机物是由这6种元素构成的。Ca、K、Na、Mg和Cl等5种元素在生物体内虽然较少，但也是必需的。此外Mn、Fe、Co、Cu、Zn、Se、I、Cr、Si、V、F、B、Mo、Sn、Ni和Br等16种微量元素也是生命不可缺少的。构成生物体的元素具有下列特点。环境生物化学⑴生物元素都是环境中存在的丰度较高的元素生物体是在地球上产生的，并同环境变化一起沿着生态系统的稳定性，有选择地取舍环境中的物质而进化发展的，所以构成生物体采用的构成自身的元素都是环境中存在的，是经过长期的选择确定的。生物元素都是在自然界丰度较高，容易得到，又能满足生命过程需要的元素。环境生物化学⑵主要生物元素都是轻元素生物体所必需的元素绝大多数为轻元素，主要生物元素C、H、O、N占生物元素总量的95%以上，其原子序数均在8以内。它们和S、P、K、Na、Ca、Mg、Cl共11种元素，构成生物体全部质量的99%以上，称为常量元素，原子序数均在20以内。另外16种元素称为微量元素，包括B、F、Si、Se、As、I、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Sn、Mo，原子序数在53以内。环境生物化学⑶碳氢氧氮硫磷是生物分子的基本素材图2-3是生物分子中碳氢氧氮硫磷元素含量。图2-3生物分子中碳氢氧氮硫磷元素含量①碳氢是生物分子的主体元素②氧氮硫磷构成官能团环境生物化学⑷微量无机生物元素大多为过渡元素表2-1是生物体内的微量元及其原子序数。元素原子序数元素原子序数元素原子序数元素原子序数硼氟钠镁硅59111214氯钾钙钒铬1719202324锰铁钴铜锌2526272930硒钼锡碘34425053表2-1生物体内的微量元素环境生物化学⑸常量离子具有电化学效应K+、Na+、Cl-、Ca2+、Mg2+等常量离子，在生物体的体液中含量较高，具有电化学效应。它们在保持体液的渗透压，酸碱平衡，形成膜电位及稳定生物大分子的胶体状态等方面有重要意义。各种生物元素对生命过程都有不可替代的作用，必需保持其代谢平衡。环境生物化学某些非生物元素进入体内，能干扰生物元素的正常功能，从而表现出毒性作用。如镉能置换锌，使含锌酶失活，从而使人中毒。某些非生物元素对人体有益，如有机锗可激活小鼠腹腔巨嗜细胞，后者介导肿瘤细胞毒和抗原提呈作用，从而发挥免疫监视、防御和抗肿瘤作用。环境生物化学2.1.3生物分子中的作用力⑴两类不同水平的作用力生物体系有两类不同的作用力，一类是生物元素借以结合称为生物分子的强作用力--共价键，另一类是决定生物分子高层次结构和生物分子之间借以相互识别,结合，作用的弱作用力--非共价相互作用。环境生物化学⑵共价键是生物分子的基本形成力共价键(covalentbond)是两个电负性相差不大的原子，借共用电子对所形成的化学键。具有自旋反平行的单电子的两个原子，接近到一定距离时，两者之间的作用为相互吸引。体系的能量随核间距离的缩小而减低，核间距离缩小到引力与斥力达到平衡时，体系的能量最低，即形成稳定的共价键。环境生物化学这时两原子的成键电子云重叠，电子运动主要集中到核间，把两个带正电荷的原子紧紧地结合在一起。通过共价键，分子中的各个原子结合成为具有一定共价结构的分子。只有通过化学反应，破坏一些共价键和形成一些共价键，才能改变分子的共价结构。环境生物化学共价键的属性键能键长键角极性配位键环境生物化学①键能两个原子借共价键相结合时，体系的能量降低，放出能量(结合能)。要破坏这个键，就必需供给相应的能量。键能(bondenergy)就等于破坏某一共价键所需的能量。键能越大，键越稳定。生物分子中常见的共价键的键能一般在300--800kJ/mol之间(表2—2)。环境生物化学表2-2常见共价键的健能与键长环境生物化学续表2-2常见共价键的健能与键长环境生物化学③键角共价键具有方向性，一个原子和另外两个原子所形成的键之间的夹角即为键角(bondangle)。根据键长和键角，可了解分子中各个原子的排列情况和分子的极性。④键的极性共价键的极性是指两原子间电子云的不对称分布。极性大小取决于成键原子电负性的差。环境生物化学多原子分子的极性状态是各原子电负性的矢量和。常见共价键极性大小的顺序是：•⑤配位键对生物分子有特殊意义•配位键(coordinatebond)是特殊的共价键，它的共用电子对是由一个原子提供的。在生物分子中，常以过渡元素为电子受体，以化学基团中的O、N、S、P等为电子供体，形成多配位络和物。过渡元素都有固定的配位数和配位结构。环境生物化学非共价作用氢键疏水作用范德华力静电⑶非共价相互作用是生物高层次结构主要作用力环境生物化学②氢键氢原于与半径小、电负性大的原子形成共价键时，共用电子对偏离氢原于，使氢原于核几乎裸露出来。当另一个电负性强的原子与之接近时，即可与之结合形成氢键(hydrogenbond)。环境生物化学氢键是一种弱作用力，键能只相当于共价键的1/30-1/20(12-30KJ/mol)，容易被破坏，并具有一定的柔性，容易弯曲。③范德华力是范德华引力与范德华斥力的统一。引力和斥力分别和原子间距离的6次方和12次方成反比。二者达到平衡时，两原子或原子团间保持一定的距离，即范德华距离，它等于两原子范德华半径的和。环境生物化学④荷电基团相互作用包括正负荷电基团间的引力，常称为盐键(saltbond)和同性荷电基团间的斥力。力的大小与荷电量成正比，与荷电基团间的距离平方成反比，还与介质的极性有关。介质的极性对荷电基团相互作用有屏蔽效应，介质的极性越小，荷电基团相互作用越强。例如，-COO-与-NH3+间在极性介质水中的相互作用力，仅为在蛋白质分子内部非极性环境中的1/20，在真空中的1/80。环境生物化学⑤疏水相互作用疏水相互作用(hydrophobicinteraction)比范德华力强得多。例如，一个苯丙氨酸侧链由水相转入疏水相时，体系的能量降低约40kJ/mol。生物分子有许多结构部分具有疏水性质，如蛋白质的疏水氨基酸侧链，核酸的碱基，脂肪酸的烃链等。它们之间的疏水相互作用，在稳定蛋白质，核酸的高层次结构和形成生物膜中发挥着主导作用。环境生物化学2.1.4生物分子低层次结构的同一性⑴碳架是生物分子结构的基础碳架是生物分子的基本骨架，由碳，氢构成。生物分子碳架的大小组成不一，几何形状结构各异，具有丰富的多样性。生物小分子的分子量一般在500以下，包括2-30个碳原子。碳架结构有线形的，有分支形的，也有环形的;有饱和的，也有不饱和的。变化多端的碳架与种类有限的官能团，共同组成形形色色的生物分子的低层次结构--生物小分子。环境生物化学⑵官能团限定分子的性质①官能团是易反应基团官能团(functionalgroup)是生物分子中化学性质比较活泼，容易发生化学反应的原子或基团。含有相同官能团的分子，具有类似的性质。②主要的官能团环境生物化学名称结构式定义基团性质羟基-OH醇有极性，一般不解离，能与酸生成酯，可作为氢键供体。羰基C=O醛或酮有极性，可作为氢键受体。羧基-COOH羧酸有极性，能解离，一般显弱酸性。氨基NH3胺有极性，可结合质子生成铵阳离子。酰胺基由羧基与氨基缩水结合成酰胺(amide)，有极性，巯基-SH硫醇有极性，在中性条件下不解离。易氧化成二硫键-S-S。胍基强碱性基团，可结合质子焦磷酸键一摩尔ATP水解成ADP可放出30.5KJ能量氧酯键由羧基与羟基缩水而成。硫酯键由羧基与巯基缩水而成。硫酯键是高能键。磷酸酯键磷酸羟基可解离成阴离子环境生物化学⑶杂环集碳架和官能团于一体杂环(heterocycle)是碳环中有一个或多个碳原子被氮氧硫等杂原子取代所形成的结构。由于杂原子的存在，杂环体系有了独特的性质。⑷异构现象丰富了分子结构的多样性①生物分子有复杂的异构现象异构体(isomer)是原子组成相同而结构或构型不同的分子。环境生物化学a.结构异构AddYourTitleAddYourTitleAddYourTitle由碳架不同产生的碳架异构由官能团位置不同产生的位置异构由官能团不同而产生的官能团异构由于原子之间连接方式不同所引起的异构现象称为结构异构环境生物化学如丙基和异丙基互为碳架异构体，a-丙氨酸和b-丙氨酸互为位置异构体，丙醛糖和丙酮糖互为官能团异构体。环境生物化学b.立体异构同一结构异构体，由于原子或基团在三维空间的排布方式不同所引起的异构现象称为立体异构现象(stereoisomerism)。立体异构构型异构构象异构顺反异构光学异构环境生物化学c.互变异构两种异构体互相转变