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生物化学导论PowerPoint演示文稿
•六、水的离子化和pH
• 水是一种中性分子，只是具有很弱的离子化倾向。人们通
常用下面的式子表达水的离子化：
•
H2O ←→ H＋ ＋ OH—
•实际上，自由的H＋是不存在的，而是与水分子结合，以水合
氢离子（H3O＋）的形式存在。质子可与一簇水分子结合形成 具有H5O2＋、H7O3＋等等分子式的结构。为了简便，可以把这 些离子形式合并以H＋代表。水合氢离子的质子可以很快地一
•2、液态水的结构 • 由于液态水的每个分子约10－12秒重新定位一次，因此很少有实 验技术能探测这些水分子的瞬间排列。在液态水中，分子间的这些 氢键已变形。结果使连接分子的氢键网是无规则的和可变的；而且， 这样的氢键网是不断地被打断和重新形成，因而液态水是由快速波 动的三维网状的氢键结合的H2O分子构成(图1－6a)。
H、C、N和O是元素周期表中最轻的元素。由于共价键的强 度与所涉及原子的原子量是成反比的，因此，H、C、N和O
彼此间能形成最强的共价键。两种其他能形成共价键的元素
磷和硫也在生物分子中起着重要的作用。
• •1、生物分子是含碳的化合物
• 所有生物分子都含有碳。碳的优势是由于它通过共用 电子对形成稳定的共价键方面的多面性。通常与碳以共价键
• 3、生物大分子具有特征性的三维结构 • 任何一种分子结构都是独特的，并具有可区别的特有的性 质。生物大分子，尤其是蛋白质，分子结构已经达到了其复杂 性的极点。 •4、非共价作用力维持生物大分子的结构 • 共价键把原子结合在一起形成分子，非共价作用力是分子 内或分子间的原子之间的吸引。非共价作用力是弱的作用力， 包括氢键、离子键、范德华力和疏水相互作用。这些作用力一 般介于4–30 kJ·mol-1范围。 •5、结构互补性决定生物分子的相互作用 • 结构互补性是生物分子间识别的手段。生命的复杂而高度 组织化的型式取决于生物分子彼此识别和相互作用的能力。如 果一种分子的结构与另一种分子的结构是互补的，例如某种酶 与它的专一性底物分子，那么这两种分子之间的相互作用就能 准确地实现。结构互补性的原理是生物分子识别的基本要素.
物细胞和原核生物细胞。真核生物细胞具有复杂的内部结构。
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•三、生物分子的特性反映它们对生命状态的适应 •1、生物大分子和它们的构件具有方向性 • 生物大分子是由单位元件构筑而成的。蛋白质由氨基酸构成， 核酸由核苷酸构成，多糖由单糖构成。这些构件分子是有极性的， 即它们是不对称的。因此，从某种意义上说,它们是有“头”和有 “尾”的。当这些构件分子组成生物大分子时，它们头-尾连结。 于是，生物大分子聚合体也将是有头有尾的。因此，它们的结构应 该是有“感应”（sense）的或者说是有方向的（图1－3）。 •2、生物大分子是信息分子 • 由于生物大分子对它们的结构及其组成元件具有感应，因此， 只要构件单位的多样性或次序不是过分筒单或重复，它们的线性顺
学结构和三维构象；生物分子的相互作用；生物分子
的合成与降解；能量的保存与利用；生物分子的组装 和协调；遗传信息的贮存、传递和表达。
•
•
Section 1 生命、细胞和生物分子
• 分子是无生命的, 然而分子却可以以适当的数目和
方式构成生命。生命系统因有其特殊性质而与非生命
系统不同。它们能生长、运动，能完成难以置信的代
• •五、溶质对水的性质的影响 • ▲溶解物质的存在打乱了液态水的结构,使水的性质发生改 变。生物机体内部的水与纯水很不相同。细胞内部和细胞周围 的液体是被各种溶质充塞的，这些溶质包括从很小的无机离子 到巨大的分子聚集体。
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• ▲溶质的浓度影响水的依数性（colligative properties）。依 数性是溶液的一种物理性质，它取决于溶质的浓度而不是溶质 的化学特性。例如，溶质的存在能降低水的冰点和升高水的沸 点，因为溶质的存在使水分子更难以结成冰，也更难以从溶液 逃溢出变成气态。 • ▲渗透压也与溶质的浓度有关。当溶质与纯水被一层只允许 水分子通过而不允许溶质通过的半透膜分开时，水移动进入到 溶液中，以便使膜两侧的浓度趋于平衡。渗透（Osmosis）是溶 剂从高浓度区（这里是纯水）向相对低的浓度区（含溶质的水） 的移动。溶液的渗透压（Osmosis pressure）是必需施加给溶液 以阻止水向内流动的压力（图1－10）。这种压力与溶质的浓度 成正比。 • ▲当水溶液被一层允许水和溶质渗透的膜隔开时，水可以向 内运动，溶质也可以从溶液中向外运动，直到膜两侧的溶质浓 度达到相同为止。分子的这种随机运动叫做扩散（diffuse）。 当平衡确立时，没有水和溶质的进一步净流动，虽然分子继续 在运动。
谢化学反应，能对环境的刺激作出应答以及能准确地
进行自我复制。尽管生命存在着惊人的多样性、存在
着生物结构和维持生命必需的机制的复杂性，但是生
命的功能最终是可以用化学的原理来解释的。
•
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• 一、生命系统的独特性质 •●生物最显著的性质是它们具有复杂的结构和高度的组织形 式。
• •二、生命分子 • 生命物质的元素组成明显不同于地球外壳元素的元素组 成。H、O、C和N构成了人体原子总量的99%以上，其中大 多数H和O以H2O形式出现。
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•
H、O、C和N的什么样的性质使其结合成适合于生命
的化学？是它们通过共用电子对形成共价键的能力。此外，
相结合的原子是碳本身以及H、O和N（图1—1）。
• 碳的共价键有两个特别值得注意的性质。一是碳与自
身形成共价键的能力，另一个是被键合碳原子周围的四个共
价键的四面体性质。这两种性质对于碳所形成的线性、分支
以及环状的化合物的惊人多样性是极为重要的。这种多样性
可因N、O和H原子的参与而进一步扩大。
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•二、水的溶剂特性 • 溶解度取决于溶质分子与溶剂分子之间的相互作用力以及 溶质分子之间的相互作用力。由于水具有高极性，因而使得它对 于极性物质和离子物质是一种极好的溶剂(1-6b)。
• 三、疏水相互作用 • 非极性物质（或者生物大分子的非极性功能基团）不易与 水形成氢键。因此，这类化合物只能在水中极少溶解。当非极性 物质或基团侵入液态水时，将会破坏原有液态水分子之间的氢键 网，溶质周围的水发生大的重新排列。为了重新获得它们失去的 氢键能，表面的水分子指向它们自身，以四面体氢键的方式形成 一种封闭的、类似笼子的氢键网（图1-7）。
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•四、中极两性分子 • 含有极性基团和非极性基团的化合物称为中级两性化合 物（amphiphiles）。这类化合物既有亲水性又有疏水性。（图 1－8）。因此，当中性两性化合物分子与水溶剂相互作用时， 中极两性化合物趋向形成结构上有序的排列。胶束（或微团） （micelle）是由数千种中极两性化合物构成的小球（图1－9 中极两性分子在水溶液中形成胶团.）。中极两性分子也能形 成另一种有序的结构形式---双分子层结构，与生物膜的结构相 似。因此，中极两性化合物的这种特殊的性质是生物膜构成的 基础。
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•2、生物分子是分级的
• (1)代谢物和大分子
• 无机物分子 →（同化）转变成代谢物（氨基酸、糖、核苷
酸、脂肪酸和甘油）→（通过共价）键构成大分子(蛋白质、多
糖、DNA和RNA以及脂类) →（大分子间的相互作用导致）超分
子复合物（酶复合物、核糖体、染色体和细胞骨架系统）（图1
－2）
•(2)细胞器
• 细胞器是生物分子等级中较高层次的一级。细胞器仅在真
核生物细胞中发现。
•(3)膜
• 膜是细胞和细胞器的边界（但将膜归为超分子装配体或者
归为细胞器都不太适合，虽然它们具有两者共有的性质）。
•(4)细胞是生命的基本单位
• 细胞是生命的单位，是唯一能展现生命特征（生长、代谢、
刺激应答和复制）的最小实体。细胞可分为两种类型，即真核生
•●生命系统能活跃地进行能量转换，生物高度组织化的结构 和生命活动的维持依赖于从环境捕获能量的能力。被生物利 用的能量形式是特殊的生物分子。ATP和NADPH是其中最 重要的富含能量的生物分子，代表着生物在化学上可利用的 能量的贮存形式。
•●生命系统具有显著的自我复制能力。生物能一代一代地繁 衍与它们自身相同的后代。
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•6、生物分子的的识别是由弱的相互作用力介导的 • 通过结构互补性所发生的生物分子识别事件是由前面 所述的弱的非共价键作用力介导的。
•7、弱的作用力把生物限制在一个窄范围环境条件中 • 生物大分子仅在窄的环境条件下(例如温度、离子强度 以及酸-碱度等)才有功能上的活性。极端条件将破坏维持 大分子复杂结构所必需的弱的作用力。这些复杂大分子的 有序结构的丧失(也就是变性)伴随着功能的消失。
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Section 2 水
• 在生物化学中，水存在的意义是显而易见的：①几乎 所有生物分子随环境中水的物理和化学性质而呈现它们的 形态。②大多数生物化学反应的介质是水,代谢反应的反应 物和产物在细胞范围内和细胞间运输都依赖于水。③水本 身活跃地参与支撑许多化学反应，水的离子化组分(H＋和 OH－)往往作为真正的反应物参与反应。事实上，生物分子 的许多功能基团的反应性取决于环境介质中的H＋和OH－的 相对浓度。④水的氧化产生的分子氧(O2)是通过光合作用完 成的。⑤水的离子化产物(H＋和OH－)是蛋白质、核酸以及 膜的结构与功能的关键决定者。⑥在膜的内外两侧的氢离