生物化学的一些基本问题

生物化学的一些基本问题生物化学的一些基本问题生生 命命n n什么是生命n n我们所处在的地球充满着无数的生物，从最简我们所处在的地球充满着无数的生物，从最简单的病毒、类病毒到菌藻树草，从鱼虫鸟兽到单的病毒、类病毒到菌藻树草，从鱼虫鸟兽到最复杂的人类，处处都可以发现它们的踪迹，最复杂的人类，处处都可以发现它们的踪迹，觉察到生命的活动。地球上的生物形形色色，觉察到生命的活动。地球上的生物形形色色，千姿百态。不同的生物，其形态、生理特征和千姿百态。不同的生物，其形态、生理特征和对环境的适应能力各不相同，都经历着生长、对环境的适应能力各不相同，都经历着生长、发育、衰老、死亡的变化，都具有繁殖后代的发育、衰老、死亡的变化，都具有繁殖后代的能力。能力。n nn生命的特征：生命的特征：n nn新陈代谢、生长发育、繁衍后代、遗传变异、新陈代谢、生长发育、繁衍后代、遗传变异、新陈代谢、生长发育、繁衍后代、遗传变异、环境应激性、自主运动、进化演变环境应激性、自主运动、进化演变环境应激性、自主运动、进化演变n nn结构复杂性、组织性和有序性、物质能量交换、结构复杂性、组织性和有序性、物质能量交换、结构复杂性、组织性和有序性、物质能量交换、生长发育、遗传变异、环境应激性、进化演变生长发育、遗传变异、环境应激性、进化演变生长发育、遗传变异、环境应激性、进化演变n nn生命的定义生命的定义n nn“生命是蛋白体的存在方式，这个存在方式的生命是蛋白体的存在方式，这个存在方式的生命是蛋白体的存在方式，这个存在方式的基本因素在于和它周围的外部自然界的不断地基本因素在于和它周围的外部自然界的不断地基本因素在于和它周围的外部自然界的不断地新陈代谢，而且这种新陈代谢一停止，生命就新陈代谢，而且这种新陈代谢一停止，生命就新陈代谢，而且这种新陈代谢一停止，生命就随之停止，结果便是蛋白质的分解。随之停止，结果便是蛋白质的分解。随之停止，结果便是蛋白质的分解。”恩恩恩格斯格斯格斯n nn“生命是开放的非平衡系统中发生的一系列过生命是开放的非平衡系统中发生的一系列过生命是开放的非平衡系统中发生的一系列过程程程”鲍尔鲍尔鲍尔n nn“非平衡态是通过熵从生物体流向周围介质来非平衡态是通过熵从生物体流向周围介质来非平衡态是通过熵从生物体流向周围介质来维持的维持的维持的”（耗散结构）（耗散结构）（耗散结构）薛定鄂薛定鄂薛定鄂n nn生命是高度有序的，开放的，具有耗散特征的，生命是高度有序的，开放的，具有耗散特征的，生命是高度有序的，开放的，具有耗散特征的，远离平衡态的动力学系统，其基本框架为：远离平衡态的动力学系统，其基本框架为：远离平衡态的动力学系统，其基本框架为：DNA-RNA-DNA-RNA-DNA-RNA-蛋白质蛋白质蛋白质n nn不断更新的自组织属性不断更新的自组织属性不断更新的自组织属性n nn具有多级超循环结构具有多级超循环结构具有多级超循环结构n nn在生命系统混沌与吸引子作用下不断朝更高层次迈在生命系统混沌与吸引子作用下不断朝更高层次迈在生命系统混沌与吸引子作用下不断朝更高层次迈进进进生命的化学基础生命的化学基础 全世界全世界250250余余万种生物，无万种生物，无论是形态结构论是形态结构还是生理过程还是生理过程都千姿百态，都千姿百态，迥然不同，但迥然不同，但他们却有着相他们却有着相似的化学基础。似的化学基础。从从分分子子到到细细胞胞生命的化学组成生命的化学组成 水：水：65%-75%65%-75%蛋白质：蛋白质：10%-15%10%-15%脂脂 质：质：3%-7%3%-7%糖糖 类：类：2%-4%2%-4%核核 酸：酸：3%-5%3%-5%其他有机物：其他有机物：1%1%无机物：无机物：2%-3%2%-3%构成生命的化学元素构成生命的化学元素组成生命体的物质是极其复杂的。但在地球上存组成生命体的物质是极其复杂的。但在地球上存组成生命体的物质是极其复杂的。但在地球上存组成生命体的物质是极其复杂的。但在地球上存在的在的在的在的92929292种天然元素中，只有种天然元素中，只有种天然元素中，只有种天然元素中，只有28282828种元素在生物体内种元素在生物体内种元素在生物体内种元素在生物体内被发现。被发现。被发现。被发现。第一类元素：包括第一类元素：包括第一类元素：包括第一类元素：包括C C C C、H H H H、O O O O和和和和N N N N四种元素，四种元素，四种元素，四种元素，是组成是组成是组成是组成生命体最基本的元素。这四种元素约占了生物体生命体最基本的元素。这四种元素约占了生物体生命体最基本的元素。这四种元素约占了生物体生命体最基本的元素。这四种元素约占了生物体总质量的总质量的总质量的总质量的99%99%99%99%以上。以上。以上。以上。第二类元素：包括第二类元素：包括第二类元素：包括第二类元素：包括S S S S、P P P P、ClClClCl、CaCaCaCa、K K K K、NaNaNaNa和和和和MgMgMgMg。这这这这类元素也是组成生命体的基本元素。类元素也是组成生命体的基本元素。类元素也是组成生命体的基本元素。类元素也是组成生命体的基本元素。第三类元素：包括第三类元素：包括第三类元素：包括第三类元素：包括FeFeFeFe、CuCuCuCu、CoCoCoCo、MnMnMnMn和和和和ZnZnZnZn。是生物是生物是生物是生物体内存在的主要少量元素。体内存在的主要少量元素。体内存在的主要少量元素。体内存在的主要少量元素。第四类元素：包括第四类元素：包括第四类元素：包括第四类元素：包括AlAlAlAl、AsAsAsAs、BeBeBeBe、BrBrBrBr、CrCrCrCr、F F F F、I I I I、MoMoMoMo、SeSeSeSe、SiSiSiSi等。等。等。等。重要的有机化学概念重要的有机化学概念什么是有机物什么是有机物n nn有机物原义是有机物原义是“有生机的物质有生机的物质”，即来自，即来自于生命体的物质。于生命体的物质。n nn“有机有机”、“无机无机”并无绝对界限并无绝对界限n nn从目前来看，有机化学主要研究是以从目前来看，有机化学主要研究是以C C、H H元素共价结合体为骨架的元素共价结合体为骨架的“有机化合物有机化合物”的结构、特性以及相互之间的转化和反应的结构、特性以及相互之间的转化和反应n nnC C C 原子是构成有机分子原子是构成有机分子原子是构成有机分子的重要元素，它能形成的重要元素，它能形成的重要元素，它能形成四个稳定共价键，是有四个稳定共价键，是有四个稳定共价键，是有机分子的骨架机分子的骨架机分子的骨架n nnH H H 原子做为最小的原子，原子做为最小的原子，原子做为最小的原子，具有形成稳定共价键以具有形成稳定共价键以具有形成稳定共价键以及离子键、氢键的能力。及离子键、氢键的能力。及离子键、氢键的能力。n nn所有有机化合物均包含所有有机化合物均包含所有有机化合物均包含C C C、H H H元素构成的分子骨元素构成的分子骨元素构成的分子骨架架架n nn一般情况下，一般情况下，一般情况下，C C C原原原子的四跟共价键子的四跟共价键子的四跟共价键是对称的，形成是对称的，形成是对称的，形成四棱锥结构。对四棱锥结构。对四棱锥结构。对C-CC-CC-C单键连接的分单键连接的分单键连接的分子我们一般接受子我们一般接受子我们一般接受这一假设这一假设这一假设n nnC C C原子可绕单键自原子可绕单键自原子可绕单键自由旋转由旋转由旋转n nnC=CC=CC=C双键或三键双键或三键双键或三键具有刚性，因此具有刚性，因此具有刚性，因此C C C原子与其他相连原子与其他相连原子与其他相连原子处于同一平原子处于同一平原子处于同一平面，不能旋转面，不能旋转面，不能旋转FisherFisherBall-and-stickBall-and-stickSpace fillingSpace filling三种常用的有机分子结构示意三种常用的有机分子结构示意重要的有机官能团重要的有机官能团n nn所谓官能团，是指有机化合物中区别于共所谓官能团，是指有机化合物中区别于共同碳骨架的结构部分。同碳骨架的结构部分。n nn一般有机分子的化学性质主要取决于官能一般有机分子的化学性质主要取决于官能团。团。n nn复杂的有机分子通常有多个官能团复杂的有机分子通常有多个官能团甲基甲基乙基乙基苯基苯基羟基羟基醛基醛基酮基酮基羧基羧基酯酯醚醚酐酐乙酰磷酸乙酰磷酸磷酸酐磷酸酐氨基氨基酰氨基酰氨基胍基胍基咪唑基咪唑基巯基巯基硫酯硫酯二二硫硫化化物物有机分子的构型构象有机分子的构型构象n nn不对称碳原子不对称碳原子n nn当一个当一个当一个C C C原子上连接的原子上连接的原子上连接的4 4 4个基团各不相同时，该个基团各不相同时，该个基团各不相同时，该C C C原子即不对称原子即不对称原子即不对称C C C原子，因不对称原子，因不对称原子，因不对称C C C原子上基团原子上基团原子上基团连接方式的不同，而产生有机分子的不同构型连接方式的不同，而产生有机分子的不同构型连接方式的不同，而产生有机分子的不同构型和手性现象。和手性现象。和手性现象。n nn构型：指有机分子内部基团的共价连接方式的构型：指有机分子内部基团的共价连接方式的构型：指有机分子内部基团的共价连接方式的差异。改变构型必须断裂共价键。差异。改变构型必须断裂共价键。差异。改变构型必须断裂共价键。n nn构象：由于各基团绕构象：由于各基团绕构象：由于各基团绕C C C原子旋转而产生的有机原子旋转而产生的有机原子旋转而产生的有机分子内各原子的空间排布的差异，不涉及共价分子内各原子的空间排布的差异，不涉及共价分子内各原子的空间排布的差异，不涉及共价键的断裂键的断裂键的断裂R R，S S构型命名系统构型命名系统D,LD,L构型命名系统构型命名系统(R,R)isomer(R,R)isomer(S,S)isomer(S,S)isomer绿薄荷香菜Neutral sweet Neutral sweet(commercial name)(commercial name)有机分子的构象有机分子的构象HighenergyLowenergyLight absorbing pigment in rhodopsinLight absorbing pigment in rhodopsinan integral membrane proteinan integral membrane proteinConformational flexibility of a proteinConformational flexibility of a protein生物化学反应的基本原则生物化学反应的基本原则n nn共价键是通过两个原子共用外层电子而形共价键是通过两个原子共用外层电子而形成的成的n nn原子有通过获得、失去或共享电子的方式，达原子有通过获得、失去或共享电子的方式，达原子有通过获得、失去或共享电子的方式，达到到到“满电子状态满电子状态满电子状态”的倾向的倾向的倾向n nn如果形成共价键的原子如果形成共价键的原子如果形成共价键的原子“电负性电负性电负性”相近，那么相近，那么相近，那么形成的共价键是形成的共价键是形成的共价键是 非极性的非极性的非极性的，否则就是，否则就是，否则就是“极性的极性的极性的”n nn共价键的强弱，可用共价键的强弱，可用共价键的强弱，可用“键能键能键能”来衡量，所谓来衡量，所谓来衡量，所谓“键能键能键能”就是断裂该键所需的能量，或者该键形就是断裂该键所需的能量，或者该键形就是断裂该键所需的能量，或者该键形成时所释放的能量成时所释放的能量成时所释放的能量n nn多数生化反应是通过多数生化反应是通过“亲核基团亲核基团”攻击攻击“亲电基团亲电基团”来实现的来实现的n nn“亲核基团亲核基团亲核基团”指那些含有多余电子，倾向于通指那些含有多余电子，倾向于通指那些含有多余电子，倾向于通过提供共享