复旦生物化学课件2-生命之母-水

水-生命之母水-生命之母，生物体的70％以上为水•水分子的极性使它在常温常压下成为一种不寻常的液体，与非极性物质相遇，产生了细胞-生命的基本单位。•水分子与生物大分子间形成氢键，维护的它们的稳定性。•生物化学反应绝大部分在水中进行，因为有了水，才有了酸和碱。米勒模拟实验（Miller’ssimulatedexperiment）一种模拟在原始地球还原性大气中进行雷鸣闪电能产生有机物（特别是氨基酸）--水与其他物质一起造就了地球上生命的奇迹以论证生命起源的化学进化过程的实验。1953年由美国芝加哥大学研究生米勒（S.L.Miller）在其导师尤利（H.C.Urey）指导下完成，故名。米勒试验的装置是一个完全密闭的气体环路。首先，他将地球原始大气的主要成份甲烷、氨、氢气和水蒸汽按比例注入试验装置，从而再现了原始地球的大气环境。然后，用紫外线持续照射试验装置并对混合气体进行放电操作，以模拟早期地球环境中强烈的宇宙辐射及电闪雷鸣等自然现象。试验持续几天后，米勒在装置内的水溶液中检测到了多种形式的氨基酸。将水注入左下方的烧瓶内，先将玻璃仪器中的空气抽去。然后打开左方的活塞，泵入CH4、NH3和H2的混合气体（模拟还原性大气）。再将烧瓶内的水煮沸，使水蒸汽（H2O）和混合气体同在密闭的玻璃管道内不断循环，并在另一容量为5升的大烧瓶中，经受火花放电（模拟雷鸣闪电）一周，最后生成的黄褐色油状混合物，经过冷却后，积聚在仪器底部的溶液内（模拟原始大气中生成的有机物被雨水冲淋到原始海洋中）。两天后进行的产物分析在我们今天看来极其原始，纸色谱外加茚三酮显色，实验得到了甘氨酸。无机物质可以在原始大气环境中通过简单的化学反应生成有机分子，这只是生命演化历程中最初的一步。氨基酸、嘌呤、嘧啶、糖等有机分子还必须通过缩聚反应才能生成蛋白质、核酸等生物大分子。原始地球环境中，火山充当了缩聚反应的催化剂。火山活动频繁能够在局部地区形成高温缺氧的环境，简单的氨基酸类小分子能与地壳表面的水体作用形成含有机化合物的水溶液，称为“有机汤”。“有机汤”因高温蒸发而逐渐干涸，有机分子浓度不断增加。最终，氨基酸通过缩聚反应形成多肽等高聚物，进入海洋，成为生命起源所必需的有机大分子。其中水同样起到了关键作用，它是生命分子演化过程中的唯一载体。名称得率（%）名称得率（%）甘氨酸2.1乙酸0.51丙氨酸1.7丙酸0.66天冬氨酸0.024羟基乙酸1.9谷氨酸0.051乳酸1.6β-丙氨酸0.76α-羟基丁酸0.34α-氨基丁酸0.34琥珀酸0.27α-氨基异丁酸0.007亚氨基二乙酸0.37肌氨酸0.25亚氨基乙酸丙酸0.13N-甲基丙氨酸0.07脲0.034甲酸4.0N-甲基脲0.051麦启逊陨石中检测到的与模拟放电实验中生成的氨基酸之比较人体中的化学元素组成人体体液的构成人体中的水--水分是人机体中含量最大的组成成分。经科学测定，一个体重70kg的成年人，分布在各种组织和骨骼中的水达到45-50kg，占体重的60-70%。人的胚胎发育到3天时，含水量达97%，当胚胎发育到3个月时，含水量达91%，刚出生的新生儿体内含水量达80%。此后，水分逐渐减少，最终达到成年人的身体含水量。水的生理作用无论是消化作用、血液循环，还是物质交换与组织合成，都是在水的参与下，在水溶液中完成的。血液中有60%以上的水分，血液不停地循环，一颗健康的心脏就像一个自动水泵，每分钟要输出3.5-5.5L血液。对于一个寿命80岁的老人来说，他一生中心脏输出的血量约20万m3，相当于一个深2m、直径约360m的小海湾的水量。•水是良好的溶剂。•水还参与很多生物体内的化学反应，如水解、水合、氧化还原、有机化合物的合成和细胞的呼吸过程等。动物体内所有聚合和解聚合作用都伴有水的结合或释放。•动物体关节囊内、体腔内和各器官间组织液中的水，还可以减少关节和器官间的摩擦力，起到润滑作用。汗水通过毛孔由皮肤表面排出，起到调节人体温度的作用。眼泪润湿眼睛，同时也冲洗了眼睛中的灰尘。甚至人类繁衍，两性结合，也都离不开水的参与。氢键Hydrogenbond分子间力对物质熔点、沸点的影响，结构相似的同系列物质的熔沸点一般随分子量的增大而升高。但是在氢化物中，NH3、H2O、HF的熔点沸点比相应同族的氢化物都高得多。熔点(meltingpoint)沸点(boilingpoint)氢键（Hydrogenbond）•说明分子间还存在另一种特殊的分子力，这就是氢键。•氢键是指在氢原子与电负性很大的原子X以共价键相结合时，同另外一个具有孤对电子对的原子Y形成的一个弱的键，是一种由氢原子参加成键的特殊的化学键。•氢键的生成主要是因为偶极子与偶极子之间的静电吸引作用。当氢原子与电负性很强的原子(如A)结合时，因极化效应，其键间的电荷分布不均．氢原子变成近乎氢正离子状态。此时再与另一电负性很强的原子(如B)相遇时，即发生静电吸引。因此，结合可视为以H离子为桥粱而形成的，故称为氢键，如下式中虚线所示：A－H…B，A、B是氧、氮或氟等电负性大且原子半径比较小的原子。氢键的形成以HF为例，F的电负性相当大，r相当小，电子对严重偏向F，而H几乎成了质子。这种H与其它分子中电负性相当大、r小的原子相互接近时，产生一种特殊的分子间力——氢键。表示为····如F－H····F－H又如水分子之间的氢键氢键的形成有两个条件：1、与电负性大且r小的原子(F,O,N)相连的H；2、在附近有电负性大，r小的原子(F,O,N)。水分子的氢键氢键氢键的强弱与方向密切相关常温常压只有水在常规条件下是液态各种氢化物的沸点液态水中的氢键固态水中的氢键氢键的类型DNA分子肽链间氢键对物质的影响1.对物质熔点、沸点的影响，提高。2.对于溶解度的影响，溶质与溶剂形成氢键，促进溶解。3.对物质酸性的影响，氢键是HF的酸性低于没有氢键的HCl的原因之一。4.对生物体的影响，氢键对生物体来说比水重要，因为生物体内的蛋白质、DNA分子内或分子间都存在大量的氢键。没有氢键的存在，就没有这些特殊又稳定的大分子结构，正是这些大分子支撑了生物机体。正是由于氢键的存在，才使DNA的克隆得以实现，保证了物种的繁衍。水分子的极性Polarityofwatermolecule水分子的极性一个水分子由二个氢原子和一个氧原子构成，氧原子通过分别与两个氢原子各形成一对共用电子对的方式结合成稳定的分子。但由于共用电子对明显靠近氧原子一侧，导致氧原子附近形成负电荷中心，氢原子附近形成正电荷中心，这种现象称为水分子的极性。水的几乎所有化学性质都与水分子的极性密切相关。水分子的极性偶极矩，dipolemoment,电荷与距离之积的矢量极性水分子作为溶剂的作用极性水分子与非极性油滴的共存热力学第二定理说的是“在能量上这个世界趋向无序化”,而不是物质的分布的无序化.极性导致物质分布的有序化,这是细胞膜形成的基础.脂质体纳米颗粒有了水和油，就有了细胞细胞膜的模样为什么要有糖链？细胞膜两侧的水分子细胞膜的功能与一个国家的海关相似细胞是生命体的基本单位溶酶体线粒体核糖体中心体高尔基体细胞质核仁核膜细胞核核糖体细胞膜脂质体（细胞）之间可以相互融合水中溶解了溶质后产生的渗透压Π＝ρ·RT/M,其中Π渗透压；ρW/V浓度；M分子量；R气体常数；T温度蜗牛上撒盐会出水的道理水分子的极性对其理化性质的影响融点沸点蒸发热mpbpv.h.H2O0℃100℃540cal/gCH3OH-98℃65℃263cal/g水分子氢键键能水分子O-H键能4.5kcal/mol110kcal/mol平均寿命10-9秒弱酸、弱碱、等电点(Weakacid,weakbaseandisoelectricpiont)水中的酸、碱解离-Henderson-Hasselbalch方程:pH=pK+log[质子受体]/[质子供体]缓冲区域亨德森-哈塞尔巴尔赫方程（Henderson-Hasselbalchequation）是化学中关于酸碱平衡的一个方程。该方程使用pKa（即酸解离常数）描述pH值的变化。它可以用来估算缓冲体系的pH。若有弱酸HA水解如下：则方程写作：又写作：其中A−是HA失去质子后的形式，即其共轭碱。中括号表示物质浓度。亨德森方程的形式为：一元弱酸HA解离常数为Ka，则有两侧取对数：再把关于H+和Ka的项转化为负对数，因为pH和pKa较常用：什么是pH？pH的“p”表示“取负对数”的意思，来自德语（power的第一个字母)，即pH=-log[H+]=log{1/[H+]}。因此，可以有pOH,pNa,pCa等等，任何情况下p必须小写。pH一定是对水溶液而言，因为只有在水溶液中才能测定pH。pH对生化反应（酶促反应）影响极大Papain注意“pH”的正确使用法pH的正确使用方法：50mMTris-HCl,pH8.0；将溶液pH调至8.0；错误用法：PH8.0；Ph8.0；pH8.0；将溶液调至pH=8.0；缓冲溶液及缓冲机制一．缓冲溶液的缓冲作用和组成实验样品1，0.10mol·L-1NaCl溶液样品2，含HAc和NaAc均为0.10mol·L-1的混合溶液操作：加入强酸HCl至0.010mol·L-1观察现象：pH值的变化缓冲溶液及缓冲机制0.10mol·L-1NaCl溶液NaCl溶液中加入HCl到0.010mol·L-1，溶液的pH由7变为2，改变了5个pH单位。缓冲溶液及缓冲机制0.10mol·L-1HAc—0.10mol·L-1NaAc溶液0.10mol·L-1HAc—0.10mol·L-1NaAc溶液溶液中加入HCl到0.010mol·L-1，溶液的pH由4.75变为4.74，改变仅0.01pH单位。缓冲溶液的缓冲作用和组成结论HAc—NaAc混合溶液有抵抗外来少量强酸、强碱而保持pH值基本不变的能力。缓冲溶液的缓冲作用和组成1.缓冲溶液（buffersolution）•能抵抗外来少量强酸、强碱或稍加稀释，而保持其pH基本不变的溶液。2.缓冲作用（bufferaction）•缓冲溶液对强酸、强碱或稀释的抵抗作用。3.缓冲溶液的组成•一般由足够浓度的共轭酸碱对的两种物质组成。•组成缓冲溶液的共轭酸碱对的两种物质合称为缓冲系(buffersystem)或缓冲对(bufferpair)。常见的缓冲系质子转移平衡HAc+H2OAc-+H3O+H2CO3+H2OHCO3-+H3O+H3PO4+H2OH2PO4-+H3O+Tris·H++H2OTris+H3O+H2C8H4O4+H2OHC8H4O4-+H3O+NH4++H2ONH3+H3O+CH3NH3++H2OCH3NH2+H3O+H2PO4-+H2OHPO42-+H3O+HPO42-+H2OPO43-+H3O+缓冲系HAc-NaAcH2CO3-NaHCO3H3PO4-NaH2PO4Tris·HCl-TrisH2C8H4O4-KHC8H4O4NH4Cl-NH3CH3NH3+Cl-CH3NH2NaH2PO4-Na2HPO4Na2HPO4-Na3PO4质子转移平衡HAc+H2OAc-+H3O+H2CO3+H2OHCO3-+H3O+H3PO4+H2OH2PO4-+H3O+Tris·H++H2OTris+H3O+H2C8H4O4+H2OHC8H4O4-+H3O+NH4++H2ONH3+H3O+CH3NH3++H2OCH3NH2+H3O+H2PO4-+H2OHPO42-+H3O+HPO42-+H2OPO43-+H3O+缓冲系HAc-NaAcH2CO3-NaHCO3H3PO4-NaH2PO4Tris·HCl-TrisH2C8H4O4-KHC8H4O4NH4Cl-NH3CH3NH3+Cl-CH3NH2NaH2PO4-Na2HPO4Na2HPO4-Na3PO4缓冲机制•以HAc—Ac-体系为例缓冲溶液存在大量HAc和Ac-，质子转移平衡当加入少量强酸时消耗掉外来的H+离子，质子转移平衡左移，而溶液的pH保持基本不变。H++Ac-HAc当加入少量强碱时质子转移平衡右移，补充消耗掉的H3O+离子，而的pH值保持