《生物化学》课件之一(武汉大学张楚富)

生物化学主讲教师:张楚富Chapter1生物化学导论生物化学是研究生命分子和生命化学反应的科学，是运用化学的原理在分子水平上解释生物学的科学。它的主要研究范围包括这样几个方面：生物分子的化学结构和三维构象；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。Section1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。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。●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。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。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，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。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。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，它们的线性顺序就应含有特定信息的潜在能力。蛋白质和核酸的构件单位是以非显著重复方式排列的，它们的顺序是独特的。当把组成它们的构件单位以字母排列时，可以组成有意义的词语，然而并非所有生物大分子都含有信息。多糖往往由相同的单糖单位一次又一次地重复排列构成。这类同聚多糖不可能含有什么信息。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4–30kJ·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.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。Section2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子浓度的差异代表了能量转化的生物学机制所必需的能化状态。一、水的结构单个水分子的两个氢原子共价地与氧原子结合，呈现一种非线性排列（图1－4a,b）。水的氢键形成具有协同的性质。这就是说，作为受体的氢键结合的水分子是一种比未键合的水分子更好的氢键供体。（同样，作为氢键供体的氢键结合的水分子也是一种更好的氢键受体）。因此，水分子之间氢键的形成有一种彼此支援的现象。1、冰的结构在普通的冰中（它是水的一般晶体形式），每个水分子都有四个以氢键结合的最邻近者(图1－5)在冰结构中，每个氢原子都与邻近的水分子的氧原子形成氢键，而氧原子作为氢键的受体能与来自两个不同水分子的氢原子形成氢键。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)。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）。环绕非极性溶质的水分子的有序化产生了不利于非极性溶质水化的自由能.因此非极性溶质趋向于从水相中排出。当非极性溶质彼此相遇而聚集时，它们所占据的空间的表面积小于它们各自单独占有空间的表面积之和。因此，非极性溶质的聚集能够减小所占空间的表面积，随之导致非极性溶质表面的水的有序化程度总量降低。换句话说，非极性溶质相互吸引、避开水的倾向是水分子有序度的减少（或者说混乱度增加）所产生的熵增所推动的。熵是一个系统有序程度的一种量度。任何系统的有序度的减少或者混乱度的增高都会伴随熵的增加。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。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。▲溶质的浓度影响水的依数性（colligativeproperties）。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（Osmosispressure）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。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个水分子跳跃到另一个水分子（图1-11）。氢键网为H＋的快速迁移提供了一条天然的路线。质子经氢键网快速迁移的质子跳跃（protonjumping）为生物学上许多重要的质子转移（例如快速的酸-碱反应）提供了解释。根据水的离子化及其平衡常数，可以推导表达水溶液氢离子浓度的方程式：pH＝log(1/[H＋])＝–log[H＋]由于纯水的[H＋]＝10-7mol·L-1，因此，用pH来描述纯水的氢离子浓度即为：pH＝log(1/1×10-7)＝log(1×107)＝log1.0＋log107＝0＋7.0＝7.0pH值越高，H＋浓度就越低；pH值越低，H＋浓度就越高。七、酸-碱化学由水解离产生的H＋和OH－是生物化学反应的基础。生物分子，例如蛋白质和核酸，具有众多的可作为酸或碱的功能基团（例如羧基和氨基）。这些分子影响液态介质的pH，它们的结构和反应性也会受到周围pH的影响。因而正确评价酸-碱化学是了解许多分子的生物学作用所必须的。1、酸是质子的供体按照J.Brønsted和T.Lowry关于酸和碱的概念，凡是能供出质子的物质即是酸，凡是能接受质子的物质即为碱。按照这一定义，碱-酸反应可以表述为：HA＋H20→H3O＋＋A－酸（HA）与碱（H2O）反应，形成酸的共轭碱（A－）和碱的共轭酸（H3O＋）。相应地，醋酸离子（CH3COO－）是醋酸（CH3COOH）的共轭碱，铵离子（NH4＋）是氨（NH3）的共轭酸。牵涉到水参与的酸-碱反应，往往可以缩写为HA←→H＋＋A－2、酸的强度可用它的解离