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生物化学之一武汉大学张楚富第1页/共99页第2页/共99页 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。第3页/共99页　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。 第4页/共99页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。第5页/共99页三、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。第6页/共99页 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. 第7页/共99页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。第8页/共99页 Section 2水 在生物化学中，水