【正文】 生 物 化 學 主講教師 : 張 楚 富 Chapter 1 生物化學導論 生物化學是研究生命分子和生命化學反應的科學，是運用化學的原理在分子水平上解釋生物學的科學。它的主要研究范圍包括這樣幾個方面： 生物分子的化學結構和三維構象；生物分子的相互作用；生物分子的合成與降解；能量的保存與利用；生物分子的組裝和協(xié)調(diào)；遺傳信息的貯存、傳遞和表達。 Section 1 生命、細胞和生物分子 分子是無生命的 , 然而分子卻可以以適當?shù)臄?shù)目和方式構成生命。生命系統(tǒng)因有其特殊性質而與非生命系統(tǒng)不同。 它們能生長、運動，能完成難以置信的代謝化學反應，能對環(huán)境的刺激作出應答以及能準確地進行自我復制。 盡管生命存在著驚人的多樣性、存在著生物結構和維持生命必需的機制的復雜性，但是生命的功能最終是可以用化學的原理來解釋的。 一、生命系統(tǒng)的獨特性質 ● 生物最顯著的性質是它們具有復雜的結構和高度的組織形式。 ● 生命系統(tǒng)能活躍地進行能量轉換，生物高度組織化的結構和生命活動的維持依賴于從環(huán)境捕獲能量的能力。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，代表著生物在化學上可利用的能量的貯存形式 。 ● 生命系統(tǒng)具有顯著的自我復制能力。生物能一代一代地繁衍與它們自身相同的后代。 二、生命分子 生命物質的元素組成明顯不同于地球外殼元素的元素組成。 H、 O、 C和 N構成了人體原子總量的 99%以上，其中大多數(shù) H和 O以 H2O形式出現(xiàn)。 H、 O、 C和 N的什么樣的性質使其結合成適合于生命的化學？ 是它們通過共用電子對形成共價鍵的能力。 此外，H、 C、 N和 O是元素周期表中最輕的元素。 由于共價鍵的強度與所涉及原子的原子量是成反比的，因此， H、 C、 N和 O彼此間能形成最強的共價鍵。 兩種其他能形成共價鍵的元素磷和硫也在生物分子中起著重要的作用。 生物分子是含碳的化合物 所有生物分子都含有碳。 碳的優(yōu)勢是由于它通過共用電子對形成穩(wěn)定的共價鍵方面的多面性 。通常與碳以共價鍵相結合的原子是碳本身以及 H、 O和 N（ 圖 1—1） 。 碳的共價鍵有兩個特別值得注意的性質。 一是碳與自身形成共價鍵的能力，另一個是被鍵合碳原子周圍的四個共價鍵的四面體性質。 這兩種性質對于碳所形成的線性、分支以及環(huán)狀的化合物的驚人多樣性是極為重要的。這種多樣性可因 N、 O和 H原子的參與而進一步擴大。 生物分子是分級的 (1)代謝物和大分子 無機物分子 → （同化）轉變成代謝物（氨基酸、糖、核苷酸、脂肪酸和甘油） → （通過共價）鍵構成大分子 (蛋白質、多糖、 DNA和 RNA以及脂類 ) → （大分子間的相互作用導致）超分子復合物（酶復合物、核糖體、染色體和細胞骨架系統(tǒng)） （圖 1－ 2） (2)細胞器 細胞器是生物分子等級中較高層次的一級。細胞器僅在真核生物細胞中發(fā)現(xiàn)。 (3)膜 膜是細胞和細胞器的邊界（但將膜歸為超分子裝配體或者歸為細胞器都不太適合，雖然它們具有兩者共有的性質）。 (4)細胞是生命的基本單位 細胞是生命的單位，是唯一能展現(xiàn)生命特征（生長、代謝、刺激應答和復制）的最小實體。細胞可分為兩種類型，即真核生物細胞和原核生物細胞。真核生物細胞具有復雜的內(nèi)部結構。 三、生物分子的特性反映它們對生命狀態(tài)的適應 生物大分子和它們的構件具有方向性 生物大分子是由單位元件構筑而成的。蛋白質由氨基酸構成，核酸由核苷酸構成，多糖由單糖構成。這些構件分子是有極性的，即它們是不對稱的。 因此，從某種意義上說 ,它們是有“頭”和有“尾”的。當這些構件分子組成生物大分子時，它們頭 尾連結。于是，生物大分子聚合體也將是有頭有尾的 。 因此， 它們的結構應該是有“感應”（ sense）的或者說是有方向的 （圖 1－ 3） 。 生物大分子是信息分子 由于生物大分子對它們的結構及其組成元件具有感應，因此，只要構件單位的多樣性或次序不是過分筒單或重復，它們的線性順序就應含有特定信息的潛在能力 。蛋白質和核酸的構件單位是以非顯著重復方式排列的，它們的順序是獨特的。當把組成它們的構件單位以字母排列時，可以組成有意義的詞語，然而并非所有生物大分子都含有信息。多糖往往由相同的單糖單位一次又一次地重復排列構成。這類同聚多糖不可能含有什么信息。 生物大分子具有特征性的三維結構 任何一種分子結構都是獨特的，并具有可區(qū)別的特有的性質。生物大分子，尤其是蛋白質，分子結構已經(jīng)達到了其復雜性的極點。 非共價作用力維持生物大分子的結構 共價鍵把原子結合在一起形成分子，非共價作用力是分子內(nèi)或分子間的原子之間的吸引。非共價作用力是弱的作用力，包括氫鍵、離子鍵、范德華力和疏水相互作用。這些作用力一般介于 4–30 kJmol1范圍。 結構互補性決定生物分子的相互作用 結構互補性是生物分子間識別的手段。 生命的復雜而高度組織化的型式取決于生物分子彼此識別和相互作用的能力。如果一種分子的結構與另一種分子的結構是互補的，例如某種酶與它的專一性底物分子，那么這兩種分子之間的相互作用就能準確地實現(xiàn)。結構互補性的原理是生物分子識別的基本要素 . 生物分子的的識別是由弱的相互作用力介導的 通過結構互補性所發(fā)生的生物分子識別事件是由前面所述的弱的非共價鍵作用力介導的。 弱的作用力把生物限制在一個窄范圍環(huán)境條件中 生物大分子僅在窄的環(huán)境條件下 (例如溫度、離子強度以及酸 堿度等 )才有功能上的活性。極端條件將破壞維持大分子復雜結構所必需的弱的作用力。這些復雜大分子的有序結構的喪失 (也就是變性 )伴隨著功能的消失。 Section 2 水 在生物化學中，水存在的意義是顯而易見的： ① 幾乎所有生物分子隨環(huán)境中水的物理和化學性質而呈現(xiàn)它們的形態(tài)。 ② 大多數(shù)生物化學反應的介質是水 ,代謝反應的反應物和產(chǎn)物在細胞范圍內(nèi)和細胞間運輸都依賴于水。 ③ 水本身活躍地參與支撐許多化學反應，水的離子化組分 (H＋ 和OH－ )往往作為真正的反應物參與反應。事實上，生物分子的許多功能基團的反應性取決于環(huán)境介質中的 H＋ 和 OH－ 的相對濃度。 ④ 水的氧化產(chǎn)生的分子氧 (O2)是通過光合作用完成的。 ⑤ 水的離子化產(chǎn)物 (H＋ 和 OH－ )是蛋白質、核酸以及膜的結構與功能的關鍵決定者。 ⑥ 在膜的內(nèi)外兩側的氫離子濃度的差異代表了能量轉化的生物學機制所必需的能化狀態(tài)。 一、水的結構 單個水分子的兩個氫原子共價地與氧原子結合，呈現(xiàn)一種非線性排列 （圖 1－ 4a,b） 。 水的氫鍵形成具有協(xié)同的性質 。 這就是說，作為受體的氫鍵結合的水分子是一種比未鍵合的水分子更好的氫鍵供體。（同樣，作為氫鍵供體的氫鍵結合的水分子也是一種更好的氫鍵受體）。因此，水分子之間氫鍵的形成有一種彼此支援的現(xiàn)象 。 冰的結構 在普通的冰中（它是水的一般晶體形式），每個水分子都有四個以氫鍵結合的最鄰近者 (圖 1－ 5 )在冰結構中，每個氫原子都與鄰近的水分子的氧原子形成氫鍵，而氧原子作為氫鍵的受體能與來自兩個不同水分子的氫原子形成氫鍵。 液態(tài)水的結構 由于液態(tài)水的每個分子約 10－ 12秒重新定位一次，因此很少有實驗技術能探測這些水分子的瞬間排列。在液態(tài)水中，分子間的這些氫鍵已變形。結果使連接分子的氫鍵網(wǎng)是無規(guī)則的和可變的；而且，這樣的氫鍵網(wǎng)是不斷地被打斷和重新形成， 因而液態(tài)水是由快速波動的三維網(wǎng)狀的氫鍵結合的 H2O分子構成 (圖 1－ 6a)。 二、水的溶劑特性 溶解度取決于溶質分子與溶劑分子之間的相互作用力以及溶質分子之間的相互作用力。 由于水具有高極性，因而使得它對于極性物質和離子物質是一種極好的溶劑 (16b)。 三、疏水相互作用 非極性物質（或者生物大分子的非極性功能基團）不易與水形成氫鍵。因此，這類化合物只能在水中極少溶解。當非極性物質或基團侵入液態(tài)水時，將會破壞原有液態(tài)水分子之間的氫鍵網(wǎng)，溶質周圍的水發(fā)生大的重新排列。為了重新獲得它們失去的氫鍵能，表面的水分子指向它們自身， 以四面體氫鍵的方式形成一種封閉的、類似籠子的氫鍵網(wǎng) （圖 17） 。 環(huán)繞非極性溶質的水分子的有序化產(chǎn)生了不利于非極性溶質水化的自由能 . 因此非極性溶質趨向于從水相中排出。當非極性溶質彼此相遇而聚集時，它們所占據(jù)的空間的表面積小于它們各自單獨占有空間的表面積之和。因此，非極性溶質的聚集能夠減小所占空間的表面積，隨之導致非極性溶質表面的水的有序化程度總量降低。 換句話說，非極性溶質相互吸引、避開水的傾向是水分子有序度的減少（或者說混亂度增加）所產(chǎn)生的熵增所推動的。 熵是一個系統(tǒng)有序程度的一種量度。任何系統(tǒng)的有序度的減少或者混亂度的增高都會伴隨熵的增加。 四、中極兩性分子 含有極性基團和非極性基團的化合物稱為中級兩性化合物（ amphiphiles）。這類化合物既有親水性又有疏水性。 （圖 1－ 8） 。 因此，當中性兩性化合物分子與水溶劑相互作用時，中極兩性化合物趨向形成結構上有序的排列。膠束（或微團）（ micelle）是由數(shù)千種中極兩性化合物構成的小球（ 圖 1－ 9 中極兩性分子在水溶液中形成膠團 .）。 中極兩性分子也能形成另一種有序的結構形式 雙分子層結構，與生物膜的結構相似。因此，中極兩性化合物的這種特殊的性質是生物膜構成的基礎。 五、溶質對水的性質的影響 ▲ 溶解物質的存在打亂了液態(tài)水的結構 ,使水的性質發(fā)生改變。生物機體內(nèi)部的水與純水很不相同。細胞內(nèi)部和細胞周圍的液體是被各種溶質充塞的，這些溶質包括從很小的無機離子到巨大的分子聚集體。 ▲ 溶質的濃度影響水的 依數(shù)性（ colligative properties） 。 依數(shù)性是溶液的一種物理性質，它取決于溶質的濃度而不是溶質的化學特性。 例如，溶質的存在能降低水的冰點和升高水的沸點，因為溶質的存在使水分子更難以結成冰，也更難以從溶液逃溢出變成氣態(tài)。 ▲ 滲透壓 也與溶質的濃度有關 。當溶質與純水被一層只允許水分子通過而不允許溶質通過的半透膜分開時，水移動進入到溶液中，以便使膜兩側的濃度趨于平衡。滲透（ Osmosis）是溶劑從高濃度區(qū)（這里是純水）向相對低的濃度區(qū)（含溶質的水）的移動。溶液的滲透壓（ Osmosis pressure）是必需施加給溶液以阻止水向內(nèi)流動的壓力 （圖 1－ 10） 。 這種壓力與溶質的濃度成正比。 ▲ 當水溶液被一層允許水和溶質滲透的膜隔開時，水可以向內(nèi)運動，溶質也可以從溶液中向外運動，直到膜兩側的溶質濃度達到相同為止。 分子的這種隨機運動叫做擴散（ diffuse） 。當平衡確立時，沒有水和溶質的進一步凈流動，雖然分子繼續(xù)在運動。 六、水的離子化和 pH 水是一種中性分子，只是具有很弱的離子化傾向。人們通常用下面的式子表達水的離子化： H2O ←→ H ＋ ＋ OH— 實際上，自由的 H＋ 是不存在的，而是與水分子結合，以水合氫離子（ H3O＋ ）的形式存在。質子可與一簇水分子結合形成具有 H5O2＋ 、 H7O3＋ 等等分子式的結構。為了簡便，可以把這些離子形式合并以 H＋ 代表。水合氫離子的質子可以很快地一個水分子跳躍到另一個水分子 （圖 111） 。氫鍵網(wǎng)為 H＋ 的快速遷移提供了一條天然的路線。 質子經(jīng)氫鍵網(wǎng)快速遷移的質子跳躍（ proton jumping）為生物學上許多重要的質子轉移（例如快速的酸 堿反應）提供了解釋 。 根據(jù)水的離子化及其平衡常數(shù)，可以推導表達水溶液氫離子濃度的方程式： pH ＝ log(1/[H＋ ])＝ –log[H＋ ] 由于純水的 [H＋ ] ＝ 107molL1，因此，用 pH來描述純水的氫離子濃度即為： pH＝ log(1/1 107)＝ log(1 107)＝ ＋ log107 ＝ 0 ＋ ＝ pH值越高， H＋ 濃度就越低； pH值越低 ， H＋ 濃度就越高。 七、酸 堿化學 由水解離產(chǎn)生的 H＋ 和 OH－ 是生物化學反應的基礎。生物分子，例如蛋白質和核酸，具有眾多的可作為酸或堿的功能基團（例如羧基和氨基）。 這些分子影響液態(tài)介質的 pH，它們的結構和反應性也會受到周圍 pH的影響。因而正確評價酸 堿化學是了解許多分子的生物學作用所必須的 。 酸是質子的供體 按照 ，凡是能供出質子的物質即是酸，凡是能接受質子的物質即為堿。按照這