【正文】 堿化學(xué) 由水解離產(chǎn)生的 H＋ 和 OH－ 是生物化學(xué)反應(yīng)的基礎(chǔ)。 根據(jù)水的離子化及其平衡常數(shù)，可以推導(dǎo)表達(dá)水溶液氫離子濃度的方程式： pH ＝ log(1/[H＋ ])＝ –log[H＋ ] 由于純水的 [H＋ ] ＝ 107mol氫鍵網(wǎng)為 H＋ 的快速遷移提供了一條天然的路線。為了簡(jiǎn)便，可以把這些離子形式合并以 H＋ 代表。人們通常用下面的式子表達(dá)水的離子化： H2O ←→ H ＋ ＋ OH— 實(shí)際上，自由的 H＋ 是不存在的，而是與水分子結(jié)合，以水合氫離子（ H3O＋ ）的形式存在。當(dāng)平衡確立時(shí)，沒有水和溶質(zhì)的進(jìn)一步凈流動(dòng)，雖然分子繼續(xù)在運(yùn)動(dòng)。 ▲ 當(dāng)水溶液被一層允許水和溶質(zhì)滲透的膜隔開時(shí)，水可以向內(nèi)運(yùn)動(dòng)，溶質(zhì)也可以從溶液中向外運(yùn)動(dòng)，直到膜兩側(cè)的溶質(zhì)濃度達(dá)到相同為止。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(dòng)的壓力 （圖 1－ 10） 。當(dāng)溶質(zhì)與純水被一層只允許水分子通過而不允許溶質(zhì)通過的半透膜分開時(shí)，水移動(dòng)進(jìn)入到溶液中，以便使膜兩側(cè)的濃度趨于平衡。 例如，溶質(zhì)的存在能降低水的冰點(diǎn)和升高水的沸點(diǎn)，因?yàn)槿苜|(zhì)的存在使水分子更難以結(jié)成冰，也更難以從溶液逃溢出變成氣態(tài)。 ▲ 溶質(zhì)的濃度影響水的 依數(shù)性（ colligative properties） 。生物機(jī)體內(nèi)部的水與純水很不相同。因此，中極兩性化合物的這種特殊的性質(zhì)是生物膜構(gòu)成的基礎(chǔ)。膠束（或微團(tuán)）（ micelle）是由數(shù)千種中極兩性化合物構(gòu)成的小球（ 圖 1－ 9 中極兩性分子在水溶液中形成膠團(tuán) .）。 （圖 1－ 8） 。 四、中極兩性分子 含有極性基團(tuán)和非極性基團(tuán)的化合物稱為中級(jí)兩性化合物（ amphiphiles）。 熵是一個(gè)系統(tǒng)有序程度的一種量度。因此，非極性溶質(zhì)的聚集能夠減小所占空間的表面積，隨之導(dǎo)致非極性溶質(zhì)表面的水的有序化程度總量降低。 環(huán)繞非極性溶質(zhì)的水分子的有序化產(chǎn)生了不利于非極性溶質(zhì)水化的自由能 . 因此非極性溶質(zhì)趨向于從水相中排出。當(dāng)非極性物質(zhì)或基團(tuán)侵入液態(tài)水時(shí)，將會(huì)破壞原有液態(tài)水分子之間的氫鍵網(wǎng)，溶質(zhì)周圍的水發(fā)生大的重新排列。 三、疏水相互作用 非極性物質(zhì)（或者生物大分子的非極性功能基團(tuán)）不易與水形成氫鍵。 二、水的溶劑特性 溶解度取決于溶質(zhì)分子與溶劑分子之間的相互作用力以及溶質(zhì)分子之間的相互作用力。在液態(tài)水中，分子間的這些氫鍵已變形。 冰的結(jié)構(gòu) 在普通的冰中（它是水的一般晶體形式），每個(gè)水分子都有四個(gè)以氫鍵結(jié)合的最鄰近者 (圖 1－ 5 )在冰結(jié)構(gòu)中，每個(gè)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(gè)不同水分子的氫原子形成氫鍵。（同樣，作為氫鍵供體的氫鍵結(jié)合的水分子也是一種更好的氫鍵受體）。 水的氫鍵形成具有協(xié)同的性質(zhì) 。 ⑥ 在膜的內(nèi)外兩側(cè)的氫離子濃度的差異代表了能量轉(zhuǎn)化的生物學(xué)機(jī)制所必需的能化狀態(tài)。 ④ 水的氧化產(chǎn)生的分子氧 (O2)是通過光合作用完成的。 ③ 水本身活躍地參與支撐許多化學(xué)反應(yīng)，水的離子化組分 (H＋ 和OH－ )往往作為真正的反應(yīng)物參與反應(yīng)。 Section 2 水 在生物化學(xué)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(xué)性質(zhì)而呈現(xiàn)它們的形態(tài)。極端條件將破壞維持大分子復(fù)雜結(jié)構(gòu)所必需的弱的作用力。結(jié)構(gòu)互補(bǔ)性的原理是生物分子識(shí)別的基本要素 . 生物分子的的識(shí)別是由弱的相互作用力介導(dǎo)的 通過結(jié)構(gòu)互補(bǔ)性所發(fā)生的生物分子識(shí)別事件是由前面所述的弱的非共價(jià)鍵作用力介導(dǎo)的。 生命的復(fù)雜而高度組織化的型式取決于生物分子彼此識(shí)別和相互作用的能力。mol1范圍。非共價(jià)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。生物大分子，尤其是蛋白質(zhì)，分子結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到了其復(fù)雜性的極點(diǎn)。這類同聚多糖不可能含有什么信息。當(dāng)把組成它們的構(gòu)件單位以字母排列時(shí)，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。 生物大分子是信息分子 由于生物大分子對(duì)它們的結(jié)構(gòu)及其組成元件具有感應(yīng)，因此，只要構(gòu)件單位的多樣性或次序不是過分筒單或重復(fù)，它們的線性順序就應(yīng)含有特定信息的潛在能力 。于是，生物大分子聚合體也將是有頭有尾的 。 因此，從某種意義上說 ,它們是有“頭”和有“尾”的。蛋白質(zhì)由氨基酸構(gòu)成，核酸由核苷酸構(gòu)成，多糖由單糖構(gòu)成。真核生物細(xì)胞具有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 (4)細(xì)胞是生命的基本單位 細(xì)胞是生命的單位，是唯一能展現(xiàn)生命特征（生長(zhǎng)、代謝、刺激應(yīng)答和復(fù)制）的最小實(shí)體。細(xì)胞器僅在真核生物細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)。這種多樣性可因 N、 O和 H原子的參與而進(jìn)一步擴(kuò)大。 一是碳與自身形成共價(jià)鍵的能力，另一個(gè)是被鍵合碳原子周圍的四個(gè)共價(jià)鍵的四面體性質(zhì)。通常與碳以共價(jià)鍵相結(jié)合的原子是碳本身以及 H、 O和 N（ 圖 1—1） 。 生物分子是含碳的化合物 所有生物分子都含有碳。 由于共價(jià)鍵的強(qiáng)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(qiáng)的共價(jià)鍵。 H、 O、 C和 N的什么樣的性質(zhì)使其結(jié)合成適合于生命的化學(xué)？ 是它們通過共用電子對(duì)形成共價(jià)鍵的能力。 二、生命分子 生命物質(zhì)的元素組成明顯不同于地球外殼元素的元素組成。 ● 生命系統(tǒng)具有顯著的自我復(fù)制能力。被生物利用的能量形式是特殊的生物分子。 一、生命系統(tǒng)的獨(dú)特性質(zhì) ● 生物最顯著的性質(zhì)是它們具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和高度的組織形式。 它們能生長(zhǎng)、運(yùn)動(dòng)，能完成難以置信的代謝化學(xué)反應(yīng)，能對(duì)環(huán)境的刺激作出應(yīng)答以及能準(zhǔn)確地進(jìn)行自我復(fù)制。 Section 1 生命、細(xì)胞和生物分子 分子是無生命的 , 然而分子卻可以以適當(dāng)?shù)臄?shù)目和方式構(gòu)成生命。生 物 化 學(xué) 主講教師 : 張 楚 富 Chapter 1 生物化學(xué)導(dǎo)論 生物化學(xué)是研究生命分子和生命化學(xué)反應(yīng)的科學(xué)，是運(yùn)用化學(xué)的原理在分子水平上解釋生物學(xué)的科學(xué)。它的主要研究范圍包括這樣幾個(gè)方面： 生物分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)和三維構(gòu)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(dá)。生命系統(tǒng)因有其特殊性質(zhì)而與非生命系統(tǒng)不同。 盡管生命存在著驚人的多樣性、存在著生物結(jié)構(gòu)和維持生命必需的機(jī)制的復(fù)雜性，但是生命的功能最終是可以用化學(xué)的原理來解釋的。 ● 生命系統(tǒng)能活躍地進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，生物高度組織化的結(jié)構(gòu)和生命活動(dòng)的維持依賴于從環(huán)境捕獲能量的能力。 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(xué)上可利用的能量的貯存形式 。生物能一代一代地繁衍與它們自身相同的后代。 H、 O、 C和 N構(gòu)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)。 此外，H、 C、 N和 O是元素周期表中最輕的元素。 兩種其他能形成共價(jià)鍵的元素磷和硫也在生物分子中起著重要的作用。 碳的優(yōu)勢(shì)是由于它通過共用電子對(duì)形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵方面的多面性 。 碳的共價(jià)鍵有兩個(gè)特別值得注意的性質(zhì)。 這兩種性質(zhì)對(duì)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。 生物分子是分級(jí)的 (1)代謝物和大分子 無機(jī)物分子 → （同化）轉(zhuǎn)變成代謝物（氨基酸、糖、核苷酸、脂肪酸和甘油） → （通過共價(jià)）鍵構(gòu)成大分子 (蛋白質(zhì)、多糖、 DNA和 RNA以及脂類 ) → （大分子間的相互作用導(dǎo)致）超分子復(fù)合物（酶復(fù)合物、核糖體、染色體和細(xì)胞骨架系統(tǒng)） （圖 1－ 2） (2)細(xì)胞器 細(xì)胞器是生物分子等級(jí)中較高層次的一級(jí)。 (3)膜 膜是細(xì)胞和細(xì)胞器的邊界（但將膜歸為超分子裝配體或者歸為細(xì)胞器都不太適合，雖然它們具有兩者共有的性質(zhì)）。細(xì)胞可分為兩種類型，即真核生物細(xì)胞和原核生物細(xì)胞。 三、生物分子的特性反映它們對(duì)生命狀態(tài)的適應(yīng) 生物大分子和它們的構(gòu)件具有方向性 生物大分子是由單位元件構(gòu)筑而成的。這些構(gòu)件分子是有極性的，即它們是不對(duì)稱的。當(dāng)這些構(gòu)件分子組成生物大分子時(shí)，它們頭 尾連結(jié)。 因此， 它們的結(jié)構(gòu)應(yīng)該是有“感應(yīng)”（ sense）的或者說是有方向的 （圖 1－ 3） 。蛋白質(zhì)和核酸的構(gòu)件單位是以非顯著重復(fù)方式排列的，它們的順序是獨(dú)特的。多糖往往由相同的單糖單位一次又一次地重復(fù)排列構(gòu)成。 生物大分子具有特征性的三維結(jié)構(gòu) 任何一種分子結(jié)構(gòu)都是獨(dú)特的，并具有可區(qū)別的特有的性質(zhì)。 非共價(jià)作用力維持生物大分子的結(jié)構(gòu) 共價(jià)鍵把原子結(jié)合在一起形成分子，非共價(jià)作用力是分子內(nèi)或分子間的原子之間的吸引。這些作用力一般介于 4–30 kJ 結(jié)構(gòu)互補(bǔ)性決定生物分子的相互作用 結(jié)構(gòu)互補(bǔ)性是生物分子間識(shí)別的手段。如果一種分子的結(jié)構(gòu)與另一種分子的結(jié)構(gòu)是互補(bǔ)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(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)。 弱的作用力把生物限制在一個(gè)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(qiáng)度以及酸 堿度等 )才有功能上的活性。這些復(fù)雜大分子的有序結(jié)構(gòu)的喪失 (也就是變性 )伴隨著功能的消失。 ② 大多數(shù)生物化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)是水 ,代謝反應(yīng)的反應(yīng)物和產(chǎn)物在細(xì)胞范圍內(nèi)和細(xì)胞間運(yùn)輸都依賴于水。事實(shí)上，生物分子的許多功能基團(tuán)的反應(yīng)性取決于環(huán)境介質(zhì)中的 H＋ 和 OH－ 的相對(duì)濃度。 ⑤ 水的離子化產(chǎn)物 (H＋ 和 OH－ )是蛋白質(zhì)、核酸以及膜的結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)鍵決定者。 一、水的結(jié)構(gòu) 單個(gè)水分子的兩個(gè)氫原子共價(jià)地與氧原子結(jié)合，呈現(xiàn)一種非線性排列 （圖 1－ 4a,b） 。 這就是說，作為受體的氫鍵結(jié)合的水分子是一種比未鍵合的水分子更好的氫鍵供體。因此，水分子之間氫鍵的形成有一種彼此支援的現(xiàn)象 。 液態(tài)水的結(jié)構(gòu) 由于液態(tài)水的每個(gè)分子約 10－ 12秒重新定位一次，因此很少有實(shí)驗(yàn)技術(shù)能探測(cè)這些水分子的瞬間排列。結(jié)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(dòng)的三維網(wǎng)狀的氫鍵結(jié)合的 H2O分子構(gòu)成 (圖 1－ 6a)。 由于水具有高極性，因而使得它對(duì)于極性物質(zhì)和離子物質(zhì)是一種極好的溶劑 (16b)。因此，這類化合物只能在水中極少溶解。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） 。當(dāng)非極性溶質(zhì)彼此相遇而聚集時(shí)，它們所占據(jù)的空間的表面積小于它們各自單獨(dú)占有空間的表面積之和。 換句話說，非極性溶質(zhì)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(dòng)的。任何系統(tǒng)的有序度的減少或者混亂度的增高都會(huì)伴隨熵的增加。這類化合物既有親水性又有疏水性。 因此，當(dāng)中性兩性化合物分子與水溶劑相互作用時(shí)，中極兩性化合物趨向形成結(jié)構(gòu)上有序的排列。 中極兩性分子也能形成另一種有序的結(jié)構(gòu)形式 雙分子層結(jié)構(gòu)，與生物膜的結(jié)構(gòu)相似。 五、溶質(zhì)對(duì)水的性質(zhì)的影響 ▲ 溶解物質(zhì)的存在打亂了液態(tài)水的結(jié)構(gòu) ,使水的性質(zhì)發(fā)生改變。細(xì)胞內(nèi)部和細(xì)胞周圍的液體是被各種溶質(zhì)充塞的，這些溶質(zhì)包括從很小的無機(jī)離子到巨大的分子聚集體。 依數(shù)性是溶液的一種物理性質(zhì)，它取決于溶質(zhì)的濃度而不是溶質(zhì)的化學(xué)特性。 ▲ 滲透壓 也與溶質(zhì)的濃度有關(guān) 。滲透（ Osmosis）是溶劑從高濃度區(qū)（這里是純水）向相對(duì)低的濃度區(qū)（含溶質(zhì)的水）的移動(dòng)。 這種壓力與溶質(zhì)的濃度成正比。 分子的這種隨機(jī)運(yùn)動(dòng)叫做擴(kuò)散（ diffuse） 。 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。質(zhì)子可與一簇水分子結(jié)合形成具有 H5O2＋ 、 H7O3＋ 等等分子式的結(jié)構(gòu)。水合氫離子的質(zhì)子可以很快地一個(gè)水分子跳躍到另一個(gè)水分子 （圖 111） 。 質(zhì)子經(jīng)氫鍵網(wǎng)快速遷移的質(zhì)子跳躍（ proton jumping）為生物學(xué)上許多重要的質(zhì)子轉(zhuǎn)移（例如快速的酸 堿反應(yīng)）提供了解釋 。L1，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。生物分子，例如蛋白質(zhì)和核酸，具有眾多的可作為酸或堿的功能基團(tuán)（例如羧基和氨基）。因而正確評(píng)價(jià)酸 堿化學(xué)是了解許多分子的生物學(xué)作用所必須的 。按照這一定義，堿 酸反應(yīng)可以表述為： HA ＋ H20 → H 3O＋ ＋ A－ 酸（ HA）與堿（ H2O）反應(yīng)，形成酸的共軛堿（ A－ ）和堿的共軛酸（ H3O＋ ）。 牽涉到水參與的