1
第 2章 生命的化学特征
Chemical Properties of Life
2
本章主要内容
? 组成生命有机体的元素
? 生物分子
? 生命有机体中的化学键
? 生物化学反应的能量来源
? 水在生命化学过程中的作用
3
1.生命中的元素
生命与非生命物质在化学组成上有很大的差异，然而组成生命物质
的元素都是存在于非生命界的元素。
元素周期表中各种元素在生命机体中的丰度
?氢、氧、碳和氮
?硫和磷
?钾、钠、氯、钙与镁
?其他微量元素
4
表 2-1 生物分子中的共价键与键能
类型 键能（ kJ/mol） 类型 键能 *（ kJ/mol）
单键 双键
O-H 458 C=O 708
H-H 433 C=N 612
P-O 416 C=C 608
C-H 413 P=O 500
C-O 350 三键 **
C-C 346 C≡C 813
S-H 338
C-N 297
C-S 258
N-O 220
S-S 212
*指键断裂所需要的能量 **生物分子中很少见
5
硫和磷
可以形成相对比较弱的化学键，在化学基团和能量转移中有重要作用，如巯基
-SH用于携带和转移脂酰基，磷酰基用于贮存和转移化学能
钾、钠、氯、钙、镁
维持细胞渗透压、细胞容积、离子平衡、细胞膜电位
钠、钾离子 神经肌肉正常兴奋性，糖原合成和蛋白质代谢
镁离子是 300多种酶的辅因子
钙离子是骨骼的主要成分，参与广泛的细胞生理活动，如物质的转运与分泌，血液凝
固，是细胞信号传导的第二信使等
其他的微量元素
主要有铁与铜 化学价可变（ Cu2+/ Cu+, Fe3+/ Fe2+），在生物氧化过程中作为电子递
体，是许多酶的辅因子。还有 Zn 2+,Mn 2+, Mo 2+ 和 I 等也有重要生理功能。
6
2.生物分子
2.1 生物大分子
参与生命有机体活动的许多分子是非常巨大的，我们把生物机体中这些
巨大的分子称为生物大分子（ biological macromolecules）。
生物大分子通过组成它们的单体之间的
非共价相互作用，形成特定的空间结构，
从而具有了不同的生物学功能。
生物大分子是表现生命特征的基本物质。
血红蛋白的空间结构
7
核酸,蛋白质和多糖是主要的生物大分子
8
2.2 类脂
类脂（如磷脂）是富含碳氢元素的一族生物小分子，其在水溶液
中溶解性较差、兼具亲水和亲脂特性。细胞的膜结构就是大量磷脂分
子的聚合体。
2.3 有机小分子
细胞中还存在许多具有独特功能的有机小分子物质,也是合成较
大分子的前体。
如,核苷酸、氨基酸、葡萄糖
脂肪酸、胆碱、甘油等
9
3.生命有机体中的化学键
在生物大分子之间主要存在的非共价的相互作用力包括氢键、离子
键、范德瓦尔力、疏水力。
? 氢键（ hydrogen bonds）
由两个原子来分享一个氢原子，具有高度定向性，一个是氢供体，
另一个是氢受体
? 范德瓦尔力（ Van der Waals bonds）
一定距离内的原子之间通过偶极发生的相互作用，本质上也是静电引力
? 疏水力（ hydrophobic interaction）
非极性分子或基团在水相环境中相互吸引、聚集的作用力
? 离子键（ ionic bonds）
正、负电荷之间的静电引力
10
4 种非共价作用力的示意图
范德瓦尔接触距离
11
4.生物能量学
生物能量学（ bioenergetics）,研究生命有机体传递和消耗能量的过
程，阐明能量的转换和交流的基本规律。
体内能量的产生、转移和利用
12
自由能（ free energy）
能量总是从能态较高的物体流向能态较低的物体。这些过程都是自发的。
凡是自发的过程，都有能量的释放，而且其中一部分可以用来带动非自发的过程。
自发过程中能用于做功的能量称为自由能,
体系可做功的能量（自由能） = 体系总能量 –不被利用做功的能量
表示为,
G = H –S?T
H表示体系的总能量（焓值）； S?T表示不能被利用做功的能量,S为熵值,T
为绝对温度，那么体系可做功的能量等于 H –S?T，称为自由能，用 G表示,
自由能 G是一个状态函数。在等温等压条件下，体系从一种状态转变为另一种状
态时，自由能的改变为：
ΔG = ΔH –ΔS ? T
在自发过程中，自由能的改变为负值,表示释放的自由能可以用来做功。而
在非自发过程中，其变化是正值，表示这种改变要从外界输入能量才能实现。
13
能量偶联反应
在生命有机体中一个放能的反应可以与一个耗能的反应偶联
以推动原本不能进行的反应。
葡萄糖 + 磷酸 葡萄糖 -6-磷酸 （耗能,Δ G>0，为 14 kJ/mol）
ATP ADP + Pi （放能,Δ G<0，为 -31 kJ/mol）
葡萄糖 + ATP 葡萄糖 -6-磷酸 + ADP （放能,Δ G<0，为 -17 kJ/mol）
由葡萄糖激酶催化的反应
14
ATP
ATP是自由能的直接供体，它的作用犹如货币一样在体内
使用和流通，因此人们将它形象地称为,通用能量货币
（ general currency of energy）”。
细胞是一个高效率的能量转换器,生命有机体中的能量转
换是通过电子流动来实现的。
15
5.水
? 水是生命有机体中含量最多的物质，一般占体重的 60%-
70%
? 水有自由水和结合水，前者流动性大，含量可变，后者主
要存在在胶体中，相对稳定
? 水分子是极性分子，既是氢键的受体，又是氢键的供体。
水分子的极性和形成氢键的能力使其具有高度反应性
? 水有高的介电常数（ 80），因此是众多反应物的优良的溶
剂，使其自由扩散或发生相互作用
? 没有水就没有生命。
16
水溶液中的离子
水分子竞争羰基氧与亚氨基氮之间的氢键
水分子结构图
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本章结束
第 2章 生命的化学特征
Chemical Properties of Life
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本章主要内容
? 组成生命有机体的元素
? 生物分子
? 生命有机体中的化学键
? 生物化学反应的能量来源
? 水在生命化学过程中的作用
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1.生命中的元素
生命与非生命物质在化学组成上有很大的差异，然而组成生命物质
的元素都是存在于非生命界的元素。
元素周期表中各种元素在生命机体中的丰度
?氢、氧、碳和氮
?硫和磷
?钾、钠、氯、钙与镁
?其他微量元素
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表 2-1 生物分子中的共价键与键能
类型 键能（ kJ/mol） 类型 键能 *（ kJ/mol）
单键 双键
O-H 458 C=O 708
H-H 433 C=N 612
P-O 416 C=C 608
C-H 413 P=O 500
C-O 350 三键 **
C-C 346 C≡C 813
S-H 338
C-N 297
C-S 258
N-O 220
S-S 212
*指键断裂所需要的能量 **生物分子中很少见
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硫和磷
可以形成相对比较弱的化学键，在化学基团和能量转移中有重要作用，如巯基
-SH用于携带和转移脂酰基，磷酰基用于贮存和转移化学能
钾、钠、氯、钙、镁
维持细胞渗透压、细胞容积、离子平衡、细胞膜电位
钠、钾离子 神经肌肉正常兴奋性，糖原合成和蛋白质代谢
镁离子是 300多种酶的辅因子
钙离子是骨骼的主要成分，参与广泛的细胞生理活动，如物质的转运与分泌，血液凝
固，是细胞信号传导的第二信使等
其他的微量元素
主要有铁与铜 化学价可变（ Cu2+/ Cu+, Fe3+/ Fe2+），在生物氧化过程中作为电子递
体，是许多酶的辅因子。还有 Zn 2+,Mn 2+, Mo 2+ 和 I 等也有重要生理功能。
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2.生物分子
2.1 生物大分子
参与生命有机体活动的许多分子是非常巨大的，我们把生物机体中这些
巨大的分子称为生物大分子（ biological macromolecules）。
生物大分子通过组成它们的单体之间的
非共价相互作用，形成特定的空间结构，
从而具有了不同的生物学功能。
生物大分子是表现生命特征的基本物质。
血红蛋白的空间结构
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核酸,蛋白质和多糖是主要的生物大分子
8
2.2 类脂
类脂（如磷脂）是富含碳氢元素的一族生物小分子，其在水溶液
中溶解性较差、兼具亲水和亲脂特性。细胞的膜结构就是大量磷脂分
子的聚合体。
2.3 有机小分子
细胞中还存在许多具有独特功能的有机小分子物质,也是合成较
大分子的前体。
如,核苷酸、氨基酸、葡萄糖
脂肪酸、胆碱、甘油等
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3.生命有机体中的化学键
在生物大分子之间主要存在的非共价的相互作用力包括氢键、离子
键、范德瓦尔力、疏水力。
? 氢键（ hydrogen bonds）
由两个原子来分享一个氢原子，具有高度定向性，一个是氢供体，
另一个是氢受体
? 范德瓦尔力（ Van der Waals bonds）
一定距离内的原子之间通过偶极发生的相互作用，本质上也是静电引力
? 疏水力（ hydrophobic interaction）
非极性分子或基团在水相环境中相互吸引、聚集的作用力
? 离子键（ ionic bonds）
正、负电荷之间的静电引力
10
4 种非共价作用力的示意图
范德瓦尔接触距离
11
4.生物能量学
生物能量学（ bioenergetics）,研究生命有机体传递和消耗能量的过
程，阐明能量的转换和交流的基本规律。
体内能量的产生、转移和利用
12
自由能（ free energy）
能量总是从能态较高的物体流向能态较低的物体。这些过程都是自发的。
凡是自发的过程，都有能量的释放，而且其中一部分可以用来带动非自发的过程。
自发过程中能用于做功的能量称为自由能,
体系可做功的能量（自由能） = 体系总能量 –不被利用做功的能量
表示为,
G = H –S?T
H表示体系的总能量（焓值）； S?T表示不能被利用做功的能量,S为熵值,T
为绝对温度，那么体系可做功的能量等于 H –S?T，称为自由能，用 G表示,
自由能 G是一个状态函数。在等温等压条件下，体系从一种状态转变为另一种状
态时，自由能的改变为：
ΔG = ΔH –ΔS ? T
在自发过程中，自由能的改变为负值,表示释放的自由能可以用来做功。而
在非自发过程中，其变化是正值，表示这种改变要从外界输入能量才能实现。
13
能量偶联反应
在生命有机体中一个放能的反应可以与一个耗能的反应偶联
以推动原本不能进行的反应。
葡萄糖 + 磷酸 葡萄糖 -6-磷酸 （耗能,Δ G>0，为 14 kJ/mol）
ATP ADP + Pi （放能,Δ G<0，为 -31 kJ/mol）
葡萄糖 + ATP 葡萄糖 -6-磷酸 + ADP （放能,Δ G<0，为 -17 kJ/mol）
由葡萄糖激酶催化的反应
14
ATP
ATP是自由能的直接供体，它的作用犹如货币一样在体内
使用和流通，因此人们将它形象地称为,通用能量货币
（ general currency of energy）”。
细胞是一个高效率的能量转换器,生命有机体中的能量转
换是通过电子流动来实现的。
15
5.水
? 水是生命有机体中含量最多的物质，一般占体重的 60%-
70%
? 水有自由水和结合水，前者流动性大，含量可变，后者主
要存在在胶体中，相对稳定
? 水分子是极性分子，既是氢键的受体，又是氢键的供体。
水分子的极性和形成氢键的能力使其具有高度反应性
? 水有高的介电常数（ 80），因此是众多反应物的优良的溶
剂，使其自由扩散或发生相互作用
? 没有水就没有生命。
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水溶液中的离子
水分子竞争羰基氧与亚氨基氮之间的氢键
水分子结构图
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本章结束
