生命的化学

第1章 · 生命的化学

让生命运转的分子

生物体由少数几种原子构成,这些原子组成少数几类大分子,而这一切都浸润在水中。

图中是液态水。每个分子由一个氧原子(红色)和两个氢原子(白色)组成。蓝色连线是氢键:一个分子的氢与另一个分子的氧之间的弱吸引力。分子翻滚时,氢键不断形成和断裂。

这些氢键解释了水为什么会自相粘附、粘附在其他表面上,也解释了水为什么不易随温度变化。

本章先讲水,再讲生命的元素,然后讲把小分子连接成大分子的反应,最后讲生物大分子的四大类:糖类、脂质、核酸和蛋白质。在每一类中,组成部分的顺序和形状决定了分子的功能。

1.1 · 水是极性分子

氢键把水维系在一起

氧对共用电子的吸引力比氢更强。这种不均等的共用使水成为极性分子,而极性产生了氢键。

水中的每个 O–H 键都是共价键:原子共用一对电子。氧的电负性更大(鲍林标度为 3.44,氢为 2.2),所以共用电子更多地停留在氧附近。这种键是极性共价键。

结果是氧带部分负电荷(δ−),每个氢带部分正电荷(δ+)。分子呈弯曲形,键角为 104.5°,电荷不会相互抵消,所以水是极性分子。

氢键是 δ+ 的氢与另一个分子(或同一个大分子的另一部分)中带 δ− 的原子(氧或氮)之间的吸引力。它比共价键弱得多。每个水分子最多可与四个相邻分子形成氢键;在液态水中,氢键只持续不到一纳秒,随后重新形成。

分子大小相近,沸点却相差很大。水的沸点比甲烷高 261.5 °C,因为沸腾必须破坏水的氢键。氢键还把 DNA 的两条链结合在一起,并帮助蛋白质折叠。

1.1 · 内聚与附着

水吸引水,也吸引其他表面

相邻水分子之间的氢键使水具有内聚力、附着力和表面张力。

内聚是水与水相互粘附:氢键把分子维系在一起。附着是水粘附在其他极性或带电的表面上,例如玻璃或植物细胞壁。表面张力是表面处的内聚:表层分子被向内和向侧面拉,所以表面像一层绷紧的薄膜,能托住水黾。

图中有三根玻璃管插在水中。附着力把水沿玻璃向上拉,使液面弯曲(弯月面);内聚力把其余的水柱也拉着上升。管越细,每克水接触的管壁就越多,水升得越高:

半径减半,高度加倍。这种上升称为毛细作用。

在植物中。水从叶片蒸发,木质部中的水柱被拉着上升。水柱靠内聚力连成一体,靠附着力贴附在木质部管壁上,所以树木不用泵就能把水提升几十米。

1.1 · 水能储存热量

高比热容,高汽化热

热量必须先打破氢键,才能让水分子运动得更快。所以水升温缓慢,蒸发时也要带走大量热量。

比热容是使 1 g 物质升高 1 °C 所需的能量。水的比热容为 4.18 J/(g·°C),对液体来说很高。图中,功率相同的 50 W 加热器工作 120 s,分别加热 100 g 水和 100 g 乙醇,起始温度均为 20 °C:

例题。每种液体获得的热量为 50 W × 120 s = 6000 J。对水,ΔT = q/(mc) = 6000/(100 × 4.18) = 14.4 °C。同样的热量使乙醇升温 24.6 °C。

较高的比热容使生物体、湖泊或海岸在周围空气温度剧烈变化时仍能保持温度稳定,这是维持稳态的一部分。

汽化热是使 1 g 液体蒸发所需的能量。水在体温下的汽化热为 2.41 kJ/g(乙醇为 0.84 kJ/g)。逸出的分子会带走这些热量,这就是蒸发散热。如果一个 70 kg 的人蒸发了 100 g 汗液,它带走 100 × 2.41 = 241 kJ 的热量,足以使身体降温约 1.0 °C。

1.2 · 生命的元素

来自环境的原子,构建成新的分子

生物体用摄入的原子构建自身的分子。碳、氢、氧构成了每种生物分子的大部分;氮、磷、硫只存在于某些类别的分子中。

* 磷存在于磷脂中,即构成膜的脂质(其头部通常也含氮);脂肪和类固醇只含 C、H、O。

• 氮存在于蛋白质中(每个氨基酸都有氨基),也存在于核酸中(每个碱基都含氮)。
• 磷存在于核酸中(每个核苷酸都有磷酸)和磷脂中。蛋白质和糖类不含磷。
• 硫存在于蛋白质中(在两种氨基酸的 R 基中),核酸中则没有。

这种差异可以当作工具使用。放射性硫示踪剂能标记细胞的蛋白质,而不标记 DNA;放射性磷能标记 DNA 和 RNA,而不标记蛋白质。

这些原子来自环境:植物从 CO₂ 获得碳,从水获得氢和氧,从土壤中的离子获得氮、磷和硫。动物则通过食物摄入它们。按质量计算,人体中 65% O, 18.5% C, 9.5% H, 3.3% N。

1.3 · 聚合物的合成与分解

脱水缩合与水解

大型生物分子是聚合物:由小的亚基,即单体,通过共价键连成的长链。每个键的形成都要脱去一个水分子,每个键的断裂都要加入一个水分子。

脱水缩合。一个单体脱去羟基(–OH),另一个单体脱去一个氢。两个单体以共价键相连,OH 与 H 一起离开,形成一个H₂O。以这种方式连接许多单体,称为聚合。

水解(“水的分解”)是其逆过程。水加到两个单体之间的键上:H 加到一个单体上,OH 加到另一个上,共价键随之断裂。消化就是水解。

图中把同一段影片正向播放(脱去水)和反向播放(加入水)。由 n 个单体组成的链有 n − 1 个键,所以形成时释放 n − 1 个水分子,分解时要吸收 n − 1 个水分子。

例题。葡萄糖的摩尔质量为 180.16 g/mol;水为 18.02。两个葡萄糖连接:2 × 180.16 − 18.02 = 342.30 g/mol。图中含 6 个单体的链:6 × 180.16 − 5 × 18.02 = 990.86 g/mol。

细胞利用酶加快这两种反应。合成聚合物需要能量;水解则释放能量。

1.4 · 糖类

单糖,以及由单糖连成的长链

单糖,即葡萄糖和果糖等简单的糖,是糖类的单体。共价键把它们连成多糖,即复杂的糖类,可以是直链,也可以有分支。

两个单糖形成二糖(蔗糖、乳糖、麦芽糖);数百到数千个单糖形成多糖。糖类只由 C、H、O 组成。

结构决定功能:

图中两条链每一步在每个生长末端各添加一个糖。直链只有一个末端。支链在每个分支上都有末端,所以在相同时间内获得的糖多得多,酶也能同样快地把它们取下来。这就是高度分支的糖原成为动物急需能量时动用的储备的原因。

单体连接方式的细微变化也会改变分子:人能消化淀粉,但人体内没有能水解纤维素的酶。

1.5 · 饱和脂肪与不饱和脂肪

尾部的弯折如何使脂肪熔化

脂质大多是非极性的疏水分子:它们不与水混合。脂质的作用取决于各部分的组合方式。

许多脂质由脂肪酸构成:一端带羧基的长烃链。脂肪(甘油三酯)是三个脂肪酸通过脱水缩合与甘油相连而成。

饱和脂肪酸的碳原子之间只有单键:它结合了尽可能多的氢,碳链是直的。不饱和脂肪酸至少有一个碳碳双键,使碳链出现弯折。双键越多,不饱和程度越高。

直链堆积紧密,沿整个长度相互吸引,所以饱和脂肪在室温下是固态(黄油、猪油)。弯折的链无法紧密堆积,所以不饱和脂肪是液态(橄榄油)。四种含 18 个碳的脂肪酸:

脂质的不饱和程度越高,在给定温度下就越呈液态。富含不饱和尾部的膜在低温下仍能保持流动。

1.5 · 脂质的作用

储存能量、传递信号、构建膜

脂肪、类固醇和磷脂都是脂质,各自的作用不同。

脂肪储存能量并支持细胞功能;在哺乳动物的皮下还起隔热作用。每克脂肪约产生 37 kJ 能量,是每克糖类 17 kJ 的两倍多。储存 1000 kJ 需要 27 g 脂肪,但需要 59 g 糖类。

类固醇是由四个稠合碳环构成的脂质。许多类固醇是激素(睾酮、雌激素、皮质醇),调节生长发育、能量代谢和稳态。

胆固醇是一种类固醇,位于动物细胞膜的尾部之间(图中蓝色部分),使膜结构稳定。

磷脂有两条脂肪酸尾部和一个带磷酸基团的头部。头部是极性的,即亲水的;尾部是非极性的,即疏水的。两端性质不同的分子称为两亲分子。

在水中,磷脂聚集成脂质双分子层:两层分子,头部朝向两侧的水,尾部藏在中间。每个细胞的质膜以及细胞器的膜都是这样的双分子层。小的非极性分子可以穿过其内部;离子和大的极性分子则不能。

1.6 · 核酸

一条核苷酸链,两端各不相同

DNA 和 RNA 以一连串称为核苷酸的单体序列来储存生物信息。

每个核苷酸都有三个部分:

• 一个五碳糖:DNA 中是脱氧核糖,RNA 中是核糖;
• 一个磷酸基团;
• 一个含氮碱基:DNA 中是腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T),RNA 中则是尿嘧啶(U)。

共价键把一个核苷酸的磷酸与下一个核苷酸的糖连起来,形成糖—磷酸骨架,碱基伸在外侧。碱基沿骨架的排列顺序就是信息。

核酸链是有方向的。糖上的碳原子有编号,链的两端并不相同:5′ 端(“five prime”)的糖 5′ 碳上带有游离的磷酸;3′ 端的糖 3′ 碳上带有游离的羟基。

合成核酸时,每个新的核苷酸都连接到延伸中的链的 3′ 端,如图所示。所以链总是沿 5′ → 3′ 方向延伸,序列也按这个方向书写:5′-ATGCCGTA-3′。

1.6 · 双螺旋

反向平行的两条链,配对的碱基

DNA 由两条链缠绕成双螺旋,两条链方向相反,靠碱基之间的氢键结合在一起。

两条链是反向平行的:一条沿螺旋向上按 5′ → 3′ 延伸,另一条沿螺旋向下按 5′ → 3′ 延伸。糖—磷酸骨架在外侧,碱基在中间配对。

配对是特异的。腺嘌呤与胸腺嘧啶配对(A–T),形成两个氢键;鸟嘌呤与胞嘧啶配对(G–C),形成三个氢键。因此每条链决定了另一条链的序列:它们是互补的。在 RNA 中,腺嘌呤与尿嘧啶配对(A–U)。

因为 A 总是与 T 配对、G 总是与 C 配对,双链 DNA 中 A 与 T 一样多,G 与 C 一样多。查加夫测定了人类 DNA:

例题。如果一份 DNA 样品中 A 占 30%,那么 T 也占 30%;其余 40% 是 G 和 C,各占一半,即各 20%。

图中的 12 个碱基对,ATGCGCATTAGC,其中 G–C 占 50.0%,共由 30 个氢键维系。G–C 对越多,氢键越多,分开两条链所需的温度也越高。

1.7 · 蛋白质:氨基酸长链

肽键与 R 基

蛋白质是由一条或多条氨基酸线性长链组成的,氨基酸之间以共价的肽键相连。一条链称为多肽。

每个氨基酸都有一个中心碳原子,连接着四样东西:一个氢原子、一个氨基(–NH₂)、一个羧基(–COOH)和一个可变的 R 基(侧链)。20 种氨基酸的区别只在于 R 基。

肽键由一个氨基酸的羧基与下一个氨基酸的氨基通过脱水缩合形成,同时释放一个H₂O。肽链有一个 N 端(游离的氨基)和一个 C 端(游离的羧基),并在 C 端延伸,如图所示。

按化学性质,R 基分为三类:

R 基之间如何相互作用,决定了蛋白质各区域的形状,也就决定了它们的功能。

例题。一条含 300 个氨基酸的多肽有 299 个肽键;若氨基酸残基平均约为 110 道尔顿,则其质量约为 300 × 110 = 33 kDa。

1.7 · 蛋白质结构的四个层次

一级、二级、三级、四级

氨基酸的序列决定肽链如何折叠,折叠后的形状决定蛋白质的功能。

一级结构是氨基酸的序列,由肽键维系。它决定了其上所有层次的结构。

二级结构是局部的折叠,由骨架原子(而非 R 基)之间的氢键维系:盘绕成的 α 螺旋和折叠成的 β 折叠片。

三级结构是整条链的三维形状,由 R 基之间的相互作用维系:氢键、疏水相互作用(非极性 R 基聚集在内部,远离水)、带电 R 基之间的离子键,以及两个半胱氨酸之间的共价二硫键(图中红色)。

四级结构是一个蛋白质中两条或多条多肽的排布。血红蛋白有四条:两条含 141 个氨基酸的 α 链和两条含 146 个氨基酸的 β 链。

四个层次共同赋予蛋白质功能。高温、极端 pH 或某些化学物质会破坏较高层次的弱键,蛋白质随之展开并失去活性:这就是变性。一级结构中的肽键则得以保留。

改变一个氨基酸,折叠方式就可能改变。在镰状细胞血红蛋白中,一个带电的 R 基被非极性的 R 基取代,蛋白质便会与相邻分子粘在一起。