生命之母水学习.pptx

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1、水水-生命之母生命之母，生物体生物体的的70以上为以上为水水水分子的水分子的极性极性使它使它在常温常压下在常温常压下成为成为一种一种不寻常的不寻常的液体液体，与非极性物质相，与非极性物质相遇遇，产生了产生了细胞细胞-生命的生命的基本单位基本单位。水分子水分子与与生物大分子生物大分子间形成间形成氢键氢键，维，维护的它们的稳定性。护的它们的稳定性。生物化学反应绝大部分在生物化学反应绝大部分在水中进行，水中进行，因为有了水因为有了水，才有了，才有了酸酸和和碱碱。第1页/共45页米勒模拟实验米勒模拟实验（Millers simulated experiment）一种一种模拟在原始地球模拟在原始地球还原

2、性大气还原性大气中进行雷鸣闪电能产生有机物中进行雷鸣闪电能产生有机物（特别是氨基酸）（特别是氨基酸）-水与其他物质一起造就了地球上生命的奇迹水与其他物质一起造就了地球上生命的奇迹以论证以论证生命起源的化学进化过程生命起源的化学进化过程的实验。的实验。1953年由芝加哥大学研究生年由芝加哥大学研究生S.L.Miller在其导师在其导师H.C.Urey指导下完成，故名。指导下完成，故名。试验装置是一个完全密闭的气体环路，他将地球试验装置是一个完全密闭的气体环路，他将地球原始大气的主要成份原始大气的主要成份甲烷、氨、甲烷、氨、氢气和水蒸汽氢气和水蒸汽按比例注入试验装置，从而再现了原始地球的大气环境。

3、然后用按比例注入试验装置，从而再现了原始地球的大气环境。然后用紫外线紫外线持续照射持续照射试验装置并对混合气体进行试验装置并对混合气体进行放电操作放电操作，以模拟早期地球环境中强烈的宇宙辐，以模拟早期地球环境中强烈的宇宙辐射及电闪雷鸣等自然现象。试验持续几天后，米勒在装置内的水溶液中射及电闪雷鸣等自然现象。试验持续几天后，米勒在装置内的水溶液中检测到了多种检测到了多种形式的氨基酸形式的氨基酸。第2页/共45页将水注入左下方的烧瓶内，先将玻璃仪器中的空气抽去。然后打开左方的活将水注入左下方的烧瓶内，先将玻璃仪器中的空气抽去。然后打开左方的活塞，泵入塞，泵入CH4、NH3和和H2的混合气体（模拟还

4、原性大气）。再将烧瓶内的水的混合气体（模拟还原性大气）。再将烧瓶内的水煮沸，使水蒸汽（煮沸，使水蒸汽（H2O）和混合气体同在密闭的玻璃管道内不断循环，并在）和混合气体同在密闭的玻璃管道内不断循环，并在另一容量为另一容量为5升的大烧瓶中，经受升的大烧瓶中，经受火花放电火花放电（模拟雷鸣闪电模拟雷鸣闪电）一周，最后生）一周，最后生成的黄褐色油状混合物，经过冷却后，积聚在仪器底部的溶液内（成的黄褐色油状混合物，经过冷却后，积聚在仪器底部的溶液内（模拟原始模拟原始大气中生成的有机物被雨水冲淋到原始海洋中大气中生成的有机物被雨水冲淋到原始海洋中）。两天后进行产物分析）。两天后进行产物分析-纸纸色谱色谱+

5、茚三酮显色茚三酮显色，实验得到了，实验得到了甘氨酸甘氨酸。第3页/共45页无机物质无机物质可以在原始大气环境中通过简单的化学可以在原始大气环境中通过简单的化学反应生成反应生成有机分子有机分子，这只是生命演化历程中最初，这只是生命演化历程中最初的一步。氨基酸、嘌呤、嘧啶、糖等的一步。氨基酸、嘌呤、嘧啶、糖等有机分子有机分子还还必须通过必须通过缩聚反应缩聚反应才能生成蛋白质、核酸等才能生成蛋白质、核酸等生物生物大分子大分子。原始地球环境中，。原始地球环境中，火山充当了缩聚反应火山充当了缩聚反应的催化剂的催化剂。火山活动频繁能够在局部地区形成。火山活动频繁能够在局部地区形成高高温缺氧温缺氧的环境，简

6、单的氨基酸类小分子能与地壳的环境，简单的氨基酸类小分子能与地壳表面的水体作用形成含有机化合物的水溶液表面的水体作用形成含有机化合物的水溶液-“有机汤有机汤”。“有机汤有机汤”因高温蒸发而逐渐干涸，因高温蒸发而逐渐干涸，有机分子浓度不断增加。最终，氨基酸通过缩聚有机分子浓度不断增加。最终，氨基酸通过缩聚反应形成反应形成多肽多肽等等高聚物高聚物，进入海洋，成为，进入海洋，成为生命起生命起源所必需的有机大分子源所必需的有机大分子。其中。其中水同样起到了关键水同样起到了关键作用，它是生命分子演化过程中的唯一载体作用，它是生命分子演化过程中的唯一载体。第4页/共45页名称名称得率（得率（%）名称名称得率

7、（得率（%）甘氨酸甘氨酸2.1乙酸乙酸0.51丙氨酸丙氨酸1.7丙酸丙酸0.66天冬氨酸天冬氨酸0.024羟基乙酸羟基乙酸1.9谷氨酸谷氨酸0.051乳酸乳酸1.6-丙氨酸丙氨酸0.76-羟基丁酸羟基丁酸0.34-氨基丁酸氨基丁酸0.34琥珀酸琥珀酸0.27-氨基异丁酸氨基异丁酸0.007亚氨基二乙酸亚氨基二乙酸0.37肌氨酸肌氨酸0.25亚氨基乙酸丙酸亚氨基乙酸丙酸0.13N-甲基丙氨酸甲基丙氨酸0.07脲脲0.034甲酸甲酸4.0N-甲基脲甲基脲0.051第5页/共45页麦启逊陨石中检测到的与模拟放电实验中生成的氨基酸之比较麦启逊陨石中检测到的与模拟放电实验中生成的氨基酸之比较Murchi

8、son第6页/共45页人体中的水人体中的水-水分是人机体中水分是人机体中含量最大含量最大的组成成分。的组成成分。经科学测定，一个体重经科学测定，一个体重70 kg的成年人，分布在各种组的成年人，分布在各种组织和骨骼中的水达到织和骨骼中的水达到45-50 kg，占体重的占体重的60-70%。人。人的胚胎发育到的胚胎发育到3天时，含水量达天时，含水量达97%，当胚胎发育到，当胚胎发育到3个个月时，含水量达月时，含水量达91%，刚出生的新生儿体内含水量达，刚出生的新生儿体内含水量达80%。此后，水分逐渐减少，最终达到成年人的身体含。此后，水分逐渐减少，最终达到成年人的身体含水量。水量。第7页/共45

9、页水的生理作用水的生理作用 无论是无论是消化作用、血液循环消化作用、血液循环，还是，还是物质交换与组织合成物质交换与组织合成，都是在水的参与下，在水溶液中完成的。血液中有都是在水的参与下，在水溶液中完成的。血液中有60%以以上的水分，血液不停地循环，一颗健康的心脏就像一个自上的水分，血液不停地循环，一颗健康的心脏就像一个自动水泵，动水泵，每分钟要输出每分钟要输出3.5-5.5 L血液血液。对于一个寿命。对于一个寿命80岁的老人来说，他一生中心脏输出的血量约岁的老人来说，他一生中心脏输出的血量约20万万m3，相，相当于一个深当于一个深2 m、直径约、直径约360 m的小海湾的水量。的小海湾的水量

10、。水是水是良好的溶剂良好的溶剂。水还水还参与很多生物体内的化学反应参与很多生物体内的化学反应，如，如水解、水合、氧化水解、水合、氧化还原还原、有机化合物的合成和细胞的呼吸有机化合物的合成和细胞的呼吸过程等。动物体内过程等。动物体内所有聚合和解聚合作用都伴有水的结合或释放。所有聚合和解聚合作用都伴有水的结合或释放。动物体动物体关节囊内、体腔内和各器官间组织液中的水关节囊内、体腔内和各器官间组织液中的水，还可，还可以减少关节和器官间的摩擦力，起到润滑作用。汗水通过以减少关节和器官间的摩擦力，起到润滑作用。汗水通过毛孔由皮肤表面排出，起到调节人体温度的作用。眼泪润毛孔由皮肤表面排出，起到调节人体温度

11、的作用。眼泪润湿眼睛，同时也冲洗了眼睛中的灰尘。甚至人类繁衍，两湿眼睛，同时也冲洗了眼睛中的灰尘。甚至人类繁衍，两性结合，也都离不开水的参与。性结合，也都离不开水的参与。第8页/共45页水的密度水的密度4时最大时最大？第9页/共45页氢氢 键键Hydrogen bond第10页/共45页结构相似的结构相似的同系列物质同系列物质的熔沸点一的熔沸点一般随分子量般随分子量的增大而升的增大而升高高。但是在。但是在氢化物中，氢化物中，NHNH3 3、H H2 2O O、HF HF 的熔点的熔点沸点比相应沸点比相应同族的氢化同族的氢化物都高得多。物都高得多。熔点熔点(melting point)沸点沸点(

12、boiling point)分子间作用力对物质熔点、沸点的影响分子间作用力对物质熔点、沸点的影响第11页/共45页氢键氢键（Hydrogen bond）表明分子间还存在表明分子间还存在另一种特殊的分子力另一种特殊的分子力-氢键氢键。氢键指在氢键指在氢原子与电负性很大的原子氢原子与电负性很大的原子X 以共价键相以共价键相结合时，同另外一个具有孤对电子对的原子结合时，同另外一个具有孤对电子对的原子Y形成形成的一个弱的键的一个弱的键，是一种由，是一种由氢原子参加成键氢原子参加成键的特殊的的特殊的化学键。化学键。氢键的生成主要是因为偶极子与偶极子之间的氢键的生成主要是因为偶极子与偶极子之间的静电静电吸

13、引作用吸引作用。当氢原子与电负性很强的原子。当氢原子与电负性很强的原子(如如A)结结合时，因合时，因极化效应极化效应，其键间的电荷分布不均氢原，其键间的电荷分布不均氢原子变成近乎氢正离子状态。此时再与另一电负性很子变成近乎氢正离子状态。此时再与另一电负性很强的原子强的原子(如如B)相遇时，即发生相遇时，即发生静电吸引静电吸引。因此，。因此，结合可视为结合可视为以以H 离子为桥粱而形成的离子为桥粱而形成的，故称为，故称为氢键氢键，如下式中虚线所示：如下式中虚线所示：AHB，A、B 是氧、氮或是氧、氮或氟等电负性大且原子半径比较小的原子。氟等电负性大且原子半径比较小的原子。第12页/共45页氢键的

14、形成氢键的形成 以以 HF 为例，为例，F的电负性大的电负性大，r 小，电子对严重偏向小，电子对严重偏向F，而而 H 几乎成了质子。这几乎成了质子。这种种 H 与其它分子中电负性大、与其它分子中电负性大、r 小的原子相互接近时，产生一种小的原子相互接近时，产生一种特殊特殊的分子间力的分子间力-氢氢键键。表示为表示为 如如 F H F H 又如水分子又如水分子之间的氢键之间的氢键氢键的形成有两个氢键的形成有两个条件条件：1、与电负性大且与电负性大且 r 小的原子小的原子(F,O,N)相连的相连的 H；2、在附近有在附近有电负性大电负性大，r 小的原子小的原子(F,O,N )。第13页/共45页水

15、水分分子子的的氢氢键键氢氢键键第14页/共45页氢键的强弱与方向密切相氢键的强弱与方向密切相关关第15页/共45页常温常常温常压压只有水在常规条件下是液态只有水在常规条件下是液态各种氢化物的沸点各种氢化物的沸点第16页/共45页液态水中的氢键液态水中的氢键第17页/共45页固态水中的氢键固态水中的氢键第18页/共45页氢氢键键的的类类型型DNA 分子分子肽链间肽链间第19页/共45页氢键对物质的影响氢键对物质的影响1.对物质对物质熔点、沸点熔点、沸点的影响，的影响，提高提高。2.对于对于溶解度溶解度的影响，溶质与溶剂形成氢键，的影响，溶质与溶剂形成氢键，促进促进溶解溶解。3.对物质对物质酸性酸

16、性的影响，的影响，氢键是氢键是HF 的的酸性低酸性低于没有氢于没有氢键的键的HCl 的原因之一。的原因之一。4.对对生物体生物体的影响，的影响，氢键对生物体来说比水重要氢键对生物体来说比水重要，因为生物体内的蛋白质、因为生物体内的蛋白质、DNA分子内或分子间都分子内或分子间都存在大量的氢键。存在大量的氢键。没有氢键的存在，就没有这些没有氢键的存在，就没有这些特殊又稳定的大分子结构特殊又稳定的大分子结构，正是这些大分子支撑，正是这些大分子支撑了生物机体。正是由于氢键的存在，了生物机体。正是由于氢键的存在，才使才使DNA的的克隆得以实现，保证了物种的繁衍克隆得以实现，保证了物种的繁衍。第20页/共

17、45页水分子的极性水分子的极性Polarity of water molecule第21页/共45页水分子的极性水分子的极性 一个水分子由二个氢原子和一个氧原子构成，氧原子通过分一个水分子由二个氢原子和一个氧原子构成，氧原子通过分别与两个氢原子各形成一对共用电子对的方式结合成稳定的别与两个氢原子各形成一对共用电子对的方式结合成稳定的分子。但由于分子。但由于共用电子对明显靠近氧原子一侧共用电子对明显靠近氧原子一侧，导致，导致氧原子氧原子附近形成负电荷中心附近形成负电荷中心，氢原子附近形成正电荷中心氢原子附近形成正电荷中心，这种现，这种现象称为水分子的象称为水分子的极性极性。水的几乎所有化学性质都

18、与水分子的。水的几乎所有化学性质都与水分子的极性密切相关。极性密切相关。第22页/共45页水水分分子子的的极极性性偶偶极极矩矩，d di ip po ol le e mmo omme en nt t,电电荷荷与与距距离离之之积积的的矢矢量量第23页/共45页 共价键中，成键的电子对在电负性较强的原子周围出现的概率较大，共价键中，成键的电子对在电负性较强的原子周围出现的概率较大，正负电荷中心正负电荷中心不重合不重合，各带正，各带正q，负，负q的电荷，两中心相距的电荷，两中心相距l，ql 为为偶极矩偶极矩，用来，用来衡量此极性衡量此极性的的强弱。强弱。需要注意的是，需要注意的是，l为正负电荷中心的

19、距离为正负电荷中心的距离，而非两成键原子之间的距离而非两成键原子之间的距离。q为两原子为两原子所带的净电荷。所带的净电荷。偶极矩越大，电子对偏移的越厉害，键的极性越大偶极矩越大，电子对偏移的越厉害，键的极性越大。偶极矩极大者为偶极矩极大者为离子键离子键。偶极矩是。偶极矩是矢量，有大小、方向矢量，有大小、方向，如氯气，正负电荷中心重合，偶极矩是零，如氯气，正负电荷中心重合，偶极矩是零，键无极性。键无极性。HCl，电子对偏向氯，偶极矩大于，电子对偏向氯，偶极矩大于0，极性键。，极性键。但是但是键的极性并不等同于分子的极性键的极性并不等同于分子的极性。分子极性是由分子内各键的偶极矩的。分子极性是由分

20、子内各键的偶极矩的矢量和矢量和决定的。决定的。矢量和为矢量和为0，非极性分子，非极性分子；不为不为0，极性分子，极性分子。极性键构成的分子不一定是极极性键构成的分子不一定是极性分子性分子。eg.CO2，OCO，虽然虽然CO为极性键，但因为两键的偶极矩大小相等，方向相为极性键，但因为两键的偶极矩大小相等，方向相反，所以加和为反，所以加和为0，分子无极性。，分子无极性。当然，水是有极性的，因为当然，水是有极性的，因为HOH键角为键角为104度度。第24页/共45页极性水分子作为溶剂的作用极性水分子作为溶剂的作用第25页/共45页极性水分子与非极性极性水分子与非极性油滴的共存油滴的共存第26页/共4

21、5页热力学第二定理说的是热力学第二定理说的是“在能在能量上这个世界趋向无序化量上这个世界趋向无序化”,而而不是物质的分布的无序化不是物质的分布的无序化.极性极性导致物质分布的有序化导致物质分布的有序化,这是细胞膜形成的基础这是细胞膜形成的基础.第27页/共45页脂质体脂质体纳米颗粒纳米颗粒有了水和油，就有了细胞有了水和油，就有了细胞第28页/共45页细细 胞胞 膜膜 的的 模模 样样为什么要有糖链？为什么要有糖链？第29页/共45页细胞膜两侧的水分子细胞膜两侧的水分子第30页/共45页细胞膜的功能与一个国家的海关相似细胞膜的功能与一个国家的海关相似第31页/共45页细胞是生命体的基本单位细胞是

22、生命体的基本单位溶酶体溶酶体线粒体线粒体核糖体核糖体中心体中心体高尔基体高尔基体细胞质细胞质核核 仁仁核核 膜膜细胞核细胞核核糖体核糖体细胞膜细胞膜第32页/共45页脂质体（细胞）之间可以相互融合脂质体（细胞）之间可以相互融合第33页/共45页水中溶解了溶质后产生的渗透压水中溶解了溶质后产生的渗透压RT/M,其中其中渗透压；渗透压；=W/V浓度；浓度；M分子量；分子量；R气体常数；气体常数；T温度温度第34页/共45页蜗蜗牛牛上上撒撒盐盐会会出出水水的的道道理理Isotonic solution（等渗溶液）（等渗溶液）Hypertonic solution（高渗溶液）（高渗溶液）Hypoton

23、ic solution（低（低渗溶液）渗溶液）第35页/共45页水分子的极性对其理化性质的影水分子的极性对其理化性质的影响响 融点融点 沸点沸点 蒸发热蒸发热 mp bp v.h.H2O 0 100 540 cal/g CH3OH -98 65 263 cal/g水分子氢键键能水分子氢键键能 水分子水分子O-H键能键能4.5 kcal/mol 110 kcal/mol平均寿命平均寿命 10 10-9-9 秒秒第36页/共45页弱酸、弱碱、等电点弱酸、弱碱、等电点(Weak acid,weak base and isoelectric piont)第37页/共45页水中的酸、碱解离水中的酸、碱解

24、离-Henderson-Hasselbalch方程:pH=pK+log质子受体/质子供体缓冲区域缓冲区域第38页/共45页亨德森亨德森-哈塞尔巴尔赫方程哈塞尔巴尔赫方程（Henderson-Hasselbalch equation）是化学中关于）是化学中关于酸碱平衡的一个方程酸碱平衡的一个方程。该方。该方程使用程使用pKa（即（即酸解离常数酸解离常数）描述）描述pH值的变化。它可值的变化。它可以用来估算缓冲体系的以用来估算缓冲体系的pH。第39页/共45页第40页/共45页什么是什么是pH？pH 的的“p”表示表示“取负对数取负对数”的意思，来自德语的意思，来自德语（power的第一的第一个字

25、母个字母)，即即pH=-logH+=log1/H+。因此，可以有因此，可以有pOH、pNa、pCa 等等等等，任何情况下任何情况下p必须小写。必须小写。pH一定一定是对是对水水溶液而言溶液而言，因为因为只有在水溶液中才能测定只有在水溶液中才能测定pH。第41页/共45页第42页/共45页pH对生化反应对生化反应（酶促反应）影响极大（酶促反应）影响极大Papain第43页/共45页注意注意“pH”的正确使用的正确使用法法 pH的正确使用方法：的正确使用方法：50 mM Tris-HCl,pH 8.0；将溶液将溶液pH调调至至8.0；错误用法：错误用法：PH 8.0；Ph 8.0；pH8.0；将溶液调至将溶液调至 pH=8.0；第44页/共45页感谢您的观看！第45页/共45页