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1、生物化学基础第一节 有机化合物【知识精讲】在组成生物体的物质中，除了水和无机盐外，绝大多数属于有机化合物，如糖类、脂类、蛋白质、酶、维生素、核酸等，因此了解一些有机物方面的知识是必要的。有机化合物的本质特点是它们都含有碳原子（CO、CO2、碳酸盐、金属氰化物等仍属无机物）。有机物的另一特点是数目繁多,例如，已知的由氧和氢两种元素组成的化合物至今只发现H2O和H2O2两种，而仅由碳和氢两种元素组成的有机物已知的就至少有3000种。一、有机化合物的分类数以百万计的有机物，可以按照它们的结构分成许多类。一般的分类方法有两种：一是根据分子中碳原子的连接方式（碳的骨架）分类；二是根据决定分子主要化学性质
2、的特殊原子或基团（官能团）分类，这两种方法经常是混合使用的。1、根据碳的骨架可以把有机物分成三类：（1）开链化合物（脂肪族化合物）：这类化合物中的碳骨架成直链（即不带支链），或为带有支链的开链，由于长链状的化合物最初是在油脂中发现的，所以开链化合物也叫脂肪族化合物。（2）碳环化合物：这类化合物分子中含有完全由碳原子组成的环，又可分为：脂环族化合物：性质与脂肪族化合物相似，在结构上也可看作是由开链化合物关环而成，如乙烷、戊烷等。芳香族化合物：分子中都有一个或多个苯环，它们在性质上与脂肪族化合物有较大的区别。（3）杂环化合物：这类化合物分子中的环是由碳原子与其它元素的原子共同组成的，如嘧啶、嘌呤、
3、吡啶、吡咯、吲哚等。2、根据官能团分类：将含有相同官能团的化合物归为一类。一般来说，含有同样官能团的化合物在化学性质上是基本相同的，具体见下表： 有些较复杂的化合物经常含有多个官能团，如单糖分子、氨基酸分子、核苷酸分子等。二、有机化合物的构型与构象1、构型：一个分子中由于其各个原子特有的、固定的空间排列，使该分子具有特定的立体化学结构。当某一物质由一种构型转变为另一种构型时，要求共价键的断裂和重新形成。2、异构体：分子式相同（或组成相同），构型不同的分子叫同分异构体。生物大分子中常见的异构现象有：（1）碳链异构：直链分子和支链分子之间产生的异构。 （2）官能团异构：由于官能团不同而产生的异构，
4、如脂肪醚与含相同碳原子数的醇互为异构体（2）立体异构顺反异构（几何异构）：由于基团在双键两侧的排列方式不同而引起的异构现象。 产生顺反异构条件：分子中必须有C=C双键；与C=C双键相连的每个碳原子必须和两个不同的的原子或基团相连。光学异构体（旋光异构体）这个问题较复杂，不作深入的讲解，仅以下面的例子加以说明。自然界的微生物可以利用许多不同的化学物质作为它们的“食物”，并在这种环境中生长，繁殖。人们曾发现一种奇怪的现象：某种菌可利用丙氨酸为“食物”，如在培养基中加入人工合成的丙氨酸，则当丙氨酸的量用去一半后，虽然培养基中还有一半丙氨酸未被利用，但该菌却不再利用剩余的丙氨酸，结果它的生长停止。然而
5、，如果给该菌供给的不是人工合成的丙氨酸，而是由生物体内提取的丙氨酸，则该菌把这种丙氨酸全部消耗光后才停止生长，这说明什么呢？原来，人工合成的丙氨酸中只有一半是可被这种菌利用的，而生物体内的丙氨酸则全能被该菌利用。经物理、化学分析证明：人工合成的丙氨酸和生物体内的丙氨酸都可用结构式CH3CHCOOH来表示，但人工合成的丙氨酸中有50%的异构体对生物是没有用处的，即人 NH2工合成的丙氨酸是两种异构体的混合物，其中一种丙氨酸可被生物体利用，另一种丙氨酸不能被生物体利用；而生物体内的丙氨酸是全能被生物体利用的那种异构体。丙氨酸中存在的这两种异构体，因其在光学活性是不同的，因此互称为旋光异构体或光学异
6、构体，一般用D-构型和L-构型来表示不同的光学异构体。3、构象：指一个分子中，不改变共价键结构，仅单键周围的原子或基团旋转所产生的不同空间排布，当一种构象改变为另一种构象时，不要求共价键的断裂和重新形成。三、化学键和分子间力化学键是分子内部原子与原子之间的作用力，如共价键和离子键（又称盐键），这是一种相当强的作用力，键能一般在每摩尔一百多千焦（几十千卡）以上。除了高度分散的气体分子之外，分子间也存在一定的作用力，这种作用力较弱，要比键能小一个数量级。对生物大分子而言，分子间力是非常重要的，分子间的作用力本质上大都是静电作用力，主要有以下几种：1偶极-偶极作用力。这种力产生于具有永久偶极的极性分
7、子之间。2范德华力：非极性分子内由于电子运动的某一瞬间，分子内部的电荷分布可能不均匀，从而产生一个很小的暂时偶极，这个暂时偶极又可影响其周围分子也产生暂时偶极。暂时偶极虽然会很快消失，但它又不断出现，因此总的结果是在非极性分子间产生一种极弱的引力，这种引力就是范德华力。范德华力作用范围较小，只有分子间非常接近时才起作用。3氢键：当氢原子与一个原子半径较小，电负性很强并带未共用电子对的原子Y（主要是F、O、N）结合时，由于Y原子有极强的拉电子作用，使得H-Y间电子云主要集中在Y一端，而使氢显部分正电，Y显部分负电。结果，带部分正电荷的氢原子，受另一分子中电负性强，带部分负电的Y原子的静电吸引，这
8、种分子间的作用力叫氢键。氢键是分子间作用力中最强的，实际上它也是偶极-偶极作用力。4.疏水相互作用：这种分子间的作用力并不是疏水基团之间有吸引力的缘故，而是疏水基团或疏水侧链要避开水而被迫接近引起的。例如，碱基堆积力是稳定DNA双螺旋结构的一个重要因素。嘌呤与嘧啶形状扁平，呈疏水性，分布于DNA双螺旋的内部，大量碱基层层堆积，两相邻碱基平面又十分贴近，于是使双螺旋内部形成一个强大的疏水区，把介质中的水分子隔开，维持了碱基的稳定性。第二节 糖类【知识精讲】糖类物质是自然界分布最广的有机物之一，作为重要的能源和碳源，它是生物体内不可缺少的，其中植物含糖最多，约占其干重的80%。糖类物质的生理意义在
9、于，它是生物体的主要能量物质，如葡萄糖、淀粉、糖元等，此外糖类物质还可作为结构物质，如纤维素、壳多糖（几丁质）等。糖从化学结构角度讲，是指一类分子中含有多个羟基的醛类或酮类有机化合物，如葡萄糖（醛糖）和果糖（酮糖），它们的链状结构如下图：糖类物质按其水解后的产物，可分为单糖、寡糖、多糖。单糖和寡糖可溶于水，多有甜味，下表为某些糖和非糖物质的相对甜度：糖的衍生物称为衍生糖，如糖胺、糖酸、糖酯等。某些糖与非糖物质（如脂类、蛋白质）共价结合形成结合糖，如糖蛋白、糖脂、蛋白聚糖等。一、单糖单糖指不能水解成更小分子的糖。1、单糖的分类：单糖分子可按其分子中含几个碳，分为丙糖、丁糖、戊糖、己糖、庚糖等，其
10、中在自然界中较重要的是戊糖（如核糖、脱氧核糖）和己糖（如葡萄糖、果糖、半乳糖）；单糖分子还可根据其分子中含有醛基（CHO）还是酮基（CO），分为醛糖（如葡萄糖、甘油醛）和酮糖（如果糖、二羟基丙酮）。2、单糖的构型单糖分子存在光学异构（旋光异构）的现象。单糖分子是D-构型还是L-构型是以甘油醛为基准进行比较而确定的，如：葡萄糖的空间构型以其第五位碳原子的羟基（OH）在空间的排布与甘油醛的第二位碳原子的的羟基（OH）在空间的排布相比较而确定。D-、L-指构型，+、-指该物质的旋光方向（一种光学性质），注意D-与+、L-与-并没有必然的关系。如D-葡萄糖和D-果糖的旋光方向分别为+和-，而L-葡萄糖
11、和L-果糖的旋光方向均为- 。在生物体内，主要含的是D-构型的糖。3、葡萄糖分子的环状结构在葡萄糖的链状结构被证明存在后，发现葡萄糖的某些物理、化学性质不能用其链状结构来解释，从而提出葡萄糖的环状结构。1893年，Fischer正式提出葡萄糖分子的环状结构（投影式表示）。1926年，Haworth认为过长的氧桥是不合理的，他采用透视式表达葡萄的环状结构。粗线表示平面向前的边缘，细线表示向后的边缘。以D-构型为例：投影式中向右的羟基（-OH）在透视式中处于平面之下；直链形葡萄C5上的羟基（-OH）与C1上的醛基（-CHO）连成15型氧桥，形成环状结构时，为了使C5上的羟基（-OH）与C1上醛基（
12、-CHO）接近，依照单键自由旋转不改变构型的原理，将C5旋转109。28，所以D-葡萄糖的尾端羟甲基在平面之上。透视式中，D、L决定于羟甲基位置：如果氧环上的碳原子按顺时针方向排列时，羟甲基在平面之上为D，反之为L；、决定于半缩醛羟基（-OH）的位置，如果氧环上的碳原子按顺时针方向排列时，半缩醛羟基（-OH）在平面之下为-型、反之为-型，（-型、与-型互为异头体）4、重要的单糖：（1）重要的丙糖：D-甘油醛（醛糖）、二羟基丙酮（酮糖）（2）重要的丁糖：赤藓糖（醛糖）（4）重要的戊糖：脱氧核糖（醛糖）、核糖（醛糖）、木酮糖、核酮糖（5）重要的己糖：葡萄糖（醛糖）、半乳糖（醛糖）、果糖（为酮糖，糖
13、果类中最甜的）（6）重要的庚糖：景天庚酮糖二、寡糖1、寡糖：指能水解为少数（2-6）单糖分子的糖，以二糖最为常见，如麦芽糖、蔗糖、乳糖等，棉子糖是较常见的三糖。2、糖苷与二糖：由单糖分子的半缩醛羟基与醇或酚等非糖部分的羟基反应，失去一分子水后形成的化合物。非糖部分为配糖体。如果配糖体也为单糖分子则形成二糖。糖苷有-、-两种类型，以参与缩合的半缩醛羟基（-OH）是-还是-为准。糖苷键：指糖苷中连接单糖分子与配糖体的化学键。核苷：核糖或脱氧核糖分子中的半缩醛羟基与嘌呤或嘧啶中氮原子上的氢去水形成的糖苷。3、重要的寡糖及其糖苷键三、多糖多糖是指能水解为多个单糖分子的糖，如淀粉、糖元、纤维素、几丁质、
14、琼脂等。（1）均一多糖：指由一种单糖缩合而成的多糖淀粉：用热水溶解淀粉时，可溶的一部分为“直链淀粉”；不溶的一部分为“支链淀粉”。直链淀粉相当于250-300年葡萄糖分子缩合而成，化学键为（1-4）糖苷键，螺旋化，遇碘变紫蓝色。支链淀粉相当于6000个或更多的葡萄糖分子，化学键同直链淀粉，5-6%为（1-6）糖苷键形成分支短链，平均23-30个葡萄糖残基，遇碘变紫红色。糖原（动物淀粉）体重70kg 的成人，其肝糖原含90g，骨胳肌中肌糖原含3350g。糖原结构似支链淀粉，遇碘变棕红色。每个分支平均为12-18个葡萄糖残基。纤维素：约8000-10000个葡萄糖残基，以（1-4）糖苷键相连而成。
15、半纤维素：大量存在于植物木质化部位，为多聚戊糖和多聚己糖的混合物。几丁质（壳多糖）：为N-乙酰-D葡萄糖胺（葡萄糖的衍生糖），以（1-4）糖苷键缩合而成，结构和功能与纤维素均相似。琼脂：某些海藻（如石花菜属）所含的多糖物质，主要为多聚半乳糖、硫及钙。（2）不均一多糖：指由不同类型的单体缩合而的多糖。如透明质酸、硫酸软骨素等。【例题精析】例1、请用最简便的方法鉴别核糖、葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉。解析： 核糖 葡萄糖 果糖 蔗糖 淀粉碘液 蓝色盐酸、间苯二酚 绿色 淡红色 红色 费林试剂 红黄色 红黄色 红黄色 加溴水 褪色 褪色 注：脱氧核糖可用二苯胺法测定。例1、 比较直链淀粉和纤维素的异同。解析： 结构 分支 形状 生物学功能直链淀粉 （1-4）糖苷键 不分支 左手螺旋 储存多糖纤维素 （1-4）糖苷键 不分支 右手螺旋 结构多糖糖原 （1-4）糖苷键
