1、生物分子的结构和化学 我们所处在的地球充满着无数的生物，从最简单的我们所处在的地球充满着无数的生物，从最简单的病病毒、类病毒到菌藻树草，从鱼虫鸟兽到最复杂的人类，处毒、类病毒到菌藻树草，从鱼虫鸟兽到最复杂的人类，处处都可以发现它们的踪迹，觉察到生命的活动。地球上的处都可以发现它们的踪迹，觉察到生命的活动。地球上的生物形形色色，千姿百态。不同的生物，其形态、生理特生物形形色色，千姿百态。不同的生物，其形态、生理特征和对环境的适应能力各不相同，都经历着生长、发育、征和对环境的适应能力各不相同，都经历着生长、发育、衰老、死亡的变化，都具有繁殖后代的能力。衰老、死亡的变化，都具有繁殖后代的能力。自然界
2、所有的生命物体都由三类物质组成自然界所有的生命物体都由三类物质组成：水、无机离子和生物分子水、无机离子和生物分子。泛指构成生物的蛋白质、核酸、多糖、脂质泛指构成生物的蛋白质、核酸、多糖、脂质以及它们的构件分子和代谢中间物等。以及它们的构件分子和代谢中间物等。生物分子基本特征生物分子基本特征1.1.生物分子是碳的化合物生物分子是碳的化合物生物分子中最重要的蛋白质、糖和核酸几类物生物分子中最重要的蛋白质、糖和核酸几类物质，分子量一般都很大，所以又称为生物大分质，分子量一般都很大，所以又称为生物大分子。子。构件构件(构件分子、单体）构件分子、单体）蛋白质：蛋白质：核酸：核酸：多糖：多糖：立体异构与构
3、型 1 1、偏振光、偏振光 光是一种电磁波，光振动的方向与它前进的方光是一种电磁波，光振动的方向与它前进的方向垂直。普通光由不同波长的光组成，这些不同波向垂直。普通光由不同波长的光组成，这些不同波长的光在无数个垂直于其传播路线的平面内振动。长的光在无数个垂直于其传播路线的平面内振动。当普通光通过尼可尔（当普通光通过尼可尔（NicolNicol）棱镜时，只有）棱镜时，只有振动方向和棱镜晶轴平行的光才能通过，所得到的振动方向和棱镜晶轴平行的光才能通过，所得到的光就只在一个平面上振动。光就只在一个平面上振动。这种只在某一平面上振这种只在某一平面上振动的光叫做平面偏振光，简称偏振光动的光叫做平面偏振光
4、，简称偏振光。（a）普通光 普通光普通光 尼可尔棱镜尼可尔棱镜 偏振光偏振光 （b b）偏振光的产生）偏振光的产生 晶轴 2.2.旋光性旋光性:物质能使偏振光的振动平面发生旋转的性质。物质能使偏振光的振动平面发生旋转的性质。具有旋光性的物质叫做具有旋光性的物质叫做旋光性物质。旋光性物质。如乳酸、甘油醛、葡萄糖等。而水、乙如乳酸、甘油醛、葡萄糖等。而水、乙醇、乙酸等称非旋光性物质。醇、乙酸等称非旋光性物质。偏振光偏振光 旋光性物质旋光性物质 旋转后的偏振光旋转后的偏振光 当偏振光通过某一旋光性物质时，其振动平面当偏振光通过某一旋光性物质时，其振动平面会向着某一方向旋转一定的角度，这一角度叫做会向
5、着某一方向旋转一定的角度，这一角度叫做旋旋光度光度，通常用，通常用“”表示表示。晶轴晶轴目镜光源光源 起偏镜起偏镜 偏振光偏振光 盛液管盛液管 旋转后的旋转后的 检偏镜检偏镜 通过检偏镜通过检偏镜 偏振光偏振光 的偏振光的偏振光 在盛液管中放入旋光性物质后，偏振光将发生偏转在盛液管中放入旋光性物质后，偏振光将发生偏转。使偏振光振动平面按逆时针方向旋转的物质称使偏振光振动平面按逆时针方向旋转的物质称左旋左旋体体，用，用“”表示；使偏振光振动平面按顺时针方表示；使偏振光振动平面按顺时针方向旋转的物质称向旋转的物质称右旋体右旋体，用，用“”表示。表示。肌肉分解出来的乳酸是右旋体，称为右旋乳酸。肌肉分
6、解出来的乳酸是右旋体，称为右旋乳酸。可表示为：（可表示为：（+)-2-+)-2-羟基丙酸。羟基丙酸。比旋光度公式如下：比旋光度公式如下：:测得的旋光度；测得的旋光度；c c：质量浓度质量浓度，g/mlg/ml；l:l:盛液管的长度盛液管的长度，dm;dm;t:t:测定时的温度测定时的温度;:光源的波长光源的波长.通常用比旋光度通常用比旋光度来表示物质的旋光属性。来表示物质的旋光属性。4 4、比旋光度、比旋光度 在一定条件下在一定条件下,某物质的旋光性为一常数某物质的旋光性为一常数,称称为比旋光度为比旋光度。t=LC 任何物体都有它任何物体都有它的镜像。一个有机分的镜像。一个有机分子在镜子内也会
7、出现子在镜子内也会出现相应的镜像。实物与相应的镜像。实物与镜像相应部位与镜面镜像相应部位与镜面具有相等的距离。实具有相等的距离。实物与镜像的关系叫物与镜像的关系叫对对映关系。映关系。5 5、手性分子手性分子 化合物分子中的一个碳原子与四个不同的原子相化合物分子中的一个碳原子与四个不同的原子相连时，这个化合物在空间有两种不同排列，即两种连时，这个化合物在空间有两种不同排列，即两种构型。这两种不同构型的化合物相互不能重叠构型。这两种不同构型的化合物相互不能重叠,像人像人的两只手。的两只手。2-丁醇丁醇CH3CHCHCH3OH 左手左手 镜镜 右手右手左手的镜像是右手左手的镜像是右手对映关系对映关系
8、左、右手对映而左、右手对映而不能重合，这种不能重合，这种实物和镜像不能实物和镜像不能重合的现象重合的现象称称为为“手性手性”。具有手性的分子具有手性的分子叫叫手性分子手性分子构成生物大分子的结构单元分子大多数都是手构成生物大分子的结构单元分子大多数都是手性分子。例如，构成蛋白质的氨基酸都是性分子。例如，构成蛋白质的氨基酸都是 L L型，构成多糖的葡萄糖都是型，构成多糖的葡萄糖都是 D D型。型。在绝大多数情况下，分子有无手性往往与分子中在绝大多数情况下，分子有无手性往往与分子中是否含有手性碳原子有关是否含有手性碳原子有关。6.手性碳原子手性碳原子:与四个不同的原子或基团相连的碳与四个不同的原子
9、或基团相连的碳原子称为手性碳原子，也称为不对称碳原子，用原子称为手性碳原子，也称为不对称碳原子，用C*表示。表示。例如：CH3CHCH2CH3OHCH3CHCHCH3Cl Br 。7.对映体：对映体：互为实物和镜像关系的异构体叫做对映互为实物和镜像关系的异构体叫做对映异构体，简称异构体，简称对映体。对映体。COOHCH3OHHH3COHCOOHH-观察如下乙酸模型观察如下乙酸模型:这两个模型化合物互为实物这两个模型化合物互为实物和镜像和镜像,但它们不能重合。因此他们是一对异构体但它们不能重合。因此他们是一对异构体,互为对映互为对映,为对映异构体。为对映异构体。注意：注意：任何化合物都有任何化合
10、物都有镜像，但多数实物和它的镜像都能镜像，但多数实物和它的镜像都能重合。如果实物和它的镜像能重合，它们就是同一重合。如果实物和它的镜像能重合，它们就是同一物质，是非手性的，无对映体。物质，是非手性的，无对映体。8.8.立体异构体：具有相同的结构式，但原子在空间立体异构体：具有相同的结构式，但原子在空间的排列方向不同而引起的异构体。的排列方向不同而引起的异构体。9.9.构型：指在立体结构体中构型：指在立体结构体中,立体结构体具有相立体结构体具有相同的结构式同的结构式,但原子在空间的分布不同。原子但原子在空间的分布不同。原子在空间的相对分布或排列称为分子的构型。构在空间的相对分布或排列称为分子的构
11、型。构型的改变必须有共价键的断裂。型的改变必须有共价键的断裂。构型的标记构型的标记D,LD,L标记法标记法人为规定，确定对映体的相对构型人为规定，确定对映体的相对构型.人为规定：人为规定：以甘油醛为标准，分子中以甘油醛为标准，分子中的第二个碳原子是不对称碳原子，这的第二个碳原子是不对称碳原子，这个碳上的羟基有两种安排，羟基在右个碳上的羟基有两种安排，羟基在右面的指定其构型为型。面的指定其构型为型。凡可以从凡可以从D-甘油醛通过化学反应而得到的化合物，甘油醛通过化学反应而得到的化合物，或可以转变成或可以转变成D-甘油醛的化合物，都甘油醛的化合物，都具有与具有与D-甘油醛相同的构型，即甘油醛相同的
12、构型，即D型。型。人为规定：人为规定：指定羟基在左面的指定羟基在左面的甘油醛的构型为型。甘油醛的构型为型。凡可以凡可以从从L-甘油醛通过化学反应而得甘油醛通过化学反应而得到的化合物，或可以转变成到的化合物，或可以转变成L-甘油醛的化合物，都具有与甘油醛的化合物，都具有与L-甘油醛相同的构型，即甘油醛相同的构型，即L型。型。D-(+)D-(+)甘油醛甘油醛L-(-)L-(-)甘油醛甘油醛HOCH2OHCHOHOHCH2OHCHOH注注意意 ！构型构型DLDL和旋光方向和旋光方向(+)(-)(+)(-)是两套不相干的符号；是两套不相干的符号；D D、L L表示分子中原子在空间的排列方式；表示分子中
13、原子在空间的排列方式；(+)(-)(+)(-)表示使平面偏振光扭转的方向表示使平面偏振光扭转的方向.D、L标记法一般适用于含一个手性碳原子标记法一般适用于含一个手性碳原子的化合物。在标记氨基酸和糖类化合物的构型的化合物。在标记氨基酸和糖类化合物的构型时。仍普遍采用。时。仍普遍采用。R R、S S标记法标记法:（B B）然后把排在最后的原子或基团放在距观察者最远）然后把排在最后的原子或基团放在距观察者最远的地方，再看其它三个基团的排列走向，如果由大到的地方，再看其它三个基团的排列走向，如果由大到小是顺时针排列的，是小是顺时针排列的，是R R型，逆时针方向是型，逆时针方向是S S型。型。（A A）
14、首先把与手性碳原子相连的四个原子或基团按）首先把与手性碳原子相连的四个原子或基团按优先性顺序规则来排列次序，较优的原子或原子团优先性顺序规则来排列次序，较优的原子或原子团排在前面。顺序规则是原子序数高的比序数低的原排在前面。顺序规则是原子序数高的比序数低的原子优先性大。子优先性大。步骤：步骤：观察者观察者2-2-丁醇丁醇举例：举例：(R)-)-几何异构体（也叫顺反异构体）几何异构体（也叫顺反异构体）立体异构体立体异构体 旋光异构体旋光异构体几何异构体（也叫顺反异构体）：几何异构体（也叫顺反异构体）：由于分子中双键或环的存在，由于分子中双键或环的存在，限制了原子或基团绕键轴的自由旋转所产生的立体
15、异构体。限制了原子或基团绕键轴的自由旋转所产生的立体异构体。旋光异构体（也叫光学异构体）旋光异构体（也叫光学异构体）：由于手性碳原子的存在，由于手性碳原子的存在，绕手性碳原子的取代基团以特定的顺序排列形成的立体异构绕手性碳原子的取代基团以特定的顺序排列形成的立体异构体。（体。（-碳原子上的四个基团不同碳原子上的四个基团不同,只可能取两种不同的空只可能取两种不同的空间排布间排布,这两种不同的空间排布称为不同的构型。）这两种不同的空间排布称为不同的构型。）外消旋物外消旋物立体异构专一性立体异构专一性（1）旋光异构专一性）旋光异构专一性:L-氨基酸氧化酶只氨基酸氧化酶只能催化能催化L-氨基酸氧化，而
16、对氨基酸氧化，而对D-氨基酸无氨基酸无作用。作用。（2）几何异构专一性）几何异构专一性:反丁烯二酸水化酶反丁烯二酸水化酶只催化只催化反丁烯二酸反丁烯二酸生成苹果酸生成苹果酸构象：在有机化合物分子中，由于分子中构象：在有机化合物分子中，由于分子中CC单键自由旋转而形成的原子或基团单键自由旋转而形成的原子或基团在空间排列的多种形态称为构象。构象在空间排列的多种形态称为构象。构象的改变是由于单键的旋转而产生的的改变是由于单键的旋转而产生的,不需不需有共价键的变化有共价键的变化(断裂或形成断裂或形成),但涉及到但涉及到氢键等次级键的改变。氢键等次级键的改变。稳定生物大分子三维结构的作用力稳定生物大分子
17、三维结构的作用力包括包括静电相互作用、静电相互作用、氢键、范德华力、疏水相互作用。氢键、范德华力、疏水相互作用。a.静电相互作用（也称离子键、盐键或盐桥）：静电相互作用（也称离子键、盐键或盐桥）：是生物分子中带有正、负电荷的基团之间是生物分子中带有正、负电荷的基团之间的一种相互作用。的一种相互作用。b.氢键：氢键：与与电负性电负性大的原子大的原子X（氟、氯、氧、（氟、氯、氧、氮等）共价结合的氢，如与电负性大的原氮等）共价结合的氢，如与电负性大的原子子Y（与（与X相同的也可以）接近，在相同的也可以）接近，在X与与Y之之间以氢为媒介，生成间以氢为媒介，生成X-HY形式的键。这形式的键。这种键称为氢键。种键称为氢键。c.范德华力范德华力:极性分子间及极性基团间作用力极性分子间及极性基团间作用力,比氢键和离子键都弱。比氢键和离子键都弱。d.疏水相互作用：是指在介质水中的疏水基疏水相互作用：是指在介质水中的疏水基团倾向于聚集在一起，以避开与水的接触。团倾向于聚集在一起，以避开与水的接触。球状蛋白质中的疏水残基（非极性）有一球状蛋白质中的疏水残基（非极性）有一种自然的避开水相互相聚集在分子内部的种自然的避开水相互相聚集在分子内部的趋势，这种现象称为疏水相互作用。它在趋势，这种现象称为疏水相互作用。它在维持生物大分子的三维结构方面占有突出维持生物大分子的三维结构方面占有突出的地位。的地位。
