生物化学基础知识1

1、Chapter 2 生物化学基础知识生物化学基础知识Some Important Chemical Concepts and Principles for Studying Biochemistry2.1 组成生物的元素（组成生物的元素（elements in organism）l 组成生物的元素来自非生命组成生物的元素来自非生命l 生物的元素组成与非生命不同生物的元素组成与非生命不同生物中生物中99% 的成分由的成分由H, O, N 和和C组成组成H, O, N 和和 C 分别是可形成一个、两个、三分别是可形成一个、两个、三个与四个共价键的最小元素个与四个共价键的最小元素微量元素微量元素(F

2、e, Cu, Mn, Zn, I, Mg)虽然含量很虽然含量很少，却是维持生命所必需的少，却是维持生命所必需的生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础原子之间的共价键原子之间的共价键生物化学基础生物化学基础l 碳是生命的核心元素碳是生命的核心元素 碳的含量：占据细胞干重的一半以上碳的含量：占据细胞干重的一半以上 碳原子的成键特性碳原子的成键特性 碳链有机分子的碳骨架碳链有机分子的碳骨架 与碳链连接的功能基团与碳链连接的功能基团生物化学基础生物化学基础为什么是碳？为什么是碳？四有四不特性四有四不特性不大不大不挑不挑不是固相不是固相不是金属不是金属有有4个价电子个价电子有四面体性质有四面体

3、性质有双键、三键有双键、三键有巨大的多样性有巨大的多样性生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础碳原子参与形成的碳原子参与形成的共价键共价键生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础1234567891011121314151617181920生物化学基础生物化学基础功能团（功能团（functional groups）生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础如果如果 不是不是 碳呢？碳呢？生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础行走在硅行走在硅基植物丛基植物丛中的硅基中

4、的硅基动物动物 生物化学基础生物化学基础Horta:星际旅行系列片中星际旅行系列片中的硅基生命的硅基生命l 氮是蛋白质的核心元素氮是蛋白质的核心元素R H2NC HCOOHR羧基羧基氨基氨基 氨基酸的结构通式氨基酸的结构通式生物化学基础生物化学基础l 磷是核酸的关键元素磷是核酸的关键元素或核糖或核糖生物化学基础生物化学基础2.2 生物分子（有机分子）具有三维结构生物分子（有机分子）具有三维结构（three dimensional structures）生物化学基础生物化学基础2.2.1 具有相同化学式（具有相同化学式（chemical formula）的分子可）的分子可能具有不同的立体结构与功

5、能（能具有不同的立体结构与功能（different structures and functions）生物化学基础生物化学基础C4H4O4异构现象异构现象构构造造异异构构分子中原子成键分子中原子成键顺序不同。顺序不同。（分（分子式相同，构造子式相同，构造式不同式不同）碳架异构碳架异构官能团位置异构官能团位置异构官 能 团 异 构官 能 团 异 构互变异构互变异构立立体体异异构构顺反异构顺反异构对映异构对映异构构象异构构象异构分子中原子成键分子中原子成键顺序相同，在空顺序相同，在空间排列的方式不间排列的方式不同。同。（分子式相（分子式相同，构造式相同，同，构造式相同，构型或构象不同）构型或构象不

6、同）生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础肽键的顺反异构肽键的顺反异构生物化学基础生物化学基础2.2.2 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连时，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，即两种构型。这两种不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，像人的两只手，称为手性分同构型的化合物相互不能重叠，像人的两只手，称为手性分子子（chiral molecule）。）。生物化学基础生物化学基础l 手性分子特征：手性分子特征：（1 1）不能完全重叠，）不能完全重叠，（2 2）呈物体与镜象

7、关系（左右手关系）。）呈物体与镜象关系（左右手关系）。 物质分子互为实物和镜象关系（象左手和右手一样）彼此不能物质分子互为实物和镜象关系（象左手和右手一样）彼此不能完全重叠的特征，称为分子的手性。完全重叠的特征，称为分子的手性。 具有手性（不能与自身的镜象重叠）的分子叫做手性分子。具有手性（不能与自身的镜象重叠）的分子叫做手性分子。 连有四个各不相同基团的碳原子称为手性碳原子（或手性中心）连有四个各不相同基团的碳原子称为手性碳原子（或手性中心）用用C*表示。表示。 凡是含有一个手性碳原子的有机化合物分子都具有手性，是手凡是含有一个手性碳原子的有机化合物分子都具有手性，是手性分子。性分子。生物化

8、学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础只有当只有当C原子连接的原子连接的4个基团都不相同个基团都不相同时，它才成为一个手性原子时，它才成为一个手性原子生物化学基础生物化学基础2.2.3 对映异构：对映异构： 互为镜象，但不能叠合的两种不同构型的化合物互为对映异构互为镜象，但不能叠合的两种不同构型的化合物互为对映异构体体（enantiomer）。 物理性质物理性质: : 一般物性相同一般物性相同, ,但使偏振光平面旋转方向不同但使偏振光平面旋转方向不同, ,旋光大小数旋光大小数据相同。据相同。 化学性质化学性质: : 一般化学性质相同一般化学性质相同, ,但与手性试剂反应时但与手性试剂反应时

9、, ,反应速率差别反应速率差别大大, ,有时只与一种异构体反应。有时只与一种异构体反应。生物化学基础生物化学基础l对映异构的判断：对映异构的判断：分子中没有对称面，也没有对称中心。分子中没有对称面，也没有对称中心。CH CH2CH3CH3ClCH CH3CH3Cl非手性分子非手性分子手性分子手性分子*生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础l对映异构体立体结构（对映异构体立体结构（构型，构型，configuration）的表示方法）的表示方法对映体的构型可用立体结构式（楔形式和透视式）和对映体的构型可用立体结构式（楔形式和透视式）和Fischer投影式表示。投影式表示。(1)立体结构式

10、立体结构式COOHHOHCH3CCOOHCH3HOHCCOOHCH3OHH乳酸优点： 形象生动，一目了然缺点： 书写不方便楔形式透视式生物化学基础生物化学基础（2 2）Fischer投影式投影式为了便于书写和进行比较，对映体的构型常用为了便于书写和进行比较，对映体的构型常用Fischer投影式投影式表示：表示： COOHHCH3OHHCOOHOHCH3HOHCH3COOH乳酸对映体的费歇尔投影式生物化学基础生物化学基础投影原子：投影原子：1. 横、竖两条直线的交叉点代表手性碳原子，位于纸平面。横、竖两条直线的交叉点代表手性碳原子，位于纸平面。2. 横线表示与横线表示与C*相连的两个键指向纸平面

11、的前面，竖线表示指相连的两个键指向纸平面的前面，竖线表示指向纸平面的后面。向纸平面的后面。3. 将含有碳原子的基团写在竖线上，编号最小的碳原子写在竖将含有碳原子的基团写在竖线上，编号最小的碳原子写在竖线上端。线上端。使用费歇尔投影式应注意的问题：使用费歇尔投影式应注意的问题：基团的位置关系是基团的位置关系是“横前竖后横前竖后”不能离开纸平面翻转不能离开纸平面翻转180；也不能在纸平面上旋转；也不能在纸平面上旋转90或或270与原构型相比。与原构型相比。将投影式在纸平面上旋转将投影式在纸平面上旋转180，仍为原构型。，仍为原构型。生物化学基础生物化学基础甘油醛的甘油醛的Fisher 投影式：书写

12、时规定碳链处于垂直方投影式：书写时规定碳链处于垂直方向，羰基写在链的上端，羟甲基写在下端，氢原子和向，羰基写在链的上端，羟甲基写在下端，氢原子和羟基位于链的两侧。羟基位于链的两侧。dextrorotary levorotary生物化学基础生物化学基础(3) 有机分子三维结构的其他表示方式：有机分子三维结构的其他表示方式：球棍模型：球棍模型：Ball-and-stick model shows the relative bond angles and lengths. 骨架模型：骨架模型：Skeleton model shows only the framework of a molecule.

13、 空间填充模型：空间填充模型：Space-filling model shows the atoms in proportional to their van der Waals radius, with more realistic volumes and surfaces.生物化学基础生物化学基础FisherBall-and-stickSpace filling生物化学基础生物化学基础蛋白质分子三维结构的表示方式蛋白质分子三维结构的表示方式丝（条）带模型（丝（条）带模型（ribbon model）空间填充模型（空间填充模型（space-filling model）球棍模型（球棍模型（bal

14、l and stick model）生物化学基础生物化学基础l 对映异构体具有不同的旋光性（对映异构体具有不同的旋光性（optical activity）生物化学基础生物化学基础光波是一种电磁波，它的振动方向与前进方向垂直光波是一种电磁波，它的振动方向与前进方向垂直AABBCD光源（1 ）光的前进方向与振动方向DC（2）普通光的振动平面图 6-1 光的传播光束前进方向生物化学基础生物化学基础 在光前进的方向上放一个在光前进的方向上放一个Nicol棱晶或人造偏振片，只棱晶或人造偏振片，只允许与棱晶晶轴互相平行的平面上振动的光线透过棱晶，允许与棱晶晶轴互相平行的平面上振动的光线透过棱晶，而在其它平

15、面上振动的光线则被挡住。这种只在一个平而在其它平面上振动的光线则被挡住。这种只在一个平面上振动的光称为平面偏振光，简称偏振光。面上振动的光称为平面偏振光，简称偏振光。AABCDBDCAA普通光平面偏振光晶轴Nicol棱晶生物化学基础生物化学基础 能使平面偏振光振动平面旋转的物质称为物质的旋光性，具有能使平面偏振光振动平面旋转的物质称为物质的旋光性，具有旋光性的物质称为旋光性物质（也称为光活性物质）。旋光性的物质称为旋光性物质（也称为光活性物质）。AABCDBDCAAAABCDBDCAA乙醇不旋光物质乳酸旋光性物质能使偏振光振动平面向右旋转的物质称右旋体，能使偏振光振动能使偏振光振动平面向右旋转

16、的物质称右旋体，能使偏振光振动平面向左旋转的物质称左旋体，使偏振光振动平面旋转的角度称为平面向左旋转的物质称左旋体，使偏振光振动平面旋转的角度称为旋光度。旋光度。生物化学基础生物化学基础凡是有手性的分子都有旋光性。凡是有手性的分子都有旋光性。分子具有手性是引起分子旋光性的根本原因。分子具有手性是引起分子旋光性的根本原因。对映异构体又称为旋光异构体。对映异构体又称为旋光异构体。 生物化学基础生物化学基础l非对映体：非对映体：不呈物体与镜象关系的立体异构体叫不呈物体与镜象关系的立体异构体叫做非对映体。分子中有两个以上手性中心时，就做非对映体。分子中有两个以上手性中心时，就有非对映异构现象。有非对映

17、异构现象。非对映异构体的特征：非对映异构体的特征：1 1物理性质不同（熔点、沸点、溶解度等）。物理性质不同（熔点、沸点、溶解度等）。2 2比旋光度不同。比旋光度不同。3 3旋光方向可能相同也可能不同。旋光方向可能相同也可能不同。4 4化学性质相似，但反应速度有差异。化学性质相似，但反应速度有差异。生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础 2.2.4 构象（构象（conformation)和构型（和构型（configuration）是描述分子三）是描述分子三维结构的不同术语。维结构的不同术语。区别点区别点构型构型构象构象化学结构基础化学结构基础相同结构式相同结构式相同结构式和构型相同结构

18、式和构型产生不同构型（构象）产生不同构型（构象）的原因的原因分子的不对称性分子的不对称性分子内化学单键的旋分子内化学单键的旋转转具有不同构型（构象）具有不同构型（构象）分子的区别分子的区别各取代基团在空间的各取代基团在空间的相对取向不同相对取向不同分子在空间中的形态分子在空间中的形态不同不同构型（构象）的改变是构型（构象）的改变是否涉及共价键的破裂否涉及共价键的破裂是是否否例子例子生物化学基础生物化学基础l Configuration and conformation define the different aspects of the three dimensional structure

19、 of biomolecules.Configuration defines the spatial arrangement of the groups attached to an asymmetric carbon or two double-bonded carbon atoms. Configurational isomers can not be interconverted without breaking one or more covalent bonds.Conformation refers to the numerous possible spatial arrangem

20、ent of atoms due to free rotations around single bonds. Conformational isomers can be interconverted without breaking covalent bonds.生物化学基础生物化学基础Conformational changes during folding of a protein生物化学基础生物化学基础Conformational flexibility of a protein生物化学基础生物化学基础2.2.5 生物分子对异构体的偏爱生物分子对异构体的偏爱 生物体通常只选择两个对映异

21、构体之中的一个；生物体通常只选择两个对映异构体之中的一个； 与人工化学合成不同，生物合成的结果是只产生一种手与人工化学合成不同，生物合成的结果是只产生一种手性分子（酶的立体异构专一性）；性分子（酶的立体异构专一性）； 两种立体异构体可能具有完全不同的生物功能。两种立体异构体可能具有完全不同的生物功能。生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础2.3 分子内与分子间的相互作用（化学键）分子内与分子间的相互作用（化学键） 分子结构的维系分子结构的维系 共价键共价键非共价键非共价键化学键化学键氢键氢键疏水作用疏水作用盐键盐键范德华力范德华力生物化学基础生物化学基础2.3.1 共价键：共价键：C

22、ovalent bondsAtoms tend to attain “filled-shell” conditions by gaining, losing, or sharing electrons.When two atoms have the same electronegativity (electron affinity), the covalent bond is nonpolar; when different, the bond is polarized.The strength of a bond is expressed as bond energy (in joules

23、or calories): that is, the amount of energy required to break the bond; or gained by the surroundings when the two atoms form the bond.生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础碳在生物分子中的氧还状态碳在生物分子中的氧还状态Most oxidizedMostreduced生物化学基础生物化学基础氧还还原反应氧还还原反应Oxidation, losing electronsReduction, gaining electrons生物化学基础生物化学基础2.

24、3.2 非共价键：非共价键：Noncovalent bonds非共价键（又称为次级键或分子间弱相互作用力）非共价键（又称为次级键或分子间弱相互作用力）决定生物大分子和分子复合物的高级结构，在分决定生物大分子和分子复合物的高级结构，在分子之间的相互作用（例如分子识别）中起着关键子之间的相互作用（例如分子识别）中起着关键的作用。的作用。生物化学基础生物化学基础2.3.2.1 氢键：氢键：连在电负性强的半径小的原子上的氢原子与另一个电负性连在电负性强的半径小的原子上的氢原子与另一个电负性强的原子之间的相互作用。强的原子之间的相互作用。 x Hy x，y 的特点：的特点：电负性强；电负性强；分子半径小

25、；分子半径小；有孤对电子有孤对电子代表代表: N，O，S原子等原子等+ - 生物化学基础生物化学基础氢键的氢键的2个重要特征：个重要特征：1. 方向性方向性2. 饱和性饱和性OHH生物化学基础生物化学基础冰与水中的氢键冰与水中的氢键生物化学基础生物化学基础冰与水中的氢键冰与水中的氢键生物化学基础生物化学基础冰与水中的氢键冰与水中的氢键液态水中，水分子之间的液态水中，水分子之间的氢键不断地被打断和重新氢键不断地被打断和重新形成，因而液态水由快速形成，因而液态水由快速波动、三维网状、以氢键波动、三维网状、以氢键结合的结合的H2O分子构成。分子构成。生物化学基础生物化学基础冰与水中的氢键冰与水中的氢

26、键H2Ohydrophobic molecular当疏水化合物分子或基团进当疏水化合物分子或基团进入水中时，它周围的水分子入水中时，它周围的水分子将排列成刚性的有序结构将排列成刚性的有序结构笼形结构。笼形结构。生物化学基础生物化学基础生物体系中常见的氢键生物体系中常见的氢键生物化学基础生物化学基础氢键是稳定蛋白氢键是稳定蛋白质二级结构的主质二级结构的主要作用力要作用力生物化学基础生物化学基础氢键与氢键与DNA双螺旋结构双螺旋结构的关系的关系生物化学基础生物化学基础2.0 nm小小沟沟大大沟沟2.3.2.2 范德华力：范德华力：广义的广义的范德华力范德华力（van der Waals force

27、）包括三种弱的作用力：定向效应、诱导效应和分散效应包括三种弱的作用力：定向效应、诱导效应和分散效应 效应效应分子或基团分子或基团偶极偶极偶极方向偶极方向图例图例定向效应定向效应极性分子或基极性分子或基团之间团之间永久偶极间永久偶极间静静电相互作用电相互作用固定固定诱导效应诱导效应极性与非极性极性与非极性基团间基团间永久偶极与永久偶极与诱导偶极间诱导偶极间固定固定分散效应分散效应非极性分子或非极性分子或基团间基团间瞬时偶极间瞬时偶极间瞬时变化瞬时变化生物化学基础生物化学基础 分散效应是在多数情况下起主要作用的范德华力，称分散效应是在多数情况下起主要作用的范德华力，称为狭义范德华力，也是生物化学领

28、域的范德华力。为狭义范德华力，也是生物化学领域的范德华力。 狭义范德华力是一种很弱的作用力，大小与非键合原狭义范德华力是一种很弱的作用力，大小与非键合原子或分子间距离的子或分子间距离的6次方成反比。次方成反比。分子间距离分子间距离范德华力大小范德华力大小生物化学基础生物化学基础当非共价键合原子或分子相互挨得太近时，由于电子云重当非共价键合原子或分子相互挨得太近时，由于电子云重叠，将产生范德华斥力。叠，将产生范德华斥力。由于范德华斥力的存在，范德华力只有当两个非键合原子由于范德华斥力的存在，范德华力只有当两个非键合原子处于一定距离时才达到最大。这个距离称为范德华距离，处于一定距离时才达到最大。这

29、个距离称为范德华距离，它等于两个原子的范德华半径之和。它等于两个原子的范德华半径之和。范德华距离范德华距离范德华半径范德华半径生物化学基础生物化学基础几种生物学上重要原子的范德华半径和共价键半径几种生物学上重要原子的范德华半径和共价键半径原子原子范德华半径范德华半径（nm）共价键半径共价键半径（nm）H0.120.030C0.200.077N0.150.070O0.140.066S0.180.104P0.190.110生物化学基础生物化学基础生物化学基础生物化学基础范德华力范德华力生物化学基础生物化学基础范德华斥力范德华斥力生物化学基础生物化学基础共价键共价键共价键共价键生物化学基础生物化学基

30、础范德华力的范德华力的本质本质是静电相互作用；是静电相互作用；生物化学领域的范德华力主要指生物化学领域的范德华力主要指狭义狭义的范德华力（分散的范德华力（分散效应）；效应）；范德华力包括范德华力包括吸引力吸引力和和斥力斥力，吸引力用于稳定蛋白质的，吸引力用于稳定蛋白质的三维结构，斥力对蛋白质的三维结构也有重要的作用；三维结构，斥力对蛋白质的三维结构也有重要的作用； 就个别而言范德华力是很弱的，但范德华力数量大，并就个别而言范德华力是很弱的，但范德华力数量大，并具有加和效应和位相效应，从而成为一种不可忽视的作具有加和效应和位相效应，从而成为一种不可忽视的作用力。用力。生物化学基础生物化学基础2.

31、3.2.3 疏水作用疏水作用(hydrophobic interaction):非极性分子非极性分子进入水中，有聚集在一进入水中，有聚集在一起形成最小疏水面积的趋势，保持起形成最小疏水面积的趋势，保持这些非极性分子聚集在一起的作用这些非极性分子聚集在一起的作用则称为疏水作用则称为疏水作用。生物化学基础生物化学基础疏水作用的本质疏水作用的本质生物化学基础生物化学基础疏水作用的本质疏水作用的本质生物化学基础生物化学基础l 生物分子溶液系统的熵增加是疏水作用的主要动力：生物分子溶液系统的熵增加是疏水作用的主要动力：分离的疏水基团周围的水分子排列成刚性的有序结构（笼形结分离的疏水基团周围的水分子排列成

32、刚性的有序结构（笼形结构），当疏水基团聚集时，笼形结构被破坏，有序水分子的数构），当疏水基团聚集时，笼形结构被破坏，有序水分子的数量减少，水的混乱度增加，即熵增加，因此疏水作用是熵驱动量减少，水的混乱度增加，即熵增加，因此疏水作用是熵驱动的自发过程。的自发过程。生物化学基础生物化学基础为了减少有序水分子的数量，非极性分子有聚集在为了减少有序水分子的数量，非极性分子有聚集在一起形成最小疏水面积的趋势，保持这些非极性分一起形成最小疏水面积的趋势，保持这些非极性分子聚集在一起的作用则称为疏水（相互）作用。子聚集在一起的作用则称为疏水（相互）作用。 疏水作用的强度与非极性分子之间的任何内在吸疏水作用的强度与非极性分子之间的任何内在吸引无关，受系统获取最大热力学稳定性驱动。引无关，受系统获取最大热力学稳定性驱动。 一般来说，非极性区域（或称疏水基团）越多，一般来说，非极性区域（或称疏水基团）越多，面积越大，则疏水作用越强；面积越大，则疏水作用越强；生物化学基础生物化学基