王镜岩生物化学课件-1讲课讲稿

1、王镜岩生物化学课件-1生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论一.什么是生物化学(Biochemistry、Biological chemistry )D.通常将生物大分子结构、功能及其代谢调控的研究称为通常将生物大分子结构、功能及其代谢调控的研究称为分子生物学分子生物学(Molecular biology).在某种意义上在某种意义上,分子生物学是生物化学发展的一个新阶段分子生物学是生物化学发展的一个新阶段.所以这门学科也称为所以这门学科也称为4.本书知识体系: 本教材是”十一五”国家级规划教材.本书前面版本曾是国内最好的生物化学教材之一,被各高校采用广泛.内容详实,知识编

2、排得当,将生物化学内容组织成三大部分(生物分子,新陈代谢和遗传信息),共安排35章(详见下表).生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论二.生物分子及其组织层次 1.生命元素(bioelement):天然化学元素中有30种是活生物所必需的,称为生命元素. 化学元素不是随机参入生物的,是在进化过程中被选择出来的.一些生命元素决定于环境中原料的可得性(例如,Ca,K,Mg,Na等),一些决定于其分子或原子对生命过程专一作用的适合性(例如,C,H,O,N等).2.生物分子(biomolecule):生物分子泛指构成生物的蛋白质,核酸,多糖,脂质以及它们的构建分子和代谢中间物等.

3、生物分子几乎都是碳的化合物.碳在成键方面的多能性是生物起源和进化过程中选择碳化合物作为生物分子的主要因素.生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论3.生物分子组织层次生物分子组织层次小分子前体小分子前体(precursor, 环境中获得环境中获得)（H2O、CO2、O2 ,NH3,N2等）等） 生物体内经过一系列代谢生物体内经过一系列代谢,形成中间物形成中间物代谢中间物（丙酮酸、柠檬酸、苹果酸等）代谢中间物（丙酮酸、柠檬酸、苹果酸等） 中间物转变成构件分子中间物转变成构件分子构件分子构件分子(block-building molecule,monomer)（氨基酸、核（氨基

4、酸、核苷酸、单糖苷酸、单糖,脂肪酸等）脂肪酸等） 构件分子共价缩合成生物大分子构件分子共价缩合成生物大分子生物大分子生物大分子(biomacromolecule)（核酸、蛋白质、多糖等）（核酸、蛋白质、多糖等） 生物大分子借助非共价键缔合成超分子复合体生物大分子借助非共价键缔合成超分子复合体 超分子超分子(assembly)（核糖体、酶复合体、微管等）（核糖体、酶复合体、微管等） 超分子复合体装配成质量更大的细胞器超分子复合体装配成质量更大的细胞器细胞器细胞器(organelle)（细胞核、线粒体（细胞核、线粒体,高尔基体等高尔基体等) 细胞细胞(原核细胞原核细胞,真核细胞等真核细胞等)生物化

5、学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论 三.生物分子的三维结构1.生物分子大小:生物分子不仅种类繁多,在大小方面跨度也很大,例如,丙氨酸分子量是89,但烟草花叶病毒达到40000000.2.立体异构与构型A.立体异构体:是指具有相同的结构式,但它们的价键在三维空间的关系不同的异构体.B.构型(configuration):用以规定立体异构体中价键在空间的相对取向.有几何(顺反)异构体,旋光(光学)异构体.C.手性中心:是具有4个不同取代基团的四面体碳原子,也称为不对称碳原子.D.区分立体异构体需要用立体模型,透视式或投影式。由于生物分子间相互作用涉及异构体的构型，生物分子的命名

6、和结构表示在立体化学上必须明确。RS命名系统是通用的，但在生物化学中更习惯使用DL命名系统。生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论 三.生物分子的三维结构生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论 三.生物分子的三维结构同分异构构造异构碳链（碳架）异构官能团位置异构官能团异构互变异构立体异构构型异构构象异构顺反异构光学异构生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论 三.生物分子的三维结构顺反异构体：顺反异构体：具有双键的化合物具有双键的化合物由于双键不能自由旋转，当双键连有不同的原子或基由于双键不能自由旋转，当双键连有不同的原子或基团时

7、，就会出现两种不同的空间排布方式，从而产生顺反异构体。相同的原团时，就会出现两种不同的空间排布方式，从而产生顺反异构体。相同的原子或基团位于双键（或环平面）的子或基团位于双键（或环平面）的同侧同侧为为“顺式顺式”；否则否则为为“反式反式”.C=CC=Caabbaabbaaaabbbb(cis )_顺式(trans )_反式(trans )_反式(cis )_顺式生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论 三.生物分子的三维结构CH3CHCOOHOH从肌肉中得到的肌肉乳酸+ 3.82。葡萄糖发酵得到的乳酸3.82。酸牛奶中得到的乳酸0。来 源旋 光 性羟基丙酸 ( 乳酸 )光学

8、异构现象光学异构现象同为乳酸，为什么会具有不同的光学性质呢？同为乳酸，为什么会具有不同的光学性质呢？实验事实：实验事实：生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论三.生物分子的三维结构旋光性与比旋光度旋光性与比旋光度 光是一种电磁波，光波的振动方向与光的前进方向垂直。光是一种电磁波，光波的振动方向与光的前进方向垂直。平面偏振光 如果让光通过一个象栅栏一样的如果让光通过一个象栅栏一样的 Nicol 棱镜棱镜 (起偏镜起偏镜)就不是所有方向的光都能通过，而只有与棱镜晶轴方向就不是所有方向的光都能通过，而只有与棱镜晶轴方向平行的光才能通过。这样，透过棱晶的光就只能在一个平行的光才能

9、通过。这样，透过棱晶的光就只能在一个方向上振动，象这种方向上振动，象这种只在一个平面上振动的光，称为平只在一个平面上振动的光，称为平面偏振光，简称偏振光或偏光。面偏振光，简称偏振光或偏光。生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论 三.生物分子的三维结构那么，偏振光能否透过第二个那么，偏振光能否透过第二个Nicol 棱镜棱镜 (检偏镜检偏镜) 取取 决于两个棱镜的晶轴是否决于两个棱镜的晶轴是否平行，平行则可透过；否则不能通过。平行，平行则可透过；否则不能通过。如果在两个棱镜之间放一个盛液管，里面装入两种不同的物质：如果在两个棱镜之间放一个盛液管，里面装入两种不同的物质：亮丙

10、酸亮暗乳 酸 结论：结论： 物质有两类：物质有两类： （1）旋光性物质）旋光性物质能使偏振光振动面旋转的性质，能使偏振光振动面旋转的性质， 叫做叫做旋光性；旋光性；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。 （2）非旋光性物质）非旋光性物质不具有旋光性的物质，叫做不具有旋光性的物质，叫做 非旋光性物质。非旋光性物质。 旋光性物质使偏振光旋转的角度，称为旋光性物质使偏振光旋转的角度，称为旋光度旋光度，以以“”表示。表示。其旋光方向顺时针 右旋，以 “ d ” 或 “ + ” 表示。逆时针 左旋，以“ l ” 或 “ ” 表示。 但旋光度但旋光度“”是一个常量，它受温度、

11、是一个常量，它受温度、光源、浓度、管长等许多因素的影响，为了便于比较，就光源、浓度、管长等许多因素的影响，为了便于比较，就要使其成为一个常量，故用要使其成为一个常量，故用比旋光度比旋光度来表示：来表示： lBt lBtlBt 式中：式中： 为旋光仪测得试样的旋光度；为旋光仪测得试样的旋光度； B 为试样的质量浓度，单位为试样的质量浓度，单位 g . mL ; 若试样为纯液体则为密度若试样为纯液体则为密度.1 l 为盛液管的长度，单位为盛液管的长度，单位 dm 。 t 测样时的温度。测样时的温度。 为旋光仪使用的光源的波长（通常用钠光，以为旋光仪使用的光源的波长（通常用钠光，以D表示）。表示）。

12、342 分子的手性和对称性分子的手性和对称性一、旋光性产生的原因一、旋光性产生的原因 CH3CCOOHHCH3CCOOHHHOH* 分析分析有旋光性的乳酸有旋光性的乳酸和和没有旋光性的丙酸没有旋光性的丙酸在结构上的在结构上的差别：差别： 初步结论初步结论： 乳酸所以具有旋光性，可能是因为分子中乳酸所以具有旋光性，可能是因为分子中有一个有一个*C原原子子（不对（不对称碳原子或手性碳）。称碳原子或手性碳）。 为什么为什么有有*C原子原子就可能具有旋光性？这是因为：就可能具有旋光性？这是因为： ( (1) )一个一个*C就有两种不同的构型：就有两种不同的构型： COOHCH3OHHCOOHCH3OH

13、HCCCOOHCOOHCH3H3CHOOHHH- ( (2) )二者的关系：互为镜象（实物与镜象关系，或者二者的关系：互为镜象（实物与镜象关系，或者说左、右手关系）。说左、右手关系）。二者无论如何也不能完全重叠。二者无论如何也不能完全重叠。 与镜象不能重叠的分子，称为手性分子。与镜象不能重叠的分子，称为手性分子。分子的构造相同，但构型不同，形成实物与镜象的两种分分子的构造相同，但构型不同，形成实物与镜象的两种分子，称为子，称为对映异构体对映异构体（简称：对映体）。（简称：对映体）。 对映体：对映体：成对存在，旋光能力相同，但旋光方向相反成对存在，旋光能力相同，但旋光方向相反。 二者能量相同（分

14、子中任何两原子的距离二者能量相同（分子中任何两原子的距离相同相同）。）。 外消旋体：外消旋体：等量对映体的混合物。等量对映体的混合物。 二、二、对称因素：对称因素： 1. 对称面对称面 2. 对称中心对称中心HHHHHHH3CCH3结论结论： 有对称面、对称中心有对称面、对称中心均可与其镜象重叠，是非手均可与其镜象重叠，是非手性分性分子；反之，为手性分子。子；反之，为手性分子。 既无对称面也没有对称中心的，一般可判定为是手性既无对称面也没有对称中心的，一般可判定为是手性分子。分子。 故：分子的手性是对映体存在的必要和充分条件。故：分子的手性是对映体存在的必要和充分条件。 34 3 含一个手性碳

15、原子化合物的对映异构含一个手性碳原子化合物的对映异构一、构型的表示法：一、构型的表示法：1. 透视式（三维结构）：略透视式（三维结构）：略2. .Fischer 投影式：投影式： C CO OO OH HC CH H3 3H HO OH HC CO OO OH HC CH H3 3H HO OH H 使用使用Fischer 投影式的注意事项：投影式的注意事项： ( (1) )可以沿纸面旋转，但不能离开纸面翻转。可以沿纸面旋转，但不能离开纸面翻转。 COOHCH3HOHCOOHCH3HHO翻 转翻 转 (2) 可以旋转可以旋转180。，但不能旋转，但不能旋转90。或或270。 COOHHOHCO

16、OHCH3HHO旋 转180旋转180CH3。COOHHOHCOOHCH3HOH旋 转90旋 转90CH3。二、构型标记法：二、构型标记法： 1. D / L标记法标记法C CH HO OC CH H2 2O OH HH HO OH H- - -C CH HO OC CH H2 2O OH HH HH HO O D-(+)-甘油醛甘油醛 L-(-)-甘油醛甘油醛 *D、L与与 “+、-” 没有必然的联系没有必然的联系 2. R / S标记法标记法 A. 三维结构：三维结构： H HO OH HC C2 2H H5 5C CH H3 3H HO OH HC C2 2H H5 5C CH H3 3

17、R RS S B. Fischer 投影式：投影式： H HO OH HH HC CH HO OC CH H2 2O OH HH HO OH HR RC CH HO OC CH H2 2O OH HH HO OC CH HO OC CH H2 2O OH H 结论结论：当当最小基团最小基团处于处于横键横键位置时，其余三个基团从位置时，其余三个基团从大到小的顺大到小的顺序若为序若为逆时针逆时针，其其构型为构型为R R；反之，反之，构型为构型为S S。H HC CH HO OC CH H2 2O OH HH HH HO OR RC CH HO OC CH H2 2O OH HH HO O 结论结论

18、：当当最小基团最小基团处于处于竖键竖键位置时，其余三个基团从位置时，其余三个基团从大到小的顺序大到小的顺序若为若为顺时针，顺时针，其其构型为构型为R R；反之，反之，构型为构型为S S。 344 含两个手性碳原子化合物的对映异构含两个手性碳原子化合物的对映异构 一、一、. 含两个不同手性碳原子化合物的对映异构含两个不同手性碳原子化合物的对映异构 结论结论： 异构体数目异构体数目 2n = 22 = 4 （n：手性碳原子数目）：手性碳原子数目）C CO OO OH HC CO OO OH HH HO OC Cl lH HH H1 12 23 34 4C CO OO OH HC CO OO OH

19、HH HO OC Cl lH HH H1 12 23 34 4C CO OO OH HC CO OO OH HH HO OC Cl lH HH H1 12 23 34 4C CO OO OH HC CO OO OH HH HO OC Cl lH HH H1 12 23 34 4C C: :2 2O OH HC CH HC Cl lC CO OO OH HC CO OO OH HC C: :3 3C Cl lC CO OO OH HC CH HO OH HC CO OO OH H( (2 2R R, ,3 3R R) )( (2 2S S, ,3 3S S) )( (2 2R R, ,3 3S

20、S) )( (2 2S S, ,3 3R R) )- - - - - 对映体数目对映体数目 2n 1 = 2（2 1）= 2（对）（对） 二二. 含两个相同手性碳原子化合物的对映异构含两个相同手性碳原子化合物的对映异构 C CO OO OH HC CO OO OH HH HO OO OH HH HH H1 12 23 34 4C CO OO OH HC CO OO OH HH HO OH HH H1 12 23 34 4C CO OO OH HC CO OO OH HH HO OH HO OH HH H1 12 23 34 4C CO OO OH HC CO OO OH HH HO OO OH

21、 HH HH H1 12 23 34 4C C = =2 2O OH HC C: :3 3C CO OO OH HC CH HO OH HC CO OO OH H( (2 2S S, ,3 3S S) )( (2 2R R, ,3 3R R) )( (2 2S S, ,3 3R R) )( (2 2R R, ,3 3S S) )- - -H HO O- - -内内消消旋旋体体 ( (m me es so o - -) ) 结论结论：异构体数目异构体数目 旋光异构体的数目旋光异构体的数目 = 2 n - 1 内消旋体的数目内消旋体的数目 = 2 n / 2 - 1 立体异构体总数立体异构体总数

22、= 2 n 1 + 2 n / 2 1 n为偶数：为偶数： 立体异构体总数立体异构体总数 = 2 n 1 n为奇数：为奇数： 内消旋体的数目内消旋体的数目 = 2 ( n 1 ) / 2外消旋体与内消旋体：外消旋体与内消旋体： 外消旋体：外消旋体：是混合物，是混合物，可拆分出一对对映体。可拆分出一对对映体。 内消旋体：内消旋体：是化合物，是化合物，不能拆分。不能拆分。 外消旋体与内消旋体的共同之处是：二者外消旋体与内消旋体的共同之处是：二者均无旋光性均无旋光性，但本质不同。但本质不同。 35 构象异构构象异构 构象异构产生的原因：构象异构产生的原因： 由于以由于以键键 连接的两个原子可以相对的

23、自由旋转，连接的两个原子可以相对的自由旋转，从而使分子中的原子或基团在空间有不同的排布方式。从而使分子中的原子或基团在空间有不同的排布方式。 一、一、 乙烷的构象乙烷的构象 在乙烷分子的无数个构象异构体中，其两个典型的构在乙烷分子的无数个构象异构体中，其两个典型的构象异构体（又称极限构象异构体）可表示如下：象异构体（又称极限构象异构体）可表示如下： 351 烷烃的构象烷烃的构象HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH三维结构三维结构锯架式结构HHHHHHHHHHHH纽曼( Newman )投影式重重叠叠式式构构象象交交叉叉式式构构象象 乙烷分子不同构象的能量曲线如下图所示：乙烷分子不同

24、构象的能量曲线如下图所示：-060120180240300360E E旋旋转转角角度度能能量量1 12 2. .6 6 k kj j. .m mo ol l- -1 1 二、二、 丁烷的构象丁烷的构象 由此可见，交叉式构象的能量较低，故较为稳定。由此可见，交叉式构象的能量较低，故较为稳定。H H3 3C CC CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3H HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH HH

25、HH HH HH HH HH HH HH HH H全全重重叠叠式式( (顺顺叠叠式式) )邻邻位位交交叉叉式式( (顺顺错错式式) )部部分分重重叠叠式式( (反反错错式式) )对对位位交交叉叉式式( (反反叠叠式式) )部部分分重重叠叠式式( (反反错错式式) )邻邻位位交交叉叉式式( (顺顺错错式式) ) 丁烷绕丁烷绕 C2C3键键 旋转的典型构象有四种：旋转的典型构象有四种： 丁烷分子不同构象的能量曲线如下图所示：丁烷分子不同构象的能量曲线如下图所示：- - - - - -0 06 60 01 12 20 01 18 80 02 24 40 03 30 00 03 36 60 0E E旋

26、旋转转角角度度能能量量1 18 8. .8 8 k kj j. .m mo ol l- -1 1C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3H H3 3C CH HH HC CH H3 3H HC CH H3 3H HC CH H3 3H H3 3C CC CH H3 3H H3 3C CC CH H3 31 15 5. .9 93 3. .7 7由此可见：由此可见：丁烷四种典型构象能量的高低顺序是：丁烷四种典型构象能量的高低顺序是： 全重叠式全重叠式 部分重叠式部分重叠式 邻位交叉式邻位交叉式 反交叉式反交叉式 结论结论：反交叉

27、式是丁烷的反交叉式是丁烷的优势构象优势构象（又称：最稳定构（又称：最稳定构象。象。352 环己烷及取代环己烷的构象环己烷及取代环己烷的构象一、环己烷的构象一、环己烷的构象0.18 nm1234561 12 23 34 45 56 6H HH HH HH HH HH HH HH H 船船 式式 构构 象象a ae e键键键键椅椅 式式 结结 构构 环己烷的六个碳原子构成环己烷的六个碳原子构成两个平面；两个平面； 六个六个a、e键分别为键分别为三上三下；三上三下； 同一碳原子同一碳原子若若a键在上，键在上，e键必然在下；键必然在下； 123456 a、e 键可以键可以相互转化相互转化。 12345

28、61 12 23 34 45 56 6H HH HH HH HH HH HH HH H二、取代环己烷的优势构象二、取代环己烷的优势构象 1. 1.一取代环己烷一取代环己烷 1 12 23 34 45 56 6H HH HH HH HC CH H3 3H HH HH HC CH H3 3C CH H3 31 11 12 22 23 33 34 44 45 55 56 66 61 12 23 34 45 56 6H HC CH H3 3非非键键张张力力大大 结论：取代基处于结论：取代基处于e 键稳定。键稳定。 2.2.二取代环己烷二取代环己烷 (1) 1,2-二取代环己烷二取代环己烷H HC CH

29、 H3 3H HC CH H3 3112233445566H HC CH H3 3C CH H3 3H HH HC CH H3 3H HC CH H3 311233445566H HC CH H3 3C CH H3 311233445566H HH HC CH H3 3C CH H3 3112233445566H HC CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3顺顺 式式 ：反反 式式 ：a a、e e键键a a、e e键键a a、a a键键e e、e e键键 处于处于e键的取代基越多越稳定。键的取代基越多越稳定。 当有两个不同的取代基时，大的取代基处于当有两个不同的

30、取代基时，大的取代基处于e键稳定。键稳定。 (2) 1,3-二取代环己烷二取代环己烷H HC CH H3 3H HC CH H3 3112233445566H HC CH H3 3C CH H3 3H H顺顺 式式 ：a a、a a键键e e、e e键键H HC CH H3 3H HC CH H3 3112345566H HC CH H3 3H HC CH H3 3112345566H HH HC CH H3 3H HC CH H3 3112233445566H HC CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3C CH H3 3反反 式式 ：a a、e e键键a a、e e键键结论结论

31、: 稳定性稳定性 反式反式 顺式。顺式。 结论结论: 稳定性稳定性 顺式顺式 反式。反式。生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论 四.生物结构中的非共价力1.非共价力:分子是由共价键,即共用电子对,连接在一起的一组特定原子,作用于分子间的力,是非共价力.2.生物结构中的非共价力有静电相互作用,氢键,范德华力和疏水相互作用.3.非共价力是稳定生物大分子三维结构的主要作用力.生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论 四.生物结构中的非共价力氢键的饱和性和方向性氢键的饱和性和方向性n饱和性饱和性 当AH中的氢原子与一个B原子结合形成氢键后，另一个电负性大的原

32、子B则难以接近氢原子了，因为B、A的负电荷将排斥原子B靠近，因此一个氢原子只能与一个杂原子形成氢键。 生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论 四.生物结构中的非共价力n方向性方向性 1. 只有当A-HB在同一直线上时最强； 2. 氢键的方向和未共用电子对的对称轴一致，这样可使原子B中负电荷分布最多的部分最接近氢原子，这样形成的氢键最稳定。氢键的强弱氢键的强弱 A、B的电负性越大，氢键越强；B的原子半径越小，氢键越强。（F-HF最强）生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论 四.生物结构中的非共价力n天然化合物中的氢键举例n蛋白质结构中的氢键蛋白质结构中

33、的氢键 核酸结构中的氢键核酸结构中的氢键NNNNONsugarHHHNNNHHsugarO(Guanini)G C(Cytosine)(GC)NNNNNsugarHNNOsugarO(Adenine)A:T(Thymine)(A=T)HHCH3:.生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论 四.生物结构中的非共价力范德华作用力（非极性分子）范德华作用力（非极性分子） 极化率越大，分子的接触面积越大，范德华作用力 越大。溶沸点越高。 吸引或排斥与分子间距离有关，太近，表现为排斥作用。生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论 四.生物结构中的非共价力范德华力范

34、德华力 1、特点、特点只存在于分子间，包括单原子分子只存在于分子间，包括单原子分子只有分子充分接近时才有相互作用（只有分子充分接近时才有相互作用（300500pm） 范德华力一般没有饱和性和方向性范德华力一般没有饱和性和方向性生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论 四.生物结构中的非共价力2、影响范德华力的因素、影响范德华力的因素主要有：主要有：分子的大小分子的大小 分子的空间构型分子的空间构型 分子中电荷分布是否均匀分子中电荷分布是否均匀分子的组成和结构相似时，相对分子质量越大，范德华力越大分子的组成和结构相似时，相对分子质量越大，范德华力越大生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论 五.水和生命生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论 五.水和生命生物化学.第一篇 .生物分子的结构和化学第一章 生物分子导论 六.生物分子的起源与进化1、生命的起源 化学进化阶段2、生物的进化 生物进化阶段 无机小分子物质无机小分子物质生生成成形形成成组组成成演变第一第一阶段阶段场所场所实验实验第二第二阶段阶段场所场所过程过程第三第三阶段阶段场所场所过程过程第四第四阶段阶段场所场