王镜岩生物化学课件

生物化学.第一篇.生物分子的结构(jiégòu)和化学第一章生物分子(fēnzǐ)导论王镜岩第一页，共51页。生物化学(shēnɡwùhuàxué).第一篇.生物分子的结构和化学第一章生物分子(fēnzǐ)导论生物化学(Biochemistry、Biologicalchemistry)1.生命定义:确切的定义比较困难.但是活生物与非生物比较有显著的共同特征:〔1).化学成分的同一性.(2).严整有序的结构.(3).新陈代谢.(4).自我复制(fùzhì)的能力.2.生物化学:是关于生命的化学，是运用化学的原理和方法来研究生命现象，说明生命现象变化规律的一门科学。3.生物化学研究的主要范围：A.生物分子的结构与功能：探讨生物体的物质组成以及分子结构、性质和功能。B.新陈代谢:物质代谢的规律、能量转化及其调节控制。C.遗传信息:遗传的分子根底及代谢调控(DNA复制(fùzhì)、RNA转录、蛋白质翻译等)。

第二页，共51页。生物(shēngwù)化学.第一篇.生物(shēngwù)分子的结构和化学第一章生物(shēngwù)分子导论生物化学(Biochemistry、Biologicalchemistry)D.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生物化学与分子生物学〔Biochemistry&MolecularBiology〕.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(bǎnběn)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,知识编排得当,将生物化学内容组织成三大局部(生物分子,新陈代谢和遗传信息),共安排35章(详见下表).第三页，共51页。生物化学.第一篇.生物分子(fēnzǐ)的结构和化学第一章生物(shēngwù)分子导论

1.生命元素(bioelement):天然化学元素中有30种是活生物所必需(bìxū)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.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.第四页，共51页。生物化学.第一篇.生物分子的结构(jiégòu)和化学第一章生物分子(fēnzǐ)导论3.生物分子组织层次(céngcì)小分子前体(precursor,环境中获得)〔H2O、CO2、O2,NH3,N2等〕生物体内经过一系列代谢,形成中间物代谢中间物〔丙酮酸、柠檬酸、苹果酸等〕中间物转变成构件分子构件分子(block-buildingmolecule,monomer)〔氨基酸、核苷酸、单糖,脂肪酸等〕构件分子共价缩合成生物大分子生物大分子(biomacromolecule)〔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

超分子(assembly)〔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细胞器(organelle)〔细胞核、线粒体,高尔基体等)

细胞(原核细胞,真核细胞等)第五页，共51页。生物化学.第一篇.生物分子(fēnzǐ)的结构和化学第一章生物分子(fēnzǐ)导论

:生物分子不仅种类繁多,在大小方面跨度也很大,例如(lìrú),丙氨酸分子量是89,但烟草花叶病毒到达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。第六页，共51页。生物(shēngwù)化学.第一篇.生物(shēngwù)分子的结构和化学第一章生物(shēngwù)分子导论

球棍模型(móxíng)透视式纽曼投影式

乙烷的交叉式构象球棍模型透视式纽曼投影式乙烷的交叉式构象第七页，共51页。生物(shēngwù)化学.第一篇.生物(shēngwù)分子的结构和化学第一章生物(shēngwù)分子导论

第八页，共51页。生物化学.第一篇.生物分子(fēnzǐ)的结构和化学第一章生物分子(fēnzǐ)导论

顺反异构体：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(bùtónɡ)的原子或基团时，就会出现两种不同(bùtónɡ)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〕的同侧为“顺式〞；否那么为“反式〞.第九页，共51页。生物化学.第一篇.生物分子(fēnzǐ)的结构和化学第一章生物(shēngwù)分子导论

光学(guāngxué)异构现象同为乳酸，为什么会具有不同的光学性质呢？实验事实：第十页，共51页。生物化学.第一篇.生物分子(fēnzǐ)的结构和化学第一章生物(shēngwù)分子导论旋光性与比旋光度光是一种电磁波，光波的振动方向(fāngxiàng)与光的前进方向(fāngxiàng)垂直。

如果让光通过一个象栅栏一样的Nicol棱镜(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平行的光才能通过。这样，透过棱晶的光就只能在一个方向上振动，象这种只在一个平面上振动的光，称为平面偏振光，简称偏振光或偏光。第十一页，共51页。生物(shēngwù)化学.第一篇.生物(shēngwù)分子的结构和化学第一章生物分子(fēnzǐ)导论

那么，偏振光能否透过第二个Nicol棱镜(léngjìng)(检偏镜)取决于两个棱镜(léngjìng)的晶轴是否平行，平行那么可透过；否那么不能通过。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：第十二页，共51页。结论(jiélùn)：物质有两类：〔1〕旋光性物质——能使偏振光振动(zhèndòng)面旋转的性质，叫做旋光性；具有旋光性的物质，叫做旋光性物质。〔2〕非旋光性物质——不具有(jùyǒu)旋光性的物质，叫做非旋光性物质。旋光性物质使偏振光旋转的角度，称为旋光度，以“α〞表示。但旋光度“α〞是一个常量，它受温度、第十三页，共51页。光源、浓度、管长等许多因素的影响(yǐngxiǎng)，为了便于比较，就要使其成为一个常量，故用比旋光度[α]来表示：

式中：α为旋光仪测得试样(shìyànɡ)的旋光度；ρB为试样的质量浓度，单位(dānwèi)g.mL;假设试样为纯液体那么为密度.

l

为盛液管的长度，单位dm。

t测样时的温度。λ为旋光仪使用的光源的波长〔通常用钠光，以D表示〕。§3—4—2分子的手性和对称性一、旋光性产生的原因

第十四页，共51页。分析有旋光性的乳酸(rǔsuān)和没有旋光性的丙酸在结构上的差异：初步(chūbù)结论：乳酸(rǔsuān)所以具有旋光性，可能是因为分子中有一个*C原子〔不对称碳原子或手性碳〕。

为什么有*C原子就可能具有旋光性？这是因为：

(1)一个*C就有两种不同的构型：

第十五页，共51页。(2)二者的关系(guānxì)：互为镜象〔实物与镜象关系(guānxì)，或者说左、右手关系(guānxì)〕。二者无论如何也不能完全重叠。与镜象不能重叠的分子(fēnzǐ)，称为手性分子(fēnzǐ)。分子的构造相同，但构型不同，形成(xíngchéng)实物与镜象的两种分子，称为对映异构体〔简称：对映体〕。对映体：成对存在，旋光能力相同，但旋光方向相反。二者能量相同〔分子中任何两原子的距离相同〕。第十六页，共51页。外消旋体：等量(děnɡliànɡ)对映体的混合物。二、对称因素：

1.对称(duìchèn)面

2.对称中心第十七页，共51页。结论(jiélùn)：有对称面、对称中心均可与其镜象重叠(chóngdié)，是非手性分子；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(pàndìng)为是手性分子。

故：分子的手性是对映体存在的必要和充分条件。

第十八页，共51页。§3—4—3含一个(yīɡè)手性碳原子化合物的对映异构一、构型的表示法：1.透视(tòushì)式〔三维结构〕：略2.Fischer投影(tóuyǐng)式：第十九页，共51页。使用Fischer投影(tóuyǐng)式的本卷须知：(1)可以沿纸面旋转(xuánzhuǎn)，但不能离开纸面翻转。(2)可以(kěyǐ)旋转180。，但不能旋转90。或270。。第二十页，共51页。第二十一页，共51页。二、构型标记(biāojì)法：1.D/L标记(biāojì)法D-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛**D、L与“+、-〞没有必然(bìrán)的联系2.R/S标记法A.三维结构：

第二十二页，共51页。B.Fischer投影(tóuyǐng)式：结论：当最小基团处于(chǔyú)横键位置时，其余三个基团从大到小的顺序假设为逆时针，其构型为R；反之，构型为S。第二十三页，共51页。结论：当最小基团处于竖键位置时，其余三个基团从大到小的顺序假设(jiǎshè)为顺时针，其构型为R；反之，构型为S。§3—4—4含两个(liǎnɡɡè)手性碳原子化合物的对映异构一、.含两个(liǎnɡɡè)不同手性碳原子化合物的对映异构结论：异构体数目——2n=22=4〔n：手性碳原子数目〕第二十四页，共51页。对映体数目(shùmù)——2n–1=2〔2–1〕=2〔对〕二.含两个(liǎnɡɡè)相同手性碳原子化合物的对映异构结论(jiélùn)：异构体数目旋光异构体的数目=2n-1内消旋体的数目=2n/2-1立体异构体总数=2n–1+2n/2–1

n为偶数：

第二十五页，共51页。立体(lìtǐ)异构体总数=2n–1n为奇数(jīshù)：内消旋体的数目(shùmù)=2(n–1)/2外消旋体与内消旋体：

外消旋体：是混合物，可拆分出一对对映体。内消旋体：是化合物，不能拆分。外消旋体与内消旋体的共同之处是：二者均无旋光性，但本质不同。

第二十六页，共51页。§3—5构象(ɡòuxiànɡ)异构构象异构产生(chǎnshēng)的原因：由于(yóuyú)以σ键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。一、乙烷的构象

在乙烷分子的无数个构象异构体中，其两个典型的构象异构体〔又称极限构象异构体〕可表示如下：§3—5—1烷烃的构象第二十七页，共51页。乙烷分子不同(bùtónɡ)构象的能量曲线如以下图所示：第二十八页，共51页。二、丁烷(dīnɡwán)的构象

由此可见，交叉(jiāochā)式构象的能量较低，故较为稳定。第二十九页，共51页。丁烷绕C2—C3σ键旋转的典型(diǎnxíng)构象有四种：第三十页，共51页。丁烷(dīnɡwán)分子不同构象的能量曲线如以下图所示：由此可见：丁烷四种典型构象能量(néngliàng)的上下顺序是：第三十一页，共51页。全重叠式＞局部(júbù)重叠式＞邻位交叉式＞反交叉式结论：反交叉式是丁烷的优势(yōushì)构象〔又称：最稳定构象。§3—5—2环己烷及取代(qǔdài)环己烷的构象一、环己烷的构象

船式构象第三十二页，共51页。环己烷的六个碳原子构成(gòuchéng)两个平面；六个a、e键分别为三上三下；同一碳原子假设a键在上，e键必然在下；a、e键可以(kěyǐ)相互转化。第三十三页，共51页。二、取代(qǔdài)环己烷的优势构象

第三十四页，共51页。结论：取代(qǔdài)基处于e键稳定。

(1)1,2-二取代(qǔdài)环己烷第三十五页，共51页。处于e键的取代(qǔdài)基越多越稳定。当有两个不同(bùtónɡ)的取代基时，大的取代基处于e键稳定。(2)1,3-二取代(qǔdài)环己烷结论:稳定性

——

反式

＞

顺式。

结论:稳定性——顺式＞反式。第三十六页，共51页。生物(shēngwù)化学.第一篇.生物(shēngwù)分子的结构和化学第一章生物(shēngwù)分子导论

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(jiégòu)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(jiégòu)的主要作用力.第三十七页，共51页。生物(shēngwù)化学.第一篇.生物(shēngwù)分子的结构和化学第一章生物(shēngwù)分子导论

氢键的饱和性和方向性饱和性当A－H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子B’那么难以接近氢原子了，因为B、A的负电荷将排斥原子B’靠近，因此(yīncǐ)一个氢原子只能与一个杂原子形成氢键。第三十八页，共51页。生物(shēngwù)化学.第一篇.生物(shēngwù)分子的结构和化学第一章生物分子(fēnzǐ)导论

方向性1.只有当A-H…B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局部最接近(jiējìn)氢原子，这样形成的氢键最稳定。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-H…F最强〕第三十九页，共51页。生物化学.第一篇.生物分子(fēnzǐ)的结构和化学第一章生物(shēngwù)分子导论

天然化合物中的氢键举例(jǔlì)——蛋白质结构中的氢键核酸结构中的氢键第四十页，共51页。生物化学.第一篇.生物分子的结构(jiégòu)和化学第一章生物分子(fēnzǐ)导论

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(fèidiǎn)越高。吸引或排斥与分子间距离有关，太近，表现为排斥作用。第四十一页，共51页。生物化学.第一篇.生物分子的结构(jiégòu)和化学第一章生物分子(fēnzǐ)导论

范德华力1、特点(tèdiǎn)⑴只存在于分子间，包括单原子分子⑵只有分子充分接近时才有相互作用〔300—500pm〕⑶范德华力一般没有饱和性和方向性第四十二页，共51页。生物(shēngwù)化学.第一篇.生物(shēngwù)分子的结构和化学第一章生物分子(fēnzǐ)导论

2、影响(yǐngxiǎng)范德华力的因素主要有：⑴分子的大小⑵分子的空间构型⑶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，范德华力越大第四十三页，共51页。生物(shēngwù)化学.第一篇.生物(shēngwù)分子的结构和化学第一章生物(shēngwù)分子导论

第四十四页，共51页。生物化学.第一篇.生物分子(fēnzǐ)的结构和化学第一章生物(shēngwù)分子导论

水是维持所有生命的必要物质，在典型的细胞分子內当做溶剂含量約70%~85%水是代謝反响的介质，是生命的孵化器.提供生物溶液系统调节细胞內外环境最适化的功能(gōngnéng)，如温度,酸碱度。温度:水分子有很高的比热，能吸收大量的热能.酸碱值:生物分子要在一定的pH值下‧才能发挥其正常功能(gōngnéng)，而水溶液中水分子就能调节氢离子浓度，來维持细胞內、外恒定的酸碱值。第四十五页，共51页。生物化学.第一篇.生物分子的结构(jiégòu)和化学第一章生物