第三章生物有机质的化学组成

第三章生物有机质的化学组成一、碳水化合物二、脂类三、蛋白质与氨基酸四、木质素与丹宁五、生物的平均组成碳水化合物也叫糖，是自然界存在最多的一类有机物，如葡萄糖、蔗糖、淀粉、纤维素等，都属于碳水化合物。从结构上看，它们是多羟基的醛酮或其缩合物，最初发现的一些碳水化合物，从组成上看都是由Cn(H2O)m组成的，所以叫碳水化合物。植物和某些微生物，在光作用下，可将空气中的二氧化碳和水转化成分子量较大的碳水化合物，这叫做光合作用。碳水化合物常根据它能否水解和水解后的物质分为三类：单糖、低聚糖和多糖。

单糖：不能水解的多羟基醛酮。

低聚糖：一分子低聚糖可水解成几个分子的单糖，一般由2~10个分子的单糖缩合而成，所以又叫寡糖。

多糖：一分子多糖可水解成几千个单糖分子，它们相当于由许多单糖形成的高聚物，所以又叫高聚糖，属天然高分子化合物。一、碳水化合物（糖类）

Cn(H2O)m1、单糖单糖根据它所含的羰基类型分为醛糖和酮糖两类。自然界中的单糖以含四个、五个或六个碳原子的最为普遍。

醛糖中以含六个碳原子的D型葡萄糖最为常见，也是最重要的，它有α、β两种半缩醛异构体，分子式是C6H12O6，结构式为：1、单糖

酮糖中以含六个碳原子的果糖为代表，D型果糖是自然界分布最广的酮糖。果糖的结晶也是吡喃型，有α、β两种异构体，在水溶液中同样存在环式和链式的互变平衡体系，而且平衡混合物中除有两种吡喃型果糖外，还有两种五元环异构体：把六元环的糖叫吡喃糖。葡萄糖是自然界分布最广的己醛糖，为右旋体。把五元环的糖叫呋喃糖。果糖是一种最甜的糖，为左旋体，又叫左旋糖。化学性质（1）氧化——由于酮糖分子的α-碳原子上连有羟基时，所以酮糖和醛糖一样，都能还原托伦试剂、斐林试剂及本尼地溶液，分别生成银镜或氧化亚铜沉淀。与本尼地溶液的反应常被用来测定血液或尿中葡萄糖的含量。酮糖和醛糖的区别是酮糖不被溴水氧化。（

2）还原——用催化氢化或硼化氢钠（NaBH4）等还原剂，可将糖中的羰基还原成羟基，产物叫糖醇。（3）莫利施反应——在糖的水溶液中加入α-萘酚的酒精溶液，然后沿试管壁小心注入浓硫酸，不要摇动，则在两层液面之间能形成一个紫色环。所有的糖（包括单糖、低聚糖、多糖）都有这种颜色反应，这是鉴别糖类物质常用方法。糖还可以与其它一些酚类在酸的作用下显颜色反应。2、双糖一分子单糖的醛基与另一分子单糖的羟基形成缩醛类化合物，叫做双糖。自然界存在的双糖有还原性和非还原性两类。（1）还原性双糖——还原性双糖可以看作是由一分子单糖的半缩醛羟基与另一分子单糖的醇羟基失水而成的。所以这类双糖具有一般单糖的性质：有变旋现象和还原性，并能与苯肼作用，因此这类双糖就叫还原性双糖。在还原性双糖中比较重要的是麦芽糖、纤维二糖和乳糖，都是由两分子葡萄糖彼此以第一和第四个碳原子通过氧原子相连而成，区别仅在于它们形成的糖苷键不同。麦芽糖纤维二糖2、双糖

乳糖是由半乳糖和葡萄糖以β-1,4-糖苷键形成的双糖，成苷的部分是半乳糖。

（2）非还原性双糖——非还原双糖相当于由两个单糖的半缩醛羟基失水而成的，两个单糖都成为苷。这样形成的双糖就没有还原性，也不与苯肼作用。蔗糖是自然界分布最广且最重要的非还原性糖。蔗糖是右旋糖，将它水解后得到等量的葡萄糖和果糖的混合物（变为左旋），所以常将蔗糖的水解产物叫转化糖。3、多糖多糖是一类天然高分子化合物，是由上千个单糖以糖苷键相连形成的高聚体。自然界组成多糖的单糖有戊糖或己糖、醛糖或酮糖、或是一些单糖的衍生物，如糖醛酸、氨基糖等。多糖与单糖及低聚糖在性质上有较大的区别，多糖没有还原性，也没有甜味，而且大多数不溶于水，个别的能与水形成胶体溶液。多糖在自然界分布很广，植物的骨架——纤维素，植物储藏的养分——淀粉，动物体内储藏的养分——糖元。（1）淀粉——淀粉是植物体中储藏的养分，多存在于种子与块茎中，是麦芽糖的高聚体。淀粉是白色无定形粉末，由直链淀粉（淀粉颗粒质）与支链淀粉（淀粉皮质）两部分组成。淀粉水解为葡萄糖的中间产物如下：淀粉→红糊精→无色糊精→麦芽糖→葡萄糖（2）糖元——糖元是动物体内储藏的碳水化合物，也叫做动物淀粉（3）纤维素——纤维素是植物细胞壁的主要组分，构成植物的支持组织，也是自然界分布最广的多糖。是纤维二糖的高聚体，彻底水解也得到葡萄糖。二、脂类（类脂化合物）脂类的共同特性是不溶于水，而易溶于乙醚、氯仿、苯等低极性有机溶剂中。用溶剂可将脂类从细胞和生物组织中萃取出来。动植物中的油脂是最重要的脂类。其主要成分是由甘油和脂肪酸构成的三酰甘油。油脂大量分布于动物皮下组织、植物的孢子、种子及果实中。细菌和藻类也含有丰富的脂类。脂类具有重要的生物学功能，它是构成生物膜的重要物质，并为机体的新陈代谢提供必需的能量。1、脂肪酸（R-COOH）在生物体组织和细胞中绝大部分的脂肪酸是作为复合脂类的基本结构成分，以游离形式存在的脂肪酸含量极少。以动物、植物、微生物中分离出的脂肪酸已有一百种以上。

脂肪酸按其烃基组成可以分为饱和的和不饱和的脂肪酸。组成油脂的脂肪酸绝大多数是含偶数碳原子的直链酸，仅在个别油脂中发现带有支链，脂环或羟基的脂肪酸。2、动植物中的脂肪酸共性①多数链长为14至20个碳原子，均为偶数。常见的饱和脂肪酸为软脂酸（C16）和硬脂酸（C18）；不饱和的为油酸（C18）和亚油酸（C18）。

②不饱和脂肪酸含量较高的甘油脂在常温下呈液态，称为油（Oil），而饱和脂肪酸含量高的脂常温下呈固态，称为脂（Fat）。

③在高等植物和藻类中的脂肪酸，不饱和的>饱和的。如高等植物中不饱和脂肪酸的78%，藻类中不饱和脂肪酸占73-88%。动物中普遍具有饱和脂肪酸。

④不同种类的生物含有不同类型的脂肪酸。植物油脂中脂肪酸碳数范围为16-22，以16、18为主。藻类也以16、18碳数为主，但与植物相比，C20，C22烯酸也较重要。动物油脂中脂肪酸以16、18、14为主，C20以上的脂肪酸为饱和脂肪酸含量比植物油脂中比例大。

⑤细菌所含的脂肪酸种类比高等动、植物少得多。其碳数也多在12至18之间，个别的可高达35以上。细菌中绝大多数脂肪酸为饱和脂肪酸。3、生物蜡蜡是不溶于水的固体，它是高级脂肪酸与高级一元醇或甾醇形成的脂。还含少量游离高级脂肪酸、高级醇和长链烃。其中酸和醇均为偶数碳，碳酸范围大至16-34最常见的酸碳数为16、24、26，醇的碳数是16，26，30。蜡广泛分布于生物界，有蜂蜡、虫蜡、植物蜡、羊毛蜡等，尤以各种植物蜡丰富。蜡在皮肤、羽毛、树叶、果实表面以及昆虫外骨骼上起保护作用，防止水分过分蒸发。它是原油中高碳数正构烷烃的主要来源之一。

石蜡则是由石油中得到的含二十个碳以上的高级烷烃。4、异戊二烯类（C5H8)

萜类和甾类化合物，非环状类异戊二烯类化合物都是符合“异戊二烯法则”的化合物。它们广布于生物体内，也是极为重要的生物标志化合物。异戊二烯单元中因存在有共轭双键，可以连结为链状和环状，形成种类繁多的化合物。5、甾类化合物6、萜类化合物萜类化合物根据组成的异戊二烯单元的数目可分为：单萜：两个异戊二烯单元C10

倍半萜：三个异戊二烯单元C15

双萜：四个异戊二烯单元C20

二倍半萜：五个异戊二烯单元C25

三萜：六个异戊二烯单元C30

四萜：八个异戊二烯单元C40环状的萜多为双环、三环、五环、具有特征的结构及丰富的主体异构体。天然萜类分子常有双键，并含羟基、羰基、羧基等官能团，以烯、酸、醇、酮等形式存在于生物体，尤其是高等植物和细菌之中。单萜

单萜大量出现在高等植物中。它是植物香精油的主要组成。如玫瑰油、柠檬油、松节油、樟脑中。但单萜为挥发性物质不易保存在地质体中。倍半萜和双萜

链状、单环和双环的倍半萜广泛存在于高等植物中。如链状的法呢醇就含在玫瑰油，茉莉花油中。它可视为双环倍半萜的前身。

三萜是环状异戊二烯类中非常重要的一类。它们共同的生化先质体是自然界中广泛分布的角鲨烯。由它衍生而来的五环三萜类，尤其是五个六元环的三萜都分布在高等植物中。只发现一种四膜虫醇来源于原生动物。三萜中最丰富的是具藿烷结构的三萜。在一些低等植物如蕨类、地衣、苔藓中检测出的里白烯就是这类物质。在古细菌、蓝细菌和细胞膜中含有具类似结构的醇。三萜四萜——色素6、卟啉化合物7、生物烃从海洋和陆生植物中都已分离出各种烃类，如从海藻里分离出从C19到C34的烃类系列。1、异戊二烯类烃检测出较多的姥鲛烷、植烷。浮游动物中姥鲛烷多，盐湖强还原环境植烷占绝对优势2、直链烷烃具有明显奇偶优势。高等植物中的正构烷烃C27、C29和C31为优势。而海生植物中正构烷烃以C17、C19和C21为主。生长在滨海和微咸水的水草正构烷烃碳数介于上述两者之间，以C21、C23和C25为主。3、支链烷烃以2-甲基异构烷烃和3-甲基反异构烷烃为主，部分X型异构烷烃。4、芳香烃仅次于烷烃。有单环和多环，常见于木质素和丹宁中，游离的芳烃在生物体内很少，因为绝大部分芳烃对生物体有毒性。8、树脂

天然树脂是植物生长过程中的分泌物，存在于树叶和树干内部。大多数树脂产自温带针叶树及热带的被子植物，低等植物不含树脂。

树脂是萜类混合物，分子大小相应于从C15倍半萜到C40的四萜，主要为双萜和三萜类衍生物。此外，树脂中还含少量单萜、倍半萜、酚、烃及酯等。煤和干酪根中的树脂体前身便是树脂，其中的不饱和酸还原形成三环萜，是原油和沉积物中三环双萜的重要母质。此外，高等植物中还有角质、孢粉素、木栓质等特殊的类脂化合物。三、蛋白质和氨基酸

1、蛋白质的重要性：蛋白质是生命的基础。它是生物体内一切组织的基本组成部分。细胞内除水以外其余的80%物质为蛋白质。肌肉、血清和皮肤等都是由不同的蛋白质构成的。这是生命活动依赖的主要物质。

2、蛋白质的分布：蛋白质在生物界中分布是不均匀的。动物组织中的蛋白质含量高于植物组织，低等水生植物中的蛋白质又高于高等植物。

3、蛋白质的结构：蛋白质是由20多种氨基酸以肽键－NH－CO－首尾相连缩合而成的复杂高分子化合物。分子量在6000以下的称为肽，分子量在6000以上的称为蛋白质。分子量可高达数百万。三、蛋白质和氨基酸

4、蛋白质的元素组成：蛋白质是含氮的天然高聚物。除碳、氢、氧及少量的硫磷外，含氮量平均为16%。

5、蛋白质的性质：蛋白质在酸、碱或酶的作用下可以水解成氨基酸。

6、蛋白质的分解产物及其对石油的意义：蛋白质分解的产物氨基酸广泛地存在于不同时代的地质体中，对石油的形成亦有一定的意义。当氨基酸分解同时脱去氨基和羧基就可以形成烃类，这些烃类大部分是C1~C7的轻烃。在缓慢加热氨基酸和蒙脱石的有机粘土络合物时，可以得到饱和脂链烃，环烷烃和芳香烃的混合物。甚至在100~200℃就可以检测出由氨基酸形成的烃类。

木质素是植物细胞壁的主要成分，它包围着纤维素并充填其间隙形成了支撑组织。木质素可以视为高分子量聚酚，其单体基本上是酚-丙烷基结构的化合物，常带有甲氧基等官能团。在高等植物中，木质素可由芳香醇如松柏醇、芥子醇和对香豆醇脱水缩合而成。木质素在植物组织中具有增强细胞壁、粘合纤维的作用。其性质十分稳定、不易水解，但可被氧化成芳香酸和脂肪酸。在缺氧水体中，在水和微生物的作用下，木质素分解，与其它化合物生成腐殖质。四、木质素和丹宁OHCHCHCH2OHOHCHCHCH2OHOCH3OHCHCHCH2OHOCH3H3CO松柏醇芥子醇对香豆醇芳香族植物醇木质素分子的一部分

丹宁的组成和特性介于木质素和纤维素之间，主要出现在高等植物中，如红树科树皮中中丹宁含量高达21-58%，树叶中含65%；藻类也含少量丹宁。它们由几种羟基芳香酸如倍子酸、鞣花酸的衍生物缩合而成，故性质介于木质素和纤维素之间。不同来源的丹宁其结构不同，研究得最多的是五倍子丹宁。五倍子又叫没食子，是盐肤木叶上五倍子蚜虫形成的虫瘿，其主要成分是五倍子丹宁。五倍子丹宁是由葡萄糖与不同数目的五倍子酸形成的酯的混合物，平均每一分子含9个五倍子酸和一个葡萄糖，大致结构为：上式中的R可以是：五倍子酸丹宁五、生物的平均组成天然有机物、有机矿产平均元素组成石油是一种高氢低氧的复杂有机混合物。一般生物体中生化组分是富含氧的，当其含氧量超过一定限度，而含氢量很低时，则从成分上不具备转化为石油的条件。脂肪酸、蜡质、树脂等均可作为生油母质，在向石油的转化过程中只须排出少量的氧；而纤维素、特别是木质素的H/C值低，其组成与泥炭十分接近，它们是成煤物质。若要对油的生成有贡献，须经过细菌强烈改造，排除大量的氧。至于蛋白质还需排出相当的氮才有意义。总而言之，类脂化合物是形成石油的最重要生化组分。木质素、纤维素是形成煤的最主要生化组分。

1、浮游植物：藻类中脂肪酸主要是饱和的和不饱和的直链脂肪酸，以C16、C18最为丰富。异构和反异构支链脂肪酸含量甚少。烃类含量可达3-5%，以饱和的链烃为主。这是有机质的重要来源之一。富含蛋白质。不含木质素。

2、细菌：蛋白质含量为50-80%，类脂化合物含量可达10%。脂肪酸碳数多为10-20，并以16、18为主，含有丰富的支链脂肪酸，尤以异、反异两种形式为多。烃类以C10-C30为主，以支链烷烃以异构和反异构为主。碳数为C27~C29甾醇均有发现。细菌中含有特征的藿烷系列的五环三萜类和色素。在细菌尤其是古细菌细胞膜类脂组分里还检测出十分特殊的化合物，如甘油醇四醚类、头对头结构的无环类异戊二烯化合物、细菌藿四醇等，这些化合物可能是沉积有机质中各种萜类的先体。不同生物的生化组分特征水生生物生化组成

3、高等植物：总体上，高等植物以纤维素和木质素为主。几乎所有木本植物中，纤维素占40-50%，木质素占20-30%，二者合起来占组成的60-80%。而蛋白质和类脂物含量一般不超过5%。草本植物的类脂物含比木本植物为高，但大部分仍由纤维素和木质素组成。高等植物的某些部分，如孢子、种子、果实、树脂、角质、木