第1章生物分子导论

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。 指构成生物的蛋白质、核酸、多糖、脂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。质以及它们的构件分子和代谢中间物等。生物分子的基本特征生物分子的基本特征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 (也称构件分子或单体）也称构件分子或单体）蛋白质：蛋白质：核酸：核酸：多糖：多

3、糖： 1 1、偏振光、偏振光普通光：光是一种电磁波，光振动的方向与它前进普通光：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，这些不的方向垂直。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同波长的光在无数个垂直于其传播路线的平面内振动。动。 普通光 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

4、偏振光动的光叫做平面偏振光，简称偏振光（plane-polarized light) 。 普通光普通光 尼可尔棱镜尼可尔棱镜 偏振光偏振光 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

5、，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

6、，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： 浓度，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; ; :所用光源的波长。所用光源的波长。 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, ,

7、称称为比旋光度为比旋光度。t=LC 5. 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。例如例如： CH3CHCH2CH3OH2-丁醇丁醇 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出现子在镜子内也会出现相应的镜像。相应的镜像。 6. 对映体对映体 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左、右手对映而左、右手对映而不能重合。不能重合。 COOHCH3OHHH3COHCOOHH-观察如下乙酸模

8、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。因此它们是一对异构体但它们不能重合。因此它们是一对异构体, 互为对映互为对映, 为对映异构体。为对映异构体。 互为实物和镜像关系的异构体叫做对映异构体，互为实物和镜像关系的异构体叫做对映异构体，简称简称对映体。对映体。7. 7. 立体异构体立体异构体：具有相同的结构式，但原子在空间：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。 顺反异构体（也叫几何异构体）顺反异构体（也叫几何异构体） 立体异构体立体异构体 旋光异构体旋光异构体顺反异构体：由于分子中

9、存在双键或环，使原子或基团不能顺反异构体：由于分子中存在双键或环，使原子或基团不能 绕键轴自由旋转所产生的立体异构体。绕键轴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。）8. 构型构型：指立体异构体分子中：指立

10、体异构体分子中, 各原子或基各原子或基团在空间的相对分布或排列称为分子的团在空间的相对分布或排列称为分子的构型。构型的改变必须有共价键的断裂。构型。构型的改变必须有共价键的断裂。顺反异构体的构型顺反异构体的构型顺式异构体顺式异构体：两个相同原子或基团在双键同一侧的为顺式异构体，也用 cis- 来表示。反式异构体反式异构体：两个相同原子或基团分别在双键两侧的为反式异构体，也用 trans- 来表示。 反丁烯二酸反丁烯二酸旋光异构体的构型旋光异构体的构型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，

11、分子中的的不对称碳原子不对称碳原子（即（即第二个碳原子）第二个碳原子）上的羟基有两种安排，羟基在右面的上的羟基有两种安排，羟基在右面的指定其构型为型。指定其构型为型。若分子中离羰基若分子中离羰基碳最远的那个手性碳原子碳最远的那个手性碳原子的构型的构型与与D-甘油醛相同，则为甘油醛相同，则为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。若分子若分子中离羰基碳最远的那个手性碳中离羰基碳最远的那个手性碳原子的构型与原子的构型与L-甘油醛相同，甘油醛相同，则为则为L型。型。D-(+)D-(+)甘油醛甘油醛L-(-)L-(-)甘油醛甘油醛HOCH2OH

12、CHOHOHCH2OHCHOH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，标示的是一个手性碳原子的空间结的化合物，标示的是一个手性碳原子的空间结构。在标记氨基酸和糖类化合物的构型时仍普构。在标记氨基酸和糖类化合物的构型时仍普遍采用。遍采用。 R R、S S标记法标记法: :（B B）然

13、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）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

14、举例：举例：( (R)-)-RS分子命名时，每个手性碳原子都需标明。 如D-葡萄糖的C2345分别是RSRR， 全称为2R3S4R5R-五羟己醛糖。 名字很长，但结构清晰。RS是各个手性碳原子的空间结构。 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-氨基酸氧化酶只能催化氨基酸氧化酶只能催化L-氨基酸氧化，而对氨基酸氧化，而对D-氨基酸无作用。氨基酸无作用。（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只催化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

15、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。计算机）进行重组，绘出电子密度图，从中构建出三维分子图像三维分子结构模型。 核磁共振核磁共振( (NMR)是电磁波（无线电波）与原子核自旋相互作用的一是电磁波（无线电波）与原子核自旋相互作用的一种基本物理现象。种基本物理现象。NMR 波谱学具有最高的频率分辨率。近年来越来波谱学具有最高的

16、频率分辨率。近年来越来越多的化学家、生物学家和医学家涉足其中。越多的化学家、生物学家和医学家涉足其中。 目前生物目前生物NMR波谱学波谱学研究的前沿领域包括：研究的前沿领域包括：1. 生物分子三维结构的生物分子三维结构的NMR测定方法和应用测定方法和应用2. 生物分子相互作用、动力学及其与功能的关系研究方法和应用生物分子相互作用、动力学及其与功能的关系研究方法和应用3. 基于基于NMR的代谢组学研究方法和应用的代谢组学研究方法和应用4. 4. 生物组织的高分辨生物组织的高分辨NMR分析方法和应用分析方法和应用 l中国科学技术大学生命科学学院核磁共振波谱实验室中国科学技术大学生命科学学院核磁共振

17、波谱实验室： 主要用多维核磁共振波谱及计算生物学研究与重大疾病或重要生理功能相关的蛋白质结构,动力学与功能关系,以及蛋白质相互作用。 例题：科学家如何描述生物分子的构造？答：科学家分别用构型和构象描述生物分子的构造。（1）用构型表现分子中的原子在空间的排布方式和相对位置。用构象表现分子中的原子的空间位置，反映分子的立体形态。（2）生物分子在构型和构象上出现的异构现象，都源于生物分子是含碳化合物，构型源于碳原子的四个价键采取了四面体几何构型。当四个不同的基团连接到一个碳原子上，四个基团将在四面体的四角排列，这样将有两种不同的构型，彼此互为镜像，如同我们的左右手，可以对叠，但不能重合。连有四个不同

18、的基团的这个碳原子是手性碳原子。构象源于C-C单键的旋转，C-C单键旋转使分子产生多个特定的形态，即多个构象异构。（3）构型的转换必须有共价键的断裂和形成，只能通过化学反应发生。构象的转换通过C-C单键的旋转，但是分子的各种构象异构体并不是平均分布的，在室温下总是以具有最低能量的构象为主要的存在形式（优势构象）。优势构象往往具有最多的弱相互作用，因而是最稳定的。稳定生物大分子三维结构的作用力稳定生物大分子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

19、）：是生物分子中带有电荷的基团之间的一种是生物分子中带有电荷的基团之间的一种相互作用。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，若与电负性大的原氮等）共价结合的氢，若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:是存在于分子间的一种不具有方向性和饱和性，是存在于分子间的一种不具有方向性和饱和性，作用范围在几百个皮米之间的力，比氢键和离子键都弱作用范围在几百个皮米之间的力

20、，比氢键和离子键都弱 。它对物质的沸点、熔点、气化热、熔化热、溶解度、表面它对物质的沸点、熔点、气化热、熔化热、溶解度、表面张力、粘度等物理化学性质有决定性的影响。张力、粘度等物理化学性质有决定性的影响。 它由三部分作用力组成：它由三部分作用力组成：当极性分子相互接近时，当极性分子相互接近时，它们的固有偶极将同极相斥而异极相吸，定向排列，产生它们的固有偶极将同极相斥而异极相吸，定向排列，产生分子间的作用力，叫做取向力。偶极矩越大，取向力越大。分子间的作用力，叫做取向力。偶极矩越大，取向力越大。当极性分子与非极性分子相互接近时，非极性分子在极当极性分子与非极性分子相互接近时，非极性分子在极性分子的固有偶极的作用下，发生极化，产生诱导偶极，性分子的固有偶极的作用下，发生极化，产生诱导偶极，然后诱导偶极与固有偶极相互吸引而产生分子间的作用力，然后诱导偶极与固有偶极相互吸引而产生分子间的作用力，叫做诱导力。极性分子之间也存在诱导力。叫做诱导力。极性分子之间也存在诱导力。非极性分子非极性分子之间，由于组成分子的正、负微粒不断运动，产生瞬间正、之间，由于组成分子的正、负微粒不断运动，产生瞬间正、负电荷重心不重合，而出现瞬时偶极。这种瞬时偶极之间负电荷重心不重合，而出现瞬时偶极。这种瞬时偶极之间的相互作用力，叫做色散力。分子量越大，色