王镜岩生物化学示范课

生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论一.什么是生物化学二.生物分子及其组织层次三.生物分子的三维构造四.生物构造中的非共价力五.水与生命六.生物分子的来源与进化生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论一.什么是生物化学(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明显的共同特性:〔1).化学成分的同一性.(2).严整有序的构造.(3).新陈代谢.(4).自我复制的能力.2.生物化学:是有关生命的化学，是运用化学的原理和办法来硕士命现象，阐明生命现象变化规律的一门科学。3.生物化学研究的重要范畴：A.生物分子的构造与功效：探讨生物体的物质构成以及分子构造、性质和功效。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:遗传的分子基础及代谢调控(DNA复制、RNA转录、蛋白质翻译等)。

生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论一.什么是生物化学(Biochemistry、Biologicalchemistry)D.普通将生物大分子构造、功效及其代谢调控的研究称为分子生物学(Molecularbiology).在某种意义上,分子生物学是生物化学发展的一种新阶段.因此这门学科也称为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.本书前面版本曾是国内最佳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.生物分子的构造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.某些生命元素决定于环境中原料的可得性(例如,Ca,K,Mg,Na等),某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来源和进化过程中选择碳化合物作为生物分子的重要因素.生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论3.生物分子组织层次小分子前体(precursor,环境中获得)（H2O、CO2、O2,NH3,N2等）生物体内通过一系列代谢,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)生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论

三.生物分子的三维构造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,但烟草花叶病毒达成40000000.2.立体异构与构型A.立体异构体:是指含有相似的构造式,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:是含有4个不同取代基团的四周体碳原子,也称为不对称碳原子.D.分辨立体异构体需要用立体模型,透视式或投影式。由于生物分子间互相作用涉及异构体的构型，生物分子的命名和构造表达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.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论

三.生物分子的三维构造球棍模型透视式纽曼投影式

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生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论

三.生物分子的三维构造生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论

三.生物分子的三维构造顺反异构体：含有双键的化合物——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。相似的原子或基团位于双键（或环平面）的同侧为“顺式”；否则为“反式”.生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论

三.生物分子的三维构造光学异构现象同为乳酸，为什么会含有不同的光学性质呢？实验事实：生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论三.生物分子的三维构造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迈进方向垂直。如果让光通过一种象栅栏同样的Nicol棱镜(起偏镜)就不是全部方向的光都能通过，而只有与棱镜晶轴方向平行的光才干通过。这样，透过棱晶的光就只能在一种方向上振动，象这种只在一种平面上振动的光，称为平面偏振光，简称偏振光或偏光。生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论

三.生物分子的三维构造那么，偏振光能否透过第二个Nicol棱镜(检偏镜)取决于两个棱镜的晶轴与否平行，平行则可透过；否则不能通过。如果在两个棱镜之间放一种盛液管，里面装入两种不同的物质：

结论：物质有两类：（1）旋光性物质——能使偏振光振动面旋转的性质，叫做旋光性；含有旋光性的物质，叫做旋光性物质。（2）非旋光性物质——不含有旋光性的物质，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”表达。但旋光度“α”是一种常量，它受温度、光源、浓度、管长等许多因素的影响，为了便于比较，就要使其成为一种常量，故用比旋光度[α]来表达：

式中：α为旋光仪测得试样的旋光度；ρB为试样的质量浓度，单位g.mL;若试样为纯液体则为密度.

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（普通用钠光，以D表达）。§3—4—2分子的手性和对称性一、旋光性产生的因素

分析有旋光性的乳酸和没有旋光性的丙酸在构造上的差别：

初步结论：

乳酸因此含有旋光性，可能是由于分子中有一种*C原子（不对称碳原子或手性碳）。

为什么有*C原子就可能含有旋光性？这是由于：(1)一种*C就有两种不同的构型：(2)两者的关系：互为镜象（实物与镜象关系，或者说左、右手关系）。两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。分子的构造相似，但构型不同，形成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，旋光能力相似，但旋光方向相反。两者能量相似（分子中任何两原子的距离相似）。

外消旋体：等量对映体的混合物。

二、对称因素：

1.对称面

2.对称中心结论：

有对称面、对称中心均可与其镜象重叠，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，普通可鉴定为是手性分子。故：分子的手性是对映体存在的必要和充足条件。§3—4—3含一种手性碳原子化合物的对映异构一、构型的表达法：1.透视式（三维构造）：略2.Fischer投影式：

使用Fischer投影式的注意事项：

(1)能够沿纸面旋转，但不能离开纸面翻转。(2)能够旋转180。，但不能旋转90。或270。。二、构型标记法：

1.D/L标记法D-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛**D、L与“+、-”没有必然的联系2.R/S标记法A.三维构造：

B.Fischer投影式：

结论：当最小基团处在横键位置时，其它三个基团从大到小的次序若为逆时针，其构型为R；反之，构型为S。结论：当最小基团处在竖键位置时，其它三个基团从大到小的次序若为顺时针，其构型为R；反之，构型为S。§3—4—4含两个手性碳原子化合物的对映异构

一、.含两个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）对映体数目——

2n–1=2（2–1）=2（对）

二.含两个相似手性碳原子化合物的对映异构

结论：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：

立体异构体总数=2n–1

n为奇数：

内消旋体的数目=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：两者均无旋光性，但本质不同。§3—5构象异构构象异构产生的因素：由于以σ键连接的两个原子能够相对的自由旋转，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）可表达以下：§3—5—1烷烃的构象乙烷分子不同构象的能量曲线以下图所示：二、丁烷的构象

由此可见，交叉式构象的能量较低，故较为稳定。丁烷绕

C2—C3σ键旋转的典型构象有四种：丁烷分子不同构象的能量曲线以下图所示：由此可见：丁烷四种典型构象能量的高低次序是：全重叠式＞部分重叠式＞邻位交叉式＞反交叉式

结论：反交叉式是丁烷的优势构象（又称：最稳定构象。§3—5—2环己烷及取代环己烷的构象一、环己烷的构象

船式构象

环己烷的六个碳原子构成两个平面；

六个a、e键分别为三上三下；

同一碳原子若a键在上，e键必然在下；

a、e键能够互相转化。二、取代环己烷的优势构象1.一取代环己烷

结论：取代基处在e键稳定。

2.二取代环己烷

(1)1,2-二取代环己烷处在e键的取代基越多越稳定。当有两个不同的取代基时，大的取代基处在e键稳定。(2)1,3-二取代环己烷结论:稳定性

——

反式

＞

顺式。

结论:稳定性——顺式＞反式。生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论

四.生物构造中的非共价力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.生物构造中的非共价力有静电互相作用,氢键,范德华力和疏水互相作用.3.非共价力是稳定生物大分子三维构造的重要作用力.生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论

四.生物构造中的非共价力氢键的饱和性和方向性饱和性当A－H中的氢原子与一种B原子结合形成氢键后，另一种电负性大的原子B’则难以靠近氢原子了，由于B、A的负电荷将排斥原子B’靠近，因此一种氢原子只能与一种杂原子形成氢键。生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论

四.生物构造中的非共价力方向性1.只有当A-H…B在同始终线上时最强；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靠近氢原子，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）生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论

四.生物构造中的非共价力天然化合物中的氢键举例——蛋白质构造中的氢键核酸构造中的氢键生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论

四.生物构造中的非共价力范德华作用力（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，体现为排斥作用。生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论

四.生物构造中的非共价力范德华力1、特点⑴只存在于分子间，涉及单原子分子⑵只有分子充足靠近时才有互相作用（300—500pm）⑶范德华力普通没有饱和性和方向性生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论

四.生物构造中的非共价力2、影响范德华力的因素重要有：⑴分子的大小⑵分子的空间构型⑶分子中电荷分布与否均匀分子的构成和构造相似时，相对分子质量越大，范德华力越大生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论

五.水和生命生物化学.第一篇.生物分子的构造和化学第一章生物分子导论

五.水和生命水是维持全部生命的必要物质，在典型的细胞分子內当做溶剂含量約70%~85%水是代謝反映的介质，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效，如温度,酸碱度。温度:水分子有很高的比热，能吸取大量的热能.酸碱值:生物分子要在一定的pH值下‧才干发挥其正常功效，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。