王鏡巖生物化學(xué)課件

生物化學(xué).第一篇.生物分子的結(jié)構(gòu)(jiégòu)和化學(xué)第一章生物分子(fēnzǐ)導(dǎo)論王鏡巖第一頁，共51頁。生物化學(xué)(shēnɡwùhuàxué).第一篇.生物分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)第一章生物分子(fēnzǐ)導(dǎo)論生物化學(xué)(Biochemistry、Biologicalchemistry)1.生命定義:確切的定義比較困難.但是活生物與非生物比較有顯著的共同特征:〔1).化學(xué)成分的同一性.(2).嚴(yán)整有序的結(jié)構(gòu).(3).新陳代謝.(4).自我復(fù)制(fùzhì)的能力.2.生物化學(xué):是關(guān)于生命的化學(xué)，是運用化學(xué)的原理和方法來研究生命現(xiàn)象，說明生命現(xiàn)象變化規(guī)律的一門科學(xué)。3.生物化學(xué)研究的主要范圍：A.生物分子的結(jié)構(gòu)與功能：探討生物體的物質(zhì)組成以及分子結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和功能。B.新陳代謝:物質(zhì)代謝的規(guī)律、能量轉(zhuǎn)化及其調(diào)節(jié)控制。C.遺傳信息:遺傳的分子根底及代謝調(diào)控(DNA復(fù)制(fùzhì)、RNA轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)翻譯等)。

第二頁，共51頁。生物(shēngwù)化學(xué).第一篇.生物(shēngwù)分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)第一章生物(shēngwù)分子導(dǎo)論生物化學(xué)(Biochemistry、Biologicalchemistry)D.通常將生物大分子結(jié)構(gòu)、功能及其代謝調(diào)控的研究稱為分子生物學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)〔Biochemistry&MolecularBiology〕.4.本書知識體系:

本教材是〞十一五〞國家級規(guī)劃教材.本書前面版本(bǎnběn)曾是國內(nèi)最好的生物化學(xué)教材之一,被各高校采用廣泛.內(nèi)容詳實,知識編排得當(dāng),將生物化學(xué)內(nèi)容組織成三大局部(生物分子,新陳代謝和遺傳信息),共安排35章(詳見下表).第三頁，共51頁。生物化學(xué).第一篇.生物分子(fēnzǐ)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)第一章生物(shēngwù)分子導(dǎo)論

1.生命元素(bioelement):天然化學(xué)元素中有30種是活生物所必需(bìxū)的,稱為生命元素.化學(xué)元素不是隨機(jī)參入生物的,是在進(jìn)化過程中被選擇出來的.一些生命元素決定于環(huán)境中原料的可得性(例如,Ca,K,Mg,Na等),一些決定于其分子或原子對生命過程專一作用的適合性(例如,C,H,O,N等).2.生物分子(biomolecule):生物分子泛指構(gòu)成生物的蛋白質(zhì),核酸,多糖,脂質(zhì)以及它們的構(gòu)建分子和代謝中間物等.生物分子幾乎都是碳的化合物.碳在成鍵方面的多能性是生物起源和進(jìn)化過程中選擇碳化合物作為生物分子的主要因素.第四頁，共51頁。生物化學(xué).第一篇.生物分子的結(jié)構(gòu)(jiégòu)和化學(xué)第一章生物分子(fēnzǐ)導(dǎo)論3.生物分子組織層次(céngcì)小分子前體(precursor,環(huán)境中獲得)〔H2O、CO2、O2,NH3,N2等〕生物體內(nèi)經(jīng)過一系列代謝,形成中間物代謝中間物〔丙酮酸、檸檬酸、蘋果酸等〕中間物轉(zhuǎn)變成構(gòu)件分子構(gòu)件分子(block-buildingmolecule,monomer)〔氨基酸、核苷酸、單糖,脂肪酸等〕構(gòu)件分子共價縮合成生物大分子生物大分子(biomacromolecule)〔核酸、蛋白質(zhì)、多糖等〕生物大分子借助非共價鍵締合成超分子復(fù)合體

超分子(assembly)〔核糖體、酶復(fù)合體、微管等〕超分子復(fù)合體裝配成質(zhì)量更大的細(xì)胞器細(xì)胞器(organelle)〔細(xì)胞核、線粒體,高爾基體等)

細(xì)胞(原核細(xì)胞,真核細(xì)胞等)第五頁，共51頁。生物化學(xué).第一篇.生物分子(fēnzǐ)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)第一章生物分子(fēnzǐ)導(dǎo)論

:生物分子不僅種類繁多,在大小方面跨度也很大,例如(lìrú),丙氨酸分子量是89,但煙草花葉病毒到達(dá)40000000.2.立體異構(gòu)與構(gòu)型A.立體異構(gòu)體:是指具有相同的結(jié)構(gòu)式,但它們的價鍵在三維空間的關(guān)系不同的異構(gòu)體.B.構(gòu)型(configuration):用以規(guī)定立體異構(gòu)體中價鍵在空間的相對取向.有幾何(順反)異構(gòu)體,旋光(光學(xué))異構(gòu)體.C.手性中心:是具有4個不同取代基團(tuán)的四面體碳原子,也稱為不對稱碳原子.D.區(qū)分立體異構(gòu)體需要用立體模型,透視式或投影式。由于生物分子間相互作用涉及異構(gòu)體的構(gòu)型，生物分子的命名和結(jié)構(gòu)表示在立體化學(xué)上必須明確。RS命名系統(tǒng)是通用的，但在生物化學(xué)中更習(xí)慣使用DL命名系統(tǒng)。第六頁，共51頁。生物(shēngwù)化學(xué).第一篇.生物(shēngwù)分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)第一章生物(shēngwù)分子導(dǎo)論

球棍模型(móxíng)透視式紐曼投影式

乙烷的交叉式構(gòu)象球棍模型透視式紐曼投影式乙烷的交叉式構(gòu)象第七頁，共51頁。生物(shēngwù)化學(xué).第一篇.生物(shēngwù)分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)第一章生物(shēngwù)分子導(dǎo)論

第八頁，共51頁。生物化學(xué).第一篇.生物分子(fēnzǐ)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)第一章生物分子(fēnzǐ)導(dǎo)論

順反異構(gòu)體：具有雙鍵的化合物——由于雙鍵不能自由旋轉(zhuǎn)，當(dāng)雙鍵連有不同(bùtónɡ)的原子或基團(tuán)時，就會出現(xiàn)兩種不同(bùtónɡ)的空間排布方式，從而產(chǎn)生順反異構(gòu)體。相同的原子或基團(tuán)位于雙鍵〔或環(huán)平面〕的同側(cè)為“順式〞；否那么為“反式〞.第九頁，共51頁。生物化學(xué).第一篇.生物分子(fēnzǐ)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)第一章生物(shēngwù)分子導(dǎo)論

光學(xué)(guāngxué)異構(gòu)現(xiàn)象同為乳酸，為什么會具有不同的光學(xué)性質(zhì)呢？實驗事實：第十頁，共51頁。生物化學(xué).第一篇.生物分子(fēnzǐ)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)第一章生物(shēngwù)分子導(dǎo)論旋光性與比旋光度光是一種電磁波，光波的振動方向(fāngxiàng)與光的前進(jìn)方向(fāngxiàng)垂直。

如果讓光通過一個象柵欄一樣的Nicol棱鏡(起偏鏡)就不是所有方向的光都能通過，而只有與棱鏡晶軸方向平行的光才能通過。這樣，透過棱晶的光就只能在一個方向上振動，象這種只在一個平面上振動的光，稱為平面偏振光，簡稱偏振光或偏光。第十一頁，共51頁。生物(shēngwù)化學(xué).第一篇.生物(shēngwù)分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)第一章生物分子(fēnzǐ)導(dǎo)論

那么，偏振光能否透過第二個Nicol棱鏡(léngjìng)(檢偏鏡)取決于兩個棱鏡(léngjìng)的晶軸是否平行，平行那么可透過；否那么不能通過。如果在兩個棱鏡之間放一個盛液管，里面裝入兩種不同的物質(zhì)：第十二頁，共51頁。結(jié)論(jiélùn)：物質(zhì)有兩類：〔1〕旋光性物質(zhì)——能使偏振光振動(zhèndòng)面旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)，叫做旋光性；具有旋光性的物質(zhì)，叫做旋光性物質(zhì)?！?〕非旋光性物質(zhì)——不具有(jùyǒu)旋光性的物質(zhì)，叫做非旋光性物質(zhì)。旋光性物質(zhì)使偏振光旋轉(zhuǎn)的角度，稱為旋光度，以“α〞表示。但旋光度“α〞是一個常量，它受溫度、第十三頁，共51頁。光源、濃度、管長等許多因素的影響(yǐngxiǎng)，為了便于比較，就要使其成為一個常量，故用比旋光度[α]來表示：

式中：α為旋光儀測得試樣(shìyànɡ)的旋光度；ρB為試樣的質(zhì)量濃度，單位(dānwèi)g.mL;假設(shè)試樣為純液體那么為密度.

l

為盛液管的長度，單位dm。

t測樣時的溫度。λ為旋光儀使用的光源的波長〔通常用鈉光，以D表示〕?！?—4—2分子的手性和對稱性一、旋光性產(chǎn)生的原因

第十四頁，共51頁。分析有旋光性的乳酸(rǔsuān)和沒有旋光性的丙酸在結(jié)構(gòu)上的差異：初步(chūbù)結(jié)論：乳酸(rǔsuān)所以具有旋光性，可能是因為分子中有一個*C原子〔不對稱碳原子或手性碳〕。

為什么有*C原子就可能具有旋光性？這是因為：

(1)一個*C就有兩種不同的構(gòu)型：

第十五頁，共51頁。(2)二者的關(guān)系(guānxì)：互為鏡象〔實物與鏡象關(guān)系(guānxì)，或者說左、右手關(guān)系(guānxì)〕。二者無論如何也不能完全重疊。與鏡象不能重疊的分子(fēnzǐ)，稱為手性分子(fēnzǐ)。分子的構(gòu)造相同，但構(gòu)型不同，形成(xíngchéng)實物與鏡象的兩種分子，稱為對映異構(gòu)體〔簡稱：對映體〕。對映體：成對存在，旋光能力相同，但旋光方向相反。二者能量相同〔分子中任何兩原子的距離相同〕。第十六頁，共51頁。外消旋體：等量(děnɡliànɡ)對映體的混合物。二、對稱因素：

1.對稱(duìchèn)面

2.對稱中心第十七頁，共51頁。結(jié)論(jiélùn)：有對稱面、對稱中心均可與其鏡象重疊(chóngdié)，是非手性分子；反之，為手性分子。既無對稱面也沒有對稱中心的，一般可判定(pàndìng)為是手性分子。

故：分子的手性是對映體存在的必要和充分條件。

第十八頁，共51頁?！?—4—3含一個(yīɡè)手性碳原子化合物的對映異構(gòu)一、構(gòu)型的表示法：1.透視(tòushì)式〔三維結(jié)構(gòu)〕：略2.Fischer投影(tóuyǐng)式：第十九頁，共51頁。使用Fischer投影(tóuyǐng)式的本卷須知：(1)可以沿紙面旋轉(zhuǎn)(xuánzhuǎn)，但不能離開紙面翻轉(zhuǎn)。(2)可以(kěyǐ)旋轉(zhuǎn)180。，但不能旋轉(zhuǎn)90?；?70。。第二十頁，共51頁。第二十一頁，共51頁。二、構(gòu)型標(biāo)記(biāojì)法：1.D/L標(biāo)記(biāojì)法D-(+)-甘油醛L-(-)-甘油醛**D、L與“+、-〞沒有必然(bìrán)的聯(lián)系2.R/S標(biāo)記法A.三維結(jié)構(gòu)：

第二十二頁，共51頁。B.Fischer投影(tóuyǐng)式：結(jié)論：當(dāng)最小基團(tuán)處于(chǔyú)橫鍵位置時，其余三個基團(tuán)從大到小的順序假設(shè)為逆時針，其構(gòu)型為R；反之，構(gòu)型為S。第二十三頁，共51頁。結(jié)論：當(dāng)最小基團(tuán)處于豎鍵位置時，其余三個基團(tuán)從大到小的順序假設(shè)(jiǎshè)為順時針，其構(gòu)型為R；反之，構(gòu)型為S?！?—4—4含兩個(liǎnɡɡè)手性碳原子化合物的對映異構(gòu)一、.含兩個(liǎnɡɡè)不同手性碳原子化合物的對映異構(gòu)結(jié)論：異構(gòu)體數(shù)目——2n=22=4〔n：手性碳原子數(shù)目〕第二十四頁，共51頁。對映體數(shù)目(shùmù)——2n–1=2〔2–1〕=2〔對〕二.含兩個(liǎnɡɡè)相同手性碳原子化合物的對映異構(gòu)結(jié)論(jiélùn)：異構(gòu)體數(shù)目旋光異構(gòu)體的數(shù)目=2n-1內(nèi)消旋體的數(shù)目=2n/2-1立體異構(gòu)體總數(shù)=2n–1+2n/2–1

n為偶數(shù)：

第二十五頁，共51頁。立體(lìtǐ)異構(gòu)體總數(shù)=2n–1n為奇數(shù)(jīshù)：內(nèi)消旋體的數(shù)目(shùmù)=2(n–1)/2外消旋體與內(nèi)消旋體：

外消旋體：是混合物，可拆分出一對對映體。內(nèi)消旋體：是化合物，不能拆分。外消旋體與內(nèi)消旋體的共同之處是：二者均無旋光性，但本質(zhì)不同。

第二十六頁，共51頁?！?—5構(gòu)象(ɡòuxiànɡ)異構(gòu)構(gòu)象異構(gòu)產(chǎn)生(chǎnshēng)的原因：由于(yóuyú)以σ鍵連接的兩個原子可以相對的自由旋轉(zhuǎn)，從而使分子中的原子或基團(tuán)在空間有不同的排布方式。一、乙烷的構(gòu)象

在乙烷分子的無數(shù)個構(gòu)象異構(gòu)體中，其兩個典型的構(gòu)象異構(gòu)體〔又稱極限構(gòu)象異構(gòu)體〕可表示如下：§3—5—1烷烴的構(gòu)象第二十七頁，共51頁。乙烷分子不同(bùtónɡ)構(gòu)象的能量曲線如以下圖所示：第二十八頁，共51頁。二、丁烷(dīnɡwán)的構(gòu)象

由此可見，交叉(jiāochā)式構(gòu)象的能量較低，故較為穩(wěn)定。第二十九頁，共51頁。丁烷繞C2—C3σ鍵旋轉(zhuǎn)的典型(diǎnxíng)構(gòu)象有四種：第三十頁，共51頁。丁烷(dīnɡwán)分子不同構(gòu)象的能量曲線如以下圖所示：由此可見：丁烷四種典型構(gòu)象能量(néngliàng)的上下順序是：第三十一頁，共51頁。全重疊式＞局部(júbù)重疊式＞鄰位交叉式＞反交叉式結(jié)論：反交叉式是丁烷的優(yōu)勢(yōushì)構(gòu)象〔又稱：最穩(wěn)定構(gòu)象?！?—5—2環(huán)己烷及取代(qǔdài)環(huán)己烷的構(gòu)象一、環(huán)己烷的構(gòu)象

船式構(gòu)象第三十二頁，共51頁。環(huán)己烷的六個碳原子構(gòu)成(gòuchéng)兩個平面；六個a、e鍵分別為三上三下；同一碳原子假設(shè)a鍵在上，e鍵必然在下；a、e鍵可以(kěyǐ)相互轉(zhuǎn)化。第三十三頁，共51頁。二、取代(qǔdài)環(huán)己烷的優(yōu)勢構(gòu)象

第三十四頁，共51頁。結(jié)論：取代(qǔdài)基處于e鍵穩(wěn)定。

(1)1,2-二取代(qǔdài)環(huán)己烷第三十五頁，共51頁。處于e鍵的取代(qǔdài)基越多越穩(wěn)定。當(dāng)有兩個不同(bùtónɡ)的取代基時，大的取代基處于e鍵穩(wěn)定。(2)1,3-二取代(qǔdài)環(huán)己烷結(jié)論:穩(wěn)定性

——

反式

＞

順式。

結(jié)論:穩(wěn)定性——順式＞反式。第三十六頁，共51頁。生物(shēngwù)化學(xué).第一篇.生物(shēngwù)分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)第一章生物(shēngwù)分子導(dǎo)論

1.非共價力:分子是由共價鍵,即共用電子對,連接在一起的一組特定原子,作用于分子間的力,是非共價力.2.生物結(jié)構(gòu)(jiégòu)中的非共價力有靜電相互作用,氫鍵,范德華力和疏水相互作用.3.非共價力是穩(wěn)定生物大分子三維結(jié)構(gòu)(jiégòu)的主要作用力.第三十七頁，共51頁。生物(shēngwù)化學(xué).第一篇.生物(shēngwù)分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)第一章生物(shēngwù)分子導(dǎo)論

氫鍵的飽和性和方向性飽和性當(dāng)A－H中的氫原子與一個B原子結(jié)合形成氫鍵后，另一個電負(fù)性大的原子B’那么難以接近氫原子了，因為B、A的負(fù)電荷將排斥原子B’靠近，因此(yīncǐ)一個氫原子只能與一個雜原子形成氫鍵。第三十八頁，共51頁。生物(shēngwù)化學(xué).第一篇.生物(shēngwù)分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)第一章生物分子(fēnzǐ)導(dǎo)論

方向性1.只有當(dāng)A-H…B在同一直線上時最強(qiáng)；2.氫鍵的方向和未共用電子對的對稱軸一致，這樣可使原子B中負(fù)電荷分布最多的局部最接近(jiējìn)氫原子，這樣形成的氫鍵最穩(wěn)定。氫鍵的強(qiáng)弱A、B的電負(fù)性越大，氫鍵越強(qiáng)；B的原子半徑越小，氫鍵越強(qiáng)?！睩-H…F最強(qiáng)〕第三十九頁，共51頁。生物化學(xué).第一篇.生物分子(fēnzǐ)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)第一章生物(shēngwù)分子導(dǎo)論

天然化合物中的氫鍵舉例(jǔlì)——蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中的氫鍵核酸結(jié)構(gòu)中的氫鍵第四十頁，共51頁。生物化學(xué).第一篇.生物分子的結(jié)構(gòu)(jiégòu)和化學(xué)第一章生物分子(fēnzǐ)導(dǎo)論

范德華作用力〔非極性分子〕極化率越大，分子的接觸面積越大，范德華作用力越大。溶沸點(fèidiǎn)越高。吸引或排斥與分子間距離有關(guān)，太近，表現(xiàn)為排斥作用。第四十一頁，共51頁。生物化學(xué).第一篇.生物分子的結(jié)構(gòu)(jiégòu)和化學(xué)第一章生物分子(fēnzǐ)導(dǎo)論

范德華力1、特點(tèdiǎn)⑴只存在于分子間，包括單原子分子⑵只有分子充分接近時才有相互作用〔300—500pm〕⑶范德華力一般沒有飽和性和方向性第四十二頁，共51頁。生物(shēngwù)化學(xué).第一篇.生物(shēngwù)分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)第一章生物分子(fēnzǐ)導(dǎo)論

2、影響(yǐngxiǎng)范德華力的因素主要有：⑴分子的大?、品肿拥目臻g構(gòu)型⑶分子中電荷分布是否均勻分子的組成和結(jié)構(gòu)相似時，相對分子質(zhì)量越大，范德華力越大第四十三頁，共51頁。生物(shēngwù)化學(xué).第一篇.生物(shēngwù)分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)第一章生物(shēngwù)分子導(dǎo)論

第四十四頁，共51頁。生物化學(xué).第一篇.生物分子(fēnzǐ)的結(jié)構(gòu)和化學(xué)第一章生物(shēngwù)分子導(dǎo)論

水是維持所有生命的必要物質(zhì)，在典型的細(xì)胞分子內(nèi)當(dāng)做溶劑含量約70%~85%水是代謝反響的介質(zhì)，是生命的孵化器.提供生物溶液系統(tǒng)調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外環(huán)境最適化的功能(gōngnéng)，如溫度,酸堿度。溫度:水分子有很高的比熱，能吸收大量的熱能.酸堿值:生物分子要在一定的pH值下?才能發(fā)揮其正常功能(gōngnéng)，而水溶液中水分子就能調(diào)節(jié)氫離子濃度，來維持細(xì)胞內(nèi)、外恒定的酸堿值。第四十五頁，共51頁。生物化學(xué).第一篇.生物分子的結(jié)構(gòu)(jiégòu)和化學(xué)第一章生物