1、By 湖风微竹 http:/ 1第一章 概 述 第一节 概 述一、生物分子是生物特有的有机化合物生物分子泛指生物体特有的各类分子，它们都是有机物。典型的细胞含有一万到十万种生物分子，其中近半数是小分子，分子量一般在 500 以下。其余都是生物小分子的聚合物，分子量很大，一般在一万以上，有的高达 1012，因而称 为 生物大分子。构成生物大分子的小分子单元，称为 构件。氨基酸、核苷酸和单糖分别是组成蛋白质、核酸和多糖的构件。二、生物分子具有复杂有序的 结构生物分子都有自己特有的结构。生物大分子的分子量大，构件种类多，数量大，排列 顺序千变万化，因而其结构十分复杂。估计仅蛋白质 就有 1010-1
2、012种。生物分子又是有序的，每种生物分子都有自己的结构特点，所有的生物分子都以一定的有序性(组织性)存在于生命体系中。三、生物结构具有特殊的层次生物用少数几种生物元素(C、H、 O、N、S、P)构成小分子构件，如氨基酸、核苷酸、单糖等;再用简单的构件构成复杂的生物大分子;由生物大分子构成超分子集合体;进而形成细胞器，细 胞， 组织，器官，系统和生物体。生物的不同结构层 次有着质的区别:低层次结构简单，没有种属 专一性，结合力强;高层次结构复杂，有种属 专一性， 结合力弱。生物大分子是生命的物质基础，生命是生物大分子的存在形式。生物大分子的特殊运动体现着生命现象。四、生物分子都行使专一的功能每
3、种生物分子都具有专一的生物功能。核酸能 储存和携带遗传信息，酶能催化化学反 应，糖能提供能量。任何生物分子的存在，都有其特殊的生物学意义。人 们 研究某种生物分子，就是为了了解和利用它的功能。五、代谢是生物分子存在的条件代谢不仅产生了生物分子，而且使生物分子以一定的有序性处于稳定的状态中，并不断得到自我更新。一旦代谢停止， 稳 定的生物分子体系就要向无序 发展，在变 化中解体，进入非生命世界。六、生物分子体系有自我复制的能力遗传物质 DNA 能自我复制，其他生物分子在 DNA的直接或间接指导下合成。生物分子的复制合成，是生物体繁殖的基础。七、生物分子能够人工合成和改造生物分子是通过漫长的进化产
4、生的。随着生命科学的发展，人 们已能在体外人工合成各类生物分子，以合成和改造生物大分子为目标的生物技术方兴未艾。第二节 生物元素在已知的百余种元素中，生命过程所必需的有 27种，称为 生物元素。生物体所采用的构成自身的元素，是经过长 期的 选择确定的。生物元素都是在自然界丰度较高，容易得到，又能满足生命过程需要的元素。一、主要生物元素都是轻元素主要生物元素 C、H、O、N 占生物元素 总量的 95%以上，其原子序数均在 8 以内。它们和S、P、K、Na、Ca、Mg、Cl 共 11 种元素，构成生物体全部质量的 99%以上，称为常量元素，原子序数均在 20 以内。另外 16 种元素称为微量元素，
5、包括B,F,Si,Se,As,I,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Sn,Mo，原子序数在 53 以内。二、碳氢氧氮硫磷是生物分子的基本素材(一) 碳氢是生物分子的主体元素碳原子既难得到电子，又难失去电 子，最适于形成共价键。碳原子非凡的成键能力和它的四面体构型，使它可以自相结合，形成 结构各异的生物分子骨架。碳原子又可通过共价键与其它元素结合，形成化学性质活泼的官能团。氢原子能以稳定的共价键于碳原子结合，构成生物分子的骨架。生物分子的某些氢原子被称 为还原能力，它们 被氧化时 可放出能量。生物分子含氢量的多少(以 H/C 表示)与它们的供能价 值直接相关。氢原子还参与许多官能团的
6、构成。与电负性强的氧氮等原子结合的氢原子还参与氢键的构成。氢键是维持生物大分子的高级结构的重要作用力。(二) 氧氮硫磷构成官能团它们是除碳以外仅有的能形成多价共价键的元素，可形成各种官能团和杂环结构，对 决定生物分子的性质和功能具有重要意义。此外，硫磷还与能量交 换直接相关。生物体内重要的能量转换反应，常与硫磷的某些化学 键的形成及断裂有关。一些高能分子中的磷酸苷键和硫酯键是高能键。三、无机生物元素(一) 、利用过渡元素的配位能力过渡元素具有空轨道，能与具有孤对电子的原子以By 湖风微竹 http:/ 2配位键结合。不同 过渡元素有不同的配位数，可形成各种配位结构，如三角形，四面体，六面体等。
7、过渡元素的络和效应在形成并稳定生物分子的构象中，具有特别重要的意 义。过渡元素对电子的吸引作用， 还可 导致配体分子的共价键发生极化， 这对酶的催化很有用。已发现三分之一以上的酶含有金属元素，其中 仅含锌酶就有百余种。铁和铜等多价金属离子还可作为氧化还原载体，担负传递电子的作用。在光系统 II 中，四个锰原子构成一个电荷累积器，可以累 积失去四个 电子，从而一次氧化两分子水，释放出一分子氧，避免有害中间产物的形成。细 胞色素氧化酶中的 铁-铜中心也有类似功能。(二) 、利用常量离子的电化学效应K 等常量离子，在生物体的体液中含量较高，具有电化学效应。它们 在保持体液的渗透 压，酸碱平衡，形成膜
8、电位及稳定生物大分子的胶体状态等方面有重要意义。各种生物元素对生命过程都有不可替代的作用，必需保持其代谢平衡。氟是骨骼和牙釉的成分，以氟磷灰石的形式存在，可使骨晶体变大，坚硬并抗酸腐蚀 。所以在 饮食中添加氟可以预防龋齿。氟还可以治 疗骨质疏松症。但当水中氟含量达到每升 2 毫克时，会引起斑齿，牙釉无光，粉白色，严重时可产生洞穴。氟是 烯醇化酶的抑制剂，又是腺苷酸 环化酶 的激活剂。硒缺乏是克山病的病因之一，而硒过多也可引起疾病，如亚 硒酸盐可引起白内障。糖耐受因子（GTF）可以促使胰岛素与受体结合，而铬可以使烟酸、甘氨酸、谷氨酸、半胱氨酸等与GTF 络合。某些非生物元素进入体内，能干 扰 生
9、物元素的正常功能，从而表现出毒性作用。如镉 能置换锌，使含锌酶失活，从而使人中毒。某些非生物元素对人体有益，如有机锗可激活小鼠腹腔巨嗜细胞，后者介导肿瘤细胞毒和抗原提呈作用，从而 发挥免疫监视、防御和抗肿瘤作用。第三节 生物分子中的作用力一、两类不同水平的作用力生物体系有两类不同的作用力，一 类是生物元素借以结合称为生物分子的强作用力-共价键，另一 类是决定生物分子高层次结构和生物分子之间借以相互识别，结合，作用的弱作用力-非共价相互作用。二、共价键是生物分子的基本形成力共价键(covalent bond)的属性由键能，键长， 键角和极性等参数来描述，它们决定分子的基本 结构和性质。(一) 键
10、能键能等于破坏某一共价键所需的能量。键能越大，键越稳定。生物分子中常见的共价 键的键能一般在 300-800kj/mol 之间。(二) 键长键长越长，键能越弱，容易受外界电场的影响发生极化，稳 定性也越差。生物分子中键长多在 0.1 到0.18nm 之间。(三) 键角共价键具有方向性，一个原子和另外两个原子所形成的键之间的夹角即为键角。根据键长和键角，可了解分子中各个原子的排列情况和分子的极性。(四) 键的极性共价键的极性是指两原子间电子云的不对称分布。极性大小取决于成键原子电负性的差。多原子分子的极性状态是各原子电负性的矢量和。在外界 电场的影响下，共价键 的极性会发生改 变。 这种由于外界
11、电场作用引起共价键极性改变的现象称为键的极化。键 的极性与极化，同化学 键 的反应性有密切关系。(五) 配位键对生物分子有特殊意义配位键(coordinate bond)是特殊的共价键，它的共用电子对是由一个原子提供的。在生物分子中，常以过渡元素为电子受体，以化学基团 中的 O、N、S、P等为电子供体，形成多配位络和物。过渡元素都有固定的配位数和配位结构。在生物体系中，形成的多配位体，对稳定生物大分子的构象，形成特定的生物分子复合物具有重要意义。由多配位体所 产生的立体异构 现象，甚至比手性碳所引起的立体异构现象更为复杂。金属元素的络和效应，因能 导 致配体生物分子内 键发生极化，增强其反应性
12、，而与 酶的催化作用有关。三、非共价相互作用(一) 、非共价作用力对生物体系意 义重大非共价相互作用是生物高层次结构的主要作用力。非共价作用力包括氢键，静电作用力，范德华力和疏水作用力。这些力属于弱作用力，其强度比共价键低一两个数量级。这些力单独作用 时，的确很弱，极不稳定，但在生物高 层次结构中，许多弱作用力By 湖风微竹 http:/ 3协同作用，往往起到决定生物大分子构象的作用。可以毫不夸张地说，没有对非共价相互作用的理解，就不可能对生命现象有深刻的认识。各种非共价相互作用结合能的大小也有差别，在不同级别生物结构中的地位也有不同。 结合能较大的氢键，在较低的结 构级别(如蛋白质的二级结构
13、)，较小的尺度间，把氢受体基团与氢 供体基团结合起来。结 合能 较小的范德 华力则主要在更高的 结构级别，较 大的尺度 间 ，把分子的局部结构或不同分子结合起来。(二) 、氢键氢键(hydrogen bond)是一种弱作用力，键能只相当于共价键的 1/30-1/20(12-30 kj/mol)，容易被破坏，并具有一定的柔性，容易弯曲。氢原子与两侧的电负性强的原子呈直线排列时，键能最大，当键角发生 20 度偏转时，键能降低 20%。氢键 的键长比共价键长，比范德华 距离短， 约为 0.26-0.31nm。氢键对生物体系有重大意义，特别 是在稳定生物大分子的二级结构中起主导作用。(三) 、范德华力
14、范德华力是普遍存在于原子和分子间的弱作用力，是范德华引力与范德华斥力的统一。引力和斥力分别和原子间距离的 6 次方和 12 次方成反比。二者达到平衡时，两原子或原子 团间保持一定的距离，即范德华距离，它等于两原子范德 华半径的和。每个原子或基团都有各自的范德华半径。范德华力的本质是偶极子之间的作用力，包括定向力、诱导力和色散力。极性基 团或分子是永久偶极，它们之间的作用力称为定向力。非极性基 团或分子在永久偶极子的诱导下可以形成诱导偶极子，这两种偶极子之间的作用力称为诱导力。非极性基团或分子，由于电子相 对于原子核的波 动，而形成的瞬间偶极子之间的作用力称为色散力。范德华力比氢键弱得多。两个原
15、子相距范德 华距离时的结合能约为 4kj/mol，仅略高于室温时平均热运动能(2.5kj/mol)。如果两个分子表面几何形 态互补，由于 许多原子 协同作用，范德华力就能成为分子间有效引力。范德 华力对生物多 层次结构的形成和分子的相互识别与结合有重要意义。(四) 、荷电基团相互作用荷电基团相互作用，包括正负荷电 基团间的引力，常称为盐键(salt bond)和同性荷电基团间的斥力。力的大小与荷电量成正比，与荷 电 基团间的距离平方成反比，还与介 质的极性有关。介质的极性对荷电基团相互作用有屏蔽效应，介质 的极性越小，荷电基团相互作用越强。例如，-COO-与-NH3+ 间在极性介质水中的相互作
16、用力，仅为 在蛋白质分子内部非极性环境中的 1/20，在真空中的 1/80。(五) 、疏水相互作用疏水相互作用(hydrophobic interaction)比范德华力强得多。例如，一个苯丙氨酸侧链由水相转入疏水相时，体系的能量降低约 40kj/mol。生物分子有许多结构部分具有疏水性质，如蛋白质的疏水氨基酸侧链，核酸的碱基，脂肪酸的烃链等。它们之间的疏水相互作用，在稳定蛋白 质，核酸的高层次结构和形成生物膜中发挥着主导作用。top第四节 生物分子低层次结构的同一性一、碳架是生物分子结构的基 础碳架是生物分子的基本骨架，由碳，氢构成。生物分子碳架的大小组成不一，几何形状 结构各异，具有丰富的
17、多样性。生物小分子的分子量一般在 500以下，包括 2-30 个碳原子。碳架 结 构有线形的，有分支形的，也有环 形的;有饱和的，也有不饱和的。变化多端的碳架与种类有限的官能团，共同组成形形色色的生物分子的低层次结构-生物小分子。二、官能团限定分子的性质(一) 官能团是易反应基团官能团是生物分子中化学性质比较活泼，容易发生化学反应的原子或基团。含有相同官能团的分子，具有类似的性质。官能团限定生物分子的主要性 质。然而，在整个分子中，某一官能团的性质总要受到分子其它部分电荷效应和立体效应的影响。任何一种分子的具体性质，都是其整体 结 构的反应。(二) 主要的官能团生物分子中的主要官能团和有关的化
18、学键有:羟基(hydroxyl group) 有极性，一般不解离，能与酸生成酯，可作 为氢键 供体。羰基(carbonyl group) 有极性，可作为氢键受体。羧基(carboxyl group) 有极性，能解离，一般显弱酸性。氨基(amino group) 有极性，可结合质子生成铵阳离子。酰胺基(amido group) 由羧基与氨基缩合而成，有极性，其中的氧和氮都可作为氢键 供体。 肽链中联接氨基酸的酰胺键称为肽键。巯基(sulfhydryl group) 有极性，在中性条件下不解离。易氧化成二硫键-S-S 。胍基(guanidino group) 强碱性基团，可结合质子。By 湖风微竹
19、 http:/ 4胍基磷酸键是高能键。双键(double bond) 由一个 键和一个 键构成，其中 键键能小， 电 子流动性很大，易发生极化断裂而产生反应。双键 不能旋转，有 顺 反异构现象。规定用“顺“(cis)表示两个相同或相近的原子或基团在双键同侧的异构体，用 “反“(trans)表示相同原子位于双键两侧的异构体。焦磷酸键(pyrophosphate bond) 由磷酸缩合而成，是高能键。一摩 尔 ATP 水解成 ADP 可放出 7.3 千卡能量，而葡萄糖-6-磷酸只有 3.3 千卡。氧酯键(ester bond)和硫酯键(thioester bond) 分别由羧基与羟基和巯基缩水而成
20、。硫 酯键 是高能键。磷酸酯键(phosphoester bond) 由磷酸与羟基缩水而成。磷酸与两个羟 基结合时，称 为 磷酸二酯键。这两种键中的磷酸羟基可解离成阴离子。生物小分子大多是双官能团或多官能团分子，如糖是多羟基醛(酮) ，氨基酸是含有氨基的羧酸。官能团在碳链中的位置和在碳原子四周的空间排布的不同，进 一步丰富了生物分子的异构现象。三、杂环集碳架和官能团于一体(一) 大部分生物分子含有杂环杂环(heterocycle)是碳环中有一个或多个碳原子被氮氧硫等杂原子取代所形成的结构。由于杂原子的存在，杂环 体系有了独特的性 质。生物分子大多有杂环结构，如氨基酸中有咪唑， 吲哚 ;核苷酸中
21、有嘧啶，嘌 呤，糖结构中有吡喃和 呋喃。(二) 分类命名和原子标位1.分类 根据成环原子数目分为五元杂环和六元杂环等。根据环的数目分 为单杂环和稠 杂环。2.命名 杂环的命名法有两种，即俗名与系统名。我国常用外文俗名译音用带“口“ 旁的 汉字表示。(三) 常见杂环五元杂环:呋喃，吡咯，噻吩，咪唑等六元杂环:吡喃，吡 啶， 嘧啶等稠杂环:吲哚，嘌呤等四、异构现象丰富了分子结构的多 样性(一) 生物分子有复杂的异构现象异构体(isomer)是原子组成相同而结构或构型不同的分子。异构现象分 类如下:1.结构异构 由于原子之间连接方式不同所引起的异构现象称为结构异构。 结构异构包括 :(1)由碳架不同
22、产生的碳架异构;(2)由官能团位置不同产生的位置异构;(3)由官能 团不同而产生的官能团异构。如丙基和异丙基互为碳架异构体，a- 丙氨酸和 b-丙氨酸互为位置异构体，丙 醛糖和丙 酮糖互为官能团异构体。2.立体异构 同一 结构异构体，由于原子或基团在三维空间的排布方式不同所引起的异构现象称为立体异构现象。立体异构可分为构型异构和构象异构。通常将分子中原子或原子团在空 间位置上一定的排布方式称为构型。构型异构是 结构相同而构型不同的异构现象。构型异构又包括 顺反异构和光学异构。构型相同的分子，可由于单键旋转产生很多不同立体异构体，这种现象称为构象异构。互变异构指两种异构体互相转变，并可达到平衡的
23、异构现象。各种异构现象丰富了生物分子的多样性，扩充了生命过程对分子结构的选择范围。(二) 手性碳原子引起的光学异构左手与右手互为实物与镜像的关系，不能相互重合。分子与其镜像不能相互重合的特性称为手性(chirality)，生物分子大多具有手性。结合 4 个不同原子或基团的碳原子，与其 镜像不能重合，称为手性碳原子，又称不对称碳原子。手性碳原子具有左手与右手两种构型。具有手性碳原子的分子，称为手性分子。具有 n 个手性碳原子的分子，有 2n 个立体异构体。两两互有实物与镜像关系的异构体，称为对 映体(enantiomer) 。彼此没有实物与镜像关系的，称 为 非对映体。 对映体不论有几个手性碳原
24、子，每个手性碳原子的构型都对应相反。非对 映体有两个或两个以上手性碳原子，其中只有部分手性碳原子构型相反。其中只有一个手性碳原子构型相反的，又称为差向异构体(epimer)。手性分子具有旋光性，所以又称为光学异构体。手性分子构型表示法:有 L-D 系统和 R-S 系统两种。生物化学中习惯采用前者，按系 统 命名原则，将分子的主链竖向排列，氧化度高的碳原子或序号为 1的碳原子放在上方，氧化度低的碳原子放在下方，写出费歇尔投影式。 规定:分子的手性碳 处于纸面，手性碳的四个价键和所结合的原子或基团，两个指向纸面前方，用横 线表示，两个指向纸面后方，用竖线表示。例如，甘油醛有以下两个构型异构体:人为
25、规定羟基在右侧的为 D-构型，在左侧是 L-构型。括号中的+， -分别表示右旋和左旋。构型与旋光方向没有对应关系。具有多个手性碳原子的分子，按碳链最下端手性碳的构型，将它 们分为 D，L-两种构型系列。在糖和氨基酸等的命名中，普遍采用By 湖风微竹 http:/ 5L，D-构型表示法。(三) 单键旋转引起构象异构结合两个多价原子的单键的旋转，可使分子中的其余原子或基团的空间取向发生改变，从而产生种种可能的有差别的立体形象， 这种现 象称为构象异构。构象异构赋予生物大分子的构象柔顺性。与构型相比，构象是对分子中各原子空 间排布情况的更深入的探讨，以阐明同一构型分子在非键合原子间相互作用的影响下，
26、所发生的立体结构的 变化。（四）互变异构由氢原子转移引起，如 酮和烯醇的互 变异构。 DNA中碱基的互变异构与自发突变有关，酶的互变异构与催化有关，在代谢过程中也常发 生代谢物的互变异构。第五节 生物大分子一、定义生物大分子都是由小分子构件聚合而成的，称为生物多聚物。其中的构件在聚合时发 生脱水，所以称为残基。由相同残基构成的称为同聚物，由不同残基构成的称为杂聚物。二、结构层次生物大分子具有多级结构层次，如一级结构、二 级结构、三 级结构和四 级结构。三、组装一级结构的组装是模板指导组装，高级结构的组装是自我组装，一级结 构不仅提供组装的信息，而且提供组装的能量，使其自发进行。四、互补结合生物大分子之间的结合是互补结合。这种互补，可以是几何形状上的互补，也可以是疏水区之 间的互补、氢键供体与氢键 受体的互补、相反电荷之间的互补。互补结合可以最大限度地降低体系能量，使复合物稳定。互 补结 合是一个诱导 契合的过程注：本笔记第一章为生物分子的概述，介 绍了生物分子的的特征及部分有机化学的基本内容，本章为提取各章节生物化学相关基础（有机化学知识），主要来源于第一章内容。掌握该部分知 识有助于生物化学的学习。本章只作基础内容添加入本笔记，本章考点少。
