生物高分子化合物

§15生物高分子化合物简介§14-1糖类糖类、蛋白质和脂肪是人类生命活动所必需要的三大营养食品。在自然界有着广泛的存在。糖类几乎存在于所有动、植物、微生物体内。植物根、茎、叶、果实中存在的葡萄糖、蔗糖、淀粉和纤维素等等都是糖类物质；绿色植物以CO2和水为原料通过光合作用合成糖类物质。动物肝脏、肌肉中的糖原，结缔组织中的糖胺聚糖等；还有细胞核、细胞质中的脱氧核糖和核糖等也都是糖类。糖的作用，除了是提供人的生命活动需要能量的主要来源外，也是生物体的结构成分之一。现代科技研究发现，某些糖类还有一些特殊的生物活性。如多糖具有免疫活性、抗癌作用等，肝素还有抗凝血的功能。一、糖的概念和分类1、糖类(俗称:碳水化合物)（1）组成例：葡萄糖、果糖C6H12O6蔗糖、麦芽糖C12H22O11淀粉、纤维素(C6H10O5)n——C、H、O三种元素（2）曾用通式：Cm(H2O)n表示（m、n可同，可不同）①Cm(H2O)n并不反映糖类的结构，在糖类分子中，H、O并不是以H2O甚至也不是2：1的形式存在。②少数属于糖类的物质并不符合此通式（如：鼠李糖—C6H12O5脱氧核糖—C5H10O4），而少数物质符合此通式的又不属于糖类（如：甲醛—CH2OC2H4O2—乙酸或甲酸甲酯、C3H6O3—乳酸等）。现代科技发现：（3）糖类定义——从结构上看，糖类一般是多羟基醛或多羟基酮以及水解能生成它们的物质。（4）分类单糖：不能再水解的糖醛糖：葡萄糖、半乳糖、（脱氧）核糖酮糖：果糖寡糖：水解能生成2-10个单糖分子的糖，又称低聚糖蔗糖麦芽糖多糖：能水解生成许多单糖的高分子化合物说明：糖类的俗称——碳水化合物并不存在原来的意义，只是沿用了下来。乳糖均多糖：水解生成一种单糖如：淀粉、纤维素等杂多糖：水解生成多种单糖或单糖衍生物如：阿拉伯胶二、单糖重点介绍葡萄糖和果糖葡萄糖和果糖的分子式都是C6H12O6，但它们的结构是不同的。葡萄糖是己醛糖链式结构可表示为：CH2OH(CHOH)4CHO。O果糖是己酮糖链式结构可表示为：CH2OH(CHOH)3CCH2OH。葡萄糖和果糖都是单糖，它们的性质很相似，所以放在一起讨论。1、单糖的结构（1）单糖的开链式结构和构型单糖的开链式结构：己醛糖己酮糖单糖的构型：只需比较编号最大的手性碳原子的构型，编号最大的手性碳构型与D—甘油醛相同者为D—型糖，与L—甘油醛相同者为L—型糖。自然界存在的单糖多为D—型糖甘油醛构型CH2OHCH2OHCHOCHOCCHHOHHO甘油醛甘油醛DL**单糖的Fischer投影式书写（2）单糖的环状结构葡萄糖的性质用其开链结构式不能解释的问题葡萄糖分子若仅以链式结构存在，在无水HCl存在下其游离醛理应与两分子甲醇作用生成缩醛，但实际上葡萄糖分子只能与一分子甲醇结合成稳定的化合物。在溶液中，开链式与环式结构，两者可互变：CHOHO-C-HCH2OHHHOCH2OHH-C-OHH-C-OHH-C-OHCH-C-OHH-C-OHHO-C-HH-COHOHCH2OHCH-C-OHH-C-OHHO-C-HH-COα-D-葡萄糖D-葡萄糖β-D-葡萄糖36%0.024%64%葡萄糖的链、环结构互变环结构常写成Haworth结构OCH2OHHHOHHOHHOHHOCHOHO-C-HCH2OHHOHCH2OHHOH-C-OHH-C-OHH-C-OHCH-C-OHH-C-HO-C-HCH2OHH-COHOHOHHHHHOHOH123456****从开链改写成Haworth式结构方法是，将左侧原子或原子团写在上方，右侧原子或原子团写在下方。如：2、单糖的物理性质单糖在常温下大多为白色晶体，可溶于水，具吸湿性，难溶于醇等有机溶剂，水—醇混合溶剂常用于糖的重结晶。单糖都有甜味，但程度不同。除丙酮糖外，都具有环状结构。3、单糖的化学性质（1）互变异构反应单糖在稀碱溶液中，开链结构的醛或酮基与α碳原子上的H原子发生互变异构反应，产生烯二醇结构，此结构进一步互变异构，逆向恢复成原来的单糖，或正向进行，产生差向异构生成另一种单糖等称为差向异构化。D-葡萄糖与D-甘露糖及D-果糖之间在稀碱催化下通过烯二醇结构而发出互变异构反应。D-葡萄糖、D-甘露糖、D-果糖之间在稀碱催化的互变异构反应（2）氧化反应①碱性条件下能被弱氧化剂氧化由于存在葡萄糖和果糖之间的互变异构，所以葡萄糖和果糖的某些化学性质很相似。CH2OH(CHOH)4CHO+2[Ag(NH3)2]OHΔCH2OH(CHOH)4COOH+2Ag+4NH3+H2O↑葡萄糖和果糖都能和Tollen’s或Fehling’s反应，有银析出或生成砖红色的Cu2O沉淀。如葡萄糖与Tollen’s和Fehling’s试剂的反应式可表示为：[思考]葡萄糖是醛糖，能与Tollen’s和Fehling’s试剂反应，但果糖是酮糖不存在醛基为什么也能与Tollen’s和Fehling’s试剂反应？CH2OH(CHOH)4CHO+2Cu(OH)2ΔCH2OH(CHOH)4COOH+Cu2O+2H2O↑原因：存在互变异构通常将能被碱性弱氧化剂氧化的糖称为还原性糖，不被氧化的糖称为非还原性糖。[结论]单糖都是还原性糖②与酸性氧化剂的作用果糖不反应可用于区别醛糖和酮糖遇到较强氧化剂如硝酸，单糖的伯醇基也被氧化。如：（3）成苷反应单糖的环状半缩醛羟基可与另一含有活泼氢（如：—OH，—SH，—NH—)的化合物进行分子间脱水，生成的产物称为糖苷(glycoside)。这样的反应称为成苷反应。该反应只发生在半缩醛（酮）的羟基。（5）含有多羟基的性质（6）酯化反应溶液呈绛蓝色①新制Cu(OH)2葡萄糖溶液或果糖溶液CH2OH(CHOH)4CHO+5CH3COOH浓H2SO4Δ（4）有醛基，可加氢还原CH2OH(CHOH)4CHO+H2NiΔCH2OH(CHOH)4CH2OHCH2OCOCH3(CHOCOCH3)4CHO+5H2O五乙酸葡萄糖酯己六醇△砖红色沉淀（7）分解反应C6H12O62C2H5OH+2CO2↑酒化酶OCH2OHHHOHHOHOHHOPO3H2HOCH2OPO3H2HHOHHOHOHHOHHOCH2OHHHOHHOHOHHOHHH3PO41-磷酸葡萄糖6-磷酸葡萄糖或HO21.麦芽糖（C12H22O11）（1）组成和结构OHHHOHOHHHOHHHOHOHHHCH2OHHOCH2OHOHO三、寡糖（只介绍二糖）葡萄糖α-1，4糖苷键葡萄糖14（2）主要化学性质①有还原性（分子中存在半缩醛羟基）能和Tollen’s或Fehling’s反应。OHHHOHOHHHOHHHOHOHHHOHHHOHOHHHOHHHHOHOHHCHOCH2OHHOCH2OHOHOCH2OHHOCH2OHO②水解反应麦芽糖在酸性条件或麦芽糖酶作用下水解，生成2分子的葡萄糖。麦芽糖是还原性糖C12H22O11+H2O稀H2SO4Δ麦芽糖葡萄糖2C6H12O62.蔗糖（1）组成和结构OHHHOHHHOHOHHHHOCH2OHHOH2CHOOCH2OHOHα-D-葡萄糖α，β-（12）糖苷键β-D-果糖12（2）化学性质①无还原性（分子中无半缩醛羟基），不能和Tollen’s或Fehling’s反应。②水解反应蔗糖在酸性条件或在酶的作用下水解，生成一分子葡萄糖和一分子果糖，水解后的溶液具有还原性。C12H22O11+H2O稀H2SO4ΔC6H12O6+C6H12O6蔗糖葡萄糖果糖蔗糖（1ml）3dH2SO4水解产物NaOH银氨溶液Δ银镜生成Cu(OH)2Δ砖红色沉淀为何要加NaOH溶液至碱性？Δ四、多糖（只介绍淀粉和纤维素）1.淀粉淀粉是由很多D-葡萄糖通过糖苷键缩合而成，所以淀粉的结构单位是D-葡萄糖（3）结构：（1）存在：淀粉是植物体中储藏的养分，多存在于种子和块茎中。（2）组成：直链淀粉(又称糖淀粉)—可溶解在热水中，支链淀粉(又称胶淀粉)——不溶于水（4）化学性质：①无还原性②淀粉的特性反应淀粉溶液遇碘→变蓝色③淀粉的水解反应水解反应最终生成葡萄糖，水解程度可用碘加以检测：水解过程（加入碘水）：淀粉→糊精→麦芽糖→葡萄糖蓝蓝紫→红色无色无色2、纤维素（1）存在：纤维素是自然界分布最广、存在量最多的有机物，是植物细胞壁的主要组分。纤维素在棉花中的含量达98％，在木材中为50％。（2）结构：纤维素的结构单位是β-D-葡萄糖（3）化学性质：①无还原性②水解反应其水解产物也是葡萄糖。③由于人体内无水解β-1，4糖苷键的酶存在，不能代谢利用纤维素作为人体活动的能源物质。§14-2氨基酸和蛋白质（简介）一、氨基酸的结构与分类和主要性质1、α-氨基酸的结构氨基酸是蛋白质水解的最终产物，是组成蛋白质的基本单位。从蛋白质水解物中分离出来的氨基酸有二十种，除脯氨酸和羟脯氨酸外，这些天然氨基酸在结构上的共同特点为：（1）结构分子中同时含有羧基和氨基，且与羧基相邻的α-碳原子上都有一个氨基，因而称为α-氨基酸。COOHH2NCHα-碳原子基团RR基团α-氨基酸基本结构通式α-氨基酸通式：（2）氨基酸——羧酸分子里烃基上的氢原子被氨基取代后的生成物叫氨基酸。H2NCHRCOOH*20种氨基酸的英文名称、缩写符号及分类如下:2、氨基酸的分类（只介绍）按R基团的酸碱性分中性氨基酸氨基数=羧基数碱性氨基酸氨基数羧基数酸性氨基酸氨基数羧基数赖、组、精谷、天冬(氨酸)甘氨酸glycineGlyG5.97丙氨酸alanineAlaA6.00缬氨酸valineValV5.96亮氨酸leucineLeuL5.98异亮氨酸isoleucineIleI6.02苯丙氨酸phenylalaninePheF5.48脯氨酸prolineProP6.301.（非极性）疏水性氨基酸色氨酸tryptophanTryW5.89丝氨酸serineSerS5.68酪氨酸tyrosineTryY5.66半胱氨酸cysteineCysC5.07蛋氨酸methionineMetM5.74天冬酰胺asparagineAsnN5.41谷氨酰胺glutamineGlnQ5.65苏氨酸threonineThrT5.602.极性（亲水）中性氨基酸天冬氨酸asparticacidAspD2.97谷氨酸glutamicacidGluE3.22赖氨酸lysineLysK9.74精氨酸arginineArgR10.76组氨酸histidineHisH7.593.酸性氨基酸4.碱性氨基酸人体所需的八种必需氨基酸赖氨酸(Lys)缬氨酸(Val)蛋氨酸(Met)色氨酸(Trp)亮氨酸(Leu)异亮氨酸(Ile)苏氨酸(Thr)苯丙氨酸(Phe)婴儿时期所需:精氨酸(Arg)、组氨酸(His)早产儿所需：色氨酸(Trp)、半胱氨酸(Cys)必需氨基酸：生命活动所必需的，但人体自身不能合成，必须从食物中摄取的氨基酸。半必需氨基酸：在人体内合成速度很低，特别是新生儿或患病期，但又需要给予补充的氨基酸。非必需氨基酸：人体自身能够合成的氨基酸。(1)两性性质和等电点氨基酸分子中含有氨基和羧基，可与酸反应生成铵盐，又可与碱反应生成羧酸盐，因此氨基酸具有酸、碱两性性质。偶极离子氨基酸分子内的氨基和羧基能相互作用形成内盐。内盐同时带有正电荷和负电荷，为偶极离子。NH2RCHCOOHNH3+RCHCOO-3、氨基酸的重要理化性质氨基酸在溶液中受溶液pH的影响存在着下列平衡：pHpIpH=pIpH＜pI偶极离子——氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，净电荷为零在电场中不移动，此时溶液的pH值称为等电点（pI）。OH-H+OH-H+RCHCOO-NH2+NH3_RCHCOOHRCHCOONH3+酸性氨基酸pI2.8~3.2中性氨基酸pI5.0~6.3碱性氨基酸pI7.6~10.8CHNH2COOHRCHNH2COOHR(1)半胱氨酸(pI=3.22)，在pH=9溶液中的存在形式(2)精氨酸(pI=10.8)，在pH=6溶液中的存在形式(3)甘氨酸(pI=5.97).在pH=6溶液中的存在形式(4)某氨基酸的水溶液pH=8