第1章生物分子導(dǎo)論

1、生物分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué) 我們所處在的地球充滿著無數(shù)的生物，從最簡單的我們所處在的地球充滿著無數(shù)的生物，從最簡單的病病毒、類病毒到菌藻樹草，從魚蟲鳥獸到最復(fù)雜的人類，處毒、類病毒到菌藻樹草，從魚蟲鳥獸到最復(fù)雜的人類，處處都可以發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡，覺察到生命的活動。地球上的處都可以發(fā)現(xiàn)它們的蹤跡，覺察到生命的活動。地球上的生物形形色色，千姿百態(tài)。不同的生物，其形態(tài)、生理特生物形形色色，千姿百態(tài)。不同的生物，其形態(tài)、生理特征和對環(huán)境的適應(yīng)能力各不相同，都經(jīng)歷著生長、發(fā)育、征和對環(huán)境的適應(yīng)能力各不相同，都經(jīng)歷著生長、發(fā)育、衰老、死亡的變化，都具有繁殖后代的能力。衰老、死亡的變化，都具有繁殖后代的能力。自然界

2、所有的生命物體都由三類物質(zhì)組成：自然界所有的生命物體都由三類物質(zhì)組成：水、無機離子和生物分子。水、無機離子和生物分子。 指構(gòu)成生物的蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂指構(gòu)成生物的蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂質(zhì)以及它們的構(gòu)件分子和代謝中間物等。質(zhì)以及它們的構(gòu)件分子和代謝中間物等。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質(zhì)、糖和核酸幾類物生物分子中最重要的蛋白質(zhì)、糖和核酸幾類物質(zhì)，分子量一般都很大，所以又稱為生物大分質(zhì)，分子量一般都很大，所以又稱為生物大分子。子。構(gòu)件構(gòu)件 (也稱構(gòu)件分子或單體）也稱構(gòu)件分子或單體）蛋白質(zhì)：蛋白質(zhì)：核酸：核酸：多糖：多

3、糖： 1 1、偏振光、偏振光普通光：光是一種電磁波，光振動的方向與它前進普通光：光是一種電磁波，光振動的方向與它前進的方向垂直。普通光由不同波長的光組成，這些不的方向垂直。普通光由不同波長的光組成，這些不同波長的光在無數(shù)個垂直于其傳播路線的平面內(nèi)振同波長的光在無數(shù)個垂直于其傳播路線的平面內(nèi)振動。動。 普通光 當(dāng)普通光通過尼可爾（當(dāng)普通光通過尼可爾（NicolNicol）棱鏡時，只有）棱鏡時，只有振動方向和棱鏡晶軸平行的光才能通過，所得到的振動方向和棱鏡晶軸平行的光才能通過，所得到的光就只在一個平面上振動。光就只在一個平面上振動。這種只在某一平面上振這種只在某一平面上振動的光叫做平面偏振光，簡稱

4、偏振光動的光叫做平面偏振光，簡稱偏振光（plane-polarized light) 。 普通光普通光 尼可爾棱鏡尼可爾棱鏡 偏振光偏振光 偏振光的產(chǎn)生偏振光的產(chǎn)生 晶軸 2.2.旋光性旋光性: :物質(zhì)能使偏振光的振動平面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)。物質(zhì)能使偏振光的振動平面發(fā)生旋轉(zhuǎn)的性質(zhì)。 具有旋光性的物質(zhì)叫做具有旋光性的物質(zhì)叫做旋光性物質(zhì)。旋光性物質(zhì)。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、乙酸等稱非旋光性物質(zhì)。醇、乙酸等稱非旋光性物質(zhì)。 偏振光偏振光 旋光性物質(zhì)旋光性物質(zhì) 旋轉(zhuǎn)后的偏振光旋轉(zhuǎn)后的偏振光 當(dāng)偏振光通過某一旋光性物質(zhì)時，其振動平面當(dāng)偏振光通過某一旋光性物質(zhì)時

5、，其振動平面會向著某一方向旋轉(zhuǎn)一定的角度，這一角度叫做會向著某一方向旋轉(zhuǎn)一定的角度，這一角度叫做旋旋光度光度，通常用，通常用“”表示表示。 晶軸晶軸目鏡光源光源 起偏鏡起偏鏡 偏振光偏振光 盛液管盛液管 旋轉(zhuǎn)后的旋轉(zhuǎn)后的 檢偏鏡檢偏鏡 通過檢偏鏡通過檢偏鏡 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質(zhì)后，偏振光將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在盛液管中放入旋光性物質(zhì)后，偏振光將發(fā)生偏轉(zhuǎn)。使偏振光振動平面按逆時針方向旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱使偏振光振動平面按逆時針方向旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱左旋左旋體體，用，用“” ” 表示；使偏振光振動平面按順時針方表示；使偏振光振動平面按順時針方向旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱向旋轉(zhuǎn)的物質(zhì)稱右旋體右旋體，用

6、，用“” ” 表示。表示。 肌肉分解出來的乳酸是右旋體，稱為右旋乳酸。肌肉分解出來的乳酸是右旋體，稱為右旋乳酸。可表示為：（可表示為：（+)-2-+)-2-羥基丙酸。羥基丙酸。比旋光度公式如下：比旋光度公式如下：: : 測得的旋光度；測得的旋光度；C C： 濃度，濃度，g/mlg/ml； L:L: 盛液管的長度，盛液管的長度，dm;dm; t:t: 測定時的溫度測定時的溫度; ; :所用光源的波長。所用光源的波長。 通常用比旋光度通常用比旋光度來表示物質(zhì)的旋光屬性。來表示物質(zhì)的旋光屬性。4 4、比旋光度、比旋光度 在一定條件下在一定條件下, ,某物質(zhì)的旋光性為一常數(shù)某物質(zhì)的旋光性為一常數(shù), ,

7、稱稱為比旋光度為比旋光度。t=LC 5. 手性碳原子手性碳原子:與四個不同的原子或基團相連的碳與四個不同的原子或基團相連的碳原子稱為手性碳原子，也稱為不對稱碳原子，用原子稱為手性碳原子，也稱為不對稱碳原子，用C*表示。表示。例如例如： CH3CHCH2CH3OH2-丁醇丁醇 任何物體都有它任何物體都有它的鏡像。一個有機分的鏡像。一個有機分子在鏡子內(nèi)也會出現(xiàn)子在鏡子內(nèi)也會出現(xiàn)相應(yīng)的鏡像。相應(yīng)的鏡像。 6. 對映體對映體 左手左手 鏡鏡 右手右手左手的鏡像是右手左手的鏡像是右手對映關(guān)系對映關(guān)系左、右手對映而左、右手對映而不能重合。不能重合。 COOHCH3OHHH3COHCOOHH-觀察如下乙酸模

8、型觀察如下乙酸模型: 這兩個模型化合物互為實物這兩個模型化合物互為實物和鏡像和鏡像, 但它們不能重合。因此它們是一對異構(gòu)體但它們不能重合。因此它們是一對異構(gòu)體, 互為對映互為對映, 為對映異構(gòu)體。為對映異構(gòu)體。 互為實物和鏡像關(guān)系的異構(gòu)體叫做對映異構(gòu)體，互為實物和鏡像關(guān)系的異構(gòu)體叫做對映異構(gòu)體，簡稱簡稱對映體。對映體。7. 7. 立體異構(gòu)體立體異構(gòu)體：具有相同的結(jié)構(gòu)式，但原子在空間：具有相同的結(jié)構(gòu)式，但原子在空間的排列方向不同而引起的異構(gòu)體。的排列方向不同而引起的異構(gòu)體。 順反異構(gòu)體（也叫幾何異構(gòu)體）順反異構(gòu)體（也叫幾何異構(gòu)體） 立體異構(gòu)體立體異構(gòu)體 旋光異構(gòu)體旋光異構(gòu)體順反異構(gòu)體：由于分子中

9、存在雙鍵或環(huán)，使原子或基團不能順反異構(gòu)體：由于分子中存在雙鍵或環(huán)，使原子或基團不能 繞鍵軸自由旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的立體異構(gòu)體。繞鍵軸自由旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的立體異構(gòu)體。旋光異構(gòu)體（也叫光學(xué)異構(gòu)體）：旋光異構(gòu)體（也叫光學(xué)異構(gòu)體）：由于手性碳原子的存在，由于手性碳原子的存在，繞手性碳原子的取代基團以特定的順序排列形成的立體異構(gòu)繞手性碳原子的取代基團以特定的順序排列形成的立體異構(gòu)體。（體。（-碳原子上的四個基團不同碳原子上的四個基團不同, ,只可能取兩種不同的空只可能取兩種不同的空間排布間排布, , 這兩種不同的空間排布稱為不同的構(gòu)型。）這兩種不同的空間排布稱為不同的構(gòu)型。）8. 構(gòu)型構(gòu)型：指立體異構(gòu)體分子中：指立

10、體異構(gòu)體分子中, 各原子或基各原子或基團在空間的相對分布或排列稱為分子的團在空間的相對分布或排列稱為分子的構(gòu)型。構(gòu)型的改變必須有共價鍵的斷裂。構(gòu)型。構(gòu)型的改變必須有共價鍵的斷裂。順反異構(gòu)體的構(gòu)型順反異構(gòu)體的構(gòu)型順式異構(gòu)體順式異構(gòu)體：兩個相同原子或基團在雙鍵同一側(cè)的為順式異構(gòu)體，也用 cis- 來表示。反式異構(gòu)體反式異構(gòu)體：兩個相同原子或基團分別在雙鍵兩側(cè)的為反式異構(gòu)體，也用 trans- 來表示。 反丁烯二酸反丁烯二酸旋光異構(gòu)體的構(gòu)型旋光異構(gòu)體的構(gòu)型D,LD,L標(biāo)記法標(biāo)記法人為規(guī)定，確定對映體的相對構(gòu)型。人為規(guī)定，確定對映體的相對構(gòu)型。人為規(guī)定：人為規(guī)定：以甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)，分子中以甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)，

11、分子中的的不對稱碳原子不對稱碳原子（即（即第二個碳原子）第二個碳原子）上的羥基有兩種安排，羥基在右面的上的羥基有兩種安排，羥基在右面的指定其構(gòu)型為型。指定其構(gòu)型為型。若分子中離羰基若分子中離羰基碳最遠(yuǎn)的那個手性碳原子碳最遠(yuǎn)的那個手性碳原子的構(gòu)型的構(gòu)型與與D-甘油醛相同，則為甘油醛相同，則為D型。型。人為規(guī)定：人為規(guī)定：指定羥基在左面的指定羥基在左面的甘油醛的構(gòu)型為型。甘油醛的構(gòu)型為型。若分子若分子中離羰基碳最遠(yuǎn)的那個手性碳中離羰基碳最遠(yuǎn)的那個手性碳原子的構(gòu)型與原子的構(gòu)型與L-甘油醛相同，甘油醛相同，則為則為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 ！構(gòu)型構(gòu)型DLDL和旋光方向和旋光方向(+)(-)(+)(-)是兩套不相干的符號；是兩套不相干的符號；D D、L L表示分子中原子在空間的排列方式；表示分子中原子在空間的排列方式；(+)(-) (+)(-) 表示使平面偏振光扭轉(zhuǎn)的方向表示使平面偏振光扭轉(zhuǎn)的方向. . D、L標(biāo)記法一般適用于含一個手性碳原子標(biāo)記法一般適用于含一個手性碳原子的化合物，標(biāo)示的是一個手性碳原子的空間結(jié)的化合物，標(biāo)示的是一個手性碳原子的空間結(jié)構(gòu)。在標(biāo)記氨基酸和糖類化合物的構(gòu)型時仍普構(gòu)。在標(biāo)記氨基酸和糖類化合物的構(gòu)型時仍普遍采用。遍采用。 R R、S S標(biāo)記法標(biāo)記法: :（B B）然

13、后把排在最后的原子或基團放在距觀察者最遠(yuǎn)）然后把排在最后的原子或基團放在距觀察者最遠(yuǎn)的地方，再看其它三個基團的排列走向，如果由大到的地方，再看其它三個基團的排列走向，如果由大到小是順時針排列的，是小是順時針排列的，是R R型，逆時針方向是型，逆時針方向是S S型。型。（A A）首先把與手性碳原子相連的四個原子或基團按）首先把與手性碳原子相連的四個原子或基團按優(yōu)先性順序規(guī)則來排列次序，較優(yōu)的原子或原子團優(yōu)先性順序規(guī)則來排列次序，較優(yōu)的原子或原子團排在前面。順序規(guī)則是原子序數(shù)高的比序數(shù)低的原排在前面。順序規(guī)則是原子序數(shù)高的比序數(shù)低的原子優(yōu)先性大。子優(yōu)先性大。步驟：步驟：觀察者觀察者2-2-丁醇丁醇

14、舉例：舉例：( (R)-)-RS分子命名時，每個手性碳原子都需標(biāo)明。 如D-葡萄糖的C2345分別是RSRR， 全稱為2R3S4R5R-五羥己醛糖。 名字很長，但結(jié)構(gòu)清晰。RS是各個手性碳原子的空間結(jié)構(gòu)。 外消旋物外消旋物立體異構(gòu)專一性立體異構(gòu)專一性（1）旋光異構(gòu)專一性）旋光異構(gòu)專一性: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，而對氨基酸氧化，而對D-氨基酸無作用。氨基酸無作用。（2）幾何異構(gòu)專一性）幾何異構(gòu)專一性: 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蘋果酸生成蘋果酸構(gòu)象：在有機化合物分子中，由于分子中構(gòu)象：在有機化合物分子中，由于分子中CC

15、單鍵自由旋轉(zhuǎn)而形成的原子或基團單鍵自由旋轉(zhuǎn)而形成的原子或基團在空間排列的多種形態(tài)稱為構(gòu)象。構(gòu)象在空間排列的多種形態(tài)稱為構(gòu)象。構(gòu)象的改變是由于單鍵的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的的改變是由于單鍵的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的, 不需不需有共價鍵的變化有共價鍵的變化(斷裂或形成斷裂或形成), 但涉及到但涉及到氫鍵等次級鍵的改變。氫鍵等次級鍵的改變。計算機）進行重組，繪出電子密度圖，從中構(gòu)建出三維分子圖像三維分子結(jié)構(gòu)模型。 核磁共振核磁共振( (NMR)是電磁波（無線電波）與原子核自旋相互作用的一是電磁波（無線電波）與原子核自旋相互作用的一種基本物理現(xiàn)象。種基本物理現(xiàn)象。NMR 波譜學(xué)具有最高的頻率分辨率。近年來越來波譜學(xué)具有最高的

16、頻率分辨率。近年來越來越多的化學(xué)家、生物學(xué)家和醫(yī)學(xué)家涉足其中。越多的化學(xué)家、生物學(xué)家和醫(yī)學(xué)家涉足其中。 目前生物目前生物NMR波譜學(xué)波譜學(xué)研究的前沿領(lǐng)域包括：研究的前沿領(lǐng)域包括：1. 生物分子三維結(jié)構(gòu)的生物分子三維結(jié)構(gòu)的NMR測定方法和應(yīng)用測定方法和應(yīng)用2. 生物分子相互作用、動力學(xué)及其與功能的關(guān)系研究方法和應(yīng)用生物分子相互作用、動力學(xué)及其與功能的關(guān)系研究方法和應(yīng)用3. 基于基于NMR的代謝組學(xué)研究方法和應(yīng)用的代謝組學(xué)研究方法和應(yīng)用4. 4. 生物組織的高分辨生物組織的高分辨NMR分析方法和應(yīng)用分析方法和應(yīng)用 l中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院核磁共振波譜實驗室中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院核磁共振

17、波譜實驗室： 主要用多維核磁共振波譜及計算生物學(xué)研究與重大疾病或重要生理功能相關(guān)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),動力學(xué)與功能關(guān)系,以及蛋白質(zhì)相互作用。 例題：科學(xué)家如何描述生物分子的構(gòu)造？答：科學(xué)家分別用構(gòu)型和構(gòu)象描述生物分子的構(gòu)造。（1）用構(gòu)型表現(xiàn)分子中的原子在空間的排布方式和相對位置。用構(gòu)象表現(xiàn)分子中的原子的空間位置，反映分子的立體形態(tài)。（2）生物分子在構(gòu)型和構(gòu)象上出現(xiàn)的異構(gòu)現(xiàn)象，都源于生物分子是含碳化合物，構(gòu)型源于碳原子的四個價鍵采取了四面體幾何構(gòu)型。當(dāng)四個不同的基團連接到一個碳原子上，四個基團將在四面體的四角排列，這樣將有兩種不同的構(gòu)型，彼此互為鏡像，如同我們的左右手，可以對疊，但不能重合。連有四個不同

18、的基團的這個碳原子是手性碳原子。構(gòu)象源于C-C單鍵的旋轉(zhuǎn)，C-C單鍵旋轉(zhuǎn)使分子產(chǎn)生多個特定的形態(tài)，即多個構(gòu)象異構(gòu)。（3）構(gòu)型的轉(zhuǎn)換必須有共價鍵的斷裂和形成，只能通過化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。構(gòu)象的轉(zhuǎn)換通過C-C單鍵的旋轉(zhuǎn)，但是分子的各種構(gòu)象異構(gòu)體并不是平均分布的，在室溫下總是以具有最低能量的構(gòu)象為主要的存在形式（優(yōu)勢構(gòu)象）。優(yōu)勢構(gòu)象往往具有最多的弱相互作用，因而是最穩(wěn)定的。穩(wěn)定生物大分子三維結(jié)構(gòu)的作用力穩(wěn)定生物大分子三維結(jié)構(gòu)的作用力包括包括靜電相互作用、靜電相互作用、氫鍵、范德華力、疏水相互作用。氫鍵、范德華力、疏水相互作用。a.靜電相互作用（也稱離子鍵、鹽鍵或鹽橋）：靜電相互作用（也稱離子鍵、鹽鍵或鹽橋

19、）：是生物分子中帶有電荷的基團之間的一種是生物分子中帶有電荷的基團之間的一種相互作用。相互作用。b. 氫鍵：氫鍵：與與電負(fù)性電負(fù)性大的原子大的原子X（氟、氯、氧、（氟、氯、氧、氮等）共價結(jié)合的氫，若與電負(fù)性大的原氮等）共價結(jié)合的氫，若與電負(fù)性大的原子子Y（與（與X相同的也可以）接近，在相同的也可以）接近，在X與與Y之之間以氫為媒介，生成間以氫為媒介，生成X_HY形式的鍵。這形式的鍵。這種鍵稱為氫鍵。種鍵稱為氫鍵。c. 范德華力范德華力:是存在于分子間的一種不具有方向性和飽和性，是存在于分子間的一種不具有方向性和飽和性，作用范圍在幾百個皮米之間的力，比氫鍵和離子鍵都弱作用范圍在幾百個皮米之間的力

20、，比氫鍵和離子鍵都弱 。它對物質(zhì)的沸點、熔點、氣化熱、熔化熱、溶解度、表面它對物質(zhì)的沸點、熔點、氣化熱、熔化熱、溶解度、表面張力、粘度等物理化學(xué)性質(zhì)有決定性的影響。張力、粘度等物理化學(xué)性質(zhì)有決定性的影響。 它由三部分作用力組成：它由三部分作用力組成：當(dāng)極性分子相互接近時，當(dāng)極性分子相互接近時，它們的固有偶極將同極相斥而異極相吸，定向排列，產(chǎn)生它們的固有偶極將同極相斥而異極相吸，定向排列，產(chǎn)生分子間的作用力，叫做取向力。偶極矩越大，取向力越大。分子間的作用力，叫做取向力。偶極矩越大，取向力越大。當(dāng)極性分子與非極性分子相互接近時，非極性分子在極當(dāng)極性分子與非極性分子相互接近時，非極性分子在極性分子的固有偶極的作用下，發(fā)生極化，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，性分子的固有偶極的作用下，發(fā)生極化，產(chǎn)生誘導(dǎo)偶極，然后誘導(dǎo)偶極與固有偶極相互吸引而產(chǎn)生分子間的作用力，然后誘導(dǎo)偶極與固有偶極相互吸引而產(chǎn)生分子間的作用力，叫做誘導(dǎo)力。極性分子之間也存在誘導(dǎo)力。叫做誘導(dǎo)力。極性分子之間也存在誘導(dǎo)力。非極性分子非極性分子之間，由于組成分子的正、負(fù)微粒不斷運動，產(chǎn)生瞬間正、之間，由于組成分子的正、負(fù)微粒不斷運動，產(chǎn)生瞬間正、負(fù)電荷重心不重合，而出現(xiàn)瞬時偶極。這種瞬時偶極之間負(fù)電荷重心不重合，而出現(xiàn)瞬時偶極。這種瞬時偶極之間的相互作用力，叫做色散力。分子量越大，色