第一章 概 述 第一節 概 述一、生物分子是生物特有的有機化合物生物分子泛指生物體特有的各類分子，它們都是有機物。典型的細胞含有一萬到十萬種生物分子，其中近半數是小分子，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，一般在一萬以上，有的高達1012，因而稱為生物大分子。構成生物大分子的小分子單元，稱為構件。氨基酸、核苷酸和單糖分別是組成蛋白質、核酸和多糖的構件。二、生物分子具有復雜有序的結構生物分子都有自己特有的結構。生物大分子的分子量大，構件種類多，數量大，排列順序千變萬化，因而其結構十分復雜。估計僅蛋白質就有1010-1012種。生物分子又是有序的，每種生物分子都有自己的結構特點，所有的生物分子都以一定的有序性(組織性)存在于生命體系中。三、生物結構具有特殊的層次生物用少數幾種生物元素(C、H、O、N、S、P)構成小分子構件，如氨基酸、核苷酸、單糖等;再用簡單的構件構成復雜的生物大分子;由生物大分子構成超分子集合體;進而形成細胞器，細胞，組織，器官，系統和生物體。生物的不同結構層次有著質的區別:低層次結構簡單，沒有種屬專一性，結合力強;高層次結構復雜，有種屬專一性，結合力弱。生物大分子是生命的物質基礎，生命是生物大分子的存在形式。生物大分子的特殊運動體現著生命現象。四、生物分子都行使專一的功能每種生物分子都具有專一的生物功能。核酸能儲存和攜帶遺傳信息，酶能催化化學反應，糖能提供能量。任何生物分子的存在，都有其特殊的生物學意義。人們研究某種生物分子，就是為了了解和利用它的功能。五、代謝是生物分子存在的條件代謝不僅產生了生物分子，而且使生物分子以一定的有序性處于穩定的狀態中，并不斷得到自我更新。一旦代謝停止，穩定的生物分子體系就要向無序發展，在變化中解體，進入非生命世界。六、生物分子體系有自我復制的能力遺傳物質DNA能自我復制，其他生物分子在DNA的直接或間接指導下合成。生物分子的復制合成，是生物體繁殖的基礎。七、生物分子能夠人工合成和改造生物分子是通過漫長的進化產生的。隨著生命科學的發展，人們已能在體外人工合成各類生物分子，以合成和改造生物大分子為目標的生物技術方興未艾。第二節 生物元素在已知的百余種元素中，生命過程所必需的有27種，稱為生物元素。生物體所采用的構成自身的元素，是經過長期的選擇確定的。生物元素都是在自然界豐度較高，容易得到，又能滿足生命過程需要的元素。一、主要生物元素都是輕元素主要生物元素C、H、O、N占生物元素總量的95%以上，其原子序數均在8以內。它們和S、P、K、Na、Ca、Mg、Cl共11種元素，構成生物體全部質量的99%以上，稱為常量元素，原子序數均在20以內。另外16種元素稱為微量元素，包括B,F,Si,Se,As,I,V,Cr,Mn,Fe,Co,Ni,Cu,Zn,Sn,Mo，原子序數在53以內。二、碳氫氧氮硫磷是生物分子的基本素材(一)碳氫是生物分子的主體元素碳原子既難得到電子，又難失去電子，最適于形成共價鍵。碳原子非凡的成鍵能力和它的四面體構型，使它可以自相結合，形成結構各異的生物分子骨架。碳原子又可通過共價鍵與其它元素結合，形成化學性質活潑的官能團。氫原子能以穩定的共價鍵于碳原子結合，構成生物分子的骨架。生物分子的某些氫原子被稱為還原能力，它們被氧化時可放出能量。生物分子含氫量的多少(以H/C表示)與它們的供能價值直接相關。氫原子還參與許多官能團的構成。與電負性強的氧氮等原子結合的氫原子還參與氫鍵的構成。氫鍵是維持生物大分子的高級結構的重要作用力。(二)氧氮硫磷構成官能團它們是除碳以外僅有的能形成多價共價鍵的元素，可形成各種官能團和雜環結構，對決定生物分子的性質和功能具有重要意義。此外，硫磷還與能量交換直接相關。生物體內重要的能量轉換反應，常與硫磷的某些化學鍵的形成及斷裂有關。一些高能分子中的磷酸苷鍵和硫酯鍵是高能鍵。三、無機生物元素(一)、利用過渡元素的配位能力過渡元素具有空軌道，能與具有孤對電子的原子以配位鍵結合。不同過渡元素有不同的配位數，可形成各種配位結構，如三角形，四面體，六面體等。過渡元素的絡和效應在形成并穩定生物分子的構象中，具有特別重要的意義。過渡元素對電子的吸引作用，還可導致配體分子的共價鍵發生極化，這對酶的催化很有用。已發現三分之一以上的酶含有金屬元素，其中僅含鋅酶就有百余種。鐵和銅等多價金屬離子還可作為氧化還原載體，擔負傳遞電子的作用。在光系統II中，四個錳原子構成一個電荷累積器，可以累積失去四個電子，從而一次氧化兩分子水，釋放出一分子氧，避免有害中間產物的形成。細胞色素氧化酶中的鐵-銅中心也有類似功能。(二)、利用常量離子的電化學效應K等常量離子，在生物體的體液中含量較高，具有電化學效應。它們在保持體液的滲透壓，酸堿平衡，形成膜電位及穩定生物大分子的膠體狀態等方面有重要意義。各種生物元素對生命過程都有不可替代的作用，必需保持其代謝平衡。氟是骨骼和牙釉的成分，以氟磷灰石的形式存在，可使骨晶體變大，堅硬并抗酸腐蝕。所以在飲食中添加氟可以預防齲齒。氟還可以治療骨質疏松癥。但當水中氟含量達到每升2毫克時，會引起斑齒，牙釉無光，粉白色，嚴重時可產生洞穴。氟是烯醇化酶的抑制劑，又是腺苷酸環化酶的激活劑。硒缺乏是克山病的病因之一，而硒過多也可引起疾病，如亞硒酸鹽可引起白內障。糖耐受因子（GTF）可以促使胰島素與受體結合，而鉻可以使煙酸、甘氨酸、谷氨酸、半胱氨酸等與GTF絡合。某些非生物元素進入體內，能干擾生物元素的正常功能，從而表現出毒性作用。如鎘能置換鋅，使含鋅酶失活，從而使人中毒。某些非生物元素對人體有益，如有機鍺可激活小鼠腹腔巨嗜細胞，后者介導腫瘤細胞毒和抗原提呈作用，從而發揮免疫監視、防御和抗腫瘤作用。第三節 生物分子中的作用力一、兩類不同水平的作用力生物體系有兩類不同的作用力，一類是生物元素借以結合稱為生物分子的強作用力-共價鍵，另一類是決定生物分子高層次結構和生物分子之間借以相互識別，結合，作用的弱作用力-非共價相互作用。二、共價鍵是生物分子的基本形成力共價鍵(covalent bond)的屬性由鍵能，鍵長，鍵角和極性等參數來描述，它們決定分子的基本結構和性質。(一)鍵能鍵能等于破壞某一共價鍵所需的能量。鍵能越大，鍵越穩定。生物分子中常見的共價鍵的鍵能一般在300-800kj/mol之間。(二)鍵長鍵長越長，鍵能越弱，容易受外界電場的影響發生極化，穩定性也越差。生物分子中鍵長多在0.1到0.18nm之間。(三)鍵角共價鍵具有方向性，一個原子和另外兩個原子所形成的鍵之間的夾角即為鍵角。根據鍵長和鍵角，可了解分子中各個原子的排列情況和分子的極性。(四)鍵的極性共價鍵的極性是指兩原子間電子云的不對稱分布。極性大小取決于成鍵原子電負性的差。多原子分子的極性狀態是各原子電負性的矢量和。在外界電場的影響下，共價鍵的極性會發生改變。這種由于外界電場作用引起共價鍵極性改變的現象稱為鍵的極化。鍵的極性與極化，同化學鍵的反應性有密切關系。(五)配位鍵對生物分子有特殊意義配位鍵(coordinate bond)是特殊的共價鍵，它的共用電子對是由一個原子提供的。在生物分子中，常以過渡元素為電子受體，以化學基團中的O、N、S、P等為電子供體，形成多配位絡和物。過渡元素都有固定的配位數和配位結構。在生物體系中，形成的多配位體，對穩定生物大分子的構象，形成特定的生物分子復合物具有重要意義。由多配位體所產生的立體異構現象，甚至比手性碳所引起的立體異構現象更為復雜。金屬元素的絡和效應，因能導致配體生物分子內鍵發生極化，增強其反應性，而與酶的催化作用有關。三、非共價相互作用(一)、非共價作用力對生物體系意義重大非共價相互作用是生物高層次結構的主要作用力。非共價作用力包括氫鍵，靜電作用力，范德華力和疏水作用力。這些力屬于弱作用力，其強度比共價鍵低一兩個數量級。這些力單獨作用時，的確很弱，極不穩定，但在生物高層次結構中，許多弱作用力協同作用，往往起到決定生物大分子構象的作用。可以毫不夸張地說，沒有對非共價相互作用的理解，就不可能對生命現象有深刻的認識。各種非共價相互作用結合能的大小也有差別，在不同級別生物結構中的地位也有不同。結合能較大的氫鍵，在較低的結構級別(如蛋白質的二級結構)，較小的尺度間，把氫受體基團與氫供體基團結合起來。結合能較小的范德華力則主要在更高的結構級別，較大的尺度間，把分子的局部結構或不同分子結合起來。(二)、氫鍵氫鍵(hydrogen bond)是一種弱作用力，鍵能只相當于共價鍵的1/30-1/20(12-30 kj/mol)，容易被破壞，并具有一定的柔性，容易彎曲。氫原子與兩側的電負性強的原子呈直線排列時，鍵能最大，當鍵角發生20度偏轉時，鍵能降低20%。氫鍵的鍵長比共價鍵長，比范德華距離短，約為0.26-0.31nm。氫鍵對生物體系有重大意義，特別是在穩定生物大分子的二級結構中起主導作用。(三)、范德華力范德華力是普遍存在于原子和分子間的弱作用力，是范德華引力與范德華斥力的統一。引力和斥力分別和原子間距離的6次方和12次方成反比。二者達到平衡時，兩原子或原子團間保持一定的距離，即范德華距離，它等于兩原子范德華半徑的和。每個原子或基團都有各自的范德華半徑。范德華力的本質是偶極子之間的作用力，包括定向力、誘導力和色散力。極性基團或分子是永久偶極，它們之間的作用力稱為定向力。非極性基團或分子在永久偶極子的誘導下可以形成誘導偶極子，這兩種偶極子之間的作用力稱為誘導力。非極性基團或分子，由于電子相對于原子核的波動，而形成的瞬間偶極子之間的作用力稱為色散力。范德華力比氫鍵弱得多。兩個原子相距范德華距離時的結合能約為4kj/mol，僅略高于室溫時平均熱運動能(2.5kj/mol)。如果兩個分子表面幾何形態互補，由于許多原子協同作用，范德華力就能成為分子間有效引力。范德華力對生物多層次結構的形成和分子的相互識別與結合有重要意義。(四)、荷電基團相互作用荷電基團相互作用，包括正負荷電基團間的引力，常稱為鹽鍵(salt bond)和同性荷電基團間的斥力。力的大小與荷電量成正比，與荷電基團間的距離平方成反比，還與介質的極性有關。介質的極性對荷電基團相互作用有屏蔽效應，介質的極性越小，荷電基團相互作用越強。例如，-COO-與-NH3+間在極性介質水中的相互作用力，僅為在蛋白質分子內部非極性環境中的1/20，在真空中的1/80。(五)、疏水相互作用疏水相互作用(hydrophobic interaction)比范德華力強得多。例如，一個苯丙氨酸側鏈由水相轉入疏水相時，體系的能量降低約40kj/mol。生物分子有許多結構部分具有疏水性質，如蛋白質的疏水氨基酸側鏈，核酸的堿基，脂肪酸的烴鏈等。它們之間的疏水相互作用，在穩定蛋白質，核酸的高層次結構和形成生物膜中發揮著主導作用。top第四節 生物分子低層次結構的同一性一、碳架是生物分子結構的基礎碳架是生物分子的基本骨架，由碳，氫構成。生物分子碳架的大小組成不一，幾何形狀結構各異，具有豐富的多樣性。生物小分子的分子量一般在500以下，包括2-30個碳原子。碳架結構有線形的，有分支形的，也有環形的;有飽和的，也有不飽和的。變化多端的碳架與種類有限的官能團，共同組成形形色色的生物分子的低層次結構-生物小分子。二、官能團限定分子的性質(一)官能團是易反應基團官能團是生物分子中化學性質比較活潑，容易發生化學反應的原子或基團。含有相同官能團的分子，具有類似的性質。官能團限定生物分子的主要性質。然而，在整個分子中，某一官能團的性質總要受到分子其它部分電荷效應和立體效應的影響。任何一種分子的具體性質，都是其整體結構的反應。(二)主要的官能團生物分子中的主要官能團和有關的化學鍵有:羥基(hydroxyl group) 有極性，一般不解離，能與酸生成酯，可作為氫鍵供體。羰基(carbonyl group) 有極性，可作為氫鍵受體。羧基(carboxyl group) 有極性，能解離，一般顯弱酸性。氨基(amino group) 有極性，可結合質子生成銨陽離子。酰胺基(amido group) 由羧基與氨基縮合而成，有極性，其中的氧和氮都可作為氫鍵供體。肽鏈中聯接氨基酸的酰胺鍵稱為肽鍵。巰基(sulfhydryl group) 有極性，在中性條件下不解離。易氧化成二硫鍵-S-S。胍基(guanidino group) 強堿性基團，可結合質子。胍基磷酸鍵是高能鍵。雙鍵(double bond) 由一個鍵和一個鍵構成，其中鍵鍵能小，電子流動性很大，易發生極化斷裂而產生反應。雙鍵不能旋轉，有順反異構現象。規定用順(cis)表示兩個相同或相近的原子或基團在雙鍵同側的異構體，用反(trans)表示相同原子位于雙鍵兩側的異構體。焦磷酸鍵(pyrophosphate bond) 由磷酸縮合而成，是高能鍵。一摩爾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。氧酯鍵(ester bond)和硫酯鍵(thioester bond) 分別由羧基與羥基和巰基縮水而成。硫酯鍵是高能鍵。磷酸酯鍵(phosphoester bond) 由磷酸與羥基縮水而成。磷酸與兩個羥基結合時，稱為磷酸二酯鍵。這兩種鍵中的磷酸羥基可解離成陰離子。生物小分子大多是雙官能團或多官能團分子，如糖是多羥基醛(酮)，氨基酸是含有氨基的羧酸。官能團在碳鏈中的位置和在碳原子四周的空間排布的不同，進一步豐富了生物分子的異構現象。三、雜環集碳架和官能團于一體(一)大部分生物分子含有雜環雜環(heterocycle)是碳環中有一個或多個碳原子被氮氧硫等雜原子取代所形成的結構。由于雜原子的存在，雜環體系有了獨特的性質。生物分子大多有雜環結構，如氨基酸中有咪唑，吲哚;核苷酸中有嘧啶，嘌呤，糖結構中有吡喃和呋喃。(二)分類命名和原子標位1.分類 根據成環原子數目分為五元雜環和六元雜環等。根據環的數目分為單雜環和稠雜環。2.命名 雜環的命名法有兩種，即俗名與系統名。我國常用外文俗名譯音用帶口旁的漢字表示。(三)常見雜環五元雜環:呋喃，吡咯，噻吩，咪唑等六元雜環:吡喃，吡啶，嘧啶等稠雜環:吲哚，嘌呤等四、異構現象豐富了分子結構的多樣性(一)生物分子有復雜的異構現象異構體(isomer)是原子組成相同而結構或構型不同的分子。異構現象分類如下:1.結構異構 由于原子之間連接方式不同所引起的異構現象稱為結構異構。結構異構包括:(1)由碳架不同產生的碳架異構;(2)由官能團位置不同產生的位置異構;(3)由官能團不同而產生的官能團異構。如丙基和異丙基互為碳架異構體，a-丙氨酸和b-丙氨酸互為位置異構體，丙醛糖和丙酮糖互為官能團異構體。2.立體異構 同一結構異構體，由于原子或基團在三維空間的排布方式不同所引起的異構現象稱為立體異構現象。立體異構可分為構型異構和構象異構。通常將分子中原子或原子團在空間位置上一定的排布方式稱為構型。構型異構是結構相同而構型不同的異構現象。構型異構又包括順反異構和光學異構。構型相同的分子，可由于單鍵旋轉產生很多不同立體異構體，這種現象稱為構象異構。互變異構指兩種異構體互相轉變，并可達到平衡的異構現象。各種異構現象豐富了生物分子的多樣性，擴充了生命過程對分子結構的選擇范圍。(二)手性碳原子引起的光學異構左手與右手互為實物與鏡像的關系，不能相互重合。分子與其鏡像不能相互重合的特性稱為手性(chirality)，生物分子大多具有手性。結合4個不同原子或基團的碳原子，與其鏡像不能重合，稱為手性碳原子，又稱不對稱碳原子。手性碳原子具有左手與右手兩種構型。具有手性碳原子的分子，稱為手性分子。具有n個手性碳原子的分子，有2n個立體異構體。兩兩互有實物與鏡像關系的異構體，稱為對映體(enantiomer)。彼此沒有實物與鏡像關系的，稱為非對映體。對映體不論有幾個手性碳原子，每個手性碳原子的構型都對應相反。非對映體有兩個或兩個以上手性碳原子，其中只有部分手性碳原子構型相反。其中只有一個手性碳原子構型相反的，又稱為差向異構體(epimer)。手性分子具有旋光性，所以又稱為光學異構體。手性分子構型表示法:有L-D系統和R-S系統兩種。生物化學中習慣采用前者，按系統命名原則，將分子的主鏈豎向排列，氧化度高的碳原子或序號為1的碳原子放在上方，氧化度低的碳原子放在下方，寫出費歇爾投影式。規定:分子的手性碳處于紙面，手性碳的四個價鍵和所結合的原子或基團，兩個指向紙面前方，用橫線表示，兩個指向紙面后方，用豎線表示。例如，甘油醛有以下兩個構型異構體:人為規定羥基在右側的為D-構型，在左側是L-構型。括