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2011南京化学夏令营 有机天然产物 高分子化合物


2011年 扬子石化”杯第25届全国中学生化学 2011年“扬子石化”杯第25届全国中学生化学 25 竞赛(江苏赛区) 7.12~ 竞赛(江苏赛区)选拔赛暨夏令营 7.12~
7.22

第十讲 有机天然产物 高分子化合物

Dr. 朱 丹

第一部分 生命的基本物质

地球上的生物种类

繁多、 地球上的生物种类繁多、形态与结构 千差万别, 千差万别,但各种生物的化学组成基本相 代谢过程相似。 同,代谢过程相似。生命活动有共同的物 质基础,然而各显其特点。 质基础,然而各显其特点。

一、

生物体的主要元素

生物具有多样性,但生物体的 化学组成基本相似
组成生物体的主要元素 包括C、H、O、N、P、S、Ca等, 以上7种元素约占生物体的 99.35%,其中C、H、O、N 4种 元素占96%。

人体元素成分
常量元素 微量元素

二、 构成生物体的化合物
(一)水

水: 占生物体内化合物第一位
生命来自于水,水是生物体含量最高的物质, 生命来自于水,水是生物体含量最高的物质, 通常占细胞总量60% 90%。 60%~ 通常占细胞总量60%~90%。细胞中的所有反应都是 在水中进行的,如果无水,酶的活动便无法进行。 在水中进行的,如果无水,酶的活动便无法进行。 所以水是生命的活动介质。 所以水是生命的活动介质。

水在人体结构中的比例
水约占人体组成的70%。男性体内含水分 。 水约占人体组成的 较女性多,年轻的人较年长者多, 较女性多,年轻的人较年长者多,新生儿 体内含水量约为70~75%。在人体不同组 体内含水量约为 。 织中水分含量不同。 织中水分含量不同。 骨骼和软骨——10% 骨骼和软骨 脂肪——占脂肪总量的 占脂肪总量的20~35% 脂肪 占脂肪总量的 肌肉——占肌肉总量的 占肌肉总量的70% 肌肉 占肌肉总量的 血液——91~92% 血液

(二)无机盐
无机盐约占人体重量的5%;构成骨骼、牙齿 ;构成骨骼、 无机盐约占人体重量的 等坚硬组织; 等坚硬组织;在肌肉其他软组织也有许多无机盐 与有机物相结合而存在。此外, 与有机物相结合而存在。此外,作为可溶性盐存 在于体液、消化液和血液中。由于新陈代谢作用, 在于体液、消化液和血液中。由于新陈代谢作用, 每天有一定数量的无机盐从各种途径排出体外, 每天有一定数量的无机盐从各种途径排出体外, 因此每天必须从食物来补充。 因此每天必须从食物来补充。无机盐在食物中分 布很广,一般指含量较多的钙、 布很广,一般指含量较多的钙、钠、钾、镁、磷、 硫和氯等七种元素构成的盐。 硫和氯等七种元素构成的盐。

无机离子的功能有: 无机离子的功能有
体液中的主要无机盐有: 体液中的主要无机盐有:Na+、K+ 、Ca2+、Mg2+、Cl- 、 它们执行非常重要的生理功能。 HCO3- 、 HPO42-等,它们执行非常重要的生理功能。 核苷酸所必需的;Fe3+是细胞色素、血红蛋白的成分; b.维持细胞内的pH和渗透压,以保持细胞的正常生理 活动; c.参与细胞的生命活动; d.作为酶反应的辅助因子。

a.直接参与生物大分子的形成,如PO43- 是合成磷脂、

(三)有机大分子
构成生物体的分子主要是有机物, 构成生物体的分子主要是有机物,有机物主要是 碳化合物。碳原子可以形成四个价键, 碳化合物。碳原子可以形成四个价键,既能与其他 碳原子共价连接成为稳定的链式或环式碳链结构, 碳原子共价连接成为稳定的链式或环式碳链结构, 称为碳骨架 也能与氢、 碳骨架。 称为碳骨架。也能与氢、氧、氮、硫和磷原子形成 共价键。 共价键。连接在碳链上的特定功能团更使碳化合物 具有不同的特性。 具有不同的特性。

生物多样性的分子基础就在于碳原子可以 形成众多的形状与性质各异的复杂的生物大分 生物大分子主要有糖类 蛋白质、核酸。 糖类、 子。生物大分子主要有糖类、蛋白质、核酸。

第二部分 高分子化合物

一、高 分 子 基 本 概 念
根据IUPAC1996年之建议: 根据IUPAC1996年之建议:Excerpt from Pure Appl. Chem. 1996, 68, 2287 - 2311 IUPAC1996年之建议

1. 高 分 子

Polymer molecule, Macromolecule

也叫聚合物分子或大分子,具有高的相对分子量, 也叫聚合物分子或大分子,具有高的相对分子量,其结 聚合物分子 高的相对分子量 构必须是由多个重复单元所组成, 重复单元所组成 构必须是由多个重复单元所组成,并且这些重复单元实 际上或概念上是由相应的小分子衍生而来。 际上或概念上是由相应的小分子衍生而来。

CH2-CH CH2-CH CH2-CH Cl Cl Cl 实际上
H2C CH Cl
聚氯乙烯

CH2 CH OH
聚乙烯醇

CH2 CH OH

高 分 子 科 学 简 史

天然高分子 的直接利用 天然高分子 的化学改性

淀粉、蛋白质、棉麻丝、 淀粉、蛋白质、棉麻丝、竹、木等

天然橡胶的硫化, 天然橡胶的硫化, 硝化纤维的合成等

高 分 子 合 成 高 分 子 时 代

缩聚反应,自由基、配位、 缩聚反应,自由基、配位、离子聚合等

2. 单体 能够进行聚合反应, 能够进行聚合反应,并构成高分子基本结构组成单元的小分 子。
聚 合 反 应 小 分 子 高 分 子

Polymerization
单 体

Monomer

3. 聚合反应 聚合反应:使单体变为聚合物的反应。 聚合反应:使单体变为聚合物的反应。 按反应类型分类:加聚反应、 按反应类型分类:加聚反应、 缩聚反应

加聚反应
不饱和烯烃类单体经加成聚合而 形成高分子的反应称为加聚反应
H C H2 C

n

HC

CH2

n

天然橡胶:聚异戊二烯 天然橡胶:

H3C CH2

H

H3C CH2

H2C

H2C

H

顺式

反式

全 顺 : 巴 西 橡 胶

全 反: 杜仲 胶

R

R

R

R

R

全同
R R R

间同
R R R R R R

无规

R

H2 H2 C C

H2 H C C

H2 H C C

n

CH3 CH3 H2 C C

n

Cl

n

H2 H C C

n

H2 H C C

COOCH3

n

CN

n

缩聚反应
具有两个以上活性功能团的低分 子物质通过分子间的缩合反应,形成 子物质通过分子间的缩合反应, 高分子化合物的反应

酚醛树脂
OH OH CH2OH
+ HCHO

OH CH2OH
+ HCHO

OH H2 C

OH

+

H 2O

OH

OH H2 C + 2 CH2O

OH H2 C

3

OH

尼龙6 尼龙6
H2 N (CH2)5C O OH H2N (CH2)5C O OH

H

H N

(CH2)5C O

OH n

+ n H 2O

尼龙66 尼龙66
O H2N (CH2)6 NH2 HO C
(CH2)4

O C OH

-H2O

O N H (CH2)6 NH C
(CH2)4

O C
n

OH

其它例子
CH3 Si O H O CH2CH2 O O C O C OH

CH3

n

n 聚酯

硅橡胶

聚碳酸酯

二、高 分 子 的 链 结 构
线形高分子 环状高分子 支化高分子

梳形高分子

星形高分子

梯形高分子

网状高分子

体型高分子

应用举例

硬化橡胶( 20-30%硫)

酚醛塑料(Bakelite) 酚醛塑料(Bakelite)

PVC

应用
Teflon

聚苯乙烯(Polystyrene)

尼龙66

历史人物
1953年诺贝尔化学奖 1963年诺贝尔化学奖

Hermann Staudinger (1881~1965)

Karl Ziegler (1898~1973)

Giulio Natta (1903~1979)

联邦德国

联邦德国

意大利

历史人物
1974年诺贝尔化学奖 1991年诺贝尔物理奖

Wallace Carothers (1896~1937)

Paul John Flory (1910~1985)

P. G. de Gennes

(1932~2007)

美国

美国

法国

历史人物
2000年诺贝尔化学奖

Hideki Shirakawa

Alan MacDiarmid (1929~2007)

Alan J Heeger (1936~)

(1936~) 日本

美国

美国

“在人类历史上,几乎没有什么科学技术象高分子科学这样对 在人类历史上, 在人类历史上 人类社会做出如此巨大的贡献. 人类社会做出如此巨大的贡献.”

制 约 因 素 :高分子制品废弃后对环境的污染 高分子制品废弃后对环境的污染 解决途径

(1)延长使用寿命:减少废弃 )延长使用寿命: (2)回收利用:低性能应用;降解 )回收利用:低性能应用; (3)自然降解:自然分解回归自然 )自然降解:

“We are now faced with the fact, my friends, that tomorrow is today. We are confronted with the fierce urgency of now. In this unfolding conundrum of life and history, there is such a thing as being too late.” Martin Luther King, 1967

第三部分

生物大分子

§1 糖类化合物
一、概述 糖类是由C、H、O三种元素构成,习惯 称为碳水化合物,是生命活动的能源物 质,是生物的结构组成部分。
结构特点: 多羟基醛、 酮或多羟基醛、 结构特点 : 多羟基醛 、 酮或多羟基醛 、 酮 的缩合物 结构通式: 结构通式:C n ( H 2 O ) m 按能否水解和水解后生成物质进行分类: 按能否水解和水解后生成物质进行分类: 单糖;低聚糖; 单糖;低聚糖;多糖

1. 定义
糖类是多羟基醛或多羟基酮及其缩聚物 和某些衍生物的总称

2. 来源 光合作用:在日光作用下, 光合作用:在日光作用下,通过叶绿 素的催化作用, 素的催化作用,将空气中的二氧化 碳和水转化为碳水化合物。 碳和水转化为碳水化合物。
日光 6 CO2 + H2O 叶绿素 C6H12O6 + 6 O2

植物光合作用 6 CO2 + H2O 动物呼吸作用 C6H12O6 + 6 O2

3. 糖的分布及其重要性:
分布 (1)所有生物的细胞质和细胞核含有核糖 (2)动物血液中含有葡萄糖 (3)肝脏中含有糖元 (4)植物细胞壁由纤维素所组成 (5)粮食中含淀粉 5 (6)甘蔗,甜菜中含大量蔗糖 重要性 (1)水+CO2 光合作用 碳水化合物 (2)动物直接或间接从植物获取能量 (3)糖类是人类最主要的能量来源 (4)糖类也是结构成分 (5)纤维素是植物的结构糖

4. 分类

二、单糖
单糖是构成多糖的单体,是由C、H、O 三种元素所组成的多羟基的酮或醛的衍生 物,通常C、H、O三种元素的比例为1:2: 1,分子通式为(CH2O)n,其中n≥3。但 ( 符合此通式的并不一定都是糖,如乳酸 C3H6O3即是一例;相反也有个别的糖不符 合此通式,如脱氧核糖C5H10O4,鼠李糖 C6H12O5。

(一)单糖定义

单糖:不能水解的多羟基醛、酮 单糖:不能水解的多羟基醛、
根据羰基结构分 醛糖; 类:醛糖;酮糖 根据碳原子数目 及羰基结构分类: 及羰基结构分类: 某醛糖; 某醛糖;某酮糖

CHO
CHOH CHOH CH2OH

CH2OH
C=O CHOH CH2OH

(二)单糖结构构象

1.单糖的开环结构_菲舍尔投影式 1.单糖的开环结构_ 单糖的开环结构 D-葡萄糖 D-果糖 C6H12O6 C6H12O6

CHO 1 H OH 2 CH2OH 3
D-甘油醛 甘油醛

投影式几种写法
CHO H HO H H OH H OH OH CH2OH HO OH OH CH2OH CH2OH CHO OH CHO

2. 单糖的环形结构 醛 + 醇 半缩醛

1CHO
H HO H H OH H OH H H OH H

5
HOH2C OH OH H OH

1
CHO

5

OH

CH2OH CH2OH H OH CH2OH

5
H OH OH

1
CHO OH OH

HO OH CHO

OH

开环结构和闭环结构

α

D-果糖

3. 单糖构象
β -D-葡萄糖 - α -D-葡萄糖 -
OH

H OH H HO HO H H OH H OH O HO HO

O

OH OH

(三) 糖的性质 三

1. 葡萄糖的变旋现象
CHO

不能成脎,不能变旋,没有还原性
OH H OH H HO HO OH H OH CH2OH OH H OH HO OH OH OH O HO HO O

2. 还原性:与本尼迪特试剂反应 还原性:

Cu2O

COOH H HO H H OH H OH OH COOH HNO3 H HO H H

CHO OH H OH OH CH2OH H Br2 H2O HO H H

COOH OH H OH OH CH2OH

单糖易被碱性弱氧化剂氧化说明它们具有还原性,所 D-葡萄糖二酸 葡萄糖二酸 D-葡萄糖酸 葡萄糖酸 以把它们叫做还原糖。

3. 邻二醇等的氧化
R H C O OH R' HIO4 R C O OH + R' C O H

R

H C

H C

2 HIO4 CHO R C O H + H C O OH + H C O OH

OH OH

R

H C

2 HIO4 C CH2OH R C O H + CO2 + H C O H

OH O

4. 形成缩醛:糖苷 形成缩醛:
OR R C R
CH2OH O OH OH OH + CH3OH OH HCl CH2OH O OH OH OCH3 OH + OH OH OH

OR OH

+

ROH

R

C R

OR

CH2OH O OCH3

甲基- 葡萄糖苷 甲基-α -葡萄糖苷 单糖环状半缩醛结构中的半缩醛羟基与另一分子醇或 羟基作用时,脱去一分子水而生成缩醛。糖的这种缩 醛称为糖苷。

H OH

水杨苷,苦杏仁苷
H O O H OH H HOH2C HOH2C HO

HO HO

H

H OH H HO HO H H OH HO H HO H H OH CN H H O H O O CH O

5. 成脎
CHO H HO H H OH H OH OH CH2OH 3 C6H5NH-NH2 HO H H N-NHC6H5 N-NHC6H5 3 C6H5NH-NH2 H OH OH CH2OH HO H H CH2OH O H OH OH CH2OH

α-羟基醛或 羟基酮的特有反应 羟基醛或α-羟基酮的特有反应 羟基醛或
O C6H5NH-NH2 N-NHC6H5

OH H

C6H5NH-NH2

O

C6H5NH2

NH3

6. 成醚;糖苷键水解 成醚;
CH2OH O OCH3 OH OH OH NaOH (CH3)2SO4 CH2OCH3 O OCH3 OCH3 OCH3 OCH3

CH2OCH3 O OH OCH3 OCH3 OCH3 稀盐酸

7. 成酯
OH HO HO O CHOH OH (CH3CO)2O H3COCO H3COCO OCOCH3 O CHOCOCH3 OCOCH3

单糖分子中含多个羟基,这 五乙酸- 葡萄糖酯 五乙酸-D-葡萄糖酯 些羟基能与酸作用生成酯。人 五乙酰基- 葡萄糖 五乙酰基-D-葡萄糖 体内的葡萄糖在酶作用下生成 葡萄糖磷酸酯,如1-磷酸吡喃葡 萄糖和6-磷酸吡喃葡萄糖等。 OPO3H2 单糖的磷酸酯在生命过程中具 O HO 有重要意义,它们是人体内许 6-磷酸-D-葡萄糖酯 -磷酸- 葡萄糖酯 HO CHOH OH 多代谢的中间产物。

核糖
核糖是五碳糖,其第2位碳的羟基脱去氧则成为2 核糖是五碳糖,其第2位碳的羟基脱去氧则成为2-脱氧核 核糖与2 脱氧核糖是组成核苷酸的重要成分。 糖,核糖与2-脱氧核糖是组成核苷酸的重要成分。

核 苷 酸

三、二糖 三、二糖
一个单糖苷羟基与另一单糖的某 一羟基脱水而成
H OH H HO HO H H OH OH H H O HO HO H OH H OH H OH H O

麦芽糖由两分子葡萄糖单体 脱水缩合形成 蔗糖由一分子葡萄糖和一分 子果糖缩合形成 乳糖由一分子葡萄糖和一分 子半乳糖缩合而成

还原性双糖: 还原性双糖:一分子单糖的半缩醛羟基与另一 分子单糖的醇羟基失水
OH

麦芽糖: α-1,4- 糖苷键
O OH OH O O HO OH OH

HO HO

?变旋 现象

OH OH O HO HO OH O HO OH OH O

?还原 性

纤维二糖: β-1,4- 糖苷键

?成脎

非还原性二糖:两个单糖的苷 非还原性二糖: 羟基失水而成
蔗糖 α- D-葡萄糖 - 和β -D-果糖 - 失水 两个单糖均成苷

四、多糖
由多个单糖分子缩聚而成 由多个单糖分子缩聚而成 缩聚 ? 重要的多糖有淀粉、糖原、纤维素、氨基葡聚糖等

性质: 性质: 直链淀粉-在冷水 ???直链淀粉 在冷水 中不溶解,略溶于热水 中不溶解, 支链淀粉-吸收水 ???支链淀粉 吸收水 分,吸水后膨胀成糊状 直链淀粉: ???直链淀粉:以α (1→4)糖苷键型缩合而 ) 成的 遇碘紫兰色

支链淀粉
除α-1,4-糖苷键外, 还有α-1,6-糖苷键连 接的分支 高度分散性 易溶 于水

纤维素
纤维素是D-葡萄糖以β1,4苷键构成的多糖,分 子不分支; 纤维素分子以氢键构成 平行的微晶体,氢键的 牢固性虽较弱,但氢键 较多,故微晶束相当牢 固; 植物细胞壁的纤维素在 一般加工条件下不会溶 解,无还原性,人体不 能利用纤维素。

OH

淀粉
O

HO HO OH

1 4
O HO

OH

O OH OH O HO OH OH

O

OH O HO HO OH O HO

OH OH O

纤维素
O OH OH

O OH HO

灵芝、巴西蘑菇 甲壳素、壳聚糖 肝素

脑苷脂: 脑苷脂:存在于神经组织中
CH2OH OH OH O

O OCH2CHNHC(CH2)22CH3 CHOH CH OH CH(CH2)12CH3

鞘糖脂在许多特殊的生物学功能中是非 常重要的。如红细胞表面的中性鞘糖脂 使血细胞具有血型的专一性;神经节苷 脂类在神经末梢含量丰富,可能它在神 经突触的传导中起重要作用,也可能参 与某些受体部位;细胞表面的神经节苷 脂和其他鞘糖脂可能与组织或器官的专 一性有关,还可能与免疫和细胞间识别、 发育、分化有关。

§2 脂类(lipids)化合物
脂类的组成和功能
脂类是脂肪、磷脂、类固醇等类化合物的总称。 脂类分子也含C、H、O 3种元素,但H:O远大于2,有 些脂含P和N,各种脂类分子的结构可以差异很大。 脂类不溶于水,可溶于非极性溶剂。 脂类是生物膜的主要成分;脂肪氧化时产生的能量大 约是糖氧化时的二倍。 生物表面的保护层/保持体温/生物活性物质。

脂类的定义
在一个分子中兼备了亲水性的部分和与 之完全相反性质的亲油性(疏水性)部 分的分子



尾 亲油性部分

亲水性部分

一、油脂
油脂是指猪油、牛油、花生油、豆油、 油脂是指猪油、牛油、花生油、豆油、 桐油等动植物油 主要成分为三分子高级脂肪酸与甘油形 成的酯

1. 脂肪酸
脂肪:由甘油醇和 脂肪 脂肪酸结合成的酯
脂肪酸: 脂肪酸:长直链单羧 酸 C12-C24(偶数碳 - ( 原子) 原子) 饱和

不饱和( 不饱和(一至多个 双键) 双键)

常见脂肪酸
俗名 系统名 结构式 熔点

月桂酸

十二酸

CH3(CH2)10COOH

44

硬脂酸

十八酸

CH3(CH2)16COOH

71.2

油酸

9-十八碳烯酸 -

CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH

16.3



2. 油脂的反应

皂化:将油脂用氢氧化钠(或氢氧化钾) 皂化:将油脂用氢氧化钠(或氢氧化钾)
水解,就得到脂肪酸的钠盐(或钾盐) 水解,就得到脂肪酸的钠盐(或钾盐)和 O 甘油。高级脂肪酸的钠盐就是肥皂。 甘油。高级脂肪酸的钠盐就是肥皂。
H2C O C O 3NaOH HC O C O C R HC OH + 3 R C ONa R H2C OH O

H2C

O

R

H2C

OH

加成:油脂中不饱和键与卤素作用,生成卤代脂肪酸, 加成:油脂中不饱和键与卤素作用,生成卤代脂肪酸,
这一作用称为卤化作用。 这一作用称为卤化作用。

氢化: 氢化:

3. 肥皂及表面活性剂
肥皂:70%高级脂肪酸钠 30%水 高级脂肪酸钠, 肥皂:70%高级脂肪酸钠,30%水 亲水基团和疏水基团:一个既具有亲 亲水基团和疏水基团: 水基,又具有亲油基的分子叫两亲分 子,肥皂分子在水中时许多分子的烃 基链彼此靠色散力绞在一起,形成一 个球形而将亲水部分露在球面上,叫 胶束。

胶束





二、磷脂
?
又称磷酸甘油脂 ,与脂肪不同之 处在于甘油的一 个羟基不是与脂 肪酸结合成酯, 而是与磷酸及其 衍生物(如磷酸胆 碱)结合,形成卵 磷脂

磷脂

?

卵磷脂是生物膜脂质双层的主要成分,磷酸胆碱一 端为极性的头,两个脂肪酸一端为非极性的尾,其 中一个脂肪酸通常含不饱和双键,因此总有点弯折

类固醇
固醇类物质包括胆固醇、性激素、肾上腺皮质 激素、维生素D原等。胆固醇和磷脂一样,也可以 同蛋白质结合成脂蛋白,作为细胞膜的一部分。 维生素D原是形成维生素D的前身物,如皮肤里 有一种7-去氢胆固醇,在紫外线照射下可转变为维 生素D。 性激素、肾上腺皮质激素在调节正常的新陈代谢和 生殖上都有重要的功能。

类固醇如胆固醇等脂类也是细胞膜的重要成分

§3 蛋白质
蛋白质是人类及所有动物赖以生存的营养要素。 蛋白质是生命最重要的物质基础,也是生命的表现。 它存在于细胞、组织和分泌物中,成为液体(血 液和奶)、半流动体(卵蛋白和肌肉)或各种不同 硬度的半硬体(角质、指甲和头发)。人体内除水 分外,蛋白质约占人体重量的一半。相当于占体重 的17~18%。

一、蛋白质的化学组成与分类
?1. 元素组成 ???C H O N S P?Fe ???C:50% H:7% O:23% N:16% 3% 其他:微量 ???P:牛奶中的酪蛋白含磷 ???Fe:血中的血红蛋白含铁。 Fe: ???I:甲状腺中甲状腺球蛋白含碘。

S:0-

?2.蛋白质的平均含N量16%
???凯氏定氮的基础 ???
?

3.蛋白质的分类
???.根据组成 ????简单蛋白――蛋白质完全由AA组成。Eg.核 糖核酸酶、胰岛素 ????结合蛋白――除了蛋白质部分外,还有非蛋白 质成分(辅基、配基)eg.血红蛋白、核蛋白 ??②.根据分子的形状 ????球状蛋白质――分子对称性佳,外形接近球状 或椭球状,溶解度较好,能结晶。Eg.血红蛋白、血清 球蛋白。 ????纤维状蛋白质――对称性差,分子类似细棒或 纤维 可溶性纤维状蛋白质――肌球蛋白。不溶性纤 维状蛋白质――胶原、弹性蛋白。 ??③.根据功能分类 ????

蛋白质的主要种类和功能

? ? ? ? ? ? ? ?

结构蛋白 伸缩蛋白 贮存蛋白 保护蛋白 运输蛋白 激素蛋白 信号蛋白 酶和辅酶

二、 蛋白质的基本结构单位—氨基酸 蛋白质的基本结构单位—
蛋白质的水解: ?根据水解程度 ??完全水解:彻底水解--得到的水解产物是 各种AA的混合物。 ??部分水解(不完全水解)--得到的产物是 各种大小不等的肽段和AA。 ? 三种水解方法:酸,碱,酶

1. 氨基酸的结构
H3C

O

α
CH NH2 O C OH

结构特点:分子中含 结构特点: 有氨基的羧酸 分类: 氨基酸, 分类:α氨基酸,β -氨基酸等

β
H2C NH2

H2 C

C

OH

蛋白质是由20种氨基酸组成的生物大分子

氨基酸结构的共同特点 在于,在与羧基相连的 碳原子(α-碳原子)上 都有一个氨基,另一个 R基

不同氨 基酸其R 基各不相 同,R基 的结构决 定了20种 氨基酸的 特殊性质

NH

α-氨基酸的结构

除甘氨酸外的手性氨基酸 除脯氨酸外,均为α 氨基酸 除脯氨酸外,均为α-氨基酸 L-氨基酸 -

α-氨基酸结构通式

α-氨基酸按基团分类: 氨基酸按基团分类: 按基团分类 中性氨基酸 碱性氨基酸 酸性氨基酸

丙氨酸、谷氨酸、赖氨酸 丙氨酸、谷氨酸、
O O H2N H2N O CH2 H2N CH CH3 C OH NH2 O CH2 C OH CH2 CH2 CH2 CH C OH CH2 CH C OH

必需氨基酸: 种氨基酸中 种氨基酸中, 种是人体不 必需氨基酸:20种氨基酸中,有8种是人体不
能合成的,只能从食物中获得, 能合成的,只能从食物中获得,故称为必需氨基 分别是: 酸。分别是: 苏氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、色氨酸、 苏氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、色氨酸、缬氨 甲硫氨酸(蛋氨酸 亮氨酸和异亮氨酸。 蛋氨酸)、 酸、甲硫氨酸 蛋氨酸 、亮氨酸和异亮氨酸。必 需氨基酸对人体来说,是重要的生活物质。 需氨基酸对人体来说,是重要的生活物质。因此 在评价各种食物中蛋白质成分的营养价值时, 在评价各种食物中蛋白质成分的营养价值时,人 们格外注重其中必需氨基酸的含量。 们格外注重其中必需氨基酸的含量。

酸性氨基酸与碱性氨基酸

2. 氨基酸的酸碱两性与偶极离子
氨基酸不是以分子形式存在,而是以 离子形式存在,这种离子形式称偶极 离子、两性离子或兼性离子

正离子、 正离子、负离子与偶极离子
氨基酸的离子化状态与溶液的pH有关
O O O

_
CH2 NH2 C O

H+ _ OH

_
CH2 C O

+NH

3

CH2 C H+ _ OH +NH3

OH

等电点
在某一pH时 氨基酸所带净电荷为 , 在某一 时,氨基酸所带净电荷为0,在电场 中既不向阳极移动,也不向阴极移动, 中既不向阳极移动,也不向阴极移动,此时氨基 酸所处溶液的pH值称为该氨基酸的等电点 值称为该氨基酸的等电点。 酸所处溶液的 值称为该氨基酸的等电点。以PI 表示。此时正离子和负离子数量相等, 表示。此时正离子和负离子数量相等,且浓度都 很低,而偶极离子浓度最高。( 。(等电点不是中性 很低,而偶极离子浓度最高。(等电点不是中性 点)。 在强酸性溶液中主要以正离子存在; 在强酸性溶液中主要以正离子存在;在强碱 性溶液中主要以负离子存在。 性溶液中主要以负离子存在。氨基酸在等电点时 溶解度最小 。

3. 氨基酸的化学反应

水合茚三酮反应 :生成蓝紫色物质
O OH O

+
OH

H2N

CH R

C

OH

O

O

O

弱酸环境加热 检验α- 检验 -氨基
+ RCHO + CO2 + H2O

N

O

HO

与亚硝酸反应
定量放出氮气,定量测定氨基酸 定量放出氮气, 或蛋白质的水解程度
O H2N CH C CH3 OH + HNO2

O HO CH C CH3 OH + N2 + H2O

α-氨基酸受热反应
NH2 H3 C CH C OH O + O OH C CH CH3 NH2 H3C CH HN O C NH CH CH3

C O

半胱氨酸与胱氨酸

O 2 HSH2C CH C NH2 OH -2H 2H SH2C S H2 C

NH2 CH COOH CH NH2 COOH

4. α-氨基酸的制备
1、蛋白质水解 、 2、卤代酸氨解 、
O Br CH CH3 C OH

2NH3

H2 O

H2O 室温
O

H2N

CH CH3

C

OH

NH4Br

3、由丙二酸酯制备

O COOC2H5 N CH COOC2H5 O C2H5ONa RCl

O COOC2H5 N O C R COOC2H5

H2O

COOH H2N C R COOH

_

CO2

COOH H2N CH R

三、多肽
O H2N CH R C OH O

+

H2N

CH R

C

OH

O H2N CH R C NH CH R

O C OH

某氨酰某氨酸

肽键是氨基酸在蛋白质分子中的主要连接方式
丙氨酰甘氨酰丝氨酸   丙 甘 丝

..

COOH N
H N

O H2N
COOH

OH COOH N H H2N
H N

O
COOH

四、蛋白质
蛋白质是由氨基酸以酰胺鍵形成的 高分子化合物。 高分子化合物。 由C、H、O、N、S等元素组成,有 等元素组成, 、 、 、 、 等元素组成 些含有P、 、 。 些含有 、Fe、I。 单纯蛋白和结合蛋白:非蛋白部分 单纯蛋白和结合蛋白: 叫辅基( 脂肪、色素等)。 叫辅基(糖、脂肪、色素等)。

1. 蛋白质的结构
蛋白质分子中氨基酸的连结顺序, 蛋白质分子中氨基酸的连结顺序, 叫做一级结构。 叫做一级结构。 蛋白质二级结构- 蛋白质二级结构-氢鍵

α α α α α α α α 构 -







蛋白质二级结构- 蛋白质二级结构- β 折叠

蛋白质四 级结构

(a) –Arg-Val-Glu-Lys-Met-Val-Leu-Ala-Gly-

(b) (c) (d)

蛋白质结构与功能的关系
蛋白质的特定构象即蛋白质的三维空间结构 和形态对于蛋白质的功能起决定性的作用。 蛋白质变性(构象发生变化)使得其特定的 功能便立即丧失。

2. 蛋白质的性质
两性电解质 电泳法:等电点不同,在一定pH值中所带电 电泳法:等电点不同,在一定 值中所带电 荷不同,在电场中移动的方向和速度也不同。 荷不同,在电场中移动的方向和速度也不同。 具有胶体性质:在水溶液中的颗粒直径在 - 具有胶体性质:在水溶液中的颗粒直径在1- 100nm。 。

盐析 在蛋白质的胶体溶液中加入盐类、 在蛋白质的胶体溶液中加入盐类、有机 溶剂或某些酸可使蛋白质沉淀。 溶剂或某些酸可使蛋白质沉淀。 蛋白质的变性 如果在蛋白质的胶体溶液中加入的酸、 如果在蛋白质的胶体溶液中加入的酸、 碱或重金属盐或加热使其高级结构被破坏 并不是蛋白质的水解),其活性消失。 ),其活性消失 (并不是蛋白质的水解),其活性消失。 蛋白质的水解

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§4 核酸

★核酸贮存遗传信息,控制蛋白质的合成。 ★核酸包括脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA), 都是由许多顺序排列的核苷酸组成的大分子。 ★贮存遗传信息的特殊DNA片段称为基因,它编码 蛋白质的氨基酸序列,从而决定蛋白质的功能。通 过蛋白质的作用,DNA实际上控制着细胞和生物体 的生命过程。 ★ DNA控制蛋白质的合成是通过RNA来实现的,即 遗传信息由DNA转录到RNA,后者决定蛋白质的氨基 酸序列。

1、核酸的基本单位 核苷酸 、核酸的基本单位—核苷酸
戊糖:分核糖和脱氧核糖两种 戊糖 分核糖和脱氧核糖两种

碱基: 嘌呤和嘧啶两类 碱基 分嘌呤和嘧啶两类

磷酸

Sugars used

核苷
核糖的一号碳原子上的羟基与碱基上的氢 核糖的一号碳原子上的羟基与碱基上的氢缩水聚合 羟基与碱基上的

核苷酸中核糖的3号或 号碳原子上的羟 核苷酸中核糖的 号或5号碳原子上的羟 号或 磷酸上的氢缩水聚合 基与磷酸上的氢缩水聚合

2、核酸的化学结构和空间结构 、

A-T碱基对中的氢键
CH3 O H H N O H N H N N N H N H N H

碱基中的烯醇互变
CH3 O N O N N OH N CH3 OH

H

H

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