最后更新: 2025-10-29 11:28 查看: 61 次纠错评论(0) 课件开VIP

糖类、氨基酸、多肽、蛋白质、核酸

在生物体中，除水和无机矿物盐外，其他物质大多数是有机物。在细胞内部存在许多蛋白质、核酸、多糖等大分子，称为生物大分子，它们的分子量从几万到几百万，是维持生命必不可少的物质。

## 糖类

糖类化合物广泛分布于自然界，是重要的生命物质之一。从分子结构来看，糖类化合物是多羟基的醛或酮以及可以通过水解转化为多羟基的醛或酮的有机物。不能再水解的糖类称为单糖；水解以后产生两个单糖分子的称为＂二糖＂或＂双糖＂；水解以后产生多个单糖分子的称为＂多糖＂。

1．单糖
葡萄糖与果糖都属于单糖，它们的分子式均为 $\mathrm{C}_6 \mathrm{H}_{12} \mathrm{O}_6$ ，互为同分异构体。两者的结构简式如下：

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 纯净的葡萄糖是无色晶体，有甜味，易溶于水，稍溶于乙醇，不溶于乙醚。葡萄糖是自然界中分布最广的单糖 广泛存在于植物的果实、种子、花、叶中。

### 葡萄糖的还原性

葡萄糖分子中含有醛基，能发生银镜反应，也能与新制氢氧化铜反应生成砖红色的氧化亚铜沉淀，因此葡萄糖具有还原性，属于还原性糖。
果糖广泛分布在植物中，在水果和蜂蜜中的含量较高。纯净的果糖是无色晶体，不易结晶，通常为黏稠性液体，易溶于水、乙醇和乙醚。

#### 单糖的链状结构与环状结构
现代仪器分析证明，葡萄糖分子中链状结构仅占0.024%，绝大多数是以环状结构形式存在，核糖、脱氧核糖等其他单糖也有类似现象（图4.1）。在一定条件下，单糖链状与环状结构之间达到动态平衡而共存。在碱性条件下，果糖还能发生分子重排转化为葡萄糖等其他单糖

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### 2. 二糖
常见的二糖有蔗糖和麦芽糖。蔗糖是自然界中分布最广、最重要的二糖，在甘蔗和甜菜中的含量最为丰富。蔗糖能帮助人体更好地吸收铁元素。麦芽糖主要存在于
发芽谷粒和麦芽中，也是淀粉在体内消化过程中的中间产物。
蔗糖和麦芽糖的分子式均为C12 H22 O11，互为同分异构体，在酸性条件或酶的作用下都能水解形成单糖。蔗糖的水解产物为葡萄糖和果糖；麦芽糖的水解产物则全部是葡萄糖

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 **实验 蔗糖的水解**
 蔗糖不是还原性糖，但水解能产生具有还原性的单糖，请设计相关实验进行证明。所提供试剂：蔗糖溶液、稀硫酸、氢氧化钠溶液、硫酸铜溶液、pH试纸。
 
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### 3．多糖
淀粉和纤维素是最重要的多糖。它们都是由葡萄糖单元构成的天然聚合物，其化学式均可用 $\left(\mathrm{C}_6 \mathrm{H}_{10} \mathrm{O}_5\right)_n$ 表示。但是两者中葡萄糖单元间成键方式存在差异，导致内部结构不同。此外，直链淀粉为螺旋状，纤维素分子为平行伸展的链式结构，形成纤维素束（图4．3）。两者性质和功能差异明显，如人体消化系统可以消化淀粉，却不能消化纤维素；而牛、马和羊等食草类动物却能以纤维素为主要能量来源。

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 淀粉溶液遇碘显蓝色。在酸或酶作用下，淀粉水解最终生成葡萄糖。
 
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 #### 直链淀粉遇碘为何会变蓝

结构研究表明，直链淀粉分子链并不是直线形，而是螺旋形，形成许多空腔，具有很好的吸附性能。当淀粉遇到碘时，碘分子可以进入淀粉的螺旋空腔（图4.4），形成一种蓝色的配合物。这种结合是不稳定的，当受热时，碘分子会离开，溶液的蓝色相应也会褪去。

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 纤维素在一定条件下也能水解形成葡萄糖。纤维素主要用于纺织、造纸等工业。膳食纤维素是重要的营养素。

糖类在自然界中分布广泛，并且具有可再生的特性。因此，用糖类为原料生产精细化学品和燃料以替代传统石油化工产品越来越引起重视。目前，以纤维素代替粮食用于开发生物乙醇燃料或制造微生物燃料电池，已成为生物质能源发展的新方向。

## 氨基酸与蛋白质
蛋白质是构成生命的主要基础物质。氨基酸是组成蛋白质的基本结构单位。氨基酸的种类、数目及排列顺序不同，从而构建出结构复杂、种类繁多和功能各异的蛋白质。

1．氨基酸
氨基酸是分子中既含有氨基（ $-\mathrm{NH}_2$ ）又含有羧基 （ -COOH ）的化合物。由蛋白质水解所得到的氨基酸分子中，氨基都在羧基旁的第一个碳（称为 $\alpha$ 碳）上，故称为 $\alpha$－氨基酸（图 4.5 ）。

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 组成蛋白质的α—氨基酸主要有二十种，它们的差异就在于侧链（R）不同（表4.1）

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 有机物中的氨基（ $-\mathrm{NH}_2$ ）的化学性质与氨气比较接近，都具有碱性。氨基酸分子内同时存在酸性基团 （ -COOH ）和碱性基团（ $-\mathrm{NH}_2$ ），既能与碱又能与酸发生反应，属于两性化合物。
 
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  氨基酸分子中的羧基与氨基相互作用，可以形成两性离子（又称内盐）（图4.6）
  
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 在加热及弱酸性条件下，氨基酸能与茚三酮反应生成蓝紫色物质。该显色反应非常灵敏，被广泛应用于氨基酸的鉴定。在法医学上，可利用该反应来采集现场指纹（图4.7）。
 
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  2. 多肽与蛋白质
氨基酸分子之间能发生脱水缩合，形成含有酰胺键
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 ）的一类化合物，称为肽。肽分子中的酰胺键称为肽键。在一定条件下，肽键也能水解断裂，重新形成羧基与氨基（图4.8）。
 
 
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  两分子氨基酸脱水缩合形成二肽；三分子氨基酸脱水缩合形成三肽，以此类推。通常把大于十肽的分子称为多肽

蛋白质是由α—氨基酸通过肽键相连的生物大分子。通常将相对分子质量在10 000以上的称为蛋白质，在10 000以下的称为多肽。蛋白质的特殊功能和活性取决于多肽链的氨基酸组成、数目及排列顺序，也与其特定的空间结构密切相关

####  蛋白质的结构

蛋白质种类繁多、结构复杂，大多数蛋白质分子的结构尚未明确。科学家将蛋白质的结构层次分为四级进行研究。蛋白质中肽链上α—氨基酸的线性序列称为一级结构，每种蛋白质都有唯一而确切的氨基酸序列。在一级结构中，不相邻的部分肽键之间可形成分子内氢键，从而使得多肽的链具有特定的结构，此为蛋白质的二级结构。在此基础上，同一条肽链上的氨基酸残基之间通过形成二硫键（S  S），进一步促使二级结构按照一定的形状卷曲，构成了蛋白质的三级结构。多个具有三级结构的多肽链（称为亚基）在空间中的立体分布与相互作用等构成了蛋白质的四级结构（图4.9）。

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我国科学工作者在1969年至1973 年期间，运用X射线衍射分析技术，先后在2.5 Å（长度单位，1 Å=10—10 m）和1.8 Å 分辨率水平测定了猪胰岛素的晶体结构，这是我国阐明的第一个蛋白质的三维结构，达到当时国际先进水平（图4.10）

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 环境条件的变化容易影响蛋白质的内部结构，导致蛋白质功能特性产生变化，发生“盐析”或“变性”现象。含有苯环的蛋白质遇浓硝酸作用时会呈现黄色，该反应可用于检验这类蛋白质，如图4.11所示
 
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## 核酸

核酸是生命奥秘所在，生物体的生长、发育、遗传、变异以及蛋白质的合成等都与核酸密切相关。核酸是以核苷酸为基本单元聚合形成的生物大分子。每一个核苷酸分子由三部分组成：含氮碱基、戊糖和磷酸基。磷酸基与戊糖分子间通过磷酯键连接，如图4.12所示。

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核苷酸中的戊糖可以是脱氧核糖或核糖，对应的核酸分别称为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。 除了戊糖结构不同外，DNA与RNA的含氮碱基也略有差异，DNA的四种含氮碱基分别是腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）与胸腺嘧啶（T）， 而 RNA的四种含氮碱基除了胸腺嘧啶（T）用尿嘧啶（U）代替外，其余与DNA相同。

1953 年美国科学家沃森（James Dewey Watson，1928— ）和英国科学家克里克（Francis Harry Compton Crick，1916— 2004）共同提出了DNA结构模型，指出DNA是由两条核酸长链缠绕形成如旋转楼梯般的双股螺旋结构。碱基位于螺旋内侧，磷酸基和脱氧核糖位于螺旋外侧，两条DNA单链上的碱基之间严格遵循碱基互补配对规律形成氢键，从而使双螺旋能维持稳定存在，如图4.13所示

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 生物体的遗传信息都储存在DNA分子中，DNA长链中碱基对不同的序列形成不同的遗传编码，这些遗传编码会先转录成RNA的形式，再用以合成各种不同的蛋白质，各种生物才能进行繁衍，生生不息。
生物大分子的化学结构一经测定，就可以在实验室中进行人工合成研究。中国科学家在该研究领域取得了令人瞩目的成绩，例如结晶牛胰岛素与酵母丙氨酸转移核糖核酸的人工合成，为人类认识生命，揭示生命奥秘奠定了理论基础。

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