高中生物竞赛培训生物化学—糖

授课教师：季明杰2011生物奥赛辅导生物化学生物化学是关于生命的科学。生物化学是以生物体为对象，以化学的观点，研究生命本质的化学，它是用化学，物理学和生物学的方法研究生命物质的化学性质和功能的科学。生物化学的定义生物化学的范围1、生物体是由哪些物质组成的？它们的结构和性质如何？（静态生物化学）2、这些物质在体内发生什么变化？是如何变化的？变化过程中能量是怎样转变的？即这些物质在生物体内怎样进行物质代谢和能量代谢的？(动态生物化学)3、物质结构、代谢和生物功能与复杂生命现象的关系。（功能生物化学）静态生物化学：生物物质的结构与功能结构性质功能动态生物化学：生物物质在体内的转化与变化代谢途径关键酶能量代谢生物化学：以化学的观点研究生命的本质1、生命物质是少数几类有机物组成的。2、生命物质从分子水平上来说结构复杂。3、生物大分子是由简单的小分子为结构单元。4、在所有的生物体系中，结构单元是相同的。5、非共价键在生物学中点有重要地位。生物物质的化学特征第一章糖类CarbohydrateSaccharide生物化学一、糖类是地球上最多的有机化合物二、糖的化学本质三、糖的生理功能四、糖的分类第一节概述最简单的定义：多羟基的醛类或酮类化合物，以及它们的衍生物或聚合物。元素组成：CH2O，可以写成Cn(H2O)n二、糖的化学本质1、糖是生物体重要的能源生物体内的能源来源主要是通过糖的氧化获得的。2、糖是生物机体内的碳源构成生物有机体中的各种有机物质的碳架都是直接或间接地由糖类物质转化而来的，所以糖是生物体合成其它化合物的基本原料。三、糖的生理功能3、多糖是细胞、生物体的一种结构物质如纤维素、它是构成植物细胞壁的主要成份。几丁质和肽聚糖是构成微生物细胞壁的主要成份。还有些多糖作为动物细胞外的间质中的构造分子。4、作为细胞、生物体的贮藏物质如植物里合成淀粉，动物细胞中有糖原等。三、糖的生理功能5、某些复合糖类在细胞的通讯与识别中有重要地位。参与细胞与细胞的识别（分子识别），病毒的吸附及抗原抗体的反应。三、糖的生理功能与膜蛋白和膜脂相连的糖——通信天线一般是按照糖的复杂程度进行分类。1、单糖(monose)：不能被水解变成更简单的糖的糖类（更小分子的糖）。四、糖的分类a、按照所带官能团的性质可以将单糖分为醛糖（aldose如：葡萄糖glucose）酮糖（Ketose如：果糖fructose)b、按照糖分子的含碳原子的数目来分可以将糖分为三、四、五、六、七等糖类，一般称为丙、丁、戊、已、庚糖。戊糖中最重要的是核糖（ribose)，核酮糖已糖中最重要的是glucose,fructose.葡萄糖醛糖果糖酮糖2、寡糖(oligose)：oligo来自希腊文，意为少。可以被水解的，产生少数的几个单糖的聚合物，一般含有2-6个单糖分子，单糖之间以糖苷键连接。最常见的是双糖,如:麦芽糖(maltose),乳糖(lactose),蔗糖(sucrose)。大部分单糖和寡糖都是结晶状化合物，溶于水，并有甜味。3、多糖(polysaccharide)：多糖也是单糖的聚合物，有很长的链，其结构为线型或分支型。按照它们的结构可分为两大类。四、糖的分类a、均一多糖（同多糖）：一种单糖聚合而成。如淀粉、糖原、纤维素、半纤维素、几丁质b、非均一多糖（杂多糖）：两种单糖或两种以上的单糖。如透明质酸，半纤维素等。4、结合糖(复合糖，糖缀合物)：分子中除糖之外，还有其它非糖组分构成的复合多糖。如肽聚糖、脂多糖、糖蛋白(蛋白聚糖)、糖-核苷酸等糖作为功能分子，主要是复合多糖。5、糖的衍生物：糖醇、糖酸、糖胺、糖苷四、糖的分类第二节单糖(monose)一、单糖的结构(一)、单糖的链状结构(二)、单糖的环状结构(三)、单糖的构象二、单糖的物理化学性质(一)、单糖的物理性质(二)、单糖的化学性质三、重要的单糖及其衍生物确定链状结构的方法（葡萄糖）：a.与Fehling试剂或其它醛试剂反应，含有醛基。b.与乙酸酐反应，产生具有五个乙酰基的衍生物。c.用钠、汞剂作用，生成直链的山梨醇。一、单糖的结构CHOCCCCCH2OHHHHHOHOHOHHO葡萄糖葡萄糖简写链状结构用Fisher投影式表示：碳骨架、竖直写；氧化程度最高的碳原子在上方(一)、葡萄糖的链状结构由于葡萄糖分子中存在四个手征性（不对称）碳原子（chiralcarbon)，所以存在构型问题。同分异构体(isomerism)：具有相同的元素组成，即分子式相同但分子结构不同的化合物。构造与结构式：原子连接在一起的次序叫做化合物的构造（constitution)，用结构式表示。1、直链单构的构型（configuration)•构型(configuration)：分子中由于各原子或基团间特有的固定的空间排列方式不同而使它呈现出不同的稳定的立体结构。•构象(conformation)：由于分子中的某个原子(基团)绕C-C单键自由旋转而形成的不同的暂时性的易变的空间结构形式。2、构型与构象如：甘油醛，分子式C3H6O3结构式CH2OH-CHOH-C-H立体结构式O对映体•立体异构：几何异构（顺反异构）：由于分子中双键或刚性结构的存在造成的两侧的基团排布方式的不同.光学异构（旋光异构）：由于分子存在手性造成的，最常见的是分子内存在不对称碳原子。•旋光异构：由于不对称碳原子，连接在在这个碳原子上面的四个基因由于空间取向的不同，这些基因在空间有两种方式，因此形成了两种不同的化合物，这两种化合物如同左右手的关系一样，它们有相同的沸点，相同的熔点，相同的溶解度，重要的差别在光学活性上。3、立体异构旋光物质使平面偏振光的偏振面发生旋转的能力称旋光性、光学活性或旋光度。[α]-为上述条件下所计得的旋光率（比旋光度）,所以比旋光度≠旋光度。旋光方向用右旋（+）或左旋（-）。1906年人为规定右旋甘油醛为D型，左旋甘油醛为L型。4、旋光性(opticalactivity)5、Fischer投影式球棒模型透视式Fishcher投影式•单糖从丙糖到庚糖，除二羟丙酮外，都含有手性碳原子（C*）。•所有的醛糖都可以看成是甘油醛的醛基碳下端逐个插入C*延伸而成。D-甘油醛衍生而来的称D系醛糖，由L-甘油醛衍生而来的称L系醛糖。•天然存在的已醛糖都是D型的。•含有n个C*的化合物，旋光异构体的数目为2n，组成2n/2对对映体。6、D系单糖和L系单糖CHOCCCCCCCCCCHOCH2OHCH2OHCH2OHCH2OHHHHHHHHHOHOHOHOHOHOHHOHOOD-(+)-葡萄糖D-(+)-甘油醛D-(-)-果糖COL-(-)-葡萄糖L-(-)-甘油醛L-(+)-果糖Fischer投影式•含有多个手性碳原子的两种化合物彼此之间的差别只在于单一不对称碳原子的构型，也叫表异构体。7、差向异构体（epimer)D(+)甘露糖D(+)半乳糖D(+)葡萄糖(二)、单糖的环状结构（1）、变旋现象(mutarotation):一般醛类在水溶液中只有一个比旋度，但新配制的葡萄糖水溶液的比旋随时间而变化。[a]=+112°称a-D-(+)葡萄糖[a]=+18.7°称b-D-(+)葡萄糖变旋现象将这两种葡萄糖分别溶于水后,其旋光率都逐渐变为+52.7°,这一现象称变旋现象。变旋是由于分子立体结构发生某种变化的结果。1、单糖的环状结构的证据（2）、不象醛类那样形成缩醛，而是只和一分子的醇形成半缩醛（Hemiacetals)（3）、葡萄糖的醛基不能象一般醛类那样与Schiff试剂(品红-亚硫酸）起反应发生紫红色反应，即不能使被亚硫酸漂白了的品红呈现红色。葡萄糖也不能与亚硫酸氢钠起加成反应.1、单糖的环状结构的证据•半缩醛羟基与决定构型的羟基（C5上的羟基）在同一侧的为a-型，不在同一侧的为b-型。2、Fisher环状结构说1893年Fisher提出环状结构说。•单糖由直链结构变成环状结构后，羰基碳原子成为新的手性中心，导致C1差向异构化，产生两个非对映异构体（a-D-葡萄糖，b-D-葡萄糖），由于差向的位置是第一位C，因此也叫异头体（物）。•因此糖实际上应当称之为多羟基半缩醛，和半缩酮。3、异头物（体）（anomer)4、Haworth式（投影式）•D-葡萄糖在水溶液中主要以吡喃糖存在，呋喃糖次之。38%62%0.02%0.5%0.5%OOHOHOHOHCH2OHb甘露糖OOHOHOHOHCH2OHb葡萄糖OOHOHOHOHCH2OHb半乳糖CH2OHOHCH2OHOHOHOOHCH2OHCH2OHOHOHOab(三)、单糖的构象PCC1、构象•碳原子的四个键的键角是109.28，葡萄糖环是褶曲的，6个成环原子并不在一个平面上。•根据原子模型的研究，有两种类型的空间排布的构象：椅式（chair)和船式(boat)。2、吡喃糖的构象•直立键（a键），交替地垂直伸向平面的上方或下方。•平伏键（e键），交替地伸向两平面的上方或下方。2、吡喃糖的构象b-D-Glucose更稳定三种结构式的画法与C的编号二、单糖的物理化学性质一、单糖的结构(一)、葡萄糖的链状结构(二)、单糖的环状结构(三)、单糖的构象(一)、单糖的物理性质(二)、单糖的化学性质三、重要的单糖及其衍生物1、旋光性和变旋性：是鉴定糖（所有）的一个重要指标。变旋现象：伴随着这种异构体间的转变，糖溶液的旋光度也随着转变，这种现象称为变旋现象2、甜度：以蔗糖的甜度为标准3、溶解性：易溶于水而难溶于乙醚、丙酮等有面溶剂（一）、单糖的物理性质化学性质由醛基或酮基、醇基决定。1、异构化（弱碱的作用）（二）、单糖的化学性质单糖在碱催化下的酮-烯醇互变异构2、单糖的氧化（1）氧化成醛糖酸（弱氧化剂）（二）、单糖的化学性质此反应是醛糖专一的，酮糖则不能被溴氧化。（2）氧化成醛糖二酸（强氧化剂，如HNO3）D-葡萄糖二酸醛糖二酸（二）、单糖的化学性质3、单糖的还原（二）、单糖的化学性质D-葡萄糖醇（山梨醇）L-古洛醇（L-gulitol)L-古洛糖4、形成糖脎（Osazone）（二）、单糖的化学性质凡从3位碳以后构型不同的糖，其产生的糖脎不同，可以用来鉴别糖的种类。苯肼已醛糖苯胺5、缩醛反应——成苷反应（二）单糖的化学性质半缩醛的羟基很活泼，易与其它的醇或酚上的羟基发生反应，失水而成为缩醛——糖苷，非糖部分叫配糖体6、成酯反应由于单糖是多元醇，当与酸作用时可以生成酯。在生物体内最常见的一类碳水化合物就是糖的磷酸酯。它是糖在酶的作用下与ATP反应生成的。这是糖代谢的必须步骤。表示方法：（二）、单糖的化学性质G-1-P三、重要的单糖及其衍生物（一）重要的单糖1、丙糖：丙糖主要是甘油醛和二羟丙酮，它们的3-磷酸酯是糖代谢中最重要的中间体。2、丁糖：主要是D-赤藓糖及D-赤藓酮糖。3、戊糖：主要是D-木糖和D-核糖及L-阿拉伯糖4、已糖：自然界重要的已醛糖有D-葡萄糖、D-半乳糖、D-甘露糖。重要的已酮糖有D-果糖和L-山梨糖5、庚糖和辛糖：D-景天庚酮糖（二）重要的单糖衍生物1、糖酸（酸性单糖）重要的糖酸有糖醛酸、糖二酸、和糖酸葡萄糖醛酸在肝中可与有毒物质如醇、酚等结合变成无毒化合物由尿排出体外，可达到解毒作用。2、糖醇（二）、重要的单糖衍生物几种重要单糖的糖醇在自然界中都有存在。3、氨基糖4、脱氧糖5、糖酯类第三节寡糖•两个单糖以糖苷键的形式连接，其中一个是糖体，另一个叫配（糖）体，天然存在的双糖多数以双已糖为主。•按照糖化学的常规检验标准，根据与裴林试剂的反应性，可以把双糖区分为还原性和非还原性。一、双糖（一）还原性双糖双糖(Disaccharides)麦芽糖（Maltose）是两个葡萄糖分子通过a-1，4苷键连接的，是还原性糖（reducingsugar）①变旋现象②具有还原性③能成脎Cellobioseisareducingsugar纤维二糖（cellobiose)：它是二个D-葡萄糖通过b-1，4糖苷键连接而成的。①具有变旋现象②具有还原性③能成脎在乳糖中（lactose）两个不同的亚单元（D-半乳糖和D-葡萄糖）通过b-1