7.1: 有机分子

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学习目标

识别有机分子中发现的常见元素和结构
解释异构的概念
找出官能团的例子
描述官能团在合成聚合物中的作用

临床重点：第 1 部分

潘妮是一名16岁的学生，她去看了医生，抱怨皮疹发痒。她有过敏发作史。医生看了看她晒黑的皮肤，问她是否换了其他防晒霜。她说她有，所以医生诊断出过敏性湿疹。症状很轻微，所以医生告诉潘妮避免使用引起反应的防晒霜，并开了非处方保湿霜来保持皮肤水分并帮助缓解瘙痒。

练习\(\PageIndex{1}\)

你期望在保湿霜中找到什么样的物质？
这些物质的哪些物理或化学特性有助于缓解皮肤瘙痒和炎症？

生物化学是研究生命化学的学科，其目的是根据化学原理解释形式和功能。有机化学是专门研究碳基化学的学科，它是研究生物分子和生物化学学科的基础。生物化学和有机化学都基于普通化学的概念，其中一些概念载于附录A。

活细胞中的元素

细胞中最丰富的元素是氢气（H），其次是碳（C）、氧（O）、氮（N）、磷（P）和硫（S）。我们称这些元素为常量营养素，它们约占细胞干重的99％。某些元素，例如钠（Na）、钾（K）、镁（Mg）、锌（Zn）、铁（Fe）、钙（Ca）、钼（Mo）、铜（Cu）、钴（Co）、锰（Mn）或钒（Va），是一些细胞需要非常少量的元素，被称为微量营养素或微量元素。所有这些元素对许多生化反应的功能至关重要，因此对生命至关重要。

生物中最丰富的四种元素（C、N、O 和 H）的原子序数低，因此是能够与其他原子形成强键以产生分子的轻元素（图\(\PageIndex{1}\)）。碳形成四个化学键，而氮形成三个，氧形成两个，氢形成一个。当在分子内部结合在一起时，氧、硫和氮通常会有一对或多个 “孤独” 的电子，它们在确定许多分子的物理和化学性质方面起着重要作用（见附录A）。这些特征结合起来允许形成大量不同的分子物种，这些物种是形成活生物体结构和实现活生物体功能所必需的。

二氧化碳（CO2）的中心有一个碳原子。这个碳原子与左边的氧气和右边的另一个氧气双重结合。氨气 NH3 在 3 个氢原子上附着有氮。氧（O2）有两个氧原子相互双重结合。 — 图\(\PageIndex{1}\)：一些常见的分子包括二氧化碳、氨和氧，它们由氧原子（红色球体）、碳原子（灰色球体）、氢原子（白色球体）或氮原子（蓝色球体）的组合组成。

活生物体含有无机化合物（主要是水和盐；见附录A）和有机分子。有机分子含有碳；无机化合物不含碳。碳氧化物和碳酸盐是例外；它们含有碳，但被认为是无机的，因为它们不含氢气。有机分子的原子通常围绕碳原子链组织。

无机化合物占活细胞质量的1％至1.5％。它们是小而简单的化合物，尽管它们不形成细胞结构，但在细胞中起着重要作用。有机分子中发现的大部分碳来自无机碳源，例如微生物通过固碳捕获的二氧化碳。

练习\(\PageIndex{2}\)

描述自然界中最丰富的元素。
有机和无机分子有什么区别？

有机分子和异构主义

生物体中的有机分子通常比无机分子更大、更复杂。它们的碳骨架由共价键结合在一起。它们形成生物体的细胞，进行促进生命的化学反应。所有这些分子被称为生物分子，因为它们是生物物质的一部分，都含有碳，而碳是生命的基石。碳是一种非常独特的元素，因为它在其外轨道上有四个价电子，并且可以与最多四个其他原子同时形成四个单共价键（见附录A）。这些原子通常是氧、氢、氮、硫、磷和碳本身；最简单的有机化合物是甲烷，其中碳仅与氢结合（图\(\PageIndex{2}\)）。

由于碳的大小和键合特性的独特组合，碳原子可以大量结合在一起，从而产生链或碳骨架。有机分子的碳骨架可以是直的、分支的或环形的（环状）。有机分子建立在不同长度的碳原子链上；大多数通常都很长，因此可以产生大量和种类繁多的化合物。没有其他元素能够形成这么多不同大小和形状的不同分子。

甲烷是以 C 为中心抽取的。四条线从 C 向四个不同的方向投射，每条线的末端有一个 H。 — 图\(\PageIndex{2}\)：一个碳原子最多可以与四个其他原子结合。最简单的有机分子是甲烷（CH ₄），如图所示。

原子组成相同但原子结构排列不同的分子被称为异构体。异构的概念在化学中非常重要，因为分子的结构总是与其功能直接相关。分子中原子的结构排列的微小变化可能会导致非常不同的特性。化学家用分子的结构式表示分子，结构式是分子结构的图形表示，显示了原子的排列方式。分子式相同但原子键合序列不同的化合物称为结构异构体。单糖葡萄糖、半乳糖和果糖都有相同的分子式，C _{6 H ₁₂ O ₆}，但我们可以从图中看出\(\PageIndex{3}\)，原子结合在一起的方式不同。

葡萄糖的化学式为链中 6 摄氏度。顶部 C 有一个双重粘合 O，下一个 C 的右边有一个 OH，下一个 C 的左边有一个 OH，最后 3 个 C 的右边有 OH。半乳糖的化学式为链中含有 6 个 Cs。顶部 C 有一个双键合 O，下一个 C 的右边有一个 OH，接下来的 2 个 C 在左边有 OH，最后两个 C 的右边有 OH。果糖的化学式在一条链中还有 6 个 C。顶部 C 的右侧有一个 OH。下一个 C 的右边有一个双重绑定的 O。下一个 C 的左边有一个 OH。最后 3 个 C 的右侧有 OhS。这些分子上的所有其他键都与 Hs 结合。 — 图\(\PageIndex{3}\)：葡萄糖、半乳糖和果糖具有相同的化学式（C ₆ H ₁₂ O ₆），但这些结构异构体的物理和化学性质不同。

原子空间排列不同的异构体称为立体异构体；一种独特的类型是对映异构体。对映体的特性最初是由路易斯·巴斯德在1848年使用显微镜分析葡萄酒的结晶发酵产物时发现的。对映体是具有手性特征的分子，其中它们的结构是不可叠加的相互镜像。手性是许多具有重要生物学意义的分子的重要特征，单糖葡萄糖或氨基酸丙氨酸的对映体形式的结构差异的例子就说明了这一点（图\(\PageIndex{4}\)）。

许多生物只能使用某种类型的分子的一种对映体形式作为营养物质和在细胞内制造结构的基石。一些对映体形式的氨基酸在作为食物食用时具有明显不同的味道和气味。例如，L-阿斯巴甜，通常称为阿斯巴甜，味道甜美，而D-阿斯巴甜无味。药物对映体可能具有非常不同的药理作用。例如，化合物甲沙芬作为两种对映体存在，其中一种用作镇咳药（dextro methorphan，一种止咳药），而另一种充当镇痛剂（levo m ethorphan，一种效果类似于可待因的药物）。

显示对映体的图表；每张图有 2 个分子，它们之间有一条标有 “镜子” 的虚线。 D 和 L 葡萄糖的化学式都有 6 C 链，顶部碳处有双键 O。其他每个碳的另一侧都有一个 OH — 例如，第二个碳上的 OH 在 D-葡萄糖中位于右边，左侧是 L-葡萄糖。 D-丙氨酸和L-丙氨酸都有三碳链，但每条链中的NH2基团位于链的两侧。 — 图\(\PageIndex{4}\)：对映异构体是表现出手性的立体异构体。它们的化学结构是彼此不可叠加的镜像。 (a) D-葡萄糖和左旋葡萄糖是作为对映体的单糖。 (b) 对映体 D-丙氨酸和L-丙氨酸分别是细菌细胞壁和人体细胞中的对映异构体。

对映体也被称为光学异构体，因为它们可以旋转偏振光的平面。巴斯德在葡萄酒发酵过程中观察到的一些晶体顺时针轻旋转，而另一些则逆时针旋转光线。今天，我们表示以 d 形态顺时针 (+) 旋转偏振光的对映体，以及与 l 形态逆时针 (−) 旋转偏振光的同一个分子的镜像。 d 和 l 标签分别源自拉丁语 dexter（右侧）和 laevus（左侧）。这两种不同的光学异构体通常具有非常不同的生物学特性和活性。某些种类的霉菌、酵母菌和细菌，例如根茎、亚罗维亚和乳酸杆菌属，只能代谢一种类型的光学异构体；相反的异构体不适合作为营养来源。注意光学异构体的另一个重要原因是这些类型的化学物质在药物治疗中的治疗用途，因为有些微生物只能受到一种特定的光学异构体的影响。

练习\(\PageIndex{3}\)

我们说生命是以碳为基础的。是什么让碳如此适合成为活生物体所有大分子的一部分？

具有生物学意义的官能团

除了含有碳原子外，生物分子还含有官能团，即分子中的原子组，按其特定的化学成分和它们进行的化学反应进行分类，无论该基团存在于哪个分子中。图中列出了一些最常见的功能组\(\PageIndex{5}\)。在公式中，符号 R 代表 “残留物”，代表分子的剩余部分。 R 可能只表示单个氢原子，也可能代表一组许多原子。请注意，有些官能团相对简单，仅由一两个原子组成，而有些则由两个较简单的官能团组成。例如，羰基是由与氧原子双键合的碳原子组成的官能团：C=O。它作为较大官能团（如酮、醛、羧酸和酰胺）的一部分存在于几类有机化合物中。在酮中，羰基是作为内部基团存在的，而在醛中它是末端基团。

表标题为：生物分子中常见的官能团；3 列，名称、官能团和化合物类别。醛有红色 C 双键 O 和 H；C 也与黑色 R 结合。这存在于碳水化合物中。胺有红色 C 双键接到 O 上，单键合到 NH。 C 和 N 也都与黑色 R 结合。这存在于蛋白质中。氨基酸含有与黑色 R 结合的红色 NH2。它存在于氨基酸和蛋白质中。磷酸盐有红色的 PO3H2；P 也与黑色 R 结合。这存在于核酸、磷脂和 ATP 中。 Carbonyl 有一个红色 C 双键连接到 O；C 也绑定到 2 个黑色 R。它存在于酮、醛、羧酸、酰胺中。羧酸有红色 C 与 O 和 OH 双键；C 还与黑色 R 结合。这存在于氨基酸、蛋白质和脂肪酸中。酯有一个红色 C 双键合到一个 O 上，然后单键合到另一个 O 上。C 与黑色 R 结合，单键 O 也与黑色 R 结合。这存在于脂质和核酸中。以太币的红色 O 绑定为 2 个黑色 Rs。它存在于二糖、多糖和脂质中。羟基具有与黑色 R 结合的红色 OH；它存在于酒精、单糖、氨基酸和核酸中。酮有一个红色的 C 双键连接到 O 上；C 也绑定到 2 个黑色 Rs。这存在于碳水化合物中。甲基含有与黑色 R 结合的红色 CH3。它存在于甲醇和甲酯等甲基化化合物中。 Sulfhydryl 有一个与红色 SH 绑定的黑色 R。它存在于氨基酸和蛋白质中。 — 图\(\PageIndex{5}\)：功能组。

大分子

碳链构成大多数有机分子的骨架。官能团与链结合形成生物分子。因为这些生物分子通常很大，所以我们称它们为大分子。许多与生物学相关的大分子是通过将大量相同或非常相似的较小有机分子连接在一起而形成的。较小的分子充当基块，被称为单体，而由它们连接产生的大分子称为聚合物。细胞和细胞结构包括四组主要的含碳大分子：多糖、蛋白质、脂质和核酸。本章将研究前三组分子。核酸的生物化学将在《基因组生物化学》中讨论。

在组合单体产生聚合物的多种可能方法中，生物大分子形成过程中遇到的一种常见方法是脱水合成。在这种化学反应中，单体分子在一个导致水分子形成副产物的过程中端到端结合：

\[\text{H—monomer—OH} + \text{H—monomer—OH} ⟶ \text{H—monomer—monomer—OH} + \ce{H2O}\]

\(\PageIndex{6}\)该图显示了葡萄糖的脱水合成，结合在一起形成麦芽糖和水分子。表\(\PageIndex{1}\)总结了大分子及其一些功能。

显示脱水合成的示意图。左边是两个葡萄糖分子。在第一个分子中，附着在碳 1 上的氧是红色的；第二个分子中附着在碳 4 上的 O 上的 H 也是如此。箭头指向一个新分子，该分子缺少上一张图像中的红色 OH 和 H。取而代之的是，在碳 4 上附着在 H 上的 O 现在也附着在另一个分子的碳 1 上。 — 图\(\PageIndex{6}\)：在这种脱水合成反应中，两个葡萄糖分子连接在一起形成麦芽糖。在此过程中，形成了水分子。

表\(\PageIndex{1}\)：大分子的功能
大分子	函数
碳水化	能量储存、受体、食物、植物中的结构作用、真菌细胞壁、昆虫的外骨骼
脂质	能量储存、膜结构、绝缘、激素、颜料
核酸	遗传信息的存储和传输
蛋白质	酶、结构、受体、转运、在细胞骨架和细胞外基质中的结构作用

练习\(\PageIndex{4}\)

脱水合成反应的副产物是什么？

关键概念和摘要

细胞中最丰富的元素是氢气、碳、氧、氮、磷和硫。
生命是以碳为基础的。每个碳原子都可以与另一个碳原子结合，产生可以是直的、分支的或环形的碳骨架。
相同数量和类型的原子可能以不同的方式结合在一起，产生称为异构体的不同分子。异构体的原子（结构异构体）的键合顺序或键合序列相同的原子（立体异构体）的空间排列可能有所不同，它们的物理和化学性质可能略有差异或剧烈差异。
官能团赋予含有它们的分子特定的化学特性。生物分子中常见的官能团是羟基、甲基、羰基、羧基、氨基、磷酸盐和磺酰基。
大分子是由单个单元组装而成的聚合物，即单体，它们像积木一样结合在一起。许多具有生物学意义的大分子是通过脱水合成形成的，在这个过程中，单体通过结合其官能团并将水分子作为副产物产生而结合在一起。