有机化学基础 · 六 · 「生物大分子」

蛋白质、核酸和多糖是3类主要的生物大分子

糖类

1. 定义：指多羟基醛或多羟基酮以及能水解生成它们的物质

2. 分类

   多糖 $\stackrel{\mathrm{水}\mathrm{解}}{\to }$ 低聚糖 $\stackrel{\mathrm{水}\mathrm{解}}{\to }$ 单糖

   1. 单糖：葡萄糖、果糖、核糖、脱氧核糖等

      1. 按照分子中所含碳原子数的多少，单糖可以分为丙糖、丁糖、戊糖（如核糖、脱氧核糖）和己糖（如葡萄 糖、半乳糖、果糖）等

      2. 按照所含官能团的不同，单糖又可以分为醛糖和酮糖

   2. 低聚糖（也称寡糖）：蔗糖、麦芽糖、乳糖等

   3. 多糖：淀粉、纤维素、甲壳质等

   低聚糖和多糖在一定条件下可以水解生成单糖；单糖一般就是多羟基醛或多羟基酮，不能再水解

单糖

葡萄糖与果糖的比较

	分子式	结构简式	官能团	类别	溶解性
葡萄糖	$\mathrm{C}{\phantom{A}}_6\mathrm{H}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{O}{\phantom{A}}_6$	$\mathrm{CH}{\phantom{A}}_2\mathrm{OH}(\mathrm{CHOH}){\phantom{A}}_4\mathrm{CHO}$	$-\mathrm{OH}、-\mathrm{CHO}$	多羟基醛	水中溶解，乙醇中稍溶，乙醚中不溶
果糖	$\mathrm{C}{\phantom{A}}_6\mathrm{H}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{O}{\phantom{A}}_6$	$\mathrm{CH}{\phantom{A}}_2\mathrm{OH}(\mathrm{CHOH}){\phantom{A}}_3\mathrm{COCH}{\phantom{A}}_2\mathrm{OH}$	$-\mathrm{OH}、-\mathrm{CO}-$	多羟基酮	在水、乙醇、乙醚中均易溶

葡萄糖的化学性质

1. 氧化反应

   $\mathrm{CH}{\phantom{A}}_2\mathrm{OH}(\mathrm{CHOH}){\phantom{A}}_4\mathrm{CHO}+2[\mathrm{Ag}(\mathrm{NH}{\phantom{A}}_3){\phantom{A}}_2]\mathrm{OH}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{CH}{\phantom{A}}_2\mathrm{OH}(\mathrm{CHOH}){\phantom{A}}_4\mathrm{COONH}{\phantom{A}}_4+2\mathrm{Ag}\downarrow +3\mathrm{NH}{\phantom{A}}_3+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

   $\mathrm{CH}{\phantom{A}}_2\mathrm{OH}(\mathrm{CHOH}){\phantom{A}}_4\mathrm{CHO}+2\mathrm{Cu}(\mathrm{OH}){\phantom{A}}_2+\mathrm{NaOH}\stackrel{\mathrm{\Delta }}{\to }\mathrm{CH}{\phantom{A}}_2\mathrm{OH}(\mathrm{CHOH}){\phantom{A}}_4\mathrm{COONa}+\mathrm{Cu}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\downarrow +3\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

2. 加成反应

   $$ $\mathrm{CH}{\phantom{A}}_2\mathrm{OH}(\mathrm{CHOH}){\phantom{A}}_4\mathrm{CHO}+2\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\underset{\mathrm{\Delta }}{\overset{\mathrm{催}\mathrm{化}\mathrm{剂}}{\to }}\mathrm{CH}{\phantom{A}}_2\mathrm{OH}(\mathrm{CHOH}){\phantom{A}}_4\mathrm{CH}{\phantom{A}}_2\mathrm{OH}$

3. 发酵反应

   $\mathrm{C}{\phantom{A}}_6\mathrm{H}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{O}{\phantom{A}}_6\stackrel{\mathrm{酒}\mathrm{化}\mathrm{酶}}{\to }2\mathrm{C}{\phantom{A}}_2\mathrm{H}{\phantom{A}}_5\mathrm{OH}+2\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2\uparrow$

4. 生理反应——人体主要供能反应

   $\mathrm{C}{\phantom{A}}_6\mathrm{H}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{O}{\phantom{A}}_6(\mathrm{s})+6\mathrm{O}{\phantom{A}}_2(\mathrm{g})⟶6\mathrm{CO}{\phantom{A}}_2(\mathrm{g})+6\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}(\mathrm{l})\mathrm{\Delta }=\text{-}2804k\mathrm{J}\cdot \mathrm{mol}{\phantom{A}}^{-1}$

二糖

1. 常见二糖

   1. 蔗糖：无色晶体，易溶于水，较难溶于乙醇，甜度仅次于果糖，是重要的甜味剂，非还原糖，无法与 $\mathrm{Cu}(\mathrm{OH}){\phantom{A}}_2$ 反应

   2. 麦芽糖：由两分子葡萄糖脱水形成，主要存在于发芽的谷粒和麦芽中。含有 $-\mathrm{CHO}$，属于还原糖

2. 水解反应

   $$\begin{array}{ccccccc}& \mathrm{C}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{H}{\phantom{A}}_{22}\mathrm{O}{\phantom{A}}_{11}& +\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{酶}\mathrm{或}\mathrm{酸}}{\to }& \mathrm{C}{\phantom{A}}_6\mathrm{H}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{O}{\phantom{A}}_6& +& \mathrm{C}{\phantom{A}}_6\mathrm{H}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{O}{\phantom{A}}_6& \\ & \mathrm{葡}\mathrm{萄}\mathrm{糖}& & \mathrm{蔗}\mathrm{糖}& & \mathrm{果}\mathrm{糖}\end{array}$$$$\begin{array}{cccc}& \mathrm{C}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{H}{\phantom{A}}_{22}\mathrm{O}{\phantom{A}}_{11}& +\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}\stackrel{\mathrm{酶}\mathrm{或}\mathrm{酸}}{\to }& 2\mathrm{C}{\phantom{A}}_6\mathrm{H}{\phantom{A}}_{12}\mathrm{O}{\phantom{A}}_6\\ & \mathrm{麦}\mathrm{芽}\mathrm{糖}& & \mathrm{葡}\mathrm{萄}\mathrm{糖}\end{array}$$

多糖

1. 淀粉与纤维素的组成

   	淀粉	纤维素
   分子式	$(\mathrm{C}{\phantom{A}}_6\mathrm{H}{\phantom{A}}_{10}\mathrm{O}{\phantom{A}}_5){\phantom{A}}_n$	$(\mathrm{C}{\phantom{A}}_6\mathrm{H}{\phantom{A}}_{10}\mathrm{O}{\phantom{A}}_5){\phantom{A}}_n$
   $n$ 值大小	大	更大
   结构特点	无 $-\mathrm{CHO}$，有 $-\mathrm{OH}$	无 $-\mathrm{CHO}$，有 $-\mathrm{OH}$
   水解最终产物	葡萄糖	葡萄糖
   性质差别	遇碘变蓝，在人体内可水解	在人体内不能水解
   是否为纯净物	否	否
   是否为同分异构体	否	否

2. 化学性质

   1. 水解反应

   2. 淀粉的特征反应：常温下，遇碘变蓝

   3. 两者均不发生银镜反应

3. 用途

   1. 淀粉：食物的重要组成成分，是主要供能物质；还可用于制备葡萄糖、酿醋、酿酒等

      纤维素：可用于纺织工业、造纸工业，制硝酸纤维、醋酸纤维等

实验：判断淀粉的水解程度

1. 实验原理：淀粉在酸作用下发生水解反应最终生成葡萄糖，反应物淀粉遇碘变蓝色，不能发生银镜反应；产物葡萄糖遇碘不变蓝，能发生银镜反应

2. 实验步骤：

   

3. 实验现象及相关结论

   	现象 A	现象 B	结论
   1	未出现银镜	溶液变蓝色	淀粉尚未水解
   2	出现银镜	溶液变蓝色	淀粉部分水解
   3	出现银镜	溶液不变蓝色	淀粉完全水解

   说明：

   1. 验证水解产物时，首先要加入 $\mathrm{NaOH}$ 溶液中和后再进行实验
   2. 要验证混合液中是否还有淀粉应直接取水解液加碘水，而不能在加入 $\mathrm{NaOH}$ 中和后再加碘水，因碘水与 $\mathrm{NaOH}$ 溶液反应

蛋白质

氨基酸

1. $\alpha -$ 氨基酸

   1. 结构特点：羧基和氨基连在同一个碳原子上

   2. 物理性质：天然的氨基酸均为无色晶体，熔点较高，在 200~300 ℃ 熔化时分解。除少数外一般都能溶于水，而难溶于乙醇、乙醚等有机溶剂

2. 氨基酸的化学性质

   1. 氨基酸的两性：既能和强酸反应，又能和强碱反应

      $\mathrm{CH}{\phantom{A}}_2(\mathrm{NH}{\phantom{A}}_2)-\mathrm{COOH}+\mathrm{NaOH}⟶\mathrm{CH}{\phantom{A}}_2(\mathrm{NH}{\phantom{A}}_2)-\mathrm{COONa}+\mathrm{H}{\phantom{A}}_2\mathrm{O}$

      $\mathrm{CH}{\phantom{A}}_2(\mathrm{NH}{\phantom{A}}_2)-\mathrm{COOH}+\mathrm{HCl}⟶\mathrm{CH}{\phantom{A}}_2(\mathrm{NH}{\phantom{A}}_3\mathrm{Cl})-\mathrm{COOH}$

   2. 成肽反应

      

蛋白质

1. 蛋白质的组成与结构

   1. 元素：$\mathrm{C}、\mathrm{H}、\mathrm{O}、\mathrm{N}、(\mathrm{S}、\mathrm{P})$

   2. 高分子化合物：蛋白质是由氨基酸通过缩聚反应产生的，蛋白质属于高分子化合物

   3. 所含官能团：肽键（ ），多肽链两端存在氨基和羧基

2. 双性：既能和强酸反应，又能和强碱反应

3. 水解：蛋白质 $\stackrel{\mathrm{酸}、\mathrm{碱}\mathrm{或}\mathrm{酶}}{\to }$ 多肽类 $\stackrel{\mathrm{逐}\mathrm{步}\mathrm{水}\mathrm{解}}{\to }$ 氨基酸

4. 盐析（物理变化）

   1. 条件：加人浓的轻金属盐溶液，如 $(\mathrm{NH}{\phantom{A}}_4){\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4、\mathrm{Na}{\phantom{A}}_2\mathrm{SO}{\phantom{A}}_4$ 等

   2. 结果：蛋白质的溶解度降低而从溶液中析出

   3. 特点：发生可逆的物理过程，加水稀释沉淀重新溶解，活性不变

   4. 应用：采用多次盐析和溶解，可以分离提纯蛋白质

5. 变性（化学变化）

   1. 影响因素：

      1. 物理因素：加热、加压、搅拌、振荡、紫外线照射、超声波等

      2. 化学因素：强酸、强碱、重金属盐、某些有机物（甲醛、酒精、苯甲酸等）

   2. 结果：蛋白质的性质和生理功能发生改变而形成沉淀

   3. 特点：发生不可逆的化学过程

   4. 应用：

      1. 乙醇、碘酒杀菌消毒的原理是使细菌、病毒蛋白质变性死亡

      2. 食物加热烹调使蛋白质变性，利于酶发挥作用使其消化

6. 显色反应：浓硝酸与某些蛋白质发生显色（黄色）反应，可用于蛋白质的检验

7. 灼烧：产生烧焦羽毛的气味，可以用来鉴别蛋白质