有機化學(xué)第十三章 碳水化合物和蛋白質(zhì)

1、1n 掌據(jù)蛋白質(zhì)的主要性質(zhì)及其鑒別方法。第十三章 碳水化合物(糖類化合物）和蛋白質(zhì)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】n 了解碳水化合物的結(jié)構(gòu)特點及其分類。n 掌握重要碳水化合物的主要性質(zhì)及其鑒別方法。n 了解蛋白質(zhì)的組成和分類。n 了解生物酶及其催化作用的特點。2第一節(jié) 碳水化合物的分類和含義 碳水化合物也稱為糖類化合物，是一類重要的天然有機化合物。例如葡萄糖、果糖、肝糖、淀粉、纖維素等都廣泛存在于動植物中，是綠色植物光合作用的主要產(chǎn)物。是動植物所需能量的重要來源。根據(jù)我國居民的食物構(gòu)成，人們每天攝取的熱能中大約有75%來自糖類。一、碳水化合物的含義和分類 碳水化合物有C、H 、O三種元素，其中氫原子和氧原子數(shù)的比

2、例恰與水一樣為2 1 。因此，得名為碳水化合物。它們可用通式Cn H2O m（ ）來表示，如葡萄糖的分子式為C6H12O6 ，也可用C6 H2O 6 表示，蔗糖的分子式為C12H22O11 ，也可用C12H2O11 表示。（ ） （ ） 3 隨著科學(xué)的發(fā)展，有機化合物數(shù)量的不斷增多，發(fā)現(xiàn)有些化合物如鼠李糖（C6H10O5）和脫氧核糖（C5H10O4）其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)屬于碳水化合物，但分子式不符合上述通式，而有些化合物，如乙酸（C2H4O2）、乳酸（C3H6O3），它們的分子式雖然符合上述通式，但它們的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與碳水化合物不同。 “碳水化合物”這一名稱由于沿用己久，所以至今仍在采用，但己失去原有意

3、義。因此“碳水化合物”又稱“糖類化合物” 。4 從結(jié)構(gòu)上看碳水化合物是多羥基醛和多羥基酮，或者是能水解生成多羥基醛或多羥基酮的化合物。 碳水化合物常根據(jù)它能否水解及水解后生成的物質(zhì)分為三大類。 單糖 不能再水解的多羥基醛或多羥基酮，叫單糖。例如葡萄糖。果糖等，它們是最簡單的糖。 低聚糖 含210個單糖結(jié)構(gòu)的縮合物。其中二糖是最重要的低聚糖，如纖維二糖、蔗糖和麥芽糖等。 多糖 含10個以上單糖結(jié)構(gòu)的縮合物。如淀粉、纖維素等。多糖屬于天然高分子化合物。5二、單糖 天然來源的單糖種類很多，按分子中所含碳原子數(shù)目可分為丙糖、丁糖、戊糖和己糖等，分子中含有醛基的叫醛糖，含有酮基的叫酮糖。戊糖中最重要的糖

4、是核糖，己糖中最重要的糖是葡萄糖和果糖，它們互為同分異構(gòu)體。葡萄糖和果糖的分子式為C6H12O6 ，它們的構(gòu)造式如下：CH2CHCHCHCHCHOHOHOHOHOHOCH2CHCHCHCCH2OHOHOHOHOHO葡萄糖果糖6n 葡萄糖和果糖的來源與制法 葡萄糖是自然界分布最廣的醛糖，廣泛存在于蜂蜜和帶甜味的水果汁以及植物的根、莖、葉和花等部位。尤其在成熟的葡萄中含量最高，因而得名。人體和動物體內(nèi)都含有游離的葡萄糖，人體血液中的葡萄糖醫(yī)學(xué)上叫血糖。正常人空腹血糖含量為3.96.1mmoL/L血液(或0.71.10g/L)工業(yè)上,葡萄糖可由淀粉或纖維素在酸性條件下水解制得:（C6H10O5）n+

5、 nH2O酸或酶 C6H12O6n淀粉葡萄糖 果糖是自然界分布很廣的一種己酮糖，主要存在于蜂蜜和水果中，工業(yè)上由菊粉經(jīng)水解而制得。7n 葡萄糖和果糖的性質(zhì)和用途 葡萄糖是白色晶體、味甜，熔點146，易溶于水，難溶于酒精，微溶于乙酸，不溶于乙醚和苯。 果糖為白色晶體或結(jié)晶粉末。味最甜，熔點103。 在一定條件下葡萄糖和果糖可以發(fā)生氧化、還原和成脎等化學(xué)反應(yīng)。8 氧化反應(yīng) 葡萄糖能被弱氧化劑溴水氧化，生成含碳原子數(shù)相同的葡萄糖酸，同時溴水顏色褪去，而果糖是酮糖，不能被溴水氧化，因此可用溴氧化來鑒別葡萄糖和果糖。Br2 / H2OCHO（CHOH）CH2OH4COOH（CHOH）CH2OH4葡萄糖酸

6、 葡萄糖和果糖均能和托倫試劑、菲林試劑反應(yīng)，分別生成銀鏡和氧化亞銅磚紅色沉淀。CHO（CHOH）CH2OH4COONH4（CHOH）CH2OH4葡萄糖酸銨+ 2Ag（NH3）OH2+ 2Ag + 3NH3 + H2O（銀鏡）9CHO（CHOH）CH2OH4COONa（CHOH）CH2OH4葡萄糖酸鈉+ 2Cu2+ + NaOH + H2O+ Cu2O + H2O 果糖是酮糖，雖不含醛基，但在堿性溶液中能轉(zhuǎn)變?yōu)槿┨?。所以果糖也能發(fā)生銀鏡反應(yīng)和菲林反應(yīng)。 在碳水化合物中凡能與托掄試劑和菲林試劑發(fā)生反應(yīng)的糖都為還原糖。反之為非還原糖。單糖都是還原糖?？梢岳眠@兩個反應(yīng)來區(qū)別還原糖和非還原糖。10【演

7、示實驗131】 在兩支洗得十分干凈的25mL試管中，分別加入20g/L硝酸銀溶液8mL。各滴加50g/L氫氧化鈉溶液一滴，逐滴加入20g/L氨水，使氧化銀沉淀恰好溶解，然后，在兩支試管中分別加入100g/L葡萄糖溶液和100g/L果糖溶液，用水浴溫?zé)?，靜置觀察銀鏡的生成。11 還原反應(yīng) 葡萄糖和果糖用化學(xué)還原劑(如NaBH4)或催化加氫等還原方法，都可以生成己六醇(又叫葡萄糖醇或山梨醇)。H2 /CuCrCHO（CHOH）CH2OH4CH2OH（CHOH）CH2OH4己六醇或NaBH4H2 /CuCrCH2OH（CHOH）CH2OH3CH2OH（CHOH）CH2OH4己六醇或NaBH4CO12

8、 成脎反應(yīng) 單糖因有羰基，故與醛、酮相似，也能與苯肼作用，生成單糖苯腙。單糖的- 羥基可被過量的苯肼氧化成羰基，繼續(xù)與苯肼反應(yīng)，最終在C1和C2處生成含兩個苯腙基團的化合物，稱為糖脎。C6H5NHNH2H2OCHO（CHOH）CH2OH3CHOHCH NNHC6H5（CHOH）CH2OH3CHOH2C6H5NHNH2 ,NH3 ,H2OC6H5NH2葡萄糖葡萄糖苯腙CH NNHC6H5（CHOH）CH2OH3C NNHC6H5葡萄糖脎13 糖脎為黃色結(jié)晶，微溶于水，一般來說，不同的單糖所生成的糖脎，其晶形和熔點是不同的，葡萄糖與果糖雖生成相同的糖脎，但析出的時間不同(果糖比葡萄糖快)，因此，常

9、用成脎反應(yīng)鑒別單糖。14【演示實驗132】 取兩支25mL的試管，分別加入50g/L葡萄糖和果糖溶液8mL，再各加入苯肼試劑8mL混勻，放在沸水中加熱，觀察各試管中出現(xiàn)結(jié)晶的時間和顏色。15 葡萄糖是人體新陳代謝不可缺少的營養(yǎng)物質(zhì)。葡萄糖經(jīng)緩慢氧化而釋放出能量，以供給肌肉活動并保持人體正常體溫。在醫(yī)藥上用作營養(yǎng)補充劑，以供給能量。也是制備維生素C、葡萄糖酸鈣等藥物的原料。維生素C能防治環(huán)血病，所以又叫抗環(huán)血酸，具有增強機體抗病能力和解毒作用，維生素C存在于新鮮蔬菜和水果中，故可以從中攝取以滿足需要。葡萄糖酸鈣是重要的補充鈣質(zhì)的藥物，有抗過敏的作用，與維生素D合用，有助于骨質(zhì)形成，可以治療小兒佝

10、僂?。ㄢ}缺乏癥）。工業(yè)上葡萄糖用來還原銀氨溶液，使析出的銀均勻地鍍在玻璃上，制成玻璃鏡子及熱水瓶膽。葡萄糖還大量用于食品工業(yè)中。果糖也是營養(yǎng)劑，在食品工業(yè)中作調(diào)味劑。16三、二糖 二糖是低聚糖中最重要的一類，凡是經(jīng)水解能生成兩分子單糖的化合物稱為二糖。二糖中最重要的是蔗糖和麥芽糖，分子式為C12H22O11 ，它們互為同分異構(gòu)體。n 麥芽糖 自然界不存在游離的麥芽糖。通常是用含有淀粉較多的農(nóng)產(chǎn)品如大米、玉米、薯類等作物為原料，在淀粉酶（存在于大麥芽中）的作用下，約60時，發(fā)生水解反應(yīng)而生成的。2（C6H10O5）n+ nH2O淀粉酶 C12H22O11n淀粉麥芽糖6017 麥芽糖屬于還原糖，能

11、發(fā)生銀鏡反應(yīng)、菲林反應(yīng)，也能與苯肼作用生成糖脎。麥芽糖在無機酸或酶的作用下發(fā)生水解，得到兩分子葡萄糖。2C6H10O6+ H2OH+ 或酶 C12H22O11麥芽糖葡萄糖 麥芽糖是飴糖的主要成分，主要用于食品工業(yè)中。麥芽糖易為動物消化，是一種廉價的營養(yǎng)劑。也可作為微生物的培養(yǎng)劑。 唾液中也有淀粉酶，也能使淀粉水解為麥芽糖，所以細嚼淀粉食物后常有甜味感。 麥芽糖為白色結(jié)晶，熔點102103，易溶于水，甜味不及蔗糖。18n 蔗糖 蔗糖也叫甜菜糖，是自然界中分布最廣的糖，廣泛存在于植物的莖、葉、種子、根和果實內(nèi)，其中以甘蔗的莖和甜菜的塊根含量較多。工業(yè)上將甘蔗或甜菜 經(jīng)榨汁、濃縮、結(jié)晶等操作可制得食

12、用蔗糖。 蔗糖為白色結(jié)晶，熔點160186分解，易溶于水，其甜味超過葡萄糖，但不及果糖。 蔗糖屬于非還原性糖，不能被托倫試劑、菲林試劑氧化，也不能與苯肼作用成脎。蔗糖在無機酸或酶作用下水解，生成一分子葡萄糖和一分子果糖。C6H10O6+ H2OH+ 或酶 C12H22O11果糖葡萄糖+ C6H10O6 蔗糖是人類生活中不可缺少的食用糖，在醫(yī)藥上用作矯味劑，常制成糖漿應(yīng)用。蔗糖高濃度時能抑制細菌生長，因此，可用作醫(yī)藥上的防腐劑和抗氧劑19四、多糖 多糖是高分子化合物，其水解后生成的最終產(chǎn)物是多個分子的單糖。多糖廣泛存在于動植物體中。是重要的天然高分子化合物。多糖的性質(zhì)和低聚糖有較大的差別，一般為

13、無定形固體，不溶于水、無甜味、不具有還原性。淀粉和纖維素是最重要和最常見的多糖，分子為 ，互為同分異構(gòu)體。 （C6H10O5）nn 淀粉 淀粉是綠色植物進行光合作用的產(chǎn)物，存在于植物的種子、塊根和莖中，谷類植物中含淀粉較多。淀粉是無色、無味和無嗅的顆粒。淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉兩部分組成。一般直鏈淀粉的含量為10%30%，支鏈淀粉的含量為70%90% 。 直鏈淀粉不溶于冷水，但能溶于熱水。直鏈淀粉遇碘溶液顯藍色。支鏈淀粉易溶于冷水，遇熱水則因膨脹而成糊狀。支鏈淀粉遇碘溶液呈藍紫色。一般淀粉以含支鏈淀粉為主。故遇碘溶液呈深藍色。可用于淀粉的檢驗。淀粉在酸或酶的催化作用下，可逐步水解，依次生成糊精

14、、麥芽糖和葡萄糖。20 C6H12O6（C6H10O5）nH2O酸或酶淀粉 C12H22O11麥芽糖（C6H10O5）m（m PIPIPHPI 不同的蛋白質(zhì)等電點也不同，例如魚精蛋白的PI為12.012.4 ，牛胰島素的PI為5.305.35 ，血清蛋白的PI為4.64 。蛋白質(zhì)在等電點時，易結(jié)合成大的聚集體，所以蛋白質(zhì)在等電點時溶解度最小，可沉淀析出，利用此性質(zhì)可通過調(diào)節(jié)溶液的PH進行分離、提純蛋白質(zhì)。37n 顯色反應(yīng)蛋白質(zhì)能與許多試劑發(fā)生特殊的顏色反應(yīng)，常用于蛋白質(zhì)的鑒別。 縮二脲反應(yīng) 蛋白質(zhì)分子中含有多個酰胺鍵 ，當(dāng)在蛋白質(zhì)溶液中加入氫氧化鈉溶液及數(shù)滴硫酸銅稀溶液時，呈現(xiàn)紫色。CNHO

15、蛋白黃反應(yīng) 分子中含有苯環(huán)的蛋白質(zhì)，與濃硝酸作用，立即呈現(xiàn)黃色，這是由于苯環(huán)發(fā)生了硝化反應(yīng)，生成了硝基化合物的緣故。若再用氨水處理，則又變成橙色。皮膚接觸硝酸，立即變黃，便是蛋白質(zhì)黃色反應(yīng)的例子。反應(yīng)，呈現(xiàn)紫藍色，反應(yīng)非常靈敏，其靈敏度可達十萬分之一的濃度。這個反應(yīng)在蛋白質(zhì)的鑒定上極為重要。此外，蛋白質(zhì)被灼燒時，如羊毛、蠶絲等會產(chǎn)生具有燒焦羽毛的氣味，可用于鑒別它們。 水合茚三酮反應(yīng) 蛋白質(zhì)與水合茚三酮 加熱OOHOHCCOC38四、酶 人體是一個復(fù)雜的“化工廠”，在這個“化工廠”中同時進行著許多互相協(xié)同的化學(xué)反應(yīng)。這些反應(yīng)不能在高溫、高壓、劇毒、強腐蝕的條件下進行，只能在體溫下溫和地進行。這

16、些反應(yīng)還要求有較高的速率，而且需要隨著環(huán)境和身體情況的變化而隨時自動地進行精密的調(diào)節(jié)。如此苛刻的條件，這要靠一類特殊的蛋白質(zhì)酶的作用。酶是一種由生物細胞合成的具有生物活性的蛋白質(zhì)，是生物體內(nèi)許多復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)和許多有機化學(xué)反應(yīng)的催化劑。酶的催化作用具有以下特點：n 條件溫和，不需要加熱。 例如在人體中的各種酶催化反應(yīng)，一般在接近體溫和接近中性（PH約為7）的條件下，酶就可以起作用。在3050之間酶的活性最強，超過適宜的溫度時，酶就夫去活性。n 對環(huán)境變化敏感。 酶當(dāng)受到高溫、強酸、強堿、重金屬離子或紫外線照射等因素的影響時，非常容易失去活性。39n 具有高度的專一性。 例如蛋白酶只能催化蛋

17、白質(zhì)的水解反應(yīng)，淀粉酶只能催化淀粉的水解反應(yīng)。麥芽糖酶只能催化麥芽糖水解成葡萄糖，脲酶只能催化脲素水解，如同一把鑰匙開一把鎖那樣。n 具有高效催化劑作用。 酶催化劑的化學(xué)反應(yīng)速率，比普通催化劑高1061013倍。 目前人們已經(jīng)鑒定出的酶己達2000多種以上。工業(yè)上大量使用的酶多數(shù)是通過微生物以酵制得的，并且許多酶己制成晶體。酶己得到廣泛應(yīng)用，如淀粉酶應(yīng)用于食品、發(fā)酵、紡織、制藥等工業(yè)；蛋白酶用于醫(yī)藥、制革等工業(yè)；脂肪酶用于使脂肪水解、羊毛脫脂等。酶還可用于疾病的診斷。40本 章 小 結(jié)n 碳水化合物 碳水化合物的含義 碳水化合物亦稱糖類化合物。它是指多羥基醛和多羥基酮，以及能水解生成多羥基醛和

18、多羥基酮的一類化合物。碳水化合物可分為單糖、低聚糖和多糖。 單糖的性質(zhì) 糖類糖類 試劑試劑 現(xiàn)象現(xiàn)象 葡葡 萄萄 糖糖 果果 糖糖托倫和菲林試劑被氧化成葡萄糖酸并分別有Ag及Cu2O生成 同葡萄糖溴水被氧化成葡萄糖酸 不易氧化NaBH4用NaBH4還原得多元醇 同葡萄糖苯肼生成黃色葡萄糖脎 同葡萄糖41 二糖的性質(zhì) 糖類糖類 試劑試劑 現(xiàn)象現(xiàn)象 麥麥 芽芽 糖糖 蔗蔗 糖糖 托倫和菲林試劑能還原托倫試劑及菲林試劑，并分別生成Ag及Cu2O不能 苯肼成脎 不能 水解在酸或酶催化下水解為兩分子葡萄糖在酸或酶催化下水解為一分子葡萄糖和一分子果糖42 糖類糖類 試劑試劑 現(xiàn)象現(xiàn)象 麥麥 芽芽 糖糖 蔗

19、蔗 糖糖托倫和菲林試劑無 無苯肼無 無碘溶液深藍色 無酸催化水解葡萄糖 葡萄糖 多糖的性質(zhì)43n 蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)是由許多-氨基酸通過分子間氨基與羧基間的脫水反應(yīng)，縮合成以酰胺鍵相連的高分子化合物。 蛋白質(zhì)是一種兩性電解原，與酸或與堿都能成鹽。當(dāng)溶液處于某一PH時，蛋白質(zhì)分子以兩性離子存在，在電場中不移動，此時溶液的PH為蛋白質(zhì)的等電點。蛋白質(zhì)具有鹽析和變性作用能和許多化合物發(fā)生反應(yīng)。顯色反應(yīng)可用于蛋白質(zhì)的鑒別。n 酶 酶是一種由生物細胞合成的具有生命活性的蛋白質(zhì)，是生物體內(nèi)許多復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)和許多有機化學(xué)反應(yīng)的催化劑。 生物酶催化劑的特點 催化反應(yīng)條件溫和；對環(huán)境變化敏感；催化對象具有專一

20、性；具有高效催化作用。44習(xí) 題 寫出下列化合物的構(gòu)造式。 氨基乙酸（甘氨酸） 2-氨基戊二酸（谷氨酸） 葡萄糖 葡萄糖酸 果糖 寫出葡萄糖與下列試劑作用的化學(xué)反應(yīng)式。 溴水 托倫試劑 過量苯肼 菲林試劑 硼氫化鈉45 填空題 蛋白質(zhì)主要是由 ， ， ， 四種元素組成，它是由許多-氨基酸通過 結(jié)合而成的高分子化合物。 酶對于許多有機化學(xué)反應(yīng)和生物體內(nèi)許多復(fù)雜的新陳代謝反應(yīng)都具有很強的 作用。酶的催化作用的特點是 ， ， ， 。 凡是能發(fā)生銀鏡反應(yīng)的一定含有 基，但不一定都是 類。 有些蛋白質(zhì)遇硝酸變成 色；淀粉遇碘溶液變成 色。46 選擇題 葡萄糖不能發(fā)生的反應(yīng)是（ ）。A 銀鏡反應(yīng)B還原反應(yīng) C 酶化反應(yīng) D水解反應(yīng) 蛋白質(zhì)溶液在做如下處理后，仍不喪失生理作用的是（ ）。A 加硫酸銨溶液B加氫氧化鈉溶液 C 加濃硫酸 D