第三章生物有機質(zhì)的化學(xué)組成

第三章生物有機質(zhì)的化學(xué)組成一、碳水化合物二、脂類三、蛋白質(zhì)與氨基酸四、木質(zhì)素與丹寧五、生物的平均組成碳水化合物也叫糖，是自然界存在最多的一類有機物，如葡萄糖、蔗糖、淀粉、纖維素等，都屬于碳水化合物。從結(jié)構(gòu)上看，它們是多羥基的醛酮或其縮合物，最初發(fā)現(xiàn)的一些碳水化合物，從組成上看都是由Cn(H2O)m組成的，所以叫碳水化合物。植物和某些微生物，在光作用下，可將空氣中的二氧化碳和水轉(zhuǎn)化成分子量較大的碳水化合物，這叫做光合作用。碳水化合物常根據(jù)它能否水解和水解后的物質(zhì)分為三類：單糖、低聚糖和多糖。

單糖：不能水解的多羥基醛酮。

低聚糖：一分子低聚糖可水解成幾個分子的單糖，一般由2~10個分子的單糖縮合而成，所以又叫寡糖。

多糖：一分子多糖可水解成幾千個單糖分子，它們相當(dāng)于由許多單糖形成的高聚物，所以又叫高聚糖，屬天然高分子化合物。一、碳水化合物（糖類）

Cn(H2O)m1、單糖單糖根據(jù)它所含的羰基類型分為醛糖和酮糖兩類。自然界中的單糖以含四個、五個或六個碳原子的最為普遍。

醛糖中以含六個碳原子的D型葡萄糖最為常見，也是最重要的，它有α、β兩種半縮醛異構(gòu)體，分子式是C6H12O6，結(jié)構(gòu)式為：1、單糖

酮糖中以含六個碳原子的果糖為代表，D型果糖是自然界分布最廣的酮糖。果糖的結(jié)晶也是吡喃型，有α、β兩種異構(gòu)體，在水溶液中同樣存在環(huán)式和鏈式的互變平衡體系，而且平衡混合物中除有兩種吡喃型果糖外，還有兩種五元環(huán)異構(gòu)體：把六元環(huán)的糖叫吡喃糖。葡萄糖是自然界分布最廣的己醛糖，為右旋體。把五元環(huán)的糖叫呋喃糖。果糖是一種最甜的糖，為左旋體，又叫左旋糖?；瘜W(xué)性質(zhì)（1）氧化——由于酮糖分子的α-碳原子上連有羥基時，所以酮糖和醛糖一樣，都能還原托倫試劑、斐林試劑及本尼地溶液，分別生成銀鏡或氧化亞銅沉淀。與本尼地溶液的反應(yīng)常被用來測定血液或尿中葡萄糖的含量。酮糖和醛糖的區(qū)別是酮糖不被溴水氧化。（

2）還原——用催化氫化或硼化氫鈉（NaBH4）等還原劑，可將糖中的羰基還原成羥基，產(chǎn)物叫糖醇。（3）莫利施反應(yīng)——在糖的水溶液中加入α-萘酚的酒精溶液，然后沿試管壁小心注入濃硫酸，不要搖動，則在兩層液面之間能形成一個紫色環(huán)。所有的糖（包括單糖、低聚糖、多糖）都有這種顏色反應(yīng)，這是鑒別糖類物質(zhì)常用方法。糖還可以與其它一些酚類在酸的作用下顯顏色反應(yīng)。2、雙糖一分子單糖的醛基與另一分子單糖的羥基形成縮醛類化合物，叫做雙糖。自然界存在的雙糖有還原性和非還原性兩類。（1）還原性雙糖——還原性雙糖可以看作是由一分子單糖的半縮醛羥基與另一分子單糖的醇羥基失水而成的。所以這類雙糖具有一般單糖的性質(zhì)：有變旋現(xiàn)象和還原性，并能與苯肼作用，因此這類雙糖就叫還原性雙糖。在還原性雙糖中比較重要的是麥芽糖、纖維二糖和乳糖，都是由兩分子葡萄糖彼此以第一和第四個碳原子通過氧原子相連而成，區(qū)別僅在于它們形成的糖苷鍵不同。麥芽糖纖維二糖2、雙糖

乳糖是由半乳糖和葡萄糖以β-1,4-糖苷鍵形成的雙糖，成苷的部分是半乳糖。

（2）非還原性雙糖——非還原雙糖相當(dāng)于由兩個單糖的半縮醛羥基失水而成的，兩個單糖都成為苷。這樣形成的雙糖就沒有還原性，也不與苯肼作用。蔗糖是自然界分布最廣且最重要的非還原性糖。蔗糖是右旋糖，將它水解后得到等量的葡萄糖和果糖的混合物（變?yōu)樽笮?，所以常將蔗糖的水解產(chǎn)物叫轉(zhuǎn)化糖。3、多糖多糖是一類天然高分子化合物，是由上千個單糖以糖苷鍵相連形成的高聚體。自然界組成多糖的單糖有戊糖或己糖、醛糖或酮糖、或是一些單糖的衍生物，如糖醛酸、氨基糖等。多糖與單糖及低聚糖在性質(zhì)上有較大的區(qū)別，多糖沒有還原性，也沒有甜味，而且大多數(shù)不溶于水，個別的能與水形成膠體溶液。多糖在自然界分布很廣，植物的骨架——纖維素，植物儲藏的養(yǎng)分——淀粉，動物體內(nèi)儲藏的養(yǎng)分——糖元。（1）淀粉——淀粉是植物體中儲藏的養(yǎng)分，多存在于種子與塊莖中，是麥芽糖的高聚體。淀粉是白色無定形粉末，由直鏈淀粉（淀粉顆粒質(zhì)）與支鏈淀粉（淀粉皮質(zhì)）兩部分組成。淀粉水解為葡萄糖的中間產(chǎn)物如下：淀粉→紅糊精→無色糊精→麥芽糖→葡萄糖（2）糖元——糖元是動物體內(nèi)儲藏的碳水化合物，也叫做動物淀粉（3）纖維素——纖維素是植物細胞壁的主要組分，構(gòu)成植物的支持組織，也是自然界分布最廣的多糖。是纖維二糖的高聚體，徹底水解也得到葡萄糖。二、脂類（類脂化合物）脂類的共同特性是不溶于水，而易溶于乙醚、氯仿、苯等低極性有機溶劑中。用溶劑可將脂類從細胞和生物組織中萃取出來。動植物中的油脂是最重要的脂類。其主要成分是由甘油和脂肪酸構(gòu)成的三酰甘油。油脂大量分布于動物皮下組織、植物的孢子、種子及果實中。細菌和藻類也含有豐富的脂類。脂類具有重要的生物學(xué)功能，它是構(gòu)成生物膜的重要物質(zhì)，并為機體的新陳代謝提供必需的能量。1、脂肪酸（R-COOH）在生物體組織和細胞中絕大部分的脂肪酸是作為復(fù)合脂類的基本結(jié)構(gòu)成分，以游離形式存在的脂肪酸含量極少。以動物、植物、微生物中分離出的脂肪酸已有一百種以上。

脂肪酸按其烴基組成可以分為飽和的和不飽和的脂肪酸。組成油脂的脂肪酸絕大多數(shù)是含偶數(shù)碳原子的直鏈酸，僅在個別油脂中發(fā)現(xiàn)帶有支鏈，脂環(huán)或羥基的脂肪酸。2、動植物中的脂肪酸共性①多數(shù)鏈長為14至20個碳原子，均為偶數(shù)。常見的飽和脂肪酸為軟脂酸（C16）和硬脂酸（C18）；不飽和的為油酸（C18）和亞油酸（C18）。

②不飽和脂肪酸含量較高的甘油脂在常溫下呈液態(tài)，稱為油（Oil），而飽和脂肪酸含量高的脂常溫下呈固態(tài)，稱為脂（Fat）。

③在高等植物和藻類中的脂肪酸，不飽和的>飽和的。如高等植物中不飽和脂肪酸的78%，藻類中不飽和脂肪酸占73-88%。動物中普遍具有飽和脂肪酸。

④不同種類的生物含有不同類型的脂肪酸。植物油脂中脂肪酸碳數(shù)范圍為16-22，以16、18為主。藻類也以16、18碳數(shù)為主，但與植物相比，C20，C22烯酸也較重要。動物油脂中脂肪酸以16、18、14為主，C20以上的脂肪酸為飽和脂肪酸含量比植物油脂中比例大。

⑤細菌所含的脂肪酸種類比高等動、植物少得多。其碳數(shù)也多在12至18之間，個別的可高達35以上。細菌中絕大多數(shù)脂肪酸為飽和脂肪酸。3、生物蠟蠟是不溶于水的固體，它是高級脂肪酸與高級一元醇或甾醇形成的脂。還含少量游離高級脂肪酸、高級醇和長鏈烴。其中酸和醇均為偶數(shù)碳，碳酸范圍大至16-34最常見的酸碳數(shù)為16、24、26，醇的碳數(shù)是16，26，30。蠟廣泛分布于生物界，有蜂蠟、蟲蠟、植物蠟、羊毛蠟等，尤以各種植物蠟豐富。蠟在皮膚、羽毛、樹葉、果實表面以及昆蟲外骨骼上起保護作用，防止水分過分蒸發(fā)。它是原油中高碳數(shù)正構(gòu)烷烴的主要來源之一。

石蠟則是由石油中得到的含二十個碳以上的高級烷烴。4、異戊二烯類（C5H8)

萜類和甾類化合物，非環(huán)狀類異戊二烯類化合物都是符合“異戊二烯法則”的化合物。它們廣布于生物體內(nèi)，也是極為重要的生物標(biāo)志化合物。異戊二烯單元中因存在有共軛雙鍵，可以連結(jié)為鏈狀和環(huán)狀，形成種類繁多的化合物。5、甾類化合物6、萜類化合物萜類化合物根據(jù)組成的異戊二烯單元的數(shù)目可分為：單萜：兩個異戊二烯單元C10

倍半萜：三個異戊二烯單元C15

雙萜：四個異戊二烯單元C20

二倍半萜：五個異戊二烯單元C25

三萜：六個異戊二烯單元C30

四萜：八個異戊二烯單元C40環(huán)狀的萜多為雙環(huán)、三環(huán)、五環(huán)、具有特征的結(jié)構(gòu)及豐富的主體異構(gòu)體。天然萜類分子常有雙鍵，并含羥基、羰基、羧基等官能團，以烯、酸、醇、酮等形式存在于生物體，尤其是高等植物和細菌之中。單萜

單萜大量出現(xiàn)在高等植物中。它是植物香精油的主要組成。如玫瑰油、檸檬油、松節(jié)油、樟腦中。但單萜為揮發(fā)性物質(zhì)不易保存在地質(zhì)體中。倍半萜和雙萜

鏈狀、單環(huán)和雙環(huán)的倍半萜廣泛存在于高等植物中。如鏈狀的法呢醇就含在玫瑰油，茉莉花油中。它可視為雙環(huán)倍半萜的前身。

三萜是環(huán)狀異戊二烯類中非常重要的一類。它們共同的生化先質(zhì)體是自然界中廣泛分布的角鯊烯。由它衍生而來的五環(huán)三萜類，尤其是五個六元環(huán)的三萜都分布在高等植物中。只發(fā)現(xiàn)一種四膜蟲醇來源于原生動物。三萜中最豐富的是具藿烷結(jié)構(gòu)的三萜。在一些低等植物如蕨類、地衣、苔蘚中檢測出的里白烯就是這類物質(zhì)。在古細菌、藍細菌和細胞膜中含有具類似結(jié)構(gòu)的醇。三萜四萜——色素6、卟啉化合物7、生物烴從海洋和陸生植物中都已分離出各種烴類，如從海藻里分離出從C19到C34的烴類系列。1、異戊二烯類烴檢測出較多的姥鮫烷、植烷。浮游動物中姥鮫烷多，鹽湖強還原環(huán)境植烷占絕對優(yōu)勢2、直鏈烷烴具有明顯奇偶優(yōu)勢。高等植物中的正構(gòu)烷烴C27、C29和C31為優(yōu)勢。而海生植物中正構(gòu)烷烴以C17、C19和C21為主。生長在濱海和微咸水的水草正構(gòu)烷烴碳數(shù)介于上述兩者之間，以C21、C23和C25為主。3、支鏈烷烴以2-甲基異構(gòu)烷烴和3-甲基反異構(gòu)烷烴為主，部分X型異構(gòu)烷烴。4、芳香烴僅次于烷烴。有單環(huán)和多環(huán)，常見于木質(zhì)素和丹寧中，游離的芳烴在生物體內(nèi)很少，因為絕大部分芳烴對生物體有毒性。8、樹脂

天然樹脂是植物生長過程中的分泌物，存在于樹葉和樹干內(nèi)部。大多數(shù)樹脂產(chǎn)自溫帶針葉樹及熱帶的被子植物，低等植物不含樹脂。

樹脂是萜類混合物，分子大小相應(yīng)于從C15倍半萜到C40的四萜，主要為雙萜和三萜類衍生物。此外，樹脂中還含少量單萜、倍半萜、酚、烴及酯等。煤和干酪根中的樹脂體前身便是樹脂，其中的不飽和酸還原形成三環(huán)萜，是原油和沉積物中三環(huán)雙萜的重要母質(zhì)。此外，高等植物中還有角質(zhì)、孢粉素、木栓質(zhì)等特殊的類脂化合物。三、蛋白質(zhì)和氨基酸

1、蛋白質(zhì)的重要性：蛋白質(zhì)是生命的基礎(chǔ)。它是生物體內(nèi)一切組織的基本組成部分。細胞內(nèi)除水以外其余的80%物質(zhì)為蛋白質(zhì)。肌肉、血清和皮膚等都是由不同的蛋白質(zhì)構(gòu)成的。這是生命活動依賴的主要物質(zhì)。

2、蛋白質(zhì)的分布：蛋白質(zhì)在生物界中分布是不均勻的。動物組織中的蛋白質(zhì)含量高于植物組織，低等水生植物中的蛋白質(zhì)又高于高等植物。

3、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)是由20多種氨基酸以肽鍵－NH－CO－首尾相連縮合而成的復(fù)雜高分子化合物。分子量在6000以下的稱為肽，分子量在6000以上的稱為蛋白質(zhì)。分子量可高達數(shù)百萬。三、蛋白質(zhì)和氨基酸

4、蛋白質(zhì)的元素組成：蛋白質(zhì)是含氮的天然高聚物。除碳、氫、氧及少量的硫磷外，含氮量平均為16%。

5、蛋白質(zhì)的性質(zhì)：蛋白質(zhì)在酸、堿或酶的作用下可以水解成氨基酸。

6、蛋白質(zhì)的分解產(chǎn)物及其對石油的意義：蛋白質(zhì)分解的產(chǎn)物氨基酸廣泛地存在于不同時代的地質(zhì)體中，對石油的形成亦有一定的意義。當(dāng)氨基酸分解同時脫去氨基和羧基就可以形成烴類，這些烴類大部分是C1~C7的輕烴。在緩慢加熱氨基酸和蒙脫石的有機粘土絡(luò)合物時，可以得到飽和脂鏈烴，環(huán)烷烴和芳香烴的混合物。甚至在100~200℃就可以檢測出由氨基酸形成的烴類。

木質(zhì)素是植物細胞壁的主要成分，它包圍著纖維素并充填其間隙形成了支撐組織。木質(zhì)素可以視為高分子量聚酚，其單體基本上是酚-丙烷基結(jié)構(gòu)的化合物，常帶有甲氧基等官能團。在高等植物中，木質(zhì)素可由芳香醇如松柏醇、芥子醇和對香豆醇脫水縮合而成。木質(zhì)素在植物組織中具有增強細胞壁、粘合纖維的作用。其性質(zhì)十分穩(wěn)定、不易水解，但可被氧化成芳香酸和脂肪酸。在缺氧水體中，在水和微生物的作用下，木質(zhì)素分解，與其它化合物生成腐殖質(zhì)。四、木質(zhì)素和丹寧OHCHCHCH2OHOHCHCHCH2OHOCH3OHCHCHCH2OHOCH3H3CO松柏醇芥子醇對香豆醇芳香族植物醇木質(zhì)素分子的一部分

丹寧的組成和特性介于木質(zhì)素和纖維素之間，主要出現(xiàn)在高等植物中，如紅樹科樹皮中中丹寧含量高達21-58%，樹葉中含65%；藻類也含少量丹寧。它們由幾種羥基芳香酸如倍子酸、鞣花酸的衍生物縮合而成，故性質(zhì)介于木質(zhì)素和纖維素之間。不同來源的丹寧其結(jié)構(gòu)不同，研究得最多的是五倍子丹寧。五倍子又叫沒食子，是鹽膚木葉上五倍子蚜蟲形成的蟲癭，其主要成分是五倍子丹寧。五倍子丹寧是由葡萄糖與不同數(shù)目的五倍子酸形成的酯的混合物，平均每一分子含9個五倍子酸和一個葡萄糖，大致結(jié)構(gòu)為：上式中的R可以是：五倍子酸丹寧五、生物的平均組成天然有機物、有機礦產(chǎn)平均元素組成石油是一種高氫低氧的復(fù)雜有機混合物。一般生物體中生化組分是富含氧的，當(dāng)其含氧量超過一定限度，而含氫量很低時，則從成分上不具備轉(zhuǎn)化為石油的條件。脂肪酸、蠟質(zhì)、樹脂等均可作為生油母質(zhì)，在向石油的轉(zhuǎn)化過程中只須排出少量的氧；而纖維素、特別是木質(zhì)素的H/C值低，其組成與泥炭十分接近，它們是成煤物質(zhì)。若要對油的生成有貢獻，須經(jīng)過細菌強烈改造，排除大量的氧。至于蛋白質(zhì)還需排出相當(dāng)?shù)牡庞幸饬x?？偠灾?，類脂化合物是形成石油的最重要生化組分。木質(zhì)素、纖維素是形成煤的最主要生化組分。

1、浮游植物：藻類中脂肪酸主要是飽和的和不飽和的直鏈脂肪酸，以C16、C18最為豐富。異構(gòu)和反異構(gòu)支鏈脂肪酸含量甚少。烴類含量可達3-5%，以飽和的鏈烴為主。這是有機質(zhì)的重要來源之一。富含蛋白質(zhì)。不含木質(zhì)素。

2、細菌：蛋白質(zhì)含量為50-80%，類脂化合物含量可達10%。脂肪酸碳數(shù)多為10-20，并以16、18為主，含有豐富的支鏈脂肪酸，尤以異、反異兩種形式為多。烴類以C10-C30為主，以支鏈烷烴以異構(gòu)和反異構(gòu)為主。碳數(shù)為C27~C29甾醇均有發(fā)現(xiàn)。細菌中含有特征的藿烷系列的五環(huán)三萜類和色素。在細菌尤其是古細菌細胞膜類脂組分里還檢測出十分特殊的化合物，如甘油醇四醚類、頭對頭結(jié)構(gòu)的無環(huán)類異戊二烯化合物、細菌藿四醇等，這些化合物可能是沉積有機質(zhì)中各種萜類的先體。不同生物的生化組分特征水生生物生化組成

3、高等植物：總體上，高等植物以纖維素和木質(zhì)素為主。幾乎所有木本植物中，纖維素占40-50%，木質(zhì)素占20-30%，二者合起來占組成的60-80%。而蛋白質(zhì)和類脂物含量一般不超過5%。草本植物的類脂物含比木本植物為高，但大部分仍由纖維素和木質(zhì)素組成。高等植物的某些部分，如孢子、種子、果實、樹脂、角質(zhì)、木