淺談高中生物學(xué)教材中的“酯”

劉 沖 申屠英輝

(浙江省寧波中學(xué) 315100)

在有機化學(xué)中，醇與羧酸或無機含氧酸能夠發(fā)生酯化反應(yīng)生成酯，形成的化學(xué)鍵稱為酯鍵。根據(jù)參加反應(yīng)的酸不同，酯可分為有機酸酯和無機酸酯。

1 有機酸酯

有機酸酯，又稱羧酸酯，由醇和羧酸經(jīng)酯化反應(yīng)生成(圖1)。教材中出現(xiàn)的有機酸酯多為脂質(zhì)，例如，油脂、磷脂、植物蠟。

圖1 羧酸和醇形成酯

1.1 油脂 油脂即甘油三酯，由甘油和脂肪酸兩種基本結(jié)構(gòu)單位組成。根據(jù)有機化學(xué)系統(tǒng)命名法，酯類物質(zhì)以形成酯的酸和醇的名稱命名，一般稱為某酸某酯[1]。若有多個醇或酸分子參與形成酯，應(yīng)在相應(yīng)的醇或酸前面加上數(shù)目。

據(jù)此，甘油三酯實際上是三脂肪酸甘油酯。天然油脂大多為混合脂肪酸甘油酯，即參加酯化反應(yīng)的3個脂肪酸不同。圖2中，R1、R2、R3代表飽和烴鏈或不飽和烴鏈或兩者的混合。若R1、R2、R3為不飽和烴鏈，則此甘油酯熔點較低，常溫呈液態(tài)，稱為油；若R1、R2、R3均為飽和烴鏈，則此甘油酯熔點較高，常溫呈固態(tài)，稱為脂。

圖2 甘油三酯的合成

1.2 磷脂 磷脂是一類含有磷酸的脂質(zhì)。機體中的磷脂主要有甘油磷脂和鞘磷脂兩大類，而甘油磷脂含量最多，是細(xì)胞膜的重要組分，因此教材是以其為例來介紹的。甘油磷脂由甘油、脂肪酸和磷酸基團組成，甘油的3個羥基分別和2個脂肪酸、1個磷酸基團發(fā)生酯化反應(yīng)。甘油磷脂的結(jié)構(gòu)特點：由磷酸和與磷酸相連的取代基團(含氨堿或醇類)構(gòu)成親水頭部，脂肪酸鏈構(gòu)成疏水尾部(圖3)。在生物膜中磷脂的親水頭部位于膜表面，疏水尾部位于膜內(nèi)側(cè)。

磷脂酶A1、磷脂酶A2、磷脂酶C和磷脂酶D均可水解甘油磷脂(分別作用于甘油磷脂的不同位置)。

圖3 甘油磷脂的結(jié)構(gòu)式

蛇毒以及蜂毒是磷脂酶A2的最好來源。因此，被毒蛇咬傷或毒蜂蜇后，會導(dǎo)致紅細(xì)胞裂解而產(chǎn)生溶血，嚴(yán)重者危及生命[2]。

1.3 植物蠟 植物蠟的主要成分是由高級脂肪酸和高級一元醇經(jīng)酯化反應(yīng)生成的高級酯，其為高分子量熱塑性固體，其疏水性比脂肪更強。因此，植物蠟具有防止葉片中水分過多蒸騰及微生物侵襲葉肉細(xì)胞的功能，對植物起保護作用[3]。另外，一些動物的表面也有蠟，例如，昆蟲就有蠟保護其軀體，避免干燥。

1.4 乙酰膽堿 在生物體內(nèi)，乙酰輔酶A在膽堿乙酰化酶的催化作用下，可與膽堿發(fā)生酯化反應(yīng)生成乙酰膽堿。乙酰膽堿是脂溶性小分子，理論上來說，乙酰膽堿應(yīng)以擴散的方式進出細(xì)胞，但在神經(jīng)沖動傳遞過程中，突觸前膜通過胞吐釋放乙酰膽堿。如何理解這一現(xiàn)象呢？突觸后膜要產(chǎn)生動作電位，需要大量乙酰膽堿在短時間內(nèi)與后膜上的受體結(jié)合。當(dāng)乙酰膽堿與其受體結(jié)合后，會改變受體構(gòu)象，打開離子通道，使膜對Na+的通透性增加，從而引導(dǎo)突觸后膜去極化。而只有胞吐這種量子化釋放才能使突觸前膜迅速釋放大量乙酰膽堿，滿足突觸后膜的需要。此時胞吐對于細(xì)胞的意義已遠(yuǎn)非單純的介導(dǎo)分子運輸，而是給細(xì)胞排出物質(zhì)提供了一種釋放調(diào)節(jié)機制，使物質(zhì)的運輸與細(xì)胞的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相耦聯(lián)。2014年浙江省高考第1題考察了突觸前膜釋放乙酰膽堿的方式。

乙酰膽堿發(fā)揮完作用后，會迅速被乙酰膽堿酯酶水解。有機磷農(nóng)藥能抑制該酶的活性，因此其中毒癥狀為肌肉僵直。2014年上海市高考第17題考察了此知識點。

2 無機酸酯

無機酸酯是無機含氧酸中的羥基被烷氧基(-OR)取代所生成的化合物。教材中涉及的無機酸酯多為磷酸酯。

2.1 ATP ATP是adenosine triphosphate的縮寫，浙科版教材稱其為腺苷三磷酸。ATP由1個核糖、1個腺嘌呤、3個磷酸基團組成(圖4)。核糖與其中一個磷酸基團之間形成酯鍵，根據(jù)有機化學(xué)系統(tǒng)命名法，ATP實際上是三磷酸腺苷酯，也可稱為腺苷三磷酸或三磷酸腺苷。

圖4 ATP的結(jié)構(gòu)式

2.2 卡爾文循環(huán)中的三種有機物 卡爾文循環(huán)涉及五碳糖、三碳酸和三碳糖三種有機物，其實三者都是含有酯鍵的生物分子。根據(jù)有機化學(xué)系統(tǒng)命名法，五碳糖實際上是1,5-二磷酸核酮糖酯，三碳酸是3-磷酸甘油酸酯，三碳糖是3-磷酸甘油醛酯(圖5)。

圖5 卡爾文循環(huán)中三種有機物的結(jié)構(gòu)式

2.3 核苷酸 核苷酸由核苷和磷酸經(jīng)酯化反應(yīng)生成。根據(jù)有機化學(xué)系統(tǒng)命名法，核苷酸實際上是磷酸核苷酯。具體來說，核苷中五碳糖的5′位的羥基與一分子磷酸酯化生成核苷酸，同時形成磷酸酯鍵，根據(jù)碳原子的位置，常表示為5′-磷酸酯鍵(圖6)。

圖6 腺嘌呤核糖核苷酸的結(jié)構(gòu)式

2.4 磷酸二酯鍵 磷酸二酯鍵是在相鄰的兩個核苷酸相互連接成核苷酸鏈時形成的，其實質(zhì)是一分子磷酸與相鄰的兩個五碳糖的羥基通過酯化反應(yīng)形成的兩個磷酸酯鍵而構(gòu)成的連接鍵。其中一個磷酸酯鍵存在于核苷酸內(nèi)部，常表示為5′-磷酸酯鍵；另一個磷酸酯鍵是由一個核苷酸中的磷酸與相鄰的另一個核苷酸的五碳糖3′位的羥基發(fā)生酯化反應(yīng)形成的，常表示為3′-磷酸酯鍵(圖7)。因此，磷酸二酯鍵常表示為3′,5′-磷酸二酯鍵，該名稱既表明磷酸酯鍵的數(shù)量，也表明酯鍵的位置。2014年江蘇省高考第1題和2014年新課標(biāo)Ⅱ卷第5題考察了磷酸二酯鍵的形成部位。

磷酸二酯鍵在合成DNA、RNA分子時形成，教材中提到的能催化形成磷酸二酯鍵的酶有DNA聚合酶、DNA連接酶、逆轉(zhuǎn)錄酶和RNA聚合酶；能催化斷開磷酸二酯鍵的酶主要有限制性核酸內(nèi)切酶、DNA酶、RNA酶，而這些酶的具體的作用位點均為3′-磷酸酯鍵[4]。2015年江蘇省高考第33題的(1)中考察了DNA酶的作用位點——磷酸二酯鍵。

圖7 相鄰兩個核苷酸之間形成磷酸二酯鍵