脱水合成

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介绍

脱水合成描述了较大的分子从较小的反应物分子形成，同时伴随着水分子的损失。脱水反应是缩合反应的一个子部分，其中水是最常见的副产物。在脱水合成的过程中，两个较小的分子通过化学方式结合，同时去除两个反应物分子的元素并形成新的共价键。脱水意味着水的损失，合成意味着新分子的形成。在生物系统中，脱水合成是指通过添加单体形成生物聚合物，这再次伴随着水分子的消除。例如，氨基酸作为单体结合形成肽作为聚合物。这里形成了一个新的共价键，即肽键，存在于两个氨基酸分子之间。脱水合成产生了生命的基础。脱水合成形成了许多重要的化合物，例如碳水化合物、蛋白质、DNA 和 RNA。

脱水反应是什么意思？

脱水意味着水的损失。脱水反应是指两个反应物分子结合产生不饱和分子以及水分子作为副产物的反应。在这个过程中，一个分子的氢离子与另一个分子的氢氧根离子结合。脱水反应只是水合反应的反向反应，其中水分子被添加到反应中。一些脱水反应的例子如下：

• 醇缩合形成对称醚是脱水反应的一个常见例子。

$$\mathrm{2C_{2}H_{5}OH\:\leftrightarrows\:C_{2}H_{5}OC_{2}H_{5}\:+\:H_{2}O}$$

• 酯化是一种特殊的脱水反应，其中羧酸和醇结合形成酯，并且水分子作为副产物形成。

$$\mathrm{R_{1}COOH\:+\:R_{2}OH\:\rightarrow\:R_{1}COOR_{2}\:+\:H_{2}O}$$

2 个氨基酸的脱水合成

胺基和羧基作为氨基酸中的官能团。这两个基团可以在同一个碳原子上找到。当一个氨基酸上的胺基与另一个氨基酸上的酸基结合时，就会形成酰胺键。在两个氨基酸参与的脱水合成中，存在的官能团为 𝑁𝐻2 和 𝐶𝑂𝑂𝐻，聚合物肽由单体氨基酸形成。

一个氨基酸单元

其中一个氨基酸释放出一个 𝐻+离子。然后，这个释放的 𝐻+离子与另一个氨基酸中存在的 𝑂𝐻−离子结合。这样，两个单体氨基酸在两者之间形成共价键，并形成二肽。所有多肽都有一个 N 末端，那里存在一个游离的氨基，和一个 C 末端，那里存在一个游离的羧基。脱水合成也可以是可逆的。水解是脱水合成可逆反应的最常见例子。

氨基酸脱水合成形成聚合物

蛋白质脱水合成

从较小的单体构建较大分子被称为脱水合成。脱水合成过程用于产生大型生物分子，如蛋白质、碳水化合物和核酸。虽然连接单体的共价键的位置和立体化学从一个分子到下一个分子不会改变（蛋白质包含 21 种不同的氨基酸单体），但它们组装的顺序确实会改变。每种蛋白质都有一个独特的序列，使每种蛋白质成为具有独特特征的独特分子。

氨基酸的胺基可以与许多酸基反应形成肽键，它是共价键。新形成的酸，即由单体形成的聚合物，仍然含有一个游离的胺基和一个游离的羧基。因此，反应可以与更多数量的氨基酸进一步进行。氨基酸以线性链的形式连接在一起。结合的氨基酸的数量和结合的顺序决定了蛋白质的形状、大小和功能。

脱水合成如何促进 ATP 的形成？

三磷酸腺苷或 ATP 是一种小而简单的分子。它是细胞的主要能量货币。在 ATP 合酶的帮助下，将磷酸基团添加到 ADP 以形成 ATP。这个过程称为氧化磷酸化。三磷酸腺苷是含氮碱基腺嘌呤、三个磷酸基团和五碳糖核糖的组合。ADP 单元与磷酸单元结合形成 ATP。此过程中 ATP 水解产生的能量用于钠钾泵，以跨细胞膜泵送钠离子和钾离子。在 ADP 脱水合成形成 ATP 的反应中，会释放出水分子。这三个磷酸基团分别标记为 α、β 和 γ，以分别理解最接近和最远离核糖的基团。所有这些化学基团共同构成了能量中心。ADP 与磷酸结合形成 ATP，反应如下：

$$\mathrm{ADP\:+\:P_{1}\:+\:free\:energy\:\leftrightarrows\:ATP\:+\:H_{2}O}$$

ATP 的形成或 ATP 水解形成 ADP 的脱水合成

Muessig，ADP ATP 循环，CC BY-SA 3.0

脱水合成如何导致碳水化合物聚合物的形成？

碳水化合物是由糖分子组成的聚合物，包括葡萄糖、果糖和阿拉伯糖。这些糖分子在这里充当单体。当这种单体结合时，它会形成二聚体，例如蔗糖、乳糖、纤维素、淀粉等。单体糖分子通过形成糖苷键结合。这种糖苷键是由脱水合成过程形成的。一个糖分子的 𝑂𝐻 基团和另一个糖分子的另一个 𝑂𝐻 基团结合，在两个分子之间形成键。氧原子桥在两个分子之间形成，并释放出一个水分子。

碳水化合物聚合物的形成

甘油三酯是如何通过脱水合成形成的？

甘油三酯（脂类）也称为脂肪，当三个脂肪酸分子连接到一个甘油分子上时形成。甘油三酯的形成是酯化反应，它也是一种脱水合成反应。甘油分子上存在的醇基与脂肪酸上的酸基结合，形成酯键并释放水。脂肪酸含有羧酸，其中一个羧基存在于至少含有四个碳原子的线性烃的末端。各种酶催化甘油三酯的脱水合成。二酰甘油酰基转移酶 1 (DGAT1) 就是其中之一。这种酶促反应存在于哺乳动物甘油三酯合成中。

通过脱水合成形成甘油三酯

OpenStax College 220 甘油三酯-01，CC BY 3.0

结论

脱水反应是缩合反应的一个子单元。单体结合形成聚合物，同时伴随着水分子的损失。脱水合成是指生物聚合物的形成，这再次伴随着水分子的消除。此过程也用于创建合成聚合物，例如聚乙烯、对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 等。在生物系统中，脱水合成反应非常特殊，涉及 ATP、碳水化合物、蛋白质等的形成。

常见问题

1. 如果脱水合成不发生会怎样？

脱水合成在生物系统中非常重要。如果没有脱水反应，生命将变得困难，因为那时将不存在蛋白质、ATP、碳水化合物以及许多其他重要的生物分子。

2. 脱水合成需要什么？

脱水合成反应形成大型和复杂的分子，通常需要能量。水解反应正好相反，在此过程中分子分解，通常会释放能量。

3. 脱水合成是放热反应还是吸热反应？

在所有脱水合成反应中，小的单体结合形成大的聚合物分子，这通常需要能量。因此，脱水合成是吸热反应。

4. 脱水反应中损失了什么分子？

脱水反应正好是水合反应的反向反应。它是一种涉及水分损失的化学反应。脱水反应在生物系统中非常常见，其中聚合物形成并释放水到系统中。

5. 脱水的目的是什么？

我们在生活中有很多脱水反应的目的。这种脱水是一个非常重要的过程，可以通过它保存许多类型的食物。通过从食物中提取水分来抑制微生物的生长，从而实现食物的无限期保存。