第二章氨基酸蛋白質(zhì)核酸

1、第十九章 氨基酸 蛋白質(zhì) 核酸,有機化學(xué) Organic Chemistry,1、氨基酸2、多肽3、蛋白質(zhì)4、核酸,蛋白質(zhì)： 含氮的天然高聚物，生物體內(nèi)一切組織的基本組成部分除水外，細胞內(nèi)80％都是蛋白質(zhì)。在生命現(xiàn)象中起重要的作用。人類的主要營養(yǎng)物質(zhì)之一。,如： 酶（球蛋白）——機體內(nèi)起催化作用 激素（蛋白質(zhì)及其衍生物）——調(diào)解代謝 血紅蛋白——運輸O2和CO2

2、 抗原抗體——免疫作用,蛋白質(zhì)水解后都生成氨基酸,一、結(jié)構(gòu),二、分類、命名,19-1 氨基酸,19-1-1 氨基酸的結(jié)構(gòu)、分類和命名,羧酸分子中羥基上的一個或幾個氫原子被氨基取代的化合物叫做氨基酸。它們是構(gòu)成蛋白質(zhì)分子的基礎(chǔ)。,可分為α-氨基酸、β-氨基酸、γ-氨基酸。,氨基酸可以按照系統(tǒng)命名法，以羧酸為母體，氨基酸為取代基來命名。但α-氨基酸通常按其來源或性質(zhì)所得的俗名來稱呼。例如：,NH2CH2COOH α-氨基乙酸

3、 甘氨酸,HOOC—CH2—CH2—CH—COOH NH2 α-氨基戊二酸 谷氨酸,,NH2CH2CH2COOH β-氨基丙酸 丙氨酸,NH2CH2CH2CH2CH2CHCOOH

4、 NH2 α,ε二氨基已酸 賴氨酸,,蛋白質(zhì)水解可以得到各種α-氨基酸的混合物。,蛋白質(zhì)水解后得到的氨基酸都是α－氨基酸。天然產(chǎn)氨基酸（除甘氨酸）都有旋光性，絕大多數(shù)為L構(gòu)型，（少數(shù)微生物代謝產(chǎn)物是D構(gòu)型）。,用 R、S 命名的則 L 構(gòu)型的氨基酸多為 S 型，只有L－半光氨酸為 R 型。,天然氨基酸：,下列氨基酸可組成無數(shù)蛋白質(zhì)：,結(jié)

5、構(gòu) 名稱 縮寫 等電點NH2CH2COOH 甘氨酸 Gly 5.97,,丙氨酸 Ala 6.00,,*頡氨酸 Val 5.96,,*異亮氨酸 Ile 5.9

6、8,I、中性 (*為必要氨基酸，人體內(nèi)不能合成，只能從食物中得到）,結(jié)構(gòu) 名稱 縮寫 等電點,,,,,*亮氨酸 Leu 6.02,*苯丙氨酸 Phe 5.48,半光氨酸 Cys 5.07,*蘇氨酸 Thr

7、 5.6,谷氨酸 Gln 5.56,天冬氨酸 Asn 5.07,*蛋氨酸 Met 5.47,絲氨酸 Ser 5.68,脯氨酸 pro 6.30,酪氨酸 Tyr

8、 5.66,*色氨酸 Trp 5.89,結(jié)構(gòu) 名稱 縮寫 等電點,II 酸性,天冬氨酸 Asp 2.77,谷氨酸 Glu 3.22,III 堿性,*賴氨酸 Lys 9.74,精氨酸 Ar

9、g 10.76,組氨酸 His 7.59,結(jié)構(gòu) 名稱 縮寫 等電點,19-1-2 氨基酸的性質(zhì),α-氨基酸都是無色晶體，易溶于水而難溶于無水乙醇乙醚，由蛋白質(zhì)水解所得α-氨基酸，除甘氨酸外，都具有旋光性。他們的α碳原子的結(jié)構(gòu)類型都與L-甘油醛相同，固都屬于L型。,若用R-S標(biāo)記法，這些α-氨基酸的α碳

10、原子的構(gòu)型都是S型。,用于定量分析，根據(jù)放出的N2的體積，可以算出樣品的伯氨基的含量。,氨基酸分子中含有氨基和羧酸。他們具有氨基和羧基的典型性質(zhì)。例如，羧基可以發(fā)生脂化反應(yīng)，氨基可以發(fā)生?；磻?yīng)；氨基與亞硝酸作用可轉(zhuǎn)變?yōu)榱u基。,,(1) 酸堿性——兩性和等電點,氨基酸還有一些特殊的性質(zhì)。,R α-氨基酸可以通過用通式NH2C

11、HCOOH 表示,,實際上是以偶級離子的形式存在的：,內(nèi)鹽,氨基酸的等電點,在酸性溶液中，主要以正離子的形式存在。在堿性溶液中，主要以負離子的形式存在。,在水溶液中,在一定的pH值溶液中，正離子和負離子數(shù)量相等，且濃度都很低，而偶級離子濃度最高，此時電解，以偶級離子形式存在的氨基酸不移動。這溶液的pH值就叫做氨基酸的等電點。,(2) 水合茚三酮反應(yīng),等電點不是中性點； 氨基酸在等電點時的溶解度最小.,這個顏色反應(yīng)通常用于α-氨基酸

12、的比色測定和色層分析的顯色。,與水含茚三酮的反應(yīng)歷程,紫色物質(zhì)，用于α－氨基酸的比色測定和紙層析顯色,(3) 受熱后的反應(yīng),α-氨基酸受熱后，能在兩分子之間發(fā)生脫水反應(yīng)。,α-氨基酸受熱后，容易脫去一分子氨，生成α,β不飽和羧酸。,γ-或δ-氨基酸受熱后，容易分子內(nèi)脫區(qū)一分子水。,分子中氨基和羧基相隔更遠時，受熱后可以多分子脫水，生成聚酰胺。,1、由蛋白質(zhì)水解——在酸、堿或酶的作用下水解得到多種?-氨基酸混合物，分離得到。2

13、、由鹵代酸氨解——羧酸在三溴化磷作用下與溴作用，生成?-溴代酸，再與過量氨作用，生成：,19-1-3 氨基酸的制備,3、由由醛（或酮）制備4、由丙二酸酯制備,用蓋布瑞爾法（P372）代替上法,可得比較純產(chǎn)品。,N-鄰苯二甲酰亞胺基丙二酸脂可用下法制得。,,用苯、不超過3個碳原子的有機化合物、丙二酸脂以及必要的試劑合成：⑴亮氨酸，⑵異亮氨酸，⑶苯丙氨酸，⑷胳氨酸。,思考題,氨基酸的拆分,合成方法得到的氨基酸通常是外消旋體混合

14、物，可用多種方法拆分。其中用酶拆分是重要的方法之一。,例：,D-亮氨酸乙酰氨 L-亮氨酸,19-2 多肽,許多多肽本身有重要的生理作用,后葉催產(chǎn)素——八肽胰島素——五十一肽,多肽是含有多個氨基酸單元的聚合物。由兩個氨基酸單元構(gòu)成的是二肽，由三個氨基酸單元構(gòu)成的是三肽，········余類推。它們統(tǒng)稱多胎，或簡稱肽。,通過氨基和羧基之間脫水縮合而

15、形成連接氨基酸單元的酰胺鍵（—CO—NH—）又叫做肽鍵。,多肽鏈可用如下通式代表：,在肽鏈中，有氨基的一端叫做N端：有羧基的一斷叫做C端。在寫多肽結(jié)構(gòu)時，通常把N端寫在左邊，C端寫在右邊，命名時由N端叫起，稱為氨酰（基）某氨酸。常用簡寫來表示。例如：,天然多肽都是由不同的氨基酸組成的。,垂體后葉催產(chǎn)素,蛋白質(zhì)也是由許多氨基酸單元通過肽鍵組成的。,蛋白質(zhì)部分水解可以得到多肽。,——一般將多肽在酸性溶液中水解，再用色層分離法把各種氨基酸分開

16、，然后進行分析。——氨基酸的排列順序，則是通過末端分析的方法，配合部分水解，加以確定。,19-2-1 多肽結(jié)構(gòu)的測定,末端分析——用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)方法，可以使多肽末端的氨基酸斷裂，經(jīng)過分析，就可以知道多肽鏈的兩端是哪兩個氨基酸，這就叫末端分析。降解了的肽鏈還可以再反復(fù)進行末端分析，就可以確定多肽鏈中蛋白質(zhì)的連接次序。（一般結(jié)合部分水解的方法）,例如：,設(shè)某三肽完全水解后，可得到谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸。這三種氨基酸可以有六種排列順

17、序：,要推知該三肽是哪一種組合方式，可以把她部分水解。知道它們是谷·半胱和半胱·谷。由此可見，半胱氨酸是在三肽鏈的中間，谷氨酸在N端，甘氨酸在C端即該三肽的結(jié)構(gòu)是：谷·半胱·甘,缺點：氨基酸都水解，形成混合物，只能測 N 端的一個氨基酸。,N端氨基酸的分析可用2，4-二硝基氟苯與多肽作用。,N端氨基酸的分析還可以用異硫氰酸苯脂與多肽作用。,C端氨基酸的分析，一般羧肽酶可以有選擇地只把C端氨基酸水

18、解下來，對這個浙江省進行鑒定，就可以知道原來C端是什么氨基酸。,C 端氨基酸的分析，一般是用在羧肽酶作用下水解的方法。,19-2-2 多肽的合成,要求：,氨基酸按一定的次序連接起來達到一定分子量不外消旋化（緩和的條件）,,推測出來的結(jié)構(gòu)是否完全正確，需要通過多肽的合成加以證實。,另一方面，由于多肽與蛋白質(zhì)有著密切的關(guān)系，在需要使一種氨基酸的羧基和另一種羧基酸的羧基相結(jié)合時，要防止同一種氨基酸分子之間相互結(jié)合。因此，在合成時，必

19、須把某些氨基或羧基保護起來，以便反應(yīng)能按所要求的方式進行。而所選用的保護基團，必須符合以下條件：在以后脫除該保護的條件下，肽鍵不會發(fā)生斷裂。,,羧基常通過生成酯加以保護，因為酯比酰胺容易水解，用堿性水解的方法，就可以把保護的基團除去。,氨基可以通過與氯甲酸芐酯（C6H5CH2OCOCL）作用加以保護，因為氨基上的芐氧基很容易用催化氫解的方法除去。,例如：設(shè)要合成甘氨酰丙氨酸（甘.丙）,若直接用谷氨酸和丙氨酸脫水縮合，將得到四種

20、二肽的混合物：,如果采用下列反應(yīng)，則可以得到所要求的二肽：,反復(fù)使用這樣的方法，每次構(gòu)成一個肽鍵，就可以把 各種氨基酸按一定的次序一個個地連接起來。多肽的合成是一項十分復(fù)雜的工作。例如，牛胰腺核糖核酸酶的多肽鏈已可合成出來，它是由124個氨基酸單元所構(gòu)成的。,19-3 蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)是一類很重要的天然有機物，是生物體內(nèi)一切組織的基礎(chǔ)物質(zhì)，并在生命現(xiàn)象和生命過程中起著決定的作用。 蛋白質(zhì)主要由C、H、O、N、S等元素組成

21、，有些還含有P、Fe、I等元素。 蛋白質(zhì)基本上是由數(shù)百個、甚至數(shù)千個氨基酸所構(gòu)成。 水解后只生成多種?-氨基酸的，叫單純蛋白質(zhì)（如卵白蛋白、血清球蛋白、米精蛋白等）。,水解后除生成?-氨基酸外，還有非蛋白質(zhì)物質(zhì)（如糖、脂肪、含磷化合物、含鐵化合物等）生成的，叫結(jié)合蛋白質(zhì)。（如：核蛋白、粘蛋白、肌肉中的脂蛋白、血紅蛋白等）。結(jié)合蛋白中的非蛋白質(zhì)部分，叫做輔基。,分類,纖維蛋白（絲、毛、皮、角、爪和甲等）球蛋

22、白、酶和蛋白激素（溶于水、鹽水、酸堿溶液 和乙醇等）結(jié)合蛋白（與核酸、糖、脂肪及血紅素等結(jié)合）,,19-3-1 蛋白質(zhì)的分類和功能,按溶解度分類：一類不溶于水的纖維狀蛋白質(zhì)；一類是能溶于水、酸、堿或鹽溶液的球狀蛋白質(zhì)。,纖維狀蛋白質(zhì)的分子形狀是一條條線裝的，分子中的多肽鏈扭在一起或平行并列，且以氫鍵互相連接著。這類蛋白質(zhì)在水中不能溶解。纖維狀蛋

23、白質(zhì)是動物組織的主要結(jié)構(gòu)材料，角蛋白、骨膠蛋白和肌蛋白都是纖維狀蛋白質(zhì)。,球狀蛋白質(zhì)的分子形狀是一團團球狀的，它們的多肽鏈自身扭曲折疊成特有的球形。在折疊時，分子內(nèi)某些基團之間通過氫鍵、二硫鍵或范德華引力相互作用著。分子中的疏水基團（如烴基等）分布在球形內(nèi)部，而親水基團（如—OH、—NH2、—SH、—COOH等）分布在球形表面。因此，球狀蛋白質(zhì)的水溶性比較大。例如酶、血紅蛋白等都是球狀蛋白。,蛋白質(zhì)的功能,一方面是起組織結(jié)構(gòu)

24、的作用。例如，角蛋白組成皮膚、肌肉等。另一面，蛋白質(zhì)起調(diào)節(jié)作用。例如：毛發(fā)、指甲、頭角：骨膠蛋白組成腱、骨；肌球蛋白組成各種酶對生物化學(xué)反應(yīng)起催化作用；血紅蛋白在血液中，輸送氧氣；胰島素調(diào)節(jié)葡萄糖的代謝；等等在生物體內(nèi)起重要調(diào)節(jié)作用的各種酶，都是蛋白質(zhì)。,常把酶叫做生物催化劑,酶的催化效率很高，并且有高度選擇性,有的酶還具有立體專一性,19-3-2 蛋白質(zhì)的性質(zhì),蛋白質(zhì)和氨基酸一樣，也是兩性物質(zhì)，與酸或堿都能生成鹽。不同的蛋白質(zhì)有不同

25、等電點。例如，卵清蛋白為4.9，酪蛋白為4.6。胰島素為5.3，血紅蛋白.為6.8。,蛋白質(zhì)是高分子化合物,水溶液具有膠體溶液的性質(zhì)，不能透過半透膜，能夠電泳；,蛋白質(zhì)都具有旋光性；,蛋白質(zhì)的變性通常都是不可逆的；,蛋白質(zhì)雖然分子很大，但性質(zhì)活潑，能發(fā)生多種顏色反應(yīng)。,⑴縮二脲反應(yīng),蛋白質(zhì)分子中都有—CO—NH—CHR—CO—NH基團在蛋白質(zhì)水溶液中加堿和硫酸銅溶液，即產(chǎn)生紅紫色。,⑵黃色反應(yīng),分子中含有苯環(huán)的蛋白質(zhì)，遇濃硝酸即顯

26、黃色，這是苯環(huán)發(fā)生硝化的緣故。黃色溶液再用堿處理，就會轉(zhuǎn)為橙色。,⑶水合茚三酮反應(yīng),蛋白質(zhì)溶液與水合茚三酮溶液作用，也有顏色反應(yīng)。但顏色與氨基酸的不太一樣。,此外，蛋白質(zhì)容易水解，酸、堿、酶能促進蛋白質(zhì)的水解。可得到多種α-氨基酸的混合物。如果部分水解則得到分子較小的多肽。,19-3-3 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu),蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu),多肽鏈中氨基酸的組成和排列次序.,多肽鏈在空間不是任意排

27、布的，由于某些基團之間的氫鍵作用，肽鏈具有一定的構(gòu)象.,整個分子因鏈段的相互作用而扭曲,折疊成一定的形態(tài).,最后，幾個各具有特定的1,2,3,級結(jié)構(gòu)的多肽鏈在一起，或者有時還和輔基在一起，再以一定的關(guān)系相結(jié)合.,蛋白質(zhì)多肽鏈的二級結(jié)構(gòu)主要有兩種形式：一種是右螺旋型，又叫做α-螺旋型；另一種是褶紙型，又叫做β-褶紙型。,α-螺旋型多肽鏈結(jié)構(gòu)可示意如圖,褶紙形多肽鏈結(jié)構(gòu)示意圖,肽鏈伸展在紙型的片面上，相鄰的肽鏈又通過氫鍵（圖中虛

28、線）相互連接。,蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是多肽鏈的進一步扭曲折疊。在在扭折時，傾向于把親水的極性基團露于表面，而疏水的非極性基團包在中間。,肌紅蛋白的空間結(jié)構(gòu)如圖,許多蛋白質(zhì)由兩個或兩個以上的多肽鏈集合而形成蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。例如磷酸化酶就是由兩條相同的多肽鏈組成的，只有兩條肽鏈一起存在才有催化作用。,胰島素含有兩條多肽鏈，共有51個氨基酸單元:,19-4 核酸,核酸存在于一切生物體中，像蛋白質(zhì)一樣，也是生命的最基本物質(zhì)。與一切生命活動及各

29、種代謝有著密切的關(guān)系。在生物體內(nèi)，核酸對遺傳信息的儲存、蛋白質(zhì)的生物合成都起著決定性的作用。 核酸也是鏈狀高分子化合物，組成核酸的單元是核苷酸。 在生物體內(nèi)，核酸主要以核蛋白的形式存在。核蛋白是結(jié)合蛋白，核酸作為輔基與蛋白質(zhì)結(jié)合在一起。 核酸在適當(dāng)酶的催化下，或在弱堿作用下可以水解成核苷酸；如果溫度升高，則進一步水解成核苷和磷酸；在無機酸作用下則完全水解：,19-4-1 核苷酸和核苷,核酸水

30、解,,,由合算水解所得到的戊糖有兩種，即核糖和2-脫氧核糖,按水解后得到的戊糖的不同，核酸可分為兩類。水解后得到核糖的，叫做核糖核酸（簡稱RNA）。水解后得到2-脫氧核糖的，叫做脫氧核糖核算（簡稱DNA）。,由核酸水解所得到的雜環(huán)堿都是嘌呤堿或嘧啶堿RNA和DNA所含的嘌呤堿是相同的，即都含有腺嘌呤和鳥嘌呤。但RNA和DNA所含的嘧啶堿不完全一樣，RNA含有胞嘧啶和尿嘧啶，而DNA含有胞嘧啶和胸腺嘧啶。,RNA的四種核苷是

31、：,戊糖與雜環(huán)堿形成的苷叫做核苷。,DNA的四種核苷是：,核苷酸在堿溶液中水解，即失去磷酸生成核苷。,核苷中糖的5為（核酸中糖的碳原子的位次以1,2, 3·····表示羥基，與磷酸所形成的酯叫做核苷酸。例如,19-4-2 核酸的結(jié)構(gòu),核酸是由許多核苷酸單元所構(gòu)成的高分子化合物。在核算分子，核苷酸單元是通過磷酸酯鍵，在戊糖的3位上聯(lián)結(jié)起來，例如DNA結(jié)構(gòu)：,一種核酸含有多種堿基。核酸鏈中，

32、含不同堿基的各種核苷酸是按一定的排列次序互相聯(lián)結(jié)的，這就形成了核酸的一級結(jié)構(gòu)。,DNA具有雙螺旋的二級結(jié)構(gòu)，兩條反向平行的DNA鏈，沿著一個軸，向右盤旋成雙螺旋體，如圖：,雙螺旋體一般不單獨存在，而是與蛋白質(zhì)以更復(fù)雜的形式相結(jié)合，形成具有各種生理活性的核蛋白。,在雙螺旋體中，一條脫氧核糖核酸鏈上的堿基與另一條鏈上的堿基之間，通過氫鍵相互聯(lián)結(jié)。嘌呤堿和嘧啶堿堿兩兩成對：腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）配對成氫鍵；鳥嘌呤（G）與胞嘧

33、啶（C）配對形成氫鍵。,核酸在生物體內(nèi)主要與蛋白質(zhì)結(jié)合成核酸蛋白存在。核酸具有極其重要的生理功能，是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。 DNA主要存在于細胞核中，它們是遺傳信息的攜帶者，DNA的結(jié)構(gòu)決定生物合成蛋白質(zhì)的特定結(jié)構(gòu)，并保證把這種特性遺傳給下一代。 RNA主要存在于細胞質(zhì)中，它們是以DNA為模板而形成的，并且直接參加蛋白質(zhì)的生物合成過程。 因此，DNA是RNA的模板，而RNA又是蛋白質(zhì)的模板。存在于DNA分子上的遺傳