氨基酸蛋自質及核酸

1、1有機化學有機化學NHNNONH2NOHHHHHOPOO-HOO-2有機化學 第二十章 蛋白質和核酸 蛋白質存在于一切細胞中。蛋白質存在于一切細胞中。它們是構成人體和動植物組織的它們是構成人體和動植物組織的基本材料，肌肉、毛發(fā)、皮膚。指甲、腥、神經、激素、抗體、基本材料，肌肉、毛發(fā)、皮膚。指甲、腥、神經、激素、抗體、血清、血紅蛋白、酶等都是由不同蛋白質組成的。蛋白質在有機血清、血紅蛋白、酶等都是由不同蛋白質組成的。蛋白質在有機體中承擔著多種生物功能，它們能供給機體營養(yǎng)，輸送氧氣，控體中承擔著多種生物功能，它們能供給機體營養(yǎng)，輸送氧氣，控制代謝過程，防御疾病、傳遞遺傳信息，負責機械運動，執(zhí)行保制

2、代謝過程，防御疾病、傳遞遺傳信息，負責機械運動，執(zhí)行保護機能，等等?？梢哉f，護機能，等等。可以說，蛋白質是生命的物質基礎蛋白質是生命的物質基礎，是參與體內，是參與體內各種生物化學變化最重要的組分。生命的基本特征就是蛋白質的各種生物化學變化最重要的組分。生命的基本特征就是蛋白質的不斷自我更新。不斷自我更新。第十五章 氨基酸、氨基酸、蛋白質及核酸 從化學上看，從化學上看，蛋白質是氨基酸的高聚物蛋白質是氨基酸的高聚物；氨基酸是構成蛋白；氨基酸是構成蛋白質的質的“基石基石”，因此要討論蛋白質的結構和性質，首先要了解氨，因此要討論蛋白質的結構和性質，首先要了解氨基酸。基酸。 3有機化學 第二十章 蛋白質

3、和核酸* 蛋白質存在一切細胞中。* 蛋白質在有機體中承擔著多種生物功能。* 蛋白質是生命的物質基礎。* 生命活動的基本特征就是蛋白質的不斷自我更新（新陳代謝）。*從化學上看，蛋白質是氨基酸的高聚物：氨基酸是構成蛋白質的基石。4有機化學 第二十章 蛋白質和核酸第一節(jié) 氨基酸概述（Amino acids)一、氨基酸的分類、命名和結構1、結構、結構R C COOHNH2H - 氨基酸 分子中既含有氨基（NH2），又含有羧基（COOH）的化合物叫氨基酸氨基酸。 各種氨基酸的差別主要在于R基團的不同，而R的結構是多種多樣的。 氨基酸氨基酸5有機化學 第二十章 蛋白質和核酸2、命名 - 氨基酸的命名一般采

4、用俗名，即根據其來源或性質命名。 每種氨基酸都有縮寫符號(即英文名稱的頭一個字母)和中英文代號。甘氨酸 Gly G 甘賴氨酸 Lys K 賴 氨基酸 符號 字母代號 漢文代號6有機化學 第二十章 蛋白質和核酸3、分類、分類*根據氨基和羧基的數目中性氨基酸：氨基數目= 羧基數目堿性氨基酸：氨基數目羧基數目酸性氨基酸：氨基數目 羧基數目*根據烴基的類型脂芳族氨基酸：并氨酸、纈氨酸等。芳香族氨基酸：苯丙氨酸、酪氨酸等。雜環(huán)族氨基酸：色氨酸、脯氨酸等。7有機化學 第二十章 蛋白質和核酸二、氨基酸的構型二、氨基酸的構型 天然氨基酸，除甘氨酸外， - C原子都有手性，因此具有旋光性，且都是L 構型。 CH

5、OHHOCH3COOHHHOCH3COOHHH2NCH3L 甘油醛L 乳酸L 丙 氨酸 -氨基酸的構型是與由L 甘油醛導出的L 乳酸相聯(lián)系而確定的，即將 -氨基酸看成是L 乳酸中的羥基被氨基取代的產物。 其它含有一個以上手性碳原子的氨基酸的構型，均取決于 - C原子：如果某氨基酸的 - C原子的構性與L 丙 氨酸相當，這個氨基酸就是L 型。8有機化學 第二十章 蛋白質和核酸 第二節(jié)第二節(jié) 氨基酸的來源及制法氨基酸的來源及制法蛋白質H2OH+多肽二肽- 氨基酸 將混合物用各種分離手段(如色層分離法、離子交換法、電泳法等）進行分離，即可分別得到各種氨基酸。由蛋白質的水解制備氨基酸是從1820年開始

6、的，這是一個最古老的方法。味精早期就是由小麥蛋白質面筋水解得到。胱氨酸，半胱氨酸是由頭發(fā)水解制得的。 一、蛋自質水解 蛋白質在酸、堿或酶的作用下水解，最后生成的是- 氨基酸氨基酸 的混合物： 氨基酸的制備主要有蛋白質的水解、發(fā)酵法，酶法及有機合成法四條途徑9有機化學 第二十章 蛋白質和核酸 蛋白質水解法的缺點是分離比較困難，因為水解時所得到的總是各種氨基酸的混合物。二、微生物發(fā)酵法二、微生物發(fā)酵法 該法是以糖質原料（如淀粉、果糖、蔗糖）或以石油及其制品（如石蠟油、煤油、乙醇、醋酸）為主要碳源，在其它氮、磷、鉀等物質存在下，經過微生物發(fā)酵而生成氨基酸。 從1957年開始用該法生產谷氨酸（味精）。

7、微生物發(fā)酵法的原料價廉，在大多數情況下，由于細菌的特異作用，能直接得到L 型氨基酸，無需再進行外旋體的拆分。三、酶法三、酶法 在酶的作用下，可將一定原料轉化成L 氨基酸。酶法的特點是酶的催化性很強，生產過程簡單，產率高，副產物少，周期短，成本低。L-丙氨酸、L-賴氨酸、L-天門冬氨酸、L-色氨酸、L-鳥氨酸等是用酶法生產的。10有機化學 第二十章 蛋白質和核酸四、合成法四、合成法 為了經濟、大量地生產氨基酸，還需要用化學合成法。其主要方法有以下三種：R CH = OHCNR CH OHCNNH3R CH NH2CN 醛與HCN、NH3反應生成氰胺，后者水解即得到氨基酸氨基酸，該法稱為斯垂克合成

8、。（1）由醛或酮制備斯垂克（Strecker）合成（氰胺水解）R CH - COOHNH2H2OOHH+11有機化學 第二十章 蛋白質和核酸R CH - COOHNH2R CH - COOHX+ NH3（2） - 鹵代酸的氨解 此法有仲、叔胺的副產物，如用蓋布瑞爾(Gabriel)法代替，則能得到較純的 - 氨基酸。OONO CH COOHR RNKO+ X CH COOR R鄰苯二甲酰亞胺鉀 - 鹵代酸酯COOHCOOH+NH2CHCOOHR+ ROHH2O12有機化學 第二十章 蛋白質和核酸（3）由丙二酸酯合成）由丙二酸酯合成 以丙二酸酯為基本原料，可以合成多種結構的氨基酸，該法的應用范圍

9、非常廣泛。CH2(COOC2H5)2CCl4Br2BrCH(COOC2H5)2NKOOC2H5ONaRXNOOC (COOC2H5)2ROHH2OH+R CHCOOH NH2NOOCH(COOC2H5)2中間產物 現(xiàn)介紹鄰苯二甲酰亞胺丙二酸酯法：13有機化學 第二十章 蛋白質和核酸 RX除為一般的伯鹵外，還可以為ClCH2COOC2H5,ClCH2CH2SCH3等多種鹵代物，從而生成各種結構的氨基酸。14有機化學 第二十章 蛋白質和核酸 最后要指出的是，用一般合成方法所生成的氨基酸都是外消旋體，只有經過拆分才能得到L或D構型的氨基酸。氨基酸的不對稱合成近年來發(fā)展很快，例如應用膦銠絡合催化劑，光

10、學產率可達到95以上。15有機化學 第二十章 蛋白質和核酸 (6)斯密特（Schmidt）反應 斯密特反應是以疊氮酸為試劑，將羧某轉化成氨基。例如：16有機化學 第二十章 蛋白質和核酸【課堂練習】一、用適當原料，以丙二酸酯法合成：（1）天門冬氨酸； （2）亮氨酸； （3）脯氨酸； （4）色氨酸。二、用兩種方法合成：NH3COO-+17有機化學 第二十章 蛋白質和核酸（1）天門冬氨酸；一、HOOC-CH2-CH-COOHNH2-氨基丁二酸CH2(COOC2H5)2CCl4Br2BrCH(COOC2H5)2NKOONOOCH(COOC2H5)2中間產物C2H5ONaClCH2COOC2H5NOOC

11、 (COOC2H5)2CH2COOC2H5OHH2OH+HOOC-CH2-CH-COOHNH218有機化學 第二十章 蛋白質和核酸（2）亮氨酸(CH3)2CHCH2CH-COOHNH2-甲基-氨基戊酸CH2(COOC2H5)2CCl4Br2BrCH(COOC2H5)2NKOONOOCH(COOC2H5)2中間產物C2H5ONa(CH3)2CHCH2ClNOOC (COOC2H5)2CH2CH (CH3) 2OHH2OH+(CH3)2CHCH2CH-COOHNH219有機化學 第二十章 蛋白質和核酸（3）脯氨酸NHCOOH-四氫吡咯酸CH2(COOC2H5)2CCl4Br2BrCH(COOC2H

12、5)2NKOONOOCH(COOC2H5)2中間產物C2H5ONaBrCH2CH2CH2BrNOOC (COOC2H5)2 CH2CH2CH2BrOHH2OH+NHCOOH20有機化學 第二十章 蛋白質和核酸（4）色氨酸NHCH2CH(NH2)COOH-氨基-(3-吲哚)丙酸NOOCH(COOC2H5)2中間產物CH2(COOC2H5)2CCl4Br2BrCH(COOC2H5)2NKOOC2H5ONaNOOC (COOC2H5)2OHH2OH+ CH2RNHCH2ClTM21有機化學 第二十章 蛋白質和核酸二、用兩種方法合成：NH3COO-+22有機化學 第二十章 蛋白質和核酸二、 - 鹵代酸

13、氨解 - 鹵代酸與過量的NH3作用，容易生成- 氨基酸。例如：CH3CHCOOH + 2NH3ClCH3CHCOOH + 2NH4ClNH2三、蓋布瑞爾合成法 與合成純的伯胺方法類似（見第十二章第五節(jié)），可以用- 鹵代酸酯合成- 氨基酸。23有機化學 第二十章 蛋白質和核酸四、斯特雷克合成法 由醛與氨及氫氰酸，或與氰化銨作用制得- 氨基睛，后者水解即得- 氨基酸，這個反應稱為斯特雷克（Strccker合成法。反應機理大致如下：24有機化學 第二十章 蛋白質和核酸25有機化學 第二十章 蛋白質和核酸第三節(jié) 氨基酸的性質 -氨基酸都為無色晶體，易溶于水，而難溶于乙醚、苯等有機溶劑中，它們具有較高的

14、熔點，且大多數在熔化時會發(fā)生分解。除甘氨酸外,其它天然氨基酸都有旋光性。 氨基酸是含有氨基和羧基的雙官能團化合物，所以它們既具有羧酸的性質，又具有胺類的性質，同時還具有這兩種官能團相互影響而賦于它們的某些特性。一、氨基酸的兩性和等電點 氨基酸中有兩性基團，既能和酸反應，也能和堿反應，它是兩性化合物兩性化合物。實際上雜氨基酸分子內，氨基與羧基作用生成一個兩性離子，氨基酸的晶體就是以兩性離子的形式存在的，這種兩性離子是分子內的氨基與羧基成鹽的結果，故稱為內鹽內鹽。1）兩性26有機化學 第二十章 蛋白質和核酸R CH COOH NH2R CH COO NH3+-內鹽（亦稱為偶極離子）氨基酸具有高熔點

15、和水溶性，就是其內鹽性質的表現(xiàn)。在水溶液中，氨基酸的兩性離子存在下列平衡：R CH COOH NH3R CH COO NH3+R CH COO NH2OH-OH-H+H+-+陽離子兩性離子陰離子（氨基酸正離子）（氨基酸負離子）27有機化學 第二十章 蛋白質和核酸2）等電點丙氨酸在純水溶液中可形成入下的平衡：OH + CH3CHCOOHCH3CHCOO CH3CHCOO + H3O-NH3+NH3+NH2正離子兩性離子負離子-+H2OH2O 在這里，酸性基團NH3+和堿性基團COO的相對強度不完全等同，即前者的給質子能力大于后者接受質子的能力（即羧基COOH的酸性大于氨基NH2的堿性），所以丙氨

16、酸的兩性離子容易從NH3+給出質子形成較多的負離子。在平衡體系中，負離子數目多于正離子，使丙氨酸帶有一定數量的凈負電荷，其溶液略顯酸性（PH值略小于7）。氨基酸中羧基的解離能力要大于氨基接受質于的能力。28有機化學 第二十章 蛋白質和核酸 如果在丙氨酸水溶液的平衡體系中外加酸，則可抑制負如果在丙氨酸水溶液的平衡體系中外加酸，則可抑制負離子的生成，而使正離子的數量增加（平衡向左移動）。當離子的生成，而使正離子的數量增加（平衡向左移動）。當加入適量的酸時，可以使正，負離子相等，丙氨酸的凈電荷加入適量的酸時，可以使正，負離子相等，丙氨酸的凈電荷等于零。等于零。 將此溶液置于電場中，氨基酸不向電場的任

17、何一極移動，將此溶液置于電場中，氨基酸不向電場的任何一極移動，即處于電中性（等電）狀態(tài)。這個凈電荷為零的氨基酸所在即處于電中性（等電）狀態(tài)。這個凈電荷為零的氨基酸所在的溶液的的溶液的PH值就稱為該氨基酸的值就稱為該氨基酸的等電點等電點（Isoelectric point)，通常以通常以IP 表示。表示。 必須注意，氨基酸在純水中的電離一般都不是它的等電點，必須注意，氨基酸在純水中的電離一般都不是它的等電點，要達到等電點必須加入酸或堿來調節(jié)。由于各種氨基酸中的羧要達到等電點必須加入酸或堿來調節(jié)。由于各種氨基酸中的羧基和氨基的相對強度和數目不同，所以各種氨基酸的等電點也基和氨基的相對強度和數目不同

18、，所以各種氨基酸的等電點也不同。不同。中性氨基酸中性氨基酸 IP=5.56.3酸性氨基酸酸性氨基酸 IP=2.8 3.2堿性氨基酸堿性氨基酸 IP=7.6 10.6 29有機化學 第二十章 蛋白質和核酸 氨基酸的等電點并非是它的中性點。在等電點時，兩性離子的濃度最大，溶解度最小。 根據等電點可以鑒定氨基酸，而用調節(jié)等電點的方法可以分離氨基酸的混合物。常用的方法有兩種，一是利用其在等電點時的溶解度最小，可以某氨基酸從混合溶液中沉淀出來；二是利用在同一pH下不同的氨基酸所帶電荷的不同而進行分離。 例如，在pH6時，甘氨酸、丙氨酸等主要以兩性離子形式存在，而天門冬氨酸、谷氨酸等則主要是以負離子形式存

19、在。若將此混合液通過陽離子交換樹脂的層析柱，這時天門冬氨酸、谷氨酸等就和樹脂的陽離子交換而留在柱中，再根據它們的IP值，選用不同的pH緩沖溶液將后者洗脫出來。30有機化學 第二十章 蛋白質和核酸【課堂練習】一、寫出下列氨基酸在給定PH值的離子結構：（1）半胱氨酸（PH4.80) (2)精氨酸（PH10.95)(1) HSCH2 - CHCOOH+NH3(2)H2N C NHCH2CH2CH2CHCOO-NH2NH二、下列氨基酸在PH6時，置于電場中，推測其移動方向。（1）纈氨酸 （2）谷氨酸 （3）賴氨酸 （1）不動（2）正極（3）負極31有機化學 第二十章 蛋白質和核酸二、氨基酸受熱后的消除

20、反應氨基酸的熱反應與相應的羥基酸極為相似：（A） -氨基酸加熱生成交酰氨或肽CH3CHCO OHNHHHNHCHCH3HO OCCH3CHCO NHNHCHCH3 OC交酰胺（二酮吡嗪）32有機化學 第二十章 蛋白質和核酸H2N CH CO OH R+H NH CH COOH RH2N CH CO R NH CH COOH R二肽（B） - 氨基酸加熱生成 ， - 不飽和酸：RCH CH - COOHNH2HRCH = CHCOOH ， - 不飽和酸33有機化學 第二十章 蛋白質和核酸（C） - 氨基酸氨基酸加熱生成內酰胺加熱生成內酰胺：R CHCHCH2COOHNH2RCHCH2NHCH2C

21、 = O內酰胺34有機化學 第二十章 蛋白質和核酸三、與水合茚三酮的顯色反應 -氨基酸與水合茚三酮在堿性溶液中加熱，發(fā)生氧化、脫氨、脫羧作用，最終生成藍紫色物質。這是檢驗氨基酸的靈敏方法。（脯氨酸或羥脯氨酸顯黃色）值得注意的是，脯氨酸不能發(fā)生茚三酮反應。伯胺、氨，銨鹽等能發(fā)生茚三酮反應，故鑒別一個 -氨基酸時，要排除伯胺、氨和銨鹽的干擾。35有機化學 第二十章 蛋白質和核酸四、與亞硝酸的反應 氨基酸與HNq作用，生成羥基酸，同時放出N2，反應迅速且定量完成。 根據所放出N2的體積，可以算出試樣中氨基的含量，這個方法叫做范斯萊克（Van一S1yke）法。RCH2CHCOOH + HNO2NH2R

22、CH2CHCOOH + N2 + H2OOH36有機化學 第二十章 蛋白質和核酸五、氨基酸的反應五、氨基酸的反應（1）羧基的反應）羧基的反應R CHCOOHNH2R CHCOONH2OH-（成鹽）-R CHCOClNH2PCl5（生成酰氯）R CHCOOCH2C6H5NH2C6H5CH2OH（酯化）H+R CHCONHRNH2（生成酰氨）RNH2R CHCH2OHNH2（還原）LiAlH4R CH2NH2（脫羧）37有機化學 第二十章 蛋白質和核酸（2）氨基的反應）氨基的反應R CHCOOHNH2R CHCOOHNH3+（成鹽）H+R CHCOOHOH（與亞硝酸反應）PCl5R CHCOOHN

23、(CH2OH)2(與甲醛反應）HCHOR CHCOOHNHCOCH3（?；?CH3CO)2OR CHCOOHNHR（烴基化）RCl（氧化）H2O2R CHCOOHNHR CHCOOHOH2O38有機化學 第二十章 蛋白質和核酸 肽第四節(jié) 肽、肽鍵與命名 一分子 - 氨基酸的氨基和另一分子 - 氨基酸的羧基之間縮水所生成的酰胺化合物稱為肽。 肽peptide,此名詞來自于希臘語“消化”，因為肽首先是由部分消化的蛋白質得到的。 肽分子中的酰胺鍵稱為肽鍵(peptide linkages)。H2N CH CO OH R+H NH CH COOH RH2N CH CO R NH CH COOH R二

24、肽肽鍵39有機化學 第二十章 蛋白質和核酸 由二個或三個氨基酸形成的肽叫二肽或三肽。由多個氨基酸形成的肽稱為多肽。在肽分子中每個氨基酸結構部分稱為氨基酸單位（殘基）。 在蛋白質分子中，氨基酸也是通過肽鍵連接起來的。實際上，蛋白質就是分子量很大（約億萬以上）的多肽。所以了解多肽的結構和性質是研究蛋白質的重要基礎。 開鏈狀的肽總有兩個末端。含游離氨基的一端稱為N- 端，通常寫在左邊；含游離羧基的一端稱為C-端，寫在右邊。 肽的命名是從N-端開始，由左至右依次將每個氨基酸單位寫成“某氨?！?，最后一個氨基酸單位的羧基是完整的，寫為“某氨酸”。第五節(jié)第五節(jié) 多肽多肽40有機化學 第二十章 蛋白質和核酸H

25、2N CH CONH CH2 CONH CH COOH CH3CH2C6H5丙氨酰 甘氨酰 苯丙氨酸簡稱 ：丙 甘 苯丙(Ala Gly Phe )一、多肽結構的測定和端基分析 要測定一個多肽的結構，首先要知道這個多肽分子是由哪些氨基酸組成的，然后再確定這些氨基酸在多肽分子中的排列順序。 將多肽在酸性溶液中進行水解，可以得到各種氨基酸的混合物，再用色譜法分離并確定它是由哪幾種氨基酸組成以及它們的相對含量，然后根據測定的多肽的分子量，就能算出這個多肽中所含的各種氨基酸的數目。至于這些氨基酸在多肽分子中的排列次序，則是通過端基分析的方法，并配合部分水解法加以確定。41有機化學 第二十章 蛋白質和核

26、酸 確定多肽的結構，應從兩方面著手。首先測定組成多肽的氨基酸種類和數目；然后測定這些氨基酸在肽鏈中排列的順序。 確定多肽的結構是一項非常復雜而細致的工作。英國化學家桑格(F.Sanger)化了十年的時間，在1955年首次測定出牛胰島素的氨基酸順序，于1958年獲得諾貝爾化學獎。桑格的工作為多肽結構的測定奠定了基礎。1、分子大小的測定（相對分子質量）2、氨基酸的定量分析3、端基分析 測定N端和C端 所謂端基分析就是通過一定的化學方法確定肽鏈的N-端或C-端氨基酸的種類。1）N- 端分析42有機化學 第二十章 蛋白質和核酸A、桑格法、桑格法 2，4 二硝基氟苯（DNFB）與肽鏈N 端的游離氨基發(fā)生

27、反應，生成二硝基苯基（DNP）衍生物，然后水解得到一個黃色的N - （2，4 二硝基苯基）氨基酸，通過鑒定就可以確定是哪一個氨基酸。O2N FNO2+H NH CHCO NH 肽鏈 COOH - HFRO2N NO2 NH CHCO NH 肽鏈 COOH RHClNO2O2N NH CHCOOH R+ 其它各種氨基酸此法的缺點是在水解時，整個肽鏈都被破壞、所以在肽鏈上只能進行一次N 端分析。43有機化學 第二十章 蛋白質和核酸B、愛得曼、愛得曼（Edman)降解法降解法即即異硫氰酸苯酯異硫氰酸苯酯法法 這種方法是瑞士化學家愛得曼于1950年提出來的，其優(yōu)點是每次測定肽鏈的其余部分不受影響而被保

28、留下來，這樣又獲得了一個新的N-端氨基。用同樣的方法可確定下一個氨基酸組分。2）C- 端分析端分析 C- 端測定常利用酶催化法，羧肽酶可選擇性地將C-端氨基酸水解下來，然后對這個氨基酸進行鑒定，就能確定C-端是哪一個氨基酸。NH CH CONH CH - COOH RR羧肽酶H2ONH CH COOHR+H2N CH - COOHR余肽C-端氨基酸44有機化學 第二十章 蛋白質和核酸二、多肽的合成二、多肽的合成 要合成一種與天然多肽相同的化合物，必須把各種有旋光性的氨基酸按一定順序連接成一定長度的肽鏈。反應條件盡量保持緩和，以保持一定的光學構型。為此就要設法“活化”參與反應的羧基和氨基。使羧基

29、活化的方法，常用轉化為酰氯、酸酐或酯的反應：RCH(NH2)COOH RCH(NH2)COXX=-Cl, -OCOR, -OC6H4NO2, -OR這樣就可以增強羰基中碳原子的正電性，從而有利于氨基的親核進攻。 在氨基和羧基形成肽鍵的過程中，還必須把氨基或羧基“保護”起來，防止同一種氨基酸的相互作用，或受到其它官能團的干擾。反應完成后，再將保護基除去。氨基常用與氯甲酸芐酯（C6H5CH2-O-COCl）的作用加以保護，因為反應后，氨基上的芐氧碳基很容易用催化氫解的方法除去。45有機化學 第二十章 蛋白質和核酸例如甘氨酰一丙氨酸的合成過程如下： 將二肽中的氨基再保護起來后，就可以用來與另一分子氨

30、基酸作用合成三肽。把幾種多肽用同樣的方法依次連接起來可以合成肽鏈很長的多肽。46有機化學 第二十章 蛋白質和核酸 顯然，隨著氨基酸數目的增多，可能生成的異構體迅速增加，反應條件還可能引起立體構型的變化。因此，合成的中間物及產物的分離，提純和鑒定等工作愈來愈困難。半個多世紀以來，人們在合成多肽的領域里，取得不少重大成果。1953年首次合成催產素（結構見前）以后，1965年我國科學家在世界上首先合成了具有生物活性的結晶牛胰島素，這是一個由引個氨基酸組成的多肽類激素；1971年又完成了牛胰島素晶體的測定。47有機化學有機化學 第二十章第二十章 蛋白質和核酸蛋白質和核酸 蛋白質蛋白質一、蛋白質的分類一

31、、蛋白質的分類 蛋白質的種類繁多，可以從不同的角度，根據它們不同蛋白質的種類繁多，可以從不同的角度，根據它們不同的特征進行分類。的特征進行分類。二、蛋白質的組成二、蛋白質的組成 由元素分析得知，蛋白質的組成中含有C、H、O、N及少量S,有的還含有微量的P、Fe、Zn、Mo等元素。一般干燥蛋白質的元素含量為： C O H N S 5055 20 23 6.07.0 1517 0.23.0 蛋白質的相對分于質量很大，通常在10 000以上，有的達幾萬、幾十萬，個別的甚至上千萬。如煙草斑紋病毒的核蛋白的相對分子質量己超過二千萬，腺病毒的核蛋白的相對分子質量還更大。48有機化學有機化學 第二十章第二十

32、章 蛋白質和核酸蛋白質和核酸三、蛋白質的性質三、蛋白質的性質1、兩性和等電點、兩性和等電點 蛋白質和氨基酸一樣，也是兩性物質，有它們的等電點。不蛋白質和氨基酸一樣，也是兩性物質，有它們的等電點。不同蛋蛋白質，其等電點也不相同。在等電點時，蛋白質的溶解度同蛋蛋白質，其等電點也不相同。在等電點時，蛋白質的溶解度最小，因此可以通過調節(jié)溶液的最小，因此可以通過調節(jié)溶液的PH值，使蛋白質從溶液中析出，值，使蛋白質從溶液中析出，達到分離或提純的目的。達到分離或提純的目的。2、蛋白質的高分子性質、蛋白質的高分子性質( 膠體性質膠體性質) 蛋白質在水溶液中形成的顆粒直徑在蛋白質在水溶液中形成的顆粒直徑在110

33、0nm內內,具有具有膠體性質。所以蛋白質溶液不能通過半透膜（如玻璃紙）。膠體性質。所以蛋白質溶液不能通過半透膜（如玻璃紙）。49有機化學有機化學 第二十章第二十章 蛋白質和核酸蛋白質和核酸3、蛋白質的沉淀、蛋白質的沉淀 蛋白質溶液與其它膠體一樣，在各種不同的因素影響下，蛋白質溶液與其它膠體一樣，在各種不同的因素影響下，也會從溶液中析出沉淀。也會從溶液中析出沉淀。沉淀蛋白質的方法主要有：沉淀蛋白質的方法主要有：1）鹽析法：加入）鹽析法：加入NaCl 或或(NH4)2SO4 、 Na2SO4等電解質。等電解質。2）加入有機溶劑：如乙醇、丙酮等親水性很強的有機溶劑。）加入有機溶劑：如乙醇、丙酮等親水

34、性很強的有機溶劑。3）加入重金屬離子：如）加入重金屬離子：如Hg2+、Pb2+ 等。等。 蛋白質的沉淀有可逆和不可逆兩種，可逆沉淀是指沉蛋白質的沉淀有可逆和不可逆兩種，可逆沉淀是指沉淀出來的蛋白質分子的個級結構基本不變，只要消除沉淀淀出來的蛋白質分子的個級結構基本不變，只要消除沉淀因素，沉淀物能重新溶解。不可逆沉淀則否。因素，沉淀物能重新溶解。不可逆沉淀則否。 例如，用鹽析法沉淀的蛋白質是可逆的，用重金屬離子例如，用鹽析法沉淀的蛋白質是可逆的，用重金屬離子的沉淀則是不可逆的。的沉淀則是不可逆的。50有機化學有機化學 第二十章第二十章 蛋白質和核酸蛋白質和核酸4、蛋白質的變性、蛋白質的變性 變性

35、作用是指蛋白質受物理因素（如加熱、強烈震蕩，變性作用是指蛋白質受物理因素（如加熱、強烈震蕩，紫外線或紫外線或X 射線的照射等）或化學因素（如強酸、重金屬射線的照射等）或化學因素（如強酸、重金屬鹽、乙醇等有機溶劑）的影響，其性質和內部結構發(fā)生改變鹽、乙醇等有機溶劑）的影響，其性質和內部結構發(fā)生改變的作用。的作用。 蛋白質的變性一般認為是蛋白質的二級、三級結構有蛋白質的變性一般認為是蛋白質的二級、三級結構有了改變或遭受破壞，結果使肽鏈松散開來，導致蛋白質一了改變或遭受破壞，結果使肽鏈松散開來，導致蛋白質一些理化性質的改變和生物活性的喪失。些理化性質的改變和生物活性的喪失。 蛋白質變性的表現(xiàn)主要是溶

36、解度降低、粘度變大、難以蛋白質變性的表現(xiàn)主要是溶解度降低、粘度變大、難以結晶，容易為酶所水解，喪失生物活性、等等。結晶，容易為酶所水解，喪失生物活性、等等。5、蛋白質的顯色反應、蛋白質的顯色反應1）縮二脲反應）縮二脲反應 2）蛋白黃色反應）蛋白黃色反應 3）米勒反應）米勒反應 4）茚三酮反應）茚三酮反應51有機化學有機化學 第二十章第二十章 蛋白質和核酸蛋白質和核酸第七節(jié)第七節(jié) 蛋白質的結構蛋白質的結構 蛋白質的物理、化學性質和生物功能都依賴于它們的結蛋白質的物理、化學性質和生物功能都依賴于它們的結構。蛋白質的結構相當復雜，通常用一級結構、二級結構、構。蛋白質的結構相當復雜，通常用一級結構、二

37、級結構、三級結構和四級結構四種不同的層次來描述。三級結構和四級結構四種不同的層次來描述。一、一級結構：一、一級結構： 表示的是組成蛋白質的氨基酸殘基排列順序。各種蛋白質的生物活性首先是由一級結構決定的。52有機化學有機化學 第二十章第二十章 蛋白質和核酸蛋白質和核酸胰核糖核酸酶的一級結構胰核糖核酸酶的一級結構 測定多肽氨基酸順序的技術都可應用于蛋白質。 1955年，桑格首次確定了胰島素的完整結構后，相繼獲得了多種蛋白質的一：級結構，例如核糖核酸酶（124個氨基酸殘基，見同21刁）、糜蛋白酶（241個氨基酸殘基）。了球蛋肉是一種很復朵的抗體，其氨皂酸的順序也已經被破澤。英國人愛德爾曼（G。 Ed

38、elrnan）證明此伉體總共含有N20個氫基酸（由四個鏈組成，兩個含446個氨基酸，另二個含214十氨基酸）。此成就使他獲得了1973年的諾貝爾獎金。53有機化學有機化學 第二十章第二十章 蛋白質和核酸蛋白質和核酸 二、二級結構二、二級結構 蛋白質分子中的肽鏈并非是直線型的，而是排列成盤曲或折疊狀，這就是蛋白質的二級結構。二級結構有兩種形式，一種是- 螺旋形，另一種- 折疊形，如所示。在一個肽鏈中的C = O和另一個肽鏈的 N H 之間可形成氫鍵，正是由于這種氫鍵的存在維持了蛋白質的二級結構。-螺旋型結構：天然蛋白質的-螺旋絕大多數是右螺旋的，螺環(huán)每上升一圈，由3.6個氨基酸單位構成，每個氨基

39、酸單位的氨基與其相隔的第五個氨基酸單位的羰基形成氫鍵。54有機化學 第二十章 蛋白質和核酸 -折疊型結構：是依靠兩條肽鏈或一條肽鏈回折的兩段肽鏈之間，借氫鍵形成片層結構。55有機化學 第二十章 蛋白質和核酸3）蛋白質的三級結構 是在二級結構的基礎上進一步彎曲折疊，構成具有特定構象的緊湊結構，有的稱此為“螺旋的螺旋”。維持三級結構的力來自氨基酸側鏈之間的相互作用。主要包括二硫鍵、氫鍵、正負離子間的靜電引力（離子鍵）、疏水基團的親和力（疏水鍵）等。這些作用總稱為副鍵。56有機化學 第二十章 蛋白質和核酸 肌紅蛋自由153個氨基酸組成肽鏈，大部分是-螺旋構象，但有8處中斷。這8處非螺旋區(qū)域有4處是由

40、于存在著脯氨酸，其它4處中斷的原因尚不清楚。在肽鏈中除了與血紅素聯(lián)系的兩個組氨酸外，疏水性較強的側鏈全在分子內部，有排斥水和極性分子進入的作用。親水性強的側鏈全部露在外邊，因此肌紅蛋白是親水的。 多肽鏈經卷曲折疊成三級結構，使分子表面形成了某些具有生物功能的特定區(qū)域，如酶的活性中心等等。57有機化學 第二十章 蛋白質和核酸 測定蛋白質的整個三級結構，是一項令人望而生畏的任務，對于化學家來說也不是高不可攀的。1957年肯篤（JKendrew）用X光衍射技術成功地測定了攜氧蛋白質肌紅蛋白（M=17800）的三級結構。使人們第一次看到了一個蛋白質分子內部的立體構象圖。在大致相同的時期，更復雜的攜氧蛋

41、白質血紅蛋白（M=64500）的三級結構圖形從伯汝茨（M。Perutz）的20年蛋白質結構研究工作中出現(xiàn)了。1962年肯篤和鉑汝茨因他們的出色成就而獲得了諾貝爾化學獎。從那時起，陸續(xù)測得了一些蛋白質（包括酶在內）的相當詳細的分子結構圖形。 用X光衍射法測定蛋白質晶體的空間結構是近年來分子生物學的重大突破，為此已經頒發(fā)了四次諾貝爾獎金。19711973年我國科學工作者也成功地用X光衍射法完成了豬胰島素晶體結構的測定。58有機化學 第二十章 蛋白質和核酸 四、四級結構 許多球狀蛋白質是由一條或多條肽鏈構成的，每條肽鏈都有各自一、二、三級結構。這些肽鏈稱為蛋白質的亞基或原體。各個亞基聚合成大分子的方

42、式稱為蛋白質的四級結構。 如胰島素的四級結構可由相對分子質量為6000或12 000的兩個以上亞基聚合而成。更復雜的多聚體。 又如血紅蛋白，它是由二條- 鏈和二條- 鏈構成的四聚體。有的蛋白質分子中的亞基數更多，經聚合形成結構59有機化學 第二十章 蛋白質和核酸第八節(jié)第八節(jié) 蛋白質的新來源和應用前景蛋白質的新來源和應用前景 一、蛋自質的新來源 人類的食物中，蛋白質是最重要的營養(yǎng)成分，人體的各種生理活動大多數是山蛋白質來 承擔的。自古以來，蛋白質的主要來源是動物性食物，即肉、魚、蛋、奶等。隨著世界人口的增長，蛋白質供應不足越來越嚴重。嚴峻的事實迫使人們去探索生產蛋白質的新途徑。 科學家們提出三種

43、設想；一是人工合成食品；二是人工模擬生物體內的轉化過程來生產食品；三是人工培養(yǎng)微生物來生產蛋白質。目前微生物蛋白的生產已取得可喜的成功。60有機化學 第二十章 蛋白質和核酸 利用微生物生產蛋白質的原料來源卡富，如石油和煤炭、天然氣和淀粉等，還有許多工業(yè)廢料和一些農副產品的下腳料，甚至城市的垃圾。生產的關鍵是篩選出有效的酵母菌。高效 的微生物繁殖速度極快，如500 kg的酵母菌在24 h內能中產出2噸多活物質。近年來發(fā)現(xiàn)一種叫做氫細菌的微生物，能直接利用已、Cq和其它一些簡單的元機物來生產蛋白質。這樣青來，實現(xiàn)用空氣和水來生產糧食不是科學幻想。 我國近年來很重視發(fā)展微生物蛋白生產，現(xiàn)在金國有幾十

44、家研究單位和工廠正在從事微生物蛋白生產技術的研究和開發(fā)工作。在用廢糖蜜、酒精廢液、味精廢液、甘蔗渣和甲醇等作原料：生產微生物蛋白的研究中，取得了較大的進展。61有機化學 第二十章 蛋白質和核酸二、蛋白質的應用前景 生物大分子是分子世界中的一個顯赫的大“家族”：相對分子質量大，形狀奇特，結構復 雜，種類繁多，又各具獨特功能。生物大分子主要分為蛋白質、脂類和多糖類，它們是組成生物體的基本元件。如今，對生物大分子感興趣的除了最終了解生命的本質這個遠期的目標 外，近期的蛋白質應用方向是由蛋自質構成集成電路，其大小僅為現(xiàn)在的硅集成電路的十萬分之一，而開關速度可達一千億分之一秒?？茖W家們認為，生物界存在的

45、蛋白質可能有100億種，這是制造生物芯片的極好材料，而生物芯片的使用會給計算機帶來一場革命。62有機化學 第二十章 蛋白質和核酸 核酸 瑞士生理學家米歇爾(F.Miescher)于1869年從細胞核中首次分離到一種具有酸性的新物質，這就是我們現(xiàn)在所稱的核酸。核酸對遺傳信息的儲存和蛋白質的合成起著決定性作用，它是一類非常重要的生物高分子化合物。 第九節(jié)第九節(jié) 核酸的組成核酸的組成核酸核酸核酸酶核酸酶核苷酸核苷酸水解水解核苷核苷磷酸磷酸戊糖戊糖堿基（雜環(huán)堿）堿基（雜環(huán)堿）核酸的分步水解產物為核酸的分步水解產物為： 由此可以看出，核苷是由戊糖和雜環(huán)堿組成的；核苷酸是是由核苷和磷酸組成的。而核酸則是核

46、苷酸的構成的多聚體，因此核苷酸亦稱為多核苷酸。63有機化學 第二十章 蛋白質和核酸一、核糖及脫氧核糖 在核酸分子中含有兩種戊糖：D-2-脫氧核糖和D-核糖。它們都是以-呋喃糖形式存在。D-2-脫氧核糖D-核糖OOHHHHHOHCH2OH12345HOOHHOHHHOHCH2OHH 含有D-2-脫氧核糖的核酸叫做脫氧核糖核酸(Deoxyribonucleic,DNA)；含有核糖的核酸稱為核糖核酸(Ribonucleic, RNA)。64有機化學 第二十章 蛋白質和核酸二、堿基二、堿基 存在于核苷中的堿基主要有五種，其中嘌呤堿兩種：腺嘌呤和鳥嘌呤；嘧啶堿三種：尿嘧啶、胞嘧啶、胸嘧啶。NNOHHON

47、NOHHOCH3NNNH2HOUracilThymineCytosine尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶65有機化學 第二十章 蛋白質和核酸NNNNHNH2NNNNHH2NOH腺嘌呤（6-氨基嘌呤） 鳥嘌呤（2-氨基-6-羥基嘌呤）AG三、核苷三、核苷 核苷是由堿基中嘌呤環(huán)9位氮原子或嘧啶環(huán)1位氮原子上的氫與糖的1位上的羥基失水所生成的-N-糖苷。 核苷命名時，如果糖組分是核糖，詞尾用“苷”字前面加上堿基名（如尿苷）。如為脫氧核糖，則在詞首加上“脫氧”（如2 -脫氧腺苷）。66有機化學 第二十章 蛋白質和核酸OOHHOHHHCH2OHHNNOOHNNNNNH2OOHHHHHCH2OHH脲嘧啶核糖脲苷（U）

48、腺嘌呤脫氧核糖2-脫氧腺苷（dA）67有機化學 第二十章 蛋白質和核酸四、核苷酸四、核苷酸核苷酸是核苷3位或5位的羥基和磷酸所生成的酯。OOHHOHHHCH2HNNOOH脲嘧啶核糖HO P O OHO磷酸脲嘧啶核苷酸（脲苷酸、UMP、 U、PU）68有機化學 第二十章 蛋白質和核酸NNNNNH2OOHHHHHCH2H腺嘌呤脫氧核糖2-脫氧腺苷（dA）HO P O OHO磷酸腺嘌呤脫氧核苷酸(dAMP、dA、PdA)69有機化學 第二十章 蛋白質和核酸NNNNNH2OOHHHHHCH2H腺嘌呤脫氧核糖O P O OHO二磷酸HO P OHO腺苷二磷酸（ADP）70有機化學 第二十章 蛋白質和核酸

49、NNNNNH2OOHHHHHCH2H腺嘌呤脫氧核糖O P O OHO三磷酸O P OHOHO P OHO腺苷三磷酸（ATP） ADP、ATP在細胞代謝中作為高能化合物承擔著重要的任務。能量主要集中在焦磷酸酯鍵中，當焦磷酸酯鍵水解時，儲存的能量被釋放，傳遞給需要能量的反應（如合成肽鏈的反應）。71有機化學 第二十章 蛋白質和核酸第十節(jié)第十節(jié) 核糖核酸核糖核酸(RNA)和脫氧核糖核酸和脫氧核糖核酸(DNA) 核酸和蛋白質一樣，也有一個單體的排列順序和空間關系問題。1、DNA和RNA的一級結構核酸分子中各種核苷酸排列的順序即為核酸的一級結構。 例如，DNA主要有dAMP、dGMP、dCMP、dTMP

50、四種脫氧核糖核苷酸組成，每個DNA中含有幾千或幾萬個這樣的核苷酸，而各個核苷酸之間是由磷酸在相鄰糖環(huán)的C-3和C-5處，通過磷酸二酯鍵連接起來，形成很長的多核苷酸鏈。 70年代初，桑格等使用工具酶對DNA進行隨機切割，為測定核酸中核苷酸順序作出了卓越的貢獻。為此他于1980年第二次獲得諾貝爾獎金。72有機化學 第二十章 蛋白質和核酸CH2OOHOHHHHO = P O OHTCH2OOHOHHHHO = P O OHGCH2OOHOHHHHO = P O OHCCH2OOHOHHHHO = P O OHADNA中多核苷酸鏈胸腺嘧啶鳥嘌呤胞嘧啶腺嘌呤35PSPSPSPSPTGCA速記符號73有機

51、化學 第二十章 蛋白質和核酸2、DNA的二級結構 物理方法的測定表明，DNA具有雙螺旋的二級結構，兩條反向平行的DNA鏈，沿著一個軸向右盤旋成雙螺旋體。 在雙螺旋體中，一條脫氧核苷酸鏈上的堿基與另一條鏈上的堿基之間，通過氫鍵相互連接，嘌呤堿和嘧啶堿兩兩成對，其中腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）配對，鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）配對。A T G C RNA分子的二級結構也是靠堿基之間的氫鍵形成的，但一般不如DNA那樣有規(guī)律，大多數RNA分子是由一條彎曲的多核苷酸鏈構成。在鏈的某些區(qū)域可發(fā)生自身回褶而形成雙螺旋。其間的堿基也是互補關系（AU，GC）。74有機化學 第二十章 蛋白質和核酸75有機化學 第二十章 蛋白質和核酸3）三級結構 DNA在雙螺旋結構（二級結構）的基礎上還進一步縮成閉鏈環(huán)狀、開鏈狀或麻花狀等形式的三級結構。三、核酸的生物功能 核酸是生物體中不可不可缺少的物質，它在遺傳變異、生長發(fā)育