有機(jī)化學(xué)-14氨基酸蛋白質(zhì)核酸課件

1、有機(jī)化學(xué)供中藥等專業(yè)用第十四章 氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸第十四章 氨基酸、蛋白質(zhì)、核酸學(xué)習(xí)要點(diǎn) 1.氨基酸的定義、分類、結(jié)構(gòu)、命名和理化性質(zhì)2.蛋白質(zhì)的定義、結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)3.核酸、多肽、酶的定義和結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)和核酸是最重要的生物大分子。是生命的物質(zhì)基礎(chǔ) 核酸由幾種基本核苷酸組成，蛋白質(zhì)由約20種氨基酸組成 第三節(jié) 核酸 第一節(jié) 氨基酸第二節(jié) 蛋白質(zhì)一、氨基酸的結(jié)構(gòu)、分類和命名 第一節(jié) 氨基酸或 RCHCOOH NH2 RCHCOO- NH3+-氨基酸內(nèi)鹽或偶極離子1. 氨基酸的結(jié)構(gòu) （一） 氨基酸的結(jié)構(gòu)和分類 氨基酸在自然界中主要以蛋白質(zhì)或多肽形式存在于動(dòng)植物體內(nèi)，-氨基酸是組成蛋白質(zhì)的基本單位

2、 -氨基酸的結(jié)構(gòu)通式COOHH2NHRL-氨基酸COO-H3N+HR S-氨基酸（18種）或COOHHH2NCH2SH R-半胱氨酸一個(gè)例外羧酸分子中烴基上的氫原子被氨基取代而生成的化合物稱為氨基酸 2. 氨基酸的分類 根據(jù)分子中氨基和羧基的相對(duì)位置不同，可分為-氨基酸、-氨基酸、-氨基酸 -氨基酸 -氨基酸 -氨基酸氨基酸又可根據(jù)R基團(tuán)的結(jié)構(gòu)分為脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和雜環(huán)氨基酸根據(jù)分子中所含氨基和羧基的相對(duì)數(shù)目不同而分為中性氨基酸、酸性氨基酸和堿性氨基酸存在于蛋白質(zhì)中的20種常見氨基酸5.98Ile(I)異亮氨酸*（異亮）-氨基-甲基戊酸H3NCH2COO-+CH3CHCOO-NH3+

3、CH3CH2CHCHCOO-CH3NH3+N+COO-H2不帶電荷而具極性氨基酸其側(cè)鏈R（羥基、巰基等）具親水性， 常分布在蛋白質(zhì)分子外部 ，7個(gè)人體對(duì)必需氨基酸的需要量 需要量（每日mg /kg體重）氨基酸分子中同時(shí)含有堿性的氨基和酸性的羧基，具有酸堿兩性 （一） 氨基酸的兩性電離和等電點(diǎn) 氨基酸既能與酸，又能與堿反應(yīng)成鹽，分子內(nèi)堿性基團(tuán)和酸性基團(tuán)相互作用也形成鹽，這種鹽稱為內(nèi)鹽 二、氨基酸的性質(zhì) 通過調(diào)節(jié)溶液的pH 值，使氨基酸的酸性與堿性電離程度相同，此時(shí)氨基酸主要以兩性離子的形式存在，氨基酸呈電中性。這種使氨基酸處于電中性狀態(tài)的溶液的pH 值稱為該氨基酸的等電點(diǎn)，用pI表示OH-H+H

4、+OH-NH3 R-CH-COO+NH3 R-CH-COOH+偶極離子 陽(yáng)離子 陰離子 pH pI向負(fù)極移動(dòng)原點(diǎn)向正極移動(dòng)-NH2 R-CH-COO等電點(diǎn)：結(jié)論：當(dāng)pH=pI時(shí)，氨基酸主要以偶極離子存在 當(dāng)pHpI時(shí)，氨基酸主要以陰離子存在 當(dāng)pHpI時(shí)，氨基酸主要以陽(yáng)離子存在 丙氨酸的等電點(diǎn)pI = 6.02 pH = 6.0 pH = 9.0 溶液PH值 主要存在形式 電泳方向 pH = 3.0CH3CHCOOHNH3+CH3CHCOO-NH2陽(yáng)離子向負(fù)極移動(dòng)陰離子向正極移動(dòng)偶極離子不移動(dòng)CH3CHCOO-NH3+CH3CHCOO-NH3+ 等電點(diǎn)是氨基酸的重要理化常數(shù)之一。每種氨基酸都有

5、其特定的等電點(diǎn)酸性氨基酸： pI 2.7 3.2（pH4）中性氨基酸： pI 5.0 6.3（pH7）堿性氨基酸： pI 7.6 10.8（pH7.5）等電點(diǎn)時(shí)氨基酸的溶解度最?。ǘ┟擊确磻?yīng) -氨基酸與Ba（OH）2共熱，即脫去羧基生成伯胺 脫羧反應(yīng)也可因某些細(xì)菌的脫羧酶作用而發(fā)生 例如蛋白質(zhì)腐敗時(shí)鳥氨酸轉(zhuǎn)變?yōu)楦罚?，4-丁二胺）。腦內(nèi)存在的重要神經(jīng)遞質(zhì)氨基丁酸是由谷氨酸中-羧基脫羧后轉(zhuǎn)變而成 （三）與亞硝酸反應(yīng) 氨基酸中的氨基與亞硝酸作用時(shí)，氨基被羥基置換，同時(shí)放出氮?dú)狻７磻?yīng)可定量完成 利用這個(gè)反應(yīng)，由反應(yīng)所得氮?dú)獾捏w積，可計(jì)算出氨基酸和蛋白質(zhì)分子中氨基的含量，這一方法稱為范斯萊克（Va

6、n Slyke）氨基測(cè)定法 （四） 與茚三酮的反應(yīng) -氨基酸與水合茚三酮溶液共熱，生成藍(lán)紫色的化合物，稱為羅曼紫，并放出CO2 。此反應(yīng)可用于氨基酸的定性鑒定或定量分析 常用于層析實(shí)驗(yàn)中氨基酸的顯色二肽分子中仍含有自由的氨基和羧基，因此可以繼續(xù)與氨基酸脫水縮合成三肽、四肽、五肽 。由較多的氨基酸按上述方式脫水縮合形成的肽稱為多肽,多肽的鏈狀結(jié)構(gòu)稱為多肽鏈 氨基末端羧基末端H3N+-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO.NH-CH-COO-R1R2R3R4Rn多肽鏈氨基酸殘基肽鍵：-CO-NH-氨基酸殘基：多肽鏈中每一個(gè)不完整的氨基酸 左邊的游離-氨基稱為氨基末端（或

7、N-端） 右邊的游離-羧基稱為羧基末端（或C-端） 許多種氨基酸按照不同的排列順序，構(gòu)成了自然界中種類繁多的多肽和蛋白質(zhì) 肽的結(jié)構(gòu)不僅與組成肽鏈的氨基酸種類和數(shù)目有關(guān)，還與肽鏈中各氨基酸殘基的排列順序有關(guān)一、蛋白質(zhì)的元素組成元素組成：碳5055，氫67，氧2023，氮1517，硫04有些蛋白質(zhì)還含有微量磷、鐵、鋅、銅、鉬、碘等元素其中氮的含量在各種蛋白質(zhì)中含量都比較接近，平均為16只要測(cè)出生物樣品中的含氮量，就可粗略計(jì)算出其蛋白質(zhì)的含量每1g氮相當(dāng)于6.25g蛋白質(zhì)二、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)分子在結(jié)構(gòu)上最顯著的特點(diǎn)：在天然狀態(tài)下均具有獨(dú)特而穩(wěn)定的構(gòu)象 為了表示蛋白質(zhì)分子不同層次的結(jié)構(gòu)，常將蛋白質(zhì)

8、分子結(jié)構(gòu)分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)。一級(jí)結(jié)構(gòu)又稱為基本結(jié)構(gòu)（初級(jí)結(jié)構(gòu)），二級(jí)結(jié)構(gòu)以上屬于構(gòu)象范疇，稱為空間結(jié)構(gòu)（高級(jí)結(jié)構(gòu)）（一）一級(jí)結(jié)構(gòu)指多肽鏈中氨基酸殘基的排列順序 HNCHCNCHCNCHCNCHC R1 OHR2R3R4 O O OHH 肽鍵是一級(jí)結(jié)構(gòu)中連接氨基酸殘基的主要化學(xué)鍵 任何特定的蛋白質(zhì)都有其特定的氨基酸排列順序，有些蛋白質(zhì)分子只由一條多肽鏈組成，有的蛋白質(zhì)分子則由兩條或多條肽鏈構(gòu)成作用：降低體內(nèi)血糖含量用途：在臨床上治療糖尿病人胰島素分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)（二）蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)：指多肽鏈在空間進(jìn)一步盤曲折疊形成的構(gòu)象，它包括二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu) 維護(hù)蛋白質(zhì)構(gòu)象

9、穩(wěn)定的次級(jí)鍵（副鍵）：氫鍵、二硫鍵、疏水鍵、范德華引力、鹽鍵和配位鍵 1.蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu) 定義：是指多肽鏈的主鏈骨架在空間盤曲折疊形成的方式，并不涉及側(cè)鏈R基團(tuán)的構(gòu)象 形式：-螺旋、-折疊層、-轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)卷曲-螺旋結(jié)構(gòu) -螺旋結(jié)構(gòu)俯視圖 維系二級(jí)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要因素：主鏈的羰基O和亞氨基H之間所形成的氫鍵-折疊層構(gòu)象2.三級(jí)結(jié)構(gòu)肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的多肽鏈在主鏈借助肽鍵之間的氫鍵形成二級(jí)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，其相隔較遠(yuǎn)的氨基酸殘基側(cè)鏈（R-）之間還可借助于多種副鍵而進(jìn)行范圍廣泛的卷曲、折疊，所形成的特定整體排列稱為蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)3.四級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)：由兩條或兩條以上具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽 鏈通過疏水作用

10、力、鹽鍵等副鍵相互締合而成亞基：每一條具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈。在蛋白質(zhì)分子中，亞基的立體排布、亞基間相互作用與接觸部位的布局稱為四級(jí)結(jié)構(gòu)血紅蛋白四級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖蛋白質(zhì)的四個(gè)結(jié)構(gòu)層次氨基酸回主目錄返回二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)二、蛋白質(zhì)的性質(zhì)（一）蛋白質(zhì)的兩性電離和等電點(diǎn)pH pI pH=pI pH pI帶正電 電中性 帶負(fù)電 負(fù)極 原點(diǎn) 正極蛋白質(zhì)分子多肽鏈中總有游離的氨基和羧基存在，因此蛋白質(zhì)和氨基酸相似，具有兩性電離和等電點(diǎn)的性質(zhì)H+OH-H+OH-PrCOOHNH3+PrCOONH3+-PrCOONH2-（二）蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)的分子量：有的可達(dá)數(shù)千萬(wàn)水中形成的顆粒直徑：1l00n

11、m，膠體分散系有膠體溶液的性質(zhì)：布朗運(yùn)動(dòng)、丁達(dá)爾效應(yīng)、不能透過半透膜以及具有吸附性質(zhì)等可用半透膜將蛋白質(zhì)與小分子物質(zhì)分離而得以純化，這種方法稱為透析法透析法是實(shí)驗(yàn)或工業(yè)生產(chǎn)上提取和純化蛋白質(zhì)常用的方法課堂互動(dòng)（三）蛋白質(zhì)的變性是指蛋白質(zhì)在某些物理或化學(xué)因素的作用下，其空間結(jié)構(gòu)遭到破壞致使蛋白質(zhì)生物活性喪失和理化性質(zhì)改變引起蛋白質(zhì)變性的因素： 物理因素有：加熱、紫外線照射、超聲波和劇烈振搖等 化學(xué)因素有：強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、有機(jī)溶劑、重金屬鹽等變性作用并不破壞蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu) 變性蛋白質(zhì)的表現(xiàn)：首先是失去生物活性。如血紅蛋白失去運(yùn)輸氧的功能，胰島素失去調(diào)節(jié)血糖的功能，酶失去催化能力等 其次是各種理化性質(zhì)

12、的改變。如溶解度降低，易于沉淀等變性作用的實(shí)際意義（2點(diǎn)）1.防止蛋白質(zhì)激素、酶、抗體、疫苗等活性蛋白質(zhì)在生產(chǎn)和保存過程中變性，以保持其生物活性2.變性原理可用于滅菌等蛋白質(zhì)變性后，若其空間結(jié)構(gòu)改變不大，就可以恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，稱為可逆變性；若其空間結(jié)構(gòu)改變較大，則其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不能恢復(fù)，稱為不可逆變性 （四）蛋白質(zhì)的沉淀1.鹽析法 向蛋白質(zhì)溶液中加入大量的中性鹽，使蛋白質(zhì)發(fā)生沉淀的現(xiàn)象稱為鹽析 鹽析是沉淀蛋白質(zhì)的方法之一。常用的鹽析劑有（NH4）2SO4、Na2SO4、NaCl和MgSO4等 用鹽析法，即可得到較純的且保持原生物活性的蛋白質(zhì)2.加有機(jī)溶劑 某些有機(jī)溶劑如乙醇、丙酮等是脫水劑，

13、可以破壞蛋白質(zhì)周圍的水化膜，使蛋白質(zhì)沉淀3.加重金屬鹽 某些重金屬鹽如硝酸銀、醋酸鉛及氯化高汞等中的陽(yáng)離子與蛋白質(zhì)分子結(jié)合，生成不溶性的蛋白質(zhì)鹽沉淀。此法常易使蛋白質(zhì)變性4.加生物堿試劑 某些生物堿如苦味酸、三氯醋酸、鞣酸和磺柳酸等可使蛋白質(zhì)沉淀。這是因?yàn)榈鞍踪|(zhì)在pHpI的溶液中帶正電荷，能與這些有機(jī)酸結(jié)合生成不溶性的鹽沉淀出來(lái)（五）蛋白質(zhì)的顏色反應(yīng)課堂互動(dòng)四、酶酶是一類具有催化作用的蛋白質(zhì)。生物體內(nèi)幾乎所有的代謝反應(yīng)都是在酶催化下進(jìn)行的，所以酶又稱為生物催化劑酶具有高效率的催化作用酶具有高度的專一性酶具有高度的不穩(wěn)定性1868年由瑞士生物學(xué)家米歇爾（Miescher）首先從膿細(xì)胞核中分離得到

14、的核酸，當(dāng)時(shí)被稱為“核質(zhì)”（nuclein）1889年后，更名為核酸核酸的發(fā)現(xiàn)為人類提供了解開生命之謎的金鑰匙1944年，Oswald Avery經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了DNA是遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)1953年，沃森（Watson）和克里克（Crick）提出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，巧妙地解釋了遺傳的奧秘，并將遺傳學(xué)的研究從宏觀的觀察進(jìn)入到分子水平第三節(jié) 核酸一、核酸的分類 （一）核糖核酸（ribonucleic acid，RNA） 分布：細(xì)胞質(zhì)中含RNA約占90% 細(xì)胞核內(nèi)含RNA約占10% 作用：它直接參與體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成（二）脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA） 分布：DNA主要存

15、在于細(xì)胞核和線粒體內(nèi) 作用：承擔(dān)體內(nèi)遺傳信息的貯存和發(fā)布 （原因：DNA是生物遺傳的主要物質(zhì)基礎(chǔ)）根據(jù)分子中所含戊糖的類型不同核酸可分為：根據(jù)蛋白質(zhì)合成過程中所起的作用不同， RNA分為： 1. 核蛋白體RNA（ribosomal RNA，rRNA）（核糖體RNA） 作用：它是蛋白質(zhì)合成時(shí)多肽鏈的“裝配機(jī)” 2. 信使RNA（messenger RNA，mRNA） 作用：它是合成蛋白質(zhì)的模板。在蛋白質(zhì)合成時(shí)，控制氨基酸的排列順序 3. 轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（transfer RNA，tRNA） 作用：在蛋白質(zhì)的合成過程中，tRNA是搬運(yùn)氨基酸的工具二、核酸的組成成分核酸分子中的主要元素： 磷量為910。

16、常用含磷量測(cè)定組織中核酸的含量 核酸的基本組成單位是核苷酸 ： 核酸核苷酸核苷磷酸戊糖：核糖或脫氧核糖 堿基：嘌呤堿或嘧啶堿核酸的化學(xué)成分（一）戊糖 RNA中的 D-核糖DNA中的 D-2-脫氧核糖 -D-2-脫氧核糖 （-D-2-deoxyribose） -D-核糖 （-D-ribose）OOHOHHHHCH2HHOOH12345OHOHHHHCH2HHOOH12345CHOHHHOHOHOHCH2OHCHOHHHHOHOHCH2OHNNNHNNH2NNNHNOHH2NNNNHN123456789腺嘌呤（Adenine） 鳥嘌呤（Guanine） Purine （二）堿基 胞嘧啶 尿嘧啶 胸

17、腺嘧啶 NNPyrimidine123456NHNHOONHNHOOH3CNNHNH2O三、 核苷和核苷酸（一）核苷 由核糖或脫氧核糖與嘌呤堿或嘧啶堿縮合而成的糖苷稱為核苷 （二）核苷酸核苷分子中的核糖或脫氧核糖的3或5位的羥基與一分子磷酸脫水縮合生成的酯稱為核苷酸 核苷酸是組成核酸的基本單位3 5-磷酸二酯鍵四、核酸的結(jié)構(gòu)（一）核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)各種核苷酸的排列順序和連接方式即為核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)，又稱為核苷酸序列在核酸分子中，連接相鄰核苷酸的化學(xué)鍵是3，5-磷酸二酯鍵，一個(gè)核苷酸3位的羥基與另一核苷酸5位的磷酸殘基脫水形成磷酯鍵。如此延續(xù)進(jìn)行，就構(gòu)成了由許多核苷酸組成的多核苷酸鏈 （二）核酸的二級(jí)1.DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA分子由兩條核苷酸鏈組成。它們沿著中心軸以反平行走向盤旋成雙螺旋結(jié)構(gòu) 大溝小溝5端3端5端3端中心軸在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中，這種A-T或G-C配對(duì)并以氫鍵相連接的規(guī)律，稱為堿基配對(duì)規(guī)則或堿基互補(bǔ)規(guī)律2.RNA的空間結(jié)構(gòu)與DNA不同，大多數(shù)天然RNA一般由一條回折的多核苷酸鏈構(gòu)成，它也是依靠嘌呤堿與嘧啶堿之間的氫鍵保持相對(duì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，堿基互補(bǔ)規(guī)則