氨基酸、蛋白質(zhì)和核酸

第十三章氨基酸、蛋白質(zhì)和核酸蛋白質(zhì)和核酸是生命現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)，是參與生物體內(nèi)各種生物化學(xué)變化最重要的組分。第一節(jié)氨基酸

氨基酸是羧酸分子中烴基上的氫原子被-NH2取代后的衍生物。構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸約有30余種，常見的有20余種。一、α-氨基酸的分類和命名結(jié)構(gòu)式

構(gòu)型式α-氨基酸L-氨基酸脂肪族芳香族雜環(huán)族氨基酸中性氨基酸酸性氨基酸堿性氨基酸分類（1）根據(jù)

α-氨基酸中R-基團(tuán)的碳架結(jié)構(gòu):

（2）根據(jù)α-氨基酸中氨基和羧基的數(shù)目不同：

（羧基和氨基數(shù)目相等）

（羧基數(shù)目多于氨基數(shù)目）

（氨基的數(shù)目多于羧基數(shù)目）氨基酸命名結(jié)構(gòu)俗名縮寫中文系統(tǒng)命名法符號代號甘氨酸Gly

甘

氨基乙酸

丙氨酸Ala丙

2-氨基丙酸

半胱氨酸Cys半胱2-氨基-3-巰基丙酸

結(jié)構(gòu)俗名縮寫中文系統(tǒng)命名法符號代號苯丙氨酸Phe苯丙

2-氨基-3-苯基丙酸

酪氨酸

Tyr酪

2-氨基-3-(對羥苯基)丙酸色氨酸*

Try色2-氨基-3-(β-吲哚)丙酸結(jié)構(gòu)俗名縮寫中文系統(tǒng)命名法符號代號谷氨酸Glu谷2-氨基戊二酸

賴氨酸*Lys賴

2，6-二氨基己酸

（一）兩性性質(zhì)和等電點內(nèi)鹽（偶極離子）

兩性分子內(nèi)形成內(nèi)鹽偶極離子

pI(等電點)

正離子

負(fù)離子

pH<pI

pH>pI

氨基酸分子在酸性溶液中它的羧基負(fù)離子可接受質(zhì)子，發(fā)生堿式電離帶正電荷；而在堿性溶液中銨根正離子給出質(zhì)子，發(fā)生酸式電離帶負(fù)電荷。

調(diào)節(jié)氨基酸溶液的pH值，使氨基酸以偶極離子形式存在，在電場中既不向陰極移動，也不向陽極移動，此時溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點，用“pI”表示。

甘氨酸的等電點：5.97，當(dāng)調(diào)節(jié)溶液的pH=2時，以正離子形式存在，在電場中移向負(fù)極；當(dāng)調(diào)節(jié)溶液的pH=6時，以偶極離子形式存在，在電場中不移向任一電極；當(dāng)調(diào)節(jié)溶液的pH=9時，以負(fù)離子形式存在，在電場中移向正極；在等電點時，氨基酸的pH值不等于7。中性氨基酸，由于羧基電離度略大于氨基，需要加入適當(dāng)?shù)乃嵋种启然碾婋x，中性氨基酸的等電點都小于7，一般在5～6.3之間；酸性氨基酸的羧基多于氨基必須加入較多的酸才能達(dá)到其等電點，酸性氨基酸的等電點一般在2.8～3.2之間。使堿性氨基酸達(dá)到等電點，必須加入適量堿，堿性氨基酸的等電點都大于7，一般在7.6～10.8之間。

氨基酸在等電點時溶解度最小，可通過調(diào)節(jié)溶液pH值達(dá)到等電點來分離氨基酸混合物。（二）氨基酸中氨基的反應(yīng)1、與亞硝酸反應(yīng)

該反應(yīng)定量進(jìn)行，從釋放出的氮氣的體積可計算分子中氨基的含量。這個方法稱為范斯萊克（VanSlyke）氨基測定法，用于氨基酸定量和蛋白質(zhì)水解程度的測定。2、與甲醛反應(yīng)

應(yīng)用：產(chǎn)物中羥基的吸電子誘導(dǎo)效應(yīng)，使氨基的堿性削弱或消失，可以用標(biāo)準(zhǔn)堿液來滴定氨基酸的羧基，用于氨基酸含量的測定。3、與2,4-二硝基氟苯反應(yīng)

用于氨基酸的比色測定4、氧化脫氨反應(yīng)

生物體內(nèi)在酶催化下，氨基酸也可發(fā)生氧化脫氨反應(yīng)，這是生物體內(nèi)蛋白質(zhì)分解代謝的重要反應(yīng)之一。（三）氨基酸中羧基的反應(yīng)1、與醇反應(yīng)

α-氨基酸酯在醇溶液中又可與氨反應(yīng)，生成氨基酸酰胺。

生物體內(nèi)以谷氨酰胺和天冬酰胺形式儲存氮素的一種主要方式。2、脫羧反應(yīng)

（四）氨基酸中氨基和羧基共同參與的反應(yīng)1、與水合茚三酮的反應(yīng)

α－氨基酸和水合茚三酮生成藍(lán)紫色物質(zhì)，可用于鑒定。戊二胺（尸胺）

生物體內(nèi)的脫羧酶也能催化氨基酸的脫羧反應(yīng)，這是蛋白質(zhì)腐敗發(fā)臭的主要原因。凡是有游離氨基的氨基酸都和水合茚三酮試劑發(fā)生顯色反應(yīng)，多肽和蛋白質(zhì)也有此反應(yīng)。還原型藍(lán)紫色2、與金屬離子形成配合物

用途：用來沉淀和鑒別某些氨基酸。

3、脫羧失氨作用

酶(CH3)2CH-CH2-CH-COOH+H2O─→(CH3)2CH-CH2-CH2OH+CO2

+NH3

│NH2（五）成肽反應(yīng)

α-氨基酸受熱時發(fā)生分子間脫水生成交酰胺；α-氨基酸交酰胺

β-氨基酸α,β-不飽和酸

β-氨基酸受熱時不發(fā)生脫水反應(yīng)，而是失氨生成不飽和酸。γ-或δ-氨基酸受熱時發(fā)生分子內(nèi)脫水生成內(nèi)酰胺。γ-氨基酸內(nèi)酰胺第二節(jié)蛋白質(zhì)

組成：主要含有C、H、N、O、S，有些蛋白質(zhì)有P、Fe、Mg、I、Cu、Zn等。

各種蛋白質(zhì)的含N量平均為16%，即每克氮相當(dāng)于6.25g蛋白質(zhì)。W粗蛋白=W氮×6.25蛋白質(zhì)是一類由20種氨基酸組成的復(fù)雜生物高分子化合物。電子顯微鏡下的氨基酸電子顯微鏡下的蛋白質(zhì)

佩魯茨肯德魯英國生物化學(xué)家英國生物學(xué)家

佩魯茨和肯德魯1960年首先測定出血紅蛋白分子的原子結(jié)構(gòu)，證實它由約12000個原子組成。于1962年獲得諾貝爾化學(xué)獎。蛋白質(zhì)精密結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，對生物化學(xué)和分子生物學(xué)的興起與發(fā)展起到了巨大的推動作用。

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)模型桑格（英國生物化學(xué)家）

桑格在20世紀(jì)40年代測定出牛胰島素分子中全部氨基酸的排列順序，并證明了其內(nèi)部氨基酸的結(jié)合方式，1958年第一次獲得諾貝爾化學(xué)獎。這一發(fā)現(xiàn)首次揭示了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的奧秘，為人工合成牛胰島素奠定了基礎(chǔ)。

顯微鏡下的胰島素結(jié)晶一、蛋白質(zhì)的組成和分類1．蛋白質(zhì)的組成蛋白質(zhì)是由多種α-氨基酸組成的一類天然高分子化合物，分子量一般可由一萬左右到幾百萬，有的分子量甚至可達(dá)幾千萬，但元素組成比較簡單，主要含有碳、氫、氧、氮、硫，有些蛋白質(zhì)中還含有磷、碘、鐵、銅、錳、鎂、鋅等。元素CHONSPFe平均含量/%（按干物質(zhì)計）50~556.5~7.320~23.515~170.3~2.50.0~0.80.0~0.4根據(jù)化學(xué)組成：簡單蛋白質(zhì)和結(jié)合蛋白質(zhì)。2、蛋白質(zhì)的分類根據(jù)形狀：球狀蛋白質(zhì)（如卵清蛋白）和纖維蛋白質(zhì)（如角蛋白）

（1）簡單蛋白質(zhì)僅由氨基酸組成的蛋白質(zhì)稱為簡單蛋白質(zhì)。（2）結(jié)合蛋白質(zhì)由簡單蛋白質(zhì)與非蛋白質(zhì)成分（稱為輔基）結(jié)合而成的復(fù)雜蛋白質(zhì)，稱為結(jié)合蛋白質(zhì)。二、蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)分子是由α-氨基酸經(jīng)首尾通過肽鍵相連形成的多肽鏈。將蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)分為一級結(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)。1．蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)——多肽鏈天然蛋白質(zhì)是由α-氨基酸組成的。α-氨基酸分子間可以發(fā)生脫水反應(yīng)生成酰胺。肽的命名

肽的命名是以C-端氨基酸為母體，肽鏈中其它氨基酸名稱中的“酸”字改為“?！弊郑Q為“某氨?！保腘-端開始依次寫在母體名稱之前，兩者之間通常用“-”連接，肽鏈常用簡稱表示。

氨基酸分子之間以肽鍵形式首尾相連形成的化合物稱為肽。

生物體內(nèi)存在許多游離多肽，它們都具有特殊的生理功能。谷-胱-甘肽分子中含有一個易被氧化的巰基（-SH），稱為還原型谷-胱-甘肽（常用GSH表示）。兩分子GSH間可通過巰基氧化成二硫鍵而連接，形成氧化型谷-胱-甘肽（常用GS-SG表示）。生物體中的許多激素也是多肽。（8個氨基酸組成的肽類激素）

胰島素是一個由51個氨基酸組成的多肽，A鏈（21肽）和B鏈（30肽）通過兩個-S-S-鍵連接形成的，A鏈中還有一個二硫鍵。

分子量小于1萬的為多肽，大于1萬的為蛋白質(zhì)。多肽鏈中的氨基酸的連接順序稱為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)，它不僅決定著蛋白質(zhì)的高級結(jié)構(gòu)，而且對它的生理功能起著決定性作用。

2.蛋白質(zhì)分子的構(gòu)象多肽中的肽鍵中N原子上的孤對電子與?；纬蓀-π共軛體系，使C-N鍵具有一定程度的雙鍵性質(zhì)。肽鏈中酰胺部分在一個平面上，與羰基及氨基相連的兩個基團(tuán)處于反式位置。3、蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)分子的二級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈借助分子內(nèi)氫鍵形成有規(guī)則的空間構(gòu)象。它只關(guān)系到蛋白質(zhì)分子主鏈原子局部的排布，不涉及側(cè)鏈的構(gòu)象及其它肽段的關(guān)系。

蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)，主要有α-螺旋和β-折疊。右手α-螺旋示意圖

多肽主鏈圍繞同一中心軸以螺旋方式伸展，平均3.6個氨基酸殘基構(gòu)成一個螺旋圈（18個氨基酸殘基盤繞5圈），遞升0.54nm，每個殘基沿軸上升0.15nm。每個氨基酸殘基的N-H與前面相隔3個氨基酸殘基的C=O形成氫鍵，氫鍵的方向大致與螺旋軸平行。氫鍵是維持α-螺旋穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用力。

β-折疊結(jié)構(gòu)示意圖

由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈按同向或反向聚集而成，相鄰多肽主鏈上的-NH和C=O之間形成氫鍵而成的一種多肽構(gòu)象。

蛋白質(zhì)反平行的β-折疊4、蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)和四級結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)是由具有二級結(jié)構(gòu)的多肽鏈通過相隔較遠(yuǎn)的氨基酸以氫鍵(b)、范德華力(d)、疏水相互作用(c)、鹽鍵(a)和二硫鍵(e)等各種副鍵（次級鍵）等分子內(nèi)的相互作用形成盤旋折疊的最穩(wěn)定的空間構(gòu)象。

蛋白質(zhì)是以具有三級結(jié)構(gòu)的亞基彼此通過非共價鍵締合在一起，這樣的聚集體稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu)。血紅蛋白的四級結(jié)構(gòu)示意圖三、蛋白質(zhì)的性質(zhì)1.兩性性質(zhì)和等電點蛋白質(zhì)溶液在某一pH時，分子所帶的正、負(fù)電荷相等，成為凈電荷為零的偶極離子，此時溶液的pH值稱為該蛋白質(zhì)的等電點（pI）。蛋白質(zhì)在等電點時，溶解度最小，導(dǎo)電性、粘度和滲透壓等也最低。利用這些性質(zhì)可以分離、純化蛋白質(zhì)。

2.膠體性質(zhì)蛋白質(zhì)是高分子化合物，分子大小一般在1～100nm之間，在膠體分散相質(zhì)點范圍，蛋白質(zhì)分散在水中，水溶液具有膠體溶液的一般特性。蛋白質(zhì)能形成膠體溶液，有兩方面的原因。（1）形成保護(hù)性水化膜羧基、氨基等極性的親水基團(tuán)，能與水分子形成氫鍵而發(fā)生水化作用，在蛋白質(zhì)表面形成一層水化膜。（2）粒子帶有同性電荷蛋白質(zhì)在非等電點pH值的溶液中，粒子表面會帶有同性電荷，相互產(chǎn)生排斥作用，使蛋白質(zhì)粒子不易聚沉。3.沉淀作用（1）可逆沉淀

蛋白質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)僅發(fā)生了微小改變或基本保持不變，仍然保持原有的生理活性。消除了沉淀的因素，已沉淀的蛋白質(zhì)又會重新溶解。如鹽析作用（硫酸銨、硫酸鈉、氯化鈉等）。（2）不可逆沉淀

空間構(gòu)象發(fā)生了很大的變化或被破壞，失去了原有的生物活性，即使消除了沉淀因素也不能重新溶解，稱為不可逆沉淀。①水溶性有機(jī)溶劑沉淀法：乙醇、丙酮親水能力大于蛋白質(zhì)。②化學(xué)試劑沉淀法：重金屬鹽與蛋白質(zhì)陰離子結(jié)合產(chǎn)生不可逆沉淀。③生物堿試劑沉淀法：苦味酸等生物堿，能與蛋白質(zhì)陽離子結(jié)合，使蛋白質(zhì)產(chǎn)生不可逆沉淀。強(qiáng)酸或強(qiáng)堿以及加熱、紫外線或X-射線照射等物理因素，都可導(dǎo)致蛋白質(zhì)的某些副鍵被破壞，引起構(gòu)象發(fā)生很大改變，使疏水基外露，引起蛋白質(zhì)沉淀，而失去生物活性。4.變性作用

由于物理或化學(xué)因素的影響，蛋白質(zhì)分子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，導(dǎo)致理化性質(zhì)改變，生理活性喪失，稱做蛋白質(zhì)的變性。引起蛋白質(zhì)變性的因素：物理因素有加熱、高壓、劇烈振蕩、超聲波、紫外線或X-射線照射等?；瘜W(xué)因素有強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、重金屬離子、生物堿試劑和有機(jī)溶劑等。

可逆變性：僅改變了蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)。

不可逆變性：破壞了二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)變性一般產(chǎn)生不可逆沉淀，但蛋白質(zhì)的沉淀不一定變性；反之，變性也不一定沉淀，但不可逆沉淀一定會使蛋白質(zhì)變性。

蛋白質(zhì)的變性的應(yīng)用：對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究都具有十分廣泛的意義。例如通常采用加熱、紫外線照射、利用酒精、殺菌劑等殺菌消毒，結(jié)果就是使細(xì)菌體內(nèi)的蛋白質(zhì)變性。菌種、生物制劑的失效，種子失去發(fā)芽能力等均與蛋白質(zhì)的變性有關(guān)。5.水解反應(yīng)

蛋白質(zhì)在酸、堿或酶的作用下可以發(fā)生水解作用，水解的實質(zhì)是肽鍵的斷裂。蛋白質(zhì)→蛋白月示→蛋白胨→多肽→二肽→α-氨基酸6.顏色反應(yīng)反應(yīng)名稱試劑現(xiàn)象反應(yīng)基團(tuán)使用范圍茚三酮反應(yīng)水合茚三酮試劑藍(lán)紫游離氨基氨基酸，蛋白質(zhì)，多肽二縮脲反應(yīng)稀堿，稀硫酸銅溶液粉紅～藍(lán)紫二個以上肽鍵多肽，蛋白質(zhì)黃蛋白反應(yīng)濃硝酸、加熱、稀NaOH黃～橙黃苯基含苯基結(jié)構(gòu)的多肽及蛋白質(zhì)米隆反應(yīng)米隆試劑*、加熱白～肉紅酚基

含酚基的多肽及蛋白質(zhì)乙醛酸反應(yīng)乙醛酸試劑、濃硫酸紫色環(huán)吲哚基含吲哚基多肽及蛋白質(zhì)

一、核酸的分類和組成（一）核酸的分類核酸按其組成不同分為核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）兩類。RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，控制生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成；DNA主要存在于細(xì)胞核的染色體中，線粒體和葉綠體中也有少量存在，它決定生物體的繁殖、遺傳及變異。除了病毒之外，動植物體中所有的細(xì)胞都同時含有這兩種核酸。（二）核酸的組成核酸（多核苷酸）↓核苷酸（單核苷酸）┌─────┴─────┐↓↓磷酸核苷┌─────┴─────┐↓↓含氮堿基戊糖

核酸由C、H、O、N、P等5種元素組成

W粗核酸（%）=Wp×10.5類別RNADNA戊糖β-D-核糖β-D-2-脫氧核糖含氮堿嘧啶堿尿嘧啶胞嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶嘌呤堿腺嘌呤鳥嘌呤腺嘌呤鳥嘌呤磷酸H3PO4H3PO4

RNA與DNA在化學(xué)組成上的異同（單）核苷酸——核酸的基本結(jié)構(gòu)單位1.核苷

腺嘌呤核苷（腺苷）胞嘧啶脫氧核苷（脫氧胞苷）123456789132456RNA中的核糖核苷DNA中的脫氧核糖核苷名稱縮寫名稱縮寫腺嘌呤核苷A（腺苷）腺嘌呤脫氧核苷dA（脫氧腺苷）鳥嘌呤核苷G（鳥苷）鳥嘌呤脫氧核苷dG（脫氧鳥苷）胞嘧啶核苷C（胞苷）胞嘧啶脫氧核苷dC（脫氧胞苷）尿嘧啶核苷U（尿苷）胸腺嘧啶脫氧核苷dT（脫氧胸苷）2．（單）核苷酸

5’-腺苷酸或腺苷-5’-磷酸5’-脫氧胞苷酸或脫氧胞苷-5’-磷酸3.多磷酸腺苷酸酸酐鍵稱之為“高能磷酸酐鍵”，常用“～”表示。ATP和ADP可視為生物的貯能倉庫，當(dāng)細(xì)胞中的糖氧化時，將釋放出的能量貯存在ATP的高能磷酸酐鍵中；ATP水解時，又釋放出能量為細(xì)胞進(jìn)行生物化學(xué)變化提供能量。托德（英國生物化學(xué)家）

托德首先發(fā)現(xiàn)并合成了核苷酸單體，證實其具有遺傳特性，他還發(fā)現(xiàn)了核苷酸輔酶的結(jié)構(gòu)。獲得1957年諾貝爾化學(xué)獎。他的研究為揭開生命起源之謎開辟了道路。安芬森（美國生物化學(xué)家）