第十七章-氨基酸、蛋白質(zhì)和核酸

有機(jī)化學(xué)鄭州大學(xué)化學(xué)系第十七章氨基酸、蛋白質(zhì)和核酸蛋白質(zhì)和核酸存在于所有的生物體中。生物體內(nèi)一切生命活動(dòng)過(guò)程幾乎都與蛋白質(zhì)有關(guān)。例如:體內(nèi)催化反應(yīng)中絕大多數(shù)重要化學(xué)反應(yīng)的酶，調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的某些激素，能使細(xì)菌和病毒失去致病作用的抗體，以及使動(dòng)植物致病的病毒等都是蛋白質(zhì)。核酸與生物體的生長(zhǎng)、繁衍、遺傳、變異和轉(zhuǎn)化等各過(guò)程有著十分密切的關(guān)系。氨基酸是組成蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)單位。蛋白質(zhì)的功能與其分子中氨基酸的組成、排列以及空間結(jié)構(gòu)有著十分密切的關(guān)系

第一節(jié)氨基酸氨基酸屬于取代羧酸，是羧酸分子中烴基中的氫被氨基取代的化合物。構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸都是α-氨基酸。一.氨基酸的結(jié)構(gòu)、分類和命名

1.氨基酸的結(jié)構(gòu)2.氨基酸的分類和命名

二.氨基酸的理化性質(zhì)組成蛋白質(zhì)分子的α-氨基酸都是無(wú)色晶體，熔點(diǎn)較高，一般在200～300℃之間，當(dāng)達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，往往會(huì)分解而放出二氧化碳。

大多數(shù)α-氨基酸能溶于水，但溶解度差別很大。它們能溶解于酸性和堿性溶液中，但是難溶于非極性的有機(jī)溶劑。

（一）氨基酸的兩性電離和等電點(diǎn)（二）氨基酸的脫羧反應(yīng)（三）氨基酸與亞硝酸反應(yīng)

（四）氨基酸的顯色反應(yīng)（五）氨基酸的脫水成肽反應(yīng)（六）氨基酸的氧化脫氨反應(yīng)第二節(jié)肽

一.多肽的結(jié)構(gòu)和命名

（二）肽鍵的結(jié)構(gòu)

第三節(jié)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)一類極為重要的功能大分子化合物，它與糖、脂、核酸等生物大分子共同構(gòu)成生命的物質(zhì)基礎(chǔ)。從最簡(jiǎn)單的病毒、細(xì)菌等微生物到高等動(dòng)物，一切生命過(guò)程和繁衍活動(dòng)都與蛋白質(zhì)密切相關(guān)，可以說(shuō)沒(méi)有蛋白質(zhì)就沒(méi)有生命。對(duì)蛋白質(zhì)等生物大分子的研究已成二十一世紀(jì)生命科學(xué)最重要的課題之一一.蛋白質(zhì)的元素組成和分類蛋白質(zhì)的分類單純蛋白質(zhì)的分類分類性質(zhì)示例白蛋白溶水、稀酸、稀堿及中性鹽中，能被飽和硫酸銨沉淀，加熱會(huì)凝固血清蛋白、乳清蛋白、卵清蛋白等球蛋白不溶水、溶稀酸、稀堿及中性鹽中，能被半飽和硫酸銨沉淀，加熱會(huì)凝固免疫球蛋白、血清球蛋白等谷蛋白不溶水、乙醇和中性鹽中，溶稀酸、稀堿米谷蛋白、麥谷蛋白等醇溶谷蛋白

不溶于水、無(wú)水乙醇和稀鹽溶液中，能溶于70%~80%乙醇玉米醇溶蛋白、麥醇溶蛋白等精蛋白易溶水和稀酸中，呈強(qiáng)堿性，加熱不凝固魚精蛋白組蛋白溶水和稀酸中，不溶稀氨水，加熱不凝固小牛胸腺組蛋白硬蛋白不溶水、稀酸、稀堿、中性鹽及有機(jī)溶劑角蛋白、膠原蛋白結(jié)合蛋白質(zhì)的分類分類輔基實(shí)例核蛋白核酸動(dòng)植物細(xì)胞核和細(xì)胞漿內(nèi)，如動(dòng)植物細(xì)胞中的染色質(zhì)蛋白、核蛋白色蛋白色素動(dòng)物血中的血紅蛋白、植物葉子中的葉綠蛋白和細(xì)胞色素等磷蛋白磷酸染色質(zhì)中磷蛋白、乳汁中的珞蛋白和卵黃中的卵黃蛋白糖蛋白糖類唾液中的糖蛋白、免疫球蛋白脂蛋白脂類血漿和各種生物膜的成分，如乳糜微粒、β-脂蛋白金屬蛋白金屬離子鐵蛋白、銅蛋白、激素、胰島素等二.蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的功能，不僅取決于多肽鏈的氨基酸組成、數(shù)目及排列順序，而且還與其空間結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。為了表示其不同層次的結(jié)構(gòu)，常將蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分為一級(jí)結(jié)構(gòu)、二級(jí)結(jié)構(gòu)、超二級(jí)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)域、三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)又稱為初級(jí)結(jié)構(gòu)，二級(jí)結(jié)構(gòu)以上屬于構(gòu)象范疇，稱為高級(jí)結(jié)構(gòu)。

（一）蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)維持蛋白質(zhì)構(gòu)象的次級(jí)鍵蛋白質(zhì)的構(gòu)象又叫空間結(jié)構(gòu)、高級(jí)結(jié)構(gòu)、立體結(jié)構(gòu)、三維結(jié)構(gòu)等，指的是蛋白質(zhì)分子中所有原子在三維空間中的排布，主要包括蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)、超二級(jí)結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)域、三級(jí)結(jié)構(gòu)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。維持蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的化學(xué)鍵有：氫鍵、鹽鍵、疏水鍵、VanderWaals力和二硫鍵。

蛋白質(zhì)分子中維持構(gòu)象的次級(jí)鍵a.氫鍵；

b.離子鍵；

c.疏水鍵；

d.二硫鍵（二）蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)（secondarystructure）是指多肽鏈的主鏈骨架中若干肽段在空間的伸展方式。各種蛋白質(zhì)的主鏈骨架均相同（-NH-Cα-CO-），但連接在Cα上的側(cè)鏈R基團(tuán)結(jié)構(gòu)和其性質(zhì)卻不同，它們與主鏈各原子間的相互影響使主鏈二面角φ和ψ不同，從而導(dǎo)致主鏈骨架在空間形成不同的主鏈構(gòu)象。二級(jí)結(jié)構(gòu)主要包括α-螺旋、β-折疊層、β-轉(zhuǎn)角和無(wú)規(guī)卷曲等幾種類型。維系主鏈構(gòu)象穩(wěn)定的最主要因素是主鏈的羰基和亞氨基之間所形成的氫鍵。α-螺旋(a)α-螺旋的結(jié)構(gòu)

(b)螺旋間隔

(c)側(cè)鏈伸向螺旋的外側(cè)

(d)α-螺旋的俯視圖β-折疊層是蛋白質(zhì)分子肽鏈幾乎完全伸展的結(jié)構(gòu)。它有兩條或兩條以上的多肽鏈之間依靠氫鍵維系而成。為了能在相鄰的多肽鏈之間形成最多的氫鍵，避免相鄰側(cè)鏈R基團(tuán)間的空間斥力，各條多肽鏈必須同時(shí)作一定程度的折疊，從而造成一個(gè)折疊片層，稱β-折疊層。β-折疊層β-折疊層有兩種類型：一種是平行結(jié)構(gòu)，肽鏈的排列從N-端到C-端為同一方向；另一種是反平行結(jié)構(gòu)，一條肽鏈從N-端到C-端，另一條則剛好相反。（三）蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)是指蛋白質(zhì)分子在二級(jí)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步卷曲、折疊而構(gòu)成的一種不規(guī)則的、特定的、更復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)。例如存在于哺乳動(dòng)物肌肉中的肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)如下圖所示。肌紅蛋白含有153個(gè)氨基酸殘基和一個(gè)血紅素輔基。肌紅蛋白整個(gè)分子是一條多肽盤繞成一個(gè)外圓中空的不對(duì)稱結(jié)構(gòu)，它的主鏈?zhǔn)怯砂藗€(gè)比較直的長(zhǎng)短不等肽段組成，最長(zhǎng)的螺旋含23個(gè)殘基，最短的含7個(gè)殘基，彼此在彎折處隔開(kāi)。分子中幾乎80％的氨基酸殘基都處于α-螺旋區(qū)內(nèi)、在拐彎處α-螺旋受到破壞而形成松散肽鏈。肌紅蛋白中含親水基團(tuán)側(cè)鏈的氨基酸殘基幾乎全部分布在分子的外部，疏水側(cè)鏈的氨基酸殘基幾乎被埋在分子內(nèi)部，使肌紅蛋白成為可溶性蛋白質(zhì)。

肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)胰島素的三級(jí)結(jié)構(gòu)示意圖（四）蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子的四級(jí)結(jié)構(gòu)是指由兩條或兩條以上具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈按一定方式通過(guò)鹽鍵、疏水作用力等次級(jí)鍵結(jié)合而成的聚合體。具有三級(jí)結(jié)構(gòu)的多肽鏈稱為亞基。如血紅蛋白是由二條α-鏈和二條β-鏈締合而成的，α-鏈含有141個(gè)氨基酸殘基，β-鏈含有146個(gè)氨基酸殘基，每一條鏈均與一個(gè)血紅素結(jié)合盤曲折疊為三級(jí)結(jié)構(gòu)，4個(gè)亞基通過(guò)側(cè)鏈間的次級(jí)鍵兩兩交叉緊密相嵌形成一個(gè)具有四級(jí)結(jié)構(gòu)的球狀血紅蛋白分子，見(jiàn)下圖血紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu)血紅蛋白的四級(jí)結(jié)構(gòu)三.蛋白質(zhì)的理化性質(zhì)

蛋白質(zhì)的性質(zhì)取決于蛋白質(zhì)的分子組成和結(jié)構(gòu)特征。不同類型的蛋白質(zhì)雖然都是由二十種左右的α-氨基酸組成，但分子中α-氨基酸的種類、數(shù)目、排列順序、肽鏈的長(zhǎng)短和折疊的方式、亞基的多少、非蛋白成分的結(jié)構(gòu)以及大分子的空間結(jié)構(gòu)等各不相同。因此，蛋白質(zhì)一方面具有某些與氨基酸相似之性質(zhì)，另外又具有一些高分子化合物的性質(zhì)。

（一）兩性電離和等電點(diǎn)

（二）蛋白質(zhì)的膠體性質(zhì)

（三）蛋白質(zhì)的沉淀（四）蛋白質(zhì)的變性（五）蛋白質(zhì)的顏色反應(yīng)

第四節(jié)核酸

核酸因發(fā)現(xiàn)于細(xì)胞核并有酸性而得名。核酸是一類具有非常重要的生物大分子化合物，存在于所有的生物體內(nèi)，儲(chǔ)存著生物體內(nèi)的遺傳信息，與生物的遺傳、繁衍、變異等過(guò)程有著密切的聯(lián)系。核酸根據(jù)其化學(xué)組成可以分為兩大類：一類是核糖的稱為核糖核酸（RNA）；另一類是含有脫氧核糖的稱為脫氧核糖核酸（DNA）。DNA主要存在于細(xì)胞核內(nèi)的染色體中，只有少量的存在于核外的線粒體中。DNA是生物遺傳的物質(zhì)基礎(chǔ)。RNA主要存在于細(xì)胞質(zhì)中，微粒體含量最多，線粒體含量較少。RNA參與體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成。第一節(jié)核酸的組成核酸是由幾十以至幾千萬(wàn)個(gè)單核苷酸組成的高分子化合物。核酸經(jīng)徹底水解可以得到磷酸、脫氧核糖或核糖、嘌呤堿和嘧啶堿。一.戊糖β-D-核糖β-D-2-脫氧核糖二.有機(jī)堿嘌呤腺嘌呤鳥嘌呤嘧啶胞嘧啶尿嘧啶胸腺嘧啶三.核苷核苷是由核糖和脫氧核糖的C-1‘位上的β-半縮醛羥基與嘌呤堿的9-位或嘧啶堿的1-位氮原子上的氫原子脫水縮合而成的氮苷。將糖的碳原子編號(hào)數(shù)字的左上角標(biāo)加一撇，以區(qū)別堿基的環(huán)上原子編號(hào)。

DNA中常見(jiàn)的脫氧核糖核酸腺嘌呤脫氧核苷（脫氧腺苷）鳥嘌呤脫氧核苷（脫氧鳥苷）胞嘧啶脫氧核苷（脫氧胞苷）胸腺嘧啶脫氧核苷（胸苷）RNA中常見(jiàn)的核苷腺嘌呤核苷（腺苷）鳥嘌呤核苷（鳥苷）胞嘧啶核苷（胞苷）尿嘧啶核苷（尿苷）四.核苷酸核苷酸是核苷中戊糖的5’-羥基與磷酸脫水而形成的核苷磷酸酯。核苷酸是核酸的基本組成單位。組成RNA的核苷酸有腺苷酸、尿苷酸。組成DNA的核苷酸有脫氧腺苷酸、脫氧鳥苷酸、脫氧胞苷酸和胸苷酸。腺苷酸脫氧胞苷酸三磷酸腺苷ATP是細(xì)胞產(chǎn)能反應(yīng)和供能反應(yīng)的主要化學(xué)聯(lián)系物，在生物體的代謝中，能量的釋放、貯存和利用等都是以ATP為中性。同時(shí)它還參與許多重要的生化反應(yīng)。單核苷酸除組成核酸外，還以游離的狀態(tài)或衍生物的形式存在于生物體內(nèi)。如腺苷一磷酸（AMP）、腺苷二磷酸（ADP）、腺苷三磷酸（ATP）第三節(jié)核酸的結(jié)構(gòu)

一.核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)核酸分子中各種核苷酸排列的順序是核酸的一級(jí)結(jié)構(gòu)，又稱為核苷酸序列。由于核苷酸間的差別主要是堿基不同，所以又稱堿基順序。在核酸是核苷酸通過(guò)3’，5’-磷酸二酯鍵連接的大分子化合物。二.DNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)

與蛋白質(zhì)一樣，核酸也具有特殊的空間結(jié)構(gòu)。經(jīng)X-射線衍射分析，DNA分子是由二條方向相反的平行核苷酸鏈組成（一條鏈為3＇→5＇，另一條為5＇→3＇走向），圍繞著一中心軸形成一個(gè)右手雙螺旋結(jié)構(gòu)，螺旋的直徑為2000pm。兩條鏈上的堿基位于鏈的內(nèi)側(cè)，磷酸和脫氧核糖在雙螺旋的外側(cè)，彼此通過(guò)3’，5’磷酸二酯鍵結(jié)合，形成DNA骨架。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)只有通過(guò)堿基配對(duì)才能形成。堿基之間必須遵循一定的規(guī)律：一條鏈上的嘌呤堿必須與另一條鏈上的嘧啶堿相配，腺嘌呤（A）通過(guò)形成兩條氫鍵與胸腺嘧啶（T）相配；鳥嘌呤（G）經(jīng)三條氫鍵與胞嘧啶（C）相配。該規(guī)律稱為堿基互補(bǔ)規(guī)則。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)示意圖三.RNA的二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)RNA的研究表明，RNA分子要比DNA分子小得多，大多數(shù)天然的RNA分子是