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1、Organic Chemistry Xumiaoqing,第十八章 氨基酸、多肽、蛋白质和核酸,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,蛋白质存在于所有的生物细胞中，是构成生物体最基本的结构物质和功能物质。蛋白质是生命活动的物质基础，它参与了几乎所有的生命活动过程。,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,早在1878年，思格斯就在反杜林论中指出：“生命是蛋白体的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更新。”可以
2、看出，第一，蛋白体是生命的物质基础；第二，生命是物质运动的特殊形式，是蛋白体的存在方式；第三，这种存在方式的本质就是蛋白体与其外部自然界不断的新陈代谢。现代生物化学的实践完全证实并发展了恩格斯的论断。氨基酸是构成蛋白质的基石。,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,木瓜蛋白酶（组织蛋白酶）,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.1氨基酸,18.1.1氨基酸的结构、分类与命名 按氨基与羧基的相对位置：氨基酸、氨基酸、氨基酸等。按烃基结构
3、：链状氨基酸、芳香氨基酸、杂环氨基酸等。,氨基酸,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,用酸或酶使蛋白质水解得到的氨基酸，除甘氨酸外都是旋光性的，并且都属于L-型，它们与L-甘油醛之间的系为：,20种氨基酸其名称和缩写见P458表18.1,L-氨基酸 L-脯氨酸 L-甘油醛,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,氨基酸密码,O
4、rganic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,几种重要的不常见氨基酸,在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸，通常称为不常见蛋白质氨基酸。这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的。其中重要的有4-羟基脯氨酸、5-羟基赖氨酸、N-甲基赖氨酸、和3,5-二碘酪氨酸等。这些不常见蛋白质氨基酸的结构如下。,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.1.2-氨基酸的物理性质见P459-460,甘氨酸：NH2CH2COOH,无手性，其它19种天然氨基酸都有手
5、性，且大多是L型。,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.1.3-氨基酸的酸碱性,氨基酸在结晶形态或在水溶液中，并不是以游离的羧基或氨基形式存在，而是离解成两性离子。在两性离子中，氨基是以质子化(-NH3+)形式存在，羧基是以离解状态(-COO-)存在。在不同的pH条件下，两性离子的状态也随之发生变化。,PH 1 7 10净电荷+1 0-1 正离子 两性离子 负离子 等电点PI,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,氨基酸的等电点,当
6、溶液浓度为某一pH值时，氨基酸分子中所含的-NH3+和-COO-数目正好相等，净电荷为0。这一pH值即为氨基酸的等电点，简称pI。在等电点时，氨基酸既不向正极也不向负极移动，即氨基酸处于两性离子状态。侧链不含离解基团的中性氨基酸，其等电点是它的pK1和pK2的算术平均值：pI=(pK1+pK2)/2 同样，对于侧链含有可解离基团的氨基酸，其pI值也决定于两性离子两边的pK值的算术平均值。酸性氨基酸：pI=(pK1+pKR-COO-)/2 硷性氨基酸：pI=(pK2+pKR-NH2)/2,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoq
7、ing,见P461-462图18.1和表18.2,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.1.4-氨基酸的反应,18.1.4.1 酯化,18.1.4.2 酰化,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.1.4.3 氧化脱氨(与茚三酮反应),除脯氨酸外的氨基酸，都能与茚三酮的碱性溶液作用，生成蓝色或者紫红色物质。是鉴定氨基酸的灵敏方法。,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xum
8、iaoqing,紫色,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.1.5-氨基酸的合成,18.1.5.1-卤代酸的氨化,25,Gabriel合成法,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.1.5.2 N-取代氨基丙二酸酯的烃化,乙酰氨基丙二酸酯,异亮氨酸,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,由丙二酸酯合成,Organic Chemistry Xumiaoqi
9、ng,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.1.5.3 斯特雷克尔(strecker)合成,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.1.6-氨基酸的拆开,18.1.6.1 结晶法,DL-丙氨酸 N-苯甲酰基-DL-丙氨酸N-苯甲酰基-L-丙氨酸 的马钱子碱盐晶体N-苯甲酰基-L-丙氨酸 L-丙氨酸,马钱子碱,H+3O,(2)H+3O,(1)OH-,H2O,L-丙氨酸,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.
10、1.6.2 酶化见P465,18.1.7-氨基酸的用途和工业生产,见P465,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.2 多肽,18.2.1 肽的结构和性质,结构:,一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基之间失水形成的酰胺键称为肽键，所形成的化合物称为肽。,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,由两个氨基酸组成的肽称为二肽，由多个氨基酸组成的肽则称为多肽。组成多肽的氨基酸单元称为氨基酸残基。,Organic Chemistry Xumia
11、oqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为氨基酸顺序通常在多肽链的一端含有一个游离的-氨基，称为氨基端或N-端；在另一端含有一个游离的-羧基，称为羧基端或C-端。氨基酸的顺序是从N-端的氨基酸残基开始，以C-端氨基酸残基为终点的排列顺序。如上述五肽可表示为：Ser-Val-Tyr-Asp-Gln,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.2.2 多肽和蛋白质的结构测定,蛋白质氨基酸顺序的测定是蛋白质化学研究的基础。自从1953年F.
12、Sanger测定了胰岛素的一级结构以来，现在已经有上千种不同蛋白质的一级结构被测定。,蛋白质一级结构的测定,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,测定蛋白质的一级结构的要求,1，样品必需纯（97%以上）；2，知道蛋白质的分子量；3，知道蛋白质由几个亚基组成；4，测定蛋白质的氨基酸组成；并根据分子量计算每种氨基酸的个数。5，测定水解液中的氨量，计算酰胺的含量。,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.2.2.1 氨基酸分析,测定步骤,(1
13、)，多肽链的拆分。由多条多肽链组成的蛋白质分子，必须先进行拆分。,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,(2)，测定蛋白质分子中多肽链的数目。通过测定末端氨基酸残基的摩尔数与蛋白质分子量之间的关系，即可确定多肽链的数目。,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,(3)，二硫键的断裂几条多肽链通过二硫键交联在一起。可在可用8mol/L尿素或6mol/L盐酸胍存在下，用过量的-巯基乙醇处理，使二硫键还原为巯基，然后用烷基化试剂保护生成的巯基，以防
14、止它重新被氧化。,反应式见P468,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.2.2.2 N-端氨基酸的测定,Sanger法。2,4-二硝基氟苯在碱性条件下，能够与肽链N-端的游离氨基作用，生成二硝基苯衍生物（DNP）。在酸性条件下水解，得到黄色DNP-氨基酸。该产物能够用乙醚抽提分离。不同的DNP-氨基酸可以用色谱法进行鉴定。,末端基氨基酸测定,二硝基氟苯（DNFB）法,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,在碱性条件下，丹磺酰氯（二甲
15、氨基萘磺酰氯）可以与N-端氨基酸的游离氨基作用，得到丹磺酰-氨基酸。此法的优点是丹磺酰-氨基酸有很强的荧光性质，检测灵敏度可以达到110-9mol。,末端基氨基酸测定,丹磺酰氯法,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.2.2.3 Edman 降解,Edman氨基酸顺序分析法,Edman（苯异硫氰酸酯法）氨基酸顺序分析法实际上也是一种N-端分析法。此法的特点是能够不断重复循环，将肽链N-端氨基酸残基逐一进行标记和解离。,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry
16、Xumiaoqing,18.2.2.4 C-端氨基酸的测定,羧肽酶是一种肽链外切酶，它能从多肽链的C-端逐个的水解。根基不同的反应时间测出酶水解所释放出的氨基酸种类和数量，从而知道蛋白质的C-末端残基顺序。目前常用的羧肽酶有四种：A,B,C和Y；A和B来自胰脏；C来自柑桔叶；Y来自面包酵母。羧肽酶A能水解除Pro,Arg和Lys以外的所有C-末端氨基酸残基；B只能水解Arg和Lys为C-末端残基的肽键。,羧肽酶法,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.2.2.5 多肽的选择水解,Sanger及其他工作者花了约1
17、0年时间于己于1953年首先测定出牛胰岛素的氨基酸顺序,于己于1958年获得诺贝尔化学奖.,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.2.3 多肽和蛋白质的合成,天冬氨酸+苯丙氨酸 天冬-天冬+苯丙-苯丙+天冬-苯丙+苯丙-天冬,-H2O,所以要进行保护某官能团.,18.2.3.1 氨基的保护,N-苄氧羰基氨基酸,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,苯丙氨酰甘氨酸乙酯 100%,Organic Chemistry Xumiaoqing,
18、Organic Chemistry Xumiaoqing,18.2.3.2 羧基的保护,羧基的保护方法是转变为酯.,18.2.3.3 肽键的生成,N,N,-二环己基碳二亚胺(DCCI或DCC),Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,1965年我国化学家首先合成了具有生理活性的结晶牛胰岛素.1971年又完成了猪胰岛素晶体结构的测定,牛胰岛素和猪胰岛素都是51肽.,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.2.3.4 多肽的固相合成,见P47
19、4-475,1984年Merrifield获得诺贝尔化学奖,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.2.4 多肽和蛋白质的二级结构,蛋白质的二级(Secondary)结构是指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。主要有-螺旋、-折叠、-转角。,1蛋白质的二级结构,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,（1）-螺旋-helix,在-螺旋中肽平面的键长和键角一定；肽键的原子排列呈
20、反式构型；相邻的肽平面构成两面角；,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm,含20.6个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离为0.15nm;肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺基团的-CO基与第四个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键。蛋白质分子为右手-螺旋。,（1）-螺旋,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,-螺旋,Org
21、anic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,（2）-折叠,-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿桩折叠构象在-折叠中，-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心距为0.35nm；,-pleated sheet,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与链内氢
22、键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。-折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。,（2）-折叠,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,（3）-转角-turn,在-转角部分，由四个氨基酸残基组成;弯曲处的第一个氨基酸残基的-C=O 和第四个残基的 N-H 之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。这类结构主要存在于球状蛋白分子中。,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.2.5多
23、肽和蛋白质的三级结构,蛋白质的三级结构(Tertiary Structure)是指在二级结构基础上，肽链的不同区段的侧链基团相互作用在空间进一步盘绕、折叠形成的包括主链和侧链构象在内的特征三维结构。维系这种特定结构的力主要有氢键、疏水键、离子键和范德华力等。尤其是疏水键，在蛋白质三级结构中起着重要作用。,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.2.6 蛋白质的四级结构,蛋白质的四级结构(Quater
24、nary Structure)是指由多条各自具有一、二、三级结构的肽链通过非共价键连接起来的结构形式；各个亚基在这些蛋白质中的空间排列方式及亚基之间的相互作用关系。这种蛋白质分子中，最小的单位通常称为亚基或亚单位Subunit，它一般由一条肽链构成，无生理活性；维持亚基之间的作用力主要是疏水力。由多个亚基聚集而成的蛋白质常常称为寡聚蛋白；,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,四级结构的结构模型,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,两个亚
25、基的结构,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.2.7 蛋白质的性质,蛋白质与多肽一样，能够发生两性离解，也有等电点。在等电点时(Isoelectric point pI)，蛋白质的溶解度最小，在电场中不移动。在不同的pH环境下，蛋白质的电学性质不同。在等电点偏酸性溶液中，蛋白质粒子带负正荷，在电场中向负极移动；在等电点偏碱性溶液中，蛋白质粒子带负电荷，在电场中向正极移动。这种现象称为蛋白质电泳(Electrophoresis)。,（1）蛋白质的两性离解和电泳现象,Organic Chemistry Xumia
26、oqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,电泳,蛋白质在等电点pH条件下，不发生电泳现象。利用蛋白质的电泳现象，可以将蛋白质进行分离纯化。,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,由于蛋白质的分子量很大，它在水中能够形成胶体溶液。蛋白质溶液具有胶体溶液的典型性质，如丁达尔现象、布郎运动等。由于胶体溶液中的蛋白质不能通过半透膜，因此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除去。,（2）蛋白质的胶体性质,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xu
27、miaoqing,蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量大小、所带的电荷和水化作用有关。改变溶液的条件，将影响蛋白质的溶解性质在适当的条件下，蛋白质能够从溶液中沉淀出来。,（3）蛋白质的沉淀作用,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,在温和条件下，通过改变溶液的pH或电荷状况，使蛋白质从胶体溶液中沉淀分离。在沉淀过程中，结构和性质都没有发生变化，在适当的条件下，可以重新溶解形成溶液，所以这种沉淀又称为非变性沉淀。可逆沉淀是分离和纯化蛋白质的基本方法，如等电点沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法等。,（3）蛋白质的沉淀作用,可逆
28、沉淀,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,在强烈沉淀条件下，不仅破坏了蛋白质胶体溶液的稳定性，而且也破坏了蛋白质的结构和性质，产生的蛋白质沉淀不可能再重新溶解于水。由于沉淀过程发生了蛋白质的结构和性质的变化，所以又称为变性沉淀。如加热沉淀、强酸碱沉淀、重金属盐沉淀和生物碱沉淀等都属于不可逆沉淀。,（3）蛋白质的沉淀作用,不可逆沉淀,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,蛋白质的变性,变性蛋白质通常都是固体状态物质，不溶于水和其它溶剂，也不
29、可能恢复原有蛋白质所具有的性质。所以，蛋白质的变性通常都伴随着不可逆沉淀。引起变性的主要因素是热、紫外光、激烈的搅拌以及强酸和强碱等。,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,蛋白质的性质与它们的结构密切相关。某些物理或化学因素，能够破坏蛋白质的结构状态，引起蛋白质理化性质改变并导致其生理活性丧失。这种现象称为蛋白质的变性(denaturation)。,（4）蛋白质的变性,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,大部分蛋白质均含有带芳香环的苯丙
30、氨酸、酪氨酸和色氨酸。这三种氨基酸的在280nm 附近有最大吸收。因此，大多数蛋白质在280nm 附近显示强的吸收。利用这个性质，可以对蛋白质进行定性鉴定。,（5）蛋白质的紫外吸收,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.2.8 酶(见P478),18.3 核 酸,核酸是存于细胞核中的生物高分子,对遗传信息的储存和蛋白质的合成起决定性的作用.,核酸-是由核苷酸聚合而成的大分子.核苷酸-是由一个杂环的碱基和一个核糖或脱氧核糖结合 形成 核苷.核苷-是通过核糖中的羟基与磷酸形成磷酸酯.,Organic Chemist
31、ry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.3.1 核酸的结构,核酸分为核糖核酸(RNA)和去氧核糖核酸(DNA)两类.,RNA中的糖为核糖,DNA中的糖为2-脱氧核糖,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,核酸中的碱为嘧啶和嘌呤衍生物:,胞嘧啶(C)(RNA,DNA),尿嘧啶(U)(RNA),胸腺嘧啶(T)(DNA),腺嘌呤(A)(RNA,DNA),鸟,鸟嘌呤(G)(RNA,DNA),Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemi
32、stry Xumiaoqing,DNA,X=H,R=CH2,RNA,X=OH,R=H,核酸,核苷,核苷酸,核苷酸,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,18.3.2 脱氧核糖核酸(DNA),DNA双螺旋模型,DNA具有按照自己的结构精确复制的功能.,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,新的双螺旋,原有的链,新合成的链,新合成的链,原有的链,图 2.8 DNA的复制,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic
33、Chemistry Xumiaoqing,18.3.3 核糖核酸(RNA),蛋白质是在细胞质中由RNA合成的.,蛋白质合成的第一步是在细胞核中合成信息核糖核酸(mRNA)信息核糖核酸就是DNA的副本.在细胞核里合成mRNA与DNA链分开后,转移到细胞质中,与核糖体中的核糖体核糖核酸(rRNA)结合.转移核糖核酸(tRNA)约含70-90个核苷酸单位,它的分子量比mRNA和rRNA小得多,它的作用是把特定的氨基酸带到mRNA上特定的位置上去,每一种氨基酸至少有一个特定的tRNA.,见P685 图22.9,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry
34、 Xumiaoqing,18.3.4 蛋白质的生物合成,蛋白质的合成可见图22.10中的示意图表示.,在合成蛋白质的过程中,实际上是好几个核糖体和mRNA结合在一起,它们先后沿着同一mRNA链移动,各自合成出一条完整的多肽链.也就是说,核糖体在mRNA链经过就“纺”出一条多肽来.rRNA和 tRNA也是从DNA上某一段转录下来的,只不过rRNA和 tRNA不能转移成相应的蛋白质分子.父母把DNA传给子女,有了一定结构的DNA,便产生一定结构的蛋白质,由一定结构的蛋白质带来一定的形态结构和生理特性.,Organic Chemistry Xumiaoqing,Organic Chemistry Xumiaoqing,作 业P458问题18.2P463问题18.3P464问题18.4P464问题18.5,Organic Chemistry Xumiaoqing,
