氨基酸、蛋白质和核酸.ppt

第二十一章氨基酸、蛋白质和核酸,本章讲授提要,第一节氨基酸第二节多肽第三节蛋白质第四节酶第五节核酸,核酸是决定生命遗传的物质，在生物体的生长、繁殖、遗传、变异和转化等生命过程中，核酸都起着决定性的作用。核酸中储存的遗传信息，使得龙生龙、凤生凤，保持了自然界里物种的延续性和稳定性。,核酸是生命体的遗传物质，蛋白质则是生命体用以表达各项功能的具体工具。它在生物体内起着极其复杂和重要的生理功能。,如：负责对机体的支撑、连接、保护，负责肌肉的收缩、肠胃的蠕动，在呼吸运动中输入氧气输出二氧化碳；在生命体的新陈代谢过程中，其催化作用的酶、起调节作用的激素、对机体起免疫作用的抗原也是蛋白质在高等动物的思维和记忆活动中，其作用的还是蛋白质。总之，蛋白质是生命过程和生命现象中的全功能分子。,蛋白质结构复杂、种类繁多。据估计自然界里存在的蛋白质约有：10101012种,可见氨基酸是组成蛋白质的基石。,第一节氨基酸,一、氨基酸的结构、分类与命名,目前在自然界发现的氨基酸（天然氨酸）有一百多种，但组成蛋白质氨基酸的仅有二十几种。天然氨酸具有的特点如下：1、绝大多数是氨基酸。2、除甘氨酸外都具有旋光性。3、绝大多数为L构型。,L甘油醛L丙氨酸,D苏阿糖L苏氨酸,分类：1、根据氨基和羧基的相对位置，可分为、或氨基酸。组成蛋白质的几乎都是氨基酸（在黄芪中曾发现氨基丁酸，其具有降血压的作用）。,氨基数目=羧基数目：中性氨基酸,羧基数目氨基数目：酸性氨基酸,氨基数目羧基数目：碱性氨基酸,2、根据氨基与羧基的数目可分为：,缬氨酸,亮氨酸,异亮氨酸,苯丙氨酸,苏氨酸,蛋氨酸,人体所必须的八种氨基酸（人体不能自行合成，只能从食物中摄入）,赖氨酸,色氨酸,命名：使用由来源和性质所产生的俗名。如：甘氨酸：微具甜味丝氨酸：最初来源于蚕丝天门冬氨酸：最初来源于天门冬的幼苗,二、氨基酸的性质,1、氨基酸的物理性质与光谱性质、氨基酸都是无色结晶，大部分在水中有一定的溶解度，且具有鲜美的味道；酸性氨基酸在水中的溶解度较差；、氨基酸分子无稳定的熔点，200度以下时稳定，200度以上时则发生分解。,IR:1600cm-1有吸收（为-COO-的红外吸收，无羧基在1720cm-1的典型吸收）3100-2600cm-1有吸收（为-NH3+的红外吸收无-NH2在3500-3000cm-1的典型吸收),2、氨基酸的两性与等电点（pI),从氨基酸的物理性质与光谱性质可看出：氨基酸具有内盐的结构，即为两性离子：,氨基酸为两性化合物与强酸或强碱都可成盐。,调节氨基酸水溶液的pH值，使得氨基酸分子所带的正负电荷的数目相等，此时，氨基酸水溶液的pH值就叫做该氨基酸的等电点。,负离子两性偶极离子正离子（碱性）（等电点时）（酸性）,在等电点时：1、氨基酸分子所带的正负离子的数目相等，以两性离子的形式存在。2、通入电流氨基酸分子既不向正极也不向负极移动3、等电点时氨基酸的溶解度最小。,中性氨基酸的等电点：pH=6.26.8,酸性氨基酸的等电点：pH=2.83.2,碱性氨基酸的等电点：pH=7.610.8,调节酸性氨基酸的等电点时须加酸；调节碱性氨基酸的等电点时须加碱；由于羧基的离子化程度大于氨基，调节中性氨基酸的等电点时也须加酸。,3、氨基酸的反应,氨基酸分子既有氨基，又有羧基，它能够进行普通氨基、羧基所进行的反应。如：,-NH2：与酸成盐、与亚硝酸反应、与甲醛反应、酰基化反应、烃基化反应。-COOH:与碱成盐、成酰氯、成酯、成酰胺反应还原及脱羧反应,在此仅介绍几个在蛋白质化学中，有着重要意义的反应。,、与HNO2反应范.斯莱克氨基测定法,、与甲醛反应羧基的测定法,将有干扰的氨基掩蔽后，可对羧基进行滴定。,、与2,4二硝基氟苯反应氮端标记（1945年英Sanger首创）,、成酯反应羧基的保护,、与苄氧甲酰氯反应氨基的保护,、氨基酸的热分解,该反应与羟基酸的反应类似。,4、与水合茚三酮的显色,茚茚三酮水合茚三酮,凡是有游离氨基的氨基酸都可以和茚三酮发生显色反应。脯氨酸和羟脯氨酸则显黄色。,藍紫色,二、氨基酸的制备,1.卤代酸的氨解,2.斯垂克（Strecker)合成氰胺的水解,用来合成比原料醛多一个碳的氨基酸。可用NH4CN或NH4Cl+KCN代替HCN+NH3,3、盖布瑞尔合成法,应用盖布瑞尔合成法可以制备很纯的氨基酸,4、盖布瑞尔丙二酸酯合成法,连接不同的烃基，可以合成不同的氨基酸：,第二节多肽,一分子氨基酸的羧基，与另一分子氨基酸的氨基之间通过失水反应，生成的化合物称为肽，肽分子中的酰氨键叫做肽键。二分子氨基酸失水形成的肽叫二肽，多个分子氨基酸失水形成的肽叫多肽。,一、多肽的结构与命名,谷-胱-甘肽（一种辅酶，生物还原剂）,将游离NH2写在左边称为N端,将游离COOH写在右边称为C端,肽链的几何形状,二、多肽结构的测定,一）、完全水解法：可确定组成多肽链的氨基酸的种类、数目，但不能确定连接顺序。,二肽：连接方式2种三肽6种四肽24种六肽720种,H+水解105oC,pH=8-9室温,黄色,1、2,4二硝基氟苯法N端标记（英Sanger1945年首创）,二）、端基分析法：,2、多肽的肼解C端标记,当蛋白质（或多肽）与无水肼在100反应5-10h后，除C端氨基酸外，所有氨基酸的残基都转变成相应的氨基酸的酰肼，只有C端的氨基酸以游离的形式放出。,NH2-NH2100oC5-10h,酰肼酰肼羧酸,3、异硫氰酸苯酯法（Edman降解）N端测定,4、羧基多肽酶法C端测定,三）、部分水解法：,思路：多肽链水解后得到的残片总是具有重叠的部分。如：,甘丙谷,水解,甘丙+谷,甘+丙谷,+,四）、利用部分水解法测定催产素的结构,催产素：脑垂体后叶分泌的一种激素。临产时，促使子宫收缩，刺激乳腺分泌乳汁。从牛、猪、鸡体内也取得了相同的物质。它同样可刺激鸡多生蛋和牛多产奶。,催产素1958年由北大师生将其合成。,催产素结构的确定：,N端半胱氨酸C端甘氨酸1、DNP半胱酪2、DNP门冬半胱3、DNP异亮谷4、DNP亮甘5、DNP半胱亮，脯6、DNP酪谷，异亮,注：1、表示方括号内的氨基酸位次定。2、DNP：2,4二硝基苯基,1、DNP半胱酪,6、DNP酪谷，异亮,3、DNP异亮谷,半胱酪异亮谷,2、DNP门冬半胱,5、DNP半胱亮，脯,4、DNP亮甘,门冬半胱脯亮甘,1、半胱酪异亮谷,2、门冬半胱脯亮甘,半胱氨酸胱氨酸,催产素分子中含的是胱氨酸，胱氨酸有如下反应：,胱氨酸中的二硫键可将分子连成环状，也可能是链状。用还原法将催产素分子中的二硫键打断后得到的产物其分子量与催产素相差不大，因而说明催产素是个环状结构，其连接方式如下：,三、多肽的合成,不采取基团保护措施的合成：,多肽合成的基本要求：,1、为保证氨基酸在肽链中的严格的顺序，要采取严格的基团保护措施。,2、为保证合成的产物具有生理活性，就必须使合成的肽链具有特定的空间结构，为保证合成的肽链能够具有特定的空间结构，就必须保证每一步合成产物的旋光性。为此，为防止消旋化的发生，反应就必须在温和的条件下进行。,要有严格的顺序，要有特定的精细的空间结构。,保护氨基,保护羧基,活化羧基、连接、脱保护基,四、人工合成牛胰岛素简介：,胰岛素是一种激素蛋白，缺少时可得糖尿病和神经性食欲不振。它由16种51个氨基酸所组成。分子量5734在血液中与M+结合后分子量可达12000。,其结构由英国Cambrige大学的生物化学家Sanger用了近十年的时间测定出来（19451953）,Sanger：1958年因“胰岛素结构的测定”获诺贝尔化学奖。1980年又因“测定核酸中的碱基顺序方面所作的贡献”第二次获得诺贝尔化学奖。,牛胰岛素,1、拆合。2、分别合成A链和B链。2、半合成：天然A+人工B，人工A+天然B。3、全合成：人工A+人工B。,生命的起源必然是通过化学的途径实现的。如果化学有一天能够用人工的方法制造蛋白质，那么这样的蛋白质就一定会显示出生命现象，即使这种生命现象还很微弱。恩格斯,要求化学今天或明天做出自然界本身在个别天体上的非常适宜的环境中经过千百万年才做成功的事情，这就等于要它制造奇迹了。恩格斯,我国科学家在探索生命奥密方面所作的主要工作,1958：北大师生合成了后叶催产素。,1971：用X_光衍射法测定了猪胰岛素的空间结构.,1979年12月27日：用人工的方法合成了具有41个核苷酸组成的酵母丙氨酸转移核糖核酸半分子.,1965：合成了牛的胰岛素结晶。,第三节蛋白质,一、蛋白质的分类,1、根据化学组成可分为：,单纯蛋白：只有氨基酸结构单位组成的蛋白质。如：球蛋白、谷蛋白等。,结合蛋白：由单纯蛋白与非蛋白结合而成。如脂蛋白、糖蛋白、核蛋白、血红蛋白、磷蛋白、色蛋白等。,纤维蛋白：形状细长排列成纤维状，不溶于水。主要对机体起支撑、连接、保护作用和负责机体的机械运动。,纤维蛋白,角蛋白：皮肤的表皮、角、毛、鳞、发、蹄、羽、指甲、丝等。,胶原蛋白：以胶原纤维的形式存在。是肌肉的主要组成部分。约占体内蛋白总量的1/3。,2、根据蛋白质分子的形状和生理功能可分为：,在新陈代谢过程中起催化作用的酶、起调节作用的激素、对机体起免疫作用的抗体、运送氧气和二氧化碳的血红蛋白、胰岛素、蛋清蛋白等都是球蛋白。,球蛋白：分子折叠、卷曲成球状或椭球状，一般能溶于水。在生物体内表现出各不同的动态功能。如：,二、蛋白质的结构,一级结构：氨基酸借助于肽键连接成的多肽链（也就是多肽链中氨基酸的组成和连接顺序。是属于构造的范畴）。,二级结构：多肽链借助于氢键在空间沿着一个方向呈规律性的排列和无规卷曲排列。,它实际上是指一条多肽链在空间的局部构象。规律性的排列是指螺旋结构和折迭体结构。,多肽链的局部构象,a:螺旋体b:折迭体c:无规卷曲,蛋白质的螺旋结构,螺旋的一圈是3.6个氨基酸结构单位，第一个氨基酸残基N上的H与第四个氨基酸残基上的羰基形成氢键。两螺旋间的距离是0.54nm,1,4,2,3,螺旋结构L.Pauling和E.J.Corey于1952年提出。,折迭体结构,折叠体的概念也是由P.L.Pauling及其合作者提出来的。,1、多肽链中的肽键平面通过碳原子相互折叠成1100的角，使肽链呈锯齿形结构。,2、相邻肽链之间依靠C=O和H2N所形成的链间氢键维持着折叠体构象的稳定性。,折迭体结构,C-端,N-端,蛋白质的三级结构：,指一条多肽链借助于各种副键在空间总的折叠、卷曲、盘旋的形状。,它实际上是指一条多肽链或蛋白质的亚基在空间的总体构象。,蛋白质分子中的结合力：主键：肽键副键：氢键、盐键、二硫键、疏水键范德华力,蛋白质的三级结构,a:螺旋体b:折迭体c:无规卷曲,肌红蛋白的三级结构,+,+,-,维持肽链构象的作用力蛋白质化学中的各种副键,-,a:氢键b:盐键c:二硫键d:疏水键e:范德华力,a,b,b,c,d,d,e,e,二硫键盐键氢键疏水键,形成蛋白质三级结构的作用力,蛋白质的四级结构：,当蛋白质分子由两条或两条以上肽链组成时，每条肽链叫做蛋白质的亚基。蛋白质亚基之间相互作用所形成的特定的空间结构叫做蛋白质的四级结构。,也就是指整个蛋白质分子在空间的构象。只有一条多肽链的蛋白质分子无四级结构。只有多于一条多肽链的蛋白质分子才有四级结构。单独的亚基不具有生理活性，只有亚基相互结合构成的四级结构才有生理活性。,血红蛋白的四级结构：由两条-链和两条-链组成。每条肽链都卷曲成球状，都有一个空穴容纳一个血红素分子，相互之间又进行作用形成球状的血红蛋白分子。,三、蛋白质的性质,1、蛋白质的两性与等电点,蛋白质分子的链端有游离的NH2和游离的COOH，肽链中碱性氨基酸的残基上连接有NH2，酸性氨基酸的残基上连接有COOH，因此它与氨基酸一样，也具有两性离解和等电点的性质。,蛋白质分子在酸性条件下以正离子的形式存在；在碱性条件下以负离子的形式存在；在等电点时分子所带的正、负电荷的数目相等，以两性偶极离子的形式存在。,2、蛋白质的胶体性质,蛋白质分子的直径：1100nm（胶体溶液）故具有：丁达尔效应，不能透过半透膜。,3、蛋白质的水化与沉淀,维持蛋白质溶液稳定性的两个主要因素：、蛋白质分子表面的水化膜。蛋白质分子将疏水基包在内部，亲水基在外部与水结合形成水化膜。使蛋白质分子稳定地存在溶液之中。,、蛋白质分子所带的电荷。蛋白质分子在碱性条件下以负离子的形式存在，酸性条件下以正离子的形式存在。蛋白质分子带同种电荷相互排斥而稳定地存在溶液之中。,、盐析：向蛋白质溶液中加入高浓度的中性盐如:(NH4)2SO4Na2SO4NaClMgSO4,、加入极性较强、与水的亲和力较大的有机溶剂如：甲醇、乙醇、丙酮等破坏蛋白质的水化膜。,若使蛋白质分子发生沉淀：、破坏其水化膜；、中和其所带电荷。,（一）、加脱水剂除去蛋白质的水化膜,、在碱性溶液中（pHpI)蛋白质分子以负离子的形式存在，加入重金属盐Ag+、Hg2+、Cu2+、Pb2+可使其发生沉淀：,（二）、中和电荷,、在酸性溶液中（pHpI)蛋白质分子以正离子的形式存在，加入某些生物碱试剂（用X-表示）如：苦味酸、鞣酸、磷钨酸等，可使其发生沉淀：,天然蛋白质非分解性变更而引起理化性质的改变、生理活性的丧失叫蛋白质的变性。,4、蛋白质的变性,变性后的蛋白质溶解度降低、粘度增大、结晶性能丧失、对水解酶的抵御能力降低。,非分解性变更是指：一级结构肽键没发生断裂但空间结构遭到了破坏。多肽链在空间规则有序的结构转变为杂乱无序的结构。,5、蛋白质的颜色反应,反应名称试剂颜色作用基团,缩二脲反应稀CuSO4/强碱紫或红紫肽键,茚三酮反应茚三酮溶液蓝紫色氨基,黄蛋白反应浓硝酸深黄色芳环,Millon反应硝酸汞红色酚羟基（酪氨酸）,第四节酶,酶是生物体内自行合成的，具有催化作用的活性蛋白质。,辅酶：与酶蛋白松弛地结合的辅助因子称为辅酶。辅基：与酶蛋白紧密地结合的辅助因子称为辅基。,生物体内的化学反应达到了能量消耗最低，原料利用率最高的理想境界，原因是生物体内所有的化学反应都是由酶催化的。酶作为生物催化剂，有下列几个特点：,1、催化效率高酶的催化效率比一般的化学催化剂高1081010倍。如：一分子过氧化氢酶在一分钟内可以使500万个过氧化氢分子分解，,2、条件温和酶的催化一般是在常温、常压和pH7的条件下进行。,（有例外：胃蛋白酶是在pH=12时进行催化。我们吃了肉后在胃里几个小时就可将其消化，若在实验室里用6N的盐酸在1200下加热回流20个小时才能使蛋白质水解）。,3、具有高度的区域选择性和立体选择性酶的催化被称为一把钥匙开一把锁，非酶催化则相当于多用钥匙。例：麦芽糖酶只能水解葡萄糖的-1,4-苷键，苦杏仁酶只能水解葡萄糖的-1,4-苷键；酸性水溶液则可水解所有类型的糖苷键。酶可识别一对对映体，对其中一个有效另一个则无效。,4、容易失活酶的催化一般是在常温、常压和近中性的条件下进行，若在酸性、碱性或高温条件下酶就会失活。如：连续高烧后吃饭没胃口，就是因为在高温下唾液中的各种消化酶淀粉酶、蛋白酶被烧死的缘故。,第五节核酸,1868年，瑞典青年科学家米歇尔（F.Miescher)从绷带上脓细胞的细胞核中分离出一种物质，它的含磷量很高并具有很强的酸性，后来，就根据它的来源和性质把它叫做核酸。,核酸是一类重要的生物大分子化合物，核酸与蛋白质结合生成的核蛋白