Y氨基酸16

氨基酸的分类、命名、结构、性质和制备；肽的结构和肽键，多肽结构的测定；蛋白质的分类、结构和性质；酶的组成、分类及催化反应的特性。核苷酸的结构，核酸的结构和生物功能。,氨基酸的结构、构型、性质和制备；蛋白质的结构和性质。,第十六章 氨基酸 蛋白质 核酸,蛋白质和核酸是重要的生物大分子，是构成细胞内原生质的主要成分，原生质是生命现象的物质基础。,蛋白质在生物体中含量较大，种类繁多，生物体的各种生物功能就是依靠蛋白质来完成的。,蛋白质的基本结构单位是20种-氨基酸。,核酸是生命过程中的遗传信息物质，含量较少。,核酸分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)两大类；核酸的基本结构单位是核苷酸。,多肽是多个-氨基酸分子通过酰胺键(肽键)连接而生成的化合物，蛋白质则是分子量很大的多肽。,1 氨基酸的结构、分类和命名,在自然界中存在的氨基酸目前知道的有400多种，但在生物体内组成蛋白质的氨基酸只有20种。,组成蛋白质的氨基酸都是-氨基酸，只是基团R不同。,这些氨基酸有的只有一个氨基和一个羧基，有的含有第二个氨基(碱性基团)或第二个羧基。,第一节 氨基酸,氨基酸可按分子中氨基和羧基的相对数目，分为中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸。,甘氨酸(Gly),glycine,丙氨酸(Ala),alanine,缬氨酸(Val),valine,亮氨酸(Leu),leucine,异亮氨酸(Ile),isoleucine,门冬酰胺(Asn),aspargine,谷氨酰胺(Gln),glutamine,按烃基的结构分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环氨基酸。,还可以按照基团R不同进一步分类。,氨基酸的烃基不同和相互作用，在很大程度上影响蛋白质的结构，特别是它的生理功能。,天然氨基酸常采用习惯名称，即按其来源或性质命名。,门冬氨酸最初是由天门冬的幼苗中发现的；,构成蛋白质的20种氨基酸，有一套通用的符号，这些符号象元素符号一样，是国际通用的。,若熟记比较困难，可暂用它的中文名的前一个或两个字，如甘氨酸用“甘”，苯丙氨酸用“苯丙”等。,甘氨酸是因为具有甜味。,2 氨基酸的构型,组成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，-碳原子都是手性的。,氨基酸的构型常用D/L法标记，但与糖D/L标记法不完全一样。,L-甘油醛,L-丙氨酸,L-脯氨酸,在苏氨酸和异亮氨酸分子中还有第二个手性碳原子，它们的构型分别为：,L-苏氨酸,(2S,3R),L-异亮氨酸,(2S,3R),如用R/S命名法，天然氨基酸大多是S型的，但也有R型的如L-半胱氨酸。,由于组成蛋白质的氨基酸都是L型的，因此习惯上仍使用D/L法。,3 氨基酸的性质,(1) -氨基酸的物理性质,甘氨酸：262(分解)；酪氨酸：310(分解) 。,熔点：-氨基酸都是高熔点固体，多数在熔化时分解。,因此，-氨基酸的熔点不能作为鉴定的可靠物理常数。,(2) 酸碱性,氨基酸既能和酸反应生成铵盐，也能和碱反应生成羧酸盐，是两性化合物。,在溶液中存在下列平衡：,低pH,高pH,氨基酸分子中的羧基和氨基不是以游离状态存在的，而是通过相互作用，以内盐(偶极离子)形式存在的。,(3) 等电点,在不同pH值的溶液中，氨基酸能以正离子、负离子和两性离子三种离子间形成动态平衡。,适当调节溶液的pH值，使得氨基酸的羧基与氨基的离子化程度相等。,此时所带的正负电荷数相同，净电荷为零呈电中性。,这个等电状态的pH值，称为该氨基酸的等电点，用pI表示。,在等电点时，氨基酸几乎全部以两性离子形式存在，有极少量的严格相等的正离子和负离子。,溶液的pHpI时，氨基酸以负离子形式存在。,处于等电点的氨基酸溶解度最小。,中性氨基酸：pI=6.26.8；,分子结构不同的氨基酸，等电点各不相同。,酸性氨基酸：pI=2.83.2；,碱性氨基酸：pI=7.610.8。,K1K2,(4) 氨基的反应,蛋白质中的20种-氨基酸除脯氨酸外，都能与亚硝酸反应，放出氮气生成-羟基酸。,反应是定量完成的，根据放出氮气的量，算出样品中氨基的含量。,氨基酸分子中的氨基与卤代烃作用，生成N-烃基氨基酸。,黄色,反应被用于测定氨基酸在蛋白质中的排列次序。,与2,4-二硝基氟苯在弱碱性溶液中作用，生成黄色的N-(2,4-二硝基苯基)氨基酸。,氨基酸能和酰氯、酸酐等发生氨解，生成酰胺。,反应要在碱性溶液中进行，原因：只有在碱性溶液中，氨基酸的氨基以游离状态存在。,在人工合成蛋白质时，常用引入苄氧羰基来保护氨基。,(5) 羧基的反应,氨基酸的羧基，也具有羧基的一般性质，能发生酯化、成酐、成酰胺等反应。,-氨基酸可以用一般的方法酯化。,-氨基酸在碱性溶液中，与水合茚三酮反应，脱去氨基同时被氧化成醛。,紫色,在反应中茚三酮生成蓝紫色物质，因此可以用于氨基酸的比色测定和纸上层析的显色。,(6) 显色反应,4 -氨基酸的制法,氨基酸的制取方法有水解法、发酵法和化学合成法。,(1)还原氨化：由于和氨基酸的生物合成极为相似，所以又称为仿生合成。,反应实际上是一步完成的。,(2) 卤代酸氨解：与过量的浓氨水作用，发生亲核取代。,用Gabriel法代替，可得较纯的氨基酸。,(3) 丙二酸酯法：,(4) Strecker合成法：醛或酮和HCN加成得氰醇，再和氨作用得氨基腈，水解后得氨基酸。,1 肽和肽键,一分子-氨基酸中的羧基和另一分子-氨基酸的氨基，通过失水形成酰胺键而连结成的化合物叫做肽。,肽分子中的酰胺键称为肽键。,根据肽分子中氨基酸的数目，称作二肽、三肽,肽键,第二节 多肽,肽单元：肽分子中，肽键与相邻的两个-C原子所组成的基团，包含6个原子。,酰胺平面：氮和碳氧双键存在p-共轭，使CN键不能自由旋转，其周围的6个原子处在同一平面上。,蛋白质中的酰胺平面均为反式构型，很少有例外。,sp2杂化,肽单元 1,肽单元 2,蛋白质分子中肽单元相互旋转，使主链出现各种构象。,一条多肽链通常一端含有一个游离的氨基，称为N-端，另一端含有一个游离的羧基，称为C-端。,碳端,氮端,肽链中的氨基酸由于参加肽键的形成已经不是原来的完整氨基酸结构，因此称为氨基酸残基。,两个游离的端基也能失水形成了酰胺键，形成环肽。,多肽也是以两性离子形式存在，一般为链式结构。,多肽结构式的写法，一般是N-端在左，C-端在右。,肽的结构不仅取决于氨基酸的种类和数目，而且还取决于它们之间的连接次序。,甘氨酰丙氨酸,丙氨酰甘氨酸,这是少数氨基酸可以形成种类繁多的蛋白质的原因。,多肽的命名：以C-端的氨基酸为母体，称为某氨酸。,名称为：-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸，或谷胱甘肽。,其它氨基酸残基则从N-端开始，依次用某氨酰表示，放在母体前。,也可简称为：-Glu-Cys-Gly，或-谷-胱-甘。,谷氨酸残基,半胱氨酸残基,甘氨酸残基,2 多肽结构的测定,要弄清一个多肽的结构，必须要知道：,组成肽的氨基酸的种类；,肽中各种氨基酸的相对比例和含量；,多肽分子中氨基酸的排列情况非常复杂，例如由8种氨基酸组成的八肽就有8! = 40320种排列方式。,各氨基酸在肽链中的位置(排列方式)。,测定多肽结构的工作有：氨基酸组分分析，氨基酸顺序分析。,(1) 氨基酸组分分析,目的是确定组成多肽的氨基酸的种类和数目。,将多肽在酸性溶液中完全水解，因为碱性溶液易引起手性碳的外消旋化，故不用。步骤为：,把获得的氨基酸混合液通过离子交换柱，不同的氨基酸因通过离子交换柱的速度不同而分离；,在6moll-1的HCl中，加热至100，维持24小时，使多肽完全水解；,用自动检测仪器鉴定和记录。,氨基酸分析仪,(2) 端基分析法,异硫氰酸苯酯能与多肽链N端的氨基亲核加成，生成苯胺甲硫酰基衍生物。,产物在无水条件下用酸处理，被苯胺甲硫酰基酰化的N端氨基酸断裂下来，而其余多肽链保留不变。,生成的咪唑衍生物，经分离后用色谱或质谱法与标准样品比较，确定基团R即知N端是哪一种氨基酸。,肽链剩下的部分还可继续从N端进行分析，因此可以连续地自动化分析。,3 多肽的合成,最主要的是要解决四大问题：基团的保护，反应基团的活化，保护生物活性，合成方法。,保护氨基或羧基,氨基酸是多官能团化合物，在按要求形成肽键时，必须将两个官能团中的一个保护起来。,对保护基的要求是：易引入，生成肽键后又易除去。,要使各种氨基酸按一定的顺序连接起来形成多肽是一项十分复杂的化学工程。,胰岛素,胰岛素是动物胰臓中分泌的一种激素，能调节碳水化合物的代谢，用于治疗糖尿病，为51肽。,汪猷1910-1997,邢其毅1911-2002,钮经义1920-1995,1965年9月，中国在世界上首次合成牛胰岛素。,蛋白质是相对分子量很大的多肽，但并无严格界限。,蛋白质与肽的差别：蛋白质有稳定的构象，而肽一般只在发挥作用时才在溶液中形成一定的构象。,蛋白质是含氮高分子，人体内有10万种以上的蛋白质，占人体干重的45%。,蛋白质的组成大致为：碳5055%，氢67%，氧1924%，氮1517%。,1克氮相当于6.25克蛋白质。,1 蛋白质的组成分类,第三节 蛋白质,蛋白质种类繁多，结构多样，故分类方法也不少。主要是依据蛋白质分子的某一特征来分类的。,根据蛋白质的形状：纤维蛋白，球蛋白。,根据蛋白质的化学组成：单纯蛋白，结合蛋白。,单纯蛋白仅由多肽组成，结合蛋白是由单纯蛋白和非蛋白质部分组成的，非蛋白质部分称为辅基。,活性蛋白，如酶、激素、抗体等；,非活性蛋白，担任保护或支持作用，不具生物活性。,根据蛋白质的功能：活性蛋白，非活性蛋白。,2 蛋白质的结构,(1) 一级结构,蛋白质分子中以共价键相连的氨基酸的排列次序，任何蛋白质都有其特定的氨基酸排列次序。,由几条肽链组成的蛋白质，每条肽链称为亚基。,牛胰岛素有两条亚基，共51个氨基酸残基。,(2) 蛋白质的次级键,在一级结构的长链中，还存在羟基、羰基、羧基、氨基等，它们之间可以相互作用形成分子的立体结构。,这种相互作用要比共价键弱的多，称为次级键。,氢键：能在两条主链的肽键之间形成，也能在主链与侧链或侧链与侧链间形成。,(3) 二级结构,是多肽链的主链的骨架在空间的盘曲折叠形成的方式，不涉及侧链R基团的构象。,稳定蛋白质二级结构的因素是氢键。,由于肽键具有部分双键性质，使酰胺平面有一定的刚性，而相邻的两个酰胺平面之间则可以有一定角度。,多肽链上的R基团的大小和极性不同，其稳定构象应使各原子间斥力最小而引力最大。,最重要的作用力是C=O和NH之间的氢键。,-螺旋：多肽链中各肽键平面通过-C原子的旋转，围绕中心轴形成一种紧密螺旋盘曲构象。,每一圈含3.6个氨基酸残基，间距0.54nm，多为右手螺旋。,-折叠：主链骨架中二条以上或一条肽链内的若干肽段平行排列，相邻肽段间以氢键维系。,为避免侧链的位阻并形成更多的氢键，各主链骨架同时作一定程度的折叠，形成一个如扇面折叠状片层。,在这种结构中，多肽链平行或反平行排列。,蛋白质分子在二级结构基础上进一步的盘曲、折叠形成三维结构。,三级结构的形成和稳定，主要靠侧链间通过各种次级键的作用，形成侧链的构象，是多肽空间的整体排布。,(4) 三级结构,多肽链经过卷曲、折叠形成三级结构，就在分子表面上形成了某些发挥生物功能的特点区域、酶的活性中心等。,血红蛋白的三级结构。,是蛋白质分子中每一个具有独立三级结构的多肽链，在缔合现象中的空间结构问题。,即二条或以上具有三级结构的多肽链，通过疏水键、盐键等次级作用相互缔合而成。,(5) 四级结构,血红蛋白的四级结构。,这类蛋白质必须有完整四级结构才有生物学活性。,3 蛋白质的性质,(1) 等电点和胶体性质,蛋白质与氨基酸相似，具有两性性质，它的水溶液也具有一定的等电点。,原因：仍存在自由的氨基或羧基。,pHpI,多肽的侧链还有尚未结合的极性基团，如赖氨酸的氨基、谷氨酸的羧基、半胱氨酸的巯基等。,蛋白质是高分子化合物，分子的直径在0.10.001m。,表现出胶体的性质，如双电层的形成、在水溶液中动力学稳定等。,(2) 蛋白质的沉淀,盐析法：NaCl、Na2SO4等，能破坏蛋白质的水化膜。,重金属法：Hg2+、Pb2+等，能与蛋白质结合成不溶性蛋白质的重金属盐。,可逆沉淀：消除沉淀因素，能重新溶解，如盐析法。,不可逆沉淀：不能恢复原蛋白质的结构，如重金属法。,(3) 蛋白质的变性,原因：蛋白质的二、三级结构改变或破坏，使肽链松散，导致蛋白质一些理化性质改变和生物活性丧失。,蛋白质在一定的物理或化学因素的影响下，其分子结构发生变化，导致性质改变，称为蛋白质的变性。,化学因素：强酸、强碱、重金属盐、乙醇、丙酮等；,物理因素：干燥、加热、加压、紫外线、超声波等。,蛋白质变性后，改变了物理性质、化学性质和生物性能。,变了性的蛋白质称为变性蛋白质，没有变性的蛋白质称为天然蛋白质。,蛋白质的变性，仅涉及次级键及二硫键的变化，不涉及肽键的断裂。,破坏三级结构可能只引起可逆变性，破坏二级结构，则会引起不可逆变性。,研究蛋白质变性的意义：,掌握变性条件，防止变性，以获得天然蛋白质制剂；,利用变性，把蛋白质拆成亚基，以对其进行研究；,研究维持蛋白质二、三级结构的作用力。,应用：医疗器械的消毒(使细菌的蛋白质变性)，疫苗放在冰箱中冷藏，以防止其变性等。,(4) 蛋白质的显色反应,缩二脲反应：与硫酸铜的强碱溶液发生反应显紫色。,凡是分子中含有两个以上酰胺键的化合物，都能发生这一反应。反应名称源于缩二脲能发生这种反应。,黄蛋白反应：蛋白质中存在有苯环的氨基酸(如苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸)，遇浓硝酸呈黄色。,米勒反应：酪氨酸遇到Hg(NO3)2-HNO3溶液变为红色。,茚三酮反应：蛋白质和多肽与-氨基酸相似，都可以和茚三酮溶液作用显蓝紫色。,1 酶的组成,单纯酶：催化活性仅由蛋白质的结构决定。,结合酶：催化活性由蛋白质部分和辅酶共同完成。,辅酶为金属离子如Cu2+、Zn2+、Mn2+等，和低分子量的有机化合物如叶绿素、血红素、维生素等。,酶蛋白可以是一条肽链，或多条肽链组成的。但所有的酶都是球状结构的。,酶是活细胞产生的一类具有催化功能的生物分子，所以又称为生物催化剂，绝大多数的酶都是蛋白质。,2 酶催化反应的特异性,高效性：酶的催化作用可使反应速度提高1081020倍，比一般催化剂高1071013倍。,选择性：酶在催化生化反应时对底物有选择性。,化学选择性：从混合物中挑选作用物，如麦芽糖酶只能使-葡萄糖苷键水解，对-葡萄糖苷键无效。,立体化学选择性：能识别对映体，如酵母中的乳酸脱氢酶，只催化L-乳酸脱氢生成丙酮酸，不影响D-乳酸。,条件温和：一般在pH=58的水溶液中进行，反应温度范围为2040。,酶的活性部位在空间结构上与底物是一致的，可以和底物结合，形成复合物。,活性部位具有手性，对底物的R和S对映体作用不同。,3 酶的分类和命名,按酶催化反应的性质分为六大类：氧化还原酶、转移酶、水解酶、裂解酶、异构酶、合成酶。,习惯命名法：一般根据两个原则。,常结合这两个原则来命名，如乳酸脱氢酶，是催化乳酸脱氢反应的。,根据催化的底物，如水解淀粉的叫淀粉酶，水解蛋白质的叫蛋白酶等。,根据催化反应的性质，如水解酶、氧化酶、脱氢酶等。,系统命名法：以酶的催化反应为基础，要写出作用物及催化反应的性质。,丙氨酸,酮戊二酸,丙酮酸,谷氨酸,习惯名：谷丙转氨酶,系统名：丙氨酸:酮戊二酸氨基转移酶,4 酶在有机化学中的应用,天冬氨酸的生产：,消旋化氨基酸酯的酶法拆分：,D,L-氨基酸酯,L-氨基酸,D-氨基酸酯,1 核酸的组成和分类,碱基：含嘌呤环或嘧啶环的有机碱。,核糖核酸(RNA)中的戊糖是核糖，脱氧核糖核酸(DNA)中的戊糖是脱氧核糖。,核酸是生物体内的一类高分子化合物，是生命过程中的遗传信息物质，为生命的基础物质之一。,(1) 碱基,胞嘧啶(C),胸腺嘧啶(T),存在于核苷酸中的碱基，有三种嘧啶的衍生物和两种嘌呤的衍生物。,脲嘧啶(U),cytosin,thymin(in DNA),uracil(in RNA),腺嘌呤(A),adenine,鸟嘌呤(G),guanine,核糖核酸(RNA)的碱基有胞嘧啶(C)、脲嘧啶(U)、腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)。,脱氧核糖核酸(DNA)的碱基有胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)、腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)。,核糖核酸(RNA)水解得到的戊糖是核糖，脱氧核糖核酸(DNA)水解得到的戊糖是2-脱氧核糖。,这两种戊糖都是-D-呋喃型的。,(2) 戊糖,-D-呋喃核糖,-D-2-脱氧呋喃核糖,(3) 核苷,核苷是由环状结构的核糖或脱氧核糖上的半缩醛羟基，与有机碱上的含氮基团失水形成的糖苷。,脲苷(U),胞苷(C),1-D-呋喃核糖脲嘧啶,1-D-呋喃核糖胞嘧啶,腺苷(A),鸟苷(G),9-D-呋喃糖核腺嘌呤,9-D-呋喃核糖鸟嘌呤,上面的四种核糖核苷，存在于核糖核酸(RNA)中。,脱氧核糖核酸(DNA)中存在四种脱氧核糖核苷。,2-脱氧胸腺苷(dT),2-脱氧胞苷(dC),1-D-2-脱氧呋喃核糖胸腺嘧啶,1-D-2-脱氧呋喃核糖胞嘧啶,2-脱氧腺苷(dA),2-脱氧鸟苷(dG),9-D-2-脱氧呋喃核糖腺嘌呤,9-D-2-脱氧呋喃核糖鸟嘌呤,命名时，碱基上的原子编号不带撇号，糖上的碳原子编号要带有撇号。,1,2,3,4,5,(4) 核苷酸,核苷酸是核苷分子中的核糖或脱氧核糖的3或5位的羟基与膦酸生成的酯。,腺嘌呤核苷酸,腺苷-5-磷酸,生物体内大多为5-核苷酸，是一个二元酸。,核苷酸是核酸的结构单位，与核苷相对应，有四种核糖核苷酸和四种脱氧核糖核苷酸。,胞嘧啶脱氧核苷酸,脱氧胞苷-5-磷酸,组成RNA的是腺苷酸、鸟苷酸、胞苷酸和脲苷酸。,组成DNA的是脱氧腺苷酸、脱氧鸟苷酸、脱氧胞苷酸和脱氧胸苷酸。,2 核酸的结构,(1) 一级结构,核酸是核苷酸通过磷酸二酯键连接起来的生物大分子。在核酸中各核苷酸排列的次序，即为核酸的一级结构。,由于核酸的差别仅在于碱基不同，故又称为碱基序列。,核酸分子中，各核苷酸是通过3,5-磷酸二酯键连接的。,即一个核苷酸的3-羟基，与另一个核苷酸的5-磷酸基形成酯键，连接而成的长链大分子。,核酸分子中没有支链。,胞苷酸,腺苷酸,脲苷酸,RNA中的核苷酸链片段：,DNA与RNA的不同在于戊糖为2-脱氧核糖，碱基中有胸腺嘧啶而没有脲嘧啶。,(2) 高级结构,从DNA的组成发现，四种碱基的含量随DNA的来源的不同而会有很大的差异。,但所有的DNA都有一个共同点，嘌呤碱和嘧啶碱各一半。,1953年Watson和Crick提出A和T，G和C能形成氢键：,腺嘌呤(A)=胸腺嘧啶(T),鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C),DNA的二级结构：顺序互补的两条核苷酸链，通过碱基之间的氢键结合，形成右手螺