氨基酸蛋白质和核糖核酸

1、氨基酸蛋白质和核糖核酸 第十九章 氨基酸蛋白质多肽和核糖核酸 氨基酸是构成蛋白质的基本结构单元。 氨基酸的不同组合构成不同的蛋白质。 蛋白质和核糖核酸是生命体的最重要的组成 成分，在生命体活动中其着关键性作用。 生命的生长、发育繁殖、遗传等生命的基 本现象都与核酸和蛋白质之间的作用密切 相关。 所以，“氨基酸是生命的基石”。 氨基酸蛋白质和核糖核酸 血红素的输氧作用 氨基酸蛋白质和核糖核酸 血红蛋白的结构 氨基酸蛋白质和核糖核酸 血红蛋白两种构象 氨基酸蛋白质和核糖核酸 -蛋白酶抑制剂 氨基酸蛋白质和核糖核酸 虾红素的活性位 点 氨基酸蛋白质和核糖核酸 本章主要内容 v1、氨基酸的分类、命名与

2、结构 v2、 氨基酸的性质：两性电离、酯化、 脱羧、脱氨与显色 v3、 氨基酸的合成 v4、 蛋白质的结构与性质 v5、 核酸与核苷酸 氨基酸蛋白质和核糖核酸 19.1 19.1 氨基酸氨基酸 v一、氨基酸的分类：一、氨基酸的分类： v1 1、按氨基在分子中位置分为-、-氨基酸 等。 v -氨基酸一般形式：RCH（NH2）COOH。 v2、根据分子中氨基和羧基的个数分为中性、 酸性和碱性氨基酸。 v3、按Fischer投影式中氨基在左或者右分为L 型与D型，天然氨基酸一般是L型 氨基酸蛋白质和核糖核酸 D-D-，L- L- 氨基酸氨基酸 v除了甘氨酸外，其他氨基酸都具有手性。 氨基酸Fisch

3、er投影式的书写。 氨基酸命名用俗名，见教材P658。 COOH R NH2H COOH R HNH2 D-氨基酸 L-氨基酸 氨基酸蛋白质和核糖核酸 二、氨基酸的化学性质二、氨基酸的化学性质 v结构特点：分子中具碱性氨基和酸性羧基 v代表性质：具有羧酸和胺的性质。 v1、两性电离 v它既可以酸式电离又可以碱式电离。 v存在形式与环境pH值相关。 v三种存在形式：阴离子、阳离子和偶极离子。 R COO- NH3 + H+ OH - R COOH NH3 + R COO- NH2 OH - H+ 氨基酸蛋白质和核糖核酸 氨基酸的等电点 v当溶液处于某一pH值时，某种氨基酸全部以 偶极离子形式存在

4、，此时的pH值就称为某氨 基酸的等电点。 v由于R基不同,不同的氨基酸有不同的等电点。 R COO- NH3 + H+ OH - R COOH NH3 + R COO- NH2 OH - H+ pH pI pH = pI pH pI 阳离子 偶极离子 阴离子 氨基酸蛋白质和核糖核酸 氨基酸在等电点的特性 v某种氨基酸在等电点时，以偶极离子的形 式存在，在溶液中的溶解度最小。 v在电场中不定向移动 v可以通过溶解度或电泳分离提纯混合物中 的氨基酸。 R COO- NH3 + H+ OH - R COOH NH3 + R COO- NH2 OH - H+ 氨基酸蛋白质和核糖核酸 氨基酸在电场中的移

5、动方向 v氨基酸，其“酸性”、“碱性”溶液具有 不 同含义。 v半光氨酸，处于pH值为4.0的溶液中，酸性 溶液以正离子存在。 v碱性溶液以负离子存在。 电场中移向 负极 不移动 正极 O OH NH3 + SH O O- NH3 + SH O O- NH2 SH 氨基酸蛋白质和核糖核酸 酸性氨基酸 v天门冬氨酸，分子中两羧基，一个碱基酸性 氨基酸，pI=2.77 。 v碱性溶液中， v酸性溶液中。 电场中移向 负极 不移动 正极 O OH NH3 + O OH O O- NH3 + O OH O O- NH2 O OH 氨基酸蛋白质和核糖核酸 碱性氨基酸 v赖氨酸，两碱基，一羧基碱性氨基酸

6、pI=10.76 。 v酸性溶液。 v碱性溶液。 电场中移向 负极 不移动 正极 O OH NH2 NH3 + O O- NH2 NH3 + O O- NH2 NH2 氨基酸蛋白质和核糖核酸 各类氨基酸大致pI范围 v中性氨基酸等电点在57。 v碱性氨基酸等电点在910。 v酸性氨基酸等电点在23 。 CH3 O O- NH3 + O O- NH3 + O NH2 pI=6.0pI=5.41 NH2 O OH NH3 + O O- NH2 NH3 + pH=9.74pI=10.76 O O- NH3 + O OH O O- NH3 + O OH pI=2.77 pI=3.22 氨基酸蛋白质和核

7、糖核酸 2 2、氨基酸的酯化与酰化反应、氨基酸的酯化与酰化反应 v用HCl或苯磺酸催化可以合成氨基酸酯。 v用酰氯或酸酐在氮原子上酰化 R COO- NH3 + R CH COOH NH CH3 O (Ac)2O R COO- NH3 + R CO2Me NH3 + ClH CH3OH 氨基酸蛋白质和核糖核酸 3、氨基酸的氧化脱胺 v氨基酸可以被氧化成亚胺，然后水解脱胺 。 R CH COOH NH2 R C COOH NH KMnO 4 R C COOH NH R C COOH O OH2 氨基酸蛋白质和核糖核酸 4、氨基酸与茚三酮显色、氨基酸与茚三酮显色 v茚三酮水溶液与-氨基酸反应生成紫

8、色化合 物。 v用于鉴别氨基酸。 O O O R HC COO- NH3 + RCHO OH2 CO O N O O OH + 氨基酸蛋白质和核糖核酸 5、氨基酸的定量分析基础 v-氨基酸与2，4-二硝基氟苯反应，生成黄 色物质，用于比色分析定量。 v-氨基酸与甲醛反应，释放出酸，用于酸碱 滴定分析定量。 R COO- NH3 + R COO- NHO2N NO2 NO2 O2N F R COO- NH3 + CH2O R COO- N OHOH H+ + 氨基酸蛋白质和核糖核酸 6、氨基酸脱羧反应、氨基酸脱羧反应 v氨基酸在碱性条件下受热脱羧生成伯胺： v动物尸体在腐烂过程中，赖氨酸分解生成

9、尸胺， 放出恶臭。 COOH NH2 NH2 NH2NH2 RCOOH NH2 RNH2 Ba(OH) 2 + CO2 氨基酸蛋白质和核糖核酸 7、氨基酸的成肽反应 v两分子的氨基酸在一定条件下可以形成肽键： RCOOH NH2 RCOOH NH2 R NH2 O R COOH NH + 二肽 肽分为寡肽（210个残几基组成）与多肽（多于10 个残基）。 肽的明明是从N-端到C-端。 v生物体肽的形成内是由酶来完成的 氨基酸蛋白质和核糖核酸 三、氨基酸的合成方法三、氨基酸的合成方法 1、卤代酸与氨在室温反应生成氨基酸。 RCOOH Br NH3 RCOOH NH2 CH3COOH Br NH3

10、 CH3COOH NH2 氨基酸蛋白质和核糖核酸 2 2、StreckerStrecker合成法 v醛和按氨、氢氰酸一起反应后水解。 v可能机理：先成醛亚胺，再与氢氰酸加成。 RCHO NH3 HCN R NH RCN NH2 RCHO NH3HCN RCN NH2 RCOOH NH2 OH3 + 氨基酸蛋白质和核糖核酸 3、酶法合成氨基酸 v一些氨基酸如色氨酸，可以用酶法生产。 N H N H COO- NH3 + NH3 CH3 CO COOH 氨基酸蛋白质和核糖核酸 4、氨基酸外消旋体的拆分 v人工合成氨基酸拆分得有用途的L-氨基酸。 v1）结晶拆分：将D/L-氨基酸酰基化，与一种左或右

11、 旋碱生成非对映体盐，合适溶剂结晶分离。 CH3COOH NH2 CH3 O O O CH3 CH3COOH NH O CH3 N H CH3 N+ CH3 H H CH3 NH O CH3 O O- 氨基酸蛋白质和核糖核酸 2）酶法拆分消旋体 v一种水解酶只能水解一种酰化氨基酸。 v再用溶剂提取或离子交换法分离。 CH3COOH NH O CH3 CH3COOH NH O CH3 CH3COOH NH2 + 氨基酸蛋白质和核糖核酸 19.2 19.2 多肽多肽 v多肽由多个氨基酸残基多肽由多个氨基酸残基通过肽键相连而成。 v多肽多肽能透过一种天然渗析膜，分子量约为 10000，约100氨基酸

12、残基组成。 v多肽具有N端和C端。 v多肽书写，带氨基一端在左，称为N-端；带 羧基一端在右，称谓C-端。 v多肽具有两性电离和等电点；多肽在不同pH 值溶液中可以带正、负电。在等电点以偶极 离子存在。 氨基酸蛋白质和核糖核酸 肽的重要生理作用 v谷半胱甘肽（谷氨酸用-氨基成肽键），在 生物体内参与氧化还原过程。 v短杆菌胎S是由5种氨基酸组成的环状10肽， 是一种抗菌素。 HOOC NH NHCOOH O SH NH2 O 氨基酸蛋白质和核糖核酸 多肽和蛋白质的合成多肽和蛋白质的合成 v两种氨基酸混合脱水产生四种产物。 v进行官能团保护可以避免。 v例：把苯丙氨酸的氨基用苄氧基甲酰氯保护。

13、v甘氨酸的羧基用苄酯保护。 H2C NH2 O OC6H5 CH2 COOH NH2 H5C6OH COOH NH2 H5C6 H5C6O O Cl O COOH NH O C6H5 C6H5 氨基酸蛋白质和核糖核酸 肽键合成与去保护 O C6H5 NH O C6H5 O CH2 NH O O C6H5 OH3 + C6H5 NH2 O CH2 NH O OH v然后将两种保护了的氨基酸混合形成肽键，再 将两端去保护就合成了所需要的二肽。 OC6H5 CH COOH NH O C6H5 H2C NH2 O OC6H5 O C6H5 NH O C6H5 O CH2 NH O O C6H5 OC6

14、H5 CH NH O C6H5 O Cl SOCl2 氨基酸蛋白质和核糖核酸 19.3 蛋白质 一、组成蛋白质元素 v主要为H、C、O、N，少量S。 v蛋白质还含有P、Fe、I、Zn、Se等元素。 v虽各中蛋白质组成差异大，但氮元素含量接 近，平均约16。 v任何蛋白质质量约为其氮元素质量的6.25倍。 v测试生物样品中氮元素的含量，进行换算成 蛋白质含量。 氨基酸蛋白质和核糖核酸 二、蛋白质的结构 v蛋白质的结构可以分为一、二、三、四级。 v同种蛋白质-氨基酸的种类与含量相同。 v各-氨基酸连接顺序一定：肽链结构一定。 v1、蛋白质的一级结构 v肽链结构氨基酸残基顺序蛋白质一级结构。 v一级

15、结构决定蛋白质的N-端和C-端。 v蛋白质具有两性。 v一级结构决定蛋白质的等电点。 v蛋白质在等电点时的溶解度也很小。 氨基酸蛋白质和核糖核酸 2、蛋白质的构象 v二、三、四级结构为蛋白质次级结构。 v蛋白质的二、三级结构：肽链的构象的结构。 v二级结构蛋白质的肽平面构象。 v相邻两氨基酸残基-碳原子和酰胺键上O、 C、N、H共6个原子在一个平面内肽平面。 O H5C6 N CH3 O N O OHHNH2 H H H H H 氨基酸蛋白质和核糖核酸 肽平面的两种构象 v肽平面在空间取向称为蛋白质的二级结构。 v肽平面主要有-螺旋结构和-折叠结构。 v-螺旋结构肽链肽平面在空间形成螺旋结构。

16、 氨基酸蛋白质和核糖核酸 -折叠结构 v两肽链肽平面在空间形成象屏风一样折叠结构。 v-折叠结构又分为-平行折叠和-反平行折叠。 N N C C N C C N -平行折叠 -反平行折叠 氨基酸蛋白质和核糖核酸 蛋白质的三级结构 v三级结构具二级结构肽链在空间折叠构象。 氨基酸蛋白质和核糖核酸 亚基与四级结构 v具三级结构的肽链亚基。 v四级结构一个或多个亚基在空间组成状况。 氨基酸蛋白质和核糖核酸 3、维系次级结构的作用 v维系二、三、四级结构作用范德华力、氢键、 盐键、疏水作用、偶极作用、酯键、二硫键等。 氨基酸蛋白质和核糖核酸 范德华力 v指原子中带正电荷的核与另一个带负电荷的 原子电子

17、层之间的静电引力。 v包括取向力,诱导力和色散力; v该力一般比较小,在维持蛋白质构象中虽有一 定的作用, 其实际意义难以正确估价; 氨基酸蛋白质和核糖核酸 盐键 v定义: 正负基团相互接近时,的静电作用 v特点:在蛋白质内部不多,但在带电的介质中, 盐键的形成有利于维持蛋白内部的疏水环境; v盐键类型: a.赖氨酸,精氨酸带正电荷,与酸性基团形成; b.天冬氨酸和谷氨酸带负电荷,与碱性基团; c.肽链的C端形成; 氨基酸蛋白质和核糖核酸 疏水作用与酯键 v实质: 热力学作用力-熵 v作用: 体系自由能的最低状态; 酯键 v肽链中游离羧基（如天门冬氨酸、谷氨酸有 两个羧基）与羟基（如丝氨酸、苏

18、氨酸有羟 基）在酶作用下形成酯键 氨基酸蛋白质和核糖核酸 v4 4、水溶性蛋白质的性质、水溶性蛋白质的性质 v1 1）两性与等电点）两性与等电点 v2 2）胶体性质）胶体性质 v丁铎尔现象、布朗（丁铎尔现象、布朗（BrownBrown）运动、电泳现象和不能透）运动、电泳现象和不能透 过半透膜。过半透膜。 v3 3）变性作用）变性作用 v蛋白质二、三级结构遭受破坏，理化、生物性质改变。蛋白质二、三级结构遭受破坏，理化、生物性质改变。 溶解度降低，粘度变大，难以结晶，为酶所水解，丧溶解度降低，粘度变大，难以结晶，为酶所水解，丧 失生物活性。失生物活性。 v不可逆变性，二级结构破坏，无法恢复。不可逆

19、变性，二级结构破坏，无法恢复。 紫外线、紫外线、X X射线、热、氯化汞、酸性或碱性染料、苯酚或射线、热、氯化汞、酸性或碱性染料、苯酚或 甲醛等甲醛等 氨基酸蛋白质和核糖核酸 v4 4）沉淀作用）沉淀作用 v可逆沉淀：脱去胶粒的水膜（乙醇、电解可逆沉淀：脱去胶粒的水膜（乙醇、电解 质的盐析等），使沉淀出来；质的盐析等），使沉淀出来； v不可逆沉淀：变性不可逆沉淀：变性 5 5）显色反应）显色反应 v蛋白质分子中所含的肽键、苯环、酚、某蛋白质分子中所含的肽键、苯环、酚、某 些氨基酸与试剂起作用产生颜色反应。些氨基酸与试剂起作用产生颜色反应。 v常利用这些颜色反应来鉴别蛋白质。常利用这些颜色反应来鉴

20、别蛋白质。 氨基酸蛋白质和核糖核酸 蛋白质重要的显色反应蛋白质重要的显色反应 名称名称试剂试剂颜色颜色基团基团蛋白质蛋白质 二缩脲二缩脲 反应反应 稀碱、稀稀碱、稀 硫酸铜硫酸铜 粉红粉红 蓝紫蓝紫 二个以二个以 上肽键上肽键 各种蛋白各种蛋白 质质 茚三酮茚三酮 反应反应 水合茚三水合茚三 酮酮 紫蓝紫蓝游离氨游离氨 基基 游离氨基游离氨基 的蛋白质的蛋白质 蛋白黄蛋白黄 反应反应 浓硝酸浓硝酸 热、稀热、稀 NaOHNaOH 黄橙黄橙 黄黄 苯基苯基含苯基的含苯基的 蛋白质蛋白质 注意： 非水溶性蛋白质也有部分显色反应非水溶性蛋白质也有部分显色反应 氨基酸蛋白质和核糖核酸 v6、（各种）蛋

21、白质的水解、（各种）蛋白质的水解 v肽键本质上是酰胺键。肽键本质上是酰胺键。 v酸性或碱性条件下水解成多肽链。酸性或碱性条件下水解成多肽链。 v水解的最终产物是氨基酸。水解的最终产物是氨基酸。 v局部水解可以帮助分析蛋白质的结构。局部水解可以帮助分析蛋白质的结构。 v天然蛋白质水解在生产和生理上都有重要天然蛋白质水解在生产和生理上都有重要 意义。意义。 氨基酸蛋白质和核糖核酸 核酸 v核酸是具重要生理作用的天然内高分子化合物。 v最初从细胞核中分离出来的具有酸性的物质。 v根据核酸分子中所含核糖不同分为核糖核酸 （RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。 vRNA含核糖，DNA含脱氧核糖。分子中的杂

22、 环（碱基）种类也略有差别。 v核酸的元素组成为C、O、N、P、H。 vP元素组成比较恒定，一般在9.5 ，故样品 中核算的含量P元素的10.5倍。 氨基酸蛋白质和核糖核酸 核酸完全水解产物 v核酸完全水解产物为核糖、杂环和磷酸。 vRNA水解产物含核糖， vDNA水解产物含脱氧核糖。 O OH H OH H OH H OH O OH HH OH H OH D-核糖 D-脱氧核糖 氨基酸蛋白质和核糖核酸 核酸分子中的嘧啶碱基 v核酸分子中含有三种嘧啶和两种嘌呤。 vRNA含尿嘧啶、胞嘧啶、腺嘌呤和鸟嘌呤。 vDNA含胸腺嘧啶、胞嘧啶、腺嘌呤和鸟嘌呤。 尿嘧啶 胸腺嘧啶胞嘧啶 N N OH OH

23、 N N OH OH CH3 N N OH NH2 氨基酸蛋白质和核糖核酸 核酸分子中的嘌呤碱基 vRNA含尿嘧啶、胞嘧啶、腺嘌呤和鸟嘌呤。 vDNA含胸腺嘧啶、胞嘧啶、腺嘌呤和鸟嘌呤。 腺嘌呤 鸟嘌呤 N N N N H NH2 N N N N H NH2 OH 氨基酸蛋白质和核糖核酸 碱基的酮式与烯醇式互变 v五个碱基，除了腺嘌呤外都有酮式与烯醇式互变。 N N OH OH N N OH OH CH3 N N OH NH2 N N N N H NH2 OH NH O N H O CH3 N H NH O O N NH2 N H O NH N N N H NH2 O 氨基酸蛋白质和核糖核酸 核苷 v杂环N上H原子与核糖半缩醛羟基脱水形成苷 键核苷键核苷。 O OH H OH H OH H OH NH O N H O + NH O NO O H OH H OH H OH 核糖 尿嘧啶 尿苷（核苷） 氨基酸蛋白质和核糖核酸 脱氧核苷 v杂环N上H原子与脱氧核糖半缩醛羟基脱水形 成苷键核苷键脱氧核苷。 CH3 N H NH O O O OH HH OH H OH + CH3 N NH O O O HH OH H OH 脱氧核糖 胸腺嘧啶 脱氧胸腺苷 氨