第十四章蛋白质和核酸

1、第十四章蛋白质和核酸一、学习要求1掌握氨基酸的分类、结构、命名和中、英文缩写。2掌握氨基酸的构型和化学性质。3. 掌握肽的结构和命名，肽分子中C端和N端的分析方法。4了解蛋白质的组成元素，熟悉蛋白质的一级结构及空间结构，掌握蛋白质的化学性质。5.熟悉核酸的分类、基本结构，掌握核酸分子的碱基及其配对规律二、本章要点(一) 氨基酸1. 氨基酸的结构氨基酸是分子中含有氨基和羧基的化合物。组成蛋白质的氨基酸有20种，均为a-氨基酸L-构型，除甘氨酸外，都是手性分子，除半胱氨酸为R-构型外，其余均为S-构型。2. 氨基酸的分类根据烃基的不同可把氨基酸分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环氨基酸；根据分子中

2、氨基和羧基的数目，还可将氨基酸分为中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸。3. 氨基酸的命名天然氨基酸常使用俗名，也可用中文名称、英文缩写和单字符号来表示。在氨基酸的系统名命法中，是以羧酸为母体，将氨基作为取代基而称为“氨基某酸”，氨基的位次用希腊字母a、B、丫等表示。4. 氨基酸的性质(1) 物理性质：a-氨基酸为无色晶体，熔点较高(200300C),在熔化时分解放出二氧化碳。溶解于水，而难溶于乙醇、醚、苯等有机溶剂中。除甘氨酸外，均有旋光性。(2) 氨基酸的化学性质1).两性电离和等电点：氨基酸分子是两性化合物；与酸、碱可反应生成盐；本身还可生成内盐。氨基酸晶体溶解于纯水中时，可发生酸式电离和

3、碱式电离。中性、酸性氨基酸在纯水中带净负电荷，水溶液显酸性，碱性氨基酸在纯水中，其水溶液呈碱性，氨基酸本身带净正电荷。氨基酸净电荷为零时溶液的pH值称为氨基酸的等电点（isoelectricpoint）用pl表示。氨基酸的存在形式与溶液pH值的关系可表示如下：RCHCOO-Inh2负离子H+OH-RCHCOO-H+INh3一OH_两性离子RCHCOOH止离子pH>pIpH=pIpH<pI等电点时，氨基酸的溶解度最小，可从水溶液中析出，所以可以利用等电点分离提纯氨基酸。2）.显色反应：a-氨基酸与水合茚三酮在水溶液中加热反应能形成蓝紫色化合物，可用于a-氨基酸的定量和定性分析。3）.

4、与HNO反应：a-氨基酸与亚硝酸作用时定量放出氮气，该反应可测定氨基酸、蛋白质及肽分子中的自由氨基。4）.脱羧反应：氨基酸在脱羧酶或与氢氧化钡共热可发生脱羧反应，生成少一个碳原子的伯胺。5）.成肽反应：当两分子a-氨基酸受热时，氨基和羧基之间交叉脱水，生成环状的交酰胺（二酮吡嗪），二酮吡嗪在浓盐酸的作用下，可以水解断开一个酰胺键生成二肽。（二）肽1. 肽的结构和命名由氨基酸残基通过肽键（酰胺键）连接而形成的化合物叫做肽。由多个氨基酸形成的肽称为多肽。肽的命名是从N-端开始，由左至右依次将每一个氨酸残基写成“某氨酰”，处于C-端的最后一个氨基酸为母体称为某氨酸。肽的名称也常用中文或英文的缩写符号

5、来表示，符号之间用短线隔开：丙氨酰甘氨酰丝氨酸（丙甘氨丝肽）丙-甘-丝或Ala-Gly-Ser。2. 肽链结构测定可配合使用端基分析（N-端分析、C-端分析）和部分水解的方法来加以确定。3. 活性肽在生物体内有着重要的功能的游离肽，如：丫-谷胱甘肽、催产素和加压素、神经肽等。（三）蛋白质1. 蛋白质的元素组成和分类（1）元素组成：天然蛋白质均含有碳（50-55）、氢（）、氧（19-24）、氮（13-19），硫（0-4）等元素。此外，蛋白质中还含有磷、碘、铁、锰、铜、锌等元素。生物样品中1克氮相当于6.25克蛋白质。（2）分类：蛋白质按分子形状可分为球状蛋白质和纤维状蛋白；按分子组成可分为单纯蛋

6、白和结合蛋白质；按功能可分为活性蛋白质和结构蛋白质。2. 蛋白质的结构（1）蛋白质的一级结构：蛋白质的一级结构是指多肽链中氨基酸残基的排列顺序及其连接方式。肽键是一级结构中连接氨基酸残基的化学键。（2）蛋白质的二级结构：蛋白质的二级结构是指肽链按一定的方式折叠、盘曲形成的空间构象，氢键是主要的副键，蛋白质的二级结构主要有a-螺旋、B-折叠、B-转角和无规则卷曲等。（3）蛋白质的三级结构：具有二级结构的蛋白质，可以进一步按一定方式折叠、盘曲形成更复杂的三维空间排布，即形成蛋白质的三级结构。维持三级结构的力来自氨基酸侧链之间的相互作用。主要包括盐键、二硫键、氢键、配位键、酯键、疏水基之间的亲和力（

7、疏水键）和vanderwaals力等。这些作用总称为副键。（4）蛋白质的四级结构是由两条以上具有三级结构的多肽链组成的更大、更复杂的分子。每一条三级结构多肽链称为一个亚基，几个亚基通过氢键、疏水键或静电吸引缔合而构成一定的空间结构。亚基的种类、数目和空间排列都有特定的模式。3. 蛋白质的化学性质（1）胶体性质：蛋白质是高分子化合物，相对分子质量可高达几千万，其35分子颗粒的直径一般在10pm10pm之间，属于胶体粒子，呈现胶体的性质：电泳扩散速度慢，不能透过半透膜。（2）两性电离和等电点：在蛋白质分子中，肽链的侧链中含有未结合的碱性基团（如氨基、胍基、咪唑基）和酸性基团（羧基、酚羟基、巯基）,

8、因而蛋白质和氨基酸一样是两性化合物，也有等电点。COO+HPrNH2蛋白质负离子pH>pICOOu+COOHpr亠PrOHNH+OH+NH3NH3蛋白质两性离子蛋白质正离子pHvplpH二pl（3）蛋白质的沉淀：蛋白质分子在溶液中发生凝聚，并从溶液中析出的现象称为蛋白质的沉淀。常用的方法有：盐析、加脱水剂、加入某些重金属盐和有机酸等。（4）蛋白质的变性：蛋白质在某些物理因素或化学因素的作用下，蛋白质的性质发生改变的现象称为蛋白质的变性。性质改变后的蛋白质称为变性蛋白质。引起蛋白质变性的物理因素有：加热、加压、激烈的搅拌或振荡、紫外线和超声波等。化学因素有：强酸、强碱、尿素、重金属盐、有机

9、溶剂、生物碱试剂和表面活性剂等。变性有可逆变性和不可逆变性两种。（5）蛋白质的显色反应1）.缩二脲反应（biurereaction）:蛋白质分子中含有许多肽键，因此所有的蛋白质均可与稀硫酸铜碱性溶液反应，呈紫色或紫红色。2）.茚三酮反应（ninhydrinreaction）:蛋白质与水合茚三酮共热呈现蓝紫色。茚三酮作为显色剂常用纸层析和电泳法中分离和鉴定蛋白质、多肽和氨基酸。（四）核酸1. 组成核酸是由许多核苷酸结合而成的高分子化合物。核酸在酸、碱或酶催化下水解的产物如下：j嘌吟碱r碱基”卄I嘧啶碱核苷（核糖、/水解水解核酸核苷酸<'戊糖<l脱氧核糖L磷酸2. 核酸的分类核

10、酸包括脱氧核糖核酸（DNA和核糖核酸（RNA:rRNAmRNA和tRNA）。3. 核苷和核苷酸的结构及命名(1) 核苷：核核苷是由碱基中嘌呤碱9位氮上的氢或嘧啶碱1位氮上的氢与戊糖1位上的羟基失水所生成的B-N-苷。为区别糖与碱基中原子的编号，规定糖中原子编号T、2'、3'。核苷是按组成的碱基与戊糖来命名的(2) 核苷酸：核苷酸是核苷3位或5位的羟基和磷酸所生成的酯。自然界中存在的核苷酸主要是5'-磷酸酯。组成DNA的核苷酸主要有四种：脱氧腺苷酸(dAMP)脱氧鸟苷酸(dGMP)脱氧胞苷酸(dCMP)和脱氧胸苷酸(dTMP)。组成RNA的核苷主要也有四种：腺苷酸(AMP

11、)鸟苷酸(GMP)胞苷酸(CMP和尿苷酸(UMP)。核苷酸命名时，除将戊糖和碱基部分注明外，还要指出磷酸酯键所连接的位置。4. 核酸的结构(1) 一级结构：核酸的一级结构指的是核酸中各核苷酸的排列顺序。核酸的一级结构常采用速记法、字符式和线条式表明其结构。(2) 二级结构：DNA具有双螺旋结构，即DNA分子是由两条方向相反的平行多核苷酸链构成的；两条链上的碱基在螺旋的内侧，戊糖和磷酸连接成的主链在外侧，两条链由碱基间的氢键相连；两条核苷酸链之间的碱基配对有一定规律。RNA由一条弯曲的多核苷酸链构成，其中有间隔着的双螺旋和单股非螺旋结构的部分,链的某些部分存在着碱基配对关系。tRNA具有三叶草的

12、结构。(3) 核酸的三级结构：在二级结构的基础上，多核苷酸链在空间可进一步盘曲折叠构成核酸三级结构。tRNA多为倒置的L形状；DNA三、问题参考答案问题14-1试写出L-酪氨酸、L-半胱氨酸的Fischer投影式，并用R/S构型标记'解：sF氨酸问题14-2苯丙氨酸在等电点时溶液为中性、酸性还是碱性？在pH值为3.0,5.8和10.0的溶液中各带什么电荷？用离子结构式表示。解：苯丙氨酸含一氨基一羧基，为中性氨基酸，其水溶液呈弱酸性。因其等电点pl=5.84,故：在pH=3.0时带正电荷：一ch2CHCOOH在pH=5.8时净电荷为零，为两性离子:在pH=5.8时净电荷为零，为两性离子:

13、NH3CH2CHCOO-INH3在pH=10.0时带负电荷:NH2问题14-3写出一分子甘氨酸和一分子丙氨酸在浓盐酸作用下加热生成二肽的反应式。解：CH2COOHINH2+CH3CHCOOHINH2HCICH2CONHCH2COOH1NH2CH2CONHCHCOOHIINH2CH3+CH3CHCONHCH2COOHNH2+CH3CHCONHCHCOOHInh2ch3四、习题参考答案1. 写出下列化合物的结构式：(1)天冬酰胺(3) 甲硫氨酸(5) 组氨酸解：(1)H2N治出严80一ONH3+(2)脯氨酸(4) 赖氨酸还原型丫-谷胱甘肽H2cooCH2SCH2CH2CHCOONH3+(5)I:C

14、H2CHCOOHNNNH3+CH2CH2CH2CH2CHCOO-Nh3+NH2H2NCHCH2CH2CONHCHCONHCH2COOHCOOHCH2SH2. 完成下列反应方程式:(1) CH3CHCH2C00一HCICH3NH3+CH3CH-CH2COO-CH3NH3+NaOH(3)(3)CH2CHCOOHInh2HNO2(4) CH3CHCH2COOHCH3NH2Ba(OH)2解:解:(1)ch3chCH3CH2COO一丨+NH3HClCHoCHCHcCOOHCH3Nh3+CI_CH3CH1-CH2COO_-1NaOHCH3CH-1CH2COONa1+h2oCH3NH3+CH3nh2'

15、;一CHoCHCOOHhno21ch2chcooh+N2k岸71nh2Ohch3chCH2COOH1竺j；chch2nh2+CO?CH3nh2CH33. 在多肽的端基分析中，常用2,4-二硝基氟苯作N-端标记，标记后的多肽经水解后，为什么2，4-二硝基氟苯相连的氨基酸很容易与其它氨基酸分离？解：这是因为2，4-二硝基氟苯具有强烈的-I效应，与其相连的氨基碱性极弱，所以不溶于稀酸水溶液中；而其他非标记的氨基酸可溶于稀酸水溶液中，借此可以分离。4.1个五肽部分水解得3个三肽，即G1u-Arg-GLy,Gly-G1u-Arg,Arg-Gly-phe，经N-端分析发现N-端为Gly，试分别用中英文缩写

16、写出这个五肽中氨基酸的连接顺序。解：Gly-G1u-ArgG1u-Arg-GLyArg-Gly-pheGly-G1u-Arg-Gly-phe甘-谷-精-甘-苯丙5短杆菌肽S是霉菌的代谢产物，具有抗菌作用，它是一个由十个氨基酸残基组成的环状十肽，完全水解时生成L-缬氨酸，L-亮氨酸，L-脯氨酸、D-苯丙氨酸和L-鸟氨酸，其比例都是1：1。部分水解得到下列肽：亮-苯丙、苯丙-脯、鸟-亮、缬-鸟、苯丙-脯-缬、缬-鸟-亮、脯-缬-鸟。试推出这个环状十肽的结构。解：亮-苯丙苯丙-脯苯丙-脯-缬缬-鸟鸟-亮缬-鸟-亮脯-缬-鸟亮-苯丙-脯-缬-鸟-亮由结构可知，苯丙氨酸，脯氨酸，缬氨酸和鸟氨酸之间的次序

17、应为：苯丙-脯-缬-鸟，鸟氨酸的C-端与亮氨酸的N-端结合以构成环状结构，因此短杆菌肽S的结构如下：亮-苯丙-脯-缬-鸟II鸟-苯丙-脯-缬-亮6. DNA和RNA在结构上有什么主要差别？解：DNA由脱氧核糖组成，分子链上含有胸腺嘧啶；RNA由核糖组成，分子链上含有尿嘧啶。7. 解释用下列试剂使蛋白质变性的原因(1)强酸、强碱(2)乙醇(3)加热(4)强烈的振荡解：(1)强酸、强碱可与蛋白质中游离氨基或羧基反应生成盐，也可使蛋白质中的氢键断离。(2) 乙醇可提供其-OH上的H去形成氢键，从而破坏蛋白质中原有的氢键。(3)加热使分子的热运动增强，使氢键发生断裂。(4)强烈的振荡会使氢键断裂。8.

18、 某蛋白质pI=4.6,溶于水中应带何种电荷？欲使其不带电，应向此溶液中加酸还是加碱？解：该蛋白质在水中带负电荷，欲使其不带电，应向此溶液中加酸。9. 回答下列问题：(1) 什么是蛋白质的一级结构？主键是什么？(2) 对维系蛋白质分子空间结构起重要作用的副键有哪些？(3) 什么是蛋白质的a-螺旋结构？每个螺旋有几个氨基酸残基，圈与圈之间由什么键来维系？(4) 什么是蛋白质的变性？解：(1)蛋白质的一级结构是指蛋白质分子中氨基酸的排列顺序和连接方式。主健是肽键。(2)对维系蛋白质分子空间结构起重要作用的副键有：氢键、二硫键、盐键、疏水键、酯键等。(3) 多肽链部分或整条卷曲盘旋成的螺旋状结构即为

19、蛋白质的a-螺旋结构。每个螺旋有3.6个氨基酸残基。圈与圈之间氢键来维系。(4) 蛋白质在某些物理因素或化学因素的作用下,蛋白质的性质发生改变的现象称为蛋白质的变性。10什么是核苷?解：核苷是由碱基中嘌呤碱9位氮上的氢或嘧啶碱1位氮上的氢与戊糖1位上的羟基失水所生成的B-N-苷。11. 写出下列化合物的名称或结构式：(1)脱氧腺苷(2)脱氧胞苷(3)鸟苷(4)尿苷IIOHHOPOOIHOPO-IOHOHPO解:O(6)腺苷三磷酸(5)5'-腺嘌呤核苷酸12. 简述DNA双螺旋结构的要点解：(1)DNA分子是由两条方向相反的平行多核苷酸链构成的。两条链的糖磷酸的主链都是右螺旋的，有一共同的螺旋轴。一条链和方向是5'一3',另一条链则是3'一5。螺旋直径