有机化学15氨基酸蛋白质核酸

1、第15章 氨基酸、蛋白质及核酸Amino Acids 、Protein and Nuclear Acid 蛋白质和核酸是生命现象的物质基础，是参与生物体内各种生物变化最重要的组分。蛋白质存在于一切细胞中，它们是构成人体和动植物的基本材料，肌肉、毛发、皮肤、指甲、血清、血红蛋白、神经、激素、酶等都是由不同蛋白质组成的。生物体内一切组织的基本组成部分除水外，细胞内80都是蛋白质。概述 蛋白质在有机体中承担不同的生理功能，它们供给肌体营养、输送氧气、防御疾病、控制代谢过程、传递遗传信息、负责机械运动等。 蛋白质、碳水化合物、脂肪(甘油醇的脂肪酸酯)是人所需营养中的三种要素。如： 酶（球蛋白）机体内起

2、催化作用 激素（蛋白质及其衍生物）调解代谢 血红蛋白运输O2和CO2 抗原抗体免疫作用核酸分子携带着遗传信息，在生物的个体发育、生长、繁殖和遗传变异等生命过程中起着极为重要的作用。实验发现： 蛋白质被酸、碱或蛋白酶催化水解，最终均产生-氨基酸。因此，要了解蛋白质的组成、结构和性质，我们必须先学习-氨基酸。 氨基酸是羧酸分子中烃基上的氢原子被氨基（-NH2）取代后的衍生物,分子中含有氨基和羧基两种官能团。 目前发现的天然氨基酸约有300种，构成蛋白质的氨基酸约有30余种，其中常见的有20余种，人们把这些氨基酸称为蛋白氨基酸。其它不参与蛋白质组成的氨基酸称为非蛋白氨基酸。15.1 氨基酸的分类及结

3、构15.2 氨基酸的来源及制法15.3 氨基酸的性质15.4 肽的结构及命名15.5 多肽的结构测定及合成15.6 蛋白质的分类、组成和性质15.7 蛋白质的结构15.8 核 酸15.9 核糖核酸和脱氧核糖核酸15.1 氨基酸的分类及结构1 氨基酸的分类2 氨基酸的命名3 氨基酸的结构1.氨基酸的分类氨基酸 a-氨基酸是组成蛋白质的基石，蛋白质与生命起源和生命活动密切相关。羧酸分子中烃基上的一个或几个氢原子被氨基取代生成的化合物叫氨基酸。分子中同时含有氨基和羧基的一类化合物。1.按氨基位置分为：a，b，g，w-氨基酸a-氨基酸：(1)酸性氨基酸 -COOH数 -NH2数(2)中性氨基酸 -CO

4、OH数 = -NH2数(3)碱性氨基酸 -COOH数 5)mmm 内酰胺聚酰胺3 与水合茚三酮的显色反应茚茚三酮 水合茚三酮ON=CNH2 + R-CH-COOHOOOHOH2OO水合茚三酮+ CO2 + RCHO蓝紫色OH 用于氨基酸的比色测定和纸层析显色.除-氨基酸外，肽、蛋白质也有此反应。 注：N-取代的-氨基酸、-氨基酸、 -氨基酸等均不与茚三酮发生显色反应。鉴别含有游离氨基的a-氨基酸反应历程：-CO2重排OO-CH-N=CHR氨基茚三酮H2O-RCHOOOCH-NH2-2H2OOOOHOH+ H2N-CH-COOH ROO= N-CH-COOH ROOOHOHOOCHON=CON=

5、COOOOH蓝紫 色15.4 肽的结构及命名1 肽的结构2 肽的命名1 肽的结构二肽肽（缩氨酸）：氨基酸分子间的氨基与羧基脱水，生成以酰胺键相连接的化合物叫做缩氨酸，简称肽（peptides）。肽键：酰胺键又叫肽键。肽键 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。2 肽的命名某氨酰某氨酰某氨酸 肽的命名，是从N-端开始向C-端命名，由左至右依次将每个氨基酸单位写成“某氨酰”，最后一个氨基酸单位的羧基是完整的，写为“某氨酸” ：含有游离H2N-一端叫N端写在左边；含有游离-COOH一端叫C端 写在右边。N端C端命名： 甘氨酰酪氨酰丙氨酸简称

6、： 甘酪丙符号表示： Gly-Tyr-Ala 可以看出：（二肽）2个氨基酸组成肽有2种异构体（二种连接方式）（三肽）3个氨基酸组成肽有6种异构体 （四肽）4个氨基酸组成肽有27种异构体 （六肽）6个氨基酸组成肽有720种异构体15.5 多肽的结构测定及合成1 概述 2 多肽结构的测定3 多肽的合成1.定义多肽: 一般是将相对分子质量在10000以下，能透过半透膜以及不被三氯乙酸或硫酸所沉淀的蛋白质称为多肽。1 概述肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。肽键中的C-N键具有部分双键性质，不能自由旋转。组成肽键的原子处于同一平面。2.肽键构型N近似sp2杂化2 肽链结构的测定1.

7、测定肽或蛋白质的一级结构需要进行下面几项工作：（1）彻底水解，测氨基酸的相对含量，求实验式（2）测相对分子质量，确定分子式（3）测定C-端、N-端是什么氨基酸。（4）测定肽或蛋白质中各氨基酸的排列顺序1、端基分析法端基分析通过一定的化学方法确定肽链的N-端或C-端氨基酸的种类。（1）N端分析法 a) 2，4-二硝基氟苯法b) 异硫氰酸苯酯法(也叫埃德曼降解法)（2）C端分析法a) 羧肽酶法：b) 部分水解法（1）N端分析法 a) 2，4-二硝基氟苯法 桑格法的缺点是在水解时，整个肽链都被破坏，所以在肽链上只能进行一次N-端分析。NO2-FNO2HFOO+ H2N-CH-C-NH-CH-C-NH

8、-肽链-COOHR NO2-NO2-NH-CH-C-NH-CH-C-NH-肽链-COOHOORRHClRNO2-NO2-NH-CH-COOH + H2NCHCOOH + 其它各种氨基酸RR，b) 异硫氰酸苯酯法(也叫埃德曼降解法)苯基硫脲衍生物C6H5NH-C-NH-CH-C-NH-CH-C-NH肽链COOHROR/O SRR/C6H5-N=C=S + HNH-CH-C-NH-CH-C-NH肽链COOHOO异硫氰酸苯酯CCN CHRNHOSC6H5 -咪唑衍生物 + H2N-CH-C-NH肽链COOHOR/肽链其余部分PH=89 H 埃德曼降解法优点是：肽链的其它部分不受影响，因此它可以反复地

9、进行测定第二，第三个氨基酸。+（2）C端分析法a)羧肽酶法： 羧肽酶是催化C-端氨基酸水解的特效酶。在羧肽酶作用下，只有靠近游离羧基的那个肽键发生水解，而其它肽键不变。b)部分水解法部分水解将多肽用蛋白水解酶进行部分水解为许多 小肽，分离后逐个进行端基测定。C-NH-CH-C-NH-CH-COOHROR，OH2O羧肽酶余肽CNH-CH-C-OH + NH2-CH-COOHROR，C-端氨基酸新的C-端O3 多肽的合成（自学）1 反应的特点四种产物(1) 甘氨酰 甘氨酸 甘、甘 甘氨酰 丙氨酸 甘、丙 丙氨酰 甘氨酸 丙、甘 丙氨酰 丙氨酸 丙、丙 （形成不同的肽键）2 氨基的保护与羧基的活化（

10、1）活化COOH：（Y= Cl, OCOR, 等）（2）保护NH2：氯甲酸苄酯 活化目的：增加羰基碳的电正性，有利-NH2亲核进攻，降低反应温度。 保护目的：防止与其它试剂反应，受其它试剂的干扰。NH2CHCOOHRRCOOHNH2保护ROZ-NHCHC-YNH2-CH-C-NH-CHCOOHORRZ-NH-CH-C-NH-CHCOOHORRNH2CHCOOHRZNHCHCOOH活化去保护基+Z（3）合成过程3 合成实例(氯甲酸苄酯) (甘氨酸)(苄氧碳酰甘氨酸) (苄氧碳酰甘酰氯)(甘氨酰丙氨酸)去保护基 1953年 合成催产素（9个氨基酸组成）1965年 中国合成结晶牛胰岛素(51个氨基酸

11、组成)。 1979年 日本合成牛胰核糖核酸酯(124个氨基酸组成)。固定相合成技术 原理：把要合成肽链的末端氨基酸的羧基以共价键与不溶性（固相）高分子树脂相连，形成高分子树脂为酯基的氨基酸酯；其氨基在DCC促进下，与另一氨基保护基的氨基酸反应，形成肽键；脱去氨基保护基，再重复上述操作，增长肽键；最后从固定相上断裂下来，得纯净的多肽。 Bruce Merrifield1984，Nobel Prize组合化学 以树脂为载体，经过几次同步合成可获得上百万个多肽分子。 例如：19种氨基受保护的天然蛋白氨基酸分别连到树脂上，即得19种与树脂相连的氨基酸，混合后脱保护，再分成19份分别与19种氨基受保护的

12、天然氨基酸进行偶联反应，得到1919种与树脂相连的二肽。混合后脱保护，再分成19份，与19种天然氨基酸偶联，可得191919种与树脂相连的三肽，如是进行五次合成可得2476099种五肽（称为250万种五肽库)。15.6 蛋白质的分类、组成和性质1 蛋白质的功能 2 蛋白质的分类3 蛋白质的组成4 蛋白质的性质1 蛋白质的功能输送氧色蛋白、血红蛋白调节代谢激素、酶预防疾病抗体遗传核蛋白2 蛋白质的分类1.按水解产物分类(1) 简单蛋白质： 水解后只能生成-氨基酸的蛋白质。(2) 结合蛋白质： 水解后除生成-氨基酸外，还生成非蛋白物质的蛋白质。 辅基： 结合蛋白质的非蛋白物质通常有糖类、脂类、核酸

13、和各种辅助基团等，它们统称辅基。3.按溶解度不同分类(1) 纤维蛋白 不溶于水，这类蛋白质构成动物的组织。如：丝、羊毛、皮肤、头发、角、爪甲、蹄、羽毛等。(2)球蛋白 可溶于水或酸、碱、盐水溶液，这类蛋白质是在动物体内起着维护、调节生命活动的功能性蛋白质。如：酶、激素等。2.根据辅基不同，结合蛋白质又分为：糖蛋白、脂蛋白、核蛋白、色蛋白3 蛋白质的组成 C O H N S P Fe Zn Mo% 5055 2023 67 1517 0.23 NA= 12000万微 量4 蛋白质的性质1 ） 两性和等电点表15-3 一些蛋白质的等电点在等电点（PI）时蛋白质溶解度最小，易分离2）高分子性质： 在

14、水中为稳定双电层的胶体质点(110m) 其溶液具有丁达尔现象、布朗运动、不能透过半透膜等胶体的性质蛋白质沉淀的方法： 盐析法 (可逆性) 、重金属盐法、加热凝固法等。 3） 蛋白质的变性 受物理（加热、高压、强烈震荡、紫外或X光照射、超声波等）或化学因素（强酸、碱、重金属盐、乙醇、丙酮等有机溶剂）的作用，使蛋白质的理化性质和生物化学性质发生改变。如：Hg2+、Pb2+导致的中毒可服用大量蛋白质15.7 蛋白质的结构1 一级结构2 二级结构3 三级结构4 四级结构1 一级结构 氨基酸在蛋白质肽链中排列的顺序叫做蛋白质的一级结构。一级结构决定生物活性。牛胰岛素：甘-异亮-缬-谷-谷-半胱-半胱-丙

15、-丝-缬-半胱-丝-亮-酪-谷-亮-谷-天冬-酪-半胱苯丙-缬-天冬-谷-组-亮-半胱-甘-丝-组-亮-缬谷丙亮酪亮缬半胱苏赖脯苏酪苯丙苯丙甘精谷甘SSSSSSNH2NH2NH2NH2NH2A链：B链：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 201 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 1930 29 28 27 26 25 24 23 22 21 20天冬21胰核糖核酸酶的一级结构蛋白质中有二种类型的二级结构-螺旋型 -折叠型（由肽链之间的 氢键所造成）（由两条肽链或一条肽链内两段肽链之间

16、形成氢键）H-NC=O H-NC=O- +氢键二级结构 是由于肽键之间的氢键造成。在一个肽键的C=O与另一个肽键的-NH2之间存在氢键。2 二级结构蛋白质肽链的排列形状叫做蛋白质的二级结构。 a-螺旋 (a-helix) b-折叠 (b-pleated sheet)维持三级结构的力来自氨基酸侧链之间的相互作用。主要包括二硫键氢键正负离子间的静电引力（离子键）疏水基团间的亲和力（疏水键）三级结构 实际上蛋白质分子很少以简单的-螺旋或 -折叠型结构存在，而是在二级结构的基础上进一步卷曲折，构成具有特定构象的紧凑结构。3 三级结构4 四级结构四级结构： 各个亚基聚合成大分子的方式称为 蛋白质的四级结

17、构。亚基（原体）：构成蛋白质的肽链。胰岛素： 由相对分子质量为6000或12000的两个以上亚基聚合而成。血红蛋白： 由两条a-链和两条b-链构成的四聚体。 蛋白质的四级结构 肽链中各种氨基酸相互联接的顺序是蛋白质的初级结构，也叫一级结构。 多肽链主链骨架中的若干肽段，通过氢键，形成有规则的构象，这称为二级结构。 -螺旋 -折叠 在二级结构的基础上，多肽链间通过氨基酸残基侧链的相互作用而进行盘旋和折叠，因而产生的特定的三维空间结构，这称为三级结构，也称为蛋白质的亚基。 各个亚基在低聚蛋白中的空间排布及相互作用，称为蛋白质的四级结构。15.8 核 酸1 核酸的组成2 核酸及脱氧核酸3 碱基4 核

18、苷5 核苷酸1 核酸的组成 核酸是从细胞内分离出来的有酸性的生物高分子（多聚核苷酸），是生物合成蛋白质不可缺少的物质，是生物遗传的物质基础。C 、 H 、 O 、 N 、 P 、 S15%16%9%10%蛋白质核蛋白2 核糖及脱氧核糖b-D-呋喃核糖a-D-呋喃核糖 b-D-呋喃脱氧核糖a-D-呋喃脱氧核糖D-（-）核糖D-（-）脱氧核糖3 碱 基核苷酸水解得到碱基嘌呤碱和嘧啶碱。腺嘌呤 (Adenine,简称A)鸟嘌呤 (Guanine ,简称G)胞嘧啶 (Cytosine，简称C)尿嘧啶 (Uracil，简称U)胸腺嘧啶 (Thymine，简称T) 嘌呤： 嘌呤是由一个咪唑环和一个嘧啶环稠

19、合而成的杂环化合物。咪唑 嘧啶 嘌呤4 核 苷 由戊糖和碱基缩合而成的糖苷称为核苷。5 核苷酸 核苷中3和5的羟基被磷酸酯化，就形成核苷酸即核苷酸是核苷的磷酸酯。 核苷酸分为： 核苷酸和脱氧核苷酸15.9 核糖核酸（RNA)和脱氧核糖核酸(DNA)1 RNA和DNA的一级结构 2 DNA的二级结构3 核酸的功能1 RNA和DNA的一级结构核糖核酸（RNA）： 核酸水解得到的核糖的核苷酸。脱氧核糖核酸（DNA）： 核酸水解得到的脱氧核糖的核苷酸。一级结构： 核酸中诸核苷酸之间连键的性质及核苷酸排列的顺序。空间结构： RNA和DNA的一级结构如下所示：RNA结构DNA结构2 DNA的二级结构二级结

20、构：多核苷酸链内或链与链之间通过氢键折叠卷曲的构象。 DNA的二级结构为双螺旋结构。 T-A碱基结构G-C碱基结构DNA的双螺旋结构示意图DNA的双螺旋结构分子模型示意图 DNA复制的示意图3 核酸的功能RNA ： RNA存在于细胞质中。 参与蛋白质的生物合成。DNA ： DNA是遗传信息的携带者，DNA中的遗传信息，传给RNA，再传给蛋白质。 DNA决定生物合成蛋白质的特定结构，DNA重组技术的发展目前，DNA重组技术已经取得的成果是多方面的。到20世纪末，DNA重组技术最大的应用领域在医药方面，包括活性多肽、蛋白质和疫苗的生产，疾病发生机理、诊断和治疗，新基因的分离以及环境监测与净化。基因工程则突破了这一局限性，能够大量生产这类多肽和蛋白质，迄今已成功地生产出治疗糖尿病和精神分裂症的胰岛素，对血癌和某些实体肿瘤有疗效的抗病毒剂干扰素，治疗侏儒症的人体生长激素，治疗肢端肥大症和急性胰腺炎的生长激素释放抑制因子等100多种产品。 人类基