氨基酸多肽和蛋白质核苷酸DNA课件

第8

章生物大分子基础第8章生物大分子基础（1）了解氨基酸、多肽、蛋白质的结构和相互关系。本章学习要求（3）了解核糖核苷酸、DNA和RNA的组成与结构。（4）了解基因和基因工程。（5）了解糖类的化学组成与结构。（2）初步掌握手性化合物构型的R,S标记法则。（1）了解氨基酸、多肽、蛋白质的结构和相互关系。本章学习要求8.1

氨基酸、多肽和蛋白质8.2核苷酸、DNA、RNA和基因工程8.3糖类

目录

8.1氨基酸、多肽和蛋白质8.2核苷酸、DNA、R糖蛋白质核酸氨基酸生命8.1氨基酸、蛋白质和酶糖蛋白质核酸氨基酸生命8.1氨基酸、蛋白质和酶

氨基酸是蛋白质水解的最终产物。

由蛋白质水解得到的氨基酸有20种。

蛋白质水解得到的氨基酸都是属于α-氨基酸，可用如下通式表示：

不同的氨基酸仅仅是R基团部分有所不同。α8.1.1氨基酸氨基酸是蛋白质水解的最终产物。由蛋白质水解得到的氨基酸有序号中文名称英文缩写

结构式甘氨酸Gly(G)丙氨酸Ala(A)

丝氨酸Ser(S)半胱氨酸Cys(C)

5苏氨酸*Thr(T)

表8.120种天然氨基酸的名称和结构序号中文名称英文缩写

6缬氨酸*Val(V)

7亮氨酸*Leu(L)

8

异亮氨酸*Ile(I)

9甲硫氨酸

(蛋氨酸)*Met(M)

10苯丙氨酸*Phe(F)

20种天然氨基酸（续）序号中文名称英文缩写

结构式6缬氨酸*Val(V)色氨酸*

Trp(W)

酪氨酸Tyr(Y)13天冬氨酸

Asp(D)

天冬酰胺

Asn(N)

15谷氨酸Glu(E)

20种天然氨基酸（续）序号中文名称英文缩写

结构式色氨酸*

Trp(W)

20天冬氨酸

Asp(D)

赖氨酸*Lys(K)

精氨酸*Arg(R)

组氨酸*

His(H)

20脯氨酸PrO(P)

20种天然氨基酸（续）序号中文名称英文缩写

结构式天冬氨酸

Asp(D)

20种天然答：表中带*者为人体必需氨基酸，儿童有10种，成人则为前8种。氨基酸特性：无色晶体，熔点较高（一般>200℃）不溶于有机溶剂，易溶于水具有两性思考：什么是必需氨基酸？答：必需氨基酸是人体所必需但自身不能制造的氨基酸，它们必须从食物中摄取。思考：20种氨基酸都是人体必需氨基酸吗？答：表中带*者为人体必需氨基酸，儿童有10种，成人则为前8种除甘氨酸外，其余19种氨基酸的α-碳原子都与4个不相同的基团相连。这种结构的的化合物在空间有两种不同的排布：这两种不同排布的化合物不能重叠，它们之间的关系就像实物和镜像、左手和右手的关系：氨基酸的手性除甘氨酸外，其余19种氨基酸的α-碳原子都与4个不相同的基团☆这种由于基团在空间的排列方式不同引起的异构称为构型异构。☆这种与4个不同基团相连的碳原子称为不对称碳原子，通常用*C表示：**☆这种实物和镜像不能重叠的分子称为手性分子或不对称分子，两者称为一对对映体，其中一个为R-型，另一个为S-型。☆这种由于基团在空间的排列方式不同引起的异构称为构型异构。☆a>b>c>da,b,c顺时针排列，手性碳原子构型为Ra,b,c逆时针排列，手性碳原子构型为Sa>b>c>d肽是氨基酸分子间通过肽键相连的一类化合物。由二个氨基酸缩合而成的叫二肽，由三个氨基酸缩合而成的叫三肽，由较多的氨基酸缩合而成的叫多肽。二肽8.1.2多肽肽键肽是氨基酸分子间通过肽键相连的一类化合物。由二个氨基酸缩合而多肽链可简单表示如下：氨基酸残基N端C端一种广泛存在于动植物细胞中的重要三肽，是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成。它的结构式为：命名

γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸简称

谷胱甘肽多肽链可简单表示如下：氨基酸残基N端C端一种广泛存在于动植物肽键的结构肽键的结构蛋白质是生物体内一类极为重要的功能大分子化合物。

从最简单的病毒、细菌等微生物到高等动物，一切生命过程和繁衍活动都与蛋白质密切相关，可以说没有蛋白质就没有生命。蛋白质种类繁多，结构十分复杂，估计在人体内有几十万种以上的蛋白质。8.1.3蛋白质蛋白质是生物体内一类极为重要的功能大分子化合物。从最简单的为了表示其不同层次的结构，常将蛋白质结构分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。但小分子蛋白质与大分子多肽之间不存在绝对严格的分界线。现在还认为多肽一般没有严密并相对稳定的空间结构，即其空间结构比较易变，具有可塑性；而蛋白质分子具有相对严密，比较稳定的空间结构，这也是蛋白质发挥生物功能的基础，因此一般将胰岛素（牛胰岛素相对分子质量为5733）划归为蛋白质。蛋白质与多肽均是氨基酸的多聚物，通常将相对分子质量在10000以上的称为蛋白质，10000以下的称为多肽。为了表示其不同层次的结构，常将蛋白质结构分为一级结构、二级结蛋白质分子的一级结构是指多肽链中氨基酸残基的连接方式和排列顺序。不同的蛋白质，一级结构不同。蛋白质的一级结构是由基因上的遗传密码的排列顺序决定的。一级结构最为重要，它包含着决定蛋白质空间结构的基本因素，也是蛋白质生物功能的多样性和种属特异性的结构基础。1.蛋白质的一级结构蛋白质分子的一级结构是指多肽链中氨基酸残基的连接方式和排列顺A链含有11种共21个氨基酸残基，N-端为甘氨酸，C-端为天冬酰胺，A链本身的6位和11位上的二个半胱氨酸通过二硫键相连成环；B链含16种共30个氨基酸残基，其N-端为苯丙氨酸，C-端为丙氨酸。

牛胰岛素的一级结构示意图（牛胰岛素由两条肽链共51个氨基酸残基组成）A链含有11种共21个氨基酸残基，N-端为甘氨酸，C-端为天1965年我国科学工作者在世界上首次用人工方法合成具有全部生物活性的结晶牛胰岛素。蛋白质的人工合成不仅在理论上有重大意义，而且为合成比天然产物更有效的多肽抗生素、激素等药物开辟了广阔前景。1965年我国科学工作者在世界上首次用人工方法合成具有全部生蛋白质的空间结构又叫蛋白质的构象、高级结构、立体结构、三维结构等，指的是蛋白质分子中所有原子在三维空间中的排布。维持蛋白质分子构象的作用力有：氢键、盐键、疏水键、范德华力和二硫键等。蛋白质的高级结构主要包括蛋白质的二级结构、三级结构和四级结构。最早研究蛋白质空间结构的20世纪最伟大的化学家L.Pauling，在20世纪30年代就开始应用X-衍射方法来研究蛋白质晶体结构。1951年首先提出了蛋白质的立体结构模型：α-螺旋和β-折叠。2.蛋白质的高级结构蛋白质的空间结构又叫蛋白质的构象、高级结构、立体结构、三维结a．氢键；b．盐键；c．疏水键；d．二硫健附图8.1维持蛋白质分子构象的各种作用力a．氢键；b．盐键；c．疏水键；d．二硫健蛋白质的二级结构是指多肽链的主链骨架中若干肽段在空间的伸展方式。维系主链构象稳定的最主要因素是主链的羰基和亚氨基之间所形成的氢键：蛋白质的二级结构最重要的是α-螺旋和β-折叠，还有β-转角和无规卷曲等。（1）蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构是指多肽链的主链骨架中若干肽段在空间的伸展方在α-螺旋结构中，

多肽链中各肽键平面通过α-碳原子的旋转，围绕中心轴形成一种紧密螺旋盘曲构象。绝大多数蛋白质分子中所存在的α-螺旋几乎都是右手

螺旋。α-螺旋结构在α-螺旋结构中，

多肽链中各肽键平面通过α-碳原子的旋转，α-螺旋其结构特点如下：肽链呈螺旋上升，每相隔3.6个氨基酸残基上升1圈，每个氨基酸残基绕轴旋转100°，沿轴向升高0.15nm，故螺距约为0.54nm；α-螺旋其结构特点如下：肽链呈螺旋上升，每相隔3.6个氨基酸螺旋间靠氢键维系，氢键是由同一条主链上一个氨基酸残基中的C=O氧与后面第四个氨基酸残基中的N-H氢形成，方向与螺旋轴大致平行，由于每个肽键中的C=O和N-H都参与形成链内氢键、故保持了α-螺旋的最大稳定性。螺旋间靠氢键维系，氢键是由同一条主链上一个氨基酸残基中的C=附图8.2α-螺旋的四种表示方法附图8.2α-螺旋的四种表示方法β-折叠：一般有两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段共同参与形成，它们平行排列，并在两条肽链或一条肽链内的两个肽段之间以氢键维系而成。β-折叠结构β-折叠：一般有两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段共同参与纤维状蛋白质一般只有一类二级结构构象单元，而球状蛋白质可能在同一分子内有几类二级结构构象单元。蛋白质的三级结构是指蛋白质（主要指球状蛋白）分子在二级结构的基础上依靠非共价键力进一步卷曲、折叠而构成的一种不规则的、特定的、更复杂的空间结构。β-转角β-折叠α-螺旋无规卷曲(2)蛋白质的三级结构纤维状蛋白质一般只有一类二级结构构象单元，而球状蛋白质可能在图8.2肌红蛋白的三级结构（抹香鲸肌红蛋白的三级结构）

存在于哺乳动物（鲸、海狗和海豚）肌肉中的肌红蛋白是一种较小的球状蛋白，它是由一条含153个氨基酸残基组成的多肽链。主链中75％绕曲成8段比较直的α-螺旋。图8.2肌红蛋白的三级结构（抹香鲸肌红蛋白的三级结构）存1971年我国科学工作者全部完成了0.25nm分辨率的猪胰岛素晶体结构的测定工作。1974年又完成了分辨率为0.18nm的胰岛素晶体结构的分析工作。附图8.3我国测定绘制的猪胰岛素空间结构示意图猪胰岛素结构1971年我国科学工作者全部完成了0.25nm分辨率的猪胰岛蛋白质的四级结构中的每一个具有三级结构的多肽链称为亚基（或亚单位）。一般亚基多为偶数，较小的蛋白质亚基数一般为2～10个，多的可达上千个。血红蛋白有两条α-链、两条β-链，α-链含141个氨基酸残基，β-链含146个氨基酸残基（共4个亚基、近于一个直径为5.5nm的球体）。很多蛋白质是以三级结构的球状蛋白质的聚集体形式存在的。这种由球状蛋白质通过非共价键彼此结合在一起的聚集体称为蛋白质的四级结构。溶菌酶、肌红蛋白等无四级结构。(3)蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构中的每一个具有三级结构的多肽链称为亚基（或亚附图8.4血红蛋白的四级结构

附图8.4血红蛋白的四级结构RNA主要存在于细胞质中，线粒体含量最多，RNA参与体内蛋白质的合成。核酸是一类具有非常重要生物功能和生理活性的大分子化合物，存在于所有的生物体内，它储存着生物体内的遗传信息，与生物的遗传、繁衍、变异等各过程有着密切的联系。DNA主要存在于细胞核内的染色体中，是生物遗传的物质基础。核酸核糖核酸

(RNA)脱氧核糖

核酸(DNA)核蛋白体RNA（rRNA）信使RNA（mRNA）转运RNA（tRNA）8.2核苷酸、DNA/RNA和基因工程RNA主要存在于细胞质中，线粒体含量最多，RNA参与体内蛋白核酸嘌呤碱嘧啶碱脱氧核糖核糖有机碱戊糖核苷酸水解核苷磷酸水解8.2.1核酸的组成核酸嘌呤碱嘧啶碱脱氧核糖核糖有机碱戊糖核苷酸水解核苷磷酸水解含氮有机碱

核酸组成酸H3PO4H3PO4

嘌呤碱

嘧啶碱

D-2-脱氧核糖D-核糖腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)

胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)DNARNA戊醛糖DNA和RNA的组成单元含核酸酸H3PO4H3PO4

核苷酸是核苷中戊糖的3’-位或5’-位羟基与磷酸脱水而形成的核苷磷酸酯，它是核酸的基本组成单位。

5´-腺嘌呤核苷酸3´-胞嘧啶脱氧核苷酸5´-腺苷酸3´-脱氧胞苷酸

5´–AMP3´–dCMP

核苷酸核苷酸是核苷中戊糖的3’-位或5’-位羟基与磷酸脱水而形与蛋白质一样，核酸也有一级结构、二级结构和高级结构。8.2.2核酸的结构1.核酸的一级结构核酸的一级结构是指单核苷酸按一定的种类、数量和排列顺序连接而成的长链。核酸片段结构

不论是RNA分子还是DNA分子，单核苷酸都是通过3’,5’-磷酸二酯键互相连接的，即由核糖或脱氧核糖C-5’上的磷酸基以酯键与另一个核糖或脱氧核糖C-3’相连，如此依次相连形成一条多核苷酸链。与蛋白质一样，核酸也有一级结构、二级结构和高级结构。8.2.DNA分子的双螺旋结构是Watson和Crick等三人于1953年首先提出来的，它为从分子水平揭示生命现象的本质及分子遗传学奠定了基础，被誉为20世纪的三大发现之一。为此，Watson和Crick等三人荣获了1962年的诺贝尔奖。DNA分子是由二条方向相反的平行核苷酸链组成（一条链为3＇→5＇，另一条为5＇→3＇走向），围绕着一中心轴形成一个右手双螺旋结构，螺旋的直径为2.0nm。

2.DNA的二级结构——DNA双螺旋结构DNA分子的双螺旋结构是Watson和Crick等三人于19在双螺旋结构中，碱基是一个平面环状分子，其平面与中心轴垂直。两个相邻碱基对平面间的距离为0.34nm，其旋转夹角为36º。每10个碱基旋转一圈，上升高度恰好是3.40nm。

两条链上的碱基位于链的内侧，磷酸和脱氧核糖在双螺旋的外侧，彼此通过3´,5´-磷酸二酯键结合，形成DNA的骨架。

在双螺旋结构中，碱基是一个平面环状分子，其平面与中心轴垂直。一条链上的嘌呤碱必须与另一条链上的嘧啶碱相配，腺嘌呤（A）通过形成两条氢键与胸腺嘧啶（T）相配；鸟嘌呤（G）经三条氢键与胞嘧啶（C）相配。根据碱基互补规律，当一条链的碱基顺序已被确定，自然另一条链的碱基也被确定。碱基配对规律在蛋白质的体内合成，生物体的生长和生物的遗传等方面有十分重要的意义。它决定了DNA在控制遗传信息方面的高度可靠性。碱基互补规律一条链上的嘌呤碱必须与另一条链上的嘧啶碱相配，腺嘌呤（A）通RNA的二级结构不象DNA分子那样呈极有规律的双螺旋状态。RNA是单链分子，分子中并不严格遵守碱基配对规律。附图8.5丙氨酸转移RNA三叶草结构思考：RNA的结构与DNA相同吗？3.RNA的二级结构RNA的二级结构不象DNA分子那样呈极有规律的双螺旋状态。DNA在复制时，首先是组成双螺旋的二条链先拆分成两条单链，以DNA单链为模板，按照碱基互补原则合成出一条互补的新链，这样新形成的两个子代DNA分子就与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。

在此过程中，每个子代双链DNA分子中都有一条来自母代DNA，另一条则是新合成的。这种复制方式称做半保留复制。由于碱基的严格互补原则，这种DNA半保留复制过程极为可靠，发生错误的可能性仅为一万亿分之一，这就保证了生物种的稳定性和延续性。

8.2.3基因和基因工程1.基因思考：10-12出错率意味着什么？变异进化DNA在复制时，首先是组成双螺旋的二条链先拆分成两条单链，以基因就是有遗传效应的DNA片段。基因表达就是从DNA到蛋白质的过程。生物学中的“中心法则”：将DNA的遗传信息转录生成信使RNA，进而翻译成蛋白质。由此可以看出，DNA控制着蛋白质的合成。一段DNA双螺旋结构解旋，以其中一条单链为模板进行复制，合成出信使RNA。信使RNA中的核苷酸序列决定着蛋白质中的氨基酸序列。基因就是有遗传效应的DNA片段。基因表达就是从DNA到蛋白基因结构改变会引起生物体性状的巨大变化，这样的突变是由基因结构的改变引起的，所以叫“基因突变”。镰刀状贫血病是由于血红蛋白基因中的一个核苷酸T突变为A(遗传密码由CTT变为CAT)，造成蛋白质中的一个谷氨酸被缬氨酸代替，从而引起脱氧血红蛋白溶解度下降，在细胞内成胶或聚合，使红细胞变成镰刀状，并且丧失结合氧分子的能力。镰刀状红细胞正常红细胞基因结构改变会引起生物体性状的巨大变化，这样的突变是由基因结在两个DNA分子之间，或一个DNA分子的两个不同部位之间，按人们的设计方案，通过链断裂和片段的交换重新形成了一个新的、改变了基因的组合和序列的DNA分子的过程称为DNA重组或基因重组。基因工程（基因重组）是将不同的基因在体外人工剪切组合，并和载体的DNA连接，然后转入另一种微生物或细胞内，进行扩增，并使转入的基因在细胞内表达，产生所需要的蛋白质。2基因工程在两个DNA分子之间，或一个DNA分子的两个不同部位之间，按★2000年6月26日科学家成功绘制出人类基因组“工作框架图”。★2001年2月12日，中、美、日、德、法、英6国科学家联合宣布，他们又绘制出了更加准确、清晰、完整的人类基因组图谱。基因测序结果表明，人类基因组共有32亿个碱基对，包含大约3万到4万个基因。这一重大成果标志着生命科学又向纵深迈进了一步。2003年4月15日宣布经13年努力，共同绘制完成由31对碱基组成的人类基因序列图。★人类基因组计划是1990年前后开始实施的，旨在破解人类染色体约30亿对碱基对遗传信息的科研计划，被誉为20世纪实施的三大宏伟计划之一。★2003年12月13日我国科学家在世界上率先完成第一张水稻基因精细图，共6万多个基因。3人类基因组计划★2000年6月26日科学家成功绘制出人类基因组“工作框架杨焕明等来自北京华大基因研究中心和杭州、上海、长沙和西安等地11家中国研究机构近百名研究人员，在题为《水稻基因组序列草图》的论文中宣布，他们采用全基因组鸟枪测序法，以中国和亚太地区主要水稻栽培亚种籼稻为对象，完成了对水稻基因组序列草图的测定和初步分析。水稻基因组序列中国云南红河哈尼梯田，成为2002年4月5日出版的美国《科学》杂志的封面。这份世界权威学术期刊，以封面文章形式和显著篇幅登出中国科学家绘出水稻基因组工作框架图的历史性论文。它标志着在基因组学这一生命科学前沿领域，中国已部分具备世界领先的实力杨焕明等来自北京华大基因研究中心和杭州、上海、长沙和西安等地科学家将根据人类基因图谱，分析人体蛋白在化学和生物学上的正常和变异特性，特别是当人体出现癌症、抑郁症等病变时蛋白细胞的化学变化。将来，人类就可以通过调整基因指令修正人体蛋白的非正常变化。但这一工作的难度要远远大于完成基因图谱研究的工作，需要生物学、化学、物理学、计算机学等多学科人才展开规模空前的通力合作。人类基因组计划的最终目标是弄清楚每种基因制造的蛋白质及其作用。从生理过程来看，基因向细胞发出指令，制造蛋白质；蛋白质再执行维持人的生命活动的功能，如产生热量、分解废物、对抗感染等。科学家将根据人类基因图谱，分析人体蛋白在化学和生物学上的正常在未来3~5年的时间内，国际人类基因组计划的研究内容将集中在以下几个方面：4.继续研究由于基因组计划带来的社会、伦理和法律等方面的内容。1.克隆和测定人类及模式生物（特别是小鼠）的全长DNA序列；2.开发基因识别的软件；3.开展第三代遗传标记研究；附图8.6中国科研人员在进行基因组草图“基本信息”测序

在未来3~5年的时间内，国际人类基因组计划的研究内容将集中在8.3糖类糖类：是组成生命体系的基本物质，是一起生命体维持生命活动所需能量的主要来源之一。

是一类重要的有机化合物，是多羟基醛或多羟基酮及其缩聚物和某些衍生物的总称。

糖类通式：Cn(H2O)m大多数糖类化合物中氢和氧的比例为2:1

糖类主要由碳、氢、氧三种元素构成，包括单糖、单糖的聚合物（低聚糖、多糖）及衍生物

8.3糖类糖类：8.3.1单糖单糖是糖类中结构最简单的一类，是带多个羟基的醛或酮，不能水解成更简单的糖，易溶于水，不溶于乙醚、丙酮等有机溶剂，单糖多是结晶固体，有甜味。简单的单糖一般含有3-7个碳原子。最简单的单糖是含有三个碳原子的甘油醛和二羟基丙酮

甘油醛二羟基丙酮8.3.1单糖单糖是糖类中结构最简单的一类，是带多个羟基的糖类大多含有手性碳原子，自然界中常见的糖类很多都是手性分子，如含有6个碳原子、5个羟基的醛（五羟基己醛糖）就有4个手性碳原子，葡萄糖和古罗糖就是其中的一种。

葡萄糖古罗糖糖类大多含有手性碳原子，自然界中常见的糖类很多都是手性分子，通常，单糖分子在溶液中同时存在着开链结构和环状结构例如，葡萄糖在水溶液中就存在着下列互变异构。通常，单糖分子在溶液中同时存在着开链结构和环状结构8.3.1单糖的聚合物（低聚糖和多糖）通常由10个以下的单糖分子缩合而成的糖类称为低聚糖，又称寡糖。根据一个低聚糖水解后产生的单糖分子数目，低聚糖有二糖、三糖、四糖等。多聚糖则是由10个以上的单糖分子缩合而成。常见的二糖有乳糖、蔗糖、麦芽糖，它们是同分异构体。

蔗糖麦芽糖乳糖8.3.1单糖的聚合物（低聚糖和多糖）通常由10个以下的单本章小结蛋白质有一级结构和高级（二级、三级、四级）结构，决定生理活性的是高级结构。其中最重要的二级结构为α-螺旋。1.氨基酸是组成蛋白质的基本单元蛋白质是由20种α-氨基酸通过肽键组成的天然高分子化合物。20种氨基酸中有8种是必需氨基酸（儿童为10种）。核苷酸是组成核酸的基本结构单位。核苷酸由戊糖、磷酸和碱基组成。核酸可分为脱氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA)。DNA的二级结构是由“碱基互补原则”控制的双螺旋结构。RNA的二级结构一般由一条链组成。2.核苷酸是核酸的基本结构单元本章小结蛋白质有一级结构和高级（二级、三级、四级）结构，决定3.糖类指的是多羟基醛或多羟基酮及其缩聚物和某些衍生物的总称。糖类主要由碳、氢、氧三种元素构成，糖类化合物包括单糖、单糖的聚合物（低聚糖和多糖）及衍生物。3.糖类指的是多羟基醛或多羟基酮及其缩聚物和某些衍生物的总称作业：P320复习思考题部分：1，5，13习题部分：2（1）（3），5，6（1）（3）（5）（6），7.作业：第8

章生物大分子基础第8章生物大分子基础（1）了解氨基酸、多肽、蛋白质的结构和相互关系。本章学习要求（3）了解核糖核苷酸、DNA和RNA的组成与结构。（4）了解基因和基因工程。（5）了解糖类的化学组成与结构。（2）初步掌握手性化合物构型的R,S标记法则。（1）了解氨基酸、多肽、蛋白质的结构和相互关系。本章学习要求8.1

氨基酸、多肽和蛋白质8.2核苷酸、DNA、RNA和基因工程8.3糖类

目录

8.1氨基酸、多肽和蛋白质8.2核苷酸、DNA、R糖蛋白质核酸氨基酸生命8.1氨基酸、蛋白质和酶糖蛋白质核酸氨基酸生命8.1氨基酸、蛋白质和酶

氨基酸是蛋白质水解的最终产物。

由蛋白质水解得到的氨基酸有20种。

蛋白质水解得到的氨基酸都是属于α-氨基酸，可用如下通式表示：

不同的氨基酸仅仅是R基团部分有所不同。α8.1.1氨基酸氨基酸是蛋白质水解的最终产物。由蛋白质水解得到的氨基酸有序号中文名称英文缩写

结构式甘氨酸Gly(G)丙氨酸Ala(A)

丝氨酸Ser(S)半胱氨酸Cys(C)

5苏氨酸*Thr(T)

表8.120种天然氨基酸的名称和结构序号中文名称英文缩写

6缬氨酸*Val(V)

7亮氨酸*Leu(L)

8

异亮氨酸*Ile(I)

9甲硫氨酸

(蛋氨酸)*Met(M)

10苯丙氨酸*Phe(F)

20种天然氨基酸（续）序号中文名称英文缩写

结构式6缬氨酸*Val(V)色氨酸*

Trp(W)

酪氨酸Tyr(Y)13天冬氨酸

Asp(D)

天冬酰胺

Asn(N)

15谷氨酸Glu(E)

20种天然氨基酸（续）序号中文名称英文缩写

结构式色氨酸*

Trp(W)

20天冬氨酸

Asp(D)

赖氨酸*Lys(K)

精氨酸*Arg(R)

组氨酸*

His(H)

20脯氨酸PrO(P)

20种天然氨基酸（续）序号中文名称英文缩写

结构式天冬氨酸

Asp(D)

20种天然答：表中带*者为人体必需氨基酸，儿童有10种，成人则为前8种。氨基酸特性：无色晶体，熔点较高（一般>200℃）不溶于有机溶剂，易溶于水具有两性思考：什么是必需氨基酸？答：必需氨基酸是人体所必需但自身不能制造的氨基酸，它们必须从食物中摄取。思考：20种氨基酸都是人体必需氨基酸吗？答：表中带*者为人体必需氨基酸，儿童有10种，成人则为前8种除甘氨酸外，其余19种氨基酸的α-碳原子都与4个不相同的基团相连。这种结构的的化合物在空间有两种不同的排布：这两种不同排布的化合物不能重叠，它们之间的关系就像实物和镜像、左手和右手的关系：氨基酸的手性除甘氨酸外，其余19种氨基酸的α-碳原子都与4个不相同的基团☆这种由于基团在空间的排列方式不同引起的异构称为构型异构。☆这种与4个不同基团相连的碳原子称为不对称碳原子，通常用*C表示：**☆这种实物和镜像不能重叠的分子称为手性分子或不对称分子，两者称为一对对映体，其中一个为R-型，另一个为S-型。☆这种由于基团在空间的排列方式不同引起的异构称为构型异构。☆a>b>c>da,b,c顺时针排列，手性碳原子构型为Ra,b,c逆时针排列，手性碳原子构型为Sa>b>c>d肽是氨基酸分子间通过肽键相连的一类化合物。由二个氨基酸缩合而成的叫二肽，由三个氨基酸缩合而成的叫三肽，由较多的氨基酸缩合而成的叫多肽。二肽8.1.2多肽肽键肽是氨基酸分子间通过肽键相连的一类化合物。由二个氨基酸缩合而多肽链可简单表示如下：氨基酸残基N端C端一种广泛存在于动植物细胞中的重要三肽，是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成。它的结构式为：命名

γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸简称

谷胱甘肽多肽链可简单表示如下：氨基酸残基N端C端一种广泛存在于动植物肽键的结构肽键的结构蛋白质是生物体内一类极为重要的功能大分子化合物。

从最简单的病毒、细菌等微生物到高等动物，一切生命过程和繁衍活动都与蛋白质密切相关，可以说没有蛋白质就没有生命。蛋白质种类繁多，结构十分复杂，估计在人体内有几十万种以上的蛋白质。8.1.3蛋白质蛋白质是生物体内一类极为重要的功能大分子化合物。从最简单的为了表示其不同层次的结构，常将蛋白质结构分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。但小分子蛋白质与大分子多肽之间不存在绝对严格的分界线。现在还认为多肽一般没有严密并相对稳定的空间结构，即其空间结构比较易变，具有可塑性；而蛋白质分子具有相对严密，比较稳定的空间结构，这也是蛋白质发挥生物功能的基础，因此一般将胰岛素（牛胰岛素相对分子质量为5733）划归为蛋白质。蛋白质与多肽均是氨基酸的多聚物，通常将相对分子质量在10000以上的称为蛋白质，10000以下的称为多肽。为了表示其不同层次的结构，常将蛋白质结构分为一级结构、二级结蛋白质分子的一级结构是指多肽链中氨基酸残基的连接方式和排列顺序。不同的蛋白质，一级结构不同。蛋白质的一级结构是由基因上的遗传密码的排列顺序决定的。一级结构最为重要，它包含着决定蛋白质空间结构的基本因素，也是蛋白质生物功能的多样性和种属特异性的结构基础。1.蛋白质的一级结构蛋白质分子的一级结构是指多肽链中氨基酸残基的连接方式和排列顺A链含有11种共21个氨基酸残基，N-端为甘氨酸，C-端为天冬酰胺，A链本身的6位和11位上的二个半胱氨酸通过二硫键相连成环；B链含16种共30个氨基酸残基，其N-端为苯丙氨酸，C-端为丙氨酸。

牛胰岛素的一级结构示意图（牛胰岛素由两条肽链共51个氨基酸残基组成）A链含有11种共21个氨基酸残基，N-端为甘氨酸，C-端为天1965年我国科学工作者在世界上首次用人工方法合成具有全部生物活性的结晶牛胰岛素。蛋白质的人工合成不仅在理论上有重大意义，而且为合成比天然产物更有效的多肽抗生素、激素等药物开辟了广阔前景。1965年我国科学工作者在世界上首次用人工方法合成具有全部生蛋白质的空间结构又叫蛋白质的构象、高级结构、立体结构、三维结构等，指的是蛋白质分子中所有原子在三维空间中的排布。维持蛋白质分子构象的作用力有：氢键、盐键、疏水键、范德华力和二硫键等。蛋白质的高级结构主要包括蛋白质的二级结构、三级结构和四级结构。最早研究蛋白质空间结构的20世纪最伟大的化学家L.Pauling，在20世纪30年代就开始应用X-衍射方法来研究蛋白质晶体结构。1951年首先提出了蛋白质的立体结构模型：α-螺旋和β-折叠。2.蛋白质的高级结构蛋白质的空间结构又叫蛋白质的构象、高级结构、立体结构、三维结a．氢键；b．盐键；c．疏水键；d．二硫健附图8.1维持蛋白质分子构象的各种作用力a．氢键；b．盐键；c．疏水键；d．二硫健蛋白质的二级结构是指多肽链的主链骨架中若干肽段在空间的伸展方式。维系主链构象稳定的最主要因素是主链的羰基和亚氨基之间所形成的氢键：蛋白质的二级结构最重要的是α-螺旋和β-折叠，还有β-转角和无规卷曲等。（1）蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构是指多肽链的主链骨架中若干肽段在空间的伸展方在α-螺旋结构中，

多肽链中各肽键平面通过α-碳原子的旋转，围绕中心轴形成一种紧密螺旋盘曲构象。绝大多数蛋白质分子中所存在的α-螺旋几乎都是右手

螺旋。α-螺旋结构在α-螺旋结构中，

多肽链中各肽键平面通过α-碳原子的旋转，α-螺旋其结构特点如下：肽链呈螺旋上升，每相隔3.6个氨基酸残基上升1圈，每个氨基酸残基绕轴旋转100°，沿轴向升高0.15nm，故螺距约为0.54nm；α-螺旋其结构特点如下：肽链呈螺旋上升，每相隔3.6个氨基酸螺旋间靠氢键维系，氢键是由同一条主链上一个氨基酸残基中的C=O氧与后面第四个氨基酸残基中的N-H氢形成，方向与螺旋轴大致平行，由于每个肽键中的C=O和N-H都参与形成链内氢键、故保持了α-螺旋的最大稳定性。螺旋间靠氢键维系，氢键是由同一条主链上一个氨基酸残基中的C=附图8.2α-螺旋的四种表示方法附图8.2α-螺旋的四种表示方法β-折叠：一般有两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段共同参与形成，它们平行排列，并在两条肽链或一条肽链内的两个肽段之间以氢键维系而成。β-折叠结构β-折叠：一般有两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段共同参与纤维状蛋白质一般只有一类二级结构构象单元，而球状蛋白质可能在同一分子内有几类二级结构构象单元。蛋白质的三级结构是指蛋白质（主要指球状蛋白）分子在二级结构的基础上依靠非共价键力进一步卷曲、折叠而构成的一种不规则的、特定的、更复杂的空间结构。β-转角β-折叠α-螺旋无规卷曲(2)蛋白质的三级结构纤维状蛋白质一般只有一类二级结构构象单元，而球状蛋白质可能在图8.2肌红蛋白的三级结构（抹香鲸肌红蛋白的三级结构）

存在于哺乳动物（鲸、海狗和海豚）肌肉中的肌红蛋白是一种较小的球状蛋白，它是由一条含153个氨基酸残基组成的多肽链。主链中75％绕曲成8段比较直的α-螺旋。图8.2肌红蛋白的三级结构（抹香鲸肌红蛋白的三级结构）存1971年我国科学工作者全部完成了0.25nm分辨率的猪胰岛素晶体结构的测定工作。1974年又完成了分辨率为0.18nm的胰岛素晶体结构的分析工作。附图8.3我国测定绘制的猪胰岛素空间结构示意图猪胰岛素结构1971年我国科学工作者全部完成了0.25nm分辨率的猪胰岛蛋白质的四级结构中的每一个具有三级结构的多肽链称为亚基（或亚单位）。一般亚基多为偶数，较小的蛋白质亚基数一般为2～10个，多的可达上千个。血红蛋白有两条α-链、两条β-链，α-链含141个氨基酸残基，β-链含146个氨基酸残基（共4个亚基、近于一个直径为5.5nm的球体）。很多蛋白质是以三级结构的球状蛋白质的聚集体形式存在的。这种由球状蛋白质通过非共价键彼此结合在一起的聚集体称为蛋白质的四级结构。溶菌酶、肌红蛋白等无四级结构。(3)蛋白质的四级结构蛋白质的四级结构中的每一个具有三级结构的多肽链称为亚基（或亚附图8.4血红蛋白的四级结构

附图8.4血红蛋白的四级结构RNA主要存在于细胞质中，线粒体含量最多，RNA参与体内蛋白质的合成。核酸是一类具有非常重要生物功能和生理活性的大分子化合物，存在于所有的生物体内，它储存着生物体内的遗传信息，与生物的遗传、繁衍、变异等各过程有着密切的联系。DNA主要存在于细胞核内的染色体中，是生物遗传的物质基础。核酸核糖核酸

(RNA)脱氧核糖

核酸(DNA)核蛋白体RNA（rRNA）信使RNA（mRNA）转运RNA（tRNA）8.2核苷酸、DNA/RNA和基因工程RNA主要存在于细胞质中，线粒体含量最多，RNA参与体内蛋白核酸嘌呤碱嘧啶碱脱氧核糖核糖有机碱戊糖核苷酸水解核苷磷酸水解8.2.1核酸的组成核酸嘌呤碱嘧啶碱脱氧核糖核糖有机碱戊糖核苷酸水解核苷磷酸水解含氮有机碱

核酸组成酸H3PO4H3PO4

嘌呤碱

嘧啶碱

D-2-脱氧核糖D-核糖腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)

胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)DNARNA戊醛糖DNA和RNA的组成单元含核酸酸H3PO4H3PO4

核苷酸是核苷中戊糖的3’-位或5’-位羟基与磷酸脱水而形成的核苷磷酸酯，它是核酸的基本组成单位。

5´-腺嘌呤核苷酸3´-胞嘧啶脱氧核苷酸5´-腺苷酸3´-脱氧胞苷酸

5´–AMP3´–dCMP

核苷酸核苷酸是核苷中戊糖的3’-位或5’-位羟基与磷酸脱水而形与蛋白质一样，核酸也有一级结构、二级结构和高级结构。8.2.2核酸的结构1.核酸的一级结构核酸的一级结构是指单核苷酸按一定的种类、数量和排列顺序连接而成的长链。核酸片段结构

不论是RNA分子还是DNA分子，单核苷酸都是通过3’,5’-磷酸二酯键互相连接的，即由核糖或脱氧核糖C-5’上的磷酸基以酯键与另一个核糖或脱氧核糖C-3’相连，如此依次相连形成一条多核苷酸链。与蛋白质一样，核酸也有一级结构、二级结构和高级结构。8.2.DNA分子的双螺旋结构是Watson和Crick等三人于1953年首先提出来的，它为从分子水平揭示生命现象的本质及分子遗传学奠定了基础，被誉为20世纪的三大发现之一。为此，Watson和Crick等三人荣获了1962年的诺贝尔奖。DNA分子是由二条方向相反的平行核苷酸链组成（一条链为3＇→5＇，另一条为5＇→3＇走向），围绕着一中心轴形成一个右手双螺旋结构，螺旋的直径为2.0nm。

2.DNA的二级结构——DNA双螺旋结构DNA分子的双螺旋结构是Watson和Crick等三人于19在双螺旋结构中，碱基是一个平面环状分子，其平面与中心轴垂直。两个相邻碱基对平面间的距离为0.34nm，其旋转夹角为36º。每10个碱基旋转一圈，上升高度恰好是3.40nm。

两条链上的碱基位于链的内侧，磷酸和脱氧核糖在双螺旋的外侧，彼此通过3´,5´-磷酸二酯键结合，形成DNA的骨架。

在双螺旋结构中，碱基是一个平面环状分子，其平面与中心轴垂直。一条链上的嘌呤碱必须与另一条链上的嘧啶碱相配，腺嘌呤（A）通过形成两条氢键与胸腺嘧啶（T）相配；鸟嘌呤（G）经三条氢键与胞嘧啶（C）相配。根据碱基互补规律，当一条链的碱基顺序已被确定，自然另一条链的碱基也被确定。碱基配对规律在蛋白质的体内合成，生物体的生长和生物的遗传等方面有十分重要的意义。它决定了DNA在控制遗传信息方面的高度可靠性。碱基互补规律一条链上的嘌呤碱必须与另一条链上的嘧啶碱相配，腺嘌呤（A）通RNA的二级结构不象DNA分子那样呈极有规律的双螺旋状态。RNA是单链分子，分子中并不严格遵守碱基配对规律。附图8.5丙氨酸转移RNA三叶草结构思考：RNA的结构与DNA相同吗？3.RNA的二级结构RNA的二级结构不象DNA分子那样呈极有规律的双螺旋状态。DNA在复制时，首先是组成双螺旋的二条链先拆分成两条单链，以DNA单链为模板，按照碱基互补原则合成出一条互补的新链，这样新形成的两个子代DNA分子就与原来DNA分子的碱基顺序完全一样。

在此过程中，每个子代双链DNA分子中都有一条来自母代DNA，另一条则是新合成的。这种复制方式称做半保留复制。由于碱基的严格互补原则，这种DNA半保留复制过程极为可靠，发生错误的可能性仅为一万亿分之一，这就保证了生物种的稳定性和延续性。

8.2.3基因和基因工程1.基因思考：10-12出错率意味着什么？变异进化DNA在复制时，首先是组成双螺旋的二条链先拆分成两条单链，以基因就是有遗传效应的DNA片段。基因表达就是从DNA到蛋白质的过程。生物学中的“中心法则”：将DNA的遗传信息转录生成信使RNA，进而翻译成蛋白质。由此可以看出，DNA控制着蛋白质的合成。一段DNA双螺旋结构解旋，以其中一条单链为模板进行复制，合成出信使RNA。信使RNA中的核苷酸序列决定着蛋白质中的氨基酸序列。基因就是有遗传效应的DNA片段。基因表达就是从DNA到蛋白基因结构改变会引起生物体性状的巨大变化，这样的突变是由基因结构的改变引起的，所以叫“基因突变”。镰刀状贫血病是由于血红蛋白基因中的一个核苷酸T突变为A(遗传密码由CTT变为CAT)，造成蛋白质中的一个谷氨酸被缬氨酸代替，从而引起脱氧血红蛋白溶解度下降，在细胞内成胶或聚合，使红细胞变成镰刀状，并且丧失结合氧分子的能力。镰刀状红细胞正常红细胞基因结构改变会引起生物体性状的巨大变化，这样的突变是由基因结在两个DNA分子之间，或一个DNA分子的两个不同部位之间，按人们的设计方案，通过链断裂和片段的交换重新形成了一个新的、改变了基因的组合和序列的DNA分子的过程称为DNA重组或基因重组。基因工程（基因重组）是将不同的基因在体外人工剪切组合，并和载体的DNA连接，然后转入另一种微生物或细胞内，进行扩增，并使转入的基因在细胞内表达，产生所需要的蛋白质。2基因工程在两个DNA分子之间，或一个DNA分子的两个不同部位之间，按★2000年6月26日科学家成功绘制出人类基因组“工作框架图”。★2001年2月12日，中、美、日、德、法、英6国科学家联合宣布，他们又绘制出了更加准确、清晰、完整的人类基因组图谱。基因测序结果表明，人类基因组共有32亿个碱基对，包含大约3万到4万个基因。这一重大成果标志着生命科学又向纵深迈进了一步。2003年4月15日宣布经13年努力，共同绘制完成由31对碱基组成的人类基因序列图。★人类基因组计划是1990年前后开始实施的，旨在破解人类染色体约30亿对碱基对遗传信息的科研计划，被誉为20世纪实施的三大宏伟计划之一。★2003年12月13日我国科学家在世界上率先完成第一张水稻基因精细图，共6万多个基因。3人类基因组计划★2000年6月26日科学家成功绘制出人类基因组“工作框架杨焕明等来自北京华大基因研究中心和杭州、上海、长沙和西安等地11家中国研究机构近百名研究人员，在题为《水稻基因组序列草图》的论文中宣布，他们采用全基因组鸟枪测序法，