蛋白质和核酸

蛋白质和核酸1第1页，共40页，2023年，2月20日，星期二

第十四章蛋白质和氨基酸

第一节氨基酸

一、α-氨基酸的结构、分类和命名

氨基酸是羧酸分子中碳链上的氢原子被氨基取代后的生成物。分子中含有氨基和羧基两种官能团。

氨基酸按分子中所含－NH2和－COOH的相对位置，可将其分为：

在这些类氨基酸中，与人关系最为密切的是α-氨基酸。它是构成蛋白质的基本单元。

2第2页，共40页，2023年，2月20日，星期二在这20多种α-氨基酸中，有八种是人体所需要的必需氨基酸（即人体本身不能合成的氨基酸）。它们是：这20多种α-氨基酸又可分为：1.中性氨基酸：3第3页，共40页，2023年，2月20日，星期二

2.碱性氨基酸：

分子中－NH2和－COOH的数目相等。如：

分子中－NH2数目＞－COOH数目。如：3.酸性氨基酸：

分子中－COOH数目＞－NH2

数目。如：

氨基酸的结构特点：

除甘氨酸外，所有的氨基酸分子的α-碳原子都具手性碳原子，4第4页，共40页，2023年，2月20日，星期二

蛋白质水解得到的氨基酸，其构型均为L–型。因而都具有旋光性。其构型与甘油醛的关系是：

氨基酸构型的标记通常采用D/L命名法；而分子中手性碳原子的标记则采用R/S命名法。

绝大多数α-氨基酸的R/S构型为S–型。5第5页，共40页，2023年，2月20日，星期二

二、α-氨基酸的性质α-氨基酸为白色结晶固体，具有较高熔点，其熔点约为200~300℃

，且大多数在熔化时分解。α-氨基酸易溶于水，略溶于甲醇、乙醇，难溶于乙醚、四氯化碳、苯等有机溶剂。除甘氨酸外α-氨基酸都含有手性碳原子，因此具有旋光性。α-氨基酸具有较高的熔点——因其以内盐的形式存在。1、两性性质和等电点氨基酸既含有氨基，可接受H+，又含有羧基，可电离出H+，所以氨基酸具有酸碱两性性质。通常情况下，氨基酸以两性离子的形式存在，氨基酸在溶液中存在下列平衡：，如下图所示：6第6页，共40页，2023年，2月20日，星期二

若调节溶液的pH值，使－NH2和－COOH的离子化程度相等，即：正负电荷数相等，氨基酸所带的净电荷为零，在电场中既不向阴极移动，也不向阳极移动，此时氨基酸所处溶液pH值称之为该氨基酸的等电点，以pI表示。氨基酸在等电点时主要以两性离子状态存在。氨基酸在等电点时溶解度最小，易沉淀。氨基酸在不同pH溶液中所带电荷不同，可用电泳法分离氨基酸。PH=PIPH<PIPH>PI7第7页，共40页，2023年，2月20日，星期二练习1：丙氨酸（PI=6.0)

(1)在PH=2时的电场中向何方移动？

（2）在水溶液中向电场中向何方移动？练习2：色氨酸（PI=5.89)

(1)在PH=12时向电场中何方移动？

（2）在PH=1时向电场中何方移动？练习3：谷氨酸（PI=3.22)溶于水后

(1)以何种离子形式存在？

（2）向电场中何方移动？负，阳极阳极，阴极

阴极，阳极8第8页，共40页，2023年，2月20日，星期二2、与2，4-二硝基氟苯（DNFB）反应在近中性和室温条件下，α-氨基酸中游离的氨基与2，4-二硝基氟苯反应，生成黄色的2，4二硝基苯氨基酸（简称DNP-氨基酸）利用色谱法分离并与标准DNP-氨基酸比较，就可确定是哪一种氨基酸。此法是由英国两次诺贝尔奖获得者桑格尔首先提出的，常用于肽链的N-端分析。3、与亚硝酸反应

α-氨基酸中游离的氨基可与亚硝酸反应生成羟基酸，并放出氮气，根据放出氮气的量可计算出α-氨基酸的含量。此法称为范斯莱克（VanSlyke）氨基测定法。脯氨酸不含游离的氨基除外。9第9页，共40页，2023年，2月20日，星期二4、与甲醛的反应氨基酸分子中氨基与甲醛发生亲核加成反应，生成N，N-二羟甲基氨基酸，使氨基的碱性消失，可用标准碱滴定，测定氨基酸的含量。5、氧化脱氨反应

α-氨基酸中的氨基被氧化剂氧化，或在生物体内酶的作用下生成α-亚氨基酸，然后经过水解、脱氨生成α-酮酸。α-酮酸是生物体内代谢的重要物质。10第10页，共40页，2023年，2月20日，星期二6、配位反应氨基酸分子中的羧基可以与金属成盐，同时氨基氮上的未共用电子对可与某些金属形成配位键，生成稳定的配合物。例如氨基酸与铜离子生成蓝色结晶，可用于分离或鉴定氨基酸。11第11页，共40页，2023年，2月20日，星期二7、成肽反应一个氨基酸的羧基中的羟基与另一个氨基酸中的氨基脱水，生成含有酰胺键的化合物。由两个氨基酸分子脱水形成的肽叫二肽，由三个氨基酸分子脱水形成的肽叫三肽，由多个氨基酸分子脱水形成的肽叫多肽。例如12第12页，共40页，2023年，2月20日，星期二多肽的书写是将含有游离氨基的一端写在左边，叫N-端；含有游离羧基的一端写在右边，C-端。例如：多肽的命名是以C-端的α–氨基酸为母体，在母体氨基酸名称前按氨基酸的排列顺序从N-端开始，依次加上氨基酸残基相应的酰基名称。例如：13第13页，共40页，2023年，2月20日，星期二练习1：一个五肽分子部分水解得到3个三肽，即谷-精-甘，甘-谷-精，精-甘-苯丙，经N-端分析发现N-端为甘氨酸。请写出该五肽中氨基酸的连接顺序。谷-精-甘甘-谷-精精-甘-苯丙甘-谷-精-甘-苯丙14第14页，共40页，2023年，2月20日，星期二8、与茚三酮的反应α-氨基酸在弱酸溶液中与水合茚三酮共热，经氧化、脱氨、脱羧、缩合等反应，生成醛，放出二氧化碳，同时生成蓝紫色物质。此反应较复杂，其反应式简单表示如下：凡含有游离氨基的α-氨基酸都有此反应，β-、γ-氨基酸无此反应，该反应用于α-氨基酸（脯氨酸除外）的定性和定量分析。15第15页，共40页，2023年，2月20日，星期二练习：鉴别下列化合物16第16页，共40页，2023年，2月20日，星期二第二节蛋白质一、蛋白质的分类蛋白质的种类很多，常根据其组成、性质、生理功能和来源分类。1、根据化学组成不同分类（1）简单蛋白质：只有α–氨基酸组成的蛋白质。例如白蛋白、球蛋白、谷蛋白等。（2）结合蛋白：是由简单蛋白和非蛋白两部分组成。非蛋白部分称为辅基，作为辅基的有脂类、糖类、磷酸、色素、核酸、金属离子等。它们与蛋白质结合分别组成脂蛋白、糖蛋白、磷蛋白、色蛋白、核蛋白、金属蛋白等。2、根据溶解性不同分类（1）白蛋白：不溶于水和稀盐酸，加热则凝固。例如血清蛋白、卵清蛋白等。17第17页，共40页，2023年，2月20日，星期二（2）球蛋白：不溶或微溶于水，可溶于5％~10％的稀NaCl溶液。例如血清蛋白、大豆球蛋白等。（3）醇溶蛋白：不溶于水，可溶于稀酸、稀碱溶液及70％~80％的醇溶液。例如麦胶蛋白、玉米胶蛋白等。（4）谷蛋白：不溶于水，可溶于稀酸、稀碱溶液。例如米、麦谷蛋白等。（5）组蛋白：溶于水和稀酸，是一种能水解产生大量精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白质。例如胸腺组蛋白、胰腺组蛋白等。（6）精蛋白：溶于水及稀酸，遇热不凝固，是一种摩尔质量小，主要精氨酸组成的碱性蛋白质。例如鱼精蛋白。（7）硬蛋白：不溶于溶于稀酸、稀碱和稀盐溶液，但溶于强酸强碱。3、根据形状不同分类（1）纤维状蛋白：又称结构蛋白。多呈丝状，多不溶于水，对蛋白质水解酶有较强的抵抗作用。（2）球状蛋白：呈球状或椭圆形，一般溶于水、稀酸、稀碱稀盐及乙醇溶液。如清蛋白、酪蛋白等。18第18页，共40页，2023年，2月20日，星期二4、根据生理功能不同分类（1）活性蛋白：具有生理活性。如：酶、激素、抗体、收缩蛋白、运输蛋白等（2）非活性蛋白：担任生物的保护或支持作用，但本身不具有生物活性的蛋白。如清蛋白、酪蛋白、角蛋白等5、根据来源不同分类根据生物来源可分为植物蛋白、动物蛋白和微生物蛋白。微生物蛋白是将一些非蛋白物质如烃类、醇类、纤维素类等，经微生物作用转化而成的单株细胞蛋白，这是近十年来新开发的蛋白资源之一。19第19页，共40页，2023年，2月20日，星期二二、蛋白质的结构蛋白质是由许多α-氨基酸通过肽键连接而成的生物高分子化合物，结构复杂，为研究方便，通常将蛋白质的结构分为四级。1、蛋白质的一级结构：α-氨基酸按照一定的组成、一定的排列顺序通过肽键连接而成的多肽链称为蛋白质的一级结构。各种蛋白质的生理活性首先是由一级结构决定的，有时改变一个氨基酸或化学键就会引起生理功能的巨大变化。2、蛋白质的二级结构蛋白质的多肽链借助于氢键进行卷曲、盘旋或折叠，形成特定的空间构象，称为蛋白质的二级结构。蛋白质的二级结构重要有两种形式，即α-螺旋和β-折叠片层结构。（1）α-螺旋结构多肽链绕中心轴线呈螺旋上升，每隔3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，每圈绕轴上升0.54nm。螺旋体是通过链内氢键维持其稳定性，氢键的取向几乎与中心轴平行。（2）β-折叠结构两条充分伸展的肽链相互平行或一条多肽链回折，通过分子间氢键结合在一起就形成了蛋白质的β-折叠结构。有平行折叠和反平行折叠两种。20第20页，共40页，2023年，2月20日，星期二21第21页，共40页，2023年，2月20日，星期二

蛋白质的α-螺旋结构22第22页，共40页，2023年，2月20日，星期二

蛋白质的β-折叠结构23第23页，共40页，2023年，2月20日，星期二3、蛋白质的三级结构蛋白质的多肽链在二级结构的基础上，通过副键（肽键以外的键）进一步盘旋或折叠形成的更复杂的空间构象，称为蛋白质的三级结构。蛋白质的三级结构有纤维状和球状两种。（1）纤维状蛋白几条具有α-螺旋结构的肽链借助副键作用互相扭成绳索状，有“螺旋的螺旋”之称。（2）球状蛋白蛋白质多肽链折叠、卷曲成很不规则，但具有特定结构的球形或椭圆形。4、蛋白质的四级结构两条或两条以上具有三级结构的肽链以非共价键（如氢键、盐键、分子间作用力等）结合而成特定的空间构象，成为蛋白质的四级结构。其中每一条肽链称为亚基，亚基单独存在并无生物活性，只有聚合成四级结构时才有完整的生物活性。并非所有的蛋白质都有四级结构。24第24页，共40页，2023年，2月20日，星期二三、蛋白质的性质1、两性性质和等电点由于蛋白质是由氨基酸组成的，因此蛋白质和氨基酸一样具有两性性质和等电点。蛋白质在溶液中存在如下平衡：

蛋白质在等电点时溶解度最小，利用此性质，可以分离和纯化蛋白质。25第25页，共40页，2023年，2月20日，星期二2、水解反应蛋白质在酸或碱的催化下可以彻底水解，生成α-氨基酸的混合物。若在酶的催化下逐步水解，可以得到示、胨、多肽、等一系列摩尔质量逐渐减小的中间产物。蛋白质→示→胨→多肽→二肽→α-氨基酸3、胶体性质蛋白质是生物高分子化合物，分子颗粒的直径在1~100nm之间，具有胶体溶液的特性，如布朗运动、丁道尔现象、不能透过半透膜等。26第26页，共40页，2023年，2月20日，星期二4、蛋白质的沉淀在蛋白质溶液中加入适当的试剂，破坏蛋白质的水化膜或中和蛋白质分子表面的电荷，蛋白质就会沉淀下来。蛋白质的沉淀分为可逆沉淀和不可逆沉淀。（1）可逆沉淀在蛋白质溶液中加入中性盐，既能中和蛋白质胶粒所带的电荷，又能破坏蛋白质的水化膜，使蛋白质成为裸露的粒子，相互凝聚而沉淀。这个过程叫盐析。若加入大量的水，蛋白质又重新溶解。因此盐析作用是可逆沉淀。可逆沉淀的蛋白质结构基本不发生改变仍保持原来的生理活性。（2）不可逆沉淀不可逆沉淀是指沉淀出来的蛋白质分子，内部结构发生了较大的改变，蛋白质已失去其原来的生物活性，即使沉淀因素消失后，沉淀也不会重新溶解。a与有机溶剂作用某些水溶性有机溶剂如乙醇、丙酮等，由于与水有较强的水化作用，能破坏蛋白质表面的水化膜，可使蛋白质沉淀下来。在低温及短时间内，这种沉淀是可逆的。但当作用时间较长或温度较高时，有机溶剂可渗入蛋白质内部破坏其空间结构的副键，形成不可逆沉淀。27第27页，共40页，2023年，2月20日，星期二b与重金属盐作用重金属盐如汞盐、铅盐、银盐等在碱性溶液中与蛋白质负离子结合形成难溶性盐，可使蛋白质沉淀。这种沉淀不再溶于水，是不可逆沉淀。c与生物碱试剂作用生物碱试剂多为酸性化合物，如三氯乙酸、苦味酸、鞣酸、磷钨酸等，能与蛋白质正离子结合形成难溶物，也使蛋白质产生不可逆沉淀。

28第28页，共40页，2023年，2月20日，星期二5、蛋白质的变性物理因素：干燥、高温、高压、紫外线、超声波、X-射线、剧烈振荡和搅拌等。化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、生物碱试剂、表面活性剂等。注：变性不一定沉淀，沉淀不一定变性，不可逆沉淀一定变性。6、蛋白质的显色反应

(1)、缩二脲反应蛋白质与硫酸铜的碱性溶液反应，生成紫红色物质，称之为缩二脲反应。凡是分子中含有两个或两个以上肽键的化合物都能发生此反应。

(2)、茚三酮反应蛋白质和α-氨基酸一样，与茚三酮的稀溶液共热，生成蓝紫色物质，可用来鉴别蛋白质。29第29页，共40页，2023年，2月20日，星期二(3)、黄蛋白反应含有苯环侧链的蛋白质溶液与浓硝酸反应生成白色沉淀，加热后变为黄色，这一反应称为黄蛋白反应，可用于鉴别含有苯环结构的蛋白质。

(4)、米隆反应蛋白质与米隆试剂（硝酸汞、亚硝酸汞、硝酸和亚硝酸的混合物）作用，生成白色沉淀，加热后变为红色沉淀。含有酚羟基的氨基酸如酪氨酸或含有酪氨酸的蛋白质都有此反应。

(5)、胱氨酸反应若组成蛋白质的氨基酸中含有半胱氨酸等含硫氨基酸，与醋酸铅共热时，产生黑色硫化铅沉淀。此反应可用于检验含硫的氨基酸或蛋白质。

第三节核酸一、核酸的分类与组成1.分类生物体内的核酸按其组成不同分为两类：核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。RNA主要存在于细胞质中，其主要功能是控制蛋白质的合成；DNA主要存在于细胞核中，其功能是负责储存和传递遗传信息。

30第30页，共40页，2023年，2月20日，星期二2.组成a、核酸的元素组成核酸主要由C、H、O、N、P五种元素组成（个别核酸含有微量S），N、P含量较高，分别为15%~16%和9%~10%。其中P的含量比较稳定，平均含量约为9.5%，即核酸样品中每克磷的存在就相当于样品中含100*9.5=10.5g的核酸，称为核酸系数。b、核酸的化学组成核酸完全水解生成戊糖、含氮碱及磷酸的混合物。核酸逐步水解的过程如下：不同的核酸所含戊糖和含氮碱不同。两类核酸的基本化学组成见表14-131第31页，共40页，2023年，2月20日，星期二核酸组成RNADNA磷酸戊糖H3PO4β-D-核糖H3PO4β-D-2-脱氧核糖

含氮碱腺嘌呤A鸟嘌呤G胞嘧啶C尿嘧啶U腺嘌呤A鸟嘌呤G胞嘧啶C胸腺嘧啶T

表14-1两类核酸的化学组成32第32页，共40页，2023年，2月20日，星期二二、核苷核苷是由β-D-核糖和β-D-2-脱氧核糖与含氮碱脱水缩合而成的β-含氮糖苷。戊糖与碱基之间的β-糖苷键总是由糖的半缩醛羟基与嘌呤碱中9位或嘧啶碱1位氮原子上的氢脱水缩合而成。核糖中的碳原子的编号都带有“ˊ”以区别于碱基中的原子编号。

RNA和DNA中的核苷见表14-2和14-333第33页，共40页，2023年，2月20日，星期二名称结构缩写名称结构缩写腺嘌呤核苷

腺苷（A）

鸟嘌呤核苷

鸟苷（G）

胞嘧啶核苷

胞苷（C）

尿嘧啶核苷

尿苷（U）

表14-2RNA中核苷的结构、名称和缩写34第34页，共40页，2023年，2月20日，星期二

表14-3DNA中脱氧核糖核苷的结构、名称和缩写名称

结构

缩写名称结构

缩写腺嘌呤脱氧核苷脱氧腺苷（dA）鸟嘌呤脱氧核苷脱氧鸟苷（dG）胞嘧啶脱氧核苷脱氧胞苷（dC）胸腺嘧啶脱氧核苷脱氧胸苷（dT）35第35页，共40页，2023年，2月20日，星期二三、单核苷酸作为核酸结构单元的单核苷酸简称核苷酸，是由核苷中戊糖的5`位羟基与磷酸脱水形成的磷酸酯。例如：5＇-腺苷酸（5＇-AMP）5＇-脱氧胞苷酸（5＇-dCMP）

36第36页，共40页，2023年，2月20日，星期二RNA和DNA的核苷酸单体按对应的核苷各有四种。常见的5＇

-核苷酸之名称、缩写见表14-4。表14-4RNA和DNA中的5＇

-核苷酸单体RNADNA5＇

-腺苷酸5＇

-AMP5＇