第一章 氨基酸和核苷酸

1、第一章氨基酸和核苷酸Amino Acids and Nucleotides生物大分子蛋白质、核酸都是由基本结构单位组成的多聚体（polymer）；可形成聚合体的基本结构单位称为单体（monomer）。蛋白质的基本结构单体是氨基酸核酸的基本结构单体是核苷酸第一节氨基酸的结构与功能The Structure and Function of Amino Acids一、构成人体蛋白质氨基酸均为L-a-氨基酸虽然存在于自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的氨基酸仅有20种，且均属 L- a-氨基酸（除甘氨酸外）。侧链R-氨基-羧基-CCOO-COOHH2NCHR+H3NCHR离子形式不带电形式

2、C如是不对称C（除Gly），则：1. 具有两种立体异构体 D-型和L-型2. 具有旋光性 左旋（-）或右旋（+）二、氨基酸的侧链结构决定其功能（一）氨基酸的差异在于侧链结构a-R基团(1)侧链含烃链的氨基酸属于非极性脂肪族氨基酸 包括甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、。 此类氨基酸在水溶液中溶解度小。中文名英文名缩写符号结构式等电点（pI）含脂肪烃侧链的氨基酸甘氨酸GlycineGlyG5.97丙氨酸AlanineAlaA6.00缬氨酸ValineValV5.96亮氨酸LeucineLeuL5.98异亮氨酸IsoleucineIleI6.02(2)侧链含羟基或含巯基是极性中性氨基酸侧链

3、含有羟基的氨基酸丝氨酸SerineSerS5.68苏氨酸ThreonineThrT5.60酪氨酸TyrosineTyrY见芳香族类5.66侧链含有硫的氨基酸半胱氨酸CysteineCysC5.07甲硫氨酸MethionineMetM5.74(3)侧链含酸性基团及其衍生物的氨基酸此类氨基酸有天冬氨酸、谷氨酸，其侧链都含有羧基，均可解离而带负电荷。侧链含酸性基团及其氨基衍生物的氨基酸天冬氨酸Aspartic acidAspD2.97天冬酰胺AsparagineAsnN5.41谷氨酸Glutamic acidGluE3.22谷氨酰胺GlutamineGlnQ5.65(4)侧链含碱性基团的氨基酸属于碱

4、性氨基酸 此类氨基酸有赖氨酸、精氨酸和组氨酸，其侧链分别含有氨基、胍基和咪唑基，均可发生质子化， 使之带正电荷。侧链含碱性基团的氨基酸精氨酸ArginineArgR10.76赖氨酸LysineLysK9.74组氨酸HistidineHisH7.59(5)侧链含芳香基团的氨基酸是芳香族氨基酸 包括苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸，其侧链分别有苯基、酚基和吲哚基。侧链含芳香环的氨基酸苯丙氨酸PhenylalaninePheF5.48酪氨酸TyrosineTyrY5.66色氨酸TryptophanTrpW5.89亚氨基酸脯氨酸ProlineProP6.30几种特殊氨基酸脯氨酸CH2（亚氨基酸）CHCOO-C

5、H2NH2+CH2 半胱氨酸+-OOC-CH-CH2-SHHS-CH2-CH-COO-+NH3+NH3-HH-OOC-CH-CH2+NH3-CH2-CH-COO-+NH3胱氨酸二硫键-SS（二） a-R基团赋予氨基酸不同的极性蛋白质中的L-a-氨基酸依据极性的分类类别主要氨基酸非极性脂肪族氨基酸丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸芳香族氨基酸苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸亚氨基酸脯氨酸极性中性氨基酸甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、苏氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺酸性氨基酸天冬氨酸、谷氨酸碱性氨基酸赖氨酸、精氨酸、组氨酸（三） 氨基酸a-R基团直接影响多肽链结构半胱氨酸结构与功能特点:氧化状态下，多肽链中不

6、相邻的两个半胱氨酸通过二硫键相连，增强蛋白质结构的稳定性；巯基易与重金属离子结合 。天冬氨酸、谷氨酸结构与功能特点：携带强负电荷，常位于水溶性蛋白的表面；可结合带正电荷的分子或金属离子。苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸结构与功能特点：侧链结构大且极性较弱或无极性，常位于水溶性蛋白的内部。甘氨酸结构与功能特点：是唯一不存在不对称立体结构的氨基酸，有较大的旋转自由度，赋予多肽链更多的柔性；是最小的氨基酸，能够存在于空间致密的蛋白质中，如胶原。组氨酸结构与功能特点：咪唑基团容易发生质子化，进而影响其所在的蛋白质构象，因此是许多蛋白质功能的调节机制异亮氨酸、亮氨酸、缬氨酸结构与功能特点：均含有较大的疏水侧链，

7、其刚性结构特征及疏水相互作用都对蛋白折叠有重要的影响力，常作为水溶性蛋白的内部支撑结构赖氨酸、精氨酸结构与功能特点：有带正电荷的柔性侧链，常作为蛋白的亲水表面，且易于结合带有负电荷的其他分子，如DNA。甲硫氨酸结构与功能特点：是多肽链生物合成的起始氨基酸；参与体内含硫化合物代谢及甲基化反应。脯氨酸结构与功能特点：N原子在杂环中移动的自由度受到限制，常位于多肽链的转角处丝氨酸、苏氨酸结构与功能特点：侧链短，所含羟基常作为酶反应中的供氢体；亲水性强，位于水溶性蛋白表面（四） 氨基酸的侧链可有其他化学基团修饰体内常见的蛋白质翻译后发生化学修饰的氨基酸残基常见的化学修饰种类发生修饰的主要氨基酸残基磷酸

8、化丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸N-糖基化天冬酰胺O-糖基化丝氨酸、苏氨酸羟基化脯氨酸 赖氨酸甲基化赖氨酸、精氨酸、组氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、谷氨酸乙酰化赖氨酸、丝氨酸硒化半胱氨酸三、氨基酸及其衍生物具有除形成多肽链外的多种重要功能组成蛋白质的氨基酸的其他功能及重要衍生物举例氨基酸名称重要功能及衍生物甘氨酸神经递质；参加体内嘌呤类、卟啉类和肌酸的合成谷氨酸神经递质；其a-脱羧产物-氨基丁酸亦是重要的神经递质色氨酸转化生成重要的神经递质5羟色胺精氨酸产生重要的信号物质一氧化氮（NO）；参加合成尿素的鸟氨酸循环甲硫氨酸为体内的毒物或药物甲基化代谢提供甲基，起到解毒的作用天冬氨酸神经递质；三羧酸循环中的重

9、要成分；参加合成尿素的鸟氨酸循环酪氨酸黑色素组氨酸脱羧形成的组胺具有血管舒张作用，并参与多种反应非蛋白质组成氨基酸及其衍生物功能举例氨基酸名称功能瓜氨酸、鸟氨酸参加体内尿素合成同型半胱氨酸转甲基作用的产物-丙氨酸泛酸（一种维生素）的成分之一L-肉毒碱化学结构为L-羟-g-三甲胺丁酸， 参加脂质转运四、氨基酸的理化性质：一般物理性质无色晶体，熔点极高（200以上），不同味道；水中溶解度差别较大（极性和非极性），不溶于有机溶剂。（一） 氨基酸具有离子特征氨基酸在水溶液中或在晶体状态时都以离子形式存在，在同一个氨基酸分子上带有能放出质子的NH3+正离子和能接受质子的COO-负离子，为电解质。等电点

10、(isoelectric point, pI)在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。RCHNH2COOH+OH-+H+OH-+H+COO-CH COO- NH2RCHCOOHRCHRNH3+NH3+pHpIpHpI阳离子pH=pI氨基酸的兼性离子阴离子氨基酸等电点的计算氨基酸a 碳上的氨基及羧基各是一帶电基团，故有两个 pK，这两个pK 平均值即为该氨基酸的 pI (等电点)，即 (pK1 + pK2) 2 = pI。若一个氨基酸有3个可解离的基团，写出它们的电离式后取兼性离子两边的pK 值的平均值，即为此

11、氨基酸的等电点。如天冬氨酸的pI计算如下：其中Asp为兼性离子,因而其等电点的计算取其两侧的pK 值的平均值, 即(pK1 + pK2) 2 = pI（2.09+3.86）2=2.97 即天冬氨酸的pI为2.97。（二）氨基酸的羧基和氨基可发生多种化学反应体内氨基酸化学反应一个氨基酸的羧基可与另一个氨基酸的氨基反应成肽， 形成共价的肽键。通过连续的肽键，许多氨基酸即可聚合成多肽或蛋白质分子a-氨基参与体内多种化学反应。氨基酸的a-氨基能与醛类化合物生成弱碱，称为Schiff碱，这是体内氨基酸转氨基作用的中间代谢物（三） 可利用氨基酸理化特性对其进行定性定量分析1 氨基酸与2，4-二硝基氟苯反应

12、生成二硝基苯基氨基酸2 氨基酸与亚硝酸反应生成氮气3 与茚三酮的反应：氨基酸与茚三酮共加热，生成蓝紫色化合物。在570nm（蓝紫色）定量测定氨基酸的含量。4紫外吸收性质：组成天然蛋白质分子的20种氨基酸中，色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸含共轭双键对紫外光有光吸收。其吸收峰在280nm左右，以色氨酸吸收最强。大多数蛋白质含有这几种氨基酸残基，所以测定蛋白质溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白质含量的快速简便的方法。可利用此性质采用紫外分分光度法测定蛋白质的含量。芳香族氨基酸的紫外吸收5薄层层析是鉴定氨基酸及其修饰的经典方法各种氨基酸在固定相和流动像中的分配系数不同，在展开过程中被分离，用茚三酮显色

13、，观察氨基酸斑点。（四）氨基酸定量定性分析已进入自动化时代随 着 毛 细 管 电 泳 （capillary electrophoresis，CE；液相层析（liquid chromatography, LC）自动化及质谱（mass spectrometry，MS）技术的发展， 目前氨基酸的检测分析可以在自动分析仪器中快速完成。第 二 节核苷酸的结构与功能The Structure and Function of Nucleotides核酸是存在于细胞中的一类大分子酸性物质，包括核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）两大类。RNA和DNA都是以单核苷酸为基本单位所组成的多核苷酸长链。RNA主

14、要参与遗传信息的表达，而DNA则是遗传信息的载体。核酸的化学组成元素组成C、H、O、N、P（9 % 10%）分子组成 碱基(base)：嘌呤碱，嘧啶碱 戊糖(pentose)：核糖，脱氧核糖 磷酸(phosphate)一、戊糖、磷酸和碱基是核苷酸的基本成分核酸在酶的作用下水解为核苷酸（nucleotide）。核苷酸由碱基(base)、戊糖(pentose)和磷酸3种成分以共价键依次连接而成。磷酸核糖核酸酶核酸核苷酸戊糖水解脱氧核糖核苷或脱氧核苷核苷酶嘌呤碱基嘧啶（一）核酸中的碱基核酸中常见的5种碱基碱 基:NNH2N嘌呤(purine)NHNN789NH腺嘌呤(adenine, A)O61 N

15、5423NNNHNHNNH2鸟嘌呤(guanine, G)O嘧啶(pyrimidine)NH43 N562NHO1NH尿嘧啶(uracil, U)ONH2H3CNNHNHONHO胞嘧啶(cytosine, C)胸腺嘧啶(thymine, T)五种碱基的酮基或氨基受介质的影响，G、U、T可形成酮烯醇互变异构体，体液近中性条件下以酮式为主。A、C可形成氨基亚氨基互变异构体，体液近中性条件下以氨式为主。使碱基间能形成氢键。嘌呤或嘧啶既可碱性解离又可酸性解离，液近中性条件下以碱性解离为主。碱基可发生互变异构OHOOOHNN NHNHNNN HN HH2NNON HH NNGHONU2酮式O烯醇式CH3

16、OH酮式烯醇式CH3 HNNON HHONT烯醇式NH2酮式NHNHNH2NN NHNHNNON HN HON HN HANCN氨式亚氨式氨式亚氨式DNA中的四种碱基及它们间的氢键胸腺嘧啶胞嘧啶TCAG腺嘌呤鸟嘌呤核酸中存在稀有碱基核酸中还有一些含量甚少的碱基，称为稀有碱基(rarebase)。稀有碱基种类很多，大多数都是甲基化碱基。tRNA中含有较多的稀有碱基， 可高达10%。核酸中部分稀有碱基DNARNA嘌呤m7G7-甲基鸟嘌呤N6，N6-2 m6AN6，N6-二甲基腺嘌呤N6-m6AN6-甲基腺嘌呤N6-m6AN6-甲基腺嘌呤m7G7-甲基鸟嘌呤嘧啶m5 C5-甲基胞嘧啶DHU二氢尿嘧啶

17、Hm5 C5-羟甲基胞嘧啶T胸腺嘧啶OOH HNNHNHCH3HNHNNNHOHCH3双氢尿嘧啶S二甲基鸟嘌呤N,NCH3CH3CH2CHCHNNHNNNHONHNN6-异戊烯腺嘌呤4-巯尿嘧啶稀有碱基tRNA中常见的稀有碱基（二） 核苷酸中的戊糖戊糖是核苷酸的另一个基本成分。 核糖核苷酸：-D-核糖 脱氧核糖核苷酸：-D-2-脱氧核糖戊糖HOCH2HOCH2OHOH5OO1432OHHOHOH核糖(ribose)（构成RNA）脱氧核糖(deoxyribose)（构成DNA）（三）核苷：核苷是由戊糖与含氮碱基经脱水缩合而生成的化合物。在大多数情况下，核苷是由核糖或脱氧核糖的C1-羟基与嘧啶碱N

18、1或嘌呤碱N9进行缩合，故生成的化学键称为，N糖苷键。腺苷(AR)1,N9-糖苷键脱氧胞苷(dCR)1,N1-糖苷键11N9 N1“稀有核苷”是由“稀有碱基”所生成的核苷。假尿苷（）1,C5-糖苷键1C5（四）核苷酸的结构与命名核苷酸是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，包括核糖核苷酸和脱氧核糖核苷酸两大类。由于与磷酸基缩合的位置不同而分别生成2-核苷酸、3-核苷酸和5-核苷酸。最常见者为5-核苷酸（5常被省略）。含有一个磷酸基团的核苷酸称为核苷一磷酸（NMP）；含有两个磷酸基团的核苷酸称为核苷二 磷酸（NDP）；含有三个磷酸基团的核苷酸称为核 苷三磷酸（NTP）。核苷酸的分子结构5-核苷酸又可按其在5位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。不同类型的核苷酸环核苷酸分子：第二信使环一磷酸腺苷环一磷酸鸟