有机化学有机化学有机化学有机化学 第十五章 氨基酸、蛋白质及核酸有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 蛋白质存在于一切细胞中。它们是构成人体和动植物组织的根本资料，肌肉、毛发、皮肤。指甲、腥、神经、激素、抗体、血清、血红蛋白、酶等都是由不同蛋白质组成的。蛋白质在有机体中承当着多种生物功能，它们能供应机体营养，保送氧气，控制代谢过程，防御疾病、传送遗传信息，担任机械运动，执行维护机能，等等。可以说，蛋白质是生命的物质根底，是参与体内各种生物化学变化最重要的组分。生命的根本特征就是蛋白质的不断自我更新。第十五章 氨基酸、蛋白质及核酸 从化学上看，蛋白从化学上看，蛋白质是氨基酸的高聚物；氨基酸是构成蛋白是氨基酸的高聚物；氨基酸是构成蛋白质的的“基石，因此要基石，因此要讨论蛋白蛋白质的构造和性的构造和性质，首先要了解氨，首先要了解氨基酸。基酸。 有机化学 第二十章 蛋白质和核酸* 蛋白质存在一切细胞中。* 蛋白质在有机体中承当着多种生物功能。* 蛋白质是生命的物质根底。* 生命活动的根本特征就是蛋白质的不断自我更新新陈代谢。*从化学上看，蛋白质是氨基酸的高聚物：氨基酸是构成蛋白质的基石。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸第一节 氨基酸概述Amino acids)一、氨基酸的分类、命名和构造1、构造、构造R C COOHNH2H - 氨基酸 分子中既含有氨基NH2，又含有羧基COOH的化合物叫氨基酸。 各种氨基酸的差别主要在于R基团的不同，而R的构造是多种多样的。 氨基酸氨基酸有机化学 第二十章 蛋白质和核酸2、命名 - 氨基酸的命名普通采用俗名，即根据其来源或性质命名。 每种氨基酸都有缩写符号(即英文称号的头一个字母)和中英文代号。甘氨酸 Gly G 甘赖氨酸 Lys K 赖 氨基酸 符号 字母代号 汉文代号有机化学 第二十章 蛋白质和核酸3、分类、分类*根据氨基和羧基的数目中性氨基酸：氨基数目= 羧基数目碱性氨基酸：氨基数目羧基数目酸性氨基酸：氨基数目 羧基数目*根据烃基的类型脂芳族氨基酸：并氨酸、缬氨酸等。芳香族氨基酸：苯丙氨酸、酪氨酸等。杂环族氨基酸：色氨酸、脯氨酸等。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸二、氨基酸的构型二、氨基酸的构型 天然氨基酸，除甘氨酸外， - C原子都有手性，因此具有旋光性，且都是L 构型。 CHOHHOCH3COOHHHOCH3COOHHH2NCH3L 甘油醛L 乳酸L 丙 氨酸 -氨基酸的构型是与由L 甘油醛导出的L 乳酸相联络而确定的，即将 -氨基酸看成是L 乳酸中的羟基被氨基取代的产物。 其它含有一个以上手性碳原子的氨基酸的构型，均取决于 - C原子：假设某氨基酸的 - C原子的构性与L 丙 氨酸相当，这个氨基酸就是L 型。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 第二节 氨基酸的来源及制法蛋白质H2OH+多肽二肽- 氨基酸 将混合物用各种分别手段(如色层分别法、离子交换法、电泳法等进展分别，即可分别得到各种氨基酸。由蛋白质的水解制备氨基酸是从1820年开场的，这是一个最古老的方法。味精早期就是由小麦蛋白质面筋水解得到。胱氨酸，半胱氨酸是由头发水解制得的。 一、蛋自质水解 蛋白质在酸、碱或酶的作用下水解，最后生成的是- 氨基酸 的混合物： 氨基酸的制备主要有蛋白质的水解、发酵法，酶法及有机合成法四条途径有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 蛋白质水解法的缺陷是分别比较困难，由于水解时所得到的总是各种氨基酸的混合物。二、微生物发酵法二、微生物发酵法 该法是以糖质原料如淀粉、果糖、蔗糖或以石油及其制品如石蜡油、煤油、乙醇、醋酸为主要碳源，在其它氮、磷、钾等物质存在下，经过微生物发酵而生成氨基酸。 从1957年开场用该法消费谷氨酸味精。微生物发酵法的原料价廉，在大多数情况下，由于细菌的特异作用，能直接得到L 型氨基酸，无需再进展外旋体的拆分。三、酶法三、酶法 在酶的作用下，可将一定原料转化成L 氨基酸。酶法的特点是酶的催化性很强，消费过程简单，产率高，副产物少，周期短，本钱低。L-丙氨酸、L-赖氨酸、L-天门冬氨酸、L-色氨酸、L-鸟氨酸等是用酶法消费的。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸四、合成法四、合成法 为了经济、大量地消费氨基酸，还需求用化学合成法。其主要方法有以下三种：R CH = OHCNR CH OHCNNH3R CH NH2CN 醛与HCN、NH3反响生成氰胺，后者水解即得到氨基酸，该法称为斯垂克合成。1由醛或酮制备斯垂克Strecker合成氰胺水解R CH - COOHNH2H2OOHH+有机化学 第二十章 蛋白质和核酸R CH - COOHNH2R CH - COOHX+ NH32 - 卤代酸的氨解 此法有仲、叔胺的副产物，如用盖布瑞尔(Gabriel)法替代，那么能得到较纯的 - 氨基酸。OONO CH COOHR RNKO+ X CH COOR R邻苯二甲酰亚胺钾 - 卤代酸酯COOHCOOH+NH2CHCOOHR+ ROHH2O有机化学 第二十章 蛋白质和核酸3由丙二酸酯合成 以丙二酸酯为根本原料，可以合成多种构造的氨基酸，该法的运用范围非常广泛。CH2(COOC2H5)2CCl4Br2BrCH(COOC2H5)2NKOOC2H5ONaRXNOOC (COOC2H5)2ROHH2OH+R CHCOOH NH2NOOCH(COOC2H5)2中间产物 现引见邻苯二甲酰亚胺丙二酸酯法：有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 RX除为普通的伯卤外，还可以为ClCH2COOC2H5,ClCH2CH2SCH3等多种卤代物，从而生成各种构造的氨基酸。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 最后要指出的是，用普通合成方法所生成的氨基酸都是外消旋体，只需经过拆分才干得到L或D构型的氨基酸。氨基酸的不对称合成近年来开展很快，例如运用膦铑络合催化剂，光学产率可到达95以上。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 (6)斯密特Schmidt反响 斯密特反响是以叠氮酸为试剂，将羧某转化成氨基。例如：有机化学 第二十章 蛋白质和核酸【课堂练习】一、用适当原料，以丙二酸酯法合成：1天门冬氨酸； 2亮氨酸； 3脯氨酸； 4色氨酸。二、用两种方法合成：NH3COO-+有机化学 第二十章 蛋白质和核酸1天门冬氨酸；一、HOOC-CH2-CH-COOHNH2-氨基丁二酸CH2(COOC2H5)2CCl4Br2BrCH(COOC2H5)2NKOONOOCH(COOC2H5)2中间产物C2H5ONaClCH2COOC2H5NOOC (COOC2H5)2CH2COOC2H5OHH2OH+HOOC-CH2-CH-COOHNH2有机化学 第二十章 蛋白质和核酸2亮氨酸(CH3)2CHCH2CH-COOHNH2-甲基-氨基戊酸CH2(COOC2H5)2CCl4Br2BrCH(COOC2H5)2NKOONOOCH(COOC2H5)2中间产物C2H5ONa(CH3)2CHCH2ClNOOC (COOC2H5)2CH2CH (CH3) 2OHH2OH+(CH3)2CHCH2CH-COOHNH2有机化学 第二十章 蛋白质和核酸3脯氨酸-四氢吡咯酸CH2(COOC2H5)2CCl4Br2BrCH(COOC2H5)2NKOONOOCH(COOC2H5)2中间产物C2H5ONaBrCH2CH2CH2BrNOOC (COOC2H5)2 CH2CH2CH2BrOHH2OH+有机化学 第二十章 蛋白质和核酸4色氨酸-氨基-(3-吲哚)丙酸NOOCH(COOC2H5)2中间产物CH2(COOC2H5)2CCl4Br2BrCH(COOC2H5)2NKOOC2H5ONaNOOC (COOC2H5)2OHH2OH+ CH2RNHCH2ClTM有机化学 第二十章 蛋白质和核酸二、用两种方法合成：NH3COO-+有机化学 第二十章 蛋白质和核酸二、 - 卤代酸氨解 - 卤代酸与过量的NH3作用，容易生成- 氨基酸。例如：CH3CHCOOH + 2NH3ClCH3CHCOOH + 2NH4ClNH2三、盖布瑞尔合成法 与合成纯的伯胺方法类似见第十二章第五节，可以用- 卤代酸酯合成- 氨基酸。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸四、斯特雷克合成法 由醛与氨及氢氰酸，或与氰化铵作用制得- 氨基睛，后者水解即得- 氨基酸，这个反响称为斯特雷克Strccker合成法。反响机理大致如下：有机化学 第二十章 蛋白质和核酸有机化学 第二十章 蛋白质和核酸第三节 氨基酸的性质 -氨基酸都为无色晶体，易溶于水，而难溶于乙醚、苯等有机溶剂中，它们具有较高的熔点，且大多数在熔化时会发生分解。除甘氨酸外,其它天然氨基酸都有旋光性。 氨基酸是含有氨基和羧基的双官能团化合物，所以它们既具有羧酸的性质，又具有胺类的性质，同时还具有这两种官能团相互影响而赋于它们的某些特性。一、氨基酸的两性和等电点 氨基酸中有两性基团，既能和酸反响，也能和碱反响，它是两性化合物。实践上杂氨基酸分子内，氨基与羧基作用生成一个两性离子，氨基酸的晶体就是以两性离子的方式存在的，这种两性离子是分子内的氨基与羧基成盐的结果，故称为内盐。1两性有机化学 第二十章 蛋白质和核酸R CH COOH NH2R CH COO NH3+-内盐亦称为偶极离子氨基酸具有高熔点和水溶性，就是其内盐性质的表现。在水溶液中，氨基酸的两性离子存在以下平衡：R CH COOH NH3R CH COO NH3+R CH COO NH2OH-OH-H+H+-+阳离子两性离子阴离子氨基酸正离子氨基酸负离子有机化学 第二十章 蛋白质和核酸2等电点丙氨酸在纯水溶液中可构成入下的平衡：OH + CH3CHCOOHCH3CHCOO CH3CHCOO + H3O-NH3+NH3+NH2正离子两性离子负离子-+H2OH2O 在这里，酸性基团NH3+和碱性基团COO的相对强度不完全等同，即前者的给质子才干大于后者接受质子的才干即羧基COOH的酸性大于氨基NH2的碱性，所以丙氨酸的两性离子容易从NH3+给出质子构成较多的负离子。在平衡体系中，负离子数目多于正离子，使丙氨酸带有一定数量的净负电荷，其溶液略显酸性PH值略小于7。氨基酸中羧基的解离才干要大于氨基接受质于的才干。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 假设在丙氨酸水溶液的平衡体系中外加酸，那么可抑制负离子的生成，而使正离子的数量添加平衡向左挪动。当参与适量的酸时，可以使正，负离子相等，丙氨酸的净电荷等于零。 将此溶液置于电场中，氨基酸不向电场的任何一极挪动，即处于电中性等电形状。这个净电荷为零的氨基酸所在的溶液的PH值就称为该氨基酸的等电点Isoelectric point)，通常以IP 表示。 必需留意，氨基酸在纯水中的电离普通都不是它的等电点，要到达等电点必需参与酸或碱来调理。由于各种氨基酸中的羧基和氨基的相对强度和数目不同，所以各种氨基酸的等电点也不同。中性氨基酸中性氨基酸 IP=5.56.3酸性氨基酸酸性氨基酸 IP=2.8 3.2碱性氨基酸碱性氨基酸 IP=7.6 10.6 有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 氨基酸的等电点并非是它的中性点。在等电点时，两性离子的浓度最大，溶解度最小。 根据等电点可以鉴定氨基酸，而用调理等电点的方法可以分别氨基酸的混合物。常用的方法有两种，一是利用其在等电点时的溶解度最小，可以某氨基酸从混合溶液中沉淀出来；二是利用在同一pH下不同的氨基酸所带电荷的不同而进展分别。 例如，在pH6时，甘氨酸、丙氨酸等主要以两性离子方式存在，而天门冬氨酸、谷氨酸等那么主要是以负离子方式存在。假设将此混合液经过阳离子交换树脂的层析柱，这时天门冬氨酸、谷氨酸等就和树脂的阳离子交换而留在柱中，再根据它们的IP值，选用不同的pH缓冲溶液将后者洗脱出来。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸【课堂练习】一、写出以下氨基酸在给定PH值的离子构造：1半胱氨酸PH4.80) (2)精氨酸PH10.95)(1)HSCH2 - CHCOOH+NH3(2)H2N C NHCH2CH2CH2CHCOO-NH2NH二、以下氨基酸在PH6时，置于电场中，推测其挪动方向。1缬氨酸 2谷氨酸 3赖氨酸 1不动2正极3负极有机化学 第二十章 蛋白质和核酸二、氨基酸受热后的消除反响氨基酸的热反响与相应的羟基酸极为类似：A -氨基酸加热生成交酰氨或肽CH3CHCO OHNHHHNHCHCH3HO OCCH3CHCO NHNHCHCH3 OC交酰胺二酮吡嗪有机化学 第二十章 蛋白质和核酸H2N CH CO OH R+H NH CH COOH RH2N CH CO R NH CH COOH R二肽B - 氨基酸加热生成氨基酸加热生成 ， - 不饱和酸：不饱和酸：RCH CH - COOHNH2HRCH = CHCOOH ， - 不饱和酸有机化学 第二十章 蛋白质和核酸C - 氨基酸加热生成内酰胺：氨基酸加热生成内酰胺：R CHCHCH2COOHNH2RCHCH2NHCH2C = O内酰胺有机化学 第二十章 蛋白质和核酸三、与水合茚三酮的显色反响 -氨基酸与水合茚三酮在碱性溶液中加热，发生氧化、脱氨、脱羧作用，最终生成蓝紫色物质。这是检验氨基酸的灵敏方法。脯氨酸或羟脯氨酸显黄色值得留意的是，脯氨酸不能发生茚三酮反响。伯胺、氨，铵盐等能发生茚三酮反响，故鉴别一个 -氨基酸时，要排除伯胺、氨和铵盐的干扰。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸四、与亚硝酸的反响 氨基酸与HNq作用，生成羟基酸，同时放出N2，反响迅速且定量完成。 根据所放出N2的体积，可以算出试样中氨基的含量，这个方法叫做范斯莱克Van一S1yke法。RCH2CHCOOH + HNO2NH2RCH2CHCOOH + N2 + H2OOH有机化学 第二十章 蛋白质和核酸五、氨基酸的反响五、氨基酸的反响1羧基的反响羧基的反响R CHCOOHNH2R CHCOONH2OH-成盐-R CHCOClNH2PCl5生成酰氯R CHCOOCH2C6H5NH2C6H5CH2OH酯化H+R CHCONHRNH2生成酰氨RNH2R CHCH2OHNH2复原LiAlH4R CH2NH2脱羧有机化学 第二十章 蛋白质和核酸2氨基的反响氨基的反响R CHCOOHNH2R CHCOOHNH3+成盐H+R CHCOOHOH与亚硝酸反响PCl5R CHCOOHN(CH2OH)2(与甲醛反响HCHOR CHCOOHNHCOCH3酰化(CH3CO)2OR CHCOOHNHR烃基化RCl氧化H2O2R CHCOOHNHR CHCOOHOH2O有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 肽第四节 肽、肽键与命名 一分子 - 氨基酸的氨基和另一分子 - 氨基酸的羧基之间缩水所生成的酰胺化合物称为肽。 肽peptide,此名词来自于希腊语“消化，由于肽首先是由部分消化的蛋白质得到的。 肽分子中的酰胺键称为肽键(peptide linkages)。H2N CH CO OH R+H NH CH COOH RH2N CH CO R NH CH COOH R二肽肽键有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 由二个或三个氨基酸构成的肽叫二肽或三肽。由多个氨基酸构成的肽称为多肽。在肽分子中每个氨基酸构造部分称为氨基酸单位残基。 在蛋白质分子中，氨基酸也是经过肽键衔接起来的。实践上，蛋白质就是分子量很大约亿万以上的多肽。所以了解多肽的构造和性质是研讨蛋白质的重要根底。 开链状的肽总有两个末端。含游离氨基的一端称为N- 端，通常写在左边；含游离羧基的一端称为C-端，写在右边。 肽的命名是从N-端开场，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好的，写为“某氨酸。第五节第五节 多肽多肽有机化学 第二十章 蛋白质和核酸H2N CH CONH CH2 CONH CH COOH CH3CH2C6H5丙氨酰 甘氨酰 苯丙氨酸简称 ：丙 甘 苯丙(Ala Gly Phe )一、多肽构造的测定和端基分析 要测定一个多肽的构造，首先要知道这个多肽分子是由哪些氨基酸组成的，然后再确定这些氨基酸在多肽分子中的陈列顺序。 将多肽在酸性溶液中进展水解，可以得到各种氨基酸的混合物，再用色谱法分别并确定它是由哪几种氨基酸组成以及它们的相对含量，然后根据测定的多肽的分子量，就能算出这个多肽中所含的各种氨基酸的数目。至于这些氨基酸在多肽分子中的陈列次序，那么是经过端基分析的方法，并配合部分水解法加以确定。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 确定多肽的构造，应从两方面着手。首先测定组成多肽的氨基酸种类和数目；然后测定这些氨基酸在肽链中陈列的顺序。 确定多肽的构造是一项非常复杂而细致的任务。英国化学家桑格(F.Sanger)化了十年的时间，在1955年初次测定出牛胰岛素的氨基酸顺序，于1958年获得诺贝尔化学奖。桑格的任务为多肽构造的测定奠定了根底。1、分子大小的测定相对分子质量2、氨基酸的定量分析3、端基分析 测定N端和C端 所谓端基分析就是经过一定的化学方法确定肽链的N-端或C-端氨基酸的种类。1N- 端分析有机化学 第二十章 蛋白质和核酸A、桑格法、桑格法 2，4 二硝基氟苯DNFB与肽链N 端的游离氨基发生反响，生成二硝基苯基DNP衍生物，然后水解得到一个黄色的N - 2，4 二硝基苯基氨基酸，经过鉴定就可以确定是哪一个氨基酸。O2N FNO2+H NH CHCO NH 肽链 COOH - HFRO2N NO2 NH CHCO NH 肽链 COOH RHClNO2O2N NH CHCOOH R+ 其它各种氨基酸此法的缺陷是在水解时，整个肽链都被破坏、所以在肽链上只能进展一次N 端分析。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸B、爱得曼得曼Edman)降解法降解法即异硫即异硫氰酸苯酸苯酯法法 这种方法是瑞士化学家爱得曼于1950年提出来的，其优点是每次测定肽链的其他部分不受影响而被保管下来，这样又获得了一个新的N-端氨基。用同样的方法可确定下一个氨基酸组分。2C- 端分析端分析 C- 端测定常利用酶催化法，羧肽酶可选择性地将C-端氨基酸水解下来，然后对这个氨基酸进展鉴定，就能确定C-端是哪一个氨基酸。NH CH CONH CH - COOH RR羧肽酶H2ONH CH COOHR+H2N CH - COOHR余肽C-端氨基酸有机化学 第二十章 蛋白质和核酸二、多二、多肽的合成的合成 要合成一种与天然多要合成一种与天然多肽一一样的化合物，必需把各种有的化合物，必需把各种有旋光性的氨基酸按一定旋光性的氨基酸按一定顺序序衔接成一定接成一定长度的度的肽链。反响。反响条件尽量条件尽量坚持持缓和，以和，以坚持一定的光学构型。持一定的光学构型。为此就要此就要设法法“活化参与反响的活化参与反响的羧基和氨基。使基和氨基。使羧基活化的方法，基活化的方法，常用常用转化化为酰氯、酸、酸酐或或酯的反响：的反响：RCH(NH2)COOH RCH(NH2)COXX=-Cl, -OCOR, -OC6H4NO2, -OR这样就可以加强羰基中碳原子的正电性，从而有利于氨基的亲核进攻。 在氨基和羧基构成肽键的过程中，还必需把氨基或羧基“维护起来，防止同一种氨基酸的相互作用，或遭到其它官能团的干扰。反响完成后，再将维护基除去。氨基常用与氯甲酸苄酯C6H5CH2-O-COCl的作用加以维护，由于反响后，氨基上的苄氧碳基很容易用催化氢解的方法除去。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸例如甘氨酰一丙氨酸的合成过程如下： 将二肽中的氨基再维护起来后，就可以用来与另一分子氨基酸作用合成三肽。把几种多肽用同样的方法依次衔接起来可以合成肽链很长的多肽。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 显然，随着氨基酸数目的增多，能够生成的异构体迅速添加，反响条件还能够引起立体构型的变化。因此，合成的中间物及产物的分别，提纯和鉴定等任务愈来愈困难。半个多世纪以来，人们在合成多肽的领域里，获得不少艰苦成果。1953年初次合成催产素构造见前以后，1965年我国科学家在世界上首先合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素，这是一个由引个氨基酸组成的多肽类激素；1971年又完成了牛胰岛素晶体的测定。有机化学有机化学 第二十章第二十章 蛋白质和核酸蛋白质和核酸 蛋白蛋白质一、蛋白质的分类一、蛋白质的分类 蛋白质的种类繁多，可以从不同的角度，根据它们不同蛋白质的种类繁多，可以从不同的角度，根据它们不同的特征进展分类。的特征进展分类。二、蛋白质的组成二、蛋白质的组成 由元素分析得知，蛋白质的组成中含有C、H、O、N及少量S,有的还含有微量的P、Fe、Zn、Mo等元素。普通枯燥蛋白质的元素含量为： C O H N S 5055 20 23 6.07.0 1517 0.23.0 蛋白质的相对分于质量很大，通常在10 000以上，有的达几万、几十万，个别的甚至上千万。如烟草斑纹病毒的核蛋白的相对分子质量己超越二千万，腺病毒的核蛋白的相对分子质量还更大。有机化学有机化学 第二十章第二十章 蛋白质和核酸蛋白质和核酸三、蛋白质的性质三、蛋白质的性质1、两性和等电点、两性和等电点 蛋白质和氨基酸一样，也是两性物质，有它们的等电点。不蛋白质和氨基酸一样，也是两性物质，有它们的等电点。不同蛋蛋白质，其等电点也不一样。在等电点时，蛋白质的溶解度同蛋蛋白质，其等电点也不一样。在等电点时，蛋白质的溶解度最小，因此可以经过调理溶液的最小，因此可以经过调理溶液的PH值，使蛋白质从溶液中析出，值，使蛋白质从溶液中析出，到达分别或提纯的目的。到达分别或提纯的目的。2、蛋白质的高分子性质、蛋白质的高分子性质( 胶体性质胶体性质) 蛋白质在水溶液中构成的颗粒直径在蛋白质在水溶液中构成的颗粒直径在1100nm内内,具有具有胶体性质。所以蛋白质溶液不能经过半透膜如玻璃纸。胶体性质。所以蛋白质溶液不能经过半透膜如玻璃纸。有机化学有机化学 第二十章第二十章 蛋白质和核酸蛋白质和核酸3、蛋白质的沉淀、蛋白质的沉淀 蛋白质溶液与其它胶体一样，在各种不同的要素影响下，蛋白质溶液与其它胶体一样，在各种不同的要素影响下，也会从溶液中析出沉淀。也会从溶液中析出沉淀。沉淀蛋白质的方法主要有：沉淀蛋白质的方法主要有：1盐析法：参与盐析法：参与NaCl 或或(NH4)2SO4 、 Na2SO4等电解质。等电解质。2参与有机溶剂：如乙醇、丙酮等亲水性很强的有机溶剂。参与有机溶剂：如乙醇、丙酮等亲水性很强的有机溶剂。3参与重金属离子：如参与重金属离子：如Hg2+、Pb2+ 等。等。 蛋白质的沉淀有可逆和不可逆两种，可逆沉淀是指沉蛋白质的沉淀有可逆和不可逆两种，可逆沉淀是指沉淀出来的蛋白质分子的个级构造根本不变，只需消除沉淀淀出来的蛋白质分子的个级构造根本不变，只需消除沉淀要素，沉淀物能重新溶解。不可逆沉淀那么否。要素，沉淀物能重新溶解。不可逆沉淀那么否。 例如，用盐析法沉淀的蛋白质是可逆的，用重金属离子例如，用盐析法沉淀的蛋白质是可逆的，用重金属离子的沉淀那么是不可逆的。的沉淀那么是不可逆的。有机化学有机化学 第二十章第二十章 蛋白质和核酸蛋白质和核酸4、蛋白质的变性、蛋白质的变性 变性作用是指蛋白性作用是指蛋白质受物理要素如加受物理要素如加热、剧烈震烈震荡，紫外紫外线或或X 射射线的照射等或化学要素如的照射等或化学要素如强酸、重金属酸、重金属盐、乙醇等有机溶、乙醇等有机溶剂的影响，其性的影响，其性质和内部构造和内部构造发生改生改动的作用。的作用。 蛋白质的变性普通以为是蛋白质的二级、三级构造有蛋白质的变性普通以为是蛋白质的二级、三级构造有了改动或蒙受破坏，结果使肽链松散开来，导致蛋白质一了改动或蒙受破坏，结果使肽链松散开来，导致蛋白质一些理化性质的改动和生物活性的丧失。些理化性质的改动和生物活性的丧失。 蛋白量变性的表现主要是溶解度降低、粘度变大、难以蛋白量变性的表现主要是溶解度降低、粘度变大、难以结晶，容易为酶所水解，丧失生物活性、等等。结晶，容易为酶所水解，丧失生物活性、等等。5、蛋白质的显色反响、蛋白质的显色反响1缩二脲反响缩二脲反响 2蛋白黄色反响蛋白黄色反响 3米勒反响米勒反响 4茚三酮反响茚三酮反响有机化学有机化学 第二十章第二十章 蛋白质和核酸蛋白质和核酸第七节第七节 蛋白质的构造蛋白质的构造 蛋白质的物理、化学性质和生物功能都依赖于它们的构蛋白质的物理、化学性质和生物功能都依赖于它们的构造。蛋白质的构造相当复杂，通常用一级构造、二级构造、造。蛋白质的构造相当复杂，通常用一级构造、二级构造、三级构造和四级构造四种不同的层次来描画。三级构造和四级构造四种不同的层次来描画。一、一级构造：一、一级构造： 表示的是组成蛋白质的氨基酸残基陈列顺序。各种蛋白质的生物活性首先是由一级构造决议的。有机化学有机化学 第二十章第二十章 蛋白质和核酸蛋白质和核酸胰核糖核酸酶的一级构造胰核糖核酸酶的一级构造 测定多肽氨基酸顺序的技术都可运用于蛋白质。 1955年，桑格初次确定了胰岛素的完好构造后，相继获得了多种蛋白质的一：级构造，例如核糖核酸酶124个氨基酸残基，见同21刁、糜蛋白酶241个氨基酸残基。了球蛋肉是一种很复朵的抗体，其氨皂酸的顺序也曾经被破泽。英国人爱德尔曼G。 Edelrnan证明此伉体总共含有N20个氢基酸由四个链组成，两个含446个氨基酸，另二个含214十氨基酸。此成就使他获得了1973年的诺贝尔奖金。有机化学有机化学 第二十章第二十章 蛋白质和核酸蛋白质和核酸 二、二级构造 蛋白质分子中的肽链并非是直线型的，而是陈列成盘曲或折叠状，这就是蛋白质的二级构造。二级构造有两种方式，一种是- 螺旋形，另一种- 折叠形，如所示。在一个肽链中的C = O和另一个肽链的 N H 之间可构成氢键，正是由于这种氢键的存在维持了蛋白质的二级构造。-螺旋型构造：天然蛋白质的-螺旋绝大多数是右螺旋的，螺环每上升一圈，由3.6个氨基酸单位构成，每个氨基酸单位的氨基与其相隔的第五个氨基酸单位的羰基构成氢键。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 -折叠型构造：是依托两条肽链或一条肽链回折的两段肽链之间，借氢键构成片层构造。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸3蛋白质的三级构造 是在二级构造的根底上进一步弯曲折叠，构成具有特定构象的紧凑构造，有的称此为“螺旋的螺旋。维持三级构造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、疏水基团的亲和力疏水键等。这些作用总称为副键。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 肌红蛋自在153个氨基酸组成肽链，大部分是-螺旋构象，但有8处中断。这8处非螺旋区域有4处是由于存在着脯氨酸，其它4处中断的缘由尚不清楚。在肽链中除了与血红素联络的两个组氨酸外，疏水性较强的侧链全在分子内部，有排斥水和极性分子进入的作用。亲水性强的侧链全部露在外边，因此肌红蛋白是亲水的。 多肽链经卷曲折叠成三级构造，使分子外表构成了某些具有生物功能的特定区域，如酶的活性中心等等。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 测定蛋白质的整个三级构造，是一项令人望而生畏的义务，对于化学家来说也不是高不可攀的。1957年肯笃JKendrew用X光衍射技术胜利地测定了携氧蛋白质肌红蛋白M=17800的三级构造。使人们第一次看到了一个蛋白质分子内部的立体构象图。在大致一样的时期，更复杂的携氧蛋白质血红蛋白M=64500的三级构造图形从伯汝茨M。Perutz的20年蛋白质构造研讨任务中出现了。1962年肯笃和铂汝茨因他们的出色成就而获得了诺贝尔化学奖。从那时起，陆续测得了一些蛋白质包括酶在内的相当详细的分子构造图形。 用X光衍射法测定蛋白质晶体的空间构造是近年来分子生物学的艰苦突破，为此曾经颁发了四次诺贝尔奖金。19711973年我国科学任务者也胜利地用X光衍射法完成了猪胰岛素晶体构造的测定。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 四、四级构造 许多球状蛋白质是由一条或多条肽链构成的，每条肽链都有各自一、二、三级构造。这些肽链称为蛋白质的亚基或原体。各个亚基聚合成大分子的方式称为蛋白质的四级构造。 如胰岛素的四级构造可由相对分子质量为6000或12 000的两个以上亚基聚合而成。更复杂的多聚体。 又如血红蛋白，它是由二条- 链和二条- 链构成的四聚体。有的蛋白质分子中的亚基数更多，经聚合构成构造有机化学 第二十章 蛋白质和核酸第八节第八节 蛋白质的新来源和运用前景蛋白质的新来源和运用前景 一、蛋自质的新来源一、蛋自质的新来源 人类的食物中，蛋白质是最重要的营养成人类的食物中，蛋白质是最重要的营养成分，人体的各种生理活动大多数是山蛋白质来分，人体的各种生理活动大多数是山蛋白质来 承当的。自古以来，蛋白质的主要来源是动物承当的。自古以来，蛋白质的主要来源是动物性食物，即肉、鱼、蛋、奶等。随着世界人口性食物，即肉、鱼、蛋、奶等。随着世界人口的增长，蛋白质供应缺乏越来越严重。严峻的的增长，蛋白质供应缺乏越来越严重。严峻的现实迫使人们去探求消费蛋白质的新途径。现实迫使人们去探求消费蛋白质的新途径。 科学家们提出三种想象；一是人工合成食品；二是人工模拟生物体内的转化过程来消费食品；三是人工培育微生物来消费蛋白质。目前微生物蛋白的消费已获得可喜的胜利。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 利用微生物消费蛋白质的原料来源卡富，如石油和煤炭、天然气和淀粉等，还有许多工业废料和一些农副产品的下脚料，甚至城市的渣滓。消费的关键是挑选出有效的酵母菌。高效 的微生物繁衍速度极快，如500 kg的酵母菌在24 h内能中产出2吨多活物质。近年来发现一种叫做氢细菌的微生物，能直接利用已、Cq和其它一些简单的元机物来消费蛋白质。这样青来，实现用空气和水来消费粮食不是科学梦想。 我国近年来很注重开展微生物蛋白消费，如今金国有几十家研讨单位和工厂正在从事微生物蛋白消费技术的研讨和开发任务。在用废糖蜜、酒精废液、味精废液、甘蔗渣和甲醇等作原料：消费微生物蛋白的研讨中，获得了较大的进展。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸二、蛋白质的运用前景 生物大分子是分子世界中的一个显赫的大“家族：相对分子质量大，外形奇特，构造复 杂，种类繁多，又各具独特功能。生物大分子主要分为蛋白质、脂类和多糖类，它们是组成生物体的根本元件。如今，对生物大分子感兴趣的除了最终了解生命的本质这个远期的目的 外，近期的蛋白质运用方向是由蛋自质构成集成电路，其大小仅为如今的硅集成电路的十万分之一，而开关速度可达一千亿分之一秒。科学家们以为，生物界存在的蛋白质能够有100亿种，这是制造生物芯片的极好资料，而生物芯片的运用会给计算机带来一场革命。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 核酸 瑞士生理学家米歇尔(F.Miescher)于1869年从细胞核中初次分别到一种具有酸性的新物质，这就是我们如今所称的核酸。核酸对遗传信息的储存和蛋白质的合成起着决议性作用，它是一类非常重要的生物高分子化合物。 第九节 核酸的组成核酸核酸核酸酶核酸酶核苷酸核苷酸水解水解核苷核苷磷酸磷酸戊糖戊糖碱基杂环碱碱基杂环碱核酸的分步水解产物为：核酸的分步水解产物为： 由此可以看出，核苷是由戊糖和杂环碱组成的；核苷酸是是由核苷和磷酸组成的。而核酸那么是核苷酸的构成的多聚体，因此核苷酸亦称为多核苷酸。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸一、核糖及脱氧核糖 在核酸分子中含有两种戊糖：D-2-脱氧核糖和D-核糖。它们都是以-呋喃糖方式存在。D-2-脱氧核糖D-核糖OOHHHHHOHCH2OH12345HOOHHOHHHOHCH2OHH 含有D-2-脱氧核糖的核酸叫做脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic,DNA)；含有核糖的核酸称为核糖核酸(Ribonucleic, RNA)。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸二、碱基二、碱基 存在于核苷中的碱基主要有五种，其中嘌呤碱两种：腺嘌呤和鸟嘌呤；嘧啶碱三种：尿嘧啶、胞嘧啶、胸嘧啶。OHHOOHHOCH3NH2HOUracilThymineCytosine尿嘧啶胸腺嘧啶胞嘧啶有机化学 第二十章 蛋白质和核酸NNNNHNH2NNNNHH2NOH腺嘌呤6-氨基嘌呤 鸟嘌呤2-氨基-6-羟基嘌呤AG三、核苷三、核苷 核苷是由碱基中嘌呤环9位氮原子或嘧啶环1位氮原子上的氢与糖的1位上的羟基失水所生成的-N-糖苷。 核苷命名时，假设糖组分是核糖，词尾用“苷字前面加上碱基名如尿苷。如为脱氧核糖，那么在词首加上“脱氧如2 -脱氧腺苷。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸OOHHOHHHCH2OHHNNOOHNNNNNH2OOHHHHHCH2OHH脲嘧啶核糖脲苷U腺嘌呤脱氧核糖2-脱氧腺苷dA有机化学 第二十章 蛋白质和核酸四、核苷酸四、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。OOHHOHHHCH2HNNOOH脲嘧啶核糖HO P O OHO磷酸脲嘧啶核苷酸脲苷酸、UMP、 U、PU有机化学 第二十章 蛋白质和核酸NNNNNH2OOHHHHHCH2H腺嘌呤脱氧核糖2-脱氧腺苷dAHO P O OHO磷酸腺嘌呤脱氧核苷酸(dAMP、dA、PdA)有机化学 第二十章 蛋白质和核酸NNNNNH2OOHHHHHCH2H腺嘌呤脱氧核糖O P O OHO二磷酸HO P OHO腺苷二磷酸ADP有机化学 第二十章 蛋白质和核酸NNNNNH2OOHHHHHCH2H腺嘌呤脱氧核糖O P O OHO三磷酸O P OHOHO P OHO腺苷三磷酸ATP ADP、ATP在细胞代谢中作为高能化合物承当着重要的义务。能量主要集中在焦磷酸酯键中，当焦磷酸酯键水解时，储存的能量被释放，传送给需求能量的反响如合成肽链的反响。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸第十节第十节 核糖核酸核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸和脱氧核糖核酸(DNA) 核酸和蛋白质一样，也有一个单体的陈列顺序和空间关系问题。1、DNA和RNA的一级构造核酸分子中各种核苷酸陈列的顺序即为核酸的一级构造。 例如，DNA主要有dAMP、dGMP、dCMP、dTMP四种脱氧核糖核苷酸组成，每个DNA中含有几千或几万个这样的核苷酸，而各个核苷酸之间是由磷酸在相邻糖环的C-3和C-5处，经过磷酸二酯键衔接起来，构成很长的多核苷酸链。 70年代初，桑格等运用工具酶对DNA进展随机切割，为测定核酸中核苷酸顺序作出了杰出的奉献。为此他于1980年第二次获得诺贝尔奖金。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸CH2OOHOHHHHO = P O OHTCH2OOHOHHHHO = P O OHGCH2OOHOHHHHO = P O OHCCH2OOHOHHHHO = P O OHADNA中多核苷酸链胸腺嘧啶鸟嘌呤胞嘧啶腺嘌呤35PSPSPSPSPTGCA速记符号有机化学 第二十章 蛋白质和核酸2、DNA的二级构造 物理方法的测定阐明，DNA具有双螺旋的二级构造，两条反向平行的DNA链，沿着一个轴向右盘旋成双螺旋体。 在双螺旋体中，一条脱氧核苷酸链上的碱基与另一条链上的碱基之间，经过氢键相互衔接，嘌呤碱和嘧啶碱两两成对，其中腺嘌呤A与胸腺嘧啶T配对，鸟嘌呤G与胞嘧啶C配对。A T G C RNA分子的二级构造也是靠碱基之间的氢键构成的，但普通不如DNA那样有规律，大多数RNA分子是由一条弯曲的多核苷酸链构成。在链的某些区域可发生本身回褶而构成双螺旋。其间的碱基也是互补关系AU，GC。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸有机化学 第二十章 蛋白质和核酸3三级构造 DNA在双螺旋构造二级构造的根底上还进一步缩成闭链环状、开链状或麻花状等方式的三级构造。三、核酸的生物功能 核酸是生物体中不可不可短少的物质，它在遗传变异、生长发育和蛋白质合成中起着重要的作用。它能使生命方式代代相传，因此人们称核酸为生命的“蓝图。1DNA的复制 在生物体内，DNA主要存在于细胞核中，是遗传信息的携带者。按双螺旋构造学说，细胞分裂时，DNA的两条链可以拆开，分别进到两个子细胞里，每条链经过碱基配对即A对T，G对C各复制出一个双螺旋体，显然，这两个子细胞中的DNA必定和母细胞中的DNA完全一样，遗传信息也就由母代传到子代了。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 这种双链核酸的复制过程过失极少几率约为10-7，这就是生物繁衍过程中遗传外形能维持相对稳定的根底，也就是种豆得豆，种瓜得瓜的生物学根底。 DNA的复制机制是华生Watson)和克里克Crick)首先提出，并被其它学者经过实验证明。由于在核酸构造研讨方面的突出成就、克里克和威尔金斯(Wilkins)被授予诺贝尔奖。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 这种双链核酸的复制过程过失极少几率约为10-7，这就是生物繁衍过程中遗传外形能维持相对稳定的根底，也就是种豆得豆，种瓜得瓜的生物学根底。 DNA的复制机制是华生Watson)和克里克Crick)首先提出，并被其它学者经过实验证明。由于在核酸构造研讨方面的突出成就、克里克和威尔金斯(Wilkins)被授予诺贝尔奖。2蛋白质的生物合成 蛋白质的生物合成是按照DNA模板，在细胞质中由三种RNA来完成的，所以首先引见这三种RNA。(1) 信使核糖核酸mRNA：存在于细胞核中的DNA是经过mRNA来传送遗传信息的，故mRNA被称为称为信使核糖核酸。mRNA在细胞核中的合成，其机制很像DNA的复制。生成的mRNA为单股分子，其碱基顺序由DNA控制。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 与DNA复制不同的是在mRNA中，以脲嘧啶U替代胸腺嘧啶与腺嘌呤互补。在mRNA链上按一定顺序陈列的碱基，每三个组成一个遗传密码代表一种氨基酸。例如，AAA代表赖氨酸，GUA代表颉氨酸，UUU代表苯丙氨酸，等等。二十个氨基酸的密码已确定。 测定遗传密码是一项艰巨的义务，该任务主要是又尼伦堡M.Nirenberg)完成的，为此他获得1968年医学生理学诺贝尔奖金。2核糖体rRNA：核糖体是存在于细胞质中的一种高分子量的球状颗粒。核糖体是制造蛋白质的工厂合成场所。3转移核糖核酸tRNA： tRNA能与激活后的氨基酸结合生成氨基酰tRNA，具有携带和转运氨基酸的作用，因此称它们为转移核糖核酸。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 tRNA的专注性很高，一种tRNA只能运送一种氨基酸。在tRNA分子中的转机部位有三个核苷酸的碱基没有配对，它们组成一个反密码，决议tRNA与哪种氨基酸结合。例如酵母tRNA的三个未配对碱基是按互补原那么，它只能与CCG配对，即可与密码为CCG的氨基酸脯氨酸结合。4蛋白质的合成过程 蛋白质是在细胞质中由RNA合成的，但DNA的构造决了定生物合成蛋白质的特定构造。即DNA以同样的碱基配对方式将遗传信息先“转录到RNA上，然后在以RNA的信息指令为蓝本，在酶的作用下合成相应的蛋白质。总的过程是DNA把遗传信息传送给RNA，RNA再传送给蛋白质。所以DNA是RNA的模板，而RNA那么是蛋白质的模板。DNA遗传信息转录mRNA蛋白质有机化学 第二十章 蛋白质和核酸有机化学 第二十章 蛋白质和核酸 田中耕一是总部设在京都的岛津制造听的普通工程师。岛津制造所是一家消费种学测试仪器的公司。在日本该公司只能算一家不大有名的中小企业。而且，该公司近年来赤字累累。 田中耕一是诺贝尔奖历史上第一位没有博士头陌的获奖者，也是第一个非学者的技术人员获奖者。同时，他还是日本第一位获得诺叵尔奖的战后出生的科学家。也是日本历史上第12位获此殊荣者。田中毕业于东北大学工学部电气工学专业，与化学、生化等领域完全无缘。田中的母亲在生下他后一个月后便因病去世。自幼过继给叔父叙母。当他在念大学时才被告知这一现实，他感到非常匹惊。从此立志研讨医用测试仪器。有机化学 第二十章 蛋白质和核酸