Chapter 15第15章 氨基酸、蛋白质及核酸Amino Acids Amino Acids 、Protein and Nuclear AcidProtein and Nuclear Acid2021/3/111Chapter 1515.1 15.1 氨基酸的分类及结构氨基酸的分类及结构15.2 15.2 氨基酸的来源及制法氨基酸的来源及制法15.3 15.3 氨基酸的性质氨基酸的性质15.4 15.4 肽的结构及命名肽的结构及命名15.5 15.5 多肽的结构测定及合成多肽的结构测定及合成15.6 15.6 蛋白质的分类、组成和性质蛋白质的分类、组成和性质15.7 15.7 蛋白质的结构蛋白质的结构15.8 15.8 核核 酸酸15.9 15.9 核糖核酸和脱氧核糖核酸核糖核酸和脱氧核糖核酸2021/3/112Chapter 1515.1 氨基酸的分类及结构15.1.1 氨基酸的分类15.1.2 氨基酸的命名15.1.3 氨基酸的结构2021/3/113Chapter 1515.1.1 氨基酸的分类氨基酸的分类氨基酸氨基酸 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。2021/3/114Chapter 15 1.按氨基位置分为：a，b，g，氨基酸 a-氨基酸：(1)酸性氨基酸 -COOH数 -NH2数(2)中性氨基酸 -COOH数 = -NH2数(3)碱性氨基酸 -COOH数 200 ；溶于水，不溶于非极性溶剂；有盐的性质。2021/3/1121Chapter 15表15-2 常见的-氨基酸的物理性质2021/3/1122Chapter 15http:/www.imb-jena.de/IMAGE_AA.html2021/3/1123Chapter 152 IR谱：1600 cm-1 ( 1700 cm-1 没有峰 )26003100 cm-1(强、宽)2021/3/1124Chapter 1515.3.2 氨基酸的化学性质氨基酸的化学性质1 两性和等电点氨基酸有羧基和氨基化合物的典型反应，也有相互影响的综合性质。强酸 强碱 弱碱 弱酸强碱 强酸 弱酸 弱碱（1）两性：有酸性又有碱性2021/3/1125Chapter 15内盐：氨基酸本身的氨基与羧基作用形成的盐，称为内盐。偶极离子：内盐分子同时具有两种离子的性质，称为偶极离子，又称两性离子。丙氨酸谷氨酸 组氨酸2021/3/1126Chapter 15 一个氨基酸总可以找到一个pH值，在该pH值下，正、负离子的浓度完全相等，此时向阳极移动和向阴极移动的离子彼此抵消（即没有净的迁移），或者说，电场中不显示离子的迁移。将此时的pH值称为该氨基酸的等电点(IP)。 负离子（I）正离子(III)（2）氨基酸的特殊性等电点2021/3/1127Chapter 15（3）甘氨酸滴定曲线2021/3/1128Chapter 15 中性氨基酸的等电点：IP=5.66.3 酸性氨基酸的等电点：IP=2.83.2 碱性氨基酸的等电点：IP=7.610.8 不同的氨基酸有不同的等电点，所以可以通过测定氨基酸的等电点来鉴别氨基酸。 等电点时，以两性离子形式存在的氨基酸浓度最大（在水溶液中），氨基酸的溶解度最小。2021/3/1129Chapter 15组氨酸 IP=7.59脯氨酸IP=6.3色氨酸IP=5.82021/3/1130Chapter 152 受热后的消除反应(1) -氨基酸(2) b-氨基酸2021/3/1131Chapter 15(3) , -氨基酸(4) w-氨基酸-H2On- 2H2N(CH2)mC NH(CH2)OCONH(CH2) COOHnH2N(CH2) COOH(m5)mmm 2021/3/1132Chapter 153 与水合茚三酮的显色反应茚茚茚三酮茚三酮 水合茚三酮水合茚三酮2021/3/1133Chapter 15（蓝紫色）鉴别含有游离氨基的a-氨基酸2021/3/1134Chapter 154 与亚硝酸反应定量分析NH2的含量（Van-Slyke反应）2021/3/1135Chapter 1515.4 肽的结构及命名15.4.1 肽的结构15.4.2 肽的命名2021/3/1136Chapter 1515.4.1 肽的结构肽的结构二肽肽（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。a-氨基酸的数目决定肽链长短。如：二肽、三肽2021/3/1137Chapter 15N端C端命名： 丙氨酰酪氨酰甘氨酸简称： 丙酪甘符号表示： Ala-Tyr-Gly15.4.2 肽的命名肽的命名从N端向C端命名某氨酰某氨酰某氨酸。如2021/3/1138Chapter 15N端C端命名： 甘氨酰酪氨酰丙氨酸简称： 甘酪丙符号表示： Gly-Tyr-Ala2021/3/1139Chapter 1515.5 多肽的结构测定及合成15.5.1 概述 15.5.2 多肽结构的测定15.5.3 多肽的合成2021/3/1140Chapter 1515.5.1 概述概述1.定义定义多肽多肽: 一般是将相对分子质量在一般是将相对分子质量在10000以下，以下，能透过半透膜以及不被三氯乙酸或硫酸所沉能透过半透膜以及不被三氯乙酸或硫酸所沉淀的称为多肽。淀的称为多肽。2021/3/1141Chapter 15N近似sp2杂化肽键的几何形状HNCCHROCOCRHNCCHRNHO123o114o114o125o121o110o123o0.147nm0.153nm0.124nm0.132nm2.肽键构型2021/3/1142Chapter 153.肽分子中可能有二硫键Na +液NH3空气氧化Cys-Tyr-Ile-Glu-Arg-Cys-Pro-Leu-Gly NH2SS牛催产素肽中的SH氧化成SS键2021/3/1143Chapter 1515.5.2 肽链结构的测定肽链结构的测定1.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）测定肽或蛋白质中各氨基酸的排列顺序2021/3/1144Chapter 152. 测相对分子质量，确定分子式该工作由氨基酸自动分析仪完成3. 测定肽或蛋白质中各氨基酸的排列顺序2021/3/1145Chapter 15 Edman降解法3RCHCONHRCHCONHCHRNHCONHCSH O+异硫氰酸苯酯只有N端的氨基酸水解，逐步确定顺序CHRNHCOCSN+苯基乙内酰硫脲RCHCONHRCHCONH2(1) N端氨基酸分析 2021/3/1146Chapter 15(2) C端氨基酸分析逐步确定氨基酸的连接顺序RCHCONHOHRCHCONHCHRHNCOOH2RCHCONHCHRHNCOOHRCHCONH2OH+羧肽酶(降解后的多肽)2021/3/1147Chapter 15催产素和加压素是九肽，结构如下：SS2NH2NH2半胱酪异亮半胱天门冬谷NH脯亮甘(催产素)SSNH2NH2半胱酪苯丙半胱天门冬谷NH2脯精甘（加压素）催产素已有工业生产。2021/3/1148Chapter 1515.5.3 多肽的合成多肽的合成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 2021/3/1149Chapter 15CNHO键，易反应。(2) 多肽中有(3)多NH2、-COOH存在，形成不同的肽键。2021/3/1150Chapter 152 氨基的保护与羧基的活化（1）活化COOH：（Y= Cl, OCOR, OC6H4NO2 等）（2）保护NH2：氯甲酸苄酯2021/3/1151Chapter 15NH2CHCOOHRRCOOHNH2保护ROZ-NHCHC-YNH2-CH-C-NH-CHCOOHORRZ-NH-CH-C-NH-CHCOOHORRNH2CHCOOHR ZNHCHCOOH活化去保护基+ Z 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。（3）合成过程2021/3/1152Chapter 153 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)去保护基去保护基2021/3/1153Chapter 15 1953年 合成催产素 9个氨基酸组成，由 -S-S-连成环状。 1965年 中国合成结晶牛胰岛素(51个氨基酸组成)。A链 21个-SB链 30个-S 1979年 日本合成牛胰核糖核酸酯(124个氨基酸组成)。反复保护活化反应直到完成合成。2021/3/1154Chapter 154 固定相技术 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 MerrifieldBruce Merrifield19841984，Nobel PrizeNobel Prize“固相合成技术”专题2021/3/1155Chapter 155 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2,476,099种五肽（称为250万种五肽库)。“组合化学”专题2021/3/1156Chapter 1515.6 蛋白质的分类、组成和性质15.6.1 蛋白质的功能 15.6.2 蛋白质的分类15.6.3 蛋白质的组成15.6.4 蛋白质的性质2021/3/1157Chapter 1515.6.1 蛋白质的功能蛋白质的功能输送氧色蛋白、血红蛋白调节代谢激素、酶防病抗体遗传核蛋白2021/3/1158Chapter 1515.6.2 蛋白质的分类蛋白质的分类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、核酸和各种辅助基团等，它们统称辅基。2021/3/1159Chapter 152.根据辅基不同，结合蛋白质又分为：糖蛋白糖蛋白脂蛋白脂蛋白核蛋白核蛋白色蛋白色蛋白2021/3/1160Chapter 153.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。2021/3/1161Chapter 1515.6.3 蛋白质的组成蛋白质的组成 C O H N S P Fe Zn Mo% 5055 2023 67 1517 0.23 Wm = 12000万_微 量2021/3/1162Chapter 1515.6.4 蛋白质的性质蛋白质的性质1 两性和等电点表15-3 一些蛋白质的等电点在等电点时蛋白质溶解度最小，易分离2021/3/1163Chapter 152 高分子性质(1)在水中，有稳定双电层的胶体质(110m)(2)盐析： (可逆性) 不同蛋白质，需要盐的浓度不同，可达分离作用。3 变性 受物理、化学因素的作用，使蛋白质的物理、化学性质改变。如：Hg2+、Pb2+导致中毒，高温、酒精也能使蛋白凝固。2021/3/1164Chapter 1515.7 蛋白质的结构15.7.1 一级结构15.7.2 二级结构15.7.3 三级结构15.7.4 四级结构2021/3/1165Chapter 1515.7.1 一级结构一级结构 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。牛胰岛素甘-异亮-缬-谷-谷-半胱-半胱-丙-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 A链：链：B B链：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21一级结构决定生物活性2021/3/1166Chapter 1515.7.2 二级结构二级结构二级结构： 蛋白质肽链的排列形状叫做蛋白质的二级结构。2021/3/1167Chapter 151 a-螺旋二级结构(a-螺旋)在一个方向，向下2021/3/1168Chapter 15 C为sp2，N近似sp2必在一个平面内不能旋转可以旋转2 b-折叠形2021/3/1169Chapter 153 b-折叠形多肽链b-折叠形构象2021/3/1170Chapter 152021/3/1171Chapter 1515.7.3 三级结构三级结构三级结构： 蛋白质的三级结构是肽链（二级结构）进一步扭曲折叠形成的复杂空间结构。是由ss键扭在一起。核糖核酸酶的三级结构示意图2021/3/1172Chapter 152021/3/1173Chapter 1515.7.4 四级结构四级结构四级结构四级结构： 各个亚基聚合成大分子的方式称为各个亚基聚合成大分子的方式称为 蛋白质的四级结构。蛋白质的四级结构。亚基（原体）亚基（原体）：构成蛋白质的肽链。构成蛋白质的肽链。胰岛素：胰岛素： 由相对分子量为由相对分子量为6000或或12000的两个以的两个以上亚基聚合而成。上亚基聚合而成。血红蛋白：血红蛋白： 由两条由两条a a-链和两条链和两条b b-链构成的四聚链构成的四聚体。体。2021/3/1174Chapter 15http:/biology.kenyon.edu/BMB/Chime/Lisa/HEMEMAST.HTM2021/3/1175Chapter 15蛋白质有四级结构蛋白质有四级结构 肽链中各种氨基酸相互联接的顺序是蛋白质的初级结构，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。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。的构象，这称为二级结构。 -螺旋螺旋 -折叠折叠 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。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。白质的四级结构。2021/3/1176Chapter 1515.8 核 酸15.8.1 核酸的组成15.8.2 核酸及脱氧核酸15.8.3 碱基15.8.4 核苷15.8.5 核苷酸2021/3/1177Chapter 15核酸： 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 、 S1516%910%15.8.1 核酸的组成核酸的组成2021/3/1178Chapter 15蛋白质核蛋白核酸核苷酸核苷戊糖碱基（杂环碱）磷酸2021/3/1179Chapter 1515.8.2 核糖及脱氧核糖核糖及脱氧核糖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2021/3/1180Chapter 1515.8.3 碱碱 基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)2021/3/1181Chapter 15 嘌呤： 嘌呤是由一个咪唑环和一个嘧啶环稠合而成的杂环化合物。咪唑 嘧啶 嘌呤以上五种杂环碱都有互变异构体存在。如：鸟嘌呤以酮式与烯醇式两种互变异构体存在。酮式 烯醇式2021/3/1182Chapter 1515.8.4 核核 苷苷核苷： 有戊糖和碱基缩合而成的糖苷成为核苷。腺嘌呤核苷(adenosine)胞嘧啶脱氧核苷(deoxycytidine)2021/3/1183Chapter 15 核苷中的D-核糖及D-2-脱氧核糖均为呋喃型环状结构。 糖环中的1 -C是不对称碳原子，所以有a-及b-两种构型。但核酸分子的糖苷键均为b-糖苷键。 核苷分为： 核糖核苷 脱氧核糖核苷2021/3/1184Chapter 1515.8.5 核苷酸核苷酸核苷酸： 核苷中2 、3 、和5 的羟基被磷酸酯化，产物是核苷酸。核苷酸分为： 核苷酸和脱氧核苷酸2021/3/1185Chapter 155 -腺嘌呤核苷酸(AMP)3 -胞嘧啶脱氧核苷酸3 -dCMP2021/3/1186Chapter 1515.9 核糖核酸和脱氧核糖核酸15.9.1 RNA和DNA的一级结构 15.9.2 DNA的二级结构15.9.3 核酸的功能2021/3/1187Chapter 1515.9.1 RNA和和DNA的一级结构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：2021/3/1188Chapter 15RNA结结构构DNA结结构构2021/3/1189Chapter 1515.9.2 DNA的二级结构的二级结构二级结构：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。 DNA的双螺旋结构示意图如下：T-A碱基结构G-C碱基结构2021/3/1190Chapter 15DNA的双螺旋结构示意图2021/3/1191Chapter 15DNA的双螺旋结构分子模型示意图2021/3/1192Chapter 15DNA的双螺旋结构分子模型动画2021/3/1193Chapter 15 DNA复制的示意图2021/3/1194Chapter 1515.9.3 核酸的功能核酸的功能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，2021/3/1195