西北农林科技大学理学院朱玮教授 有机化学教案 第二十二章1 蛋白质和核酸.pdf

设想利用已积累的蛋白质肽链形成二级和设想利用已积累的蛋白质肽链形成二级和 三级结构等知识 配合多肽合成手段 像建筑三级结构等知识 配合多肽合成手段 像建筑 师那样 按照人们所需的化学性质 生物学性师那样 按照人们所需的化学性质 生物学性 质或催化性质 设计并合成出具有预定的三度质或催化性质 设计并合成出具有预定的三度 空间结构和性能符合要求的全新蛋白质 预计空间结构和性能符合要求的全新蛋白质 预计 全新蛋白质研究在酶蛋白和膜蛋白的研究和模全新蛋白质研究在酶蛋白和膜蛋白的研究和模 拟中将有重大的作用 拟中将有重大的作用 22 1 氨基酸氨基酸 一 分类 命名和构型一 分类 命名和构型 二 物理性质二 物理性质 三 三 氨基酸的氨基酸的化学性质化学性质 四 四 氨基酸氨基酸合成合成 五 五 氨基酸氨基酸拆分拆分 22 2 多肽多肽 一 基本概念一 基本概念 二 多肽的分类和命名二 多肽的分类和命名 三 多肽的结构三 多肽的结构 四 多肽的性质四 多肽的性质 内容提要内容提要 22 3 蛋白质蛋白质 一 蛋白质的结构一 蛋白质的结构 二 蛋白质的性质二 蛋白质的性质 22 4 核酸核酸 一 核酸的组成一 核酸的组成 二 核苷和核苷酸二 核苷和核苷酸 三 核酸的结构三 核酸的结构 四 核酸的性质四 核酸的性质 内容提要内容提要 第二十二章 蛋白质和核酸 除了类脂和糖类化合物以外 重要的生物除了类脂和糖类化合物以外 重要的生物 大分子还有蛋白质和核酸 这两类化合物是构大分子还有蛋白质和核酸 这两类化合物是构 成生命的基本物质 其中核酸是遗传信息的携成生命的基本物质 其中核酸是遗传信息的携 带者 为生命的外在形式提供了建设蓝图 而带者 为生命的外在形式提供了建设蓝图 而 蛋白质则承担着各种各样复杂的生理功能 从蛋白质则承担着各种各样复杂的生理功能 从 整体上维持着生物机体新陈代谢活动的进行 整体上维持着生物机体新陈代谢活动的进行 因此 因此 生命是蛋白质的存在形式 而生命的基生命是蛋白质的存在形式 而生命的基 本特征就是蛋白质的不断自我更新本特征就是蛋白质的不断自我更新 多糖多糖 部分水解部分水解 低聚糖低聚糖 完全水解完全水解 单糖单糖 蛋白质蛋白质 部分水解部分水解 多肽多肽 完全水解完全水解 氨基酸氨基酸 苷键苷键把多个单糖基本单元以同种或不把多个单糖基本单元以同种或不 同的方式连接起来 构成多糖分子链 同的方式连接起来 构成多糖分子链 肽键肽键 酰胺键 把多个氨基酸基本单 酰胺键 把多个氨基酸基本单 元按一定次序连接起来 构成蛋白质分子元按一定次序连接起来 构成蛋白质分子 链 氨基酸是构成蛋白质的基石 链 氨基酸是构成蛋白质的基石 22 1氨基酸氨基酸 Aminoacid 一 分类 命名和构型一 分类 命名和构型 p457 1 分类分类 1 R 结构结构 3 分子中所含分子中所含 COOH 和和 NH2 的个数的个数 脂肪族脂肪族 芳香族芳香族 杂杂环环 2 COOH 和和 NH2 的相对位置的相对位置 中性中性pH 7 碱性碱性pH 7 酸性酸性pH pIpH pIpH pIpH pIpH pI值值 该氨基酸主要以何种形式存在该氨基酸主要以何种形式存在 在电场中迁移在电场中迁移 情况如何情况如何 问题问题2中性中性 酸性和碱性氨基酸水溶液的酸性和碱性氨基酸水溶液的pH 值范围值范围 pH值是否等于值是否等于pI值值 要使要使pH pI 应加酸还是加碱应加酸还是加碱 应用应用 不同的氨基酸不同的氨基酸 pI值值各不相同各不相同 在在等电点等电点时时 氨基酸呈电中性氨基酸呈电中性 在电场中不迁移在电场中不迁移 且偶极离且偶极离 子的浓度最高子的浓度最高 而氨基酸的溶解度最小而氨基酸的溶解度最小 易生易生 成沉淀成沉淀 可用调节可用调节pH值的方法值的方法 分离氨基酸混分离氨基酸混 合物合物 常用的方法 分级沉淀常用的方法 分级沉淀 电泳和色谱法电泳和色谱法 这种两性解离性质为这种两性解离性质为20种氨基酸所共有种氨基酸所共有 共同赋予蛋白质的两性解离特性共同赋予蛋白质的两性解离特性 氨基酸的氨基酸的 两性解离性质是氨基酸和蛋白质最主要的化两性解离性质是氨基酸和蛋白质最主要的化 学特性学特性 理解和运用这一性质理解和运用这一性质 是分离是分离 纯纯 化氨基酸和蛋白质化氨基酸和蛋白质 进而理解核酸性质进而理解核酸性质 理理 解生物大分子的构象和之间的相互作用以及解生物大分子的构象和之间的相互作用以及 酶作用的机理等分子生物学基本理论的基础酶作用的机理等分子生物学基本理论的基础 3 与与HNO2的反应的反应 1 胺 胺 R NH2 的性质 的性质 RCHCOOH HNO2 RCHCOOH H2O N2 NH2OH 根据放出氮气的体积 计算试样中根据放出氮气的体积 计算试样中 NH2 的含量的含量 Van Slyke氨基测定法氨基测定法 2 脱羧反应脱羧反应 取代酸的共性 取代酸的共性 NH2 RCHCOOH 或脱羧酶或脱羧酶 RCH2NH2 CO2 4 与羰基化合物的反应与羰基化合物的反应 羰基化合物与羰基试剂的加成缩合反应羰基化合物与羰基试剂的加成缩合反应 C O H H H2NCHCOOH R 弱酸弱酸 H H C R NCHCOOH 氨基酸氨基酸的亲核能力较弱 在弱酸的催化的亲核能力较弱 在弱酸的催化 下 只能与甲醛发生加成缩合反应 下 只能与甲醛发生加成缩合反应 用标准碱溶液滴定生成物 测定试样中用标准碱溶液滴定生成物 测定试样中 氨基酸氨基酸的含量 的含量 但是在酶的催化下 但是在酶的催化下 氨基酸氨基酸能与植物体能与植物体 内羰基化合物加成缩合 该反应是植物体内生内羰基化合物加成缩合 该反应是植物体内生 物碱生物合成的重要途径之一物碱生物合成的重要途径之一 5 与与2 4 二硝基氟苯二硝基氟苯 DNFB Dinitrofluorobenzene 的反应的反应 F NO2 O2N R H HNCHCOOH 弱酸弱酸 O2N NO2 HNCHCOOH R DNFB N DNP 氨基酸氨基酸 黄色黄色 该反应用于测定多肽或蛋白质分子中各该反应用于测定多肽或蛋白质分子中各 氨基酸氨基酸的排列顺序的排列顺序 Sanger法法 问题问题3乙烯型的芳香族卤代烃乙烯型的芳香族卤代烃DNFB为什么为什么 能与能与 氨基酸氨基酸的氨基发生亲核取代反应的氨基发生亲核取代反应 6 氧化脱氨反应氧化脱氨反应 RCHCOOH NH2 O RCCOOH NH HO H R C O H COOH NH2 RCCOOH NH3 O 7 与水合茚三酮的反应与水合茚三酮的反应 氨基酸氨基酸 过量水合茚三酮过量水合茚三酮 发生脱发生脱 氨氨 脱羧和茚三酮本身被还原等反应脱羧和茚三酮本身被还原等反应 过量过量 水合茚三酮水合茚三酮 氨氨 茚三酮的还原产物茚三酮的还原产物 缩缩 合反应合反应 有色产物有色产物 紫红紫红或或蓝蓝 紫色紫色 反应式如下 反应式如下 12 O O OH OH RCHCOOH NH2 弱酸弱酸 H OH O O RCHO NH3 CO2 OH OH O O 2NH3 O OH HO O O N O ONH4 紫红紫红 蓝蓝或或紫色紫色 但但N 取代的取代的 氨基酸氨基酸 脯氨酸和羟脯氨酸等不发生此显色反应脯氨酸和羟脯氨酸等不发生此显色反应 应用应用 氨基酸的定性定量分析氨基酸的定性定量分析 Cu H2N CHR O C O O C O RHC NH2 8 形成配合物的反应形成配合物的反应 在在 氨基酸氨基酸金属盐分子中金属盐分子中 氨基用自身的孤电氨基用自身的孤电 子对子对 与金属离子形成配位键与金属离子形成配位键 从而生成稳定的从而生成稳定的 结晶状配合物结晶状配合物 可利用某些可利用某些 氨基酸氨基酸配合物溶配合物溶 解度的差异进行分离纯化解度的差异进行分离纯化 同时同时 配合物的生成配合物的生成 使氨基不能再接受质子使氨基不能再接受质子 因而溶液显酸性因而溶液显酸性 四 四 氨基酸的合成氨基酸的合成 p463 1 卤代酸的氨化卤代酸的氨化 2 N 取代氨基丙二酸酯的烃化取代氨基丙二酸酯的烃化 CH2 COOC2H5 2 HNO2 O N CH COOC2H5 2 HON C COOC2H5 2 CH3 2CHCH2CHCOO 1 i C4H9Br EtONa 2 H3O NH3 H3CCO 2O H2 Pt CH3CONHCH COOC2H5 2 3 Strecker合成合成法法 C6H5CH2CHO HCN NH3 C6H5CH2CHCN NH2 1 H2O OH 2 H C6H5CH2CHCOO NH3 氨基酸氨基酸 N 乙酰基或乙酰基或N 氯乙酰基衍生物氯乙酰基衍生物 酰基转移酶酰基转移酶 L 氨基酸氨基酸 五 五 氨基酸的拆分氨基酸的拆分 p465 1 结晶法结晶法 2 酶法酶法 21 2 多肽多肽 Polypeptide p466 一 基本概念一 基本概念 1 肽肽 Peptide 2 肽键肽键 3 多肽多肽 4 氨基酸残基氨基酸残基 H2N C C OH R H OO H R H HN C C OH H2N C C R H OO H R N C C OH H H2O 肽键肽键 也可以偶极离子形式存在也可以偶极离子形式存在 H2O H2NCH2C OH O H HNCHCOOH CH3 HNCHCOOH O H2NCH2 C CH3 N 端端C 端端 甘氨酰丙氨酸甘氨酰丙氨酸 简称 甘简称 甘 丙 丙 Gly Ala 二 多肽的分类和命名二 多肽的分类和命名 1 分类分类 两种中性氨基酸分子间脱水可生成两种二两种中性氨基酸分子间脱水可生成两种二 肽 肽 n种中性氨基酸有种中性氨基酸有n 种结合方式 种结合方式 丙氨酰甘氨酸丙氨酰甘氨酸 H2O H2NCHC OH O H HNCH2COOH CH3 CH3 O H2NCHC HNCH2COOH CH3 O H2NCHC HNCH2C NHCHCOOH O CH2C6H5 丙氨酰甘氨酰苯丙氨酸丙氨酰甘氨酰苯丙氨酸 H2NCHCH2CH2C NHCHC NHCH2COOH O O COOH CH2SH 谷氨酰半胱氨酰甘氨酸 谷胱甘肽 谷氨酰半胱氨酰甘氨酸 谷胱甘肽 2 命名命名 C N OO C N 三 多肽的结构三 多肽的结构 1 肽键肽键 肽键中的肽键中的p 使使C N具有部分双键的性具有部分双键的性 质 其键长介于单键键长质 其键长介于单键键长C N 0 148nm 和和 双键键长双键键长 0 127nm 之间 约之间 约0 132nm C N O CH C X射线衍射法测定表明射线衍射法测定表明 组成肽键的原子共组成肽键的原子共 平面平面 所以肽键中的所以肽键中的C N键不能自由旋转键不能自由旋转 存存 在顺反两种可能的构型 在顺反两种可能的构型 顺式顺式反式反式 多数情况下 反式构型在能量上更有利 多数情况下 反式构型在能量上更有利 但也有例外 但也有例外 C N O C H C C N O CH C 2 多肽结构测定多肽结构测定 多肽链中氨基酸的排列顺序称为氨基酸多肽链中氨基酸的排列顺序称为氨基酸 顺序顺序 N 端端 C 端端 是多肽和蛋白质最是多肽和蛋白质最 重要的特性之一重要的特性之一 1 多肽组成的测定多肽组成的测定一定质量的多肽试一定质量的多肽试 样样 酸水解酸水解 离子交换柱色谱法分离离子交换柱色谱法分离 水合茚三酮显色水合茚三酮显色 定性定性 定量定量 根据多根据多 肽相对分子质量和所含氨基酸的种类肽相对分子质量和所含氨基酸的种类 确定确定 各种氨基酸分子的数目各种氨基酸分子的数目 全自动氨基酸分全自动氨基酸分 析仪的测定原理析仪的测定原理 2 氨基酸序列的测定氨基酸序列的测定 特定的酶特定的酶 长肽链部分水解长肽链部分水解 小肽链小肽链 端端 基标记法测定每个小片段中氨基酸的排列顺序基标记法测定每个小片段中氨基酸的排列顺序 逐步确定整个多肽链中氨基酸的排列顺序逐步确定整个多肽链中氨基酸的排列顺序 端基标记法端基标记法 DNFB法法 Sanger法法 N 端端 卤代烃的亲核取代卤代烃的亲核取代 DNA的电泳指纹图谱的电泳指纹图谱 F NO2 O2N R H2NCHCONHCHCO R R O2N NO2 HNCHCONHCHCO R H2O H O2N NO2 HNCHCOOH R R H2NCHCOOH R R Edman法法N 端端 异氰酸酯的加成异氰酸酯的加成 R H HNCHC NHCHC R O O C6H5N C S OH O OR NHCHC NHCHC R C6H5NHC S 异硫氰酸苯酯异硫氰酸苯酯 O OR NHCHC NHCHC R C6H5NHC S 苯基乙内酰硫脲苯基乙内酰硫脲 缩短后的肽链可以继续进行第二个缩短后的肽链可以继续进行第二个 第三第三 个个 N 端标记端标记 多肽顺序自动分析仪多肽顺序自动分析仪 一一 次可连续测出次可连续测出60个以上氨基酸顺序个以上氨基酸顺序 HCl NNHC6H5H S O R H2NCHCO R 酶解法酶解法C 端端 逐步水解逐步水解 用羧肽酶用羧肽酶A水解氨基酸水解氨基酸 如果氨基酸的侧如果氨基酸的侧 链为芳香环或比较大的烃基链为芳香环或比较大的烃基 水解反应更容易水解反应更容易 进行进行 质谱法质谱法 测定出多肽的结构测定出多肽的结构 就可以在实验室里进行就可以在实验室里进行 多肽的人工合成多肽的人工合成 但由于氨基酸分子中可发生但由于氨基酸分子中可发生 反应的部位很多反应的部位很多 所以对于不希望发生反应的所以对于不希望发生反应的 基团要加以保护基团要加以保护 对希望反应的基团要使其活对希望反应的基团要使其活 化化 所加的活化试剂和保护试剂必须易于和被所加的活化试剂和保护试剂必须易于和被 活化活化 被保护部位反应被保护部位反应 又不与其它基团反应又不与其它基团反应 反应后易于除去反应后易于除去 除去时又不影响其它基团除去时又不影响其它基团 和已形成的肽键和已形成的肽键 由此可见由此可见 多肽的人工合成多肽的人工合成 比起氨基酸的顺序测定更为复杂比起氨基酸的顺序测定更为复杂 四四 多肽的性质多肽的性质 由于多肽分子中含有游离的由于多肽分子中含有游离的N 端氨基和端氨基和C 端羧基端羧基 以及碱性氨基酸以及碱性氨基酸 酸性氨基酸残基侧酸性氨基酸残基侧 链中的链中的氨基氨基和和羧基羧基 所以多肽分子相当于一个所以多肽分子相当于一个 氨基酸分子氨基酸分子 但情况要复杂得多但情况要复杂得多 多肽也有等多肽也有等 电点电点 等电点时的性质与氨基酸相似等电点时的性质与氨基酸相似 21 3 蛋白质蛋白质 Protein 一一 蛋白质的结构蛋白质的结构 p475 蛋白质是由一条或多条多肽链以特殊方式组蛋白质是由一条或多条多肽链以特殊方式组 合成的生物大分子合成的生物大分子 蛋白质的结构可以分为蛋白质的结构可以分为6个个 层次 层次 一级结构一级结构 二级结构二级结构 超二级结构超二级结构 三三 级结构级结构 四级结构以及分子缔合体四级结构以及分子缔合体 一级结构一级结构 以外的其它结构又称为空间结构或三维结构以外的其它结构又称为空间结构或三维结构 1 一级结构一级结构 蛋白质的一级结构包括组成蛋白质的多肽链蛋白质的一级结构包括组成蛋白质的多肽链 数目数目 每一条多肽链的氨基酸的种类和顺序每一条多肽链的氨基酸的种类和顺序 以及多肽链内或链间二硫键的数目和位置以及多肽链内或链间二硫键的数目和位置 目前已知上千种不同蛋白质的一级结构目前已知上千种不同蛋白质的一级结构 例例 如胰岛素如胰岛素 胰岛素的一条肽链相对分子质量约胰岛素的一条肽链相对分子质量约 为为6 000 应当属于多肽应当属于多肽 但在溶液中受金属离但在溶液中受金属离 子子 例如例如Zn2 的作用的作用 两条分子链迅速结合两条分子链迅速结合 使相对分子质量达到约使相对分子质量达到约12 000 因此因此 胰岛素胰岛素 是目前最小的蛋白质是目前最小的蛋白质 任何一种蛋白质任何一种蛋白质 在其自然状态或活性状在其自然状态或活性状 态下态下 都具有特征而稳定的空间结构都具有特征而稳定的空间结构 一旦这一旦这 种特征的立体结构遭到破环种特征的立体结构遭到破环 即使其一级结构即使其一级结构 不变不变 蛋白质的生物功能也会完全丧失蛋白质的生物功能也会完全丧失 所以所以 具有独特的空间结构具有独特的空间结构 是蛋白质区是蛋白质区 别于普通有机分子的最显著特点别于普通有机分子的最显著特点 蛋白质的空蛋白质的空 间结构首先与其一级结构有关间结构首先与其一级结构有关 也就是说与组也就是说与组 成它的氨基酸及排列顺序有关成它的氨基酸及排列顺序有关 蛋白质分子能够维持某种相当稳定的空间蛋白质分子能够维持某种相当稳定的空间 结构不变结构不变 必然有某些力将链与链之间必然有某些力将链与链之间 或链或链 中某些链段之间结合在一起中某些链段之间结合在一起 这些力是由组成这些力是由组成 肽链的氨基酸分子中的各种基团间相互作用形肽链的氨基酸分子中的各种基团间相互作用形 成的成的 2 二级结构二级结构 蛋白质的二级结构是指肽链的主链在空间蛋白质的二级结构是指肽链的主链在空间 的排列的排列 只涉及分子主链的构象及链内或链间只涉及分子主链的构象及链内或链间 肽键上形成的氢键肽键上形成的氢键 多肽链的构象主要取决于两个条件 多肽链的构象主要取决于两个条件 组成肽键的原子处于同一平面 肽链中组成肽键的原子处于同一平面 肽链中 两个相邻的肽键通过一个共同的两个相邻的肽键通过一个共同的 碳相连 碳相连 N C C N C C N C C HO H HO H O HRR HR 虽然肽键中的虽然肽键中的C N键不能自由旋转键不能自由旋转 但但 C N和和C C键可以自由旋转键可以自由旋转 因此肽链因此肽链 能在保持酰胺键平面结构不变的情况下能在保持酰胺键平面结构不变的情况下 形成形成 不同的空间排列不同的空间排列 构象构象 主链上酰胺键形成的链内或链间氢键主链上酰胺键形成的链内或链间氢键 N H O C 1 螺旋螺旋 2 折叠折叠 这种氢键对于稳定主链构象具有重要意义这种氢键对于稳定主链构象具有重要意义 因此在各种可能的构象中因此在各种可能的构象中 能够形成氢键最多能够形成氢键最多 的构象最稳定的构象最稳定 化学家化学家Pauling从从20世纪世纪30年代开始应用年代开始应用X 射线衍射法研究蛋白质的晶体结构射线衍射法研究蛋白质的晶体结构 并于并于1951 年首先提出了蛋白质的立体结构模型 年首先提出了蛋白质的立体结构模型 螺旋螺旋 和和 折叠折叠 螺旋结构是蛋白质二级结构中最典型的螺旋结构是蛋白质二级结构中最典型的 也是最稳定的一种二级结构也是最稳定的一种二级结构 主链形成了右手主链形成了右手 螺旋螺旋 在在Pauling提出的提出的 螺旋结构模型中螺旋结构模型中 每每 隔隔3 6个氨基酸残基上升一圈个氨基酸残基上升一圈 螺距为螺距为0 54nm 与 天 然与 天 然 角 蛋 白 的 衍 射 图 案 中 所 推 算 的角 蛋 白 的 衍 射 图 案 中 所 推 算 的 0 54 0 55nm一个周期是一致的一个周期是一致的 在在 螺旋体中螺旋体中 氨基酸残基的侧链伸向外氨基酸残基的侧链伸向外 侧侧 相邻的罗圈之间形成链内氢键相邻的罗圈之间形成链内氢键 取向几乎取向几乎 与中心轴平行与中心轴平行 其氢键是肽键中氮原子上的氢其氢键是肽键中氮原子上的氢 原子与其后的第四个氨基酸残基上的羰基氧原原子与其后的第四个氨基酸残基上的羰基氧原 子之间形成的子之间形成的 除了两端外除了两端外 所有肽键都在螺所有肽键都在螺 旋内形成了氢键旋内形成了氢键 每个肽键的成氢键能力都得每个肽键的成氢键能力都得 到满足到满足 所以构象稳定所以构象稳定 蛋白质的蛋白质的 螺旋结构螺旋结构 1 在在Pauling提出的提出的 折叠结构模型中折叠结构模型中 肽链肽链 处于较伸展的曲折形式处于较伸展的曲折形式 多肽链的长轴互相平多肽链的长轴互相平 行行 相邻肽链借助氢键彼此连成片层结构相邻肽链借助氢键彼此连成片层结构 例例 如如 角蛋白和丝心蛋白角蛋白和丝心蛋白 所有的肽键都参与链所有的肽键都参与链 间氢键的形成间氢键的形成 其氢键与链的长轴几乎垂直其氢键与链的长轴几乎垂直 侧链基团在折叠片平面的上和下交替伸展侧链基团在折叠片平面的上和下交替伸展 平行式 所有肽链的平行式 所有肽链的N 端都处于同一端端都处于同一端 如如 角蛋白角蛋白 反平行 肽链的反平行 肽链的N 端一顺一倒的排列端一顺一倒的排列 如丝心如丝心 蛋白蛋白 反平行构象较稳定反平行构象较稳定 折叠结构折叠结构 2 从从 螺旋和螺旋和 折叠结构可以看出非共价折叠结构可以看出非共价 相互作用在稳定蛋白质结构中所起到的重要相互作用在稳定蛋白质结构中所起到的重要 作用作用 而且无论蛋白质的结构如何复杂与变而且无论蛋白质的结构如何复杂与变 化化 本质上均是受这些作用力所控制的本质上均是受这些作用力所控制的 在二级结构的基础上在二级结构的基础上 蛋白质分子多肽蛋白质分子多肽 链上的氨基酸残基借助氢键链上的氨基酸残基借助氢键 非肽键非肽键 二二 硫键硫键 酯键酯键 疏水键疏水键 正负离子间的盐键以正负离子间的盐键以 及分子间其它作用力及分子间其它作用力 次级键次级键 进一步卷进一步卷 曲曲 折叠折叠 盘绕形成更复杂的空间结构盘绕形成更复杂的空间结构 蛋白质分子中的次级键蛋白质分子中的次级键 2 超二级结构超二级结构 蛋白质的超二级结构是指二级结构单元蛋白质的超二级结构是指二级结构单元 间的组合方式间的组合方式 主要是指纤维状蛋白主要是指纤维状蛋白 角蛋角蛋 白白 胶原蛋白等胶原蛋白等 的整体和球状蛋白的整体和球状蛋白 肌红肌红 蛋白蛋白 血红蛋白等血红蛋白等 的局部的局部 例如 例如 角蛋白属于角蛋白属于 三右一左三右一左 式式 三股右三股右 手手 螺旋一起向左拧成一根左手螺旋结构螺旋一起向左拧成一根左手螺旋结构 丝心蛋白是典型的反平行丝心蛋白是典型的反平行 折叠的平行折叠的平行 方式的再堆积方式的再堆积 胶原纤维属于胶原纤维属于 三左一右三左一右 式式 三股左三股左 手手 螺旋一起向右拧成一根右手螺旋结构螺旋一起向右拧成一根右手螺旋结构 蛋白质超二级结构示意图蛋白质超二级结构示意图 a 螺旋 螺旋 b 折叠 折叠 c 无规则卷曲无规则卷曲 3 三三 四级结构四级结构 1 三级结构三级结构 三级结构的概念主要是对球状蛋白而言三级结构的概念主要是对球状蛋白而言 例如肌红蛋白例如肌红蛋白 其实体是结构域其实体是结构域 各个结构域各个结构域 之间共价相连的区域称为铰链区之间共价相连的区域称为铰链区 在结构域内在结构域内 部是球状蛋白的超二级结构部是球状蛋白的超二级结构 3 2 四级结构四级结构有两条或两条以上具有三有两条或两条以上具有三 级结构的多肽链级结构的多肽链 亚基亚基 聚合而成的特定空聚合而成的特定空 间结构称为蛋白质的四级结构间结构称为蛋白质的四级结构 例如血红蛋例如血红蛋 白是肌红蛋白的类四聚体白是肌红蛋白的类四聚体 依靠蛋白质分子弱的非共价次级键依靠蛋白质分子弱的非共价次级键 球球 状蛋白的构象才成为可变状蛋白的构象才成为可变 从而在不断变化从而在不断变化 的生物体内环境中的生物体内环境中 通过自身的构象改变来通过自身的构象改变来 适应各种需要适应各种需要 4 Pr COO NH2 H OH H OH COO Pr NH3 NH3 Pr COOH pH pIpH pIpH pI 二 蛋白质的性质二 蛋白质的性质 1 两性和等电点两性和等电点 2 胶体性质胶体性质 蛋白质是天然高分子化合物蛋白质是天然高分子化合物 分子的大小分子的大小 达到胶体颗粒直径范围达到胶体颗粒直径范围 1 100nm 因此蛋因此蛋 白质呈胶体性质 丁达尔效应白质呈胶体性质 丁达尔效应 布朗运动和电布朗运动和电 泳现象且不能透过半透膜泳现象且不能透过半透膜 蛋白质能形成较稳蛋白质能形成较稳 定的亲水胶体定的亲水胶体 其主要原因有 其主要原因有 1 双电层双电层 2 水化膜水化膜 1 双电层双电层 蛋白质是两性化合物蛋白质是两性化合物 颗粒表面颗粒表面 都带有电荷都带有电荷 与氨基酸类似与氨基酸类似 pH pI 时带负电时带负电 这种同性电荷这种同性电荷 与周围电性相反的离子形成稳定的双电层与周围电性相反的离子形成稳定的双电层 防防 止蛋白质颗粒相互凝聚产生沉淀止蛋白质颗粒相互凝聚产生沉淀 若若pH pI 蛋白质颗粒上所带的正负电荷相互抵消蛋白质颗粒上所带的正负电荷相互抵消 不可不可 能形成双电层能形成双电层 也就失去了胶体的稳定性也就失去了胶体的稳定性 生生 成沉淀成沉淀 2 水化膜水化膜蛋白质分子表面有许多极蛋白质分子表面有许多极 性基团性基团 与水有高度的亲和性与水有高度的亲和性 使蛋白质颗使蛋白质颗 粒被水分子层包围粒被水分子层包围 从而形成水化膜从而形成水化膜 水化膜的存在水化膜的存在 使蛋白质的各个颗粒彼使蛋白质的各个颗粒彼 此分开此分开 增强了蛋白质溶液的稳定性增强了蛋白质溶液的稳定性 另外另外 由于蛋白质大分子不能透过半透由于蛋白质大分子不能透过半透 膜膜 所以可用透析法分离提纯蛋白质所以可用透析法分离提纯蛋白质 3 蛋白质的沉淀和变性蛋白质的沉淀和变性 1 蛋白质的沉淀蛋白质的沉淀 可逆沉淀 破环了蛋白质的胶体可逆沉淀 破环了蛋白质的胶体 体系体系 不可逆沉淀 破环了蛋白质的空不可逆沉淀 破环了蛋白质的空 间结构 使其生理活性丧失 间结构 使其生理活性丧失 蛋白质的蛋白质的 沉淀沉淀 蛋白质的胶体体系被破坏蛋白质的胶体体系被破坏生成生成 水水胶体体系恢复胶体体系恢复 消失消失 可逆沉淀可逆沉淀用于分离蛋白质用于分离蛋白质 盐析盐析 Na2SO4 MgCl等碱金属 碱土金属的中性盐或等碱金属 碱土金属的中性盐或 NH4 2SO4 破环蛋白质颗粒外的水化膜 破环蛋白质颗粒外的水化膜 中和蛋白质的电荷中和蛋白质的电荷 盐析盐析可逆沉淀可逆沉淀用于分离蛋白质用于分离蛋白质 有机溶剂 有机溶剂在短期内是在短期内是可逆沉淀可逆沉淀 重金属盐 重金属盐 pH pI 醋酸铅 氯化汞 硝酸银等醋酸铅 氯化汞 硝酸银等 不可逆沉淀不可逆沉淀 2Pr COO NH2 Pb2 NH2 COO Pr 2 Pb2 生物碱试剂生物碱试剂 pH pI 苦味酸 单宁酸 三氯乙酸等生物苦味酸 单宁酸 三氯乙酸等生物 碱试剂碱试剂不可逆沉淀不可逆沉淀 甲醛或苯酚甲醛或苯酚 甲醛或苯酚甲醛或苯酚 不可逆沉淀不可逆沉淀 Pr COOH NH3 Cl3CCOOH NH3 COOH Pr Cl3CCOO 2 蛋白质的变性蛋白质的变性 蛋白质蛋白质 重金属盐重金属盐 生物碱试剂生物碱试剂 甲醛或苯酚甲醛或苯酚 不可逆沉淀不可逆沉淀 破环了蛋白质的空间结构破环了蛋白质的空间结构 生物活性丧失生物活性丧失 蛋白质变性蛋白质变性 除了上述引起变性作用的化学因素外除了上述引起变性作用的化学因素外 物物 理因素有 干燥理因素有 干燥 加热加热 高压高压 紫外线紫外线 x 射射 线线 激烈震荡或搅拌激烈震荡或搅拌 超声波处理等超声波处理等 4 蛋白质的水解反应蛋白质的水解反应 在在H OH 或 或酶的催化下酶的催化下 蛋白质可以蛋白质可以 发生一系列水解反应 发生一系列水解反应 月月 示示蛋白质蛋白质 胨胨 多肽多肽 二肽二肽 氨基酸氨基酸 变性作用是蛋白质受物理变性作用是蛋白质受物理 化学因素的化学因素的 影响影响 改变其分子内部结构和性质的作用改变其分子内部结构和性质的作用 变变 性后性后 蛋白质分子就从原来有序的卷曲而紧密蛋白质分子就从原来有序的卷曲而紧密 的结构变为无序的结构变为无序 松散而伸展的结构松散而伸展的结构 即破环即破环 了原有的空间结构了原有的空间结构 致使蛋白质的分子空间构致使蛋白质的分子空间构 象发生不可逆的变化象发生不可逆的变化 同时溶解度降低同时溶解度降低 粘度粘度 增大增大 结晶性破环结晶性破环 对水解酶的抵抗力下降对水解酶的抵抗力下降 丧失生物活性丧失生物活性 一般认为一般认为 变性初期是可逆的变性初期是可逆的 继可逆阶继可逆阶 段之后就成为不可逆变性段之后就成为不可逆变性 5 蛋白质的颜色反应蛋白质的颜色反应 1 二缩脲反应二缩脲反应 三肽 三肽 多肽多肽 蛋白质蛋白质 尿素受热缩合尿素受热缩合 二缩脲二缩脲 0 5 CuSO4 OH 紫红色紫红色 紫色紫色 肽键数目 肽键数目 色越红 色越红 15 2 茚三酮反应茚三酮反应 水合茚三酮 水合茚三酮 蓝蓝 蓝紫色蓝紫色或或紫色紫色 3 黄蛋白反应黄蛋白反应 蛋白质 含蛋白质 含芳基侧链芳基侧链 浓浓HNO3 白色白色 变 变 性 性 加热加热 黄色黄色 硝基苯衍生物 硝基苯衍生物 加加OH 橙黄色橙黄色 氨基酸氨基酸 多多肽肽 蛋白质蛋白质 4 Millon反应反应 Millon试剂 试剂 Hg NO3 2 Hg NO2 2 HNO3 HNO2的混合物的混合物 蛋白质蛋白质 含含酪氨酸残基酪氨酸残基 Millon试剂试剂 白色白色 变性变性 加热加热 砖红色砖红色 酪氨酪氨 酸酚羟基的反应酸酚羟基的反应 5 乙醛酸反应乙醛酸反应 蛋白质蛋白质 含含色氨酸残基色氨酸残基 乙醛酸乙醛酸 浓浓H2SO4 紫色紫色 12 4 核酸核酸 Nucleic acid p479 一一 核酸的组成核酸的组成 核酸在不同条件下水解核酸在不同条件下水解 可得到一系列不可得到一系列不 同的产物同的产物 核酸核酸核苷酸核苷酸 磷酸磷酸 核苷核苷 戊糖 戊糖 D 核糖或核糖或 D 2 脱氧核糖脱氧核糖 碱基 碱基 嘧啶和嘌呤类嘧啶和嘌呤类 核核 酸酸 类类 别别 组组 分分 RNA DNA 戊戊 糖糖 D 核糖核糖 D 2 脱氧核糖脱氧核糖 尿嘧啶尿嘧啶 胸腺嘧啶胸腺嘧啶 碱碱 嘧啶碱嘧啶碱 胞嘧啶胞嘧啶 胞嘧啶胞嘧啶 腺嘌呤腺嘌呤 腺嘌呤腺嘌呤 基基 嘌呤碱嘌呤碱 鸟嘌呤鸟嘌呤 鸟嘌呤鸟嘌呤 磷磷 酸酸 磷磷 酸酸 磷磷 酸酸 二 核苷和核苷酸二 核苷和核苷酸 1 核苷核苷 HOH2C H HH OH O OH H N N N N NH2 腺苷 腺苷 A 20 鸟苷 鸟苷 G HOH2C H HH OH O OH H N N N N NH2 O H HOH2C H HH OH O H NH2 OH N N O 胞苷 胞苷 C HOH2C H HH OH O H OH N N O O H 尿苷 尿苷 U HOH2C H HH OH O H N N N N NH2 H 脱氧腺苷脱氧腺苷 dA 脱氧鸟苷 脱氧鸟苷 dG HOH2C H HH OH O H N N N N NH2 O H H HOH2C H HH OH O H NH2 H N N O 脱氧胞苷 脱氧胞苷 dC HOH2C H HH OH O H H N N O O H H3C 脱氧胸苷 脱氧胸苷 dT 2 核苷酸核苷酸 核苷酸多指单核苷酸 核苷酸多指单核苷酸 MP 是核苷 是核苷3 位位 或或5 位的羟基与磷酸酯化的产物 位的羟基与磷酸酯化的产物 组成组成RNA的核苷酸的核苷酸 腺苷酸 腺苷酸 AMP 鸟苷酸 鸟苷酸 GMP 胞苷酸 胞苷酸 CMP 尿苷酸 尿苷酸 UMP 组成组成DNA的核苷酸的核苷酸 脱氧腺苷酸 脱氧腺苷酸 dAMP 脱氧鸟苷酸 脱氧鸟苷酸 dGMP 脱氧胞苷酸 脱氧胞苷酸 dCMP 脱氧胸苷酸 脱氧胸苷酸 dTMP 鸟苷鸟苷 3 磷酸磷酸 HOH2C H HH O O OH H N N N N NH2 O HO P O OH HO P OH 2C H HH OH O H H N N O O H H3C OH O 脱氧胸苷脱氧胸苷 5 磷酸磷酸 HO P O P O P OH 2C H HH OH O OH H N N N N NH2 OOO OHOHOH ADP 二磷酸腺苷 二磷酸腺苷 ATP 三磷酸腺苷 三磷酸腺苷 AMP 单磷酸腺苷 单磷酸腺苷 三 核酸的结构三 核酸的结构 H HH O H H N N N N NH2 O OH P OH2C O H HH O H NH2 H N N O O P OH2C OH O O P OH2C OH O H HH O H N N N N NH2 O HO P OH2C OH O H HH O H H N N O O H H3C H 5 端端 A C G T 磷酸二酯键的方向磷酸二酯键的方向 3 5 通过一个核苷酸单位通过一个核苷酸单位 戊糖的戊糖的3 位羟基与另位羟基与另 一个核苷酸单位戊糖一个核苷酸单位戊糖 的的5 位羟基之间形位羟基之间形 成磷酸酯键 将核苷成磷酸酯键 将核苷 酸连接在一起 因此酸连接在一起 因此 在两个核苷酸之间有在两个核苷酸之间有 一个磷酸二酯键 一个磷酸二酯键 DNA一级结构片段一级结构片段 3 端端 DNA一级结构片段简化式一级结构片段简化式 PP P P 1 1 1 1 3 3 3 3 5 5 5 5 ACGT RNA和和DNA等多聚核苷酸链的特点 等多聚核苷酸链的特点 RNA和和DNA等多聚核苷酸是通过等多聚核苷酸是通过5 3 磷酸二磷酸二 酯键连接而成 酯键连接而成 链的一端如果含有一个游离的链的一端如果含有一个游离的5 磷酸基磷酸基 另另 一端则有一个游离的一端则有一个游离的3 羟基羟基 其基本单位就是其基本单位就是 5 核苷酸核苷酸 链的方向就是链的方向就是5 3 例如例如 PAPGPCPUPUPA PA OH 链的一端如果含有一个游离的链的一端如果含有一个游离的3 磷酸基磷酸基 另另 一端则有一个游离的一端则有一个游离的5 羟基羟基 其基本单位就是其基本单位就是 3 核苷酸核苷酸 链的方向就是链的方向就是3 5 例如例如 HO TP APTPCPGPTPAPd 多聚核苷酸是由含有不同碱基的核苷酸多聚核苷酸是由含有不同碱基的核苷酸 组成 具有一定的核苷酸顺序 即核酸的碱组成 具有一定的核苷酸顺序 即核酸的碱 基顺序 核酸的碱基顺序就是核酸的基顺序 核酸的碱基顺序就是核酸的一级结一级结 构构 它决定了核酸的基本性质 核酸的碱基 它决定了核酸的基本性质 核酸的碱基 顺序具有极其重要的生理意义 顺序具有极其重要的生理意义 DNA的碱基的碱基 顺序本身就是遗传信息储存的分子形式 顺序本身就是遗传信息储存的分子形式 和蛋白质类似和蛋白质类似 核酸除了一级结构外核酸除了一级结构外 还有二级还有二级 三级三级 四