有机化学第二十章蛋白质和核酸CAI.ppt

蛋白质和核酸 第二十章 是一类含氮的高分子化合物 是一类生物高分子 是生命的基础 是构成细胞的主要物质 蛋白质是功能分子 既充当生物体的构架材料 又为生命执行各种特殊使命 蛋白质 蛋白质的基本结构单元是氨基酸 不论哪一类蛋白质水解都生成 氨基酸的混合物 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 因此要讨论蛋白质的结构和性质 首先要了解 氨基酸 氨基酸 分子中含有氨基和羧基的化合物 20 1氨基酸 氨基酸 氨基酸 氨基酸可分为 中性氨基酸 碱性氨基酸 酸性氮基酸 丙氨酸 氨基丙酸Ala 酪氨酸 氨基 3 对羟基苯基丙酸Tyr 俗名 系统命名 缩写符号 一 氨基酸的结构 命名和分类 碱性氨基酸 在分子中 NH2的数目多于 COOH的数目 酸性氨基酸 在分子中 COOH数目多于 NH2数目 在 氨基酸的命名中 习惯上多数以俗名来命名 而组成蛋白质的 氨基酸仅二十多种 见表20 1 俗名 赖氨酸系统命名 2 6 二氨基己酸缩写符号 Lys 俗名 谷氨酸系统命名 2 氨基戊二酸缩写符号 Glu 蛋白质中的 氨基酸 续上表 除甘氨酸外 氨基酸都是手性的 有旋光性 它们的构型取决于 碳原子 氨基酸的构型是与乳酸相比而确定的 例如 与L 乳酸相应的L 丙氨酸的构型是 L 丙氨酸 L 氨基酸 氨基酸的构型习惯于用D L标记法 一般天然产的氨基酸都为L型的 如果用R S法标记 那么天然氨基酸大多属于S 构型 但也有R 构型的 如L 半胱氨酸为R 构型 1 两性与等电点 1 两性 氨基酸含有一个酸性的羧基 COOH 也含有一个碱性的氨基 NH2 故它遇到酸或碱都能生成盐 氨基酸分子内这两个基团也可以生成盐 称内盐 二 化学性质 这些都是由偶极离子结构所导致的特性 氨基酸的红外光谱上 没有典型的COOH伸展吸收峰 1725 1700cm 1 而只有COO 负离子的伸展吸收峰 1650 1545cm 1 氨基酸的某些物理性质和光谱性质表明 氨基酸主要是以内盐的形式存在的 分子中没有游离的 NH2或 COOH 2 等电点 氨基酸在纯水溶液中可形成如下的平衡 等电点 如果在氨基酸水溶液的平衡体系中外加酸 则可抑制负离子 II 的生成 而使正离子 III 数量增加 平衡向左移动 当加入适量的酸时 可以使 II 和 III 的数量相等 氨基酸的净电荷等于零 将此溶液置于电场中 氨基酸向阳极移动的速度和向阴极移动的速度相等 该溶液的pH值则称为氨基酸的等电点 简写PI 氨基酸等电点包含两层意思 说明在等电点时 氨基酸本身处于电中性状态 即溶液中正 负离子浓度相等 说明氨基酸是电中性时的pH值 氨基酸等电点的两点说明 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 等电点是每一种氨基酸的特定常数 在等电点时 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 2 氨基与羧基的反应 羧基具有酸的一般性质 可以成酰卤 酯等反应 氨基也有氨的性质 如可以进行酰化 烷基化等 此法常用来保护氨基 也可用苄氧甲酰氯作酰化剂 酰基化反应 烃基化反应 如果要引入芳基 则可与2 4 二硝基氟苯进行烃基化 3 与亚硝酸反应 4 与茚三酮反应 茚三酮在水溶液中 注 N 取代的 氨基酸 氨基酸 氨基酸等均不与茚三酮发生显色反应 凡是有游离氨基的氨基酸都可以和茚三酮发生呈紫色的反应 茚茚三酮水合茚三酮 反应历程 氨基酸不仅是组成蛋白质的结构单元 而且它们本身也是人体生长的重要营养物质 具有特殊的生理作用 因此氨基酸的生产和应用早就得到人们的重视 游离的氨基酸在自然界很少见 它们主要以聚合体形式 多肽或蛋白质 存在于动 植物中 1 蛋白质水解 2 微生物发酵法 以糖质原料 如淀粉 果糖 蔗糖 或以石油及其制品 如石蜡 煤油 乙醇 醋酸 为主要碳源 在氮 磷 钾等物质存在下 经过微生物发酵而生成氨基酸 三 氨基酸的来源与合成 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 无需再进行外消旋的拆分 3 酶法 在酶的作用下 可将一定原料转化成L 氨基酸 特点 酶的催化选择很强 生产过程简单 产率高 副产品少 周期短 成本低 得到的氨基酸多是外消旋体 要进行拆分才能得到光学活性物质 4 化学合成法 1 由醛酮作原料 2 由 卤代酸氨解 3 盖瑞尔法 卤代酸酯和邻苯二甲酰亚胺钾反应 再经水解 可制得产率 纯度较高的氨基酸 4 由丙二酸酯合成 R X除为一般的伯卤外 还可以为ClCH2COOC2H5 ClCH2CH2SCH3等多种卤代物 中间物也可以与 不饱和酯 酮 进行麦克尔加成 合成各种结构的氨基酸 一个氨基酸的羧基与另一分子氨基酸的氨基通过失水反应 形成一个酰氨键 新生成的化合物称为肽 肽分子中的酰氨键叫肽键 二分子氨基酸失水形成的肽叫二肽 多个分子氨基酸失水形成的肽叫多肽 定义 20 2多肽 由二个氨基酸组成 称二肽由三个氨基酸组成 称三肽由多个氨基酸组成 称多肽 肽分子中的酰胺键称为肽键 多肽与蛋白质无严格的界限 一般把分子量大 约一万以上 的多肽称蛋白质 分子量小的叫多肽 从广义来说 多肽也是蛋白质 实际上 有些蛋白质本身就是多肽 一 多肽的命名和表达方式 胰岛素 为51肽 催产素 为8肽 书写时规定 肽的命名 是从N 端开始 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整的 写为 某氨酸 例如 可以看出 二肽 2个氨基酸 组成肽 有2种异构体 二种连接方式 三肽 3个氨基酸 组成肽 有6种异构体 四肽 4个氨基酸 组成肽 有27种异构体 六肽 6个氨基酸 组成肽 有720种异构体 二 多肽结构的测定 测定多肽分子中氨基酸顺序的一般步骤 彻底水解成 氨基酸 测定各种氨基酸在多肽组成中的相对数目 测定C 端 N 端是什么氨基酸 测定氨基酸的排列顺序 1 端基分析法 如 H2N A B C D E COOH X NH A B C D E COOH 端基分析 1 N 端分析法 a 2 4 二硝基氟苯法 也叫桑格法 桑格法的缺点是在水解时 整个肽链都被破坏 所以在肽链上只能进行一次N 端分析 b 异硫氰酸苯酯法 也叫爱德曼降解法 2 C 端分析法 羧肽酶法 羧肽酶是催化C 端氨基酸水解的特效酶 在羧肽酶作用下 只有靠近游离羧基的那个肽键发生水解 而其它肽键不变 2 部分水解法 部分水解 将多肽用蛋白水解酶进行部分水解为许多小肽 分离后逐个进行端基测定 蛋白水解酶对肽键的水解有催化作用 但每一种蛋白水解酶只能水解一定类型的肽键 对肽键水解有高度的专一性 三肽排列有二种 丙 脯 苯丙 苯丙 脯 丙 因端基分析N 端为丙氨酸 故三肽顺序应为 丙 脯 苯丙 四肽排列也有二种 赖 丝 缬 亮 亮 缬 丝 赖 因端基分析 C 端为亮氨酸 故四肽顺序应为 赖 丝 缬 亮 故八肽的排列顺序为 丙 脯 苯丙 酪 赖 丝 缬 亮 20 3蛋白质 一 蛋白质的分类 蛋白质的种类繁多 可以从不同的角度 根据它们不同的特征进行分类 根据辅基的不同结合蛋白质又可分为 唾液中的粘蛋白 所含的辅基为糖 核蛋白所含的辅基为核酸 3 按功能分类 蛋白质就是生命 二 蛋白质的结构 蛋白质的物理 化学性质和生物功能都依赖于它们的结构 蛋白质的结构相当复杂 通常分为 初级结构 1 蛋白质的一级结构 牛胰岛素的一级结构 胰核糖核酸酶的一级结构 2 蛋白质的二级结构 蛋白质中有二种类型的二级结构 由肽链之间的氢键所造成 由两条肽链或一条肽链内两段肽链之间形成氢键 折叠型 3 蛋白质的三级结构 维持三级结构的力来自氨基酸侧链之间的相互作用 肌红蛋白的三级结构 4 蛋白质四级结构 其中每条肽链称为一个亚基 维护四级结构的主要是静电引力 三 蛋白质的性质 1 两性与等电点 蛋白质和氨基酸一样 也是两性物质 在肽链中有C 端的COOH N 端的NH2 有它们的等电点 不同蛋白质 其等电点不相同 在等电点时 蛋白质的溶解度最小 因此可以通过调节溶液的pH值 使蛋白质从溶液中析出 达到分离或提纯的目的 2 蛋白质的变性 当蛋白质受到物理或化学因素影响时 可使蛋白质二 三级结构的结合力遭受破坏 肽链松散 导致蛋白质在理化和生物性质上的改变 这种现象称为蛋白质的变性 引起蛋白质变性的主要因素 蛋白质变性后表现为 溶解度降低 凝固 丧失生理活性 3 蛋白质的沉淀 蛋白质是高分子化合物 在水溶液中形成的颗粒直径在1 100nm内 具有胶体性质 所以蛋白质溶液不能通过半透膜 在水溶液中是以胶体形式存在的 如酸 碱 丙酮 酒精 单宁酸 重金属盐等 如果破坏蛋白质在水中溶液中的水化膜 蛋白质就会在水溶液中沉淀 破坏水化膜的因素有 1 盐析 加入大量的电解质如 NaCl NH4 2SO4 Na2SO4等 蛋白质将会以沉淀析出 这种作用称为盐析 盐析反应一般是可逆的 即这种沉淀是不变性的 2 脱水剂 酒精 丙酮等对水的亲和力很大 可以夺取水化膜中的H2O 故蛋白质的水化膜被破坏 使蛋白质沉淀出来 3 重金属盐 蛋白质可以和Hg2 Cu2 Pb2 Ag 等重金属离子结合成不溶性蛋白质 重金属有杀菌的作用 即是由于它能沉淀蛋白质 4 显色反应 1 缩二脲反应 蛋白质与硫酸铜碱性溶液反应 呈现紫色 称为缩二脲反应 2 蛋白黄反应 3 米勒 Millon 反应 利用该反应就可以检验蛋白质中有无酪氨酸存在 4 水合茚三酮反应 蛋白质与稀的水合茚三酮一起加热呈蓝色 该反应主要用于纸上层析 20 4酶 新陈代谢过程包含着复杂而有规律的物质与能量的变化 以及生物新陈代谢中的各种化学反应 如果在体外大都需要激烈的物理 化学作用和较长的时间才能完成 但生物体内借助酶的催化下 却能在常温 常压下顺利地进行 酶 酶是一类在生物体内有催化活性的蛋白质 辅酶 与酶蛋白松弛地结合的辅助因子称为辅酶 辅基 与酶蛋白紧密地结合的辅助因子称为辅基 全酶 酶蛋白与辅助因子结合后形成的复合物称为全酶 一 酶的分类 1 按结构分为 2 按催化反应类型分 二 酶作为生物催化剂有以下几个特点 酶的催化专一性和酶的结构特点特别是活性中心的空间结构有密切关系 酶和底物分子之间有一种特殊的三度空间的配合 这种配合类似于锁和钥匙的关系 酶就象一把钥匙 只能打开一把锁 特定结构的反应底物 锁被打开相当于生物化学反应的完成 费歇尔酶作用的锁 钥匙假说 1894年 在酶的催化反应中 先是酶与底物作用生成复合物 接着复合物进行反应而生成产物 并重新放出酶 20 5核酸 生物所特有的生长和繁殖机能以及遗传与变异的特征 都是核蛋白起着重要作用 核酸正如多糖及蛋白质 也是生物高分子 分子量从几十万 几百万 蛋白质是生物体用以表达各项功能的具体工具 核酸是生物用来制造蛋白质的模型 没有核酸就没有蛋白质 因此 核酸是最根本的生命的物质基础 核酸可以是游离状态 也可以与蛋白质结合 组成结合蛋白质 称核蛋白 D 2 脱氧核糖的核苷 磷酸 D 核糖 碱基 结构组成 核糖核苷酸 核糖核酸 D 核糖的核苷 磷酸 核酸 脱氧核糖核酸 脱氧核糖核甘酸 D 2 脱氧核糖 碱基 聚合 聚合 一 核酸的组成部分 核蛋白 核酸的分类主要有两种 D 去氧核糖 D 核糖 含有2 去氧核糖的核酸叫去氧核糖核酸 DNA 含有核糖的核酸称为核糖核酸 RNA 2 碱基部分 核酸中所含的杂环碱常称为碱基 它们是嘌呤和嘧啶的衍生物 1 糖组分 在核酸分子中含有两种糖组分 其结构式如下 3 核苷 两种核糖与五种碱基形成的糖苷分别称为核苷和去氧核苷 如为去氧核糖 则在词首加上 去氧 如2 去氧腺苷 核苷命名时 如果糖组分是核糖 词尾用 苷 字前面加上碱基名称 如尿苷 4 核苷酸 核苷的磷酸酯叫做核苷酸 是组成核酸的结构单元 核苷酸是核苷3 位或5 位的羟基和磷酸所生成的酯 二 核酸的结构 核酸和蛋白质一样 也有一个单体排列的顺序问题 一般核酸可以有几千个以至几万个核苷酸组成 最小的核酸也含有70 90个核苷酸 因此核酸中核苷酸的排列顺序是多种多样的 故核酸也有一级结构 二级结构和三级结构 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 也叫一级结构 多肽链主链骨架中的若干肽段 通过氢键 形成有规则的构象 这称为二级结构 螺旋 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 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 蛋白质的生理活性是由二级 三级 四级结构来决定的 DNA一级结构 DNA分子是两个多核苷酸链围绕同一个轴盘形成右旋的双股螺旋模型 每条链的突出部分是通过磷酸二酯桥连接的去氧核糖 碱基在螺旋内部 其平面与中心轴垂直 很像梯子的阶梯 两条链之间的空间恰好能容纳下一个嘌呤碱和一个嘧啶碱 因此两条链上的碱基是以一种特殊的方式进行配对 腺嘌呤与胸腺嘧啶配对 A T 鸟嘌呤与胞嘧啶配对 G C 因为A和T或G和C在形成氢键的时候 两两配合得比较默契 它们之间能够最有效地形成氢键 稳定DNA结构 碱基配对为什么非得A配T G配C呢 腺嘌呤与脲嘧啶配对 A U 鸟嘌呤与胞嘧啶配对 G C RNA的二级结构不如DNA那样有规律 大多数RNA分子由一条弯曲的多核苷酸链构成 在链的某些区域可发生自身回褶而形成双螺旋 其间的碱基互补关系是 3 三级结构 DNA在双螺旋结构 二级结构 的基础上还进一步缩成环状 开链状或麻花状等形式的三级结构 三 核酸的生物功能 核酸是生物体不可缺少的组成部分 它在生物的遗传变异 生长发育和蛋白质合成中起着重要的作用 它能使生命模式代代相传 因此人们称核酸为生命的 蓝图 1 DNA的复制 DNA具有按照自己的结构精确复制功能 细胞分裂时DNA的两条链可以拆开 分别到两个子细胞里 每条链通过碱基配对 即A T G C