第十五章 氨基酸、肽和蛋白质、核酸.doc

第十五章 氨基酸、肽和蛋白质、核酸 目的要求蛋白质也是重要的天然产物，是构成动物体的组分，它与细胞的组分一起在机体中起各种生理作用和机械功能。某些蛋白质与多肽又是重要的激素物质。从化学结构上看，它们都是多官能团化合物，所以，在学完单官能团各类化合物之后，再学习它们，为将来学习生物化学打好基础。-氨基酸是多肽与蛋白质的基石，就好象组成淀粉和纤维素的基本单位是葡萄糖一样。所以，本章首先从讨论氨基酸着手，进而讨论-氨基酸在蛋白质中的结合方式，在此基础上，介绍蛋白质的结构和性质。本章学习的基本要求：1、掌握氨基酸的构型，熟悉氨基酸的分类和命名。2、掌握氨基酸物理性质和化学性质，着重掌握两性等电点的概念及各种颜色反应，了解氨基与羧基的各种特异反应。3、掌握多肽的有关概念，如肽，肽键，肽链及其构型和命名，C端和N端等。4、了解多肽的合成反应和原理，如传统合成，固相合成和组合化学。5、掌握蛋白质的结构，包括一级结构和二级结构，三级结构及四级结构。6、着重了解蛋白质的性质两性和颜色反应。7、认识蛋白质的生理功能。8、熟悉核酸，核苷酸的结构，了解其生物功能。9、掌握氨基酸，肽和蛋白质的IR、1HNMR、MS 。 学习提要(一)氨基酸一、构造，构型，分类，命名蛋白质是一种复杂的含氮高聚物，在酸碱和酶的作用下生成氨基酸的混合物或同时生成非蛋白质，如脂肪，糖，色素等。从有机化学角度看，氨基酸系指分子中既有氨基又有羧基的化合物。依据氨基和羧基的相对位置不同而分为、氨基酸。由于构成蛋白质的基本氨基酸都是-氨基酸，所以本章重点讲-氨基酸。常见的有20多种(参见教材P697-698)CH2OHCHOH HO天然氨基酸构型为L-型，基准为 ，相当与R/S标记的S型。天然氨基酸分为中性，酸性，碱性三类。所谓中性是指分子内氨基酸数目与羧基数目相等(显然，分子并非中性，因羧基比氨基强，而显微酸性)。酸性是指羧基数目大于氨基数目，碱性是指氨基酸数目大于羧基数目。命名多用俗名或代号，俗名与氨基酸性质有关，如甘氨酸是甜的，或与来源有关，如丝氨酸。代号是取氨基酸的英文名称的前几个字母，如glycine(甘氨酸)称为GLY。(参见教材P97P98之表15-1)二、物理性质易溶于水的-氨基酸有甘、丙、脯、苏、赖、精氨酸六种。氨基酸晶体不溶于有机溶剂，分解点200，无熔点。除甘氨酸之外，其它天然氨基酸都有旋光性。-氨基酸在固态或溶液中不呈现羧基典型的谱带(1220cm-1处)，但显示羧酸根负离子的吸收带(16001500cm-1)。在31002600cm-1间有一强而宽的N-H伸缩吸收带。常见氨基酸的物理常数列于教材表15-1中，很有参考价值。三、化学性质1、两性和等电点：在氨基酸分子中，氨基和羧基的离子化程度是不同的。当向氨基酸水溶液中加酸或碱至羧基和氨基的离子化程度相等时，溶液的pH值叫做该氨基酸的等电点(各氨基酸等电点见教材表15-1)。在等电点时，氨基酸主要以两性离子存在，并且此时溶解度最小。因而用调节等电点的方法，可以从氨基酸的混合物中分离出某些氨基酸。RCHCOONH2RCHCOOHNH3HOHHOHRCHCOONH3氨基酸负离子一切氨基酸在过量碱中的形态(和酸性氨基酸在水中的形态)氨基酸正离子一切氨基酸在过量酸中的形态(和碱性氨基酸在水中的形态)RCHCOOHNH2中性分子一切氨基酸在等电点时的形态介质的pH一切氨基7pHpI等电点7或77酸性氨基7pHpI77碱性氨基7pHpI 772、常用的分析、鉴定氨基酸的化学反应 范斯莱克(Van Slyke)氨基酸测定法。RCHCOOHOH HNO2RCHCOOHNH2 N2 H2O通过测定N2的体积，可以计算出氨基的含量。NHCH2OHRCHCOOHHCHORCHCOOHNH2 HCHORCHCOOHN(CH2OH)2索列荪(Sorensen)甲醛滴定法。氨基掩蔽，强碱滴定酸性羧基。茚三酮反应CCCOOHOHCCCOOOHOHRCHCOOHNH2RCHOCO2NH3 CCCOOOHOHNCCCOOCCCOOH(NH4)CCCOOHOH水和茚三酮 茚三酮还原产物2NH3 蓝紫色 (溶于水) (脯氨酸和羟基脯氨酸为黄色)NH2OCORCHCuOCONH2CHR络合Cu(OH)22R-CHCOOHNH2 深蓝色3、受热分解、与羟基酸类似化合物产物位次羟基酸氨基酸RCHOCCHROCOO交酯NHCORCHCONHCHR3,6-二烷基哌嗪-2,5-二酮,-不饱和酸RCHCHCOOH,-不饱和酸RCHCHCOOH-内酯-内酰胺-内酯CH2-CH2RCHCOOCH2-CH2RCHCNHOCH2-CH2RCHCCH2OOCH2-CH2RCHCCH2NHO-内酯O O(CH2)mC n-2(CH2)mCNH2(CH2)mCOOHOCO聚酯O NH(CH2)mC n(CH2)mCNH2(CH2)mCOOHOCNH聚酰胺失羧：像其它取代酸一样，受热放出CO2(脱羧)，在生物体内是脱羧酶催化脱羧的，产物为胺。失羧失胺：受酶作用失去CO2和NH3，生成相应的醇。例如发酵法制乙醇时，发酵业中的杂醇油的生成。4、基团保护反应氨基保护RCHCOOHNHCOCH3(CH3CO)2ORCHCOONH3保护羧基RCHCOONH2RCHCOOCH3NH3ClCH3OHHCl(二)肽CHCOHRNH2OH2OCHCRNH2OCHCOHRNHOCHCOHRHNHO结构和命名 二肽 N-端 肽链 C端 某氨酰某氨酸CH2CNHCHCOOHNH2OCH3例如 甘氨酰丙氨酸 或：甘丙(GlyAla)肽的结构应包括以下几个方面组成肽的氨基酸种类及相对含量氨基酸的分子数(测分子量)各氨基酸的排列顺序构型，由L型氨基酸构成的多肽，其构型为：COONHNHRNHCNHCOHRHHR(三)蛋白质1、与多肽一样，蛋白质同样具有由氨基酸失水生成的酰胺键，但通常将分子量在5000以上的多肽称作蛋白质。2、蛋白质的结构一级结构，又称初级结构，是蛋白质分子中多肽链氨基酸的连接顺序。特殊的空间结构是二级、三级、四级结构。研究得比较清楚的是纤维蛋白(肌肉)的二级结构，是右螺旋，多肽链胺非直线，其酰胺键中的羰基与另一螺旋圈酰胺键中NH 构成氢键。这样许多氢键使-螺旋趋于稳定。很多(约七根)螺线扭在一起，又构成三级结构。另一种二级结构称-片折叠，存在于丝蛋白中，各多肽链排列在相距一定距离的层面上。这些面不是平面的，而是折叠的，故称片折叠。除氢键作用外，二级结构中肽链间还有其它的副链：静电引力的盐键，羟基与醇基形成酯键，HS基形成的-S-S-键，范德华力引起的基团间的非键合作用。四级结构还不很清楚。一般是指两个或两个以上具有三级结构的肽链缔合在一起。3、蛋白质的性质多数蛋白质可溶于水或其它极性溶剂，不溶于有机溶剂，蛋白质的水溶液具有胶体溶液的性质，不能透过半透膜，能够电泳，盐析。水解蛋白质水解时（如在酸、碱或各种酶的作用下）可以得到多肽、二肽，最后水解为-氨基酸。同时生成非蛋白质，如脂肪、糖、色素等。两性解离及等电点RCHCOOHNH2RCHCOOHNH3HOHRCHCOONH3HOHRCHCOONH2 阴离子 阳离子 pHpI pHpI pHpI蛋白质在等电点时易沉淀析出，不同蛋白质有不同等电点常用于分离。水化作用和沉淀作用蛋白质离子在水溶液中稳定的原因：蛋白质多肽链含有的极性基团与水分子之间的吸引力，导致水化层（水化膜）的存在，避免了蛋白质分子颗粒之间的接触。蛋白质分子上某些基团离子化，使蛋白质表面带有电荷，增加了水化层的厚度。除去上述二因素，则沉淀。等电点时，蛋白质分子呈电中性，此时溶解度最小。沉淀的方法盐析或加有机溶剂脱水。酸或碱作用受热或紫外光照。变形作用，物理方法和化学方法。缩二脲反应蛋白质与碱性二价铜离子，生成蓝紫色红紫色透明溶液。这是重要的鉴别反应。氨基酸无此反应。黄色反应 加入浓硝酸即呈黄色。这是由于苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸中的苯环硝化形成黄色硝基化合物引起的。茚三酮反应与氨基酸相似，在蛋白质溶液中加入水合茚三酮则显蓝紫色。 补充说明氨基酸不能再水解。NH3 和COO的红外吸收光谱在3070及15001600cm-1氨基酸除有各自的比旋光度、等电点等物理性质可用于鉴定外，-氨基酸与水合茚三酮反应，生成蓝或紫色产物，反应很灵敏，是检定氨基酸的一个常用方法。-氨基酸又可与铜离子作用生成蓝色的内络盐。含有苯环的氨基酸与浓硝酸作用生成白色沉淀、加热变黄，遇碱则呈橙黄色，这可能是苯环上生成了硝基化合物。具有氨基的氨基酸可以和亚硝酸作用，放出氮气。蛋白质是由许多-氨基酸通过肽键连接成多肽的大分子化合物，分子量很高。蛋白质水解最终产物除氨基酸外，还有糖、色素、含磷、铁等非蛋白质成份(统称辅基)。蛋白质和氨基酸一样，也是两性物质，能与强酸、强碱作用成盐，有一定的等电点。都能与水合茚三酮反应显蓝色；蛋白质与浓硝酸作用变黄，再加氨处理又变橙色，可能和氨基酸一样，是由于蛋白质中苯环部分发生了硝化反应。蛋白质可经盐析，脱水剂(C2H5OH,CH3COCH3)等作用而沉淀，在热、紫外光、或化学试剂作用时变性。这和简单的氨基酸不尽相同。此外，缩二脲反应是区分氨基酸和蛋白质的重要反应。 习题与自学检查题一、习题建议作教材中本章全部习题二、自学检查题1、说出下列化合物在pH=2，7，12时的离子状态。异亮氨酸 甘氨酰甘氨酸 天门冬氨酸赖氨酰甘氨酸 赖氨酸 丙氨酰天门冬氨酸缬氨酸2、试写出自氨基酸起始合成甘氨酸天门冬氨酸的反应式3、试解释为什么酸性催化酯化中，甘氨酸酯化比丙酸酯化慢。4、Gastrins是17肽激素，其氨基酸组成为丙2天门冬1甘2谷5亮1蛋1苯丙1脯1色2酪1，分步水解得到以下四个肽片：、谷甘脯色、甘脯、蛋天门冬苯丙、异亮谷谷谷谷丙丙酪末端分析结果：C端苯丙，N端谷，用以上数据给出Gastrins的两个可能结构。5、写出下列化合物水解后的产物。CH3CONCOCH3CH2CONCOCH3CH3CH2CH2CHC