第18章氨基酸、蛋白质和核酸

第18章氨基酸 蛋白质和核酸 AminoAcids proteinsandnucleiacids 18 1氨基酸 aminoacid AA是组成蛋白质的基本单位 结构通式 一 氨基酸的分类 命名及构型 1 分类1 按来源不同分 蛋白质氨基酸和天然游离氨基酸 2 根据氨基酸在水溶液中的酸碱性 酸性 中性 实际上为弱酸性 和碱性氨基酸 2 氨基酸的构型和存在形式 构型 用D L表示 L型 氨基酸D型 氨基酸L 甘油醛 除甘氨酸 天然 氨基酸都是旋光的 而且都是L型的 存在形式 氨基酸都以偶极离子的形式存在 组氨酸 谷氨酸 丙氨酸 2 氨基酸的构型和存在形式 3 名称 氨基酸的 碳原子 除甘氨酸外 都是手性碳 其构型的表示方法与糖一样 用D或L表示 每个氨基酸都有俗名 并都用一个缩写符号表示 一 氨基酸的分类 命名及构型 人体必需氨基酸 20种AA中有8种AA在人体内不能合成 必须由食物供给 称为人体必需AA 表18 1中标有 号的即是必需AA 表18 1存在于蛋白质中的20种常见氨基酸 为必需氨基酸 中文名称结构式 偶极离子 中性氨基酸甘氨酸丙氨酸亮氨酸 异亮氨酸 表18 1蛋白质中的20种常见氨基酸 续1 表18 1蛋白质中的20种常见氨基酸 续2 表18 1蛋白质中的20种常见氨基酸 续3 表18 1蛋白质中的20种常见氨基酸 续4 表18 1蛋白质中的20种常见氨基酸 续5 注意 两性离子的写法 这20种氨基酸不同之处在于R基团的差异 除甘氨酸外 其它氨基酸都是手性分子 虽然在一些肽类和抗生素中发现存在少量的D 构型氨基酸 但到目前为止 还未发现在天然的蛋白质中有D 构型的氨基酸 由此可以看出 天然的氨基酸都是L 构型 除半胱氨酸外全部是S 构型 一 氨基酸的分类 命名及构型 八个必需氨基酸 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 苯丙氨酸 苏氨酸 蛋氨酸 赖氨酸 色氨酸 修饰氨基酸 或衍生氨基酸 蛋白质中有一些氨基酸在生物体内均无相应的遗传密码 往往在蛋白质合成前后 由其中相应的氨基酸经加工修饰而成 如L 胱氨酸是由两个L 半胱氨酸氧化而来 二 非编码氨基酸 非蛋白质氨基酸 自然界中有些氨基酸本身不是参与构成蛋白质的氨基酸 而是以各种形式分布于植物 细菌和动物体内 有的是 或 氨基酸 如鸟氨酸是精氨酸的代谢中间体 二 非编码氨基酸 组成蛋白质的氨基酸都是结晶形固体 熔点较高 一般在200 300 C之间 但达到熔点时 往往分解且放出二氧化碳 除甘氨酸外均有旋光性 氨基酸在水溶液中溶解度大小不一 见表23 2 但都能溶于强酸 强碱中 除甘氨酸 丙氨酸 亮氨酸外 其它氨基酸不溶于无水乙醇 几乎所有的氨基酸均不溶于醚 三 氨基酸的性质 氨基酸既含有氨基 又含有羧基 他们的性质集中地表现在这两个官能团上 酯化 酰化 脱羧 叠氮化 与亚硝酸反应 与醛酮反应 烃基化反应 成盐 三 氨基酸的性质 氨基酸既含有氨基 又含有羧基 显示出酸和碱的两重性质 它既可以跟酸反应生成成盐 又可以跟碱反应生成盐 HCl Cl NaOH R CH COO NH2 Na 一 氨基酸的酸碱性和等电点 三 氨基酸的性质 当没有外界酸碱介质存在时 它还可以发生分子内电离 以两性离子的形式存在 内盐 一 氨基酸的酸碱性和等电点 三 氨基酸的性质 一 氨基酸的酸碱性和等电点因氨基酸含有羧基和氨基 有酸式和碱式两种电离方式 故称为两性电解质 而羧基中离解出来的H 可以和氨基结合生成 NH3 即氨基酸中含 COO 和 NH3 故将此种形式的氨基酸称为两性离子 三 氨基酸的性质 丙氨酸在纯水溶液中的电离平衡 两性离子 负离子 正离子 平衡时 数量 当pH 6 0时 AA带电状况净负电荷 净电荷为零 碱式电离 酸式电离 一 氨基酸的酸碱性和等电点 中性氨基酸的pI 一般为5 0 6 5 一般为2 7 3 2 一般为7 6 10 8 当氨基酸在溶液中的正离子和负离子的数量相等 且浓度最低 而主要以两性离子形式存在时 这种溶液的pH值就叫做 氨基酸的等电点 isoelectricpoint 氨基酸的等电点 每一种氨基酸都有其特定的等电点 一 氨基酸的酸碱性和等电点 等电点 当一种氨基酸的pH值在某一个特定值时 此时氨基酸带有的正电数与负电荷数相等 即氨基酸本身净电荷为零 处于等电状态 在电场中不移动 该pH值就称为这种氨基酸的等电点 用pI表示 等电点用pH值来表示 但要与我们一般所谓的pH值等于7的概念要严格区分 一 氨基酸的酸碱性和等电点 等电点时氨基酸的特性 2 氨基酸的净电荷为零 在外 在水中的溶解度最低 加直流电场的作用下 不发 生移动 1 氨基酸的两性离子浓度最高 一 氨基酸的酸碱性和等电点 两性电离和等电点 I II III 正离子两性离子负离子pHpI 一 氨基酸的酸碱性和等电点 例题 已知天冬氨酸的pI 2 77 精氨酸的pI 10 76 将二者的混合溶液放在pH为5 9的缓冲溶液中进行纸上电泳 各向何极移动 氨基酸的纸上电泳色谱图 请指出图谱中各斑点代表何种氨基酸 为什么 一 氨基酸的酸碱性和等电点 纸电泳分离AA pHpI 样品带负电荷 样品点向阳极移动pH pI 样品不带电荷 样品点不移动 一 氨基酸的酸碱性和等电点 二 氨基酸的反应 1 脱水成肽的反应 肽键 2 与茚三酮的反应 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 紫色 CO2 RCHO 3H2O 互变异构 此反应常用于氨基酸层析中氨基酸的显色 同时根据生成紫色化合物的程度以及放出CO2体积 均可作为 氨基酸定量分析的依据 脯氨酸含有亚氨基的结构 可与茚三酮反应生成黄色的化合物 此反应作为鉴定氨基酸的主要化学方法之一 2 与茚三酮的反应 可根据放出氮气的体积用于氨基酸的定量分析 该方法叫做 Vanslyke 氨基测定法 3 与亚硝酸的反应 蛋白质腐败时 由精氨酸或鸟氨酸可以产生腐胺 putrescine H2N CH2 4 NH2 由赖氨酸脱羧可得到尸胺 cadaverine H2N CH2 5 NH2 人体内的胺类也是氨基酸经脱羧后产生的 4 脱羧反应 5 与2 4 二硝基氟苯反应 在室温和弱碱条件下 氨基酸中氨基上的氢原子可与2 4 二硝基氟苯反应 DNFB 发生亲核取代 DNP氨基酸呈黄色 可用于氨基酸的鉴定 定义 氨基酸残基之间通过肽链相连的化合物 结构 肽键 peptidebond 18 2多肽 peptide 酰胺键 一 肽的结构与命名 有三个氨基酸残基 是三肽 tripeptide 末端结构 N 末端 有 NH3 的一端C 末端 有 COO 的一端 氨基酸残基 aminoacidresidue 肽链中每一个氨基酸单位 一 肽的结构与命名 多肽结构通式 肽分子中的酰胺键的双键特征 一 肽的结构与命名 C CN C O H 肽键的结构 0 132nm 具有双键性质 不能自由旋转 6个原子都在同一平面上 两个 碳处于反式 O和H原子处于反式 一 肽的结构与命名 肽链的旋转受阻 多肽主链构象是有限的 一般以反式构型存在 一 肽的结构与命名 酰胺键的平面关系 肽单元的空间结构特征 1 肽单元是平面结构 组成肽单元的六个原子共平面 2 肽键具有部分双键性质 使C N之间的旋转受到一定阻碍 3 肽键一般呈反式构型 一 肽的结构与命名 名称 丙氨酰半胱氨酰亮氨酸缩写 丙 半胱 亮或Ala Cys Leu简写 A C L 命名 以C 末端的氨基酸为母体 其它的氨残基称某氨酰 依次命名 如 一 肽的结构与命名 为了确定肽的结构 通常必须进行如下测定 组成肽的氨基酸的种类 每种氨基酸的数目 这些氨基酸在肽链中的排列顺序 1 氨基酸组成和含量分析 二 多肽结构测定和端基分析 2 氨基酸顺序的测定 A 部分水解法 二 多肽结构测定和端基分析 酶解法 用羧肽酶处理多肽 水解只发生在C 端 用氨肽酶处理多肽 水解只发生在N 端 例如 某三肽结构的测定 因此 原三肽是 半胱 赖 色肽 2 氨基酸顺序的测定 二 多肽结构测定和端基分析 化学法 利用某些有效的化学试剂 与多肽中的游离氨基或游离羧基发生反应 然后将反应产物水解 其中与试剂结合的氨基酸容易与其它部分分离和鉴定 例如 2 氨基酸顺序的测定 二 肽结构测定和端基分析 1 N 端分析 A 2 4 二硝基氟苯 DNFB 法 B 丹磺酰氯 DNS Cl 法 灵敏度比上法高百倍 此法称为Edman降解法 其原理已被现代氨基酸自动分析仪所采用 1 N 端分析 C 异硫氰酸苯酯 P Edman 法 1 C 端分析 A 肼解法 B 羧肽酶催化水解法 最为有效 最常用 专一地从肽链的C端逐个降解AA 二硫键 1 谷胱甘肽 三 生物活性肽 还原型 谷氨酰半胱氨酰胱甘氨酸 氧化型 谷氨酰半胱氨酰胱甘氨酸 参与细胞的氧化还原 二硫键 Cys Tyr Ile Glu Arg Cys Pro Leu Gly NH2 S S 2 催产素 三 生物活性肽 课堂练习 1 完成下列方程式 2 回答下列问题下列氨基酸的水溶液在等电点时是酸性还是碱性 为什么 丝氨酸精氨酸天冬氨基酸 2 下列反应在何种介质中进行有利 氨基酸的酯化反应 氨基酸的酰化反应 3 赖氨酸在强酸性溶液中 主要以下列形式存在 含有三个酸性基团 请指出酸性强弱的顺序 pKa1 2 85pKa2 8 95pKa3 10 53 18 4核酸 一 核酸的组成 核酸逐步水解的过程 核酸分为核糖核酸 RNA 和脱氧核糖核酸 DNA RNA主要存在于细胞质中 参与生物体内蛋白质的合成 DNA主要分布在细胞核中 它决定着生物体的繁殖 遗传和变异 核苷酸是核酸的基本结构单位 核糖核苷酸为RNA的组成单位 脱氧核糖核苷酸是DNA的组成单位 生物体内多数核苷酸是5 核苷酸 核苷酸 核苷酸的命名是取含氮碱的字头加上 核苷酸 脱氧核苷酸则在含氮碱的字头前再加 脱氧 两字 5 腺苷酸 5 AMP 3 脱氧腺苷酸 3 dAMP 构成核酸的戊糖 核成核酸的戊糖有两类 核糖和脱氧核糖 对应的核酸称为核糖核酸 RNA 和脱氧核糖核酸 DNA 核糖 2 脱氧核糖 核糖 2 脱氧核糖 环状结构 链状结构 构成的核酸的杂环碱 嘌呤 腺嘌呤 Adenine A 鸟嘌呤 Guanine G 6 氨基嘌呤2 氨基6 氧嘌呤 嘧啶 胸腺嘧啶 Thymine T 尿嘧啶 Uracil U 胞嘧啶 Cytonine A 核糖核酸和脱氧核糖核酸的区别 核糖核酸 RNA 含有的戊糖是核糖 含有的杂环碱有腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶和胸腺嘧啶脱氧核糖核酸 DNA 含有的戊糖是2 脱氧核糖 含有的杂环碱有腺嘌呤 鸟嘌呤 胞嘧啶和尿嘧啶 核苷 戊糖与杂环碱形成的苷叫核苷 RNA的四种核苷是 腺嘌呤核苷 鸟嘌呤核苷 胞嘧啶核苷 尿嘧啶核苷 DNA的四种核苷 腺嘌呤脱氧核苷 鸟嘌呤脱氧核苷 胞嘧啶脱氧核苷 胞腺嘧啶脱氧核苷 核苷酸 核苷中糖的5 核酸中糖的碳原子的位次以1 2 3 表示 羟基 与磷酸形成的酯 叫做核苷酸 如 尿嘧啶核苷酸 腺嘌呤脱氧核苷酸 核苷酸在碱溶液中水解 即失去磷酸生成核苷 核酸是许多核苷酸相互连接而成的多核苷酸长链 RNA DNA 核苷酸之间都是通过3 5 磷酸二酯键相互连接而成 3 5 磷酸二酯键是磷酸分别与相邻两个核苷中戊糖3 位和5 位上的羟基脱水形成的酯键 二 核酸的结构和生物功能 核酸的一级结构是指各个核苷酸在核酸分子中的排列顺序 核酸链的走向一般是从5 端至3 端 DNA分子是由两条平行的多核苷酸链组成 它们围绕同一中心轴以相反的走向平行旋绕而成右手双螺旋结构 在同一条链上 每隔10个碱基 多核苷酸链即旋转一圈 每一圈的螺距为3 4nm 螺旋直径为2 0nm 两条长链的碱基在螺旋内侧 碱基平面与中心轴相垂直 它们通过嘌呤碱基和嘧啶碱基之间形成的氢键而固定下来 由于螺旋圈的直径是一定的 因此两条链上的碱基以一定规律相互配对 在DNA双螺旋结构中只能A与T G与C之间配对 这一规律称碱基配对原则或叫碱基互补原则 DNA的双螺旋结构 Watson和Crick1953年合作提出 嘌呤碱和嘧啶碱两两成对 腺嘌呤 A 胸腺嘧啶 T 鸟嘌呤 G 胞嘧啶 C 双螺旋体