有机化学——14氨基酸蛋白质核酸

第十四章氨基酸、蛋白质、核酸,第十四章氨基酸、蛋白质、核酸,学习要点1.氨基酸的定义、分类、结构、命名和理化性质2.蛋白质的定义、结构和理化性质3.核酸、多肽、酶的定义和结构,蛋白质和核酸是最重要的生物大分子。是生命的物质基础核酸由几种基本核苷酸组成，蛋白质由约20种氨基酸组成,第三节核酸,第一节氨基酸,第二节蛋白质,一、氨基酸的结构、分类和命名,第一节氨基酸,或,-氨基酸,内盐或偶极离子,1.氨基酸的结构,（一）氨基酸的结构和分类,氨基酸在自然界中主要以蛋白质或多肽形式存在于动植物体内，-氨基酸是组成蛋白质的基本单位,-氨基酸的构型：,除甘氨酸外，其它19种氨基酸-C都为*C，存在一对对映体,生物体内具有旋光活性的-氨基酸均是L型,L-甘油醛（对照标准）,L-氨基酸,D-氨基酸,（R表示-氨基酸的侧链）,-氨基酸的结构通式,L-氨基酸,S-氨基酸（18种）,或,R-半胱氨酸,一个例外,羧酸分子中烃基上的氢原子被氨基取代而生成的化合物称为氨基酸,2.氨基酸的分类,根据分子中氨基和羧基的相对位置不同，可分为-氨基酸、-氨基酸、-氨基酸,-氨基酸-氨基酸-氨基酸,氨基酸又可根据R基团的结构分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环氨基酸根据分子中所含氨基和羧基的相对数目不同而分为中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸,系统命名、俗名、英文三（单）字符号,（二）氨基酸的命名,把氨基当作取代基，以羧酸做母体，氨基的位置习惯上用希腊字母、等表示,天然产氨基酸普遍使用习惯命名或俗名，按其来源或性质命名,如天冬氨酸源于天门冬植物的幼苗，甘氨酸因具有甜味而得名,作为合成蛋白质的原料的20种氨基酸，象元素符号一样，都有国际通用的符号，中文用简称表示,存在于蛋白质中的20种常见氨基酸,5.98,Ile(I),异亮氨酸*（异亮）,-氨基-甲基戊酸,不带电荷而具极性氨基酸其侧链R（羟基、巯基等）具亲水性，常分布在蛋白质分子外部，7个,酸性氨基酸其侧链R（羧基等）具亲水性，常分布在蛋白质分子外部，2个,人体对必需氨基酸的需要量,需要量（每日mg/kg体重）,氨基酸分子中同时含有碱性的氨基和酸性的羧基，具有酸碱两性,（一）氨基酸的两性电离和等电点,氨基酸既能与酸，又能与碱反应成盐，分子内碱性基团和酸性基团相互作用也形成盐，这种盐称为内盐,二、氨基酸的性质,在水溶液中的偶极离子,既可以给出H+，使氨基酸带负电荷，以阴离子存在又可以接受H+，使氨基酸带正电荷，以阳离子存在,偶极离子两性离子,阳离子,阴离子,在三种离子共同存在的平衡体系中，以哪一种离子为主，取决于氨基酸的结构和溶液的pH,通过调节溶液的pH值，使氨基酸的酸性与碱性电离程度相同，此时氨基酸主要以两性离子的形式存在，氨基酸呈电中性。这种使氨基酸处于电中性状态的溶液的pH值称为该氨基酸的等电点，用pI表示,偶极离子,阳离子,阴离子,pHpI,向负极移动,原点,向正极移动,等电点：,结论：当pH=pI时，氨基酸主要以偶极离子存在当pHpI时，氨基酸主要以阴离子存在当pHpI时，氨基酸主要以阳离子存在,丙氨酸的等电点pI=6.02,pH=6.0,pH=9.0,溶液PH值主要存在形式电泳方向,pH=3.0,阳离子,向负极移动,阴离子,向正极移动,偶极离子,不移动,等电点是氨基酸的重要理化常数之一。每种氨基酸都有其特定的等电点,酸性氨基酸：pI2.73.2（pH4）中性氨基酸：pI5.06.3（pH7）碱性氨基酸：pI7.610.8（pH7.5）,等电点时氨基酸的溶解度最小,（二）脱羧反应,-氨基酸与Ba（OH）2共热，即脱去羧基生成伯胺,脱羧反应也可因某些细菌的脱羧酶作用而发生,例如蛋白质腐败时鸟氨酸转变为腐胺（1，4-丁二胺）。脑内存在的重要神经递质氨基丁酸是由谷氨酸中-羧基脱羧后转变而成,（三）与亚硝酸反应,氨基酸中的氨基与亚硝酸作用时，氨基被羟基置换，同时放出氮气。反应可定量完成,利用这个反应，由反应所得氮气的体积，可计算出氨基酸和蛋白质分子中氨基的含量，这一方法称为范斯莱克（VanSlyke）氨基测定法,（四）与茚三酮的反应,-氨基酸与水合茚三酮溶液共热，生成蓝紫色的化合物，称为罗曼紫，并放出CO2。此反应可用于氨基酸的定性鉴定或定量分析,常用于层析实验中氨基酸的显色,（五）成肽反应,两分子氨基酸受热时，可由一分子的-氨基与另一分子的-羧基脱水缩合形成二肽,肽：氨基酸之间通过酰胺键（肽键）相连的化合物,肽分子中的酰胺键,二肽,肽键,称为肽键,二肽分子中仍含有自由的氨基和羧基，因此可以继续与氨基酸脱水缩合成三肽、四肽、五肽。由较多的氨基酸按上述方式脱水缩合形成的肽称为多肽,多肽的链状结构称为多肽链,氨基末端,羧基末端,多肽链,氨基酸残基,肽键：-CO-NH-,氨基酸残基：多肽链中每一个不完整的氨基酸左边的游离-氨基称为氨基末端（或N-端）右边的游离-羧基称为羧基末端（或C-端）,许多种氨基酸按照不同的排列顺序，构成了自然界中种类繁多的多肽和蛋白质,肽的结构不仅与组成肽链的氨基酸种类和数目有关，还与肽链中各氨基酸残基的排列顺序有关,第二节蛋白质,蛋白质和多肽都是由20种L-氨基酸缩合而成的聚酰胺。因此，在小分子多肽和大分子蛋白质之间不存在严格的分界线，通常将分子量较大、结构较复杂的多肽称为蛋白质。蛋白质有稳定的构象,人体内约有10万种以上的蛋白质，其质量约占人体干重的45,一、蛋白质的元素组成,元素组成：碳5055，氢67，氧2023，氮1517，硫04有些蛋白质还含有微量磷、铁、锌、铜、钼、碘等元素其中氮的含量在各种蛋白质中含量都比较接近，平均为16只要测出生物样品中的含氮量，就可粗略计算出其蛋白质的含量每1g氮相当于6.25g蛋白质,二、蛋白质的结构,蛋白质分子在结构上最显著的特点：在天然状态下均具有独特而稳定的构象为了表示蛋白质分子不同层次的结构，常将蛋白质分子结构分为一级、二级、三级和四级。一级结构又称为基本结构（初级结构），二级结构以上属于构象范畴，称为空间结构（高级结构）,（一）一级结构,指多肽链中氨基酸残基的排列顺序,肽键是一级结构中连接氨基酸残基的主要化学键,任何特定的蛋白质都有其特定的氨基酸排列顺序，有些蛋白质分子只由一条多肽链组成，有的蛋白质分子则由两条或多条肽链构成,作用：降低体内血糖含量用途：在临床上治疗糖尿病,人胰岛素分子的一级结构,（二）蛋白质的空间结构,蛋白质空间结构：指多肽链在空间进一步盘曲折叠形成的构象，它包括二级结构、三级结构和四级结构,维护蛋白质构象稳定的次级键（副键）：氢键、二硫键、疏水键、范德华引力、盐键和配位键,1.蛋白质二级结构,定义：是指多肽链的主链骨架在空间盘曲折叠形成的方式，并不涉及侧链R基团的构象形式：-螺旋、-折叠层、-转角和无规卷曲,-螺旋结构,-螺旋结构俯视图,维系二级结构稳定的主要因素：主链的羰基O和亚氨基H之间所形成的氢键,-折叠层构象,2.三级结构,肌红蛋白的三级结构,蛋白质的多肽链在主链借助肽键之间的氢键形成二级结构基础上，其相隔较远的氨基酸残基侧链（R-）之间还可借助于多种副键而进行范围广泛的卷曲、折叠，所形成的特定整体排列称为蛋白质的三级结构,3.四级结构,四级结构：由两条或两条以上具有三级结构的多肽链通过疏水作用力、盐键等副键相互缔合而成亚基：每一条具有三级结构的多肽链。在蛋白质分子中，亚基的立体排布、亚基间相互作用与接触部位的布局称为四级结构,血红蛋白四级结构示意图,蛋白质的四个结构层次,氨基酸,回主目录,返回,二级结构,三级结构,四级结构,一级结构,二、蛋白质的性质,（一）蛋白质的两性电离和等电点,pHpIpH=pIpHpI带正电电中性带负电负极原点正极,蛋白质分子多肽链中总有游离的氨基和羧基存在，因此蛋白质和氨基酸相似，具有两性电离和等电点的性质,（二）蛋白质的胶体性质,蛋白质的分子量：有的可达数千万水中形成的颗粒直径：1l00nm，胶体分散系有胶体溶液的性质：布朗运动、丁达尔效应、不能透过半透膜以及具有吸附性质等可用半透膜将蛋白质与小分子物质分离而得以纯化，这种方法称为透析法透析法是实验或工业生产上提取和纯化蛋白质常用的方法,课堂互动,（三）蛋白质的变性,是指蛋白质在某些物理或化学因素的作用下，其空间结构遭到破坏致使蛋白质生物活性丧失和理化性质改变,引起蛋白质变性的因素：物理因素有：加热、紫外线照射、超声波和剧烈振摇等化学因素有：强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐等,变性作用并不破坏蛋白质的一级结构,变性蛋白质的表现：首先是失去生物活性。如血红蛋白失去运输氧的功能，胰岛素失去调节血糖的功能，酶失去催化能力等其次是各种理化性质的改变。如溶解度降低，易于沉淀等,变性作用的实际意义（2点）,1.防止蛋白质激素、酶、抗体、疫苗等活性蛋白质在生产和保存过程中变性，以保持其生物活性2.变性原理可用于灭菌等,蛋白质变性后，若其空间结构改变不大，就可以恢复原有结构和性质，称为可逆变性；若其空间结构改变较大，则其结构和性质不能恢复，称为不可逆变性,（四）蛋白质的沉淀,1.盐析法向蛋白质溶液中加入大量的中性盐，使蛋白质发生沉淀的现象称为盐析盐析是沉淀蛋白质的方法之一。常用的盐析剂有（NH4）2SO4、Na2SO4、NaCl和MgSO4等,用盐析法，即可得到较纯的且保持原生物活性的蛋白质,2.加有机溶剂某些有机溶剂如乙醇、丙酮等是脱水剂，可以破坏蛋白质周围的水化膜，使蛋白质沉淀,3.加重金属盐某些重金属盐如硝酸银、醋酸铅及氯化高汞等中的阳离子与蛋白质分子结合，生成不溶性的蛋白质盐沉淀。此法常易使蛋白质变性,4.加生物碱试剂某些生物碱如苦味酸、三氯醋酸、鞣酸和磺柳酸等可使蛋白质沉淀。这是因为蛋白质在pHpI的溶液中带正电荷，能与这些有机酸结合生成不溶性的盐沉淀出来,（五）蛋白质的颜色反应,课堂互动,四、酶,酶是一类具有催化作用的蛋白质。生物体内几乎所有的代谢反应都是在酶催化下进行的，所以酶又称为生物催化剂,酶具有高效率的催化作用酶具有高度的专一性酶具有高度的不稳定性,1868年由瑞士生物学家米歇尔（Miescher）首先从脓细胞核中分离得到的核酸，当时被称为“核质”（nuclein）1889年后，更名为核酸核酸的发现为人类提供了解开生命之谜的金钥匙1944年，OswaldAvery经实验证实了DNA是遗传的物质基础1953年，沃森（Watson）和克里克（Crick）提出了DNA的双螺旋结构，巧妙地解释了遗传的奥秘，并将遗传学的研究从宏观的观察进入到分子水平,第三节核酸,一、核酸的分类,（一）核糖核酸（ribonucleicacid，RNA）分布：细胞质中含RNA约占90%细胞核内含RNA约占10%作用：它直接参与体内蛋白质的合成,（二）脱氧核糖核酸（deoxyribonucleicacid，DNA）分布：DNA主要存在于细胞核和线粒体内作用：承担体内遗传信息的贮存和发布（原因：DNA是生物遗传的主要物质基础）,根据分子中所含戊糖的类型不同核酸可分为：,根据蛋白质合成过程中所起的作用不同，RNA分为：,1.核蛋白体RNA（ribosomalRNA，rRNA）（核糖体RNA）作用：它是蛋白质合成时多肽链的“装配机”,2.信使RNA（messengerRNA，mRNA）作用：它是合成蛋白质的模板。在蛋白质合成时，控制氨基酸的排列顺序,3.转运RNA（transferRNA，tRNA）作用：在蛋白质的合成过程中，tRNA是搬运氨基酸的工具,二、核酸的组成成分,核酸分子中的主要元素：,磷量为910。常用含磷量测定组织中核酸的含量,核酸的基本组成单位是核苷酸：,戊糖：核糖或脱氧核糖,碱基：嘌呤碱或嘧啶碱,核酸的化学成分,（一）戊糖,RNA中的D-核糖,DNA中的D-2-脱氧核糖,-D-2-脱氧核糖（-D-2-deoxyribose）,-D-核糖（-D-ribose）,腺嘌呤（Adenine）,鸟嘌呤（Guanine）,Purine,（二）碱基,胞嘧啶,尿嘧啶,胸腺嘧啶,三、核苷和核苷酸,（一）核苷,由核糖或脱氧核糖与嘌呤碱或嘧啶碱缩合而成的糖苷称为核苷,（二）核苷酸,核苷分子中的核糖或脱氧核糖的3或5位的羟基与一分子磷酸脱水缩合生成的酯称为核苷酸,核苷酸是组成核酸的基本单位,35-磷酸二酯键,四、核酸的结构,（一）核酸的一级结构,各种核苷酸的排列顺序和连接方式即为核酸的一级结构，又称为核苷酸序列在核酸分子中，连接相邻核苷酸的化学键是3，5-磷酸二酯键，一个核苷酸3位的羟基与另一核苷酸5位的磷酸残基脱水形成磷酯键。如此延续进行，就构成了由许多核苷酸组成的多核苷酸链,（二）核酸的二级,1.DNA的双螺旋结构,DNA分子由两条核苷酸链组成。它们沿着中心轴以反平行走向盘旋成双螺旋结构,大沟,小沟,中心轴,在DNA双螺旋结构中，这种A-T或G-C配对并以氢键相连接的规律，称为碱基配对规则或碱基互补规律,2.RNA的空间结构,与DNA不同，大多数天然RNA一般由一条回折的多核苷酸链构成，它也是依靠嘌呤碱与嘧啶碱之间的氢键保持相对稳定的结构