第十八章蛋白质和核酸

1、第十八章 蛋白质和核酸教学要点： 掌握氨基酸的结构、分类和命名，掌握蛋白质和核酸的结构、性质。教学时数： 6 学时 教学方法：教师讲授、教学手段：多媒体、自制模型第一节 氨基酸一、氨基酸的结构、命名和分类 1、  蛋白质水解所得的氨基酸除个别例子外，都是氨基酸或其衍生物（脯氨酸）。 用酸或酶使蛋白质水解时，得到氨基酸，除甘氨酸以外，都是旋光的，并且都属于L型。 D型氨基酸也存在于自然界，例如存在于某些抗生素中。 2、天然产氨基酸多用习惯名称，即按其来源或性质命名。例如门冬氨基酸最初是由天门冬的幼苗中发现的；甘氨酸是因为具有甜味而得名。天然产的氨基酸目前知道的已超过一百种。但在生物体内

2、作为合成蛋白质原料的只有二十种，这二十种氨基酸象无机符号一样，都有国际通用的符号来表示， 如 甘氨酸：Gly（甘）门冬氨酸：Asp（门）3、  氨基酸可分为链状、芳香族、杂环氨基酸。如：        根据R的不同可分为六种（R为烃基、含羟基、含氨基、含硫，含羧基，还有结构比较特殊的脯氨酸） 二、氨基酸的性质 1、  氨基酸的酸碱性    氨基酸分子中的氨基是碱性的，而羧基则是酸性的但它们的酸碱解离常数比起一般的 羧基-COOH和氨基-NH2 来都低的很。  例如：甘氨酸：K

3、a=1.6×10-10，Kb=2.5×10-12 大多数的羧酸：Ka=10-5      这说明氨基酸在一般情况下不是以游离态的羧基和氨基存在的，而是以内盐的形式存在（内盐：偶极离子），  H3N+ _CHRCOO - 。  如果把测得氨基酸的Ka值看成是代表甘氨酸中铵离子的酸度：      Ka -NH3+    把测得甘氨酸的Kb值看成是代表甘氨酸中羧酸根离子的碱度：   Kb -COO-    则其酸碱度与其测

4、得的相符合。因为在水溶液中一个共轭酸和它的共轭碱的关系式是： Ka×Kb=10-14 那么，-NH3+的共轭碱是 -NH2 -COO-的共轭酸是-COOH  根据上式可以算出甘氨酸 -NH2 的Kb=6.3×10-5，同样-COOH 的Ka=4×10-3。前者对一个脂肪胺来说,后者对一个有强吸电子基（ -NH3+）的羧酸来说，其酸碱度是合理的数值（有强吸电子基时，酸性增强）。 总之，在简单氨基酸如甘氨酸中，它的酸性基是 -NH3+而不是-COOH ，它的碱性基团是-COO- 而不-NH2 。氨基酸中有两性基 团，所以既能和酸反应，也能和碱反应，它是两性化

5、合物，在强酸性溶液中，以正离子形式存在，在强碱性溶液中以负离子形式存在。    含有一个游离-NH2 或-COOH 基团的离子和，与偶极离子处于平衡状态。 2、氨基酸的等电性：（isoelectric point） 当氨基酸的溶液置于电场中时，所发生的变化取决于溶液的酸碱度。  在相当碱性的溶液中，阴离子超过阳离子，因此氨基酸向阳极迁移；在相当酸性的溶液中，阳离子是过量的，因此，氨基酸向阴极迁移，如果和完全相等，那么，没有净迁移。在这样的条件下，任何一个分子作为正离子和作为负离子存在的机会是完全相等的，向一个电极方向的任何微小移动，马上就被一个相等的朝另一个电极的

6、方向移动所抵消。当一个特定的氨基酸在电场的影响下不发生迁移时，这个氨基酸所在溶液的氢离子浓度叫做氨基酸的等电点,通常pI表示。净电荷为零的氨基酸所在的溶液的pH值为pI。 氨基酸的pI值主要由其羧酸和氨基的电离常数来决定的，假如以pK1代表-COOH 基的电离常数，pK2代表-NH3+基团电离常数，则pI和它们的关系可用下式表示：                在等电点时，氨基酸的溶解度最小，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

7、氨基酸。中性氨基酸pI =5.56.3 ，酸性氨基酸pI =2.83.2  ，碱性氨基酸pI =7.610.6。一般来说，氨基酸含氨基，pI值较高，含羧基多者pH值较低 。当氨基酸中氨基多于一个时，当净电荷为零时，氨基酸溶液碱性强于氨基与羧基相等的溶液的pH值，故溶液pH值较高，pI值高。同理，氨基酸羧基多时，pI值较值小。 3、氨基酸的反应 氨基酸含有氨基和羧基，因而能起氨基和羧基的化学反应。 氨基酰化： 苄氧甲酰氯苄氧甲酰氯作为酰化剂，与氨基酰化后，对以后应用的试剂（如SOCl2  ）较稳定，因为这个试剂容易引入，还能 用多种方法把它脱下来，所以，在合成蛋白质的过程中，

8、作为氨基的保护基团。 氨基的烃基化：氨基酸与RX作用则烃基化而成N-烃基衍氨基酸，如： 用氟代二硝基苯作为测定N端的试剂. （ DNP ：二硝基苯基） 与亚硝酸反应： 除亚氨基酸（脯氨酸）外，氨基酸都能与亚硝酸反应，氨基酸与亚硝酸作用放出氮气，得到羟基酸，放出的氮气一半来自氨基酸的氨基一半来自亚硝酸，反应是定量完成的，衡量放出氮气的体积便可计算出氨基酸中氨基的含量，这称为Van slyke（范斯莱克）氨基测定法。 与茚三酮反应：  氨基酸在碱性溶液中与茚三酮作用，能生成显蓝或紫红色的有色物质，这是鉴别氨基酸的灵敏方法，大多数的氨基酸（除脯氨酸外）都有此反应，有色物质是这样生成的： &

9、#160;     茚三酮                             水合茚三酮               （蓝色） 氨基酸羧基的反应： 这里值

10、得特别提出的是把氨基酸转化成叠氮化合物的方法，氨基酸酯与肼作用生成酰肼，酰肼与亚硝酸作用则生成叠氮化合物： 这个叠氮化合物与另一氨基酸酯作用即能缩合成二肽 此法可称为叠氮法，用此法合成的肽能保持光学纯度。 两分子氨基酸在适当条件下加热，分子中的氨基也可以与羧基相互作用失去两分子水生成二酮吡嗪。 二酮吡嗪 四、氨基酸的制备方法： 氨基酸的制备主要有蛋白质的水解，有机合成和发酵法三条途径。 氨基酸合成主要有三种方法： 1、由醛或酮制备：（strecker法）   2、-卤代酸的氨解：      Gabriel法（可得到较纯的氨基酸）： 3、由丙二酸酯合成：

11、第一节 氨基酸一、氨基酸的结构、命名和分类 1、  蛋白质水解所得的氨基酸除个别例子外，都是氨基酸或其衍生物（脯氨酸）。 用酸或酶使蛋白质水解时，得到氨基酸，除甘氨酸以外，都是旋光的，并且都属于L型。 D型氨基酸也存在于自然界，例如存在于某些抗生素中。 2、天然产氨基酸多用习惯名称，即按其来源或性质命名。例如门冬氨基酸最初是由天门冬的幼苗中发现的；甘氨酸是因为具有甜味而得名。天然产的氨基酸目前知道的已超过一百种。但在生物体内作为合成蛋白质原料的只有二十种，这二十种氨基酸象无机符号一样，都有国际通用的符号来表示， 如 甘氨酸：Gly（甘）门冬氨酸：Asp（门）3、  氨基酸可

12、分为链状、芳香族、杂环氨基酸。如：        根据R的不同可分为六种（R为烃基、含羟基、含氨基、含硫，含羧基，还有结构比较特殊的脯氨酸） 二、氨基酸的性质 1、  氨基酸的酸碱性    氨基酸分子中的氨基是碱性的，而羧基则是酸性的但它们的酸碱解离常数比起一般的 羧基-COOH和氨基-NH2 来都低的很。  例如：甘氨酸：Ka=1.6×10-10，Kb=2.5×10-12 大多数的羧酸：Ka=10-5      这

13、说明氨基酸在一般情况下不是以游离态的羧基和氨基存在的，而是以内盐的形式存在（内盐：偶极离子），  H3N+ _CHRCOO - 。  如果把测得氨基酸的Ka值看成是代表甘氨酸中铵离子的酸度：      Ka -NH3+    把测得甘氨酸的Kb值看成是代表甘氨酸中羧酸根离子的碱度：   Kb -COO-    则其酸碱度与其测得的相符合。因为在水溶液中一个共轭酸和它的共轭碱的关系式是： Ka×Kb=10-14 那么，-NH3+的共轭碱是 -NH2 -COO-的共轭酸是-COO

14、H  根据上式可以算出甘氨酸 -NH2 的Kb=6.3×10-5，同样-COOH 的Ka=4×10-3。前者对一个脂肪胺来说,后者对一个有强吸电子基（ -NH3+）的羧酸来说，其酸碱度是合理的数值（有强吸电子基时，酸性增强）。 总之，在简单氨基酸如甘氨酸中，它的酸性基是 -NH3+而不是-COOH ，它的碱性基团是-COO- 而不-NH2 。氨基酸中有两性基 团，所以既能和酸反应，也能和碱反应，它是两性化合物，在强酸性溶液中，以正离子形式存在，在强碱性溶液中以负离子形式存在。    含有一个游离-NH2 或-COOH 基团的离子和，与偶极离子处

15、于平衡状态。 2、氨基酸的等电性：（isoelectric point） 当氨基酸的溶液置于电场中时，所发生的变化取决于溶液的酸碱度。  在相当碱性的溶液中，阴离子超过阳离子，因此氨基酸向阳极迁移；在相当酸性的溶液中，阳离子是过量的，因此，氨基酸向阴极迁移，如果和完全相等，那么，没有净迁移。在这样的条件下，任何一个分子作为正离子和作为负离子存在的机会是完全相等的，向一个电极方向的任何微小移动，马上就被一个相等的朝另一个电极的方向移动所抵消。当一个特定的氨基酸在电场的影响下不发生迁移时，这个氨基酸所在溶液的氢离子浓度叫做氨基酸的等电点,通常pI表示。净电荷为零的氨基酸所在的溶液的pH值

16、为pI。 氨基酸的pI值主要由其羧酸和氨基的电离常数来决定的，假如以pK1代表-COOH 基的电离常数，pK2代表-NH3+基团电离常数，则pI和它们的关系可用下式表示：                在等电点时，氨基酸的溶解度最小，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。中性氨基酸pI =5.56.3 ，酸性氨基酸pI =2.83.2  ，碱性氨基酸pI =7.610.6。一般来说，氨基酸含氨基，pI值较高，含羧

17、基多者pH值较低 。当氨基酸中氨基多于一个时，当净电荷为零时，氨基酸溶液碱性强于氨基与羧基相等的溶液的pH值，故溶液pH值较高，pI值高。同理，氨基酸羧基多时，pI值较值小。 3、氨基酸的反应 氨基酸含有氨基和羧基，因而能起氨基和羧基的化学反应。 氨基酰化： 苄氧甲酰氯苄氧甲酰氯作为酰化剂，与氨基酰化后，对以后应用的试剂（如SOCl2  ）较稳定，因为这个试剂容易引入，还能 用多种方法把它脱下来，所以，在合成蛋白质的过程中，作为氨基的保护基团。 氨基的烃基化：氨基酸与RX作用则烃基化而成N-烃基衍氨基酸，如： 用氟代二硝基苯作为测定N端的试剂. （ DNP ：二硝基苯基） 与亚硝酸反

18、应： 除亚氨基酸（脯氨酸）外，氨基酸都能与亚硝酸反应，氨基酸与亚硝酸作用放出氮气，得到羟基酸，放出的氮气一半来自氨基酸的氨基一半来自亚硝酸，反应是定量完成的，衡量放出氮气的体积便可计算出氨基酸中氨基的含量，这称为Van slyke（范斯莱克）氨基测定法。 与茚三酮反应：  氨基酸在碱性溶液中与茚三酮作用，能生成显蓝或紫红色的有色物质，这是鉴别氨基酸的灵敏方法，大多数的氨基酸（除脯氨酸外）都有此反应，有色物质是这样生成的：       茚三酮         

19、;                    水合茚三酮               （蓝色） 氨基酸羧基的反应： 这里值得特别提出的是把氨基酸转化成叠氮化合物的方法，氨基酸酯与肼作用生成酰肼，酰肼与亚硝酸作用则生成叠氮化合物： 这个叠氮化合物与另一氨基酸酯作用即能缩合成二肽 此法可

20、称为叠氮法，用此法合成的肽能保持光学纯度。 两分子氨基酸在适当条件下加热，分子中的氨基也可以与羧基相互作用失去两分子水生成二酮吡嗪。 二酮吡嗪 四、氨基酸的制备方法： 氨基酸的制备主要有蛋白质的水解，有机合成和发酵法三条途径。 氨基酸合成主要有三种方法： 1、由醛或酮制备：（strecker法）   2、-卤代酸的氨解：      Gabriel法（可得到较纯的氨基酸）： 3、由丙二酸酯合成： 第三节  蛋白质一般把分子量在10000以上的多肽（相当于100个氨基酸单位）叫做蛋白质，但多肽与蛋白质之间并无严格的界限，如胰岛素的分子量为

21、6000，是一个多肽，但是，在溶液中，特别是在金属离子存在下，它迅速结合成分子量为12000，36000，或48000的质点，因此也把它看作是测定了结构，并且人工合成了的第一个蛋白质。 一、蛋白质的分类 蛋白质一般根据它们的形状，溶解度和化学组成进行分类。 1、纤维蛋白：纤维蛋白的分子为细长形，不溶于水，丝，羊毛，皮肤，头发角，爪甲，蹄，羽毛，结蒂的组织等都是纤维蛋白。 2、球蛋白：呈球形或椭球形，一般能溶于水或含有盐类、酸、碱或乙醇的水溶液。酶和蛋白激素都是球蛋白。 3、结合蛋白：由蛋白质和非氨基酸物质结合而成，如蛋白与核酸结合而成的核蛋白，蛋白质与糖结合而成的糖蛋白，蛋白质与酯类结合而成的

22、的酯蛋白，蛋白质与血红素结合而成的血红蛋白。 二、蛋白质的结构 一级结构：由各氨基酸按着一定的排列顺序，通过肽键连接而成的骨架。 二级结构：二级结构主要是主链原子的局部空间排列，不包括与其他链段的相互关系及侧链构象的内容，或者同一多肽链中C=O和NH基之间还可以生成氢键，使多肽链具有一定的构象，这叫蛋白质的二级结构，实际上二级结构就是指蛋白质的螺旋。 在蛋白质中有两种类型结构：螺旋型和折叠结构 R侧链为CH3、CH2OH的小侧链  三级结构指的是R基之间相互作用所得形态，这些相互作用包括共价键、离子键、氢键、疏水键。 有三级结构的蛋白质 四级结构：在一些蛋白质中，其分子作为一个整体，

23、含有不止一个多肽链。每个多肽可以考虑为一个亚单位（亚基） 四级结构涉及在整个分子中亚基的聚集状态，以及保持亚基在一起的力，这些力通常在性质上是静电的，不涉及共价键。 折叠，转角和无规卷曲等。 我们对蛋白质二级结构的许多认识是X射线分析的结果获得的，许多蛋白质的X射线图表明某种结构单元的有规律的重复。例如，在丝蛋白质中有7.0埃的重复距离，在未拉伸单元的a角蛋白中有1.5埃和5.1埃的重复距离。问题是要想出一些结构，它们既能说明特征的X射线图样同时又要和一般结构中的已知的事实相符。如：键长和键角，酰氨基的平面性各手性中心的构型的相似性（都是L型的）侧链的大小及其顺序等。这个问题中最关键的是认识到

24、氢键所起的稳定作用和能够生成最多数目的氢键的结构最稳定的原则。根据对简单化合物的研究结果可以进一步确定： 键非常接近于直线型。 作为一个出发点，我们来考虑一个结构，其中肽链完全伸展成平面锯齿形。 这些链并排成一个平面片层，每条链氢键和相邻的两条链连接起来，这个结构有一个 的重复距离，也即两个交替出现氨基酸残基的距离（注意交替的侧脸处于片层的同一边） 然而，或许除了合成的聚甘氨酸外，支链间的拥挤程度使这个理想的平面结构成为不可能。肽链稍微收缩就可形成容纳小的或中等大小的侧链的空间。 二、蛋白质的性质 1、蛋白质的等电点和胶体性质 蛋白质在等电点时最易沉淀，可根据这一性质作为科学实验和生化工业中提

25、取分离蛋白质的依据之一。 蛋白质是大分子化合物，分子颗粒的直径在胶粒幅度之内（0.10.001m），呈胶体性质。蛋白质与水所形成的亲水胶体不是十分稳定的，在各种不同的影响下，容易析出沉淀。引起蛋白质沉淀的试剂很多，最常用的是中性盐，如硫酸铵，硫酸钠等，当把它们加入蛋白质溶液中达到相当大的浓度时，使蛋白质从溶液中沉淀出来，此种作用称谓盐析，它不使蛋白质变性。 2、蛋白质的变性作用 变性作用是蛋白质受物理或化学因素的改变其分子内部结构和性质的作用，主要是高级结构（二、三、四级）被破坏。能使蛋白质变性的化学方法是加强酸、碱、尿素、重金属、三氯乙酸、乙醇、丙酮等。物理方法有干燥、加热、激烈摇荡或搅拌、

26、紫外线、X射线的照射、超声波处理等。 变性蛋白质会出现：(1)溶解度降低 (2)粘度加大 (3)生物活性丧失 如：鸡蛋煮熟之后，不在溶于水，成为固体，不能在孵出小鸡。 3、蛋白质的颜色反应   (1) 缩二脲反应：与强碱或稀硫酸铜溶液发生反应呈紫色 (2) 蛋白黄色反应：蛋白质中存在苯环的氨基酸，遇浓硝酸变为深黄色，遇碱后则转为橙黄色，这是由于苯环发生硝化反应生成了黄色硝基化合物。皮肤遇浓硝酸变黄色就是由于这个原因。 (3) Millon反应：蛋白质遇 的硝酸溶液后，变为红色，这是由于酪氨酸中的酪与汞形成有色化合物，可以检查酪氨酸是否存在。 (4) 茚三铜反应： 蛋白质与氨基酸一样，

27、和的茚三铜溶液同时，即呈蓝色。第四节 酶酶是生物化学反应的催化剂。 一、酶的分类和组成 它可以分为单纯酶和结合酶两类。 单纯酶的催化活性仅由蛋白质结构决定的。 结合酶的催化活性除蛋白质部分外，还需要非蛋白质物质，这种非蛋白质物质就称为酶的辅助因子，辅助因子可以是分子量低的有机物或某些金属元素。通常把辅助因子称为辅酶。除去辅助因子后剩余部分称为酶蛋白。辅酶以什么方式与酶蛋白结合，目前还了解的不多，多数情况下辅酶与酶蛋白通过其他方式连接，结合很疏松易与酶蛋白分开而脱落，但也有一些辅酶与酶蛋白较牢固不易脱落（以共价键结合）则称为辅基。     

28、60;           许多种酶类特别是氧化还原酶类都含有辅基或辅酶，辅基或辅酶就其化学组成可分两类，一类是无机金属元素，如铜、锌、锰；另一类是低分子量的有机化合物，如血红素、叶绿素，某些维生素如：B1、B2、B6、B12等。辅酶是酶起作用不可缺少的一部分，如果把辅酶除去，单纯的酶蛋白就会失去活性，把辅酶补入后，又恢复活性。医疗上口服或注射维生素B就是给人体补充辅酶，以提高机体内某些酶的活性，调节代谢，而达到治疗和增进健康的目的。因此，结合酶蛋白的催化作用是由酶蛋白和辅酶共同配合完成的。 二

29、、酶的特性 1、强大的催化能力： 其催化效率比一般催化剂要高1081010倍。 2、专一性 具有化学选择性 从混合物中排选特殊的作用物 具有主体化学选择性 辨别对映体 3、一般在温和条件下进行催化作用，PH=7,37度左右进行（当然也有例外，如胃蛋白酶可以在Ph=12时催化）。第五节 核酸 核酸以游离态蛋白质结合核蛋白存在于细胞之内，它的两个极为重要的生物功能是生命遗传和蛋白质的合成。在细胞质中，核酸以可溶的形式存在，特别是在细胞质的粒质之中，含有丰富的核酸。有些核酸的分子量非常巨大，它们是决定生命遗传的重要物质，是生物化学近些年来研究的的最广泛的最活跃的一个课题。下面我们只从有机化

30、学的角度对它们的结构稍微加以讨论。 核酸是由核苷酸聚合而成的大分子。核苷酸是由一个杂环碱基和一个核糖或脱氧核糖结合形成的核苷。通过核糖中的羟基与磷酸形成的磷酸酯。细胞核核酸的细胞质核酸彻底水解分别得到下列的化合物： 一、核苷酸 1、  碱基： 存在于核苷酸中的碱基都是嘧啶或嘌呤的羟基和氨基衍生物（只有一种还含有甲基），并常见的只有五种。    2、  核糖和脱氧核糖     3、  核苷 核酸中两种核糖与上述的五种碱基形成的糖苷统称为糖苷。每个糖上的C-l通过糖苷键和多种杂环碱基之一相连。一个碱基糖单元称为核苷。现举一两个例

31、子来说明： 4、  核苷酸 核苷酸是核苷的磷酸酯，也就是一个碱基糖磷酸单元称为核苷酸。核苷酸是核酸3或5位（糖分子中的碳原子用1、2、3等编号）的羟基被磷酸酯化生成的。如：            二、核酸的结构 1、核酸的一级结构 核酸的初级结构是指核酸中各核苷酸单位排列的次序。测定的方法和测定多肽中氨基酸单位排列次序相似。一般是将核酸部分水解，取得大小合适的核苷酸链片段，并测定每一片段的末端碱基，通过逐步降低和分析，测的每一片段核苷酸链的排列次序，最后从各链的结构推出整个多肽核苷酸链

32、中各核苷酸的次序。如部分DNA链的结构式：(人类有30亿碱基对序，约3万个基因。基因是DNA分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称。（2000年6月26日，英、美、中等六国发布）)。   2、核酸的二级结构  分析MNA的组成及时发现嘌碱的摩尔百分数与嘧啶碱的摩尔百分数接近相等，即（%G+%A）/（%C+%T）1，腺嘌呤的摩尔百分数与胸腺嘌呤的摩尔百分数接近相等，%A/%T1，而鸟嘌呤的摩尔百分数则与胞嘧啶的摩尔百分数接近相等，%G/%C1。这就是说，A和C，G和T是成对出现的。 根据X射线研究和分子模型的推论以及各碱基的性质，瓦特生（J.D.Watson）和克利格（F.

33、H.C.Crick）提出了双螺旋的结构模型，两条DNA链的氢键相连，一条链上T与另一条链上的A或一条链上的C与另一条链上的G之间生成氢键。 因此，两条键是互补的，每一配对中包含一个嘌呤碱或一个嘧啶碱，两条链具有相对应的碱基排列次序，如：          这两条链从相反的方向围绕着同一个轴盘绕，形成右旋的双螺旋，图2018<教科书P323>。这样的双螺旋，每转一周约相当于十个核苷酸直径在2nm左右。 3、核酸的三级结构 核酸的三级结构由于X射线衍射所需的晶体制备困难，很难制得完整的原样DNA，但用温和条件已经从某些小病毒、叶绿素等分离出来降解的DNA。研究这些DNA的结构，发现它们在双螺旋的基础上进一步紧缩成用链环或开链环状以及麻花状等形式的三级结构。 三、核酸的生物功能 从生理功能上讲蛋白质所发挥的作用种差繁多，如多种的酶，激素等，而核酸的功能却很专一，根据已知的事实，它只控制着生命规律的各种遗传作用（DNA）和蛋白质的合成（RNA）。 （一） DNA的复制事实 DNA的双螺旋结构学说，可以解释DNA分子本身的复制机制。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AT，GC各自复制出一条与自相对应的链子，并一起组成一个新的DNA分子