医用有机化学：第17章-氨基酸、肽、蛋白质和核酸

第17章

氨基酸、肽、蛋白质和核酸AminoAcidsPeptidesProteinsNucleicacids第一节氨基酸(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（一）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。（二）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-氨基酸都是有旋光的，而且都是L型的。一、氨基酸的分类、命名及构型存在形式：氨基酸都以偶极离子的形式存在。组氨酸谷氨酸 丙氨酸 （二）氨基酸的构型和存在形式一、氨基酸的分类、命名及构型（三）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23-1中标有*号的即是必需AA。表17-1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*缬氨酸*脯氨酸苯丙氨酸*甲硫(蛋)氨酸*表17-1蛋白质中的20种常见氨基酸（续1）

丝氨酸谷氨酰胺苏氨酸*半胱氨酸表17-1蛋白质中的20种常见氨基酸（续2）

天冬酰胺酪氨酸色氨酸*表17-1蛋白质中的20种常见氨基酸（续3）

酸性氨基酸天冬氨酸谷氨酸

表17-1蛋白质中的20种常见氨基酸（续4）

碱性氨基酸赖氨酸*精氨酸组氨酸表17-1蛋白质中的20种常见氨基酸（续5）

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（四）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。（五）修饰氨基酸和非蛋白质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β-、γ-、或δ氨基酸。如鸟氨酸是精氨酸的代谢中间体。（五）修饰氨基酸和非蛋白质氨基酸

组成蛋白质的氨基酸都是结晶形固体，熔点较高，一般在200~300ºC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。二、氨基酸的物理性质

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。R—CH—COOH

NH2

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、氨基酸的化学性质

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盐，又可以跟碱反应生成盐，R-CH-COOHNH2

+HClR-CH-COOHNH3

++Cl-+NaOHR-CH-COO-

NH2

+Na+R-CH-COOHNH2

1．氨基酸的酸碱性（两性）三、氨基酸的化学性质

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。H2N-CH-COOHH3N+-CH-COO-RR内盐1．氨基酸的酸碱性（两性）三、氨基酸的化学性质2．两性电离和等电点

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、氨基酸的化学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）2．两性电离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酸性氨基酸的pI碱性氨基酸的pI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。2．两性电离和等电点等电点——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。2．两性电离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，2．两性电离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pH<pIpH=pIpH>pI2．两性电离和等电点

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+I请指出图谱中各斑点代表何种氨基酸，为什么？（图中为天冬氨酸为精氨酸）2．两性电离和等电点纸电泳分离AA:

pH<pI,样品带正电荷，样品点向阴极移动pH>pI,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2．两性电离和等电点3．氨基与羧基的脱水反应4．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。

4．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。5．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。6．脱羧反应7．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）第二节肽（peptide）和多肽酰胺键一、多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、多肽的结构与命名多肽结构通式：图23--1肽分子中的酰胺键的双键特征一、多肽的结构与命名Cα

CNCα

OH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α-碳处于反式，O和H原子处于反式。一、多肽的结构与命名

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。CCCCONNHRHCOHφψCNNOCHCRHCOHCψφ一、多肽的结构与命名图23-2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、多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、多肽的结构与命名

二硫键Na+液NH3空气氧化Cys-Tyr-Ile-Glu-Arg-Cys-Pro-Leu-Gly•NH2SS催产素一、多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：①组成肽的氨基酸的种类；②每种氨基酸的数目；③这些氨基酸在肽链中的排列顺序。1、肽的水解二、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：

B．端基分析法：用特殊试验鉴定肽链的C-端或N-端。端基分析有酶解法和化学法。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、多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C、异硫氰酸苯酯（P-Edman）法

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.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？三聚氰胺奶粉事件：

第三节蛋白质（protein）

蛋白质是构成一切细胞的生物高分子化合物，在机体中它承担着各种各样的生理作用与机械功能，如供给机体营养，执行保护机能，负责机械运输，控制代谢过程，输送氧气，防御病菌侵袭和传递遗传信息等。第三节蛋白质（protein）

一、蛋白质的组成和分类蛋白质分子的元素组成为：C；50%~55%H：6.0%~7.3%O：19%~24%S：0~4%N：13%~19%大多数蛋白质的含氮量近似为16%即每克氮相当于6.25克蛋白质。（一）根据蛋白质的形状分类：蛋白质分为纤维蛋白和球状蛋白。（二）根据化学组成分类：蛋白质分为单纯蛋白质和结合蛋白质。二、蛋白质的结构（一）蛋白质的一级结构多肽链中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构。多肽链是蛋白质分子的基本结构。第三节蛋白质（protein）二、蛋白质的结构二级结构：多肽链借助于氢键在空间沿着一个方向呈规律性的排列和无规卷曲排列。

它实际上是指一条多肽链在空间的局部构象。规律性的排列是指α-螺旋结构和β-折叠体结构。多肽链的局部构象a:α—螺旋体b:β—折叠体c:无规卷曲蛋白质的α-螺旋结构

螺旋的一圈是3.6个氨基酸结构单位，第一个氨基酸残基N上的H与第四个氨基酸残基上的羰基形成氢键。两螺旋间的距离是0.54nm1423α-螺旋结构L.Pauling和E.J.Corey于1952年提出。β-折叠体结构

β-折叠体的概念也是由P.L.Pauling及其合作者提出来的。1．多肽链中的肽键平面通过α-碳原子相互折叠成1100的角，使肽链呈锯齿形结构。2．相邻肽链之间依靠C=O和H2N—所形成的链间氢键维持着β-折叠体构象的稳定性。二、蛋白质的结构Β-折叠体结构Β-折叠体结构C-端N-端蛋白质的三级结构：

指一条多肽链借助于各种副键在空间总的折叠、卷曲、盘旋的形状。

它实际上是指一条多肽链或蛋白质的亚基在空间的总体构象。蛋白质分子中的结合力：主键：肽键副键：氢键、盐键、二硫键、疏水键二、蛋白质的结构⑴二硫键⑵盐键⑶氢键⑷疏水键形成蛋白质三级结构的作用力肌红蛋白的三级结构蛋白质的四级结构：

当蛋白质分子由两条或两条以上肽链组成时，每条肽链叫做蛋白质的亚基。蛋白质亚基之间相互作用所形成的特定的空间结构叫做蛋白质的四级结构。

也就是指整个蛋白质分子在空间的构象。只有一条多肽链的蛋白质分子无四级结构。只有多于一条多肽链的蛋白质分子才有四级结构。单独的亚基不具有生理活性，只有亚基相互结合构成的四级结构才有生理活性。

由两条α-链和两条β-链组成。每条肽链都卷曲成球状，都有一个空穴容纳一个血红素分子，相互之间又进行作用形成球状的血红蛋白分子。血红蛋白的四级结构：三、蛋白质的性质（一）两性电离与等电点

等电点时，蛋白质的溶解度、粘度、渗透压和膨胀性都最小。（二）盐析

蛋白质是生物高分子，蛋白质溶液具有胶体性质。

往蛋白质胶体溶液中加入一定量的中性盐，如Na2SO4，(NH4)2SO4等，蛋白质便沉淀析出，这种现象称为蛋白质的盐析(saltingout)。盐析的应用：

蛋白质盐析所需盐的最小浓度，称为盐析浓度，不同的蛋白质其盐析浓度是不相同的。因此可以用不同浓度的盐溶液使不同的蛋白质分段析出，达到分离的目的。（三）蛋白质的变性

蛋白质在某些物理或化学因素的影响下，改变其分子内部结构，且理化性质和生物功能也随之改变，这称为蛋白质的变性(denaturation)。

若引起变性的因素比较温和，蛋白质的分子结构改变较小，一旦除去这些因素，仍可恢复其原来的空间构型和原有的生物功能，这便是可逆变性。若用较强烈的处理方法，蛋白质的变性将是不可逆的。蛋白质的二级结构和三级结构的改变或破坏，一般都是变性的结果。（四）蛋白质的颜色反应（自学）

第四节酶

酶是生物体内自行合成的，具有催化作用的活性蛋白质。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。

生物体内的化学反应达到了能量消耗最低，原料利用率最高的理想境界，原因是生物体内所有的化学反应都是由酶催化的。酶作为生物催化剂的特点：1．催化效率高酶的催化效率比一般的化学催化剂高108～1010倍。如：一分子过氧化氢酶在一分钟内可以使500万个过氧化氢分子分解，2．条件温和酶的催化一般是在常温、常压和pH≈7的条件下进行。（有例外：胃蛋白酶是在pH=1～2时进行催化。我们吃了肉后在胃里几个小时就可将其消化，若在实验室里用6M的盐酸在1200下加热回流20个小时才能使蛋白质水解）。第四节酶3．具有高度的区域选择性和立体选择性

酶的催化被称为一把钥匙开一把锁，非酶催化则相当于多用钥匙。例：麦芽糖酶只能水解葡萄糖的α-1,4-苷键，苦杏仁酶只能水解葡萄糖的β-1,4-苷键；酸性水溶液则可水解所有类型的糖苷键。酶可识别一对对映体，对其中一个有效另一个则无效。4．容易失活

酶的催化一般是在常温、常压和近中性的条件下进行，若在酸性、碱性或高温条件下酶就会失活。如：连续高烧后吃饭没胃口，就是因为在高温下唾液中的各种消化酶淀粉酶、蛋白酶被烧死的缘故。第四节酶第四节核酸核酸(nucleicacid)：

是一类含磷的酸性生物高分子化合物，由于最早发现于细胞核，故称为核酸。根据其组成，核酸可分为两大类：核糖核酸(ribonucleicacid简称RNA)脱氧核糖核酸(deoxyribonucleicacid简称DNA)。前者90％存在于细胞质，10％存在于细胞核中，而后者98％以上存在于细胞核中。D-2-脱氧核糖的核苷+磷酸一、核酸的化学组成D-核糖+碱基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+碱基聚合聚合核酸

核糖核酸(RNA)脱氧核糖核酸(DNA)水解产

物磷酸

磷酸磷酸戊糖

D-核糖D-2-脱氧核糖杂环碱嘌碱呤腺嘌呤(A)，鸟嘌呤(G)腺嘌