《有机化学》第20章 蛋白质和核酸

《有机化学》第二十章

蛋白质和核酸

(Proteins&NucleicAcids)

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蛋白质是生命的物质基础，生命的基本特征就是蛋白质的不断自我更新，它在生命现象和生命过程中起着决定性的作用。生命体内一切组织的基本组分是蛋白质，细胞内除了水之外，其余80％的物质为蛋白质。不论那一类蛋白质，都是由多种α-氨基酸用肽键连接起来的，所以α-氨基酸是建筑蛋白质的砖石，要搞清蛋白质的化学成分，结构，性质，首先要研究α-氨基酸的化学。2木瓜蛋白酶（组织蛋白酶）3第一节氨基酸

一、结构，命名和分类

羧酸分子中烃基上的氢被氨基取代生成的化合物称为氨基酸，如氨基在羧基的α-位，则称为α-氨基酸。蛋白质完全水解后生成的氨基酸，天然产氨基酸在化学结构上都是α-氨基酸。4

原来，分离及分析水解后的α-氨基酸混合物是一件很繁杂的工作，现在，用同位素稀释法或色层分析法，特别是氨基酸自动分析器，往往过去需要几年才能完成的一个蛋白质试样，现在很快就能完成了。蛋白质水解生成的氨基酸中有20种与核酸中的遗传密码相应，其中19种为α-氨基酸，一种为亚胺基酸。它们的命名多按其来源或性质而定，书上表20-1中列出了20种α-氨基酸的符号，代号，结构等数据，例如：甘氨酸，因甜味而得名，国际上通用符号，类似于元素符号，中文代号一般取全称中的第一个字，结构式中详细一点分析R基，则在20种氨基酸中除甘氨酸外，R基为烃基五种，含羟基三种，含氨基四种，含硫两种，二元酸及酰氨衍生物四种，亚胺基酸，α-氨基成环。要熟记名称——结构的有七种。5

二、氨基酸的构型与碳水化合物相同，在表示氨基酸构型时仍沿用D，L命名法。除甘氨酸外其他所有α-碳原子都是手性的，有旋光性的，而且大多数氨基酸的构型与L－甘油醛相应。如：6

其它含有一个以上手性碳原子的氨基酸的构型均取决与α-碳原子：即若某氨基酸的α-碳原子的构型与L-丙氨酸相当，就是L-型。D，L表示分子的相对构型，不代表旋光方向，R,S表示分子中每一个不对称碳原子的构型。天然产氨基酸主要是L型，L型中大多是S型。7

三、氨基酸的性质

1、酸-碱性和等电点氨基酸分子中的氨基是碱性的，而羧基则是酸性的，一般情况下不是以游离的羧基或氨基，而是两性电离，在固态或水溶液中形成内盐。分子中存在两性基团是两性化合物，即能和酸反应又能和碱反应。8

氨基酸在溶液中的变化，取决于溶液中的酸碱度：9

但1mol甘氨酸的盐酸盐（或其他盐）的溶液中，加0.5mol碱，有一半盐酸盐中和，这时溶液中的浓度[a]＝[b]，溶液的pH值相当于pK1，这是－COOH的酸性离解常数，这时溶液的pK1

值比醋酸的小，这是由于-NH3阳离子吸电子诱导效应所致。如在氨基酸溶液中继续加碱达到1mol时，盐酸盐被中和，氨基酸以两性离子形式存在，这时溶液中pH值为该氨基酸的等电点。因为这时氨基酸中羧酸和氨基的离子化程度相等，在外电场作用下，不向电场的任何一极移动，分子呈电中性。因此这个静电荷为零的氨基酸所在的溶液的pH值就为该氨基酸的等电点，以pI表示。

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由于氨基酸具有两性离子性质，溶解度就增大，不能结晶出来。所以调节pI，可以分离氨基酸。

一个氨基酸在纯水中电离，由于羧酸荷氨基酸的离子化程度不同，所以重水中的pH值一般都不是它的等电点，要达到等电点，必须加酸或加碱调节pH。一般中性氨基酸（一个羧基和一个氨基）的等电点pH=6.2-6.8;酸性pH=2.8-3.2;碱性pH=7.6-10.8。等电点的重要意义在于：此时溶液中以两性离子形式存在的氨基酸浓度最大，而它的溶解度最小，可以结晶析出。11

2、物理和光谱性质

α-氨基酸都是无色结晶。固态中是内盐形式，所以分子内存在极强的静电引力，其熔点无疑要较相应的胺或羧酸高，通常熔融时都分解。所以，α-氨基酸的熔点不是一种能用于鉴定时的可靠的物理常数。溶于水，pI时溶解度最小，难溶与非极性溶剂中。

IR：1720cm-1无–COOH典型谱段，1600cm-1出现－COO-

吸收带，N-H伸缩吸收带强而宽3100-2600cm-1。

UV：只有芳香族的苯丙氨酸，酪氨酸，色氨酸有吸收。12

3、氨基酸的反应

（1）氨基的化学反应：

a.酰化13b、烃基化：

c、与亚硝酸反应除脯氨酸外，α-氨基酸都能与亚硝酸反应，得羟基酸。14d.与茚三酮反应

具有游离氨基的氨基酸，都能和茚三酮的试剂发生紫色反应，是鉴定氨基酸最迅速方法。用层析法分离氨基酸，都用茚三酮作为显色剂，茚三酮水合物和氨基反应，然后失羧，变为一个亚胺，水解后得到氨基茚三酮，再和一分子茚三酮水合物失水，既得紫色化合物。15

过去刑侦上都用茚三酮水溶液喷雾在指纹，血迹上，使其现色。潜血质也可以用茚三酮喷雾，现在公安系统有些已改用TMB，用量更少，更灵敏。16

(2)羧基的化学反应

a.酰化

a-氨基酸可以用一般的方法酯化。例如:将氨基酸悬浮在甲醇中。在无水氯化氢存在下回流，得到的是氨基酸酯的盐酸盐，很很稳定。17

b.叠氮化合物18四、氨基酸的制备主要有蛋白质水解，有机合成和发酵法三条途径。合成途径:192021第二节多肽

一、肽和肽键蛋白质水解后得到多肽，有些蛋白质本身就是多肽，蛋白质与多肽之间并无严格的界限，分子质量大的叫蛋白质,分子质量小的叫多肽。多肽再继续水解分解成a-氨基酸。多肽几十由氨基酸以酰胺形式相互连接起来的，一分子氨基酸提供羧基,另一分子氨基酸提供氨基，由此组成失去一分子水的肽，两分子缩和为二肽，三分子缩和为三肽，………-CO-NH-(肽键)氨基酸连接的肽链，一端有游离氨基,称为N端，另一端有游离羧基，称为C端，习惯N端写在肽链左边，C端写在右边。22

命名:一般以含有完整羧基的氨基酸的原来的名称作为母体，而将以羧酸参加形成肽键的氨基酸名称中的酸字改为“酰”，一次加在母体名称前。

酰胺平面:氨基酸和二肽的整个酰胺基是共平面的，即羰基碳，氮以及连接它们的四个原子都处于一个平面内，CO-NH带有双键特性，近似与π键。所以C-N不能自由旋转而成平面结构的，称为酰胺平面。酰胺平面两侧的C-N和C-C键是σ键，都可以自由旋转的。23

二、多肽结构测定和端基分析

由20种不同的氨基酸参与排列组合的高分子蛋白质的数目是惊人的。假定由100个氨基酸分子聚合成线形分子,可能的品种就有20100个。而且只要是置换了多肽分子中的一个氨基酸，就可能改变整个分子的性能，所以要研究多肽分子的性能，就首先必须确定改分子中氨基酸的排列顺序。这项工作在以前需要化很多时间去做，比如：F.Sanfer等花10年于1953年测定牛胰岛素的氨基酸顺序并于1958年获得Nobel奖。现在，随着分离技术和分析测试手段的不断现代化，确定单体顺序所华的时间越来越短了。24

测定多肽分子中氨基酸的顺序,一般步骤如下（P277）:1.分子大小的测定:利用渗透法,光散射法等

2.定量分析多肽水解液,测定各种氨基酸的含量

3.测定N端和C端:N端测定方法很多,重要的有,异硫氰酸苯酯法。这个方法的特点是除多肽N端的氨基酸外，其余多肽链会保留下来，这样就可以继续测定其N端。主要流程如下:25

前已提到的氨基酸的酯与肼生成酰肼的方法也是测定C端的方法,因为只有酯酰胺能与肼反应而生成酰肼,而羧基不能与肼反应。所以多肽与肼反应时,所有多肽键都与肼反应而断裂成酰肼,只有C端的氨基有游离的羧基,不生成酰肼,这就是说与肼反应后仍具有游离羧基的氨基酸就是多肽C端的氨基酸。

4、肽链选择性地断裂并鉴定由上述方法只测定了多肽地组成和两端地氨基酸;即使用顺序测定仪也只能测定相对分子量较小地多肽,较大地多肽一般需要把它裂解成小碎片,一一测定顺序,再从各个碎片在排列顺序上地重叠,重建整个肽链,测定工作比较复杂。26第三节蛋白质

一、分类不同的蛋白质具有不同的生理功能，由肽键连接成肽链，许多蛋白质还包含由非肽链结构组成地其他成分，叫配基或辅基。种类多,分类方法也很多。

1、形状:纤维蛋白质(丝蛋白,角蛋白)、球蛋白质(蛋青蛋白)2、化学组成:单纯蛋白质(球蛋白)、结合蛋白质(单纯蛋白质+非蛋白质)

辅基为:脂类→脂蛋白糖类→糖蛋白核酸→核蛋白血红素→血红蛋白

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3.功能:

活性蛋白(酶,激素,抗体等)

非活性蛋白质(一大类担任生物的保护或支持作用地蛋白质,如贮存蛋白:清蛋白,酪蛋白;结构蛋白:角蛋白,丝蛋白)

二、蛋白质的结构蛋白质的结构可分为一级结构,二级结构,三级结构,四级结构

1、蛋白质的一级结构:

由各种氨基酸按着一定的排列顺序通过肽键连接而成的骨架,一级结构与多肽的区别仅仅在于蛋白质有较高的相对分子量和较为复杂的结构而已,如果以相对分子量5000为界限,那么胰岛素的相对分子量5734,就可以说是一个蛋白质分子了。通常:50个以上氨基酸残基组成的肽链称为蛋白质，之下的称为多肽。

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2、次级键:

蛋白质分子中的氨基酸是通过共价键结合的,因此最稳定,最基本的结构称为一级结构。在这一级结构的长链中,存在不同的基团如-H,-C=O,-COOH,-R等等,它们也可以相互作用,形成分子的立体结构。定义:这种分子中原子团间非键合的相互作用要比共价键弱的多,称为次级键。

(1)氢键两种情况:主链的肽键之间,侧链间或侧链与主链之间

(2)疏水作用蛋白质分子的侧链,有一些极性很小的基团,与水的亲和力小,而体现较强的疏水性,例如:亮、异亮氨酸等结构中的烷基就有一种自然避开水相的趋势。当蛋白质分子长链卷曲成特定的构象时,它们相互接触,自相粘付形成分子内胶束。这种非极性侧链互相接近的趋势说明存在这一种力--疏水力。29

疏水力与氢键是一对相反的作用力，对稳定蛋白质分子的空间结构起着重要作用。

(3)盐键在中性溶液中,蛋白质的氨基酸与胍基带正电荷，在天然蛋白质中上述基团有一部分相互接近，因静电吸引而成键,称为盐键。(4)范德华力（P283）

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前面已经提到过的酰胺平面上的N-H和羰基上的烃基通称肽单元。主链由于肽单元相互旋转而产生各种构象,主链构型不同,侧链上R基位置就不同。主链与侧链相互影响，相互制约，形成整个蛋白质分子的特定构象,它可以卷成螺旋形。空间结构一般有以螺旋型折叠卷曲的情况分为二级,三级,四级结构。3、蛋白质的空间结构31

(1)二级结构

主链化学结构主要有C=O与C-H,正好形成氢键二级结构就是指a螺旋,β转角和无规卷曲等这些主链结构单元在蛋白质分子中的各种具体组成情况。鲍林和科里根据X-ray衍射法给a-螺旋形结构的空间构象给出了一套具体的数字。螺旋有氢键稳定,氢键与螺旋的长轴平行，天然蛋白质的a螺旋多半是右手螺旋,由于形螺旋的结果，使多肽链长度大为缩短..β-折叠是一种肽链相当伸展的结构,它依靠两条肽链或一条肽链的两端肽链之间的C=O与N-H形成氢键而行，从能量上看，以反平行为更稳定。321、蛋白质的等电点和胶体性质

蛋白质不管肽链有多长仍有自由的氨基与羧基存在，它的两性电离可以用下式表示:P表示蛋白质大分子，在酸性溶液中游离成阳离子，在碱性溶液中游离成阴离子，在某pH值时成两性离子，此时溶液pH就是蛋白质的等电点(pI)。蛋白这在等电点时最易于沉淀。三、蛋白质的性质33

蛋白质是大分子化合物,分子颗粒的直径在胶粒幅度之内(0.01~0.001微米)呈胶体性质,蛋白质颗粒表面都带正电荷,在酸性溶液中带正电荷,在碱性溶液中带负电荷,蛋白质带有同性电荷,就与周围相反的离子构成稳定的双电层。由于同性电荷相互排斥,颗粒相互隔绝而不粘合,形成稳定的胶体体系。蛋白质与水可以形成亲水胶体，但和其他胶体一样不是十分稳定的，在各种不同的影响下,蛋白这容易析出沉淀,最常用的蛋白质沉淀剂是某些中性盐,它们既是电解质又是与水亲和的物质,当它们在蛋白质溶液中的浓度相当大时,蛋白质就会从溶液中沉淀出来,称为盐析。这样析出的蛋白质仍旧可以溶解在水中而不影响原来蛋白质的性质，因此盐析是一种可逆过程。34

变性作用是蛋白质受物理或化学因素影响，改变其分子结构和性质的作用。

化学方法:加酸、碱、尿素、重金属盐如:CuSO4等；

物理方法:干燥,加热,高压,激烈振荡或搅拌等；

蛋白质变性后的最显著表现是溶解度的降低，在等电点时特别明显，也表现在蛋白质粘度增高，结晶性破坏，减低对于水解的抵抗力，丧失生物活性。因此蛋白质在变性后不仅改变其理性性质，也改变了它的生物性质。2、蛋白质的变性作用353、颜色反应

(1)缩二脲反应:蛋白质与强碱和稀硫酸铜溶液的反应,呈紫色；

(2)蛋白质黄色反应:蛋白质中存在有苯环的氨基酸遇浓硫酸变为黄色,遇碱后转为橙黄色；

(3)米勒反应:凡含有酪氨酸的蛋白质遇到硝酸汞的硝酸溶液后变为红色。利用这个反应可以检查蛋白质中有无酪氨酸存在；(显色的原因尚未能充分明了)(4)茚三酮反应:蛋白质与稀的茚三酮溶液同时加热呈显兰色。(指纹鉴定:可能有指纹处喷上茚三酮,汗液中有蛋白质所以有指纹处就显色)36第四节酶

食物的消化，蛋白质的生物合成，生物能量的控制和利用，以及其他生命活动的化学变化，都要有酶来参与。所以生命活动的催化剂，如果没有酶生物的新陈代谢就会被抑止，生命甚至会停止。酶是蛋白质的一种，多疑也像蛋白质一样，往往是球形的，生物体内酶的种类繁多，功能各异,并有高度的专一性，一种酶只能对一种反应产生作用，如淀粉酶只能对淀粉水解成葡萄糖。37一、酶的组成、分类和命名

1、单纯酶:

催化活性仅由蛋白质结构决定

结合酶：酶蛋白对热不稳定

辅酶：有机化合物或无机金属元素例如:医疗上口服或注射维生素B1、B2

等，就是给人体补充辅酶，以提高机体内部某些酶的活性，调节代谢，而达到治疗和增进健康的目的，因此结合蛋白酶的催化作用是由酶蛋白共同配合完成的.2、分类:

按催化反应的类型分为六大类氧化还原酶,转移酶,水解酶,裂解酶,异构酶,连接酶

3、命名:a.习惯命名法:根据酶所作用的作用物命名,根据催化反应的性质以及类型命名

b.系统命名法:写出作用物的名及催化性质,并以“=”号将其分开38

二、酶催化反应的特异性

特异性:a.具有一般催化剂的共性,促进某一反应的速率,催化效力远远超过化学催化剂

b.具有化学选择性,即从混合物中挑选特殊的作用物.c.具有立体选择性:辨别对映体

d.催化条件温和:pH=7,37度左右在酶的催化下起反应的化合物称为底物,催化作用分三步进行,首先底物在酶的活性部位上结合,生成酶-底物复合物,使底物与活性部位相结合的力与稳定多肽构象的力相同,即静电引力,氢键,非极性基团之间的作用力等,其次,在酶-底物复合物内部进行催化反应,生成酶-底物复合物,再次是产物脱离活性部位,使酶能催化另一分子底物的反应。活性部位使由于肽键的折叠,使有关的氨基酸残基互相靠近而形成的,即与肽链的高级结构有关,换句话,酶的特异性是由酶的三级结构构成的,一旦破坏了酶的空间结构,也就是破坏了它活性部位,酶就失活了。39

第五节核酸

生物所特有的生长和繁殖机能以及遗传与变异的特征都是核蛋白酶起着主要作用。核蛋白是蛋白质和核酸所组成的结合蛋白质,蛋白质是生物体用以表达各项功能的具体工作,而核酸是生物用来复制蛋白质的模板,没有核酸,就没有蛋白质,也就没有生命了。因此，核酸是最根本的生命的物质基础。40

一、核苷酸核酸也是高分子结构，分为核糖核酸和脱氧核糖核酸。构成核酸的单体是核苷酸，核苷酸完全水解后成三种不同的化合物：磷酸、戊糖、碱基。

1、碱基:

存在于核苷酸中的碱基都是嘧啶或嘌呤的羟基核氨基衍生物,最常见的只有五种。其中嘧啶衍生物三种:脲嘧啶、胞嘧啶、胸腺嘧啶，嘌呤衍生物两种:腺嘌呤,鸟嘌呤,

2、两种核苷脱氧核糖和核糖分别与上述五种碱基形成的糖苷通称为核苷。由糖的半缩醛羟基与氨基化合物失水形成的氨基的糖苷。这样就有四种糖苷A,C,G,U和四种脱氧核苷dT,dA,dC,dG.3、核苷酸核苷酸是核苷的磷酸盐,分为脱氧核糖核苷酸（DNA）和核糖核苷酸(RNA)两类，经过酶水解和降解，我们已经知道，DNA和RNA的单体分别是由四种脱氧核糖核酸和四种核糖核苷-5’-磷酸组成。41

RNA单体:

四种核苷-5’-磷酸

DNA单体：四种脱氧核苷－5’－磷酸而且核苷酸间键是一个核苷酸中的C－5’－磷酸根与另一核苷酸的戊糖中的C－3’－羟基连接而成的磷酸二酯基团。二、核酸的结构

1、一级结构指核酸中各核苷酸单位排列的次序，在核酸中各核苷酸单位是以磷酸酯键相连接，连接的位置在糖的3’为和5‘位，通过水解，测定末端碱基等步骤，可以推出整个核酸分子中的排列次序。

2、二级结构目前认为，核酸分子的核苷酸链中在碱基之间也存在着氢键，使它们维持一定的二级结构。42

DNA分子是一个双股螺旋模型，一条链的碱基与另一条链的碱基通过氢键结合成对，而且碱基配对不是随意进行的，而是通过A与另一个链的T及G与另一链的C之间互相配对（互补原则）紧密接个在一起，形成相当稳定的构