生物-第二十章蛋白质和核酸

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1、化学教育专业有机化学教案楚雄师范学院化生系 谢启明 编322第二十章第二十章 蛋白质和核酸蛋白质和核酸一、教学目的和要求一、教学目的和要求 （1）掌握 -氨基酸的结构及性质（偶极离子、等电点、氨基反应、羧基反应） 。（2）掌握蛋白质的性质及应用。 （3）了解蛋白质的一级结构、二级结构、三级结构的结构特点及生理作用。 （4）了解多肽的合成方法。 （5）了解酶的组成及其催化原理。 （6）了解核酸结构及其生物功能。 二、教学重点与难点二、教学重点与难点 （1）-氨基酸的结构及性质（偶极离子、等电点、氨基反应、羧基反应） 。 （2）蛋白质的性质。 三、教学方法和教学学时三、教学方法和教学学时 1、教学

2、方法：以课堂讲授为主，结合必要的课堂讨论。教学手段以板书和多 媒体相结合。 2、教学学时：6 学时 四、教学内容四、教学内容 第一节 氨基酸 一、氨基酸的结构、命名和分类 二、氨基酸的构型 三、氨基酸的性质 四、氨基酸的制法 第二节 多肽 一、肽和肽键 二、多肽结构测定和端基分析 三、多肽的合成 第三节 蛋白质 一、蛋白质的分类 二、蛋白质的结构 三、蛋白质的性质 第四节 酶 一、酶的组成 二、酶催化反应的特异性 三、酶的分类和命名 第五节 核酸 一、核酸的组成化学教育专业有机化学教案楚雄师范学院化生系 谢启明 编323二、核酸的结构 三、核酸的生物功能 四、DNA 重组技术和 基因工程 五、

3、人类基因组计划 五、课后作业、思考题五、课后作业、思考题 习题：习题：1、3、4、6。蛋白质和核酸都是天然高分子化合物，是生命物质的基础。我们知道，生命活 动的基本特征就是蛋白质的不断自我更新。蛋白质是一切活细胞的组织物质，也是 酶、抗体和许多激素中的主要物质。所有蛋白质都是 -由氨基酸构成的，因此，-由氨基酸是建筑蛋白质的砖石。要讨论蛋白质的结构和性质，首先要研究 -由 氨基酸的化学。20201 氨基酸氨基酸一、分类、命名和构型一、分类、命名和构型组成蛋白质的氨基酸（天然产氨基酸）都是 -氨基酸，即在 -碳原子上有 一个氨基，可用下式表示：天然产的各种不同的 -由氨基酸只 R 不同而已。氨基

4、酸目前已知的已超过 100 种以上，但在生 物体内作为合成蛋白质的原料只有二十种（见 P616表 20-1） 。1分类： 按烃基类型可分为脂肪族氨基酸，芳香族氨基酸，含杂环氨基酸。按分子中氨基和羧基的数目分为中性氨基酸，酸性氨基酸，碱性氨基酸。2命名： 多按其来源或性质而命名。国际上有通用的符号（见 P616表 20-1） 。3构型： 用 D/ L 体系表示在费歇尔投影式中氨基位于横键右边的为 D 型，位于左边的为 L 型。例如：R C NH2H COOHHCNH2COOHRCHCOOHRNH2化学教育专业有机化学教案楚雄师范学院化生系 谢启明 编324D-氨基酸 L-氨基酸天然氨基酸（出甘氨

5、酸外）其他所有 -碳原子都是手性的，都有旋光性，而 且发现主要是 L 型的（也有 D 型的，但很少） 。二、氨基酸的性质二、氨基酸的性质1氨基酸的酸-碱性两性与等电点 P612615氨基酸分子中的氨基是碱性的，而羧基是酸性的，因而氨基酸既能与酸反应， 也能与碱反应，是一个两性化合物。（1）两性氨基酸在一般情况下不是以游离的羧基或氨基存在的，而是两性电离，在固 态或水溶液中形成内盐。（2）等电点在氨基酸水溶液中加入酸或碱，至使羧基和氨基的离子化程度相等（即氨基 酸分子所带电荷呈中性处于等电状态）时溶液的 pH 值称为氨基酸的等电点。 常以 pI 表示。溶液 pH等电点 等电点(pI) 溶液 pH

6、pH7pH7CNCCHHNC6H5 ORS+化学教育专业有机化学教案楚雄师范学院化生系 谢启明 编330测定咪唑衍生物的 R，即可知是哪种氨基酸。异硫氰酸苯酯法的特点是，除多肽 N 端的氨基酸外，其余多肽链会保留下来。 这样就可以继续不断的测定其 N 端。（2）测定 C 端a 多肽与肼反应所有的肽键（酰胺）都与肼反应而断裂成酰肼，只有 C 端的氨基酸有游离的 羧基，不会与肼反应成酰肼。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。b 羧肽酶水解法在羧肽酶催化下，多肽链中只有 C 端的氨基酸能逐个断裂下来。 4肽链的选择性断裂及鉴定上述测定多肽结构顺序的方法，对于分子量大的

7、多肽是不适用的。对于大分子 量多肽顺序的测定，是将其多肽用不同的蛋白酶进行部分水解，使之生成二肽、三 肽等碎片，再用端基分析法分析个碎片的结构，最后将各碎片在排列顺序上比较并 合并，即可推出多肽中氨基酸的顺序。部分水解法常用的蛋白酶有：胰蛋白酶只水解羰基属于赖氨酸、精氨酸的肽键。糜蛋白酶水解羰基属于苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的肽键。溴化氰只能断裂羰基属于蛋氨酸的肽键。例 1：催产素的（一个八肽）结构分析。P623625 。例 2：某八肽完全水解后，经分析氨基酸的组成为：丙、亮、赖、苯丙、脯、丝、酪、缬。端基分析：N-端 丙亮 C-端。胰蛋白酶催化水解：分离得到酪氨酸，一种三肽和一种四肽。用 Ed

8、man 降解分别测定三肽、四肽的顺序，结果为：丙-脯-苯丙；赖-丝-缬-亮。由上述信息得知，八肽的顺序为： 化学教育专业有机化学教案楚雄师范学院化生系 谢启明 编331F.Sanger 及其他工作者化了约 10 年时间与 1953 年（35 岁）首先测定出牛胰 岛素的氨基酸顺序，由此 Sanger 获得了 1958 年（41 岁）的诺贝尔化学奖。此后， 有几百种多肽和蛋白质的氨基酸顺序被测定出来，其中包括含 333 个氨基酸单位的 甘油醛-3-磷酸酯脱氢酶。以后 F.Sanger 又测定了 DNA 核苷酸顺序，因而他第二次（1980 年 62 岁）获 得了诺贝尔奖（同美国人伯格、 吉尔伯享）

9、。两次获得诺贝尔奖的化学家是 很少见的，所以说，F.Sanger 是一个伟大的化学家。三、多肽的合成三、多肽的合成要使各种氨基酸按一定的顺序连接起来形成多肽是一向十分复杂的化学工程， 需要解决许多难题，最主要的是要解决四大问题。1保护-NH2或-COOH氨基酸是多官能团化合物，在按要求形成肽键时，必须将两个官能团中的一个保护 起来，留下一个去进行指定的反应，才能达到合成的目的。对保护基的要求是：易引入，之后又易除去。我们把保护-NH2称为代帽子，保护羧基称为穿靴子。2活化反应基团（活化-NH2或-COOH）通常是保护-NH2及-OH、-SH 等，活化-COOH（具体方法-略）3生物活性合成多肽

10、必须保证氨基酸的排列顺序与天然多肽相同，并与天然多肽不论在物 理、化学性质和生物活力各方面都一样，才具有意义。我国 1965 年 6 月发表合成成功牛胰岛素的文章，生物活性 1.270%西德7 月羊，0.510%美国 1967 年发表文章 （胰岛素合成方法的改进）前苏联 1972 年发表文章 （胰岛素合成方法的改进）胰岛素是一种激素，可用于治疗糖尿病，但只能用和人体结构相近的胰岛素， 如猪胰岛素，其它的则不起疗效。几种哺乳动物胰岛素的氨基酸顺序的差异化学教育专业有机化学教案楚雄师范学院化生系 谢启明 编332A 链 B 链8 9 10 30人 苏 丝 异亮 苏猪 丙牛 丙 缬 马 甘 羊 20

11、203 蛋蛋 白白 质质分子量在 1000 以上，构型复杂的多肽称为蛋白质一、蛋白质的分类一、蛋白质的分类1 根据蛋白质的形状分为：（1）纤维蛋白质 如丝蛋白、角蛋白等；（2）球状蛋白质 如蛋清蛋白、酪蛋白、血红蛋白、-球代表蛋白（感冒 抗体）等。2根据组成分：（1）单纯蛋白质其水解最终产物是 - 氨基酸。（2） 结合蛋白质- 氨基酸 + 非蛋白质（辅基）辅基为糖时称为糖蛋白；辅基为核酸时称为核蛋白；辅基为血红素时称为血红 素蛋白等。2 根据蛋白质的功能分；（1） 活性蛋白 按生理作用不同又可分为；酶、激素、抗体、收缩蛋白、运 输蛋白等。（2）非活性蛋白 担任生物的保护或支持作用的蛋白，但本身

12、不具有生物活 性的物质。例如：贮存蛋白（清蛋白、酪蛋白等） ，结构蛋白（角蛋白、弹性蛋白 胶原等）等等。化学教育专业有机化学教案楚雄师范学院化生系 谢启明 编333二二 蛋白质的结构蛋白质的结构各种蛋白质的特定结构，决定了各种蛋白质的特定生理功能。蛋白质种类繁多， 结构极其复杂。通过长期研究确定，蛋白质的结构可分为一级结构、二级结构、三 级结构和四级结构。1蛋白质的一级结构由各氨基酸按一定的排列顺序结合而形成的多肽链（50 个以上氨基酸）称为 蛋白质的一级结构。对某一蛋白质，若结构顺序发生改变，则可引起疾病或死亡。例如，血红蛋白 是由两条 -肽链（各为 141 肽）和两条 -肽链（各为 146

13、 肽）四条肽链（共 574 肽）组成的。在 链，N-6 为谷氨酸，若换为缬氨酸，则造成红血球附聚，即由球状变成 镰刀状，若得了这种病（镰刀形贫血症）不到十年就会死亡。2蛋白质的二级结构多肽链中互相靠近的氨基酸通过氢键的作用而形成的多肽在空间排列（构象） 称为蛋白质的二级结构。蛋白质的二级结构主要有三中形式；1-螺旋右螺旋 P629。 2-折叠和 -转角 P630。 肽链的构象（二级结构）见 P631图 20-7 3无规则卷曲没有确定规律性。 3蛋白质的三级结构由蛋白质的二级结构在空间盘绕、折叠、卷曲而形成的更为复杂的空间构象称 为蛋白质的三级结构。维持三级结构的作用力有：共价键（-S-S-）

14、静电键（盐键） 氢键 憎水基（烃基等） 形成三级结构后，亲水基团在结构外，憎水基团在结构内，故球状蛋白溶于水。 化学教育专业有机化学教案楚雄师范学院化生系 谢启明 编3344蛋白质的四级结构由一条或几条多肽链构成蛋白质的最小单位称为蛋白质亚基，由几个亚基借助 各种副键的作用而构成的一定空间结构称为蛋白质的四级结构。三、蛋白质的性质三、蛋白质的性质1两性及等电点多肽链中有游离的氨基和羧基等酸碱基团，具有两性。2胶体性质与沉淀作用蛋白质是大分子化合物，分子颗粒的直径在胶粒幅度之内（0.10.001）呈胶 体性质。蛋白质颗粒表面都带电荷，在酸性溶液中带正电荷，在碱性溶液中带负电 荷，达到帮助带有同性电荷就于周围电性相反的的离子构成稳定的双电层。由于同 性电荷相斥，颗粒互相隔绝而不粘合，形成稳定的胶体体系。蛋白质与水形成的亲水胶体，也和其它胶体一样不是十分稳定，在各种因素的 影响之下，蛋白质容易析出沉淀。（1）可逆沉淀（盐析）（2）不可逆沉淀蛋白质与重金属盐作用，或在蛋白质溶液中加入有机溶剂（如丙酮、乙醇等） 则发生不可逆沉淀。如 70-75%的酒精可破坏细菌的水化膜，是细菌发生沉淀和变 性，从而起到消毒的作用。3