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1、第十三章第十三章氨基酸氨基酸多肽多肽蛋白质蛋白质AminoacidesPolypeptideProtein13-1氨基酸氨基酸n氨基酸的结构、分类、命名氨基酸的结构、分类、命名n氨基酸的化学性质氨基酸的化学性质n氨基酸的制备氨基酸的制备n蛋白质是一类天然的含氮高分子化合物，是生物体内一切组织的基本组成部分生命的物质基础。结构最复杂的化合物。n蛋白质的功能及其分子，各不相同：负责输送氧气的色蛋白(血红蛋白)；在新陈代谢中起调节作用的激素；催化作用的酶；预防疾病的抗体；与生物遗传有关的核蛋白等。n恩格斯说过：生命是蛋白质的存在形式。并预言：只要把蛋白质的化学成分弄清楚，化学就可以着手制造活的蛋白质
2、。1956年我国首次成功地合成了具有生理活性的蛋白质牛胰岛素(16种共51个氨基酸组成的多肽51肽)n植物可以通过吸收空气和土壤中的CO2、H2O、NH3(N2)和无机盐类化合物合成氨基酸直至蛋白质。动物则需通过摄取植物蛋白，然后在体内分解成氨基酸，再进行合成体内特中的蛋白质。n蛋白质是生物体内各种生物化学变化最重要的组分。生命的基本特征就是蛋白质的不断自我更新n核酸是与蛋白质有着密切关系的另一类生物高分子化合物。生物体的遗传就是依靠核酸完成。n在酸、碱、酶的作用下，蛋白质可水解成多种氨基酸的混合物。蛋白质分子是以氨基酸为单位结合而成。氨基酸是蛋白质的基石。13.1.1氨基酸的结构、分类、命名
3、n在分子中既具有氨基，又具有羧基就叫做氨基酸。因此氨基酸既具有胺的化学性质，又具有羧酸的化学性质，属取代酸范围。n氨基酸分为-氨基酸、-氨基酸、-氨基酸等，其中-氨基酸最为重要。并且天然的氨基酸(除甘氨酸外)都具有旋光活性，构型属L型n天然氨基酸目前已知的有100多种，但组成蛋白质的主要有20余种-氨基酸，其中15种中性氨基酸，2种酸性氨基酸，3种碱性氨基酸。有8种是人体不能合成，必须通过食物摄取得道的称为必需氨基酸。一、氨基酸的分类和名名：一、氨基酸的分类和名名：根据氨基酸分子中氨基和羧基的数目分为中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸。系统命名与羟基酸相同，但更多地使用俗名，且常使用代号。1.
4、酸性氨基酸酸性氨基酸2-氨基丁二酸天门冬氨酸asp2-氨基戊二酸谷氨酸glu2.碱性氨基酸碱性氨基酸2,6-二氨基己酸赖氨酸lys精氨酸arg组氨酸his3.中性氨基酸中性氨基酸氨基乙酸甘氨酸gly2-氨基丙酸丙氨酸ala3-甲基-2-氨基丁酸缬氨酸val4-甲硫基-2-氨基丁酸蛋氨酸met亮氨酸leu异亮氨酸ile脯氨酸pro2-氨基-3-羟基丁酸苏氨酸thr色氨酸trp3-苯基-2-氨基丙酸苯丙氨酸phe2-氨基-3-羟基丙酸丝氨酸ser半胱氨酸cys酪氨酸tyr天门冬酰胺asn谷酰胺gln二、氨基酸的构型二、氨基酸的构型n天然的-氨基酸除甘氨酸外，-C原子都是手性碳原子。具有旋光活性，而
5、且其构型是L-型。n氨基酸构型的确定是以-C原子为标准。通过与乳酸的构型相关联得到。n如果以R/S构型标记法确定，则大多数天然氨基酸属S-型。但也存在R-型，如：半胱氨酸。COOHCH3HOHCOOHCH3H2NHL-乳酸L-丙氨酸L-苏氨酸CHOHHCH2OHOHHOCOOHHHCH3NH2H2ND-苏阿糖n苏氨酸是与D-苏阿糖相关联，但苏氨酸确定构型的手性碳是-C，因此，为L-型。13.1.2氨基酸的化学性质氨基酸的化学性质n因此氨基酸既具有胺的化学性质，又具有羧酸的化学性质。n两性与等电点n水合茚三酮反应n脱水脱氨反应n与金属成盐n-氨基酸都是无色晶体，易溶于水，熔点较高，熔化时易分解。
6、属双官能团化合物。氨基和羧基相互影响，而产生一些特殊的性质。一、两性与等电点（一、两性与等电点（IP）两性离子两性离子pH=pI阴离子阴离子pHpI阳离子阳离子pH7+NH2CH-C-NH-肽链-ROHClNH-C-NH-CH-C-NH-ROSNCCCH-RNHOO咪唑衍生物肽链的剩余部分应用此法，1950年成功测定了40个N-端氨基酸。现已制成测定仪,曾对肌红蛋白(153肽)的结构进行了N-端前60个氨基酸的鉴定。3.C-端端-A-羧酸多肽酶法：羧酸多肽酶法：该酶是催化C-端氨基酸水解的特效酶。只水解带游离羧基的C-端氨基酸，肽链的其余部分不变。二、部分水解法：二、部分水解法：上述的端基分析
7、法，一步只能测定一个氨基酸，测定周期长。因此，往往结合部分水解法，对一个多肽链进行同时鉴定。n选择特定的蛋白酶，对多肽链进行部分水解催化。例：糜蛋白酶只能打断苯丙氨酸、色氨酸及酪氨酸羧基上的肽键；胰蛋白酶可打断精氨酸及赖氨酸羧基上的肽键；胃蛋白酶打断苯丙氨酸、酪氨酸及色氨酸氨基上的肽键。为多肽结构测定提供更多的信息和便利。例：例：有一寡肽甲经测定组成为六种九个氨基酸。分别是：丙氨酸；2甘氨酸；赖氨酸；3苯丙氨酸；丝氨酸；缬氨酸。端基分析知：C-端为苯丙氨酸；N-端为甘氨酸。经部分水解得甲1和甲2两部分，甲1完全水解得2甘氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸；甲2得丙氨酸、赖氨酸、2苯丙氨酸、丝氨酸。甲1部分
8、水解得：(甘缬)、(苯丙缬)、(苯丙甘)；甲2部分水解得：(赖丝)、(丙赖)、(苯丙丝)。写出甲的可能结构。解：解：N-端为甘氨酸；C-端为苯丙氨酸甲1：甘、甘、苯丙、缬；甲2：丙、赖、苯丙、苯丙、丝甘-缬-苯丙-甘丙-赖-丝-苯丙-苯丙或甘-苯丙-缬-甘不可能的组合：甲1甘-缬-甘-苯丙或甘-苯丙-甘-缬甲2丙-赖-苯丙-丝-苯丙因此，寡肽甲的可能结果如下：甘-缬-苯丙-甘-丙-赖-丝-苯丙-苯丙九肽或：甘-苯丙-缬-甘-丙-赖-丝-苯丙-苯丙九肽例：例：有一多肽经酸性水解测定，含8种氨基酸：丙、亮、赖、苯丙、脯、丝、酪、缬。其含量1:1。分子量测定为八肽。端基分析：N-端为丙氨酸；C-端为
9、亮氨酸。用糜蛋白酶水解的酪氨酸、一个三肽(N-端为丙氨酸，C-端为苯丙氨酸)和一个四肽(N-端为苯丙氨酸，C-端为亮氨酸)。三肽在胃蛋白酶的作用下，水解为苯丙氨酸和一个二肽(丙-脯)。四肽在胰蛋白酶作用下水解为赖氨酸和一个三肽；N-端为丝氨酸。解：根据以上信息得出：解：根据以上信息得出：丙丙-脯脯-苯丙苯丙-酪酪-赖-丝-缬-亮八亮八肽13-3蛋白质蛋白质n多肽和蛋白质之间没有严格的区别。一般将分子量超过10000的多肽(相当于100个氨基酸单位)称为蛋白质。13.3.1蛋白质的分类和功能蛋白质的分类和功能一、分类：一、分类：1.根据蛋白质的形状(或水溶性)a.纤维蛋白质：不溶于水，分子呈线状
10、。动物组织的主要结构材料：丝蛋白、角蛋白、肌蛋白、骨胶蛋白。动物的毛发、角、丝羽毛、皮肤等。b.球状蛋白质：溶于水呈球状。清蛋白、酪蛋白、血红蛋白、蛋白激素等。2.根据化学组分：a.单纯蛋白：有多肽链组成，水解最终产物为-氨基酸。白蛋白、球蛋白、谷蛋白等。b.结合蛋白：由单纯蛋白与非蛋白质结合而成。非蛋白部分称为辅基。蛋白质+核酸=核蛋白蛋白质+糖=糖蛋白(粘蛋白)蛋白质+脂类=脂蛋白蛋白质+磷酸=磷蛋白蛋白质+有色化合物=色蛋白二、功能：二、功能：蛋白质的功能及其复杂，一般可分为活性蛋白则非活性蛋白。1.活性蛋白：包括在生命运动过程中，一切具有生理活性的蛋白质。按生理作用的不同分起催化作用的
11、酶；起调节作用的激素；其免疫作用的抗体；主管生物体运动的收缩蛋白；在生物体内起输送作用的输送蛋白等。2.非活性蛋白：包括担任生物的保护和支撑作用,不具有生物活性。起储存作用的储存蛋白清蛋白、酪蛋白；其构造作用的结构蛋白角蛋白、丝蛋白、弹性蛋白胶原。13.3.1蛋白质的结构蛋白质的结构n蛋白质是由氨基酸构成，在蛋白质分子中氨基酸的含量、排列顺序构成了肽链的长短、数目。肽链的结合方式与不同层次称为蛋白质的结构。分为：一级结构(初级结构)、二级四级结构(高级结构)。n蛋白质分子具有严密的空间构型。在蛋白质分子中，每个原子的相对位置都是极为精确的。除了肽链为蛋白质分子的主架外，其还依靠侧链上的各种基团
12、所形成的副键和疏水交互作用，来维持和稳定蛋白质的高级空间结构。一、蛋白质的副键和疏水交互作用一、蛋白质的副键和疏水交互作用1.二硫键：二硫键：由含巯基(-SH)的半胱氨酸之间通过氧化还原作用连接(-S-S-)2.酯键：酯键：多肽链中游离的羧基(-COOH)与含羟基(-OH)氨基酸结合形成酯。(-CO-O-)3.盐键：盐键：酸性氨基酸的羧基与碱性氨基酸的氨基形成离子键(-COO-NH3+)，通过静电作用结合。在多肽链中的带电基团都可形成盐键。4.氢键：氢键：是蛋白质中最重要的一种副键。多肽链中存在有较多的O、N、S、H原子为形成氢键提供了条件。根据形成氢键的状况分为两种1)主链的肽键之间形成的氢
13、键。2)侧链与侧链或侧链与主链之间形成的氢键。H-NR-CC=OH-NR-CC=OH-NR-CC=OH-O5.疏水交互作用：疏水交互作用：多肽链中的侧链较多的是弱极性的疏水基团(-)。当蛋白质长链卷曲成特定的构象时，疏水基侧链受到水的极性的排挤，向内部靠拢，发生作用(范德华力)。RA二、蛋白质的结构二、蛋白质的结构1.一级结构：一级结构：租船蛋白质的氨基酸种类、数目和连接方式及顺序。即由肽键连接的肽链。2.二级结构：二级结构：肽链通过氢键，形成的-螺旋卷曲、-折叠片、-转角和无规则卷曲。n1969年IUPAC规定二级结构是主链原子的局部排列。不包括与其它链端的相互关系以及侧链的构象。1 -螺旋
14、螺旋右螺旋右螺旋2 -折叠和折叠和 -转角转角3无规则卷曲无规则卷曲没有确定规律性。没有确定规律性。肽链的构象肽链的构象(二级结构二级结构)-螺旋卷曲和-折叠片的区别在肽键之间形成氢键的方向上。n-螺旋：每圈由3.6个氨基酸单位组成，每个氨基酸单位的氨基与其相隔的第五个氨基酸单位的羧基形成氢键。天然的为右手螺旋。氢键与螺旋的长轴平行。p.289n-折叠：由氢键将一条或两条肽链结合形成片状。肽链在结合过程中可以是平行或反平行。但从能量角度考虑，反平行更加稳定。n-转角：蛋白质分子中肽链出现回转，在回折角处存在-转角结构，其特点是第一个残基的羧基和第四个残基的亚氨基形成氢键。C=ON-H3.三级结
15、构：三级结构：在二级结构单元的基础上，蛋白质分子进一步卷曲形成具有特定构象形式。n1969年IUPAC规定：三级结构是蛋白质分子或亚基内所有原子的空间排布。但不包括亚基间或分子间的空间排布。n亚基：某些蛋白质作为一个活性单位时，有两条或多条肽链组成。这些肽链相互以非共价键联结成一个相当稳定的单位。n以各种副键和疏水交互作用而使肽链卷曲，形成的各侧链构象以及主链构象单元相互间的空间关系就是蛋白质的三级结构。4.四级结构：四级结构：按IUPAC规定：四级结构是亚基的立体排布，亚基间相互作用以及接触部位的布局。但不包括亚基内部的空间结构。n蛋白质分子或亚基的缔合，其部位在空间结构上必须相互满足，镶嵌
16、互补。在某些缔合中亚基构象会产生某种程度的变化，结果导致其功能部位的构象更加适合于发挥生物活性变构现象。n血红蛋白的四级结构是由四个相当于肌红蛋白的三级结构形式的亚基缔合而成。13.3.1蛋白质的化学性质蛋白质的化学性质一、两性和等电点：一、两性和等电点：蛋白质在水溶液中同样存在酸式电离和碱式电离，其电离程度和离子化性质与溶液的pH值以及蛋白质分子中游离基团的性质、数目有关。PrCOOHNH2PrCOO-NH3+OH-H+OH-H+PrCOOHNH3+PrCOO-NH2阳离子偶极离子阴离子pHpI2.等电点：等电点：多肽和蛋白质的等电点接近于5。冬至物体的pH一般为中性或弱酸性，因此，蛋白质在
17、体内大多以阴离子形式存在。n与蛋白质两性有关的有两个主要性质。3.蛋白质的缓冲能力：蛋白质的缓冲能力：在动植物体内蛋白质大多以阴离子形式存在，但也有部分为偶极离子。构成一个缓冲对，在生物体内起主要缓冲作用。对代谢所产生的酸碱起到缓冲在作用，为此生物体的一定pH值。PrCOO-NH3+OH-H+PrCOO-NH2Pr-(盐)HPr(酸)4.电泳：电泳：在电场中，蛋白质的电泳方向取决于所带电荷的性质。而电泳的速度则取决于所带电量的多少和质点的体积。n各种不同的蛋白质，pI不等，体积不同，因此在同一电场条件下，蛋白质混合物中各组分的移动方向、速度具有较大的差别，可用于蛋白质的分离鉴定。二、胶体性质与
18、沉淀作用二、胶体性质与沉淀作用n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。n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)可逆沉淀可逆沉淀(盐析盐析)(2)不可逆沉淀不可逆沉淀n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
19、生沉淀和变性，从而起到消毒的作用。三、蛋白质的变性作用三、蛋白质的变性作用n蛋白质在一定条件下，共价键不变，但构象发生变化而丧失生物活性的过程成为蛋白质的变性作用。n变性条件：变性条件：n物理因素：物理因素：干燥、加热、高压、振荡或搅拌、干燥、加热、高压、振荡或搅拌、紫外线、紫外线、X射线、超声等。射线、超声等。n化学因素：化学因素：强酸、强碱、尿素、重金属盐、生强酸、强碱、尿素、重金属盐、生物碱试剂物碱试剂(三氯乙酸、乙醇等三氯乙酸、乙醇等)。n变性后的特点：变性后的特点：丧失生物活性丧失生物活性溶解度降低溶解度降低易被水解易被水解(对水解酶的抵抗力减弱对水解酶的抵抗力减弱)。n变性作用的利
20、用：变性作用的利用：消毒、杀菌、点豆腐等；消毒、杀菌、点豆腐等；排毒（重金属盐中毒的急救）；排毒（重金属盐中毒的急救）；肿瘤的治疗（放疗杀死癌细胞）；肿瘤的治疗（放疗杀死癌细胞）；四、蛋白质的颜色反应四、蛋白质的颜色反应(1)缩二脲反应：缩二脲反应：蛋白质与新配置的碱性硫酸铜溶液反应,呈紫色，称为缩二脲反应。(2)蛋白黄反应：蛋白黄反应：蛋白质中含有苯环的氨基酸，遇浓硝酸发生硝化反应而生成黄色硝基化合物的反应称为蛋白黄反应。13-4核酸核酸n核酸是除多糖、蛋白质以外的又一类具有生物功能和生理活性的生物该分子化合物。分布于所有的生物体内，存在于细胞核内。与生物的生长、繁殖、遗传密切相关。n核酸是
21、控制生物遗传和支配蛋白质合成的模型 没有核酸，就没有蛋白质。因此，核酸是最根本的生命的物质基础。对核酸的研究是现代科学研究领域最吸引人的课题。13.4.1核酸的组成核酸的组成n核酸分为核糖核酸(RNA)与脱氧核糖核酸(DNA)n核酸分子中含有C、N、H、O、P五种元素，是具有阴离子性质的酸性物质。核酸水解时，根据水解程度的不同，可得到不同的中间体。完全水解后，得到杂环碱(嘌呤类和嘧啶类)、五员糖(核糖或脱氧核糖)、磷酸。1.核糖和核糖和2-脱氧核糖脱氧核糖2碱基碱基n核苷酸中的碱基主要有五种，都是嘧啶或嘌呤的衍生物。它们是：胞嘧啶C，脲嘧啶U，胸腺嘧啶T，腺嘌呤A，鸟嘌呤G。nDNA中存在C、
22、T；RNA中包含C、U。而嘌呤碱没有区别。n碱基存在互变异构，在生物体的条件下，主要以酮式存在。1*和3*N原子上的H具有一定的酸性。这在核酸结构的稳定上极其重要。3核苷核苷n核苷是核糖的-苷羟基与碱基氮原子上的氢脱水而形成的苷，根据核糖的不同，核苷有两类：(1)核苷(由RNA水解而得)(2)2-脱氧核苷(由DAN水解而得)4核核苷苷酸酸：核糖C5上的羟基与磷酸酯化便得到单核苷酸。(也可在C3羟基连接)13.4.2核酸的结构核酸的结构n核酸是核苷酸单体中核糖的3位羟基和5位上的磷酸基酯化而成的高分子化合物。n核酸和蛋白质一样，也有单体排列顺序和空间关系问题，因此，核酸也有一级结构、二级结构和三
23、级结构的问题。1核酸一级结构核酸一级结构n核苷酸的顺序组成了核酸的一级结构。RNA中的多核苷酸链如下图：nRNA或DNA中的多核苷酸链，用简化的示意法来表示。如上图可简化如下：n其中R1、R2、R3、R4表示碱基，P表示磷酸基，一竖表示核糖分子，2、3、5表示糖分子中C原子编号。还可以进一步简化成PA-C-G-UP。nRNA与与DNA的区别：的区别：n核糖核糖RNA中为核糖，中为核糖，DNA中为中为2-脱氧核糖脱氧核糖n碱基碱基RNA中为中为A、U、C、G；DNA中为中为A、T、C、G。2核酸的二级结构核酸的二级结构nDNA的二级结构为右手双股螺旋结构。n两条螺旋链以相反的走向，通过一条链的碱
24、基和另一条链的碱基配对(以氢键结合)交织起来形成相当稳定的构象(双螺旋结构)。象螺旋式的梯子。n碱基配对只能是A与T(RNA中是A与U)配对,G与C配对。n原因是：原因是：(1)只有当一个嘌呤环和一个嘧啶环成对排列时，碱基的连接才吻合。(2)只有腺嘌呤与胸腺嘧啶成对，鸟嘌呤与胞嘧啶成对才能吻合。n这在生物上称为碱基互补。碱基间通过氢键相互联系，化学分析证明无论从何处得到的DNA分子，碱基的配对都是一定的。A:T=1:1；C:G=1:1。但A+T与C+G的数值是不同的。不同的生物表现出不同的比值。n在DNA中A与T、C与G的配对关系称为碱基互补。它们紧密结合形成相当稳定的构象。n在RNA中，其碱
25、基互补的关系为A:U、C:G。13.4.3核酸的生物功能核酸的生物功能n核酸在生物的遗传变异、生长发育及蛋白质的合成中起重要作用。nDNA遗传基因，转录副本，将遗传信息传到子代。是蛋白质合成的模板。nRNA决定蛋白质的生物合成（合成蛋白质的工厂）n根据在蛋白质合成中所起的作用，根据在蛋白质合成中所起的作用，RNA分为三分为三类：类：1信使核酸（信使核酸（mRNA）传递传递DNA的遗传信的遗传信息，合成模板息，合成模板2核糖体核酸（核糖体核酸（rRNA）合成蛋白质的场所。合成蛋白质的场所。3转移核糖核酸（转移核糖核酸（tRNA）搬运工具搬运工具n在蛋白质的合成中在蛋白质的合成中tRNA按照按照m
26、RNA传递的指传递的指令，将某一氨基酸搬运到指定的位置进行合成。令，将某一氨基酸搬运到指定的位置进行合成。tRNA的专一性很高，一种的专一性很高，一种tRNA只能搬运一种只能搬运一种氨基酸氨基酸。n在核苷酸分子中，每三个核苷酸组成一个联体，在核苷酸分子中，每三个核苷酸组成一个联体，决定着生物体内合成蛋白质中的一种氨基酸，决定着生物体内合成蛋白质中的一种氨基酸，即遗传密码。现在三联密码已全部弄清，变成即遗传密码。现在三联密码已全部弄清，变成明码了明码了n在多肽链的合成中，氨基酸是基本原料，在多肽链的合成中，氨基酸是基本原料，mRNA是模板，是模板，tRNA是运载工具，是运载工具，rRNA是是合成肽链的现场（工作台）合成肽链的现场（工作台）。合成中所需能量。合成中所需能量由由GTP（鸟苷三磷酸）、鸟苷三磷酸）、ATP（腺苷三磷酸）腺苷三磷酸）供应。供应。
