第二十章蛋白质和核酸.docx

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1、第二十章蛋白质和核酸学习要求：1. 掌握a-氨基酸的结构、两性、等电点、主要化学性质及制法。2. 了解肽的命名、结构和多肽结构的测定方法。3. 掌握蛋白质的性质，了解蛋白质复杂结构及在构成生命体上的作用。4. 了解酶的组成及酶催化反应的特异性。5. 了解核酸（RNAffi DNA的组成、结构及核酸的生物功能。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a-由氨基酸构成的,因此，a -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a

2、 -由氨基酸的化学。 20-1氨基酸一、分类、命名和构型组成蛋白质的氨基酸（天然产氨基酸）都是 a-氨基酸，即在a-碳原子上 有一个氨基，可用下式表示： HRHCOOH天然广的各种不同的a-由氨基酸只R不同而已。Nh2氨基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.1 .分类： 按姓基类型可分为脂肪族氨基酸，芳香族氨基酸，含杂环氨基 酸。按分子中氨基和竣基的数目分为中性氨基酸，酸性氨基酸，碱性氨基酸。按姓基类型可分为脂肪族氨基酸，芳香族氨基酸，含杂环氨基酸。氨基酸可分为链状、芳香族、杂环氨基酸。如:CH3cHe 00HNHsAla（丙）丙氨酸2 cHeO0H 届

3、 2Ph七俸）苯丙氨酸Qn-CH2CHCOOHN蚓 HTrp（色）色氨酸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）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：Glych3cooe门冬氨酸：AspHOOC-CH2-CH-COOH,甘）（门）3 .构型：用D/L体系表示一一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

4、：COOHCOOHIIH-C-NH2NH2C HRRD-氨基酸L- 氨基酸天然氨基酸（出甘氨酸外）其他所有 a-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1.氨基酸的酸-碱性一一两Tt与等电点P612615氨基酸分子中的氨基是碱性的，而竣基是酸性的，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h+OH-R-CH-COOH R-CH-COOH R-CH-COO-+NH3NH2NH2氨基酸在一般情况下不是以游离的竣基或氨基存在的，而是两性电离，在 固态或水溶液中形成内盐。R-CH-COOH. RCH-CO。一1 NH2NH3（2

5、）等电点在氨基酸水溶液中加入酸或碱，至使竣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一一处于等电状态）时溶液的pH值称为氨基酸的等电点。常以pI表示。R-CH-COOHNH2R-CH-COONH2OH H Q R-CH-COO- R-CH-COOHL, G RCHO40H + RCHCOOH - J，C = NC、” + COC0NH2CO H0/C3 H2。3 .氨基酸竣基的反应氨基酸分子中竣基的反应主要利用它能成酯、成酊、成酰胺的性质。这里值 得特别提出的是将氨基酸转化为叠氮化合物的方法（氨基酸酯与肌作用生成酰肌，酰肌与亚硝酸作用则生成叠氮化合物）。叠氮化合物与另一氨基酸酯作用

6、即能缩合成二肽（用此法能合成光学纯度的 肽）沁18。三、氨基酸的制备氨基酸的制取主要有三条途径：即蛋白质水解、有机合成和发酵法。氨基酸的合成方法主要有三种：1 .由醛制备醛在氨存在下加氢氟酸生成 a-氨基月青，后者水解生成a -氨基酸。例如：NH3, HCN NaOH, H 2O_C6H5CH2CHO C6H5CH2CHCN C6H5CH2CHCO2一NH2（2） H3O+NH3苯丙氨酸74%R-CH-COOH + H XNH22 . a -卤代酸的氨化R-CH-COOH + NH 3IX此法有副产物仲胺和叔胺生成，不易纯化。因此，常用盖伯瑞尔法代替上法OR rYC、RIN- CH - COO

7、ROR1NH2-CH-COOH + ROH盖伯瑞尔法生成的产物较纯，适用于实验室合成氨基酸。3.由丙二酸酯法合成此法应用的方式多种多样，其基本合成路线是:fOOC 2H5 Br2COOC 2H5CH2Br-CH，C .： O COOC 2 H5Cc COOC2H5O2 5 C2H5ONa4(2) PhCH2Brc：O COOC2H5NC COOC2H5CO CH2Ph H3O+A(2) CO2a*CH COOHCOOC 2H5 CCl4COOC 2H5NH2NH2NH2-CH-COOHICH 2Ph,L-苯丙氨酸C O NH1- NHCOD合成法合成的氨基酸是外消旋体，拆分后才能得到D-合L-

8、氨基酸。氨基酸的化学合成1850年就已实现，但氨基酸的发酵法生产在一百年后的1957年才得以实现用糖类（淀粉）发酵生产谷氨酸。 20-2 多肽一、多肽的组成和命名1 .肽和肽键一分子氨基酸中的竣基与另一分子氨基酸分子的氨基脱水而形成的酰胺叫 做肽，其形成的酰胺键称为肽键。R oRNH2-CH-C-OH + NH2-CH-COOHR ；0: R“2 NH 2- CH -j C -NH - CH - COOH肽键由n个a -氨基酸缩合而成的肽称为n肽，由多个a -氨基酸缩合而成的肽称 为多肽一般把含100个以上氨基酸的多肽（有时是含 50个以上）称为蛋白质。无论肽脸有多长，在链的两端一端有游离的氨

9、基（-NH）,称为N端；链的 另一端有游离的竣基（-COOH,称为C端。R O R O RO：NH2+CH-CNH-CH-C-NH-CH 十COOH ;N端C端2 .肽的命名根据组成肽的氨基酸的顺序称为某氨酰某氨酰某氨酸（简写为某、某、某）。例如：CH3CH 20HCH2c6H5265NH2 CH C-NH CH-C NH-CH-C00H11II00丙氨酰丝氨酰苯丙氨酸（丙一丝一苯丙）很多多肽都采用俗名，如催产素、胰岛素等。二、多肽结构的测定由氨基酸组成的多肽数目惊人，情况十分复杂。假定100个氨基酸聚合成线 形分子，可能具有20100中多肽。例如：由甘氨酸、缴氨酸、亮氨酸三种氨基酸就可组成六

10、种三肽。甘-缴-亮； 甘-亮-缴； 缴-亮-甘； 缴-甘-亮； 亮-甘-缴；亮-缴-甘。多肽结构的测定主要是作如下工作：了解某一多肽是由哪些氨基酸组成的。 各种氨基酸的相对比例。确定各氨基酸的排列顺序。多肽结构测定工作步骤如下：1 .测定分子量2 .氨基酸的定量分析HCl 多肽H2O氨基酸层析法分吟各种氨基酸各种氨基酸的含量现代方法是将水解后的氨基酸混和液用氨基酸分析仪进行分离和测定。3 .端基分析（测定N端和C端） （1）测定N端（有两种方法）a 2,4-=基基氟苯法桑格尔（Sanger-英国人）法2,4-=硝基氟苯与氨基酸的N端氨基反应后，再水解，分离除 N-二硝基苯 基氨基酸，用色谱法分

11、析，即可知道 N端为何氨基酸。W2CO3O2N F + H2N-CH-CONH-CH-CONH- NO 2RRN-CH-CONH -CH-CONHRHClRO2N-：HN-CH-COOH + H2N-CH-COOH +NO2 RR此法的缺点是所有的肽键都被水解掉了b 异硫氟酸苯酯（Ph-N=C=S-艾彳惠曼（Edman）降解法襄 、pH 7C6H5N=C=S + NH2CHCONH多肽*RHPH plPHpH pl2 .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以)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

12、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)碱金属盐或钱盐H2O蛋白质溶液 讥证 - 溶解(2)不可逆沉淀(蛋白质)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%勺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 .蛋白质的变性作用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。变

13、性条件：物理因素：干燥、加热、高压、振荡或搅拌、紫外线、 X射线、超声等等。化学因素：强酸、强碱、尿素、重金属盐、生物碱试剂（三氯乙酸、乙醇 等等）。变性后的特点：丧失生物活性二、三级结构的结合力遭破坏溶解度降低.易被水解（对水解酶的抵抗力减弱）。变性作用的利用： 消毒、杀菌、点豆腐等；排毒（重金属盐中毒的急救）；月中瘤的治疗（放疗杀死癌细胞）；变性作用的防治： 种子的贮存； 人体衰老（缓慢变性）；防止紫外光灼伤皮肤。4.蛋白质的颜色反应（1）缩二月尿反应蛋白质与新配置的碱性硫酸铜溶液反应，呈紫色，称为缩二月尿反应。（2）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

14、基化合物的反应称为蛋白黄反应。（3）米勒反应蛋白质中酪氨酸的酚基遇到硝酸汞的硝酸溶液（4）西三酮反应 蛋白质与稀的西三酮溶液共热，即呈现蓝色20-4 酶酶是一种有生物活性的蛋白质，是生物体内的催化剂，是生命活动的基础, 哪里有生命现象，哪里就有酶的活动。绿色植物和某些细菌能够利用太阳能， 通过光合作用，二氧化碳和少量的硝酸盐、磷酸盐等极简单的原料合成复杂的 有机物质，都是靠酶的催化所完成。所以说，酶在复杂的生物合成中的作用是 无法用其它方法替代的。一、酶的组成|单纯酶（催化活性仅由蛋白质的结构决定）酶结合酶（蛋白质+辅酶），催化活性由蛋白质和辅酶共同配合完成。辅酶的种类颇多，按其化学组成可分两

15、类：1 .无机的金属元素，如铜、锌、钮。2 .相对分子质量低的有机物，如血红素、叶绿素、肌醇、烟酰胺、维生素B1、B2、B6、B12等等。医疗上口服或注射维生素，就是给人体补充辅酶，以提高肌体内某些酶的 活性，调节代谢，而达到治疗和增进健康的目的。酶蛋白可以是一条肽链，或多条肽链组成的。但所有的酶都是球状结构的。二、酶催化反应的特异性1 .催化效率高（比一般催化剂高108-1010倍）。2 .选择性强（1）化学选择性一一能从混合物中挑选特殊的作用物。例如，麦芽糖酶只 能使a -葡萄糖甘键断裂,而不能使B -葡萄糖甘键断裂。（2）立化学选择性一一辨别对映体，酵母中的酶只能使天然D型糖发酵,而不能

16、使相应的L型糖发酵。反应条件温和一一一月是在常温常压和 pH 7左右进行的。人体内如果缺少某种酶，就会引起疾病或死亡。例如，胆碱酯酶的作用是水解乙酰胆碱，有机磷农药中毒就是破坏了动物体内的胆碱酯酶，使之不能水 解体内有毒的乙酰胆碱，致使中毒而亡。又如，小孩缺乏半乳糖酶时，就不能 吃奶（因不能分解半乳糖）一吃就吐。再如，苯丙氨酸与酪氨酸在羟化酶的作 用下达成转化平衡，若此平衡被破坏，则酪氨酸缺乏，酪氨酸缺乏则不能产生 黑色素 称为白化病。胰凝蛋白酶是研究得比较清楚的一个酶。如图：胰凝蛋白酶是化学选择性较差的一个酶，它能与其多种底物作用。（见书P636图20-11）它是由一个单独多肽链组成的蛋白质

17、。这个多肽链是由241个氨基酸组成的。三、酶的分类和命名1.按其催化类型可分为六大类：氧化还原酶：能促进作用物氧化还原的酶类如细胞色素氧化酶等；转移酶：催化一个底物分子的某一基团转到另一底物上去如转氨酶： 水解酶：催化水解反应。如淀粉酶、脂肪酶、明蛋白酶等； 裂解酶：促进一种化合物分裂为两种化合物，或由两种化合物合成一 种化合物的反应。如碳酸酊酶； 异构酶：促进异构化反应。如磷酸葡萄糖异构酶； 连接酶：促进两分子连接起来，同时使 ATP（或其他三磷酸核甘）中的 高能键断裂，转变成AD可口无机磷酸盐，或AMFW焦磷酸。如谷氨酰胺合成酶。2.酶的命名有习惯命名和系统命名两种习惯命名法：两个原则原则

18、1：根据所作用物命名。如水解淀粉的酶叫淀粉酶，水解蛋白质的酶叫 蛋白酶。有时还要加上来源以区别不同来源的同一类酶，如胃蛋白酶、胰蛋白 酶。原则2:根据催化反应的性质及类型命名。如水解酶、氧化酶、脱氢酶、转 移酶等。有时也根据上述两条原则综合起来命名。 系统命名法：是以酶的催化反应为基础进行命名的。规定每种酶的名称 要写出作用物的名及其催化性质，并以“：”号将两者分开。比较长，尚未广泛 使用。 20-5核酸简介核酸是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。一、核酸的组成蛋白质核蛋白-核酸肠酶磷

19、酸f 核昔核糖（脱氧核糖）核酸和蛋白质一样，是由许多核甘酸结合而成的高分子化合物。核甘酸是 由磷酸、核糖、及碱基组成的。核糖和2-脱氧核糖CHOHOHHOHCH 20HCH0H0HH0HH0HCH20H3-D-吠喃核糖3-d- 2一脱氧吠喃核糖2 .碱基核甘酸中的碱基主要有五种，都是喀呢或喋吟的衍生物。它们是：胞喀呢，IP密噬，胸腺喀噬，腺喋吟，鸟喋吟。其结构式见P639:3 .核甘核甘是核糖的B-甘羟基与碱基氮原子上的氢脱水而形成的甘，根据核糖的 不同，核昔有两类：（1）核昔（由RNAtK解而得）核糖核昔碱基核昔名称CH2OH “CH2OHB = U月尿喀咤核昔“尿昔（U ）1A腺喋吟核昔|

20、腺昔（A）C胞喀咤核昔|胞昔（C）OH OHOH OHG鸟喋吟核昔鸟昔（G） |详细结构见P640图20-14（2） 2-脱氧核昔一一（由DANK解而得）2-脱氧核糖核甘 碱基核昔名称B = T ACG2-脱氧胸腺甘（dT ）2-脱氧腺昔（dA）2-脱氧胞甘（dC）2 一脱氧鸟昔（dG）详细结构见 自0图20-154.核甘酸 核糖C5上的羟基与磷酸酯化便得到核甘酸OIIOH OHRNA中的核甘酸单体DNA中的核甘酸单体、核酸的结构核酸是核甘酸单体中核糖的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、二级结构和三级

21、结构的问题。1 .核酸一级结构核甘酸的顺序组成了核酸的一级结构。RN/fr的多核甘酸链如下图:O 5,端O=P-O-CH2OHO=P-O-CHOHH OHOHHH -O INH2ONH2 飞人腺昔酸2HOHH OH胞甘酸OHHOHHH，OHO=p-O-CH2O鸟昔酸G月尿甘酸3端NN2OO=P-O-CH2 oHHHOHH OHRNM DN中的多核甘酸链，都按上图方式表示，显然太繁复了，所以现在 都用简化了的示意法来表示。如上图可简化如下：RNA链简化图DNA链简化图其中R、R、R、R表示碱基，P表示磷酸基，一竖表示糖分子，2，、3 5,表示糖中C原子编号。还可以进一步简化成PA-C-G-UPR

22、NAW DNA勺区另I：核糖一一RN9为核糖，DNA中为2-脱氧核糖。碱基RNAP为 A、U、C、G; DNA中为 A、T、C、G2 .核酸的二级结构DNA的双螺旋结构:我国1981年成功合成了丙氨本的Trna。图却-I日DN汽的双蝶加结咕模型 d*水P震示 *河和白、:寰京乐其间成统 衰示对应的周的立两条螺旋链以相反的走向，通过一条链的碱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。碱基配对只能是 A与T （RNAt是A与U）配对，G与C配对。原因是：（1）只有当一个喋吟环和一个喀噬环成对排列时，碱基的连接才吻合。（2）只有腺喋吟与胸腺喀噬

23、成对，鸟喋吟与胞喀呢成对才能吻合。RNA勺二级结构的规律性不如 DNA有些RNA勺多核甘酸链，可以形成螺旋 结构，其二级结构是和 DNAf目似的双螺旋。但多数 RNA的分子是由一条弯曲的 多核甘酸链所构成，其中有间隔着的双股螺旋与单股非螺旋体结构部分。见沁45图 20-203 .核酸的三级结构核酸的三级结构是在二级结构的基础上进一步紧缩、 扭曲成闭链状环或开链 状环以及麻花状的一定空间关系的结构。三、核酸的生物功能核酸在生物的遗传变异、生长发育及蛋白质的合成中起着重要作用。新的脆如的段统的事能解M-23 DM月复阍机胤承国DNA勺双螺旋结构学说，可以解释DN的子本身的复制机制，细胞分裂时 DN

24、A的二条链可以拆开，分别到两个子细胞里，每条链通过碱基配套对，即A-T, G-C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。因此在两个分子细胞里所形成的 DNA分子，必然是和母细胞的 DNA分子一样的， 遗传信息也就由母代传到子代了。这种双链核酸的复制过程差错极小（几率约为107）。这就是生物繁衍过程中遗传性状能维持相对稳定的基础，也是种豆得豆， 种瓜得瓜的生物学基础。DNA-一遗传基因，转录副本，将遗传信息传到子代。是蛋白质合成的模板。 RNA-决定蛋白质的生物合成（合成蛋白质的工厂） 根据在蛋白质合成中所起的作用，RN后为三类:1 .信使核酸（mRN 传递DNA勺遗传信息，合成模板。2 .核糖体核酸（rRNA 合成蛋白质的场所。3 .转移核糖核酸（tRNA）搬运工具在蛋白质的合成中tRNA按照mRNAt递的指令，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tRNA只能搬运一种氨基酸。在核甘酸分子中，每三个核甘酸组成一个联体，决定着生物体内合成蛋白 质中的一种氨基酸，即遗传密码。现在三联密码已全部弄清，变成明码了，见 P647 表 20-4。在多肽链的合成中，氨基酸是基本原料， mRNAI模板，tRNA是运载工具,rRNA是合成肽链的现场（工作台）。合成中所需能量由GPT（鸟甘三磷酸）、APT（腺苷三磷酸）供应。