1、第十七章 氨基酸、蛋白质和核酸 教学基本要求1、掌握 -氨基酸的结构、性质和制法；2、了解多肽的结构、命名和合成；3、了解蛋白质的结构并掌握它的性质。 教学重点-氨基酸的结构、性质和制法。 教学难点-氨基酸的结构、性质和制法。 教学时数： 教学方法与手段1、讲授与练习相结合；2、传统教学方法与与现代教学手段相结合；3、启发式教学。 教学内容蛋白质和核酸是生命现象的物质基础，是参与生物体内各种生物变化最重要的组分。蛋白质存在于一切细胞中，它们是构成人体和动植物的基本材料，肌肉、毛发、皮肤、指甲、血清、血红蛋白、神经、激素、酶等都是由不同蛋白质组成的。蛋白质在有机体中承担不同的生理功能，它们供给肌
2、体营养、输送氧气、防御疾病、控制代谢过程、传递遗传信息、负责机械运动等。核酸分子携带着遗传信息，在生物的个体发育、生长、繁殖和遗传变异等生命过程中起着极为重要的作用。人们通过长期的实验发现：蛋白质被酸、碱或蛋白酶催化水解，最终均产生 -氨基酸。因此，要了解蛋白质的组成、结构和性质，我们必须先讨论 -氨基酸。第一节 氨基酸氨基酸是羧酸分子中烃基上的氢原子被氨基（-NH 2）取代后的衍生物。目前发现的天然氨基酸约有 300 种，构成蛋白质的氨基酸约有 30 余种，其中常见的有 20 余种，人们把这些氨基酸称为蛋白氨基酸。其它不参与蛋白质组成的氨基酸称为非蛋白氨基酸。1.1-氨基酸的分类、命名和构型
3、构成蛋白质的 20 余种常见氨基酸中除脯氨酸外，都是 -氨基酸，其结构可用通式表示：1、分类根据 -氨基酸通式中 R-基团的碳架结构不同，-氨基酸可分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环族氨基酸；根据 R-基团的极性不同，-氨基酸又可RCHON2COOHH2N H RL-氨基酸分为非极性氨基酸和极性氨基酸；根据 -氨基酸分子中氨基（-NH 2）和羧基（-COOH）的数目不同，-氨基酸还可分为中性氨基酸（羧基和氨基数目相等）、酸性氨基酸（羧基数目大于氨基数目） 、碱性氨基酸（氨基的数目多于羧基数目） 。2、命名氨基酸命名通常根据其来源或性质等采用俗名，例如氨基乙酸因具有甜味称为甘氨酸、丝氨酸最早来
4、源于蚕丝而得名。在使用中为了方便起见，常用英文名称缩写符号（通常为前三个字母）或用中文代号表示。例如甘氨酸可用Gly 或 G 或“甘”字来表示其名称。氨基酸的系统命名法 与其它取代羧酸的命名相同，即以羧酸为母体命名。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：D-氨基酸 L-氨基酸 这些 -氨基酸中除甘氨酸外，都含有手性碳原子，有旋光性。其构型一般都是 L-型（某些细菌代谢中产生极少量 D-氨基酸） 。氨基酸的构型也可用 R、S 标记法表示。组成蛋白质的氨基酸中，有八种动物自身不能合成，必须从食物中获取，缺乏时会引起疾病，它们被称为必
5、需氨基酸。1.2-氨基酸的物理性质-氨基酸 一般为无色晶体，熔点比相应的羧酸或胺类要高，一般为 200300（许多氨基酸在接近熔点时分解） 。除甘氨酸外，其它的 -氨基酸都有旋光性。大多数氨基酸易溶于水，而不溶于有机溶剂。1.3-氨基酸的化学性质氨基酸分子中既含有氨基又含有羧基，因此它具有羧酸和胺类化合物的性质；同时，由于氨基与羧基之间相互影响及分子中 R-基团的某些特殊结构，又显示出一些特殊的性质。1、氨基酸的两性和等电点氨基酸分子中同时含有羧基（-COOH）和氨基（-NH 2） ，不仅能与强碱或强酸反应生成盐，而且还可在分子内形成内盐。RCHORCHO-N2 N3+内盐（偶极离子）氨基酸内
6、盐分子是既带有正电荷又带有负电荷的离子，称为两性离子或偶极离子。氨基酸溶液在某一 pH 值时，其分子所带的正、负电荷相等，即成为净电荷为零的偶极离子，此时溶液的 pH 值称为该氨基酸的 等电点（pI） 。固体氨基酸以偶极离子形式存在，静电引力大，具有很高的熔点，可溶于水而难溶于有机溶剂。氨基酸分子是偶极离子，在酸性溶液中它的羧基负离子可接受质子，发生碱式电离带正电荷；而在碱性溶液中铵根正离子给出质子，发生酸式电离带负电荷。偶极离子加酸和加碱时引起的变化，可用下式表示：正离子 偶极离子 负离子pH pI说明：1等电点为电中性而不是中性（即 pH=7） ，在溶液中加入电极时其电荷迁移为零。中性氨基
7、酸 pI = 4.86.3酸性氨基酸 pI = 2.73.2碱性氨基酸 pI = 7.610.82等电点时，偶极离子在水中的溶解度最小，易结晶析出。2、氨基酸中氨基的反应（ 1） 氨 基 的 酰 基 化 氨 基 酸 分 子 中 的 氨 基 能 酰 基 化 成 酰 胺 。乙酰氯、醋酸酐、苯甲酰氯、邻苯二甲酸酐等都可用作酰化剂。在蛋白质的合成过程中为了保护氨基则用苄氧甲酰氯作为酰化剂。选用苄氧甲酰氯这一特殊试剂，是因为这样的酰基易引入，对以后应用的种种试剂较稳定，同时还能用多种方法把它脱下来。（ 2） 氨 基 的 烃 基 化 氨 基 酸 与 RX 作 用 则 烃 基 化 成 N-烃 基 氨 基 酸
8、 。 如 氨基酸能与 2,4-二硝基氟苯（ DNFB）反应生成 N-（2,4-二硝基苯基）氨基酸，简称N-DNP-氨基酸。这个化合物显黄色，可用于氨基酸的比色测定。英国科学家桑格尔（Sanger）首先用这个反应来标记多肽或蛋白质的 N-端氨基酸 ，再将肽链水解，经层析检测，就可识别多肽或蛋白质的 N-端氨基酸。RCHORCHO-N3+ +N3 NH2ORC-H-+OH-+FNO2O2N+ H2N-COH R NO2O2N H-COH R+ FDP-R-CH-COOH + HNO2 R-CH-COOH + H 2O + N2| |NH2 OH（ 3） 与亚硝酸反应 大 多 数 氨 基 酸 中 含
9、 有 伯 氨 基 ， 可 以 定 量 与 亚 硝 酸 反 应 ，生 成 -羟 基 酸 ， 并 放 氮 气 。该反应定量进行，从释放出的氮气的体积可计算分子中氨基的含量。这个方法称为范斯莱克（Van Slyke）氨基测定法，可用于氨基酸定量和蛋白质水解程度的测定。（4）与甲醛反应 氨基酸分子中的氨基能作为亲核试剂进攻甲醛的羰基，生成（N,N-二羟甲基）氨基酸。在（N,N-二羟甲基）氨基酸中，由于羟基的吸电子诱导效应，降低了氨基氮原子的电子云密度，削弱了氮原子结合质子的能力，使氨基的碱性削弱或消失，这样就可以用标准碱液来滴定氨基酸的羧基，用于氨基酸含量的测定。这种方法称为氨基酸的甲醛滴定法。在生物
10、体内，氨基酸分子中的氨基在某些酶的催化下，可与醛酮反应生成弱碱性的西佛碱（Schiff base）,它是植物体内合成生物碱及生物体内酶促转氨基反应的中间产物。（5）氧化脱氨反应 氨基酸分子的氨基可以被双氧水或高锰酸钾等氧化剂氧化，生成 - 亚氨基酸，然后进一步水解，脱去氨基生成 -酮酸。生物体内在酶催化下，氨基酸也可发生氧化脱氨反应，这是生物体内蛋白质分解代谢的重要反应之一。3、氨基酸中羧基的反应（1）与醇反应 氨基酸在无水乙醇中通入干燥氯化氢，加热回流时生成氨基酸酯。-氨基酸酯在醇溶液中又可与氨反应，生成氨基酸酰胺。这是生物体内以谷氨酰胺和天冬酰胺形式储存氮素的一种主要方式。（2）脱羧反应
11、将氨基酸缓缓加热或在高沸点溶剂中回流，可以发生脱羧反应生成胺。生物体内的脱羧酶也能催化氨基酸的脱羧反应，这是蛋白质腐败R-CH-COOH + 2HCHO R-CH-COOH| |NH2 HOH2C-N-CH2OHOH O O H2O | -NH3 R-CH-COOH R-C-COOH R-C-COOH R-C-COOH| | NH2 NH NH2-亚氨基酸 -羟基-氨基酸O O 干 HCl R-CH-C-OH + C2H5-OH R-CH-C-O-C 2H5 + H2O| |NH2 NH2O O R-CH-C-OC2H5 + NH3 R-CH-C- NH 2 + C2H5-OH| |NH2 N
12、H2发臭的主要原因。例如赖氨酸脱羧生成 1,5-戊二胺（尸胺） 。4、氨基酸中氨基和羧基共同参与的反应（1）与水合茚三酮的反应 -氨基酸与水合茚三酮的弱酸性溶液共热，一般认为先发生氧化脱氨、脱羧，生成氨和还原型茚三酮，产物再与水合茚三酮进一步反应，生成蓝紫色物质。这个反应非常灵敏，可用于氨基酸的定性及定量测定。凡是有游离氨基的氨基酸都和水合茚三酮试剂发生显色反应，多肽和蛋白质也有此反应，脯氨酸和羟脯氨酸与水合茚三酮反应时，生成黄色化合物。（2）与金属离子形成配合物 某些氨基酸与某些金属离子能形成结晶型化合物，有时可以用来沉淀和鉴别某些氨基酸。例如二分子氨基酸与铜离子能形成深紫色配合物结晶：（3
13、）脱羧失氨作用 氨基酸在酶的作用下，同时脱去羧基和氨基得到醇。工业上发酵制取乙醇时，杂醇就是这样产生的。此外，一些氨基酸侧链具有的官能基团，如羟基、酚基、吲哚基、胍基、巯基及非 - 氨基等，均可以发生相应的反应，这是进行蛋白质化学修饰的基础。-氨基酸还可通过分子间的-NH 2 基与-COOH 基缩合脱水形成多肽，该反应是形成蛋白质一级结构的基础，将在蛋白质部分介绍。5、氨基酸的受热分解反应-氨基酸受热时发生分子间脱水生成交酰胺；-或 -氨基酸受热时发生H2N-CH2(CH2)3-CH-COOH H 2N-(CH2)5-NH2 | NH2 戊二胺（尸胺）酶(CH3)2CH-CH2-CH-COOH
14、 + H2O ( CH3)2CH- CH2 - CH2OH + CO2 +NH3 NH2CCOOHCCOOH+ H2N-CH-COOH R + R-CHO + CO2 +NH3CCOOH CCOOHO蓝紫色+ NH3 + 还原型茚三酮 COOCONO-NH2 O / R-CH C=O Cu 2R-CH-COOH + Cu2 + O = C CH-R + 2H+ /NH2 O NH2 分子内脱水生成内酰胺；-氨基酸受热时不发生脱水反应，而是失氨生成不饱和酸。-氨基酸 交酰胺-氨基酸 ,-不饱和酸-氨基酸 内酰胺1.4 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
15、的合成方法主要有三种：1、由醛制备 醛在氨存在下加氢氰酸生成 -氨基腈，后者水解生成 -氨基酸。例如：2、- 卤代酸的氨化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。盖伯瑞尔法生成的产物较纯，适用于实验室合成氨基酸。RCH=COH+ N3NH2RCOH OCNH2 RHNRC2COHC2R-CHON2CO2-R OCR-HNC-RO3、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：D，L- 苯丙氨酸合成法合成的氨基酸是外消旋体，拆分后才能得到 D-合 L-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
16、现用糖类（淀粉）发酵生产谷氨酸。第二节 多 肽2.1 多肽的组成和命名1、肽和肽键一分子氨基酸中的羧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。由 n 个 -氨基酸缩合而成的肽称为 n 肽，由多个 -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基（-NH 2），称为 N 端；链的另一端有游离的羧基（-COOH），称为 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：很多多肽都采用俗名，如催产素、胰岛素等。2.2 多肽结构
17、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、缬氨酸、亮氨酸三种氨基酸就可组成六种三肽。甘-缬-亮；甘 -亮-缬；缬-亮 -甘；缬-甘-亮；亮-甘-缬；亮 -缬-甘。多肽结构的测定主要是做如下工作：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 2,4-二硝基氟苯法- 桑格尔(Sang
18、er- 英国人) 法 2,4-二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，用色谱法分析，即可知道 N 端为何氨基酸。 此法的缺点是所有的肽键都被水解掉了。b 异硫氰酸苯酯(Ph-N=C=S)法-艾德曼(Edman)降解法。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
19、。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
20、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 Edman 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：F.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
21、他第二次（ 1980 年 62 岁）获得了诺贝尔奖（同美国人伯格、 吉尔伯特共享）。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。2.3 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-NH 2 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-NH 2 称为代帽子，保护羧基称为穿靴子。2、活化反应基团（活化-NH 2 或-COOH）通常是
22、保护-NH 2 及-OH 、-SH 等，活化-COOH（具体方法-略）3、生物活性合成多肽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。第三节 蛋白质蛋白质是由多种 -氨基酸组成的一类天然高分子化合物，分子量一般可由一万左右到几百万，有的分子量甚至可达几千万，但元
23、素组成比较简单，主要含有碳、氢、氮、氧、硫，有些蛋白质还有磷、铁、镁、碘、铜、锌等。各种蛋白质的含氮量很接近，平均为 16%，即每克氮相当于 6.25g 蛋白质，生物体中的氮元素，绝大部分都是以蛋白质形式存在，因此，常用定氮法先测出农副产品样品的含氮量，然后计算成蛋白质的近似含量，称为粗蛋白含量。W 粗蛋白 =W 氮 6.253.1 蛋白质的分类蛋白质种类繁多，结构复杂，目前只能根据蛋白质的形状、溶解性及化学组成粗略分类。蛋白质根据其形状可分为球状蛋白质（如卵清蛋白）和纤维蛋白质（如角蛋白） ；根据化学组成又可分简单蛋白质和结合蛋白质。1、简单蛋白质 仅由氨基酸组成的蛋白质称为简单蛋白质。2、
24、结合蛋白质 由简单蛋白质与非蛋白质成分（称为辅基）结合而成的复杂蛋白质，称为结合蛋白质。结合蛋白质又可根据辅基不同进行分类。3.2 蛋白质的结构蛋白质分子是由 -氨基酸经首尾相连形成的多肽链，肽链在三维空间具有特定的复杂而精细结构。这种结构不仅决定蛋白质的理化性质，而且是生物学功能的基础。蛋白质的结构通常分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构四种层次，蛋白质的二级、三级、四级结构又统称为蛋白质的空间结构或高级结构。1、蛋白质的一级结构-多肽链天然蛋白质是由 -氨基酸组成的。-氨基酸分子间可以发生脱水反应生成酰胺。在生成的酰胺分子中两端仍含有 -NH 2 及-COOH， 因此仍然可以与其它-
25、氨基酸继续缩合脱水形成长链大分子。在蛋白质化学中，这种酰胺键 称为“肽键” 。氨基酸分子之间以肽键形式首尾相连形成的化合物称为肽，由两个氨基酸缩合形成的肽称为二肽，由三个氨基酸缩合形成的肽称为三肽，由多个氨基酸缩合形成的肽称为多肽。肽链中每个氨基酸都失去了原有结构的完整性，因此肽链中的氨基酸通常称为氨基酸残基。肽链一端含有 -氨基的氨基酸残基称为“N- 端” ；含有游离羧基的氨基酸残基称为 “C-端” 。肽的命名是以 C-端氨基酸为母体，肽链中其它氨基酸名称中的“酸”字改O H2N-CH-C-OH |R1O H2N-CH-C-OH |R2+O O H2N-CH-C- NH-CH-C-OH | |R1 R2- H2O肽键C-NH-O()
