1、1,第十四章 蛋白质和核酸 第一节 -氨基酸 一、 -氨基酸的结构、分类和命名 二 、 - 氨基酸的性质 第二节 蛋白质 一、蛋白质的分类 二、蛋白质的结构 三、蛋白质的性质 第三节 核酸 一、核酸的分类和组成 二、核苷 三、单核苷酸 四、核酸的一级结构 五、DNA的二级结构,2,第十四章 蛋白质和氨基酸,第一节 氨基酸,一、 -氨基酸的结构、分类和命名,氨基酸是羧酸分子中碳链上的氢原子被氨基取代后的生成物。 分子中含有氨基和羧基两种官能团。,氨基酸按分子中所含NH2和COOH的相对位置，可将其分 为：,在这些类氨基酸中，与人关系最为密切的是-氨基酸。它是 构成蛋白质的基本单元。,3,在这20
2、多种-氨基酸中，有八种是人体所需要的必需氨基酸（即 人体本身不能合成的氨基酸）。它们是：,这20多种-氨基酸又可分为：,1. 中性氨基酸：,4,2. 碱性氨基酸：,分子中NH2和COOH的数目相等。如：,分子中NH2数目 COOH数目。如：,3. 酸性氨基酸：,分子中COOH数目 NH2 数目。如：,氨基酸的结构特点：,除甘氨酸外，所有的氨基酸分子的-碳原子都具手性碳原子，,5,蛋白质水解得到的氨基酸，其构型均为L 型。,因而都具有旋光性。其构型与甘油醛的关系是：,氨基酸构型的标记通常采用D/L命名法；而分子中手性碳原子 的标记则采用R/S命名法。,绝大多数 - 氨基酸的R/S构型为 S 型。
3、,6,二、- 氨基酸的性质,- 氨基酸为白色结晶固体，具有较高熔点，其熔点约为200300 ，切大多数在熔化时分解。 -氨基酸易溶于水，略溶于甲醇、乙醇，难溶于乙醚、四氯化碳、苯等有机溶剂。除甘氨酸外- 氨基酸都含有手性碳原子，因此具有旋光性。,- 氨基酸具有较高的熔点因其以内盐的形式存在。 1、两性性质和等电点 氨基酸既含有氨基，可接受H+，又含有羧基，可电离出H+，所以氨基酸具有酸碱两性性质。通常情况下，氨基酸以两性离子的形式存在，氨基酸在溶液中存在下列平衡：，如下图所示：,7,若调节溶液的pH值，使NH2和COOH的离子化程度相等，即：正负电荷数相等，氨基酸所带的净电荷为零，在电场中既不
4、向阴极移动，也不向阳极移动，此时氨基酸所处溶液pH值称之为该氨基酸的等电点，以pI表示。氨基酸在等电点时主要以两性离子状态存在。氨基酸在等电点时溶解度最小，易沉淀。氨基酸在不同pH溶液中所带电荷不同，可用电泳法分离氨基酸。,PH=PI,PHPI,PHPI,8,练习1： 丙氨酸（PI=6.0) (1) 在PH=2时的电场中向何方移动？ （2）在水溶液中向电场中向何方移动？,练习2： 色氨酸（PI=5.89) (1) 在PH=12时向电场中何方移动？ （2）在PH=1时向电场中何方移动？,练习3： 谷氨酸（PI=3.22) 溶于水后 (1) 以何种离子形式存在？ （2）向电场中何方移动？,负， 阳
5、极,阳极，阴极,阴极，阳极,9,2、与2，4-二硝基氟苯（DNFB）反应在近中性和室温条件下，- 氨基酸中游离的氨基与2，4-二硝基氟苯反应，生成黄色的2，4二硝基苯氨基酸（简称DNP-氨基酸）利用色谱法分离并与标准DNP-氨基酸比较，就可确定是哪一种氨基酸。此法是由英国两次诺贝尔奖获得者桑格尔首先提出的，常用于肽链的N-端分析。 3、与亚硝酸反应- 氨基酸中游离的氨基可与亚硝酸反应生成羟基酸，并放出氮气，根据放出氮气的量可计算出- 氨基酸的含量。此法称为范斯莱克（Van Slyke）氨基测定法。脯氨酸不含游离的氨基除外。,10,4、与甲醛的反应氨基酸分子中氨基与甲醛发生亲核加成反应，生成N，
6、N-二羟甲基氨基酸，使氨基的碱性消失，可用标准碱滴定，测定氨基酸的含量。5、氧化脱氨反应- 氨基酸中的氨基被氧化剂氧化，或在生物体内酶的作用下生成- 亚氨基酸，然后经过水解、脱氨生成- 酮酸。 - 酮酸是生物体内代谢的重要物质。,11,6、配位反应 氨基酸分子中的羧基可以与金属成盐，同时氨基氮上的未共用电子对可与某些金属形成配位键，生成稳定的配合物。例如氨基酸与铜离子生成蓝色结晶，可用于分离或鉴定氨基酸。,12,7、成肽反应 一个氨基酸的羧基中的羟基与另一个氨基酸中的氨基脱水，生成含有酰胺键的化合物。由两个氨基酸分子脱水形成的肽叫二肽，由三个氨基酸分子脱水形成的肽叫三肽，由多个氨基酸分子脱水形
7、成的肽叫多肽。例如,13,多肽的书写是将含有游离氨基的一端写在左边，叫N-端；含有游离羧基的一端写在右边，C-端。例如：,多肽的命名是以C-端的 氨基酸为母体，在母体氨基酸名称前按氨基酸的排列顺序从N-端开始，依次加上氨基酸残基相应的酰基名称。例如：,14,练习1：一个五肽分子部分水解得到3个三肽，即谷-精-甘，甘-谷-精，精-甘-苯丙，经N-端分析发现N-端为甘氨酸。请写出该五肽中氨基酸的连接顺序。,谷-精-甘,甘-谷-精,精-甘-苯丙,甘-谷-精-甘-苯丙,15,8、与茚三酮的反应 - 氨基酸在弱酸溶液中与水合茚三酮共热，经氧化、脱氨、脱羧、缩合等反应，生成醛，放出二氧化碳，同时生成蓝紫色
8、物质。此反应较复杂，其反应式简单表示如下：凡含有游离氨基的- 氨基酸都有此反应，-、-氨基酸无此反应，该反应用于-氨基酸（脯氨酸除外）的定性和定量分析。,16,练习：鉴别下列化合物,17,第二节 蛋白质 一、蛋白质的分类蛋白质的种类很多，常根据其组成、性质、生理功能和来源分类。 1、根据化学组成不同分类 （1）简单蛋白质：只有 氨基酸组成的蛋白质。例如白蛋白、球蛋白、谷蛋白等。 （2）结合蛋白：是由简单蛋白和非蛋白两部分组成。非蛋白部分称为辅基，作为辅基的有脂类、糖类、磷酸、色素、核酸、金属离子等。它们与蛋白质结合分别组成脂蛋白、糖蛋白、磷蛋白、色蛋白、核蛋白、金属蛋白等。 2、根据溶解性不同
9、分类 （1）白蛋白：不溶于水和稀盐酸，加热则凝固。例如血清蛋白、卵清蛋白等。,18,（2）球蛋白：不溶或微溶于水，可溶于5 10 的稀NaCl溶液。例如血清蛋白、大豆球蛋白等。 （3）醇溶蛋白：不溶于水，可溶于稀酸、稀碱溶液及70 80 的醇溶液。例如麦胶蛋白、玉米胶蛋白等。 （4）谷蛋白：不溶于水，可溶于稀酸、稀碱溶液。例如米、麦谷蛋白等。 （5）组蛋白：溶于水和稀酸，是一种能水解产生大量精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白质。例如胸腺组蛋白、胰腺组蛋白等。 （6）精蛋白：溶于水及稀酸，遇热不凝固，是一种摩尔质量小，主要精氨酸组成的碱性蛋白质。例如鱼精蛋白。 （7）硬蛋白：不溶于溶于稀酸、稀碱和稀盐溶液
10、，但溶于强酸强碱。 3、根据形状不同分类 （1）纤维状蛋白：又称结构蛋白。多呈丝状，多不溶于水，对蛋白质水解酶有较强的抵抗作用。 （2）球状蛋白：呈球状或椭圆形，一般溶于水、稀酸、稀碱稀盐及乙醇溶液。如清蛋白、酪蛋白等。,19,4、根据生理功能不同分类 （1）活性蛋白：具有生理活性。如：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，但本身不具有生物活性的蛋白。如清蛋白、酪蛋白、角蛋白等 5、根据来源不同分类根据生物来源可分为植物蛋白、动物蛋白和微生物蛋白。微生物蛋白是将一些非蛋白物质如烃类、醇类、纤维素类等，经微生物作用转化而成的单株细胞蛋白，这是近十年来新
11、开发的蛋白资源之一。,20,二、蛋白质的结构蛋白质是由许多 - 氨基酸通过肽键连接而成的生物高分子化合物，结构复杂，为研究方便，通常将蛋白质的结构分为四级。 1、蛋白质的一级结构： - 氨基酸按照一定的组成、一定的排列顺序通过肽键连接而成的多肽链称为蛋白质的一级结构。各种蛋白质的生理活性首先是由一级结构决定的，有时改变一个氨基酸或化学键就会引起生理功能的巨大变化。 2、蛋白质的二级结构蛋白质的多肽链借助于氢键进行卷曲、盘旋或折叠，形成特定的空间构象，称为蛋白质的二级结构。蛋白质的二级结构重要有两种形式，即-螺旋和-折叠片层结构。 （1） -螺旋结构 多肽链绕中心轴线呈螺旋上升，每隔3.6个氨基
12、酸残基螺旋上升一圈，每圈绕轴上升0.54nm。螺旋体是通过链内氢键维持其稳定性，氢键的取向几乎与中心轴 平行。 （2） -折叠结构 两条充分伸展的肽链相互平行或一条多肽链回折，通过分子间氢键结合在一起就形成了蛋白质的-折叠结构 。 有平行折叠和反平行折叠两种。,21,22,蛋白质的-螺旋结构,23,蛋白质的-折叠结构,24,3、蛋白质的三级结构蛋白质的多肽链在二级结构的基础上，通过副键（肽键以外的键）进一步盘旋或折叠形成的更复杂的空间构象，称为蛋白质的三级结构。蛋白质的三级结构有纤维状和球状两种。 （1）纤维状蛋白 几条具有-螺旋结构 的肽链借助副键作用互相扭成绳索状，有“螺旋的螺旋”之称。
13、（2）球状蛋白 蛋白质多肽链折叠、卷曲成很不规则，但具有特定结构的球形或椭圆形。 4、蛋白质的四级结构两条或两条以上具有三级结构的肽链以非共价键（如氢键、盐键、分子间作用力等）结合而成特定的空间构象，成为蛋白质的四级结构。其中每一条肽链称为亚基，亚基单独存在并无生物活性，只有聚合成四级结构时才有完整的生物活性。并非所有的蛋白质都有四级结构。,25,三、蛋白质的性质 1、两性性质和等电点由于蛋白质是由氨基酸组成的，因此蛋白质和氨基酸一样具有两性性质和等电点。蛋白质在溶液中存在如下平衡：蛋白质在等电点时溶解度最小，利用此性质，可以分离和纯化蛋白质。,26,2、水解反应蛋白质在酸或碱的催化下可以彻底
14、水解，生成-氨基酸的混合物。若在酶的催化下逐步水解，可以得到示、胨、多肽、等一系列摩尔质量逐渐减小的中间产物。蛋白质示胨多肽二肽 -氨基酸 3、胶体性质蛋白质是生物高分子化合物，分子颗粒的直径在1100nm之间，具有胶体溶液的特性，如布朗运动、丁道尔现象、不能透过半透膜等。,27,4、蛋白质的沉淀在蛋白质溶液中加入适当的试剂，破坏蛋白质的水化膜或中和蛋白质分子表面的电荷，蛋白质就会沉淀下来。蛋白质的沉淀分为可逆沉淀和不可逆沉淀。 （1）可逆沉淀 在蛋白质溶液中加入中性盐，既能中和蛋白质胶粒所带的电荷，又能破坏蛋白质的水化膜，使蛋白质成为裸露的粒子，相互凝聚而沉淀。这个过程叫盐析。若加入大量的水
15、，蛋白质又重新溶解。因此盐析作用是可逆沉淀。可逆沉淀的蛋白质结构基本不发生改变仍保持原来的生理活性。 （2）不可逆沉淀 不可逆沉淀是指沉淀出来的蛋白质分子，内部结构发生了较大的改变，蛋白质已失去其原来的生物活性，即使沉淀因素消失后，沉淀也不会重新溶解。 a 与有机溶剂作用 某些水溶性有机溶剂如乙醇、丙酮等，由于与水有较强的水化作用，能破坏蛋白质表面的水化膜，可使蛋白质沉淀下来。在低温及短时间内，这种沉淀是可逆的。但当作用时间较长或温度较高时，有机溶剂可渗入蛋白质内部破坏其空间结构的副键，形成不可逆沉淀。,28,b与重金属盐作用 重金属盐如汞盐、铅盐、银盐等在碱性溶液中与蛋白质负离子结合形成难溶
16、性盐，可使蛋白质沉淀。这种沉淀不再溶于水，是不可逆沉淀。c与生物碱试剂作用 生物碱试剂多为酸性化合物，如三氯乙酸、苦味酸、鞣酸、磷钨酸等，能与蛋白质正离子结合形成难溶物，也使蛋白质产生不可逆沉淀。,29,5、蛋白质的变性物理因素：干燥、高温、高压、紫外线、超声波、X-射线、剧烈振荡和搅拌等。 化学因素：强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、生物碱试剂、表面活性剂等。注：变性不一定沉淀，沉淀不一定变性，不可逆沉淀一定变性。 6、蛋白质的显色反应(1)、缩二脲反应 蛋白质与硫酸铜的碱性溶液反应，生成紫红色物质，称之为缩二脲反应。凡是分子中含有两个或两个以上肽键的化合物都能发生此反应。( 2)、茚三酮反应
17、 蛋白质和 -氨基酸一样，与茚三酮的稀溶液共热，生成蓝紫色物质，可用来鉴别蛋白质。,30,(3)、黄蛋白反应 含有苯环侧链的蛋白质溶液与浓硝酸反应生成白色沉淀，加热后变为黄色，这一反应称为黄蛋白反应，可用于鉴别含有苯环结构的蛋白质。(4)、米隆反应 蛋白质与米隆试剂（硝酸汞、亚硝酸汞、硝酸和亚硝酸的混合物）作用，生成白色沉淀，加热后变为红色沉淀。含有酚羟基的氨基酸如酪氨酸或含有酪氨酸的蛋白质都有此反应。(5)、胱氨酸反应 若组成蛋白质的氨基酸中含有半胱氨酸等含硫氨基酸，与醋酸铅共热时，产生黑色硫化铅沉淀。此反应可用于检验含硫的氨基酸或蛋白质。第三节 核酸 一、核酸的分类与组成 1.分类生物体内
18、的核酸按其组成不同分为两类：核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。RNA主要存在于细胞质中，其主要功能是控制蛋白质的合成；DNA主要存在于细胞核中，其功能是负责储存和传递遗传信息。,31,2.组成 a、核酸的元素组成 核酸主要由C、H、O、N、P五种元素组成（个别核酸含有微量S），N、P含量较高，分别为15%16%和9%10%。其中P的含量比较稳定，平均含量约为9.5%，即核酸样品中每克磷的存在就相当于样品中含100*9.5=10.5g的核酸，称为核酸系数。 b、核酸的化学组成核酸完全水解生成戊糖、含氮碱及磷酸的混合物。核酸逐步水解的过程如下：不同的核酸所含戊糖和含氮碱不同。两类核酸的基
19、本化学组成见表14-1,32,表14-1两类核酸的化学组成,33,二、核苷核苷是由-D-核糖和-D-2-脱氧核糖与含氮碱脱水缩合而成的-含氮糖苷。戊糖与碱基之间的-糖苷键总是由糖的半缩醛羟基与嘌呤碱中9位或嘧啶碱1位氮原子上的氢脱水缩合而成。核糖中的碳原子的编号都带有“”以区别于碱基中的原子编号。RNA和DNA中的核苷见表14-2和14-3,34,表14-2 RNA中核苷的结构、名称和缩写,35,表14-3 DNA中脱氧核糖核苷的结构、名称和缩写,36,三、单核苷酸作为核酸结构单元的单核苷酸简称核苷酸，是由核苷中戊糖的5位羟基与磷酸脱水形成的磷酸酯。例如：,5-腺苷酸（5-AMP） 5-脱氧胞
20、苷酸（5-dCMP）,37,RNA和DNA的核苷酸单体按对应的核苷各有四种。常见的5 -核苷酸之名称、缩写见表14-4。表14-4 RNA和DNA中的5 -核苷酸单体,此外生物体中还存在多个磷酸的单核苷酸，如腺苷二磷酸（ADP）和腺苷三磷酸（ATP）,38,式中表示高能磷酸键。普通磷酸键PO断裂时放出8.4kJ/ mol能量，而高能磷酸键PO可放出20.5kJ/ mol的能量。当生物代谢时依靠生成这种高能磷酸键来贮存能量，当生命活动中需要能量时，则高能磷酸键断裂，储存的能量被释放出来。,39,四、核酸的一级结构核酸是由许多单核苷酸通过3 -位和5 -位的磷酸二酯键连接而成的多核苷酸链。,40,
21、五、DNA的二级结构（碱基配对）核酸和蛋白质一样，它的结构不仅涉及单核苷酸的碱基排列顺序、种类和数目，也有三维空间的构象问题。1953年华特生（J.D.Watson）和克利格（F.H.C.Crick）根据X射线数据提出了DNA的双螺旋结构模型。其要点如下： （1）DNA分子由两条方向相反（一条链的磷酸二酯键由3 到5 ，另一条则由5倒3 ）的多核苷酸链构成，这两条链按右手螺旋的方式绕同一中心轴盘旋形成双螺旋结构。螺旋的直径为2.0nm。 （2）两条链中的碱基，在双螺旋内侧通过氢键形成碱基对，是两条链稳固并联。AT（U) 、GC互补成对，依次形成三个氢键。双螺旋中两条链彼此称为互补链。碱基互补具有重要的生物学意义。,41,（3）每个碱基对中的两个碱基处于同一平面，此平面与中心轴垂直。碱基平面间距为0.34nm，每十个核苷酸绕螺旋上升一圈，共上升3.4nm，相邻核苷酸夹角36 。整个结构如同一螺旋状楼梯，碱基平面为其梯阶。两个碱基对平面间存在着碱基堆积力，使双螺旋结构更加稳定。碱基配对的结构如图所示：:,42,DNA的双螺旋结构如图所示:,43,DNA双螺旋结构模型完美地解释DNA分子在生物遗传中的作用，自此分子生物学拉开了发展的序幕，核酸成了“生命之本，万物之源”的物质，正是在它的控制之下，生物体内具有各种生理功能的蛋白质才得以有序地合成。,
