第十八章 蛋白质和核酸 学习要求 教学内容： 第一节  氨基酸 第二节  多肽 第三节  蛋白质 第四节  酶 第五节  核酸.

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1 第十八章 蛋白质和核酸 学习要求 教学内容： 第一节  氨基酸 第二节  多肽 第三节  蛋白质 第四节  酶 第五节  核酸

2 学习要求： 1、掌握氨基酸的结构、构型、性质，了解氨基酸的分类和命名。 2、掌握肽的结构和肽键，了解多肽结构的测定和端基分析；
3、了解蛋白质的分类，掌握蛋白质的结构和性质； 4、了解酶的组成及分类，掌握酶催化反应的特异性； 5. 了解构成核酸的单体——核苷酸的结构，掌握核酸的结构和生物功能。

3 第一节 氨基酸 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。 一、氨基酸的分类与命名 1．分类
第一节  氨基酸 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。 一、氨基酸的分类与命名 1．分类 ( 1)按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α-氨基酸。它是构成蛋白质的基本单元。

4 在这20多种α-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：

5 (2)按氨基和羧基的数目可分为：中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸。
1. 中性氨基酸：分子中－NH2和－COOH的数目相等。 2. 碱性氨基酸：分子中－NH2数目 ＞ －COOH数目。 3. 酸性氨基酸：分子中－COOH数目 ＞ －NH2 数目。

6 （3）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 2．命名：根据氨基酸的来源或性质命名。
脂肪族氨基酸，芳香族氨基酸，含杂环氨基　 2．命名：根据氨基酸的来源或性质命名。 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（P、268） 门冬氨酸：Asp（门） 甘氨酸：Gly（甘）

7 二、氨基酸的构型 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。 除甘氨酸外，所有的氨基酸分子的α-碳原子都具手性碳原子。因而都具有旋光性。而且发现主要是L型的（也有D型的，但很少）。

8 三、氨基酸的性质 1．两性（酸碱性） 测得甘氨酸的Ka=1.6×10-10，甘氨酸的Kb=2.5×10-12。 而大多数羧酸Ka约为10-5，大多数脂肪胺的Kb约为10-4。

9 1）形成内盐 2）成盐

10 溶液pH<等电点 等电点(pI) 溶液pH>等电点
3）氨基酸存在形式 氨基酸在溶液中存在下列平衡 在强碱性溶液中以负离子存在。 氨基酸在强酸性溶液中以正离子存在。 两性离子存在。 溶液pH<等电点 等电点(pI) 溶液pH>等电点 4）等电点 若调节溶液的pH值，使－NH2和－COOH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。

11 注意： 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。 中性氨基酸 pI = 4.8-6.3
2°等电点时，偶极离子在水中的溶解度最小，易结晶析出。可用调节氨基酸等电点的方法分离氨基酸的混合物。

12 2、氨基酸的反应 1）、氨基的反应 （1） 氨基酰化 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。

13 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： 氟代二硝基苯在多肽结构分析中用作测定N端的试剂。

14 3）与亚硝酸反应 反应是定量完成的，衡量的放出N2，测定N2的体积便可计算出氨基酸中氨基的含量。

15 2）、羧基的反应 氨基酸分子中羧基的反应主要利用它能成酯、成酐、成酰胺的性质 酰肼 叠氮化合物 叠氮化合物与另一氨基酸酯作用即能缩合成二肽（用此法能合成光学纯度的肽）

16 受热反应

17 3）与茚三酮反应（鉴别α-氨基酸的灵敏方法）
PH5～7 茚三酮 蓝色或紫红色 N-取代的α-氨基酸如脯氨酸， β -氨基酸、γ -氨基酸都不与茚三酮反应 。

18 3、氨基酸的物理和光谱性质 1）．α—氨基酸都是无色结晶。 2）．α—氨基酸溶于水，在等电点时溶解度最小。由于它具两性离子的结构，一般难溶于非极性有机溶剂。 3）．α—氨基酸IR： 1600cm-1处有一羧负离子的吸收带（1720 cm-1没有羧基的典型谱带）。 在 cm-1间有一强而宽的N-H键伸缩吸收带。 2

19 四、氨基酸的制备方法 1．由醛制备 醛在氨存在下加氢氰酸生成α-氨基腈，后者水解生成α-氨基酸。 2．α- 卤代酸的氨化

20 3、Gabrial合成法： 4、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：

21 合成法合成的氨基酸是外消旋体，拆分后才能得到D-和L-氨基酸。

22 第二节 多 肽 一、 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。
第二节 多 肽 一、 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2分子氨基酸缩合而成的肽称为二肽；

23 由3个氨基酸缩合而成的肽称为三肽； 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。 无论肽链有多长，在链的两端，一端有游离的氨基（-NH2），称为N端；链的另一端有游离的羧基（-COOH），称为C端。 C—端：保留游离的羧基；N—端：保留游离的氨基。

24 二、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）。 很多多肽都采用俗名，如催产素、胰岛素等。

25 三、多肽结构的测定和端基分析 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。

26 1、多肽结构的测定主要是作如下工作： ① 了解某一多肽是由哪些氨基酸组成的。 ② 各种氨基酸的相对比例。 ③ 确定各氨基酸的排列顺序。 2、多肽结构测定工作步骤如下： 1）．测定分子量（相对分子质量） 2）．氨基酸的定量分析 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。

27 3．测定N端和C端 1）测定N端（有两种方法） ①2，4—二硝基氟苯法(DNFB—Dintrofluorobenzene法) 此法的缺点是所有的肽键都被水解掉了。

28 ②　异硫氰酸酯法——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。

29 2）测定C端 （1） 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。 （2） 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。

30 4．肽链选择性地裂解并鉴定 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。

31 例：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：

32 F.Sanger及其他工作者花了约10年时间于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、 吉尔伯特共享）。两次获得诺贝尔奖的化学家是很少见的，F.Sanger是一个伟大的化学家。

33 四、多肽的合成 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。 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。

34 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 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。 这是我国于1965年成功合成了世界上第一个具有生物活性的蛋白质—­—牛胰岛素。

35 第三节 蛋 白 质 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 球蛋白。如蛋清蛋白、酪蛋白等。
第三节 蛋 白 质 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 球蛋白。如蛋清蛋白、酪蛋白等。 2．根据蛋白质的化学组成分为： ① 单纯蛋白质（其水解最终产物是α- 氨基酸）。 ② 结合蛋白质（α- 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。

36 3．根据蛋白质的功能分为： （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。

37 二、 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 1）. 氨基酸在蛋白质多肽链中的排列顺序 2）. 肽键是蛋白质一级结构的基本结构键。

38 蛋白质的一级结构的一级结构是最基本的，它包含着蛋白质高级结构的因素。
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α-肽链（各为141肽）和两条β-肽链（各为146肽）四条肽链（共574肽）组成的。 在β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。

39 2．蛋白质的次级结构 ① 氢键 ② 疏水作用 ③ 盐键 ④ 范德华引力

40 3．蛋白质的空间结构 1）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。 （1） α- 螺旋：一条肽链可以通过一个酰胺键中羰基的氧与另一酰胺键中氨基的氢形成氢键而绕成螺旋形结构。 （2）β- 折叠片：由链间的氢键将肽拉在一起形成“片”状的结构。 （3） β- 转角 （4）无规卷曲

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42 （1）. 蛋白质在二级结构形式的基础上进一步盘曲.折叠而形成特定格式的三级结构
2）．蛋白质的三级结构 （1）. 蛋白质在二级结构形式的基础上进一步盘曲.折叠而形成特定格式的三级结构 （2）. 三级结构主要依靠疏水键 共价键（-S-S-） 静电键（盐键） 氢键 憎水基（烃基等） （3）. 具有三级结构的某些蛋白质多肽链即可表现生物学活性 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。

43 3）、蛋白质的四级结构 HbA 辅基 α β 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。

44 P COOH NH 3 + P COO - NH 3 + H + OH - P COO - NH 2 H + OH - 三、蛋白质的理化性质
1、两性和等电点 P COOH NH 3 + P COO - NH 3 + H + OH - P COO - NH 2 H + OH - 阳离子 PH<PI 两性离子 PH=PI 阴离子 PH>PI 蛋白质在等电点时水溶性最小，在电场中既不向阳极移动，也不向阴极

45 2、胶体性质 蛋白质是大分子化合物，分子颗粒的直径在胶粒幅度之内（ μ）呈胶体性质。 ① 蛋白质分子中含有许多亲水基如：-COOH、-NH2、-OH等，它们外在颗粒表面，在水溶液中能与水起水合作用形成水化膜，水化膜的存在增强了蛋白质的稳定性。 ②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。带有同性电荷就与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。

46 3、沉淀 ① 盐析法 可逆沉淀 ② 重金属法 不可逆沉淀 蛋白质与重金属盐作用，则发生不可逆沉淀。 ③ 脱水剂 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。

47 4、变性 1）. 蛋白质在某些理化因素的作用下，共价键不变，其空间结构受到破坏 ，从而改变其理化性质，并失去其生物活性，称为蛋白质的变性。 2）. 变性的实质是破坏了蛋白质 的空间结构，并不引起一级 结构的改变。 变性 恢复

48 变性条件： 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： ① 丧失生物活性 ② 溶解度降低 ③ 易被水解（对水解酶的抵抗力减弱）。

49 变性作用的利用： ① 消毒、杀菌、点豆腐等； ② 排毒（重金属盐中毒的急救）； ③ 肿瘤的治疗（放疗杀死癌细胞）； 变性作用的防治： ① 种子的贮存； ② 人体衰老（缓慢变性）； ③ 防止紫外光灼伤皮肤。

50 5、显色反应 ① 与水合茚三酮反应：呈现蓝紫色（和氨基酸一样）。 ② 缩二脲反应：蛋白质和缩二脲在NaOH溶液中加入CuSO4稀溶液时会呈现红紫色。 ③ 黄蛋白反应 ：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。 ④　米勒反应：蛋白质中酪氨酸的酚羟基遇到硝酸汞的硝酸溶液后变红色。

51 第四节 酶 一、酶的组成 辅酶的种类颇多，按其化学组成可分两类： 1．无机的金属元素，如铜、锌、锰。 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。

52 二、酶蛋白催化反应的特异性 1．具有一般催化剂的共性：催化效率高（比一般催化剂高 倍）。 2．具有化学选择性：能从混合物中挑选特殊的作用物。例如，麦芽糖酶只能使α-葡萄糖苷键断裂，而不能使β-葡萄糖苷键断裂。 3．具有立体化学选择性：辨别对映体，酵母中的酶只能使天然D型糖发酵，而不能使相应的L型糖发酵。 4．一般在温和的条件下进行催化作用：一般是在常温常压和pH 7左右进行的。

53 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 P、291 图20-11） 它是由一个单独多肽链组成的蛋白质。这个多肽链是由241个氨基酸组成的。

54 三、酶的分类和命名 1．按其催化类型可分为六大类： ① 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； ② 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； ③ 水解酶：催化水解反应，如淀粉酶、脂肪酶等； ④ 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，如碳酸酐酶； ⑤ 异构酶：促进异构化反应，如磷酸葡萄糖异构酶； ⑥ 连接酶：促进两分子连接起来，同时使ATP（或其他三磷酸核苷）中的高能键断裂，转变成ADP和无机磷酸盐，或AMP和焦磷酸。如谷氨酰胺合成酶。

55 2．酶的命名有习惯命名和系统命名两种 ① 习惯命名法： 原则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。

56 ② 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。 如： 醇：NAD氧化还原酶

57 第五节 核 酸 核酸是控制生物遗传和支配蛋白质合成的模型。 一、核酸的组成 核酸和蛋白质一样，是由许多核苷酸结合而成的高分子化合物。核苷酸是由磷酸、核糖、及碱基组成的。

58 1、核糖和2-脱氧核糖 2．碱基 嘧啶衍生物：脲嘧啶（U）、胞嘧啶（C）、胸腺嘧啶（T）。 嘌呤衍生物：腺嘌呤（A）和鸟嘌呤（G）。 碱基——RNA中为A、U、C、G； DNA中为A、T、C、G。

59 3．核苷 核苷是核糖的β-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）

60 （2） 2-脱氧核苷——（由DNA水解而得） 4．核苷酸 核糖C5上的羟基与磷酸酯化便得到核苷酸。

61 二、核酸的结构 核酸是核苷酸单体中核糖的3ˊ位羟基和5ˊ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、二级结构和三级结构的问题。 1．核酸的一级结构： 是指核酸中各核苷酸单位的排列次序。

62 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：

63 RNA或DNA中的多核苷酸链，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：
其中R1、R2、R3、R4表示碱基，P表示磷酸基，一竖表示糖分子，2ˊ、3ˊ、5ˊ表示糖中C原子编号。 碱基——RNA中为A、U、C、G； DNA中为A、T、C、G。 RNA 还可以进一步简化成PA-C-G-UP。

64 1．核酸的一级结构： 是指核酸中各核苷酸单位的排列次序。 2．核酸的二级结构 DNA的双螺旋结构

65 碱基配对只能是A与T（RNA中是A与U）配对，G与C配对。
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。 3．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。

66 三、核酸的生物功能 DNA的双螺旋结构学说，可以解释DNA分子本身的复制机制，细胞分裂时DNA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。

67 DNA——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，RNA分为三类： 1．信使核酸（mRNA）——传递DNA的遗传信息，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mRNA传递的指令，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。

68 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，即遗传密码。现在三联密码已全部弄清，变成明码了，见P302表20-4。
在多肽链的合成中，氨基酸是基本原料，mRNA是模板， 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（鸟苷三磷酸）、APT（腺苷三磷酸）供应。