有机化学14氨基酸蛋白质核酸

第十四章氨基酸、蛋白质、核酸第十四章氨基酸、蛋白质、核酸学习要点1.氨基酸的定义、分类、结构、命名和理化性质2.蛋白质的定义、结构和理化性质3.核酸、多肽、酶的定义和结构蛋白质和核酸是最重要的生物大分子。是生命的物质基础核酸由几种基本核苷酸组成，蛋白质由约20种氨基酸组成第三节核酸第一节氨基酸第二节蛋白质一、氨基酸的结构、分类和命名第一节氨基酸或R–CH–COOHNH2R–CH–COO-NH3+-氨基酸内盐或偶极离子1.氨基酸的结构（一）氨基酸的结构和分类氨基酸在自然界中主要以蛋白质或多肽形式存在于动植物体内，α-氨基酸是组成蛋白质的基本单位-氨基酸的构型：除甘氨酸外，其它19种氨基酸-C都为*C，存在一对对映体生物体内具有旋光活性的-氨基酸均是L型COOHH2NHRCOOHNH2HRL-甘油醛（对照标准）CHOHOCH2OHHL-氨基酸D-氨基酸（R表示-氨基酸的侧链）-氨基酸的结构通式COOHH2NHRL-氨基酸COO-H3N+HRS-氨基酸（18种）或COOHHH2NCH2SHR-半胱氨酸一个例外羧酸分子中烃基上的氢原子被氨基取代而生成的化合物称为氨基酸2.氨基酸的分类根据分子中氨基和羧基的相对位置不同，可分为α-氨基酸、β-氨基酸、γ-氨基酸CHNH2CH－COOHCH32NH2CH2CH－COOHNH2CH3CH－COOHα-氨基酸α-氨基酸-氨基酸氨基酸又可根据R基团的结构分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环氨基酸根据分子中所含氨基和羧基的相对数目不同而分为中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸系统命名、俗名、英文三（单）字符号（二）氨基酸的命名把氨基当作取代基，以羧酸做母体，氨基的位置习惯上用希腊字母α、β、γ等表示天然产氨基酸普遍使用习惯命名或俗名，按其来源或性质命名如天冬氨酸源于天门冬植物的幼苗，甘氨酸因具有甜味而得名作为合成蛋白质的原料的20种氨基酸，象元素符号一样，都有国际通用的符号，中文用简称表示存在于蛋白质中的20种常见氨基酸名称（缩写）系统命名三字母单字母结构式pI非极性氨基酸其侧链R无极性，呈中性，具有疏水性，通常分布在蛋白质分子内部，8个甘氨酸（甘）氨基乙酸Gly(G)5.97丙氨酸（丙）-氨基丙酸Ala(A)6.005.98Ile(I)异亮氨酸*（异亮）α-氨基-β-甲基戊酸H3NCH2COO-+CH3CHCOO-NH3+CH3CH2CHCHCOO-CH3NH3+缬氨酸*（缬）α-氨基-β-甲基丁酸Val（V）5.96脯氨酸（脯）-四氢吡咯甲酸Pro（P）6.48苯丙氨酸*（苯丙）-氨基--苯基丙酸Phe（F）5.48蛋(甲硫)氨酸*（蛋,甲硫）-氨基--甲硫基丁酸Met（M）5.74亮氨酸*（亮）α-氨基-γ-甲基戊酸Leu（L）6.02(CH3)2CHCHCOO-NH3+CH2CHCOO-NH3+CH3SCH2CH2CHCOO-NH3+(CH3)2CHCH2CHCOO-NH3+N+COO-H2不带电荷而具极性氨基酸其侧链R（羟基、巯基等）具亲水性，常分布在蛋白质分子外部，7个丝氨酸（丝）-氨基--羟基丙酸Ser(S)5.68谷氨酰胺(谷酰)-氨基戊酰胺酸Gln(Q)5.65苏氨酸*（苏）-氨基--羟基丁酸Thr(T)5.70半胱氨酸（半胱）-氨基--巯基丙酸Cys(C)5.05天冬酰胺（天酰）-氨基丁酰胺酸Asn(N)5.41酪氨酸（酪）-氨基--对羟苯基丙酸Tyr(Y)5.66色氨酸*（色）-氨基--(3-吲哚基)丙酸Try(W)5.80HOCH2CHCOO-NH3+H2NCOCH2CH2CHCOO-NH3+H3CCHCHCOOH-OHNH3+HSCH2CHCOO-NH3+H2NCOCH2CHCOO-NH3+HOCH2CHCOO-NH3+NCH2CHCOO-NH3+H酸性氨基酸其侧链R（羧基等）具亲水性，常分布在蛋白质分子外部，2个天冬氨酸（天）-氨基丁二酸Asp(D)2.77谷氨酸（谷）-氨基戊二酸Glu(E)3.22碱性氨基酸其侧链R（氨基等）具亲水性，常分布在蛋白质分子外部，3个赖氨酸*（赖）α,ω-二氨基已酸Lys(K)9.74精氨酸（精）-氨基--胍基戊酸Arg(R)10.76组氨酸（组）α-氨基-β-(4-咪啶)丙酸His(H)7.59HOOCCH2CHCOO-NH3+HOOCCH2CH2CHCOO-NH3+H3N(CH2)4CHCOO-NH2+H2NCNH(CH2)3CHCOO-NH2NH2+NNCH2CHCOO-NH3+H人体对必需氨基酸的需要量氨基酸婴幼儿（4~6个月）儿童（10~12岁）成人赖氨酸994412色氨酸2143苯丙氨酸1412216甲硫(蛋)氨酸492210苏氨酸68288亮氨酸1354216异亮氨酸832812缬氨酸92254需要量（每日mg/kg体重）氨基酸分子中同时含有碱性的氨基和酸性的羧基，具有酸碱两性（一）氨基酸的两性电离和等电点氨基酸既能与酸，又能与碱反应成盐，分子内碱性基团和酸性基团相互作用也形成盐，这种盐称为内盐二、氨基酸的性质R－CHCOOHR－CHCOONH2NH3+OH-H+H+OH--NH3R-CH-COO+NH3R-CH-COOH+-NH2R-CH-COO在水溶液中的偶极离子,既可以给出H+，使氨基酸带负电荷，以阴离子存在又可以接受H+，使氨基酸带正电荷，以阳离子存在偶极离子两性离子阳离子阴离子在三种离子共同存在的平衡体系中，以哪一种离子为主，取决于氨基酸的结构和溶液的pH通过调节溶液的pH值，使氨基酸的酸性与碱性电离程度相同，此时氨基酸主要以两性离子的形式存在，氨基酸呈电中性。这种使氨基酸处于电中性状态的溶液的pH值称为该氨基酸的等电点，用pI表示OH-H+H+OH--NH3R-CH-COO+NH3R-CH-COOH+偶极离子阳离子阴离子pHpIpH＝pIpHpI向负极移动原点向正极移动-NH2R-CH-COO等电点：结论：当pH=pI时，氨基酸主要以偶极离子存在当pHpI时，氨基酸主要以阴离子存在当pHpI时，氨基酸主要以阳离子存在丙氨酸的等电点pI=6.02pH=6.0pH=9.0溶液PH值主要存在形式电泳方向pH=3.0CH3CHCOOHNH3+CH3CHCOO-NH2阳离子向负极移动阴离子向正极移动偶极离子不移动CH3CHCOO-NH3+CH3CHCOO-NH3+等电点是氨基酸的重要理化常数之一。每种氨基酸都有其特定的等电点酸性氨基酸：pI2.7~3.2（pH＜4）中性氨基酸：pI5.0~6.3（pH＜7）碱性氨基酸：pI7.6~10.8（pH＞7.5）等电点时氨基酸的溶解度最小（二）脱羧反应α-氨基酸与Ba（OH）2共热，即脱去羧基生成伯胺Ba(OH)2NH2R－CHCOOH+CO2RCH2NH2脱羧反应也可因某些细菌的脱羧酶作用而发生例如蛋白质腐败时鸟氨酸转变为腐胺（1，4-丁二胺）。脑内存在的重要神经递质γ－氨基丁酸是由谷氨酸中α-羧基脱羧后转变而成（三）与亚硝酸反应氨基酸中的氨基与亚硝酸作用时，氨基被羟基置换，同时放出氮气。反应可定量完成+HNO2+N2+H2OR－CHCOOHNH2R－CHCOOHOH利用这个反应，由反应所得氮气的体积，可计算出氨基酸和蛋白质分子中氨基的含量，这一方法称为范斯莱克（VanSlyke）氨基测定法（四）与茚三酮的反应α-氨基酸与水合茚三酮溶液共热，生成蓝紫色的化合物，称为罗曼紫，并放出CO2。此反应可用于氨基酸的定性鉴定或定量分析＋H2NCHRCOOH△OOHOH＋CO2↑＋H2O罗曼紫水合茚三酮OOONOO常用于层析实验中氨基酸的显色（五）成肽反应两分子氨基酸受热时，可由一分子的-氨基与另一分子的-羧基脱水缩合形成二肽肽：氨基酸之间通过酰胺键（肽键）相连的化合物肽分子中的酰胺键OH–C—N–二肽H2N–C–CORH–N–C–C–OHOR’HH+H2N–C–C–OHORHH–N–C–C–OHORHH氨基酸氨基酸-H2O肽键称为肽键二肽分子中仍含有自由的氨基和羧基，因此可以继续与氨基酸脱水缩合成三肽、四肽、五肽。由较多的氨基酸按上述方式脱水缩合形成的肽称为多肽,多肽的链状结构称为多肽链氨基末端羧基末端H3N+-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO......NH-CH-COO-R1R2R3R4Rn多肽链氨基酸残基肽键：-CO-NH-氨基酸残基：多肽链中每一个不完整的氨基酸左边的游离-氨基称为氨基末端（或N-端）右边的游离-羧基称为羧基末端（或C-端）H2NHCCH3COOHHNHCH2COOH+-H2OH2NHCCH3CONHCH2COOH丙氨酸甘氨酸丙氨酰甘氨酸(二肽)肽键许多种氨基酸按照不同的排列顺序，构成了自然界中种类繁多的多肽和蛋白质肽的结构不仅与组成肽链的氨基酸种类和数目有关，还与肽链中各氨基酸残基的排列顺序有关第二节蛋白质蛋白质和多肽都是由20种L-α-氨基酸缩合而成的聚酰胺。因此，在小分子多肽和大分子蛋白质之间不存在严格的分界线，通常将分子量较大、结构较复杂的多肽称为蛋白质。蛋白质有稳定的构象人体内约有10万种以上的蛋白质，其质量约占人体干重的45％一、蛋白质的元素组成元素组成：碳50～55％，氢6～7％，氧20～23％，氮15～17％，硫0～4％有些蛋白质还含有微量磷、铁、锌、铜、钼、碘等元素其中氮的含量在各种蛋白质中含量都比较接近，平均为16％只要测出生物样品中的含氮量，就可粗略计算出其蛋白质的含量每1g氮相当于6.25g蛋白质二、蛋白质的结构蛋白质分子在结构上最显著的特点：在天然状态下均具有独特而稳定的构象为了表示蛋白质分子不同层次的结构，常将蛋白质分子结构分为一级、二级、三级和四级。一级结构又称为基本结构（初级结构），二级结构以上属于构象范畴，称为空间结构（高级结构）（一）一级结构指多肽链中氨基酸残基的排列顺序–HN–CH–C–N–CH–C–N–CH–C–N–CH–C–R1OHR2R3R4OOOHH肽键是一级结构中连接氨基酸残基的主要化学键任何特定的蛋白质都有其特定的氨基酸排列顺序，有些蛋白质分子只由一条多肽链组成，有的蛋白质分子则由两条或多条肽链构成作用：降低体内血糖含量用途：在临床上治疗糖尿病人胰岛素分子的一级结构（二）蛋白质的空间结构蛋白质空间结构：指多肽链在空间进一步盘曲折叠形成的构象，它包括二级结构、三级结构和四级结构维护蛋白质构象稳定的次级键（副键）：氢键、二硫键、疏水键、范德华引力、盐键和配位键1.蛋白质二级结构定义：是指多肽链的主链骨架在空间盘曲折叠形成的方式，并不涉及侧链R基团的构象形式：-螺旋、-折叠层、-转角和无规卷曲-螺旋结构-螺旋结构俯视图维系二级结构稳定的主要因素：主链的羰基O和亚氨基H之间所形成的氢键-折叠层构象2.三级结构肌红蛋白的三级结构蛋白质的多肽链在主链借助肽键之间的氢键形成二级结构基础上，其相隔较远的氨基酸残基侧链（R-）之间还可借助于多种副键而进行范围广泛的卷曲、折叠，所形成的特定整体排列称为蛋白质的三级结构3.四级结构•四级结构：由两条或两条以上具有三级结构的多肽链通过疏水作用力、盐键等副键相互缔合而成•亚基：每一条具有三级结构的多肽链。在蛋白质分子中，亚基的立体排布、亚基间相互作用与接触部位的布局称为四级结构血红蛋白四级结构示意图蛋白质的四个结构层次氨基酸回主目录返回二级结构三级结构四级结构一级结构二、蛋白质的性质（一）蛋白质的两性电离和等电点pH＜pIpH=pIpH＞pI带正电电中性带负电负极原点正极蛋白质分子多肽链中总有游离的氨基和羧基存在，因此蛋白质和氨基酸相似，具有两性电离和等电点的性质H+OH-H+OH-PrCOOHNH3+PrCOONH3+-PrCOONH2-（二）蛋白质的胶体性质•蛋白质的分子量：有的可达数千万•水中形成的颗粒直径：1～l00nm，胶体分散系•有胶体溶液的性质：布朗运动、丁达尔效应、不能透过半透膜以及具有吸附性质等•可用半透膜将蛋白质与小分子物质