普通化学课件第8章

首页上一页下一页末页1第8章生物大分子基础首页上一页下一页末页2（1）了解氨基酸、多肽、蛋白质的结构和相互关系。本章学习要求（3）了解核糖核苷酸、DNA和RNA的组成与结构。（4）了解基因和基因工程。（5）了解糖类的化学组成与结构。（2）初步掌握手性化合物构型的R,S标记法则。首页上一页下一页末页38.1氨基酸、多肽和蛋白质8.2核苷酸、DNA、RNA和基因工程8.3糖类目录首页上一页下一页末页4糖蛋白质核酸氨基酸8.1氨基酸、蛋白质和酶首页上一页下一页末页5氨基酸是蛋白质水解的最终产物。由蛋白质水解得到的氨基酸有20种。蛋白质水解得到的氨基酸都是属于α-氨基酸，可用如下通式表示：不同的氨基酸仅仅是R基团部分有所不同。CRCOOHHNH2α8.1.1氨基酸首页上一页下一页末页6序号中文名称英文缩写结构式1甘氨酸Gly(G)2丙氨酸Ala(A)3丝氨酸Ser(S)4半胱氨酸Cys(C)5苏氨酸*Thr(T)表8.120种天然氨基酸的名称和结构CH3CHCOOHNH2H-CHCOOHNH2HOCH2CHCOOHNH2HOCH-CHCOOHNH2CH3HSCH2CHCOOHNH2首页上一页下一页末页76缬氨酸*Val(V)7亮氨酸*Leu(L)8异亮氨酸*Ile(I)9甲硫氨酸(蛋氨酸)*Met(M)10苯丙氨酸*Phe(F)CH3CH-CHCOOHNH2CH3CH3CHCH2CHCOOHNH2CH3CH3CH2CH-CHCOOHNH2CH3NH2CH2CHCOOHCH3SCH2CH2CHCOOHNH220种天然氨基酸（续）序号中文名称英文缩写结构式首页上一页下一页末页811色氨酸*Trp(W)12酪氨酸Tyr(Y)13天冬氨酸Asp(D)14天冬酰胺Asn(N)15谷氨酸Glu(E)20种天然氨基酸（续）H2NCOCH2CHCOOHNH2NH2HOCH2CHCOOHNH2HNCH2CHCOOHHOOCCH2CH2CHCOOHNH2HOOCCH2CHCOOHNH2序号中文名称英文缩写结构式首页上一页下一页末页916天冬氨酸Asp(D)17赖氨酸*Lys(K)18精氨酸*Arg(R)19组氨酸*His(H)20脯氨酸PrO(P)20种天然氨基酸（续）H2NCOCH2CH2CHCOOHNH2H2NCH2(CH2)3CHCOOHNH2H2NCNH(CH2)3CHCOOHNH2NHNH2CH2CHCOOHHNNNCOOHH序号中文名称英文缩写结构式首页上一页下一页末页10答：表中带*者为人体必需氨基酸，儿童有10种，成人则为前8种。氨基酸特性：无色晶体，熔点较高（一般200℃）不溶于有机溶剂，易溶于水具有两性思考：什么是必需氨基酸？答：必需氨基酸是人体所必需但自身不能制造的氨基酸，它们必须从食物中摄取。思考：20种氨基酸都是人体必需氨基酸吗？首页上一页下一页末页11除甘氨酸外，其余19种氨基酸的α-碳原子都与4个不相同的基团相连。这种结构的的化合物在空间有两种不同的排布：这两种不同排布的化合物不能重叠，它们之间的关系就像实物和镜像、左手和右手的关系：CHH2NHOOCRCCOOHNH2HR氨基酸的手性首页上一页下一页末页12☆这种由于基团在空间的排列方式不同引起的异构称为构型异构。☆这种与4个不同基团相连的碳原子称为不对称碳原子，通常用*C表示：CRCOOHHNH2CCOOHNH2HR**☆这种实物和镜像不能重叠的分子称为手性分子或不对称分子，两者称为一对对映体，其中一个为R-型，另一个为S-型。首页上一页下一页末页13abcda,b,c顺时针排列，手性碳原子构型为Ra,b,c逆时针排列，手性碳原子构型为SR,S标记法acbdabcd首页上一页下一页末页14肽是氨基酸分子间通过肽键相连的一类化合物。由二个氨基酸缩合而成的叫二肽，由三个氨基酸缩合而成的叫三肽，由较多的氨基酸缩合而成的叫多肽。二肽8.1.2多肽H2NCHCOOH+H2NCHCOOHRRH2NCHRCHCOOHR+H2OCNOH肽键CNHOCNOHCNHOCNOHCNHOCNOHCNHOCNOHCNHO首页上一页下一页末页15多肽链可简单表示如下：R1R2H2NCHCONHCHCONHCHCONHCHCONHCHCOOHR3R4Rn氨基酸残基N端C端一种广泛存在于动植物细胞中的重要三肽，是由谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸组成。它的结构式为：H2NCHCH2CH2CONHCHCONHCHCOOHCOOHCH2SHH命名γ-谷氨酰半胱氨酰甘氨酸简称谷胱甘肽首页上一页下一页末页16肽键的结构CHONCCααCONCαCNCαRHRRRHHH首页上一页下一页末页17蛋白质是生物体内一类极为重要的功能大分子化合物。从最简单的病毒、细菌等微生物到高等动物，一切生命过程和繁衍活动都与蛋白质密切相关，可以说没有蛋白质就没有生命。蛋白质种类繁多，结构十分复杂，估计在人体内有几十万种以上的蛋白质。8.1.3蛋白质首页上一页下一页末页18为了表示其不同层次的结构，常将蛋白质结构分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。但小分子蛋白质与大分子多肽之间不存在绝对严格的分界线。现在还认为多肽一般没有严密并相对稳定的空间结构，即其空间结构比较易变，具有可塑性；而蛋白质分子具有相对严密，比较稳定的空间结构，这也是蛋白质发挥生物功能的基础，因此一般将胰岛素（牛胰岛素相对分子质量为5733）划归为蛋白质。蛋白质与多肽均是氨基酸的多聚物，通常将相对分子质量在10000以上的称为蛋白质，10000以下的称为多肽。首页上一页下一页末页19蛋白质分子的一级结构是指多肽链中氨基酸残基的连接方式和排列顺序。不同的蛋白质，一级结构不同。蛋白质的一级结构是由基因上的遗传密码的排列顺序决定的。一级结构最为重要，它包含着决定蛋白质空间结构的基本因素，也是蛋白质生物功能的多样性和种属特异性的结构基础。1.蛋白质的一级结构首页上一页下一页末页20123456789101112131415161718192021精-甘-苯丙-苯丙-酪-苏-脯-赖-丙123456789101112131415161718192021222324252627282930NH2NH2H2NH2NNH2NH2SSS苯丙-缬-天-谷-组-亮-半胱-甘-丝-组-亮-缬-谷-丙-亮-酪-亮-缬-半胱-甘-谷-SS甘-异亮-缬-谷-谷-半胱-半胱-丙-丝-缬-半胱-丝-亮-酪-谷-亮-谷-天-酪-半胱-天SA´B´A链含有11种共21个氨基酸残基，N-端为甘氨酸，C-端为天冬酰胺，A链本身的6位和11位上的二个半胱氨酸通过二硫键相连成环；B链含16种共30个氨基酸残基，其N-端为苯丙氨酸，C-端为丙氨酸。牛胰岛素的一级结构示意图（牛胰岛素由两条肽链共51个氨基酸残基组成）首页上一页下一页末页211965年我国科学工作者在世界上首次用人工方法合成具有全部生物活性的结晶牛胰岛素。蛋白质的人工合成不仅在理论上有重大意义，而且为合成比天然产物更有效的多肽抗生素、激素等药物开辟了广阔前景。首页上一页下一页末页22蛋白质的空间结构又叫蛋白质的构象、高级结构、立体结构、三维结构等，指的是蛋白质分子中所有原子在三维空间中的排布。维持蛋白质分子构象的作用力有：氢键、盐键、疏水键、范德华力和二硫键等。蛋白质的高级结构主要包括蛋白质的二级结构、三级结构和四级结构。最早研究蛋白质空间结构的20世纪最伟大的化学家L.Pauling，在20世纪30年代就开始应用X-衍射方法来研究蛋白质晶体结构。1951年首先提出了蛋白质的立体结构模型：α-螺旋和β-折叠。2.蛋白质的高级结构首页上一页下一页末页23a．氢键；b．盐键；c．疏水键；d．二硫健附图8.1维持蛋白质分子构象的各种作用力首页上一页下一页末页24蛋白质的二级结构是指多肽链的主链骨架中若干肽段在空间的伸展方式。维系主链构象稳定的最主要因素是主链的羰基和亚氨基之间所形成的氢键：蛋白质的二级结构最重要的是α-螺旋和β-折叠，还有β-转角和无规卷曲等。NHOC（1）蛋白质的二级结构首页上一页下一页末页25在α-螺旋结构中，多肽链中各肽键平面通过α-碳原子的旋转，围绕中心轴形成一种紧密螺旋盘曲构象。绝大多数蛋白质分子中所存在的α-螺旋几乎都是右手螺旋。α-螺旋结构首页上一页下一页末页26α-螺旋其结构特点如下：肽链呈螺旋上升，每相隔3.6个氨基酸残基上升1圈，每个氨基酸残基绕轴旋转100°，沿轴向升高0.15nm，故螺距约为0.54nm；首页上一页下一页末页27螺旋间靠氢键维系，氢键是由同一条主链上一个氨基酸残基中的C=O氧与后面第四个氨基酸残基中的N-H氢形成，方向与螺旋轴大致平行，由于每个肽键中的C=O和N-H都参与形成链内氢键、故保持了α-螺旋的最大稳定性。首页上一页下一页末页28附图8.2α-螺旋的四种表示方法首页上一页下一页末页29β-折叠：一般有两条以上的肽链或一条肽链内的若干肽段共同参与形成，它们平行排列，并在两条肽链或一条肽链内的两个肽段之间以氢键维系而成。β-折叠结构首页上一页下一页末页30纤维状蛋白质一般只有一类二级结构构象单元，而球状蛋白质可能在同一分子内有几类二级结构构象单元。蛋白质的三级结构是指蛋白质（主要指球状蛋白）分子在二级结构的基础上依靠非共价键力进一步卷曲、折叠而构成的一种不规则的、特定的、更复杂的空间结构。β-转角β-折叠α-螺旋无规卷曲(2)蛋白质的三级结构首页上一页下一页末页31图8.2肌红蛋白的三级结构（抹香鲸肌红蛋白的三级结构）存在于哺乳动物（鲸、海狗和海豚）肌肉中的肌红蛋白是一种较小的球状蛋白，它是由一条含153个氨基酸残基组成的多肽链。主链中75％绕曲成8段比较直的α-螺旋。首页上一页下一页末页321971年我国科学工作者全部完成了0.25nm分辨率的猪胰岛素晶体结构的测定工作。1974年又完成了分辨率为0.18nm的胰岛素晶体结构的分析工作。附图8.3我国测定绘制的猪胰岛素空间结构示意图猪胰岛素结构首页上一页下一页末页33蛋白质的四级结构中的每一个具有三级结构的多肽链称为亚基（或亚单位）。一般亚基多为偶数，较小的蛋白质亚基数一般为2～10个，多的可达上千个。血红蛋白有两条α-链、两条β-链，α-链含141个氨基酸残基，β-链含146个氨基酸残基（共4个亚基、近于一个直径为5.5nm的球体）。很多蛋白质是以三级结构的球状蛋白质的聚集体形式存在的。这种由球状蛋白质通过非共价键彼此结合在一起的聚集体称为蛋白质的四级结构。溶菌酶、肌红蛋白等无四级结构。(3)蛋白质的四级结构首页上一页下一页末页34附图8.4血红蛋白的四级结构首页上一页下一页末页35RNA主要存在于细胞质中，线粒体含量最多，RNA参与体内蛋白质的合成。核酸是一类具有非常重要生物功能和生理活性的大分子化合物，存在于所有的生物体内，它储存着生物体内的遗传信息，与生物的遗传、繁衍、变异等各过程有着密切的联系。DNA主要存在于细胞核内的染色体中，是生物遗传的物质基础。核酸核糖核酸(RNA)脱氧核糖核酸(DNA)核蛋白体RNA（rRNA）信使RNA（mRNA）转运RNA（tRNA）8.2核苷酸、DNA/RNA和基因工程首页上一页下一页末页36核酸嘌呤碱嘧啶碱脱氧核糖核糖有机碱戊糖核苷酸水解核苷磷酸水解8.2.1核酸的组成首页上一页下一页末页37OOHOHHOH2CHOH2COOHOHOHCH3HHHNNOONNNH2ONNNNOH2NNNNNNH2HHHNNNNOH2NNNNNNH2HHHNNNH2ONNOOHHH含氮有机碱核酸组成酸H3PO4H3PO4嘌呤碱嘧啶碱D-2-脱氧核糖D-核糖腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)胞嘧啶(C)尿嘧啶(U)胞嘧啶(C)胸腺嘧啶(T)腺嘌呤(A)鸟嘌呤(G)DNARNA戊醛糖DNA和RNA的组成单元首页上一页下一页末页38核苷酸是核苷中戊糖的3’-位或5’-位羟基与磷酸脱水而形成的核苷磷酸酯，它是核酸的基本组成单位。5´-腺嘌呤核苷酸3´-胞嘧啶脱氧核苷酸5´-腺苷酸3´-脱氧胞苷酸5´–AMP3´