第二十章蛋白质和核酸

第二十章蛋白质和核酸一、计划课时数6课时二、学习要求：1．掌握α-氨基酸的结构、两性、等电点、主要化学性质及制法。2．了解肽的命名、结构和多肽结构的测定方法。3．掌握蛋白质的性质，了解蛋白质复杂结构及在构成生命体上的作用。4．了解酶的组成及酶催化反应的特异性。5．了解核酸（RNA和DNA）的组成、结构及核酸的生物功能。蛋白质和核酸都是天然高分子化合物，是生命物质的基础。我们知道，生命活动的基本特征就是蛋白质的不断自我更新。蛋白质是一切活细胞的组织物质，也是酶、抗体和许多激素中的主要物质。所有蛋白质都是α-由氨基酸构成的，因此，α-由氨基酸是建筑蛋白质的砖石。要讨论蛋白质的结构和性质，首先要研究α-由氨基酸的化学。第一节氨基酸一、氨基酸的结构、命名和分类组成蛋白质的氨基酸（天然产氨基酸）都是α-氨基酸，即在α-碳原子上有一个氨基，可用下式表示：天然产的各种不同的α-由氨基酸只R不同而已。氨基酸目前已知的已超过100种以上，但在生物体内作为合成蛋白质的原料只有二十种（见P616表20-1）。1．分类：按烃基类型可分为脂肪族氨基酸，芳香族氨基酸，含杂环氨基酸。按分子中氨基和羧基的数目分为中性氨基酸，酸性氨基酸，碱性氨基酸。2．命名：多按其来源或性质而命名。国际上有通用的符号（见P616表20-1）。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。例如：D-氨基酸L-氨基酸天然氨基酸（出甘氨酸外）其他所有α-碳原子都是手性的，都有旋光性，而且发现主要是L型的（也有D型的，但很少）。三、氨基酸的性质RCNH2HCOOHHCNH2COOHRCHCOOHRNH21．氨基酸的酸-碱性氨基酸分子中的氨基是碱性的，而羧基是酸性的，因而氨基酸既能与酸反应，也能与碱反应，是一个两性化合物。（1）两性氨基酸在一般情况下不是以游离的羧基或氨基存在的，而是两性电离，在固态或水溶液中形成内盐。（2）等电点在氨基酸水溶液中加入酸或碱，至使羧基和氨基的离子化程度相等（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。RCHCOOHNH2RCHCOONH2RCHCOOHNH3OHHRCHCOOHNH2RCHCOONH3RCHCOOHNH3RCHCOONH3RCHCOONH2RCHCOOHNH2OHHOHH溶液pH等电点等电点(pI)溶液pH等电点注：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酸性氨基酸pI=2.7~3.2碱性氨基酸pI=7.6~10.82°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。R'COClNH2CHRCOOHR'CNHOCHRCOOH++HClNH2CHRCOOHCNHOCHRCOOH+CH2OCClOCH2O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：氟代二硝基苯在多肽结构分析中用作测定N端的试剂。（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只氨基的含量。（4）与茚三酮反应α-氨基酸在碱性溶液中与茚三酮作用，生成显蓝色或紫红色的有色物质，是鉴别α-氨基酸的灵敏的方法。NH2CHRCOOHNHCHRCOOH+NO2NO2FNO2NO2CHRCOOH+HNO2CHRCOOHNH2OHN2H2O++3．氨基酸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。这里值得特别提出的是将氨基酸转化为叠氮化合物的方法（氨基酸酯与肼作用生成酰肼，酰肼与亚硝酸作用则生成叠氮化合物）。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）P618。四、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。氨基酸的合成方法主要有三种：1．由醛或酮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。例如：CCCOOOCCCOOOHOHH2O茚三酮水合茚三酮CCCOOOHOHRCHCOOHNH2CCCOOCCCONHO++RCHOCOH2O3C6H5CH2CHONH3,HCNC6H5CH2CHCNNaOH,H2OH3O(1)(2)NH2C6H5CH2CHCO2NH3苯丙氨酸74%2．α-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。3．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：RCHCOOH+NH3XRCHCOOH+HXNH2CNHOOXCHRCOOR'CNOOCHRCOOR'+H3OCOOHCOOHCHRCOOHNH2+R'OH+CH2COOC2H5COOC2H5Br2CCl4CHCOOC2H5COOC2H5BrCNKCOOCNCOOCHCOOC2H5COOC2H5D，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年才得以实现用糖类（淀粉）发酵生产谷氨酸。第二节多肽一、多肽的组成和命名C2H5ONaPhCH2Br(1)(2)CNCOOCCOOC2H5COOC2H5CH2PhH3OCO2(1)(2)CNCOOCHCH2PhCOOHNH2NH2CCOOCHCH2PhCOOHNH2NHNH+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α-氨基酸缩合而成的肽称为n肽，由多个α-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（-NH2），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NH2CHRCOOHNH2CHR'COOH+-H2ONH2CHRCONHCHR'COOH肽键NH2CHRCONHCHR'CONHCHR''COOHnCN端端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。二、多肽结构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。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NH2CHCH3CONHCONHCHCH2C6H5COOHCHCH2OH丙氨酰丝氨酰苯丙氨酸（丙丝苯丙）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）a2,4-=硝基氟苯法——桑格尔(Sanger-英国人)法2,4-=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。HClH2O多肽氨基酸层析法分离各种氨基酸各种氨基酸的含量O2NFH2NCHRCONHCHR'CONH………+O2NHNCHRCONHCHR'CONH…NO2NO2Na2CO3HClO2NHNCHRCOOHNO2CHR'COOH+H2N+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。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C6H5N=C=SNH2CHCONHR多肽+C6H5NHC多肽SNHCHRCONHpH7pH7CNCCHHNC6H5ORS+多肽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。P623~625。例2：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：丙脯苯丙酪赖丝缬亮三肽四肽糜蛋白酶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，所以说，F.Sanger是一个伟大的化学家。三、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-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。我们把保护-NH2称为代帽子，保护羧基称为穿靴子。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（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1.2~70%西德…………7月………………羊………………，…………0.5~10%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。几种哺乳动物胰岛素的氨基酸顺序的差异A链B链891030人苏丝异亮苏猪………丙牛丙…缬…马…甘……羊…………第三节蛋白质分子量在1000以上，构型复杂的多肽称为蛋白质一、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）球状蛋白质如蛋清蛋白、酪蛋白、血红蛋白、γ-球代表蛋白（感冒抗体）等。2．根据组成分：（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。3．根据蛋白质的功能分；（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