第16单元氨基酸蛋白质和核酸

引言蛋白质是生物大分子化合物，是生命活动的物质基础。蛋白质水解的最终产物是氨基酸。核酸也是生物大分子化合物，它包含遗传信息，在生物体的生长、繁殖、遗传、变异等一切生命活动中，都起着决定性作用。研究生命活动，必须学习氨基酸、蛋白质和核酸第16单元氨基酸、蛋白质和核酸第16单元氨基酸、蛋白质和核酸第一节氨基酸第二节蛋白质第三节核酸第一节氨基酸一、氨基酸的结构羧酸分子中烃基上的氢原子被氨基（—NH2）取代后生成的化合物，称为氨基酸。氨基酸是蛋白质的基本组成单位，是人体必不可少的物质，在自然界已发现的天然氨基酸有300余种，其中存在于生物体内用于合成蛋白质的仅为20余种。它们在化学结构上的共同特点是氨基连接在α-碳原子上，属α-氨基酸（脯氨酸是α-亚氨基酸）。定义本节仅讨论α-氨基酸，其通式为：第一节氨基酸RCHCOOHNH2式中R代表不同的基团，R不同就形成不同的α-氨基酸。一、氨基酸的结构例如：NHCH2CHNH2COOHCH2CHCOOHNH2CHCOOHCH3NH2α-氨基丙酸-苯基-α-氨基丙酸-3-吲哚-α-氨基丙酸第一节氨基酸一、氨基酸的结构第一节氨基酸1．按氨基酸分子中烃基的种类不同，可分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和杂环氨基酸。分类脂肪族氨基酸CHCOOHCH3NH2α-氨基丙酸CH2CHCOOHNH2-苯基-α-氨基丙酸芳香族氨基酸杂环氨基酸NHCH2CHNH2COOH-3-吲哚-α-氨基丙酸一、氨基酸的结构二、氨基酸的分类第一节氨基酸2．按氨基酸分子中羧基和氨基的数目不同可分为中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸。中性氨基酸：分子中氨基的数目等于羧基的数目。分类酸性氨基酸：分子中氨基的数目少于羧基的数目。碱性氨基酸：分子中氨基的数目多于羧基的数目。CH2COOHNH2第一节氨基酸2．按氨基酸分子中羧基和氨基的数目不同可分为中性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸。甘氨酸（α-氨基乙酸）分类中性氨基酸酸性氨基酸碱性氨基酸CH2CHCOOHNH2HOOC天门冬氨酸（α-氨基丁二酸）CH2CH2CH2CH2CHCOOHNH2NH2赖氨酸（,-二氨基己酸）二、氨基酸的分类第一节氨基酸注意这种分类的“中性”、“碱性”和“酸性”并不是指氨基酸水溶液的pH。中性氨基酸溶于纯水时，由于羧基的电离略大于氨基，因此其水溶液的pH略小于7。二、氨基酸的分类CHCHCOOHNH2CH2CH3CH3CHCHCOOHNH2CH3CH3CH2CHCOOHNH2CHCH3CH3CH3CHCOOHNH2CH2COOHNH2甘氨酸*缬氨酸*异亮氨酸丙氨酸*亮氨酸脂肪族氨基酸——中性氨基酸第一节氨基酸（α-氨基乙酸）（α-氨基丙酸）（α-氨基异戊酸）（α-氨基异己酸）（-甲基-α-氨基戊酸）二、氨基酸的分类脂肪族氨基酸——中性氨基酸第一节氨基酸*苏氨酸丝氨酸半胱氨酸*甲硫氨酸CH2CHCOOHNH2OHCHCHCOOHNH2OHCH3CH2CHCOOHNH2CH2SCH3CH2CHCOOHNH2SH（-羟基-α-氨基丙酸）（-羟基-α-氨基丁酸）（γ-甲硫基-α-氨基丁酸）（-巯基-α-氨基丁酸）二、氨基酸的分类谷氨酸脂肪族氨基酸——酸性氨基酸第一节氨基酸（α-氨基丁二酸）（α-氨基戊二酸）天门冬氨酸CH2CHCOOHNH2HOOCCH2CHCOOHNH2CH2HOOC二、氨基酸的分类脂肪族氨基酸——碱性氨基酸第一节氨基酸精氨酸CH2CHCOOHNH2CH2CH2NHCNH2NHCH2CHCOOHNH2CH2CH2CH2NH2*赖氨酸（,-二氨基己酸）（δ-胍基-α-氨基戊酸）二、氨基酸的分类芳香族氨基酸第一节氨基酸（β-苯基-α-氨基丙酸）*苯丙氨酸酪氨酸CH2CHCOOHNH2CH2CHCOOHNH2OH（β-对羟基-α-氨基丙酸）二、氨基酸的分类杂环氨基酸第一节氨基酸（α-羧基四氢吡咯）（β-５-咪唑-α-氨基丙酸）组氨酸脯氨酸NHCHCOOHNH2CH2NNHCHCOOHNH2CH2NHCOOH*色氨酸（-3-吲哚-α-氨基丙酸）二、氨基酸的分类第一节氨基酸CHCHCOOHNH2CH3CH3缬氨酸CHCHCOOHNH2CH2CH3CH3CH2CHCOOHNH2CHCH3CH3异亮氨酸亮氨酸苏氨酸CHCHCOOHNH2OHCH3赖氨酸甲硫氨酸CH2CHCOOHNH2CH2SCH3苯丙氨酸CH2CHCOOHNH2NHCHCOOHNH2CH2色氨酸CH2NH2CH2CHCOOHNH2)(3此外，缬氨酸等氨基酸在人体内不能合成，只能依靠食物供给，这种氨基酸叫做必需氨基酸。二、氨基酸的分类CH3CHCHCOOHNH2CH3(3-甲基-2-氨基丁酸)(3-苯基-2-氨基丙酸)第一节氨基酸-甲基-α-氨基丁酸-苯基-α-氨基丙酸氨基酸的系统命名法一般以羧酸为母体，氨基为取代基，称为“氨基某酸”。用阿拉伯数字或希腊字母来标明氨基和取代基的位次。CH2CHCOOHNH2三、氨基酸的命名第一节氨基酸氨基酸多按其来源和性质而采用俗名。例如胱氨酸是因它最先来自尿结石而得名；天门冬氨酸最初是从植物天门冬的幼苗中发现；甘氨酸是由于它具有甜味。三、氨基酸的命名四、氨基酸的理化性质（一）氨基酸的物理性质第一节氨基酸α-氨基酸都是无色晶体，熔点一般都较高（常在230~300℃之间），熔融时即分解放出二氧化碳。α-氨基酸都能溶于酸性或碱性溶液中，但难溶于乙醚等有机溶剂。在纯水中各种氨基酸的溶解度差异较大，加乙醇能使许多氨基酸从水溶液中沉淀析出。（二）氨基酸的化学性质第一节氨基酸分析氨基酸分子内既含有氨基又含有羧基，因此它们具有氨基和羧基的典型性质。但是，由于两种官能团在分子内的相互影响，又具有一些特殊的性质。四、氨基酸的理化性质（二）氨基酸的化学性质1．两性电离和等电点RCHCOONH2RCHCOOHNH2H+第一节氨基酸氨基酸分子中的酸性基团羧基，在溶液中能发生酸式电离。四、氨基酸的理化性质电离第一节氨基酸如果向溶液中加入碱，羧基与碱作用生成盐。因此氨基酸在碱性条件下以阴离子存在。RCHCOONaNH2RCHCOOHNH2++NaOHOH2RCHCOONH2+Na+（二）氨基酸的化学性质1．两性电离和等电点四、氨基酸的理化性质第一节氨基酸氨基酸分子中的碱性基团氨基，在溶液中能发生碱式电离。RCHCOOHNH3OH2RCHCOOHNH2++OH（二）氨基酸的化学性质1．两性电离和等电点四、氨基酸的理化性质第一节氨基酸如果向溶液中加入酸，氨基与酸作用生成盐。因此氨基酸在酸性条件下以阳离子存在。RCHCOOHNH3+Cl电离+OH2RCHCOOHNH2+HClRCHCOOHNH3Cl（二）氨基酸的化学性质1．两性电离和等电点四、氨基酸的理化性质RCHCOONH3RCHCOOHNH2第一节氨基酸氨基酸分子中既有氨基又有羧基，是两性化合物，分子内的羧基和氨基相互作用也能生成盐，这种盐称为内盐。内盐分子中既有带正电荷的部分，又有带负电荷的部分，故又称为两性离子。（二）氨基酸的化学性质1．两性电离和等电点四、氨基酸的理化性质第一节氨基酸实验表明，在氨基酸的晶体中，氨基酸是以两性离子存在的。这种特殊的两性离子结构，是氨基酸具有低挥发性、高熔点、可溶于水和难溶于有机溶剂的根本原因。（二）氨基酸的化学性质1．两性电离和等电点四、氨基酸的理化性质氨基酸在水溶液中存在以下平衡：RCHCOONH3RCHCOOHNH3HOHOHHRCHCOONH2阴离子（pHpI）两性离子（pH=pI）阳离子(pHpI）第一节氨基酸（二）氨基酸的化学性质1．两性电离和等电点四、氨基酸的理化性质第一节氨基酸分析从上述电离平衡表达式可以看到，氨基酸在溶液中的带电状态与溶液的pH有关。（二）氨基酸的化学性质1．两性电离和等电点当溶液pH等于某一特定值时，氨基酸主要以两性离子存在，氨基酸所带的正负电荷相等，净电荷等于零，在电场中不泳动，这时溶液的pH称为该氨基酸的等电点，常用pI表示。定义不同的氨基酸，等电点的数值是不同的。四、氨基酸的理化性质第一节氨基酸在pH=pI时，氨基酸分子中的羧基和氨基的电离度是相等的，羧基电离出的H+正好被氨基接收。氨基酸以两性离子存在。原因分析（二）氨基酸的化学性质1．两性电离和等电点加碱，使溶液pHpI时，氨基的电离被抑制，氨基酸主要以阴离子形式存在，在电场中向正极泳动。加酸，使溶液pHpI时，羧基的电离被抑制，氨基酸主要以阳离子形式存在，在电场中向负极泳动。四、氨基酸的理化性质（二）氨基酸的化学性质第一节氨基酸等电点时，氨基酸的溶解度最小，容易析出。利用这一性质，通过调节溶液的pH，使不同的氨基酸在各自的等电点分别结晶析出，达到分离和提纯氨基酸的目的。四、氨基酸的理化性质NH2CHCORNCHHCROOHOH2NH2CHCOHORHNCHHCROOH+氨基酸氨基酸二肽第一节氨基酸两分子α-氨基酸在酸或碱存在下受热，可脱水生成二肽。反应时一个α-氨基酸分子中的羧基和另一α-氨基酸分子中的氨基脱去一分子水。（二）氨基酸的化学性质２．成肽反应四、氨基酸的理化性质CONH第一节氨基酸二肽分子中含有的酰胺键（）叫做肽键。由于二肽分子中仍含有自由的氨基和羧基，因此还可以继续与氨基酸脱水成为三肽、四肽以至多肽。由两个以上α-氨基酸通过肽键相连的化合物称为多肽。（二）氨基酸的化学性质２．成肽反应由多种α-氨基酸分子按不同的排列顺序以肽键相互结合，可以形成成千上万种多肽链，一般将相对分子质量在10000以上的多肽称为蛋白质。四、氨基酸的理化性质OHOHOORCNH2COOH+HOHOO+NH3CO2RCOHH+++HHOOO+NH3+OHOHOOOOOHON3H2OOHOHOORCNH2COOH+HOHOO+NH3CO2RCOHH++NCHRCOOHHH水合茚三酮蓝紫色化合物第一节氨基酸α-氨基酸与水合茚三酮在溶液中共热时，生成蓝紫色化合物。（二）氨基酸的化学性质3．与茚三酮的显色反应四、氨基酸的理化性质第一节氨基酸这个反应非常灵敏，通过比较产物颜色的深浅或测定生成CO2的体积，可定量测定α-氨基酸的含量，是鉴定α-氨基酸最迅速、最简单的方法。（二）氨基酸的化学性质3．与茚三酮的显色反应四、氨基酸的理化性质蛋白质和多肽都是由α–氨基酸脱水缩合而成的，因此，在蛋白质和多肽之间没有严格的界限。通常将相对分子质量在10000以上的称为蛋白质。低于10000的称为多肽。胰岛素相对分子质量在6000，应是多肽，但在溶液中受锌离子作用形成二聚体，因此相对分子质量超过10000，被认为是最小的蛋白质。第二节蛋白质一、蛋白质的元素组成C：50%~55%N：13%~19%H：6.0%~7.3%O：19%~24%S：0%~4%第二节蛋白质天然的蛋白质结构复杂、种类繁多，但组成蛋白质的元素并不多，主要由碳、氢、氧、氮、硫等元素组成。有些蛋白质还含有铁、碘、磷、锰、锌等元素。对各种天然蛋白质经过元素分析，得出主要元素含量为：一、蛋白质的元素组成样品中蛋白质质量=样品中含氮质量6.25第二节蛋白质生物体内的蛋白质含氮量相当接近，平均约为16%，即每含1克氮大约相当于6.25克蛋白质，因此，将6.25称为蛋白质系数。通过生物样品含氮量的测定，就可以推算出该样品中蛋白质的含量。二、蛋白质的结构第二节蛋白质各种蛋白质的特定结构，决定了各种蛋白质的特定的生理功能。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。（一）蛋白质的一级结构CONCHRCNHCHHOR′蛋白质的一级结构第二节蛋白质多肽链中氨基酸的排列顺序称为蛋白质的一级结构。肽键是构成蛋白质的主键。二、蛋白质的结构肽键肽键第二节蛋白质目前只有少数蛋白质分子中的氨基酸排列顺序已经十分清楚。例如人胰岛素由AB两条肽链构成，它们之间通过二硫键构成胰岛素分子。其中A链有21个氨基酸；B链有30个氨基酸。蛋白质中氨基酸的排列顺序十分重要，它对整个蛋白质的功能起决定作用。（一）蛋白