蛋白質和核酸

1、第十四章蛋白質和核酸一、學習要求1 .掌握氨基酸的分類、結構、命名和中、英文縮寫。2 .掌握氨基酸的構型和化學性質。3 .掌握肽的結構和命名，肽分子中C端和N一端的分析方法。4 .了解蛋白質的組成元素，熟悉蛋白質的一級結構及空間結構，掌握蛋白質的化學性質。5 .熟悉核酸的分類、基本結構，掌握核酸分子的堿基及其配對規(guī)律二、本章要點(一)氨基酸1 .氨基酸的結構氨基酸是分子中含有氨基和竣基的化合物。組成蛋白質的氨基酸有20種，均為a-氨基酸L-構型，除甘氨酸外，都是手性分子，除半胱氨酸為R-構型外，其余均為S-構型。2 .氨基酸的分類根據(jù)爆基的不同可把氨基酸分為脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸和雜環(huán)氨基

2、酸；根據(jù)分子中氨基和竣基的數(shù)目，還可將氨基酸分為中性氨基酸、酸性氨基酸和堿性氨基酸。3 .氨基酸的命名天然氨基酸常使用俗名，也可用中文名稱、英文縮寫和單字符號來表示。在氨基酸的系統(tǒng)名命法中，是以竣酸為母體，將氨基作為取代基而稱為“氨基某酸”，氨基的位次用希臘字母a、B、丫等表示。4 .氨基酸的性質(1)物理性質：a-氨基酸為無色晶體，熔點較高(200300C),在熔化時分解放出二氧化碳。溶解于水，而難溶于乙醇、酸、苯等有機溶劑中。除甘氨酸外，均有旋光性。(2)氨基酸的化學性質1） .兩性電離和等電點：氨基酸分子是兩性化合物；與酸、堿可反應生成鹽；本身還可生成內(nèi)鹽。氨基酸晶體溶解于純水中時，可發(fā)

3、生酸式電離和堿式電離。中性、酸性氨基酸在純水中帶凈負電荷，水溶液顯酸性，堿性氨基酸在純水中，其水溶液呈堿性，氨基酸本身帶凈正電荷。氨基酸凈電荷為零時溶液的pH值稱為氨基酸的等電點（isoelectricpoint）pH值的關系可表示如下：用pl表示。氨基酸的存在形式與溶液RCHCOONH2負離子H+RCHCOO-H+NH-OH+3OH-兩性離子RCHCOOHNH3+正離子pH>pIpH=pIpH<pI等電點時，氨基酸的溶解度最小，可從水溶液中析出，所以可以利用等電點分離提純氨基酸。2） .顯色反應：認-氨基酸與水合苗三酮在水溶液中加熱反應能形成藍紫色化合物，可用于a-氨基酸的定量和

4、定性分析。3） .與HNO2反應：a-氨基酸與亞硝酸作用時定量放出氮氣,該反應可測定氨基酸、蛋白質及肽分子中的自由氨基。4） .脫竣反應：氨基酸在脫竣酶或與氫氧化鋼共熱可發(fā)生脫竣反應，生成少一個碳原子的伯胺。5） .成肽反應：當兩分子口-氨基酸受熱時，氨基和叛基之間交叉脫水，生成環(huán)狀的交酰胺（二酮此嗪），二酮此嗪在濃鹽酸的作用下，可以水解斷開一個酰胺鍵生成二肽。（二）肽1 .肽的結構和命名由氨基酸殘基通過肽鍵（酰胺鍵）連接而形成的化合物叫做肽。由多個氨基酸形成的肽稱為多肽。肽的命名是從N-端開始，由左至右依次將每一個氨酸殘基寫成“某氨酰"，處于C-端的最后一個氨基酸為母體稱為某氨酸。

5、肽的名稱也常用中文或英文的縮寫符號來表示，符號之間用短線隔開：丙氨酰甘氨酰絲氨酸（丙甘氨絲肽）丙-甘-絲或Ala-Gly-Ser。2 .肽鏈結構測定可配合使用端基分析（N-端分析、C-端分析）和部分水解的方法來加以確定。3 .活性肽在生物體內(nèi)有著重要的功能的游離肽，如：丫-谷胱甘肽、催產(chǎn)素和加壓素、神經(jīng)肽等。（三）蛋白質1.蛋白質的元素組成和分類(1)元素組成：天然蛋白質均含有碳(50-55%)、氫(6.7-7.3%)、氧(19-24%)、氮(13-19%)，硫(0-4%)等元素。止匕外，蛋白質中還含有磷、碘、鐵、鎰、銅、鋅等元素。生物樣品中1克氮相當于6.25克蛋白質。(2)分類：蛋白質按分

6、子形狀可分為球狀蛋白質和纖維狀蛋白；按分子組成可分為單純蛋白和結合蛋白質；按功能可分為活性蛋白質和結構蛋白質。2 .蛋白質的結構(1)蛋白質的一級結構：蛋白質的一級結構是指多肽鏈中氨基酸殘基的排列順序及其連接方式。肽鍵是一級結構中連接氨基酸殘基的化學鍵。(2)蛋白質的二級結構：蛋白質的二級結構是指肽鏈按一定的方式折疊、盤曲形成的空間構象，氫鍵是主要的副鍵，蛋白質的二級結構主要有a-螺旋、3 -折疊、(3-轉角和無規(guī)則卷曲等。(3)蛋白質的三級結構：具有二級結構的蛋白質，可以進一步按一定方式折疊、盤曲形成更復雜的三維空間排布，即形成蛋白質的三級結構。維持三級結構的力來自氨基酸側鏈之間的相互作用。

7、主要包括鹽鍵、二硫鍵、氫鍵、配位鍵、酯鍵、疏水基之間的親和力(疏水鍵)和vanderwaals力等。這些作用總稱為副鍵。(4)蛋白質的四級結構是由兩條以上具有三級結構的多肽鏈組成的更大、更復雜的分子。每一條三級結構多肽鏈稱為一個亞基，幾個亞基通過氫鍵、疏水鍵或靜電吸引締合而構成一定的空間結構。亞基的種類、數(shù)目和空間排列都有特定的模式。3.蛋白質的化學性質(1)膠體性質：蛋白質是高分子化合物，相對分子質量可高達幾千萬，其35分子顆粒的直徑一般在10pm10pm之間，屬于膠體粒子，呈現(xiàn)膠體的性質：電泳擴散速度慢，不能透過半透膜。(2)兩性電離和等電點：在蛋白質分子中，肽鏈的側鏈中含有未結合的堿性基

8、團(如氨基、呱基、咪口坐基)和酸性基團(陵基、酚羥基、琉基),因而蛋白質和氨基酸一樣是兩性化合物，也有等電點。COOHCOO一+COOH/»/H/Pr、Pr12PrOH'+OH-、NH2NH3NH3+蛋白質負離子蛋白質兩性離子蛋白質正離子pH>pIpH=pIpH<pI(3)蛋白質的沉淀：蛋白質分子在溶液中發(fā)生凝聚，并從溶液中析出的現(xiàn)象稱為蛋白質的沉淀。常用的方法有：鹽析、加脫水劑、加入某些重金屬鹽和有機酸等。(4)蛋白質的變性：蛋白質在某些物理因素或化學因素的作用下，蛋白質的性質發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為蛋白質的變性。性質改變后的蛋白質稱為變性蛋白質。引起蛋白質變性的物理

9、因素有：加熱、加壓、激烈的攪拌或振蕩、紫外線和超聲波等?；瘜W因素有：強酸、強堿、尿素、重金屬鹽、有機溶劑、生物堿試劑和表面活性劑等。變性有可逆變性和不可逆變性兩種。(5)蛋白質的顯色反應1) .縮二月尿反應(biurereaction):蛋白質分子中含有許多肽鍵，因此所有的蛋白質均可與稀硫酸銅堿性溶液反應，呈紫色或紫紅色。2) .苗三酮反應(ninhydrinreaction):蛋白質與水合苗三酮共熱呈現(xiàn)藍紫色。曲三酮作為顯色劑常用紙層析和電泳法中分離和鑒定蛋白質、多肽和氨基酸。(四)核酸1.組成核酸是由許多核甘酸結合而成的高分子化合物。核酸在酸、堿或前催化下水解的產(chǎn)物如下：I喋吟堿Y堿基:I

10、喀咤堿核昔<r核糖水解水解核酸*核甘酸戊糖<II脫氧核糖“磷酸2,核酸的分類核酸包括脫氧核糖核酸(DNA)和核糖核酸(RNA:rRNA、mRNA和tRNA)。3,核昔和核甘酸的結構及命名(1)核甘：核核甘是由堿基中喋吟堿9位氮上的氫或喀陡堿1位氮上的氫與戊糖1'位上的羥基失水所生成的,N-甘。為區(qū)別糖與堿基中原子的編號，規(guī)定糖中原子編號1'、2'、3'?。核昔是按組成的堿基與戊糖來命名的(2)核甘酸：核甘酸是核昔3位或5位的羥基和磷酸所生成的酯。自然界中存在的核甘酸主要是5'-磷酸酯。組成DNA的核甘酸主要有四種：脫氧腺普酸(dAMP)、脫氧

11、鳥甘酸(dGMP)、脫氧胞甘酸(dCMP)和脫氧胸甘酸(dTMP)。組成RNA的核昔主要也有四種：腺甘酸(AMP)、鳥甘酸(GMP)、胞甘酸(CMP)和尿甘酸(UMP)o核甘酸命名時，除將戊糖和堿基部分注明外，還要指出磷酸酯鍵所連接的位置。4,核酸的結構(1)一級結構：核酸的一級結構指的是核酸中各核甘酸的排列順序。核酸的一級結構常采用速記法、字符式和線條式表明其結構。(2)二級結構：DNA具有雙螺旋結構，即DNA分子是由兩條方向相反的平行多核甘酸鏈構成的；兩條鏈上的堿基在螺旋的內(nèi)側，戊糖和磷酸連接成的主鏈在外側，兩條鏈由堿基間的氫鍵相連；兩條核甘酸鏈之間的堿基配對有一定規(guī)律。RNA由一條彎曲的

12、多核昔酸鏈構成，其中有間隔著的雙螺旋和單股非螺旋結構的部分，鏈的某些部分存在著堿基配對關系。tRNA具有三葉草的結構。(3)核酸的三級結構：在二級結構的基礎上，多核甘酸鏈在空間可進一步盤曲折疊構成核酸三級結構。tRNA多為倒置的L形狀；DNA三、問題參考答案問題14-1試寫出L-酪氨酸、L-半胱氨酸的Fischer投影式，并用R/S構型標記解：CH2H3NHCH2SH/R一半胱氨酸S酪氨酸問題14-2苯丙氨酸在等電點時溶液為中性、酸性還是堿性？在pH值為3.0,5.8和10.0的溶液中各帶什么電荷？用離子結構式表示。解：苯丙氨酸含一氨基一炭基，為中性氨基酸，其水溶液呈弱酸性。因其等電點pI=5

13、.84,故：CH2CHCOOHINH3在pH=5.8時凈電荷為零，為兩性離子:在pH=3.0時帶正電荷:CH2CHCOONH3+在pH=10.0時帶負電荷:CH2CHCOO一NH2(2)脯氨酸(4)賴氨酸還原型r-谷胱甘肽COOH2(3)CHSCHCHCHCOO222CH2CH2CH2CH2CHCOONH3+NH3+NH2問題14-3寫出一分子甘氨酸和一分子丙氨酸在濃鹽酸作用下加熱生成二肽的反應式。解：CH2CONHCH2COOH+12CONHCHCOOHNH2NH2Ch3HClCH2COOH+CH3CHCOOH.+CH3CHCONHCH2COOH+CH3CHCONHCHCOOHNH2NH2I

14、NH2NH2CH3四、習題參考答案1 .寫出下列化合物的結構式：(1)大冬酰胺(3)甲硫氨酸(5)組氨酸(6)解：(1) H2M一22cHCOO+ONH3+|CH2CHCOONNH3+(6)H2NCHCH2CH2CONHCHCONHCH2COOHCOOHCH2SH2.完成下列反應方程式:(1) CH3c氏CH2COOHCl.CH3NH3+NaOH(2) CH3CHCH2COO*CH3NH3+一、，HNO2(3)4/CH2CHCOOH>NH2Ba(OH)2(4) CH3甲-CH2COOH人*CH3NH2解:(1)CH3CH12COOCH3NH3+HClCH3CHCH2COOHICH3NH3

15、+ClCH3CHCH2COONaOHCHCHCHCOONa3!I2CH3NH3+CH3NH2H2CHCOOHHNO2NH2CHCHCOOH2OH+N2人CH3CHCH2COOHCH3NH2Ba(OH)2ACH3pHCH2NH2CH3CO23 .在多肽的端基分析中，常用2,4-二硝基氟苯作N-端標記，標記后的多肽經(jīng)水解后，為什么2,4-二硝基氟苯相連的氨基酸很容易與其它氨基酸分離？解：這是因為2,4-二硝基氟苯具有強烈的-I效應，與其相連的氨基堿性極弱，所以不溶于稀酸水溶液中；而其他非標記的氨基酸可溶于稀酸水溶液中，借此可以分離。4 .1個五肽部分水解得3個三肽，即G1u-Arg-GLy,Gly

16、-G1u-Arg,Arg-Gly-phe,經(jīng)N-端分析發(fā)現(xiàn)N-端為Gly,試分別用中英文縮寫寫出這個五肽中氨基酸的連接順序。解：Gly-G1u-ArgG1u-Arg-GLyArg-Gly-pheGly-G1u-Arg-Gly-phe方-谷-精-廿-苯丙5 .短桿菌肽S是霉菌的代謝產(chǎn)物，具有抗菌作用，它是一個由十個氨基酸殘基組成的環(huán)狀十肽，完全水解時生成L-繳氨酸，L-亮氨酸，L-脯氨酸、D-苯丙氨酸和L-鳥氨酸，其比例都是1：1。部分水解得到下列肽：亮-苯丙、苯丙-脯、鳥-殼、繳-鳥、苯丙-月甫-繳、繳-鳥-元、月甫-繳-鳥。試推出這個環(huán)狀十肽的結構。解：亮-苯丙苯丙-脯苯丙-脯-繳繳-鳥鳥-

17、亮繳-鳥-亮月甫-繳-鳥殼-苯丙-月甫-繳-鳥-殼由結構可知，苯丙氨酸，脯氨酸，繳氨酸和鳥氨酸之間的次序應為：苯丙-脯-繳-鳥，鳥氨酸的C-端與亮氨酸的N-端結合以構成環(huán)狀結構，因此短桿菌肽S的結構如下：殼-苯丙-月甫-繳-鳥鳥-苯丙-月甫-繳-元6 .DNA和RNA在結構上有什么主要差別？RNA由核糖組成，分子解：DNA由脫氧核糖組成，分子鏈上含有胸腺喀咤;鏈上含有尿喀陡。7 .解釋用下列試劑使蛋白質變性的原因。(1)強酸、強堿(2)乙醇(3)加熱(4)強烈的振蕩解：(1)強酸、強堿可與蛋白質中游離氨基或痰基反應生成鹽，也可使蛋白質中的氫鍵斷離。(2)乙醇可提供其-OH上的H去形成氫鍵，從而

18、破壞蛋白質中原有的氫鍵。(3)加熱使分子的熱運動增強，使氫鍵發(fā)生斷裂。(4)強烈的振蕩會使氫鍵斷裂。8 .某蛋白質pI=4.6,溶于水中應帶何種電荷？欲使其不帶電，應向此溶液中加酸還是加堿？解：該蛋白質在水中帶負電荷，欲使其不帶電，應向此溶液中加酸。9 .回答下列問題：(1)什么是蛋白質的一級結構？主鍵是什么？(2)對維系蛋白質分子空間結構起重要作用的副鍵有哪些？(3)什么是蛋白質的a-螺旋結構？每個螺旋有幾個氨基酸殘基，圈與圈之間由什么鍵來維系？(4)什么是蛋白質的變性？解：(1)蛋白質的一級結構是指蛋白質分子中氨基酸的排列順序和連接方式。主健是肽鍵。(2)對維系蛋白質分子空間結構起重要作用

19、的副鍵有：氫鍵、二硫鍵、鹽鍵、疏水鍵、酯鍵等。(3)多肽鏈部分或整條卷曲盤旋成的螺旋狀結構即為蛋白質的a-螺旋結構。每個螺旋有3.6個氨基酸殘基。圈與圈之間氫鍵來維系。(4)蛋白質在某些物理因素或化學因素的作用下，蛋白質的性質發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為蛋白質的變性。10 .什么是核昔?解：核甘是由堿基中喋吟堿9位氮上的氫或喀陡堿1位氮上的氫與戊糖1'位上的羥基失水所生成的B-N-甘。11 .寫出下列化合物的名稱或結構式:(1)脫氧腺昔(2)脫氧胞甘(3)鳥昔(4)尿昔O117HOPOIOHOOIIIIHOP-O-POfIOHOHNH2解:OHNH2OHO(5)5'-腺喋吟核甘酸(6)腺甘三磷酸12 .簡述DNA雙螺旋結構的要點解：(1)DNA分子是由兩條方向相反的平行多核甘酸鏈構成的。兩條鏈的糖一磷酸的主鏈都是右螺旋的，有一共同的螺旋軸。一條鏈和方向是5'一3',另一條鏈則是3'-