蛋白质和核酸

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十四章 蛋白质和核酸,第一节,-氨基酸,一、,-氨基酸的结构、分类和命名,二 、,-,氨基酸的性质,第二节,蛋白质,一、蛋白质的分类,二、,蛋白质的结构,三、,蛋白质的性质,第三节,核酸,一、,核酸的分类和组成,二、,核苷,三、,四、,核酸的一级结构,五、,DNA的二级结构,1,第十四章 蛋白质和氨基酸,第一节 氨基酸,一、,-,氨基酸的结构、分类和命名,氨基酸是羧酸分子中碳链上的氢原子被氨基取代后的生成物。,分子中,含有,氨基,和,羧基,两种官能团。,氨基酸按分子中所含NH,2,和COOH的相对位置，可将其分,为：,在这些类氨基酸中，与人关系最为密切的是,-氨基酸,。它是,构成蛋白质的基本单元。,2,在这20多种,-氨基酸,中，有八种是人体所需要的,必需,氨基酸（即,人体本身不能合成的氨基酸）。它们是：,这20多种,-氨基酸,又可分为：,1. 中性氨基酸：,3,2. 碱性氨基酸：,分子中,NH,2,和COOH,的数目相等。如：,分子中,NH,2,数目,COOH数目。,如：,3. 酸性氨基酸：,分子中,COOH数目,NH,2,数目。,如：,氨基酸的结构特点：,除甘氨酸外，所有的氨基酸分子的,-碳原子都具手性碳原子，,4,蛋白质水解得到的氨基酸，其,构型均为,L, 型。,因而,都具有旋光性。,其构型与甘油醛的关系是：,氨基酸,构型的标记,通常采用,D/L命名法；,而分子中,手性碳原子,的标记,则采用,R/S命名法。,绝大多数 - 氨基酸的,R/S,构型为 S 型。,5,二、- 氨基酸的性质,- 氨基酸为,白色结晶固体,，具有较高熔点，其熔点约为200300,，切大多数在熔化时分解。 -氨基酸,易溶,于水，略溶于甲醇、乙醇，难溶于乙醚、四氯化碳、苯等有机溶剂。除甘氨酸外- 氨基酸都含有手性碳原子，因此具有旋光性。,- 氨基酸具有,较高,的熔点因其以内盐的形式存在。,1,、两性性质和等电点,氨基酸既含有氨基，可接受,H,+,，又含有羧基，可电离出,H,+,，所以氨基酸具有,酸碱,两性性质。通常情况下，氨基酸以两性离子的形式存在，氨基酸在溶液中存在下列平衡：，如下图所示：,6,若调节溶液的pH值，使,NH,2,和COOH,的离子化程度相等，即：,正负电荷数相等,，氨基酸所带的净电荷为零，在电场中既不向阴极移动，也不向阳极移动，此时氨基酸所处溶液pH值称之为该氨基酸的等电点，以pI表示。氨基酸在等电点时主要以两性离子状态存在。,氨基酸在等电点时溶解度最小，易沉淀。氨基酸在不同pH溶液中所带电荷不同，可用电泳法分离氨基酸。,PH=PI,PHPI,7,练习1,：,丙氨酸（PI=6.0),(1) 在PH=2时的电场中向何方移动？（2）在水溶液中向电场中向何方移动？,练习2,：,色氨酸（PI=5.89),(1) 在PH=12时向电场中何方移动？（2）在PH=1时向电场中何方移动？,练习3,：,谷氨酸（PI=3.22) 溶于水后,(1) 以何种离子形式存在？（2）向电场中何方移动？,负， 阳极,阳极，阴极,阴极，阳极,8,2、与2，4-二硝基氟苯（DNFB）反应,在近中性和室温条件下，- 氨基酸中游离的氨基与2，4-二硝基氟苯反应，生成黄色的2，4二硝基苯氨基酸（简称DNP-氨基酸）,利用色谱法分离并与标准DNP-氨基酸比较，就可确定是哪一种氨基酸。此法是由英国两次诺贝尔奖获得者桑格尔首先提出的，常用于肽链的N-端分析。,3、与亚硝酸反应,- 氨基酸中游离的氨基可与亚硝酸反应生成羟基酸，并放出氮气，根据放出氮气的量可计算出- 氨基酸的含量。此法称为范斯莱克（Van Slyke）氨基测定法。脯氨酸不含游离的氨基除外。,9,4、与甲醛的反应,氨基酸分子中氨基与甲醛发生亲核加成反应，生成N，N-二羟甲基氨基酸，使氨基的碱性消失，可用标准碱滴定，测定氨基酸的含量。,5、氧化脱氨反应,- 氨基酸中的氨基被氧化剂氧化，或在生物体内酶的作用下生成- 亚氨基酸，然后经过水解、脱氨生成- 酮酸。 - 酮酸是生物体内代谢的重要物质。,10,6、配位反应,氨基酸分子中的羧基可以与金属成盐，同时氨基氮上的未共用电子对可与某些金属形成配位键，生成稳定的配合物。例如氨基酸与铜离子生成蓝色结晶，可用于,分离或鉴定氨基酸,。,11,7、成肽反应,一个氨基酸的羧基中的羟基与另一个氨基酸中的氨基脱水，生成含有酰胺键的化合物。由两个氨基酸分子脱水形成的肽叫二肽，由三个氨基酸分子脱水形成的肽叫三肽，由多个氨基酸分子脱水形成的肽叫多肽。例如,12,多肽的书写是将含有游离氨基的一端写在左边，叫,N-端,；含有游离羧基的一端写在右边，,C-端,。例如：,多肽的命名是以C-端的,氨基酸为母体，在母体氨基酸名称前按氨基酸的排列顺序从N-端开始，依次加上氨基酸残基相应的酰基名称。例如：,13,练习1,：一个五肽分子部分水解得到3个三肽，即谷-精-甘，甘-谷-精，精-甘-苯丙，经N-端分析发现N-端为甘氨酸。请写出该五肽中氨基酸的连接顺序。,谷-精-甘,甘-谷-精,精-甘-苯丙,甘-谷-精-甘-苯丙,14,8、与茚三酮的反应,- 氨基酸在弱酸溶液中与水合茚三酮共热，经氧化、脱氨、脱羧、缩合等反应，生成醛，放出二氧化碳，同时生成,蓝紫色,物质。此反应较复杂，其反应式简单表示如下：,凡含有游离氨基的- 氨基酸都有此反应，-、-氨基酸无此反应，该反应用于-氨基酸（脯氨酸除外）的定性和定量分析。,15,练习,：鉴别下列化合物,16,第二节 蛋,白质,一、蛋白质的分类,蛋白质的种类很多，常根据其组成、性质、生理功能和来源分类。,1、根据化学组成不同分类,（1）简单蛋白质：只有,氨基酸组成的蛋白质。例如白蛋白、球蛋白、谷蛋白等。,（2）结合蛋白：是由简单蛋白和非蛋白两部分组成。非蛋白部分称为辅基，作为辅基的有脂类、糖类、磷酸、色素、核酸、金属离子等。它们与蛋白质结合分别组成脂蛋白、糖蛋白、磷蛋白、色蛋白、核蛋白、金属蛋白等。,2、根据溶解性不同分类,（1）白蛋白：不溶于水和稀盐酸，加热则凝固。例如血清蛋白、卵清蛋白等。,17,（2）球蛋白：不溶或微溶于水，可溶于5 10 的稀NaCl溶液。例如血清蛋白、大豆球蛋白等。,（3）醇溶蛋白：不溶于水，可溶于稀酸、稀碱溶液及70 80 的醇溶液。例如麦胶蛋白、玉米胶蛋白等。,（4）谷蛋白：不溶于水，可溶于稀酸、稀碱溶液。例如米、麦谷蛋白等。,（5）组蛋白：溶于水和稀酸，是一种能水解产生大量精氨酸和赖氨酸的碱性蛋白质。例如胸腺组蛋白、胰腺组蛋白等。,（6）精蛋白：溶于水及稀酸，遇热不凝固，是一种摩尔质量小，主要精氨酸组成的碱性蛋白质。例如鱼精蛋白。,（7）硬蛋白：不溶于溶于稀酸、稀碱和稀盐溶液，但溶于强酸强碱。,3、根据形状不同分类,（1）纤维状蛋白：又称结构蛋白。多呈丝状，多不溶于水，对蛋白质水解酶有较强的抵抗作用。,（2）球状蛋白：呈球状或椭圆形，一般溶于水、稀酸、稀碱稀盐及乙醇溶液。如清蛋白、酪蛋白等。,18,4、根据生理功能不同分类,（1）活性蛋白：具有生理活性。如：酶、激素、抗体、收缩蛋白、运输蛋白等,（2）非活性蛋白：担任生物的保护或支持作用，但本身不具有生物活性的蛋白。如清蛋白、酪蛋白、角蛋白等,5、根据来源不同分类,根据生物来源可分为植物蛋白、动物蛋白和微生物蛋白。微生物蛋白是将一些非蛋白物质如烃类、醇类、纤维素类等，经微生物作用转化而成的单株细胞蛋白，这是近十年来新开发的蛋白资源之一。,19,二、蛋白质的结构,蛋白质是由许多 - 氨基酸,通过肽键连接而成的生物高分子化合物，结构复杂，为研究方便，通常将蛋白质的结构分为四级。,1、蛋白质的一级结构：, - 氨基酸,按照一定的组成、一定的排列顺序,通过肽键,连接而成的多肽链称为蛋白质的一级结构。各种蛋白质的生理活性首先是由一级结构决定的，有时改变一个氨基酸或化学键就会引起生理功能的巨大变化。,2、蛋白质的二级结构,蛋白质的多肽链借助于,氢键,进行,卷曲、盘旋或折叠,，形成特定的空间构象，称为蛋白质的二级结构。蛋白质的二级结构重要有两种形式，即,-,螺旋和,-,折叠片层结构。,（1） ,-,螺旋结构 多肽链绕中心轴线呈螺旋上升，每隔3.6个氨基酸残基螺旋上升一圈，每圈绕轴上升0.54nm。螺旋体是通过链内氢键维持其稳定性，氢键的取向几乎与中心轴 平行。,（2）,-,折叠结构 两条充分伸展的肽链相互平行或一条多肽链回折，通过分子间氢键结合在一起就形成了蛋白质的,-,折叠结构 。,有平行折叠和反平行折叠两种。,20,21,蛋白质的,-,螺旋结构,22,蛋白质的,-,折叠结构,23,3、蛋白质的三级结构,蛋白质的多肽链在二级结构的基础上，通过,副键（,肽键以外的键,）,进一步盘旋或折叠形成的更复杂的空间构象，称为蛋白质的三级结构。蛋白质的三级结构有,纤维状,和,球状,两种。,（1）纤维状蛋白 几条具有,-,螺旋结构 的肽链借助副键作用互相扭成绳索状，有“螺旋的螺旋”之称。,（2）球状蛋白 蛋白质多肽链折叠、卷曲成很不规则，但具有特定结构的球形或椭圆形。,4、蛋白质的四级结构,两条或两条以上具有三级结构的肽链以,非共价键（,如氢键、盐键、分子间作用力等,）,结合而成特定的空间构象，成为蛋白质的四级结构。其中每一条肽链称为亚基，亚基单独存在并无生物活性，只有聚合成四级结构时才有完整的生物活性。并非所有的蛋白质都有四级结构。,24,三、蛋白质的性质,1、两性性质和等电点,由于蛋白质是由氨基酸组成的，因此蛋白质和氨基酸一样具有两性性质和等电点。蛋白质在溶液中存在如下平衡：,蛋白质在等电点时溶解度最小，利用此性质，可以分离和纯化蛋白质。,25,2、水解反应,蛋白质在酸或碱的催化下可以彻底水解，生成,-氨基酸的混合物。若在酶的催化下逐步水解，可以得到示、胨、多肽、等一系列摩尔质量逐渐减小的中间产物。,蛋白质示胨多肽二肽,-氨基酸,3、胶体性质,蛋白质是生物高分子化合物，分子颗粒的直径在1100nm之间，具有胶体溶液的特性，如布朗运动、丁道尔现象、不能透过半透膜等。,26,4、蛋白质的沉淀,在蛋白质溶液中加入适当的试剂，,破坏蛋白质的水化膜,或,中和蛋白质分子表面的电荷,，蛋白质就会沉淀下来。蛋白质的沉淀分为可逆沉淀和不可逆沉淀。,（1）可逆沉淀 在蛋白质溶液中加入中性盐，既能中和蛋白质胶粒所带的电荷，又能破坏蛋白质的水化膜，使蛋白质成为裸露的粒子，相互凝聚而沉淀。这个过程叫盐析。若加入大量的水，蛋白质又重新溶解。因此盐析作用是可逆沉淀。可逆沉淀的蛋白质结构基本不发生改变仍保持原来的生理活性。,（2）不可逆沉淀 不可逆沉淀是指沉淀出来的蛋白质分子，内部结构发生了较大的改变，蛋白质已失去其原来的生物活性，即使沉淀因素消失后，沉淀也不会重新溶解。,a,与,有机溶剂,作用 某些水溶性有机溶剂如乙醇、丙酮等，由于与水有较强的水化作用，能,破坏,蛋白质表面的,水化膜,，可使蛋白质沉淀下来。在低温及短时间内，这种沉淀是可逆的。但当作用时间较长或温度较高时，有机溶剂可渗入蛋白质内部破坏其空间结构的副键，形成不可逆沉淀。,27,b,与,重金属盐,作用 重金属盐如汞盐、铅盐、银盐等在碱性溶液中,与蛋白质负离子结合形成难溶性盐,，可使蛋白质沉淀。这种沉淀不再溶于水，是不可逆沉淀。,c,与,生物碱试剂,作用 生物碱试剂多为酸性化合物，如三氯乙酸、苦味酸、鞣酸、磷钨酸等，能,与蛋白质正离子结合形成难溶物,，也使蛋白质产生不可逆沉淀。,28,5、蛋白质的变性,物理因素：,干燥、高温、高压、紫外线、超声波、X-射线、剧烈振荡和搅拌等。,化学因素：,强酸、强碱、有机溶剂、重金属盐、生物碱试剂、表面活性剂等。,注：,变性不一定沉淀，沉淀不一定变性，不可逆沉淀一定变性。,6、蛋白质的显色反应,(1)、缩二脲反应 蛋白质与,硫酸铜的碱性溶液,反应，生成紫红色物质，称之为缩二脲反应。凡是分子中含有两个或两个以上,肽键,的化合物都能发生此反应。,( 2)、茚三酮反应 蛋白质和 -氨基酸一样，与,茚三酮,的稀溶液共热，生成蓝紫色物质，可用来鉴别蛋白质。,29,(,3)、黄蛋白反应 含有,苯环侧链,的蛋白质溶液与,浓硝酸,反应生成白色沉淀，加热后变为黄色，这一反应称为黄蛋白反应，可用于鉴别含有,苯环结构,的蛋白质。,(4)、米隆反应 蛋白质与米隆试剂（硝酸汞、亚硝酸汞、硝酸和亚硝酸的混合物）作用，生成,白色沉淀,，加热后变为,红色,沉淀。含有,酚羟基,的氨基酸如酪氨酸或含有,酪氨酸,的蛋白质都有此反应。,(5)、胱氨酸反应 若组成蛋白质的氨基酸中含有半胱氨酸等含硫氨基酸，与,醋酸铅共热,时，产生,黑色硫化铅,沉淀。此反应可用于检验,含硫的氨基酸,或蛋白质。,第三节 核酸,一、核酸的分类与组成,1.分类,生物体内的核酸按其组成不同分为两类：核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。RNA主要存在于细胞质中，其主要功能是控制蛋白质的合成；DNA主要存在于细胞核中，其功能是负责储存和传递遗传信息。,30,2.组成,a、,核酸的元素组成,核酸主要由C、H、O、N、P五种元素组成（个别核酸含有微量S），N、P含量较高，分别为15%16%和9%10%。其中P的含量比较稳定，平均含量约为9.5%，即核酸样品中每克磷的存在就相当于样品中含100*9.5=10.5g的核酸，称为核酸系数。,b、核酸的化学组成,核酸完全水解生成戊糖、含氮碱及磷酸的混合物。核酸逐步水解的过程如下：,不同的核酸所含戊糖和含氮碱不同。两类核酸的基本化学组成见表14-1,31,核酸,组成,RNA,DNA,磷酸,戊糖,H,3,PO,4,-D-核糖,H,3,PO,4,-D-2-脱氧核糖,含,氮,碱,腺嘌呤A,鸟嘌呤G,胞嘧啶C,尿嘧啶U,腺嘌呤A,鸟嘌呤G,胞嘧啶C,胸腺嘧啶T,表14-1两类核酸的化学组成,32,二、,核苷,核苷是由,-D-核糖和-D-2-脱氧核糖与含氮碱脱水缩合而成的-含氮糖苷。戊糖与碱基之间的-糖苷键总是由糖的半缩醛羟基与嘌呤碱中9位或嘧啶碱1位氮原子上的氢脱水缩合而成。,核糖中的碳原子的编号都带有“”以区别于碱基中的原子编号。,RNA,和,DNA,中的核苷见表14-2和14-3,33,名称,结构,缩写,名称,结构,缩写,腺,嘌,呤,核,苷,腺,苷,（A）,鸟,嘌,呤,核,苷,鸟,苷,（G）,胞,嘧,啶,核,苷,胞,苷,（C）,尿,嘧,啶,核,苷,尿,苷,（U）,表14-2 RNA中核苷的结构、名称和缩写,34,表14-3 DNA中脱氧核糖核苷的结构、名称和缩写,名称,结构,缩写,名称,结构,缩写,腺嘌呤脱氧核苷,脱氧腺苷,（dA）,鸟嘌呤脱氧核苷,脱氧鸟苷,（dG）,胞嘧啶脱氧核苷,脱氧胞苷,（dC）,胸腺嘧啶脱氧核苷,脱氧胸苷,（dT）,35,三、,单核苷酸,作为核酸结构单元的单核苷酸简称核苷酸，是由核苷中戊糖的5位羟基与磷酸脱水形成的磷酸酯。,例如：,5-腺苷酸（5-AMP）,5-脱氧胞苷酸（5-dCMP）,36,RNA和DNA的核苷酸单体按对应的核苷各有四种。常见的,5,-核苷酸之名称、缩写见表14-4。,表14-4 RNA和DNA中的,5,-核苷酸单体,RNA,DNA,5,-腺苷酸,5,-AMP,5,-鸟苷酸,5,-GMP,5,-胞苷酸,5,-CMP,5,-尿苷酸,5,-UMP,5,-脱氧腺苷酸,5,-dAMP,5,-脱氧鸟苷酸,5,-dGMP,5,-脱氧胞苷酸,5,-dCMP,5,-,脱氧胸腺苷酸,5,-dTMP,此外生物体中还存在多个磷酸的单核苷酸，如腺苷二磷酸（ADP）和腺苷三磷酸（ATP）,37,式中表示高能磷酸键。普通磷酸键PO断裂时放出8.4kJ,/,mol能量，而高能磷酸键PO可放出20.5kJ,/,mol的能量。当生物代谢时依靠生成这种高能磷酸键来贮存能量，当生命活动中需要能量时，则高能磷酸键断裂，储存的能量被释放出来。,38,四、,核酸的一级结构,核酸是由许多单核苷酸通过,3,-位和,5,-位的磷酸二酯键连接而成的多核苷酸链。,39,五、,DNA的二级结构（,碱基配对,）,核酸和蛋白质一样，它的结构不仅涉及单核苷酸的碱基排列顺序、种类和数目，也有三维空间的构象问题。1953年华特生（J.D.Watson）和克利格（F.H.C.Crick）根据X射线数据提出了DNA的双螺旋结构模型。其要点如下：,（1）DNA分子由两条方向相反（一条链的磷酸二酯键由3,到5,，另一条则由5,倒3,）的多核苷酸链构成，这两条链按右手螺旋的方式绕同一中心轴盘旋形成双螺旋结构。螺旋的直径为2.0nm。,（2）两条链中的碱基，在双螺旋内侧通过氢键形成碱基对，是两条链稳固并联。AT（U) 、GC互补成对，依次形成三个氢键。双螺旋中两条链彼此称为互补链。碱基互补具有重要的生物学意义。,40,（3）每个碱基对中的两个碱基处于同一平面，此平面与中心轴垂直。碱基平面间距为0.34nm，每十个核苷酸绕螺旋上升一圈，共上升3.4nm，相邻核苷酸夹角36,。整个结构如同一螺旋状楼梯，碱基平面为其梯阶。两个碱基对平面间存在着碱基堆积力，使双螺旋结构更加稳定。,碱基配对的结构如图所示：:,41,DNA的双螺旋结构如图所示,:,42,DNA双螺旋结构模型完美地解释DNA分子在生物遗传中的作用，自此分子生物学拉开了发展的序幕，核酸成了“生命之本，万物之源”的物质，正是在它的控制之下，生物体内具有各种生理功能的蛋白质才得以有序地合成。,43,