蛋白质,酶,核酸.doc

第二十章 蛋白质和核酸教学要求1.掌握 α－氨基酸的结构、性质和制法2.了解多肽的结构、命名和合成3.了解蛋白质是构成生命体的重要物质,了解蛋白质的结构并掌握它的性质4.初步了解核酸的结构蛋白质(protein)和核酸(nucleic acid)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、命名和分类氨基酸(amino acid)是形成蛋白质的基石，在动植物体内也有游离的氨基酸现在已分离出来的氨基酸将近百种，主要的蛋白质，大约是由 20 种氨基酸组成的它们和蛋白质的关系正如字母和字的关系类似，由 20 种氨基酸可以形成无数的蛋白质从结构上讲，都在羧基的 α 位上连有一个氨基其通式可表示如下, 天然产的各种不同的 α-由氨基酸只是 R 结构不同而已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二、氨基酸的构型20 种氨基酸中的烷基 R，除一种 R=H 外，其它均是不同的有机基团，因此氨基酸的 α 碳原子（除 R=H 外）都是手性碳原子氨基酸构型表示方法，与糖一样，习惯用 D 或 L 表示，天然的氨基酸中多数都是 L 型的（也有 D 型的，但很少）氨基在费歇尔投影式直线的左边，与 L-甘油醛中的羟基的向位类似用 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 型三、氨基酸的性质1．氨基酸的酸-碱性氨基酸分子中的氨基是碱性的，而羧基是酸性的虽然它们的酸碱电离常数比起-COOH 和–NH2 来都低得多，但是氨基酸既能与酸反应，也能与碱反应，是一个两性化合物 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 = 7.6~10.8。

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 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中氨基的含量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-氨基酸的灵敏方法 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）4．氨基和羧基的反应两分子的氨基酸可以各出一个氨基和羧基失水，形成环状的酰胺，例如两分子甘氨酸失水，得甘氨酸失水物，或称 2，5-二酮哌嗪：在实验室内，最好的方法是用氨基酸酯制备。

氨基酸酯的盐酸盐是稳定的化合物，但游离的氨基化合物相互作用即失去两分子的醇，变为二酮哌嗪氨基酸酯是用氨基酸在氯化氢及醇的作用下制备：二酮哌嗪在浓盐酸的作用下，可以将一个酰胺键保留，另一个酰胺键断开，因此就得到一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基失水形成的产物：谷氨酸中的羧基和氨基可以形成分子中的酰胺，叫作焦谷氨酸，它是一个内酰胺由谷氨酸和等量的水在高压釜内加热制备：5．氨基酸的金属盐某些氨基酸的盐，和氨基络合，形成形状很好的结晶，有时可以用来沉淀和鉴别某些氨基酸例如，甘氨酸的铜盐结构如下：许多氨基酸和金属盐以一定的比例形成分子络合物例如 1 分子金属盐∶2 分子氨基酸或 1 分子金属盐∶1 分子氨基酸，利用这个性质，可以沉淀蛋白质，水解后得某些氨基酸四、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： 由醛或酮制备； 斯瑞克法是用醛与氢氰酸和氨或与氰化铵发生作用，得到氰氨化物，再经水解，生成（±）-氨基酸，例如：泽林斯基改进此法用氯化铵和氰化钾的混合水溶液，分解后也得到氰化铵，可以避免直接使用氢氰酸或氰化铵，反应后得到同样产物2．α- 卤代酸的氨化赫尔-乌尔哈-泽林斯基 α-溴化法：用赫尔等人的方法，先使羧酸溴化，然后和氨气反应，往往需在封管内或高压釜内进行。

氨在这里不产生很多多元烷基化的产物，原因是氨基酸的氨基比胺的碱性稍弱，亲核的能力稍差，所以一般用这个方法氨化是可能成功的，也就是说产生的 NH（CHRCOOH）2 是较少的用卤代酸酯和邻苯二甲酰亚胺钾反应，可避免生成如上法产生的二元烷化产物仲胺和叔胺生成因此，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：①通过溴化丙二酸酯：溴代丙二酸酯用盖布瑞尔方法也可以合成多种的氨基酸，如：用上述的方法可以制备蛋、苯丙、丝、天冬等氨基酸 D，L-苯丙氨酸邻苯二甲酰亚氨基丙二酸二乙酯可与 α，β-不饱和酯反应，水解，制备酸性氨基酸：邻苯二甲酰亚氨基丙二酸二乙酯与 1，3-二溴丙烷反应，生成脯氨酸： 通过酰基丙二酸酯： 丙二酸酯经亚硝基化后，用催化氢化还原，再乙酰化，即得乙酰氨基丙二酸酯，它和芦竹碱反应（芦竹碱是一个很好的吲哚甲基化的试剂，反应前，芦竹碱失去（CH3）2NH），即在活泼次甲基处发生吲哚甲基化反应，经水解脱羧后，就得色氨酸：用乙酰氨基丙二酸酯和甲醛反应，可以制备丝氨酸：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(polypeptide)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：了解某一多肽是由哪些氨基酸组成的；各种氨基酸的相对比例；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：渗透压法、光散射法、超离心法和 X-射线衍射法2．氨基酸的定量分析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）：方法一： 2,4- = 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 此法的缺点是所有的肽键都被水解掉了方法二：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 端方法一： 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 端的氨基酸方法二：羧肽酶水解法C-端的氨基酸单元可以通过羧肽酶催化水解，羧肽酶可以选择性切断游离羧基相邻的肽键，在溶液中切断下来的氨基酸是 C-端位置的，已切断了 C-端氨基酸的肽链，再与羧肽酶作用，如此不断进行，可以使整个多肽或蛋白质水解为氨基酸。

根据氨基酸出现的时间，可以推断 C-端氨基酸的排列顺序实际上此法最多只能鉴定 3～4 个氨基酸，因此对于长链用处不大，可用于小肽（二肽、三肽等）4．肽链的选择性断裂及鉴定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 1：一个八肽的结构分析：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：Sanger F 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 Sanger F 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、 吉尔伯享）两次获得诺贝尔奖的化学家是很少见的，所以说，Sanger F 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 保护-NH2 氨基保护的两个最重要化合物是：(1)氯代甲酸苯甲酯：它可以看作是碳酸的单酰氯和单苯甲酯，是用光气和苯甲醇制备的：C6H5CH2OH+COCl2→C6H5CH2OCOCl这个酰氯有一个特点，就是用催化氢化法可以将它分解成甲苯和二氧化碳及盐酸：当然它及其它的酰氯和酯也是类似的，可以用酸性或碱性水解将它分解但是假若它和一个氨基酸反应，就生成苯甲氧羰基化的氨基酸，产物可以再变成酰氯，和另外的一个氮基酸反应，这样就把两个氨基酸通。