第二十章蛋白质和核酸 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a-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a-由氨基酸的化学。 §20-1氨基酸 分类、命名和构型 组成蛋白质的氨基酸(天然产氨基酸)都是a-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a-由氨基酸只R不同而已。 R-C-COOH 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 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。 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
·223· 第二十章 蛋白质和核酸 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。 §20-1 氨基酸 一、分类、命名和构型 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. 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。 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。 R C NH2 H COOH
氨基酸可分为链状、芳香族、杂环氨基酸。如 CH2 CHCOOH CH2 CHCOOH CH3CHCOOH A1a(丙)丙氨酸 Phe(苯)苯丙氨酸 Trp(色)色氨酸 2.命名:多按其来源或性质而命名。国际上有通用的符号(见P66表20-1) 天然产氨基酸多用习惯名称,即按其来源或性质命名。例如门冬氨基酸最 初是由天门冬的幼苗中发现的;甘氨酸是因为具有甜味而得名。天然产的氨基 酸目前知道的已超过一百种。但在生物体内作为合成蛋白质原料的只有二十种, 这二十种氨基酸象无机符号一样,都有国际通用的符号来表示, HN2- CH2COOH HOOC-CH2-CH-COOH 如甘氨酸:Gly(甘) 门冬氨酸:Asp(门) NH 3.构型:用D/L体系表示一一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 COOH COOH H-C--NH2 NH。C一H D氨基酸 氨基酸 天然氨基酸(出甘氨酸外)其他所有a-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)。 、氨基酸的性质 1.氨基酸的酸-碱性一一两性与等电点Pa26s 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
·224· 氨基酸可分为链状、芳香族、杂环氨基酸。如： 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）。 天然产氨基酸多用习惯名称，即按其来源或性质命名。例如门冬氨基酸最 初是由天门冬的幼苗中发现的；甘氨酸是因为具有甜味而得名。天然产的氨基 酸目前知道的已超过一百种。但在生物体内作为合成蛋白质原料的只有二十种， 这二十种氨基酸象无机符号一样，都有国际通用的符号来表示， 如 甘氨酸：Gly（甘） 门冬氨酸：Asp（门） 3．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）。 二、氨基酸的性质 1．氨基酸的酸-碱性——两性与等电点 P612~615 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 H C NH2 COOH R C H COOH R NH2
应,也能与碱反应,是一个两性化合物。 (1)两性 OH R-CH COOH R-CH-COOH R-CH-COO NH NH2 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 R-CH-COOH R-CH-COO NH NH (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。 R-CH-COOH OH R-CH-COO R-CH-COO 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p=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 I=2.7-3.2 碱性氨基酸 I=7.6-10.8 2°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。 R R R-COCI+NH2-CH-COOH-R-C-I
·225· 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。 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 = 7.6-10.8 2°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。 R CH COOH NH2 R CH COO NH2 R CH COOH NH3 H OH R CH COOH NH2 R CH COO NH3 R' COCl NH2 CH R COOH R' C NH O CH R + COOH + HCl R CH COOH NH3 R CH COO NH3 R CH COO NH2 R CH COOH NH2 OH OH H H
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。 CHo-c+Nt2cHco→ CH2-O-C-NH-CH-COOH 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 R R NOTF+NH2-CH-COOH--NO2O NH-CH-COOH 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 R-CH-COOH+HNO2--R-CH-COOH +N21+H20 反应是定量完成的,衡量的放出N,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。 茚三酮 水合茚三酮 + RCHCOOH一 =N一C、 OH co NH
·226· 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。 NH2 CH R COOH C NH O CH R CH2 O C Cl + COOH O CH2 O NH2 CH R COOH NH CH R + COOH NO2 F NO2 NO2 NO2 R CH COOH + HNO2 R CH COOH NH2 OH + N2 + H2O C C C O O O C C C O O OH H2O OH 茚三酮 水合茚三酮 C C C O O OH OH RCHCOOH NH2 C C C O O C C C O N HO + + RCHO CO 3 H2O
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)Pe 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 NHa HCN (1)NaOH, H2O CBHs CH2CHO CsHsCH2CHCN C6H5 CH2CHCO2 NH 2(2)H3O 苯丙氨酸74% 2.a-卤代酸的氨化 R-CH-COOH NH R-CH-COoH +HX NH, 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。 R R NH+X-CH-CO N-CH-COOR R Nh2-CH-COoH R'OH 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:
·227· 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。 三、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： 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： C6H5CH2CHO NH3 , HCN C6H5CH2CHCN NaOH, H 2O H3O (1) (2) NH2 C6H5CH2CHCO2 NH3 苯丙氨酸 74% R CH COOH + NH 3 X R CH COOH + H X NH2 C NH O O X CH R COOR' C N O O CH R + COOR' H3O COOH COOH CH R + NH2 COOH + R'OH