14 第十四章 蛋白质与核酸.ppt

第1页：蛋白质和核酸提要

1第十四章蛋白质和核酸第一节α-氨基酸一、α-氨基酸的结构、分类和命名二、α-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、单核苷酸四、核酸的一级结构五、DNA的二级结构

第2页：氨基酸的结构与分类

2第十四章蛋白质和氨基酸第一节氨基酸一、α-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－NH2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α-氨基酸。它是构成蛋白质的基本单元。

第3页：必需氨基酸与分类

3在这20多种α-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α-氨基酸又可分为：1. 中性氨基酸：

第4页：碱性氨基酸

• 碱性氨基酸：分子中－NH2和－COOH的数目相等。如：分子中－NH2数目＞－COOH数目。如：
• 酸性氨基酸：分子中－COOH数目＞－NH2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α-碳原子都具手性碳原子，

第5页：氨基酸的构型

5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α -氨基酸的R/S构型为S –型。

第6页：α-氨基酸的性质

6二、α-氨基酸的性质α-氨基酸为白色结晶固体，具有较高熔点，其熔点约为200~300℃，切大多数在熔化时分解。α-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α-氨基酸都含有手性碳原子，因此具有旋光性。α-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：

第7页：氨基酸的等电点

7若调节溶液的pH值，使－NH2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=PIPH<PIPH>PI

第8页：等电点计算练习

8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

第9页：与亚硝酸及DNFB的反应

• 与2，4-二硝基氟苯（DNFB）反应在近中性和室温条件下，α-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。
• 与亚硝酸反应α-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α-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。

第10页：与甲醛的反应与氧化脱氨

104、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α-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α-亚氨基酸，然后经过水解、脱氨生成α-酮酸。α-酮酸是生物体内代谢的重要物质。

第11页：氨基酸的配位反应

116、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。

第12页：成肽反应

127、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

第13页：多肽的书写与命名

13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α–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：

第14页：五肽结构推断练习

14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

第15页：与茚三酮的反应

158、与茚三酮的反应α-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α-氨基酸都有此反应，β-、γ-氨基酸无此反应，该反应用于α-氨基酸（脯氨酸除外）的定性和定量分析。

第16页：氨基酸鉴别练习

16练习：鉴别下列化合物

第17页：蛋白质的分类

• 17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。
• 根据化学组成不同分类（1）简单蛋白质：只有α–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。
• 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。

第18页：球蛋白与纤维状蛋白

18（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。

第19页：按生理功能分类

194、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。

第20页：蛋白质的结构

• 20二、蛋白质的结构蛋白质是由许多α -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。
• 蛋白质的一级结构：α -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。
• 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α-螺旋和β-折叠片层结构。（1）α-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）β-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β-折叠结构。有平行折叠和反平行折叠两种。

第21页：蛋白质二级结构概述

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第22页：蛋白质的α-螺旋结构

22蛋白质的α-螺旋结构

第23页：α-螺旋的氢键维系

第24页：蛋白质的三级结构

243、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α-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。

第25页：蛋白质的两性与等电点

25三、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。

第26页：蛋白质的水解

262、水解反应蛋白质在酸或碱的催化下可以彻底水解，生成α-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→α-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1~100nm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。

第27页：蛋白质的沉淀

（2）不可逆沉淀不可逆沉淀

（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。

第28页：重金属盐与蛋白质

28b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。

第29页：蛋白质的变性

295、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α -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。

第30页：核酸的分类和组成

30(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。

第31页：核酸的元素组成

312.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

第32页：RNA与DNA的组成

32核酸组成RNADNA磷酸戊糖H3PO4β-D-核糖H3PO4β-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

第33页：核苷的结构

33二、核苷核苷是由β-D-核糖和β-D-2-脱氧核糖与含氮碱脱水缩合而成的β-含氮糖苷。戊糖与碱基之间的β-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“ˊ”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

第34页：核苷的名称与缩写

34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

第35页：脱氧核糖核苷的缩写

35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）

第36页：单核苷酸的结构

36三、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）

第37页：核苷酸的名称与缩写

37RNA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RNADNA5＇-腺苷酸5＇-AMP5＇-鸟苷酸5＇-GMP5＇-胞苷酸5＇-CMP5＇-尿苷酸5＇-UMP5＇-脱氧腺苷酸5＇-dAMP5＇-脱氧鸟苷酸5＇-dGMP5＇-脱氧胞苷酸5＇-dCMP5＇-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）

第38页：高能磷酸键

38式中~表示高能磷酸键。普通磷酸键P—O断裂时放出8.4kJ/mol能量，而高能磷酸键P~O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。

第39页：核酸的一级结构

39四、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。

第40页：DNA的二级结构

40五、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。A—T（U) 、G—C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。

第41页：碱基配对的空间特征

41（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36º 。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：:

第42页：DNA双螺旋结构

42DNA的双螺旋结构如图所示:

第43页：双螺旋结构的意义

43DNA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。