氨基酸、蛋自质及核酸.ppt

1,有机化学,第十五章 氨基酸、蛋白质及核酸,2,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,蛋白质存在于一切细胞中。它们是构成人体和动植物组织的基本材料，肌肉、毛发、皮肤。指甲、腥、神经、激素、抗体、血清、血红蛋白、酶等都是由不同蛋白质组成的。蛋白质在有机体中承担着多种生物功能，它们能供给机体营养，输送氧气，控制代谢过程，防御疾病、传递遗传信息，负责机械运动，执行保护机能，等等。可以说，蛋白质是生命的物质基础，是参与体内各种生物化学变化最重要的组分。生命的基本特征就是蛋白质的不断自我更新。,第十五章 氨基酸、蛋白质及核酸,从化学上看，蛋白质是氨基酸的高聚物；氨基酸是构成蛋白质的“基石”，因此要讨论蛋白质的结构和性质，首先要了解氨基酸。,3,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,*蛋白质存在一切细胞中。,*蛋白质在有机体中承担着多种生物功能。,*蛋白质是生命的物质基础。,*生命活动的基本特征就是蛋白质的不断自我更新（新陈代谢）。,*从化学上看，蛋白质是氨基酸的高聚物：氨基酸是构成蛋白质的基石。,4,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,第一节 氨基酸概述（Amino acids),一、氨基酸的分类、命名和结构,1、结构,分子中既含有氨基（NH2），又含有羧基（COOH）的化合物叫氨基酸。,各种氨基酸的差别主要在于R基团的不同，而R的结构是多种多样的。,氨基酸,5,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,2、命名,-氨基酸的命名一般采用俗名，即根据其来源或性质命名。,每种氨基酸都有缩写符号(即英文名称的头一个字母)和中英文代号。,甘氨酸 Gly G 甘,赖氨酸 Lys K 赖,氨基酸 符号 字母代号 汉文代号,6,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,3、分类,*根据氨基和羧基的数目,*根据烃基的类型,7,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,二、氨基酸的构型,天然氨基酸，除甘氨酸外，-C原子都有手性，因此具有旋光性，且都是L 构型。,-氨基酸的构型是与由L 甘油醛导出的L 乳酸相联系而确定的，即将-氨基酸看成是L 乳酸中的羟基被氨基取代的产物。,其它含有一个以上手性碳原子的氨基酸的构型，均取决于-C原子：如果某氨基酸的-C原子的构性与L 丙 氨酸相当，这个氨基酸就是L 型。,8,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,第二节 氨基酸的来源及制法,蛋白质,H2O,H+,多肽,二肽,-氨基酸,将混合物用各种分离手段(如色层分离法、离子交换法、电泳法等）进行分离，即可分别得到各种氨基酸。由蛋白质的水解制备氨基酸是从1820年开始的，这是一个最古老的方法。味精早期就是由小麦蛋白质面筋水解得到。胱氨酸，半胱氨酸是由头发水解制得的。,一、蛋自质水解 蛋白质在酸、碱或酶的作用下水解，最后生成的是-氨基酸 的混合物：,氨基酸的制备主要有蛋白质的水解、发酵法，酶法及有机合成法四条途径,9,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,蛋白质水解法的缺点是分离比较困难，因为水解时所得到的总是各种氨基酸的混合物。,二、微生物发酵法,该法是以糖质原料（如淀粉、果糖、蔗糖）或以石油及其制品（如石蜡油、煤油、乙醇、醋酸）为主要碳源，在其它氮、磷、钾等物质存在下，经过微生物发酵而生成氨基酸。,从1957年开始用该法生产谷氨酸（味精）。微生物发酵法的原料价廉，在大多数情况下，由于细菌的特异作用，能直接得到L 型氨基酸，无需再进行外旋体的拆分。,三、酶法,在酶的作用下，可将一定原料转化成L 氨基酸。酶法的特点是酶的催化性很强，生产过程简单，产率高，副产物少，周期短，成本低。L-丙氨酸、L-赖氨酸、L-天门冬氨酸、L-色氨酸、L-鸟氨酸等是用酶法生产的。,10,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,四、合成法,为了经济、大量地生产氨基酸，还需要用化学合成法。其主要方法有以下三种：,醛与HCN、NH3反应生成氰胺，后者水解即得到氨基酸，该法称为斯垂克合成。,11,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,（2）-卤代酸的氨解,此法有仲、叔胺的副产物，如用盖布瑞尔(Gabriel)法代替，则能得到较纯的-氨基酸。,O,O,12,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,（3）由丙二酸酯合成,以丙二酸酯为基本原料，可以合成多种结构的氨基酸，该法的应用范围非常广泛。,BrCH(COOC2H5)2,现介绍邻苯二甲酰亚胺丙二酸酯法：,13,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,RX除为一般的伯卤外，还可以为ClCH2COOC2H5,ClCH2CH2SCH3等多种卤代物，从而生成各种结构的氨基酸。,14,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,最后要指出的是，用一般合成方法所生成的氨基酸都是外消旋体，只有经过拆分才能得到L或D构型的氨基酸。氨基酸的不对称合成近年来发展很快，例如应用膦铑络合催化剂，光学产率可达到95以上。,15,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,(6)斯密特（Schmidt）反应 斯密特反应是以叠氮酸为试剂，将羧某转化成氨基。例如：,16,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,【课堂练习】,一、用适当原料，以丙二酸酯法合成：,（1）天门冬氨酸；（2）亮氨酸；（3）脯氨酸；（4）色氨酸。,二、用两种方法合成：,NH3,COO,-,+,17,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,（1）天门冬氨酸；,一、,HOOC-CH2-CH-COOH,NH2,-氨基丁二酸,BrCH(COOC2H5)2,18,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,（2）亮氨酸,(CH3)2CHCH2CH-COOH,NH2,-甲基-氨基戊酸,BrCH(COOC2H5)2,19,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,（3）脯氨酸,-四氢吡咯酸,BrCH(COOC2H5)2,20,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,（4）色氨酸,-氨基-(3-吲哚)丙酸,21,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,二、用两种方法合成：,NH3,COO,-,+,22,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,二、-卤代酸氨解-卤代酸与过量的NH3作用，容易生成-氨基酸。例如：,CH3CHCOOH+2NH3,Cl,CH3CHCOOH+2NH4Cl,NH2,三、盖布瑞尔合成法 与合成纯的伯胺方法类似（见第十二章第五节），可以用-卤代酸酯合成-氨基酸。,23,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,四、斯特雷克合成法 由醛与氨及氢氰酸，或与氰化铵作用制得-氨基睛，后者水解即得-氨基酸，这个反应称为斯特雷克（Strccker合成法。反应机理大致如下：,24,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,25,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,第三节 氨基酸的性质,-氨基酸都为无色晶体，易溶于水，而难溶于乙醚、苯等有机溶剂中，它们具有较高的熔点，且大多数在熔化时会发生分解。除甘氨酸外,其它天然氨基酸都有旋光性。,氨基酸是含有氨基和羧基的双官能团化合物，所以它们既具有羧酸的性质，又具有胺类的性质，同时还具有这两种官能团相互影响而赋于它们的某些特性。,一、氨基酸的两性和等电点,氨基酸中有两性基团，既能和酸反应，也能和碱反应，它是两性化合物。实际上杂氨基酸分子内，氨基与羧基作用生成一个两性离子，氨基酸的晶体就是以两性离子的形式存在的，这种两性离子是分子内的氨基与羧基成盐的结果，故称为内盐。,1）两性,26,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,R CH COOH,NH2,R CH COO,NH3,+,-,内盐（亦称为偶极离子）,氨基酸具有高熔点和水溶性，就是其内盐性质的表现。,在水溶液中，氨基酸的两性离子存在下列平衡：,27,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,2）等电点,丙氨酸在纯水溶液中可形成入下的平衡：,在这里，酸性基团NH3+和碱性基团COO的相对强度不完全等同，即前者的给质子能力大于后者接受质子的能力（即羧基COOH的酸性大于氨基NH2的碱性），所以丙氨酸的两性离子容易从NH3+给出质子形成较多的负离子。在平衡体系中，负离子数目多于正离子，使丙氨酸带有一定数量的净负电荷，其溶液略显酸性（PH值略小于7）。,氨基酸中羧基的解离能力要大于氨基接受质于的能力。,28,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,如果在丙氨酸水溶液的平衡体系中外加酸，则可抑制负离子的生成，而使正离子的数量增加（平衡向左移动）。当加入适量的酸时，可以使正，负离子相等，丙氨酸的净电荷等于零。,将此溶液置于电场中，氨基酸不向电场的任何一极移动，即处于电中性（等电）状态。这个净电荷为零的氨基酸所在的溶液的PH值就称为该氨基酸的等电点（Isoelectric point)，通常以IP 表示。,必须注意，氨基酸在纯水中的电离一般都不是它的等电点，要达到等电点必须加入酸或碱来调节。由于各种氨基酸中的羧基和氨基的相对强度和数目不同，所以各种氨基酸的等电点也不同。,29,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,氨基酸的等电点并非是它的中性点。在等电点时，两性离子的浓度最大，溶解度最小。,根据等电点可以鉴定氨基酸，而用调节等电点的方法可以分离氨基酸的混合物。常用的方法有两种，一是利用其在等电点时的溶解度最小，可以某氨基酸从混合溶液中沉淀出来；二是利用在同一pH下不同的氨基酸所带电荷的不同而进行分离。,例如，在pH6时，甘氨酸、丙氨酸等主要以两性离子形式存在，而天门冬氨酸、谷氨酸等则主要是以负离子形式存在。若将此混合液通过阳离子交换树脂的层析柱，这时天门冬氨酸、谷氨酸等就和树脂的阳离子交换而留在柱中，再根据它们的IP值，选用不同的pH缓冲溶液将后者洗脱出来。,30,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,【课堂练习】,一、写出下列氨基酸在给定PH值的离子结构：,（1）半胱氨酸（PH4.80)(2)精氨酸（PH10.95),二、下列氨基酸在PH6时，置于电场中，推测其移动方向。,（1）缬氨酸（2）谷氨酸（3）赖氨酸,（1）不动,（2）正极,（3）负极,31,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,二、氨基酸受热后的消除反应,氨基酸的热反应与相应的羟基酸极为相似：,（A）-氨基酸加热生成交酰氨或肽,交酰胺（二酮吡嗪）,32,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,（B）-氨基酸加热生成，-不饱和酸：,33,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,（C）-氨基酸加热生成内酰胺：,34,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,三、与水合茚三酮的显色反应,-氨基酸与水合茚三酮在碱性溶液中加热，发生氧化、脱氨、脱羧作用，最终生成蓝紫色物质。这是检验氨基酸的灵敏方法。（脯氨酸或羟脯氨酸显黄色）,值得注意的是，脯氨酸不能发生茚三酮反应。伯胺、氨，铵盐等能发生茚三酮反应，故鉴别一个-氨基酸时，要排除伯胺、氨和铵盐的干扰。,35,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,四、与亚硝酸的反应 氨基酸与HNq作用，生成羟基酸，同时放出N2，反应迅速且定量完成。,根据所放出N2的体积，可以算出试样中氨基的含量，这个方法叫做范斯莱克（Van一S1yke）法。,RCH2CHCOOH+HNO2,NH2,RCH2CHCOOH+N2+H2O,OH,36,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,五、氨基酸的反应,（1）羧基的反应,37,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,（2）氨基的反应,38,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,肽,第四节 肽、肽键与命名,一分子-氨基酸的氨基和另一分子-氨基酸的羧基之间缩水所生成的酰胺化合物称为肽。,肽peptide,此名词来自于希腊语“消化”，因为肽首先是由部分消化的蛋白质得到的。,肽分子中的酰胺键称为肽键(peptide linkages)。,39,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,由二个或三个氨基酸形成的肽叫二肽或三肽。由多个氨基酸形成的肽称为多肽。在肽分子中每个氨基酸结构部分称为氨基酸单位（残基）。,在蛋白质分子中，氨基酸也是通过肽键连接起来的。实际上，蛋白质就是分子量很大（约亿万以上）的多肽。所以了解多肽的结构和性质是研究蛋白质的重要基础。,开链状的肽总有两个末端。含游离氨基的一端称为N-端，通常写在左边；含游离羧基的一端称为C-端，写在右边。,肽的命名是从N-端开始，由左至右依次将每个氨基酸单位写成“某氨酰”，最后一个氨基酸单位的羧基是完整的，写为“某氨酸”。,第五节 多肽,40,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,H2N CH CONH CH2 CONH CH COOH,CH3,CH2C6H5,丙氨酰 甘氨酰 苯丙氨酸,简称：丙 甘 苯丙,(Ala Gly Phe),一、多肽结构的测定和端基分析,要测定一个多肽的结构，首先要知道这个多肽分子是由哪些氨基酸组成的，然后再确定这些氨基酸在多肽分子中的排列顺序。,将多肽在酸性溶液中进行水解，可以得到各种氨基酸的混合物，再用色谱法分离并确定它是由哪几种氨基酸组成以及它们的相对含量，然后根据测定的多肽的分子量，就能算出这个多肽中所含的各种氨基酸的数目。至于这些氨基酸在多肽分子中的排列次序，则是通过端基分析的方法，并配合部分水解法加以确定。,41,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,确定多肽的结构，应从两方面着手。首先测定组成多肽的氨基酸种类和数目；然后测定这些氨基酸在肽链中排列的顺序。,确定多肽的结构是一项非常复杂而细致的工作。英国化学家桑格(F.Sanger)化了十年的时间，在1955年首次测定出牛胰岛素的氨基酸顺序，于1958年获得诺贝尔化学奖。桑格的工作为多肽结构的测定奠定了基础。,1、分子大小的测定（相对分子质量）,2、氨基酸的定量分析,3、端基分析 测定N端和C端,所谓端基分析就是通过一定的化学方法确定肽链的N-端或C-端氨基酸的种类。,1）N-端分析,42,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,A、桑格法,2，4 二硝基氟苯（DNFB）与肽链N 端的游离氨基发生反应，生成二硝基苯基（DNP）衍生物，然后水解得到一个黄色的N-（2，4 二硝基苯基）氨基酸，通过鉴定就可以确定是哪一个氨基酸。,此法的缺点是在水解时，整个肽链都被破坏、所以在肽链上只能进行一次N 端分析。,43,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,B、爱得曼（Edman)降解法即异硫氰酸苯酯法,这种方法是瑞士化学家爱得曼于1950年提出来的，其优点是每次测定肽链的其余部分不受影响而被保留下来，这样又获得了一个新的N-端氨基。用同样的方法可确定下一个氨基酸组分。,2）C-端分析,C-端测定常利用酶催化法，羧肽酶可选择性地将C-端氨基酸水解下来，然后对这个氨基酸进行鉴定，就能确定C-端是哪一个氨基酸。,44,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,二、多肽的合成 要合成一种与天然多肽相同的化合物，必须把各种有旋光性的氨基酸按一定顺序连接成一定长度的肽链。反应条件尽量保持缓和，以保持一定的光学构型。为此就要设法“活化”参与反应的羧基和氨基。使羧基活化的方法，常用转化为酰氯、酸酐或酯的反应：,这样就可以增强羰基中碳原子的正电性，从而有利于氨基的亲核进攻。在氨基和羧基形成肽键的过程中，还必须把氨基或羧基“保护”起来，防止同一种氨基酸的相互作用，或受到其它官能团的干扰。反应完成后，再将保护基除去。氨基常用与氯甲酸苄酯（C6H5CH2-O-COCl）的作用加以保护，因为反应后，氨基上的苄氧碳基很容易用催化氢解的方法除去。,45,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,例如甘氨酰一丙氨酸的合成过程如下：,将二肽中的氨基再保护起来后，就可以用来与另一分子氨基酸作用合成三肽。把几种多肽用同样的方法依次连接起来可以合成肽链很长的多肽。,46,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,显然，随着氨基酸数目的增多，可能生成的异构体迅速增加，反应条件还可能引起立体构型的变化。因此，合成的中间物及产物的分离，提纯和鉴定等工作愈来愈困难。半个多世纪以来，人们在合成多肽的领域里，取得不少重大成果。1953年首次合成催产素（结构见前）以后，1965年我国科学家在世界上首先合成了具有生物活性的结晶牛胰岛素，这是一个由引个氨基酸组成的多肽类激素；1971年又完成了牛胰岛素晶体的测定。,47,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,蛋白质,一、蛋白质的分类,蛋白质的种类繁多，可以从不同的角度，根据它们不同的特征进行分类。,二、蛋白质的组成,由元素分析得知，蛋白质的组成中含有C、H、O、N及少量S,有的还含有微量的P、Fe、Zn、Mo等元素。一般干燥蛋白质的元素含量为：C O H N S 5055 20 23 6.07.0 1517 0.23.0 蛋白质的相对分于质量很大，通常在10 000以上，有的达几万、几十万，个别的甚至上千万。如烟草斑纹病毒的核蛋白的相对分子质量己超过二千万，腺病毒的核蛋白的相对分子质量还更大。,48,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,三、蛋白质的性质,1、两性和等电点,蛋白质和氨基酸一样，也是两性物质，有它们的等电点。不同蛋蛋白质，其等电点也不相同。在等电点时，蛋白质的溶解度最小，因此可以通过调节溶液的PH值，使蛋白质从溶液中析出，达到分离或提纯的目的。,2、蛋白质的高分子性质(胶体性质),蛋白质在水溶液中形成的颗粒直径在1100nm内,具有胶体性质。所以蛋白质溶液不能通过半透膜（如玻璃纸）。,49,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,3、蛋白质的沉淀,蛋白质溶液与其它胶体一样，在各种不同的因素影响下，也会从溶液中析出沉淀。,沉淀蛋白质的方法主要有：,1）盐析法：加入NaCl 或(NH4)2SO4、Na2SO4等电解质。,2）加入有机溶剂：如乙醇、丙酮等亲水性很强的有机溶剂。,3）加入重金属离子：如Hg2+、Pb2+等。,蛋白质的沉淀有可逆和不可逆两种，可逆沉淀是指沉淀出来的蛋白质分子的个级结构基本不变，只要消除沉淀因素，沉淀物能重新溶解。不可逆沉淀则否。,例如，用盐析法沉淀的蛋白质是可逆的，用重金属离子的沉淀则是不可逆的。,50,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,4、蛋白质的变性,变性作用是指蛋白质受物理因素（如加热、强烈震荡，紫外线或X 射线的照射等）或化学因素（如强酸、重金属盐、乙醇等有机溶剂）的影响，其性质和内部结构发生改变的作用。,蛋白质的变性一般认为是蛋白质的二级、三级结构有了改变或遭受破坏，结果使肽链松散开来，导致蛋白质一些理化性质的改变和生物活性的丧失。,蛋白质变性的表现主要是溶解度降低、粘度变大、难以结晶，容易为酶所水解，丧失生物活性、等等。,5、蛋白质的显色反应,1）缩二脲反应 2）蛋白黄色反应 3）米勒反应 4）茚三酮反应,51,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,第七节 蛋白质的结构,蛋白质的物理、化学性质和生物功能都依赖于它们的结构。蛋白质的结构相当复杂，通常用一级结构、二级结构、三级结构和四级结构四种不同的层次来描述。,一、一级结构：,表示的是组成蛋白质的氨基酸残基排列顺序。各种蛋白质的生物活性首先是由一级结构决定的。,52,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,胰核糖核酸酶的一级结构,测定多肽氨基酸顺序的技术都可应用于蛋白质。1955年，桑格首次确定了胰岛素的完整结构后，相继获得了多种蛋白质的一：级结构，例如核糖核酸酶（124个氨基酸残基，见同21刁）、糜蛋白酶（241个氨基酸残基）。了球蛋肉是一种很复朵的抗体，其氨皂酸的顺序也已经被破泽。英国人爱德尔曼（G。Edelrnan）证明此伉体总共含有N20个氢基酸（由四个链组成，两个含446个氨基酸，另二个含214十氨基酸）。此成就使他获得了1973年的诺贝尔奖金。,53,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,二、二级结构 蛋白质分子中的肽链并非是直线型的，而是排列成盘曲或折叠状，这就是蛋白质的二级结构。二级结构有两种形式，一种是-螺旋形，另一种-折叠形，如所示。在一个肽链中的C=O和另一个肽链的 N H 之间可形成氢键，正是由于这种氢键的存在维持了蛋白质的二级结构。,-螺旋型结构：天然蛋白质的-螺旋绝大多数是右螺旋的，螺环每上升一圈，由3.6个氨基酸单位构成，每个氨基酸单位的氨基与其相隔的第五个氨基酸单位的羰基形成氢键。,54,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,-折叠型结构：是依靠两条肽链或一条肽链回折的两段肽链之间，借氢键形成片层结构。,55,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,3）蛋白质的三级结构,是在二级结构的基础上进一步弯曲折叠，构成具有特定构象的紧凑结构，有的称此为“螺旋的螺旋”。维持三级结构的力来自氨基酸侧链之间的相互作用。主要包括二硫键、氢键、正负离子间的静电引力（离子键）、疏水基团的亲和力（疏水键）等。这些作用总称为副键。,56,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,肌红蛋自由153个氨基酸组成肽链，大部分是-螺旋构象，但有8处中断。这8处非螺旋区域有4处是由于存在着脯氨酸，其它4处中断的原因尚不清楚。在肽链中除了与血红素联系的两个组氨酸外，疏水性较强的侧链全在分子内部，有排斥水和极性分子进入的作用。亲水性强的侧链全部露在外边，因此肌红蛋白是亲水的。多肽链经卷曲折叠成三级结构，使分子表面形成了某些具有生物功能的特定区域，如酶的活性中心等等。,57,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,测定蛋白质的整个三级结构，是一项令人望而生畏的任务，对于化学家来说也不是高不可攀的。1957年肯笃（JKendrew）用X光衍射技术成功地测定了携氧蛋白质肌红蛋白（M=17800）的三级结构。使人们第一次看到了一个蛋白质分子内部的立体构象图。在大致相同的时期，更复杂的携氧蛋白质血红蛋白（M=64500）的三级结构图形从伯汝茨（M。Perutz）的20年蛋白质结构研究工作中出现了。1962年肯笃和铂汝茨因他们的出色成就而获得了诺贝尔化学奖。从那时起，陆续测得了一些蛋白质（包括酶在内）的相当详细的分子结构图形。,用X光衍射法测定蛋白质晶体的空间结构是近年来分子生物学的重大突破，为此已经颁发了四次诺贝尔奖金。19711973年我国科学工作者也成功地用X光衍射法完成了猪胰岛素晶体结构的测定。,58,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,四、四级结构 许多球状蛋白质是由一条或多条肽链构成的，每条肽链都有各自一、二、三级结构。这些肽链称为蛋白质的亚基或原体。各个亚基聚合成大分子的方式称为蛋白质的四级结构。如胰岛素的四级结构可由相对分子质量为6000或12 000的两个以上亚基聚合而成。更复杂的多聚体。,又如血红蛋白，它是由二条-链和二条-链构成的四聚体。有的蛋白质分子中的亚基数更多，经聚合形成结构,59,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,第八节 蛋白质的新来源和应用前景 一、蛋自质的新来源 人类的食物中，蛋白质是最重要的营养成分，人体的各种生理活动大多数是山蛋白质来 承担的。自古以来，蛋白质的主要来源是动物性食物，即肉、鱼、蛋、奶等。随着世界人口的增长，蛋白质供应不足越来越严重。严峻的事实迫使人们去探索生产蛋白质的新途径。,科学家们提出三种设想；一是人工合成食品；二是人工模拟生物体内的转化过程来生产食品；三是人工培养微生物来生产蛋白质。目前微生物蛋白的生产已取得可喜的成功。,60,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,利用微生物生产蛋白质的原料来源卡富，如石油和煤炭、天然气和淀粉等，还有许多工业废料和一些农副产品的下脚料，甚至城市的垃圾。生产的关键是筛选出有效的酵母菌。高效 的微生物繁殖速度极快，如500 kg的酵母菌在24 h内能中产出2吨多活物质。近年来发现一种叫做氢细菌的微生物，能直接利用已、Cq和其它一些简单的元机物来生产蛋白质。这样青来，实现用空气和水来生产粮食不是科学幻想。,我国近年来很重视发展微生物蛋白生产，现在金国有几十家研究单位和工厂正在从事微生物蛋白生产技术的研究和开发工作。在用废糖蜜、酒精废液、味精废液、甘蔗渣和甲醇等作原料：生产微生物蛋白的研究中，取得了较大的进展。,61,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,二、蛋白质的应用前景 生物大分子是分子世界中的一个显赫的大“家族”：相对分子质量大，形状奇特，结构复 杂，种类繁多，又各具独特功能。生物大分子主要分为蛋白质、脂类和多糖类，它们是组成生物体的基本元件。如今，对生物大分子感兴趣的除了最终了解生命的本质这个远期的目标 外，近期的蛋白质应用方向是由蛋自质构成集成电路，其大小仅为现在的硅集成电路的十万分之一，而开关速度可达一千亿分之一秒。科学家们认为，生物界存在的蛋白质可能有100亿种，这是制造生物芯片的极好材料，而生物芯片的使用会给计算机带来一场革命。,62,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,核酸,瑞士生理学家米歇尔(F.Miescher)于1869年从细胞核中首次分离到一种具有酸性的新物质，这就是我们现在所称的核酸。核酸对遗传信息的储存和蛋白质的合成起着决定性作用，它是一类非常重要的生物高分子化合物。,第九节 核酸的组成,核酸的分步水解产物为：,由此可以看出，核苷是由戊糖和杂环碱组成的；核苷酸是是由核苷和磷酸组成的。而核酸则是核苷酸的构成的多聚体，因此核苷酸亦称为多核苷酸。,63,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,一、核糖及脱氧核糖,在核酸分子中含有两种戊糖：D-2-脱氧核糖和D-核糖。它们都是以-呋喃糖形式存在。,D-2-脱氧核糖,D-核糖,含有D-2-脱氧核糖的核酸叫做脱氧核糖核酸(Deoxyribonucleic,DNA)；含有核糖的核酸称为核糖核酸(Ribonucleic,RNA)。,64,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,二、碱基,存在于核苷中的碱基主要有五种，其中嘌呤碱两种：腺嘌呤和鸟嘌呤；嘧啶碱三种：尿嘧啶、胞嘧啶、胸嘧啶。,OH,HO,OH,HO,CH3,NH2,HO,Uracil,Thymine,Cytosine,尿嘧啶,胸腺嘧啶,胞嘧啶,65,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,腺嘌呤（6-氨基嘌呤）,鸟嘌呤（2-氨基-6-羟基嘌呤）,A,G,三、核苷,核苷是由碱基中嘌呤环9位氮原子或嘧啶环1位氮原子上的氢与糖的1位上的羟基失水所生成的-N-糖苷。,核苷命名时，如果糖组分是核糖，词尾用“苷”字前面加上碱基名（如尿苷）。如为脱氧核糖，则在词首加上“脱氧”（如2-脱氧腺苷）。,66,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,脲嘧啶,核糖,脲苷（U）,腺嘌呤,脱氧核糖,2-脱氧腺苷（dA）,67,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,四、核苷酸,核苷酸是核苷3位或5位的羟基和磷酸所生成的酯。,脲嘧啶,核糖,HO P O,OH,O,磷酸,脲嘧啶核苷酸（脲苷酸、UMP、U、PU）,68,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,腺嘌呤,脱氧核糖,2-脱氧腺苷（dA）,HO P O,OH,O,磷酸,腺嘌呤脱氧核苷酸(dAMP、dA、PdA),69,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,腺嘌呤,脱氧核糖,O P O,OH,O,二磷酸,HO P,OH,O,腺苷二磷酸（ADP）,70,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,腺嘌呤,脱氧核糖,O P O,OH,O,三磷酸,O P,OH,O,HO P,OH,O,腺苷三磷酸（ATP）,ADP、ATP在细胞代谢中作为高能化合物承担着重要的任务。能量主要集中在焦磷酸酯键中，当焦磷酸酯键水解时，储存的能量被释放，传递给需要能量的反应（如合成肽链的反应）。,71,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,第十节 核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核酸(DNA),核酸和蛋白质一样，也有一个单体的排列顺序和空间关系问题。,1、DNA和RNA的一级结构,核酸分子中各种核苷酸排列的顺序即为核酸的一级结构。,例如，DNA主要有dAMP、dGMP、dCMP、dTMP四种脱氧核糖核苷酸组成，每个DNA中含有几千或几万个这样的核苷酸，而各个核苷酸之间是由磷酸在相邻糖环的C-3和C-5处，通过磷酸二酯键连接起来，形成很长的多核苷酸链。,70年代初，桑格等使用工具酶对DNA进行随机切割，为测定核酸中核苷酸顺序作出了卓越的贡献。为此他于1980年第二次获得诺贝尔奖金。,72,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,73,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,2、DNA的二级结构,物理方法的测定表明，DNA具有双螺旋的二级结构，两条反向平行的DNA链，沿着一个轴向右盘旋成双螺旋体。,在双螺旋体中，一条脱氧核苷酸链上的碱基与另一条链上的碱基之间，通过氢键相互连接，嘌呤碱和嘧啶碱两两成对，其中腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对。,A T G C,RNA分子的二级结构也是靠碱基之间的氢键形成的，但一般不如DNA那样有规律，大多数RNA分子是由一条弯曲的多核苷酸链构成。在链的某些区域可发生自身回褶而形成双螺旋。其间的碱基也是互补关系（AU，GC）。,74,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,75,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,3）三级结构,DNA在双螺旋结构（二级结构）的基础上还进一步缩成闭链环状、开链状或麻花状等形式的三级结构。,三、核酸的生物功能,核酸是生物体中不可不可缺少的物质，它在遗传变异、生长发育和蛋白质合成中起着重要的作用。它能使生命模式代代相传，因此人们称核酸为生命的“蓝图”。,1）DNA的复制,在生物体内，DNA主要存在于细胞核中，是遗传信息的携带者。按双螺旋结构学说，细胞分裂时，DNA的两条链可以拆开，分别进到两个子细胞里，每条链通过碱基配对（即A对T，G对C）各复制出一个双螺旋体，显然，这两个子细胞中的DNA必定和母细胞中的DNA完全一样，遗传信息也就由母代传到子代了。,76,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,这种双链核酸的复制过程差错极少（几率约为10-7），这就是生物繁衍过程中遗传形状能维持相对稳定的基础，也就是种豆得豆，种瓜得瓜的生物学基础。,DNA的复制机制是华生（Watson)和克里克（Crick)首先提出，并被其它学者通过实验证实。由于在核酸结构研究方面的突出成就、克里克和威尔金斯(Wilkins)被授予诺贝尔奖。,77,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,这种双链核酸的复制过程差错极少（几率约为10-7），这就是生物繁衍过程中遗传形状能维持相对稳定的基础，也就是种豆得豆，种瓜得瓜的生物学基础。,DNA的复制机制是华生（Watson)和克里克（Crick)首先提出，并被其它学者通过实验证实。由于在核酸结构研究方面的突出成就、克里克和威尔金斯(Wilkins)被授予诺贝尔奖。,2）蛋白质的生物合成,蛋白质的生物合成是按照DNA模板，在细胞质中由三种RNA来完成的，所以首先介绍这三种RNA。,(1)信使核糖核酸（mRNA）：存在于细胞核中的DNA是通过mRNA来传递遗传信息的，故mRNA被称为称为信使核糖核酸。mRNA在细胞核中的合成，其机制很像DNA的复制。生成的mRNA为单股分子，其碱基顺序由DNA控制。,78,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,与DNA复制不同的是在mRNA中，以脲嘧啶（U）代替胸腺嘧啶与腺嘌呤互补。在mRNA链上按一定顺序排列的碱基，每三个组成一个遗传密码代表一种氨基酸。例如，AAA代表赖氨酸，GUA代表颉氨酸，UUU代表苯丙氨酸，等等。二十个氨基酸的密码已确定。,测定遗传密码是一项艰巨的任务，该工作主要是又尼伦堡（M.Nirenberg)完成的，为此他获得1968年医学生理学诺贝尔奖金。,（2）核糖体（rRNA）：核糖体是存在于细胞质中的一种高分子量的球状颗粒。核糖体是制造蛋白质的工厂（合成场所）。,（3）转移核糖核酸（tRNA）：tRNA能与激活后的氨基酸结合生成氨基酰tRNA，具有携带和转运氨基酸的作用，因此称它们为转移核糖核酸。,79,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,tRNA的专一性很高，一种tRNA只能运送一种氨基酸。在tRNA分子中的转折部位有三个核苷酸的碱基没有配对，它们组成一个反密码，决定tRNA与哪种氨基酸结合。例如酵母tRNA的三个未配对碱基是按互补原则，它只能与CCG配对，即可与密码为CCG的氨基酸（脯氨酸）结合。,（4）蛋白质的合成过程,蛋白质是在细胞质中由RNA合成的，但DNA的结构决了定生物合成蛋白质的特定结构。即DNA以同样的碱基配对方式将遗传信息先“转录”到RNA上，然后在以RNA的信息指令为蓝本，在酶的作用下合成相应的蛋白质。总的过程是DNA把遗传信息传递给RNA，RNA再传递给蛋白质。所以DNA是RNA的模板，而RNA则是蛋白质的模板。,DNA,遗传信息,转录,mRNA,蛋白质,80,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,81,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,田中耕一是总部设在京都的岛津制作听的普通工程师。岛津制作所是一家生产种学测试仪器的公司。在日本该公司只能算一家不大有名的中小企业。而且，该公司近年来赤字累累。田中耕一是诺贝尔奖历史上第一位没有博士头陌的获奖者，也是第一个非学者的技术人员获奖者。同时，他还是日本第一位获得诺叵尔奖的战后出生的科学家。也是日本历史上第12位获此殊荣者。田中毕业于东北大学工学部电气工学专业，与化学、生化等领域完全无缘。田中的母亲在生下他后一个月后便因病去世。自幼过继给叔父叙母。当他在念大学时才被告知这一事实，他感到非常匹惊。从此立志研究医用测试仪器。,82,有机化学 第二十章 蛋白质和核酸,