《生物成分化学》PPT课件.ppt

第二章 生物成分化学（一）2.1 糖化学（教材第七章）2.2 脂化学（教材第九章，膜移后）2.3 核酸化学（教材第八章）2.4 蛋白质化学（教材第二、三、四章）,2.1 糖化学（Chemistry of Carbohydrate)2.1.1 糖的定义、在自然界分布及生物生物学作用,图2.1 糖类基本知识,2.1.2 单糖类化合物一、定义及类型*定义：多羟基醛、酮类化合物及其衍生物*种类：单糖（如葡萄糖、果糖、甘露糖、半乳糖、核糖、鼠李糖、木糖、阿拉伯糖等）；单糖衍生物（如2-脱氧核糖、半乳糖醛酸、葡萄糖醛酸等）二、单糖的分子结构（一）有机化合物分子结构层次及特点,jx,cha,（二）单糖的构造六碳醛糖或酮糖：C6H12O6构造：HOCH2CH(OH)CH(OH)CH(OH)CH(OH)CHO,hui,回多糖,单糖构造的特点：a.碳链很少有分支；b.自然界有开链和环状两种存在形式；多以环状结构存在；c.同类型单糖分子中若碳原子个数相同，构造相同。（二）单糖构型的基础知识a.具有一个或一个以上的手性碳原子，可以形成多种构型（2n）；如C6H12O6具有4个手性C，可以形成16种构型异构体。葡萄糖只是其中之一。b.单糖的构型为对映异构；开链结构的构型常用Fischer投影式表示，环状构型常用哈乌氏式表示；,前1,C、构型的确定有相对构型法（D/L系）和绝对构型法（R/S系）两种。,（三）单糖的构象单糖类化合物具有开链和环状结构的构象问题。,开链的锯齿状交叉构象,开链的环状重叠构象,六员环状椅式构象,三、单糖的理化性质 a.物理性质：*无色固体结晶或粉末；*易溶于水（20，葡萄糖溶解度87.67g，果糖 溶解度374.78g），不溶于有机溶剂；*具有旋光性（如D-葡萄糖水溶液20 下比旋光度 为52.5,D-果糖为-92.4），水溶液中有变旋光现象；*有甜味（如固体单糖，果糖相对甜度173，蔗糖100,葡萄糖74，甘露糖32）。b.化学性质：,几种需要掌握的反应：a.变旋现象及其机理,b.结构互变及其机理,碱对此过程有催化作用,以上反应是重要的鉴定反应，对各类糖均适用,2.1.3 寡糖（低聚糖）一、定义及分类定义：由少数几个（210个）单糖或其衍生物通过糖苷键相互结合形成的聚合物。如：,*按苷键类型,二、重要低聚糖举例,类型：*按来源,*按单糖种类,水苏糖,2.1.4 多糖及糖缀合物多糖一、定义及分类*定义：由许多单糖或单糖衍生物通过糖苷键相互连接形成的、在自然界分布非常广泛的物质（纤维素、淀粉等）。*分类：,二、多糖物质的通性大多为固体物质；水中溶解度较单糖及低聚糖小，且只形成胶体溶液，不形成真溶液；没有甜味；旋光但无变旋性；无还原性，不发生羰基特有的化学反应；可由其大量羟基与众多物质反应形成大量的衍生物。三、多糖举例1.淀粉、糖原 种类 组成的单糖 苷键类型 分子量 支链多少 鉴别方法 直链淀粉 葡萄糖 1,4-糖苷键 6万 无 与I2显蓝色支链淀粉 葡萄糖 1,4、1,6糖苷键 5万100万 较多 与I2红紫色 糖原 葡萄糖 同上 500万 多 与I2无变化,2.纤维素、半纤维素和菊糖 种类 存在 组成 键型 分子量 有无支链 理化性质 纤维素 植物的骨架 葡萄糖 1,4糖苷键 540万 无 不溶于水但可溶 于铜盐的氨水溶液半纤维素 植物细胞壁 杂多糖*比较复杂 较少 菊糖 许多植物中 呋喃果糖 约数千 无 溶于热水，少量葡糖 有还原性*半纤维素包括两种基本类型，即多缩己糖和多缩戊糖，如多缩甘露糖和多缩半乳糖为多缩己糖，多缩木糖和多缩阿拉伯糖为多缩戊糖。这些半纤维素又大多是杂多糖，一般其中包括24种甚至更多的单糖。3.果胶、甲壳质 种类 存在 组成 键型 分子量 有无支链 理化性质果胶酸 植物初生细胞中 半乳糖醛酸 1,4-糖苷键 中等 无 溶于水及碱果胶酯酸 同上 半乳糖醛酸被 同上 中等 无 可在水溶液 一定程度酯化 中形成凝胶甲壳质 甲壳动物 N-乙酰葡糖胺 1,4糖苷键 较大 无 在水、酸、壳中 碱中均不溶,2.1.4.2 糖缀合物 糖（单糖、低聚糖或多糖）以共价键结合其他有机成分所形成的物质，如甙类、糖蛋白类、糖脂类等。一、甙类：单糖或低聚糖与其它非糖物质结合形成的物质，如皂甙、黄酮甙、酚甙等。,二、糖蛋白或蛋白多糖 糖同蛋白质的共价结合物。糖结合到作为主体的蛋白质分子上，为糖蛋白；反之蛋白结合到作为主体的多糖分子上，叫蛋白多糖。糖与蛋白质通常有两种连接方式：O-糖苷键型，即以丝氨酸、苏氨酸及羟基赖,氨酸等的羟基与糖中的半缩醛羟基形成苷键的；N-糖苷键型，即以天冬氨酸的酰胺基、N-末端氨基酸-氨基以及赖氨酸、精氨酸的-氨基与糖半缩醛羟基形成的苷键。三、糖脂：糖和脂类化合物以共价键相互连接形成的新的化合物,糖基酰基甘油,2.2 脂化学2.2.1 脂类化合物的类型、自然界分布及生物学作用 一、定义及基本类型 广泛分布于自然界，具有脂类基本属性（不溶解于水，易溶解于有机溶剂）的一类化合物。二、分类：按照不同的途径，可有不同的分类方式；如按照功能可分为储存脂类（白色脂肪组织）、结构脂类（膜脂）和活性脂类三类（教材）.按照组成和结构：,还有其它一些分类，如：,三、主要的生物学作用,2.2.2 脂类主要的组成成分脂肪酸 一、常见类型及基本结构 A、饱和脂肪酸（碳链中不含C=C)a.常见种类：酪酸（4C）、己酸（6C）、辛酸（8C）、羊脂酸（10C）、月桂酸（12C）、肉豆蔻酸（14C）、棕榈酸（16C，软脂酸）、硬脂酸（18C）、花生酸（20C）、山嵛酸（22C）b.主要结构特点：偶数C、直链、不含C=C。,B、不饱和脂肪酸 a.常见种类：一烯酸：月桂烯酸（C12、顺9）、豆蔻烯酸（C14，顺9）、棕榈油酸（C16，顺9）、油酸（C18，顺9）、反油酸（C18，反9）、芥酸（C22，顺13）；二烯酸：亚油酸（C18，顺9、顺12）、癸二烯酸（C10，反2、顺4）、十二碳二烯酸（顺2、顺4）；三烯酸：亚麻酸（C18，顺9、顺12、顺15）、亚麻酸（C18，顺6、顺9、顺12）、桐酸（C18，顺9、反11、反13）、桐酸（C18，反9、反11、反13）多烯酸：花生四烯酸（C20，5,8,11,14）、EPA（C20，5,8,11,14,17）、DHA（C22，4,7,10,13,16,19),b.主要结构特点：偶数C、直链、含一个或多个C=C、C=C构型多为顺式。二、常见脂肪酸的数字名称 除了按国际系统命名法外，脂肪酸还有简化的数字名称；一般为：n(碳原子总数):m(双键个数）双键位次及构型,如软脂酸：16:0 油酸：18:19 亚油酸：18:2c9,c12（c常省略）,另外，在自然界还存在少量奇数C的脂肪酸，如在昆虫中发现的十五碳酸、十七碳酸等。特点：种类较少、可看作常见种类的衍生物、多出现于天然药物中。,C、特殊（稀有）脂肪酸 举例：,二、常见脂肪酸基本的结构特点 1.长的偶数碳链；多数包含1420个碳；2.碳链无分支；3.不饱和脂肪酸中的双键大多为顺式构型；4.不饱和脂肪酸靠近羧基端的第一个双键大多在9、10C之间；三、对人体的必需性 脂肪酸是脂类物质的主要组成部分，也是脂类发挥营养作用的主要成分。按照脂肪酸对人体的必需性，可以把食物脂类成分中所含的脂肪酸分作必需脂肪酸和非必需脂肪酸两类。必需脂肪酸指那些人体不能合成，必需从食物中获得的那些脂肪酸类物质；主要包括那些不饱和脂肪酸特别是高度不饱和的脂肪酸。目前人们普遍认识到的对人体有特殊意义的必需脂肪酸包括亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸、二十二碳六烯酸（DHA）等。非必需脂肪酸指那些人体可以合成，一般不需要从食物中获得的脂肪酸；主要包括大多数饱和脂肪酸及一些低不饱和脂肪酸。这些类型的脂肪酸不仅人体不太需要，而且过分摄入会提高血中低密度脂蛋白的含量，降低高密度脂蛋白的含量。而这正是动脉血管粥样硬化的主要危险因子。,2.2.3 油脂（甘油三酯）类的基本结构和性质 一、结构通式与存在,甘油三酯类广泛存在于动植物体内，视其熔化温度的高低习惯分为油和脂两种。一般植物所含三脂酰甘油熔化温度低，常温下呈液态，称为油；动物所含三脂酰甘油酯熔化温度较高，常温下呈固态，称为脂。甘油三酯类也可能形成旋光异构体，条件为R1R3。而甘油单酯、甘油二酯也可以形成旋光异构体。,二、基本性质（一）物理学性质*熔点：三脂酰甘油的熔点随其中所含脂肪酸的饱和程度、链长及数目的变化而变化，饱和程度越高、脂肪酸链长越长、饱和脂肪酸的数目越多，熔点越高。如猪脂肪中油酸含量50%，熔点3640；人脂肪中油酸含量70%，熔点17.5；而一般植物油中含大量不饱和脂肪酸，故呈液态。*溶解度：三脂酰甘油不溶于水而溶于乙醚、氯仿、苯等有机溶剂；二脂酰甘油及单脂酰甘油在水中可以形成高度分散态（两亲性物质），可用于食品加工中使食品更易均匀。*晶型：油脂在固体状态下可以形成晶体，不同种类的甘油三酯形成的晶体类型有差别；同种甘油三酯分子在不同的条件下也可能形成不同的晶型。不同的晶型其稳定型、熔化温度不同，食品加工的性能也有差异。*沸点：由于天然油脂类均为混合物，因此没有固定的沸点。当油脂加热至开时，一般温度较高（300左右），此时往往伴随着低沸点物质的挥发。,（二）基本化学性质,油脂水解,油脂酯交换,酸败及氧化,油脂的催化氢化,油脂碘值的测定,乙酰化值测定,2.2.4 磷脂类物质 一、磷脂类物质的存在、功能及基本结构 磷脂类物质是生物膜（细胞膜、核膜、线粒体膜等）的主要构成物质，对于细胞及亚细胞结构的形成及细胞功能发挥起着非常重要的作用。磷脂类物质的结构通式及常见种类如：,尽管磷脂结构中的R1、R2均为脂肪酸，但其种类通常有一些差别；R1多为饱和的脂肪酸，如硬脂酸、软脂酸；而R2则多为不饱和脂肪酸，如油酸、亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸等。二、理化性质（一）物理学性质,磷酸甘油酯典型的物理性质是其具有“两亲性”。即既可溶于水，也可溶于有机溶剂的性质。在水中可以以胶束、胶团等有组织的分子形态存在，这是作为膜材料的基础。（二）化学性质 磷酸甘油酯的化学性质包括氧化作用、水解作用等。氧化指在空气中受氧作用逐渐变黑的过程，其本质是其中不饱和脂肪酸被氧化为过氧化物；水解作用有两方面，其一在弱碱作用下，脂肪酸与甘油的酯键断裂；其二为生物体内存在有磷酸甘油酯酶，这些酶可将磷酸甘油酯完全水解。,2.2.5 鞘脂类（Sphingolipids)鞘脂类也是生物膜重要的组成成分，在植物和动物体内（特别是哺乳动物中心神经系统的组织中）有丰富的存在。,2.2.6 蜡（Waxes）由高级一元醇与高级脂肪酸所生成的高级饱和一元酯。不溶于水，熔点比脂肪高，一般为固体，不易水解。多为动物的分泌物，主要起保护作用。蜂蜡：三十醇的棕榈酸酯（C15H31COOC30H61）中国虫蜡：二十六醇的二十六酯（C25H51COOC25H51）羊毛蜡：三羟蜡酸环醇酯（胆固醇）鲸蜡：十六醇棕榈酸酯（C15H31COOC16H33）,2.2.7 糖脂 脂类化合物的含糖衍生物。如：,2.2.8 脂蛋白 脂类物质与蛋白质的松散结合物，也有通过共价键结合的（锚定）。一、细胞膜脂蛋白：存在于细胞膜上的脂质和蛋白质的组合形式。,二、血浆脂蛋白：血脂的转运形式；包括乳糜颗粒（CM）、极低密度脂蛋白（VLDL）、低密度脂蛋白（LDL）、高密度脂蛋白（HDL）。,图6.3 血浆低密度脂蛋白(LDL)结构示意图 CE：胆固醇酯；FC：游离胆固醇；ApoB100：载脂蛋白B100 PL：磷脂,2.3 核酸化学（Nucleic acid chemistry）2.3.1 核酸的类型和基本组成,核苷酸：NMP,dNMP,2.3.2 碱基及核苷酸的性质 一、物理性质：核苷酸为无色粉末或结晶；易溶于水，不溶于有机溶剂；具有旋光性；在240290nm波段有强吸收峰，最大 260nm。二、化学性质 A、碱基的互变异构：碱基均可发生酮式和烯醇式或胺式和亚胺式的互变异构，在生命体内主要以酮式或胺式存在。,B、形成氢键：不同的碱基之间可以通过氢键相互连接；在DNA分子中氢键的形成是固定搭配，即A-T、G-C，结合形式为：,C、核苷酸的两性与等电点：由于核苷酸分子中既有中等酸性的磷酸基，也有显碱性的氨基及亚胺基，因而在溶液中核苷酸既可与酸反应，也可与碱反应，呈现两性，有等电点（pI）。例如：,A T G C,D、发生于核苷酸上的其它反应,2.3.3 DNA的结构 一、DNA在自然界的存在及生物学作用 主要存在于生物细胞的细胞核中。在生物遗传中处于中心（核心）地位。发挥着重要的决定作用。,分子遗传学中心法则,二、DNA的一级结构（化学结构）,To RNA,DNA一级结构的本质是不同的核苷酸通过磷酸二酯键相互连接形成链状结构，称为多聚脱氧核苷酸链。由于各个组成单位（核苷酸）中糖和磷酸是相同的，不同的只是碱基，因此DNA一级结构可以缩写为：,在缩写结构式，特别是只用碱基表示的缩写式中，约定俗成的是左边为脱氧核苷酸链的5端，而右边则为3端。,三、DNA的二级结构 由于DNA分子中碱基之间有形成氢键的强烈趋势，因此DNA二级结构的主要特点是两条链反向平行并相互结合，进而拧成双股螺旋：,此反向平行的多聚核苷酸链在生物体内的主要存在形式是右手双螺旋结构，也称为B-DNA结构。这种结构的要点为：,DNA分子由两条多聚脱氧核糖核苷酸链组成。两条链沿着同一根轴平行盘绕，形成右手双螺旋结构（也把此结构简称为右手双螺旋结构）。螺旋中的两条链方向相反，即其中一条链的方向为53，而另一条链的方向为3 5；嘌呤碱基和嘧啶碱基位于螺旋的内侧，磷酸和糖基位于螺旋外侧。碱基环平面与螺旋轴垂直，糖基环平面与碱基环平面成90角；螺旋横截面的直径约为2.37nm，每条链相邻两个碱基平面之间的距离为0.33nm，每10个核苷酸对形成一个螺旋，其螺距高度为3.40 nm；两条DNA链相互结合以及形成双螺旋的力是链间所形成的氢键。两条链上的碱基呈现严格的对应（互补）关系。,To modern eyes,the structure of DNA is both elegant and obvious.DNA is now a cultural icon,synonymous with the concept of information storage and retrieval.As mentioned,the correct structure of DNA was proposed in 1953 by James Watson and Francis Crick(they were research students at the Henry Cavendish Laboratory of Cambridge University).The investigation that led to this remarkable discovery is instructive for several reasons.First,as often happens in scientific research,The road to the elucidation of DNA structure was long,frustrating,and tortuous.Living organisms are so complex that discerning any aspect of their function is extraordinarily difficult.A second,more concrete reason for the length of the discovery process is that the development of new concepts often requires the integration of information from several scientific disciplines.(From Trucy Mckee and James R.Mckee,Biochemistry:An introduction),B-DNA结构有特殊的稳定性，这是因为有三种力来维持这种结构的稳定：第一种力是互补碱基之间的氢键，两条链通过这种力相互结合；第二种力是螺旋中心的碱基堆积力，这种力是由于芳香族碱基的 电子之间相互作用而引起的。DNA螺旋中碱基层层堆积，形成了一个疏水区间，在此区间碱基之间通过氢键相互结合；第三种力是DNA螺旋外周磷酸基上所带的大量的负电荷，与细胞中大量存在的正离子（如Na+、K+、Mg2+、Mn2+等）之间的静电引力。这三种力，碱基堆积力是维持DNA双螺旋稳定的主要因素。另外，经过研究证明，DNA的二级结构还有其它类型的双螺旋结构（主要包括两种类型：A型双螺旋结构在相对湿度75%的条件下获得，也为右手双螺旋，但螺距较大；Z型双螺旋结构，具有CGCGCG特征性序列，左手螺旋，磷酸基呈Z字形）和三螺旋结构结构（化学合成得到，各链均由单核苷酸形成）。,四、DNA三级结构 DNA的三级结构一般是DNA双螺旋链在空间的存在方式。直线型当然是其一种，另外还有开环型、闭环超螺旋等。,DNA三级结构的几种情况 a.直线型双螺旋 b.开环型结构 c.共价型闭环超螺旋结构,2.3.4 RNA结构 一、RNA一级结构 RNA一级结构与DNA一级结构相似，即多聚核苷酸链是由核苷酸以3,5-磷酸二酯键相互连接形成链状结构。所不同的是DNA由脱氧核苷酸形成，而RNA由核苷酸形成；RNA分子种稀有碱基的种类和数量要远多余DNA；一般情况下，RNA的分子量要小于DNA。二、RNA的种类和高级结构（一）RNA的种类及生物学作用,（二）RNA高级结构*mRNA的二级结构为直线型或接近直线型。一般情况下，当mRNA在DNA指导合成后，均要进行适当的后加工，通常为结构上的一些变化。如真核细胞中会在其新合成的mRNA3-末端加上长约200个残基的多聚腺苷酸(poly(A)。Poly(A)的形成与mRNA的转移和半衰期有关。原核细胞中的,mRNA其5-端总会形成一个特殊的“帽子”结构，即5-端的鸟嘌呤N7被甲基化；这种结构与原核细胞mRNA的抗核酸酶作用及蛋白质合成的起始有关。*tRNA的二级结构：tRNA的二级结构一般认为是“三叶草”形，此结构由一条多聚核苷酸链盘绕而成；其中包含三（或四）个环，即二氢尿嘧啶（DHU）环、反密码环、TC环或额外环；四个臂，其中无环的为氨基酸臂，与之相对的是反密码臂。这种结构对于蛋白质的合成具有重要的意义。,tRNA的三级结构一般认为是倒L形；这是tRNA发挥其生物学功能的活性构象。,*rRNA的结构：核糖体中含有多种rRNA，真核细胞核糖体中的rRNA数目还要远大于原核细胞。这些rRNA以自身独特的二级或三级结构相互结合分别形成核糖体的两个亚基。这两个亚基在蛋白质合成以前是相互分离的，但当蛋白质合成启动后，它们迅速结合，形成蛋白质合成的有效工具。其中的一些rRNA在蛋白质合成中还发挥控制、校正等作用。,Several different kinds of rRNA and protein are found in each type of ribosomal subunit.The large ribosomal subunit of E.coli,for example,contains 5S(S is an abbreviation for the Svedberg(or sedimentation)unit,which is a measure of sedimentation velocity in a centrifuge.)and 23S rRNAs and 34 polypeptides.The small ribosomal subunit of E.Coli contains a 16S rRNA and 21 polypeptides.A typical large eukaryotic ribosomal subunit contains three rRNAs(5S,5.8S,and 28S)and 49 polypeptides;the small subunit contains an 18S rRNA and approximately 30 polypeptides.,rRNA structureAlthough their sequences differ,the three-dimensional structure of these 16-S-like rRNAs from(a)E.coli and(b)Saccharomyces cervisiae(yeast)appear remarkably similar.,2.3.5 核酸主要的化学性质 一、两性及等电点 由于核酸分子中既含有酸性基团（磷酸基），也含有碱性基团（碱基），因此核酸类物质也具有两性及等电点。由于核酸中的酸性基团是一个中等强度的酸，因此其等电点比较低，如DNA的等电点为44.5，RNA为22.5。DNA和RNA的等电点有差别的原因是RNA分子中每一组成单位上的核糖具有2羟基，而此羟基可以促进磷酸基上质子的解离。,二、核酸的水解 由于核酸中含有磷酸二酯键，因此可以在不同条件下发生水解反应。（一）化学水解 化学水解指在酸性或碱性条件下的水解反应。无论是RNA或DNA，均可在酸或碱的催化下发生水解反应，从而导致多聚核苷,酸（或脱氧核苷酸）链发生断裂，破坏RNA或DNA的一级结构。在同样的酸或碱条件下，DNA水解的速度小于RNA。例如，在0.1mol/L的NaOH溶液中，RNA几乎可以完全水解，但DNA基本不受影响。其原因仍然与核糖分子中是否带2羟基有关。2羟基在水解过程中可以发挥碱性催化作用，导致RNA比DNA容易水解。,DNA和RNA在耐受水解断裂上的差别有重要的生物学意义，既保证了DNA作为遗传中心物质的地位，也保证了RNA主要作为遗传信使的机动灵活性。,（二）生物水解 生物水解指在生物体内由酶所催化的水解反应。酶可以在生理条件下，在水的参与下，导致核酸分子中的磷酸二酯键发生断裂而完成水解过程。生物体内存在有大量的作用方式及作用位置不同的核酸水解酶。,作为核酸化学及基因技术中的重要工具，核酸限制性内切酶有重要的应用价值。这种酶可以专一性的水解核酸分子中某些特定的碱基序列（基因）。（三）核酸的变性、复性与杂交 这是相互关联的，可看作一个过程中的三个阶段。而这个过程是核酸的物理变化过程。,A、核酸的变性 核酸的变性指在一定的条件下，核酸的高级结构遭到破坏，导致核酸的生物活性受到影响甚至完全丧失的过程。,核酸变性的本质是核酸双螺旋区链间的氢键断裂，变成单链结构，但核酸的一级结构并未发生变化。可以导致核酸发生变性的因素包括温度、pH、一些化学物质（如尿素、甲醛等）的存在等。由于DNA分子是完全的双螺旋结构，而RNA通常只是部分双螺旋结构，因此DNA变性所引起的某些方面的变化比较明显。如在260nm的紫外吸收可以增加2540%；而RNA一般只增加约1.1%。B、核酸的复性 核酸的复性指在合适的条件下，两条彼此分开的多聚核苷酸链重新缔合成双螺旋结构的过程。复性后，核酸的生物学活性可以得到部分恢复。复性的化学本质是两条核苷酸链间的氢键重新形成。在基因技术等过程中应用较多的是DNA的复性。DNA复性的程度与条件控制有密切的关系，如加热变性后的DNA在猛然降温的情况下复性的程度很差，但在缓慢降低温度的情况下，DNA的双螺旋结构可以得到较好的恢复；另外，相对分子量越大的DNA分子复性比较困难；DNA浓度越大，复性越容易。如果将两种不同的DNA（如人和鼠）放在一起让其变性并复性，还会出现杂交现象，即不同种的DNA链相互结合，结合区域的大小，反映了两种生物同源化的程度。,2.4 氨基酸、蛋白质化学2.4.1 氨基酸化学2.4.1.1 氨基酸的基本结构、组成及分类 一、基本结构,当RH时，具有手性碳原子。,二、组成及分类（一）20种标准氨基酸 按其侧链酸碱性分类：,按其侧链极性分类：非极性氨基酸,极性带电荷氨基酸：,极性不带电荷的氨基酸：,标准氨基酸的结构特点：（1）氨基均在-位（2）有手性的均为L-构型（二）稀有氨基酸和非蛋白氨基酸 稀有氨基酸：在活的生物体内出现几率很低的氨基酸，常为标准氨基酸的衍生物，如：,非蛋白氨基酸：不在蛋白中出现的氨基酸，这类氨基酸种类较多，氨基可以处于不同位置，构型也不一定都是-型。如：,2.4.1.2 氨基酸的理化性质 一、物理性质(一）溶解性质 氨基酸在水中的溶解度（25,g/L）,由于氨基酸为小分子的极性物质，因此在水中均有一定程度的溶解，在稀酸或稀碱中溶解度更大；但由于不同的氨基酸其R-基团的结构和大小不同，因此疏水性也不同，因此溶解度有较大的差异。比较不同的氨基酸，Pro、Arg、Lys水中溶解度最大，Tyr、Asp、Gly最小。(二)旋光性：除甘氨酸外，其余氨基酸均有旋光性；,(三)味感：D-氨基酸大多具有甜味；L-氨基酸甜、苦、鲜、酸诸味皆有；(四)吸收光谱：氨基酸中的苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸分子中由于有共轭体系，因此可以吸收近紫外光。它们的最大吸收波长（max)分别为260nm、275nm、278nm；在吸收最大波长光线的时候还会发出荧光。二、化学性质,氨基酸中氨基可能发生的反应：,氨基酸中羧基可能发生的反应：,氨基酸与茚三酮反应：,现象及范围：与大多数氨基酸反应形成蓝紫色溶液（斑点），最大吸收波长570nm；与脯氨酸、羟脯氨酸反应形成黄色溶液（斑点），最大吸收波长440nm.应用：由于其显色灵敏，检测下限低，因而广泛用在氨基酸定性、定量分析及氨基酸色谱；,2.4.2 多肽化学2.4.2.1 组成、类型及表示,命名：甘氨酰丙氨酰半胱氨酰丝氨酸 缩写：Gly-Ala-Cys-Ser 甘丙半胱丝 规则：自右至左；左边为自由的氨基端，右边为自由的羧基端。,2.4.2.3 多肽的理化性质 一、多肽的两性 由于多肽链上带有氨基、嘧唑基、羧基、巯基等基团，因此多肽类物质具有两性和等电点。二、多肽的水解 a.化学水解：,2.4.2.2 肽键的结构及特点 肽键即是多肽或蛋白分子中连接氨基酸的酰胺键。由于N原子上的未共用电子对与C=O的p,共轭作用，导致C,N之间有部分双键形成，因此肽键上所连接的所有原子（包括C,N,O,H,等）都在同一平面内；由此也导致肽键有顺反两种构型：,酸性水解条件：6mol/LHCl或4mol/LH2SO4105110水解h。此种条件不会引起水解产物的外消旋，但可能破坏色氨酸，部分破坏丝氨酸、苏氨酸，导致天门冬氨酰胺和谷氨酰胺发生水解，增加自由羧基。碱性水解条件：5mol/LNaOH煮沸1020h。色氨酸不被破坏，但其它氨基酸大多会受到不同程度的破坏。b.酶水解 蛋白水解酶均可将多肽水解。三、多肽的外消旋 多肽外消旋的本质是其中氨基酸通过烯醇式发生外消旋。一般在较高温度下加热，氨基酸有外消旋的可能。如在135 下保温10h，缬氨酸将有1%由L构型转变为D构型。这种变化对于多肽发挥其生物学活性的影响是巨大的。四、颜色反应 与氨基酸的显色反应相近似，多肽也能发生多种显色反应。如与硝酸反应显黄色，与双缩脲反应显蓝色等。这些显色反应在多肽类物质定性、定量分析中有重要的用途。,2.4.2.4 天然存在的重要多肽*脑啡肽：+H3N-Tyr-Gly-Phe-Met-COO-+H3N-Tyr-Gly-Phe-Leu-COO-由于脑啡肽类物质具有与大脑吗啡受体强的亲合力，显示了与吗啡相似的镇痛作用。,*激素类多肽：是一类由生物体内多种腺体分泌产生的具有激素作用的多肽；如胰岛素、生长激素、催产素等。牛催产素的结构为：,*抗生素类多肽：由细菌分泌产生，许多具有良好的抗菌性能；这类多肽常含D-氨基酸和非蛋白氨基酸。如短杆菌肽：,*谷胱甘肽（GSH）：广泛存在于动植物，在生物氧化还原反应中发挥作用。,2.2.4.5 人工获得的功能性多肽 通过利用蛋白酶制剂对不同来源的蛋白质进行水解，可以获得多种多样的食品功能性多肽。如呈味肽、抗氧化肽、抗菌肽、降血压肽等。这类多肽的分子量均不大，一般其中所含的氨基酸数目在10个左右。制备食品功能性多肽利用的蛋白质其来源非常广泛，可以是植物性蛋白，如由大豆蛋白水解已经得到了大量的功能性多肽且在食品中获得了广泛的应用；也可以是动物性蛋白，如由鸡卵清蛋白获得了抗菌肽，由鱼蛋白中获得了抗氧化蛋白等。,2.4.3 蛋白质化学2.4.3.1 蛋白质的组成、分类及生物学功能 一、蛋白质的元素组成：由主要的有机元素（C、H、O、N、S）组成，各元素间质量比比较固定：C,5055%；H,68%；O,2030%；N,1518%；S,04%实际应用：按蛋白质平均含氮16%，可通过测定样品中N含量，求出样品蛋白质含量：N含量(g)6.25/样品重(g)二、蛋白质分类：,三、蛋白质的生物学功能 催化功能：酶类蛋白具有催化生化反应的功能；转运功能：生物体内一类专门负责转运物质的蛋白质，如人血液中的血红蛋白、金属蛋白等；结构功能：动物肌体的形成体现了蛋白质的结构功能，如胶原蛋白等；营养和储存功能：蛋白是营养物质；生物体内蛋白还有储存物质的作用；防御功能：免疫球蛋白具有抵御外来细菌、病毒侵扰作用，纤维蛋白原有 防止大量出血的作用；调节功能：生物体内的许多具有调节（代谢、物质转运等）作用的物质是蛋白质，如胰岛素等。运动功能 信息传递功能,2.4.3.2 蛋白质的结构 一、结构层次及其意义,二、蛋白质的一级结构（化学结构）蛋白质的一级结构指蛋白质多肽链中氨基酸的种类、数量、连接顺序及二硫键的位置。举例：胰岛素的一级结构,蛋白质分子中连接各个氨基酸的键仍为肽键，但蛋白质中一级结构中多了二硫键这种共价键。二硫键不仅使蛋白质分子在同条链中形成链的回折，也能在不同链间形成连接。这种键在特定条件（如还原剂存在）下可以打开，也可以重新形成。由于蛋白质一级结构中连接各个单位的键为共价的强键，因此一般比较稳定。蛋白质一级结构的表示方法与多肽相同。,蛋白质的一级结构特别是氨基酸的种类和顺序，对于蛋白质的高级结构形成及正常发挥功能是很重要的。这是因为一级结构中某些位置上特别是关键位置上氨基酸种类的变化，将直接影响蛋白质高级结构能否正确形成，而蛋白质合适恰当的高级结构的形成对于蛋白质能否发挥作用是至关重要的。三、蛋白质的二级结构（一）二级结构的定义及成因 蛋白质的二级结构指蛋白质多肽主链围绕单键发生旋转所形成的局部的有一定稳定性的空间构象。,（二）二级结构的类型 A、-螺旋,-螺旋是蛋白质分子中一种常见的二级结构，其主要特征为：,(1)多肽主链围绕中心轴形成周期性规则的右手（常见）或左手螺旋状构象；,(2)右手螺旋中每圈包含3.6个氨基酸残基，螺距0.54nm；(3)螺旋中各氨基酸的侧链一律朝外，螺旋内肽链上的羰基氧和氨基氮之间通过氢键相互连接，氢键键轴与螺旋中心轴相垂直；,B、-折叠 蛋白质多肽链中不同链段、两条或多条多肽链，当它们比较伸展且可以相互靠近时，相邻主链上的羰基和氨基可以通过氢键相互结合形成-折叠结构；-折叠结构中所有肽键都参与了氢键的形成；-折叠结构中多肽链主链取锯齿状折叠构象；-折叠结构可分为平行和反平行两种。,C、-转角（回折结构、-弯曲结构、发夹结构）某些难以形成氢键的氨基酸（如脯氨酸等）常是形成-转角的主要原因；此局部结构有利于蛋白质分子紧密球状结构的形成；-转角结构均由4个氨基酸残基形成；第一个氨基酸和第四个氨基酸之间通过氢键相互连接；,还可根据扭转构象的不同，分作、等类型。D、无规卷曲：指蛋白质分子中呈无规则卷曲状态的那部分肽链。,（三）二级结构的主要特点：A、蛋白质分子的二级结构是其整体结构的一部分，常由同一条多肽链中的局部或不同肽链中的局部形成。B、蛋白质分子的二级结构在生理条件下是稳定的。C、形成并稳定蛋白质二级结构的主要原因是氢键。四、蛋白质分子的超二级结构及结构域 近年来在研究蛋白质结构、功能时常引入超二级结构和结构域的概念，作为蛋白质二级与三级结构之间的一种过渡态结构层次。（一）超二级结构 超二级结构的概念是由MRossmann于1973年提出的，它是指若干相邻的二级结构中的结构单元彼此相互作用，形成有规律的空间上能够辨认的二级结构组合体。如下图中所示的(a)、(b)、(c)三种超二级结构。,（二）结构域 结构域的概念由Wetlauker于1973年提出，指在二级结构、超二级结构的基础上形成的三级结构的局部折叠区域，也可看作蛋白质亚基结构中明显分开的紧密球状的结构区域。结构域般由100200个氨基酸残基组成，常有一些结构特点，如富含某些特殊的氨基酸。,结构域常与一些特定功能有关，如与催化活性有关(激酶结构域)，或与结合功能有关(如膜结合域，DNA结合域)等。分子质量大的蛋白质常有多个结构域，如纤维连接蛋白，它由两条多肽链通过近C端的两个二硫键相连而成，含有6个结构域，各个结构域分别执行一种功能，如与细胞、胶原、DNA和肝素等结合的结构域。,结构域1,结构域2,溶菌酶,五、三级结构 蛋白质的三级结构是指整条肽链中全部氨基酸残基的相对空间位置，也就是整条肽链所有原子在三维空间的排列方式。三级结构的主要特点为：1.整体结构可看作距离较远的氨基酸之间相互作用（氢键、静电等）而使多肽链弯曲或折叠形成的；2.具有一定的刚性，空间形象为球形或接近于球形；3.极性的R基团由于亲水性大部分位于分子外表，而非极性的R基团则位于分子内部，从而在分子内部造成一个疏水环境；,肌红蛋白的三级结构,六、蛋白质的四级结构 许多蛋白质分子含有两条或多条多肽链。在这些分子中每一条多肽链都有其完整的三级结构，称为蛋白质的亚基；亚基与亚基之间呈特定的三维空间排布，并以非共价键相连接和相互作用所形成的空间结构，称为蛋白质的四级结构。四级结构的主要特点是：1.由两条或两条以上多肽链（亚基）结合形成；2.各多肽链均有特定的三级结构；3.结合形式也有特定的空间形象；,血红蛋白的3D结构,七、蛋白质三级、四级结构形成的主要原因,a.带电荷基团间的静电引力；b.氢键；c.非极性基团间的范德华力；d.极性基团之间作用力；e.二硫键；f.酯键。,2.4.3.3 蛋白质的一些特性 胶体性质 现象：蛋白质的水溶液比较稳定，无其它条件影响时不发生沉淀；此溶液还具有布朗运动、电泳、不能通过半透膜等胶体性质；在一定条件下蛋白质溶液可以变为凝胶，豆腐、奶酪等就是蛋白质凝胶。解释：尽管蛋白质的分子量很大，但由于其分子表面具有大量的亲水基团，这些基团结合大量水分子形成水化膜；带有水化膜的胶体颗粒表面带有相同的电荷，导致相互排斥而难以沉淀。凡是能够破坏胶体水化膜或中和电荷的条件均可使蛋白质发生沉淀；常用来使水溶液中蛋白质发生沉淀的试剂包括脱水剂（如甲醇、乙醇、丙酮等）、中性盐（如Na2SO4、(NH4)2SO4等）、重金属盐（如HgCl2、AgNO3、PbAc2、FeCl3等）等类型。应用：制备蛋白质溶液及凝胶。两性及等电点 现象：水溶液中的蛋白质既可与酸反应，也可与碱反应（两性）；在一定pH（等电点）条件下，蛋白质分子表面对外表现为零，此时容易沉淀。解释：蛋白质多肽链上既带有大量的酸性基团，如羧基、巯基，也带有大量的碱性基团，如氨基、咪唑基、胍基等，因而具有两性和等电点。应用：蛋白质电泳。,蛋白质变性 现象：应用一定的条件，可以使蛋白质的生物活性丧失，把这个过程称为蛋白质变性；在某些情况下如果撤消所加条件，蛋白质活性又可全部或部分恢复，称为复性。解释：蛋白质的生物活性有赖于其高级结构，应用一些化学条件，如加热、加入重金属离子、有机溶剂等，可以破坏氢键、离子键等维系高级结构的作用力，高级结构被破坏，生物活性即告丧失。但此时蛋白质的一级结构并未受到影响。应用：肉制品加工、食品中酶活性的破坏、消毒灭菌。蛋白质的紫外吸收 由于一般蛋白质分子中总是含有苯丙氨酸、酪氨酸或色氨酸，所以