基礎(chǔ)有機化學 蛋白質(zhì)和核酸.ppt

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1、2021-4-19Amino Acids, Peptides and Protein 2021-4-19 氨 基 酸 的 分 類 、 命 名 、 結(jié) 構(gòu) 、 性 質(zhì) 和 制 備 ；肽 的 結(jié) 構(gòu) 和 肽 鍵 ， 多 肽 結(jié) 構(gòu) 的 測 定 ；蛋 白 質(zhì) 的 分 類 、 結(jié) 構(gòu) 和 性 質(zhì) ；酶 的 組 成 、 分 類 及 催 化 反 應 的 特 性 。核 苷 酸 的 結(jié) 構(gòu) ， 核 酸 的 結(jié) 構(gòu) 和 生 物 功 能 。氨 基 酸 的 結(jié) 構(gòu) 、 構(gòu) 型 、 性 質(zhì) 和 制 備 ；肽 的 結(jié) 構(gòu) 和 肽 鍵 ， 蛋 白 質(zhì) 的 結(jié) 構(gòu) 和 性 質(zhì) 。 2021-4-19蛋 白 質(zhì) 含 氮 的

2、天 然 高 聚 物 ， 生 物 體 內(nèi) 一 切 組 織 的 基 本 組 成 部 分除 水 外 ， 細 胞 內(nèi) 80 都 是 蛋 白 質(zhì) 。 在 生 命 現(xiàn) 象 中 起 重 要 的 作用 。 人 類 的 主 要 營 養(yǎng) 物 質(zhì) 之 一 。如 ： 酶 （ 球 蛋 白 ） 機 體 內(nèi) 起 催 化 作 用 激 素 （ 蛋 白 質(zhì) 及 其 衍 生 物 ） 調(diào) 解 代 謝 血 紅 蛋 白 運 輸 O2和 CO2 抗 原 抗 體 免 疫 作 用蛋 白 質(zhì) 水 解 ， 都 生 成 氨 基 酸 （ P268） 第 一 節(jié) 氨 基 酸 COOH R HH2N 2021-4-19COOHR group氨 基 羧 基

3、 a H = GlycineCH3 = AlanineH2N H 一 .氨 基 酸 的 結(jié) 構(gòu) 、 分 類 和 命名 COOHR HH2N 2021-4-19 組 成 蛋 白 質(zhì) 的 氨 基 酸 除 甘 氨 酸 和 脯 氨 酸 外 ， 其 他均 具 有 如 下 結(jié) 構(gòu) 通 式 。 各 種 氨 基 酸 的 區(qū) 別 在 于 側(cè) 鏈 R基 的 不 同 。 20種 基本 氨 基 酸 按 氨 基 和 羧 基 的 多 少 可 分 為 酸 性 氨 基 酸 、 中性 氨 基 酸 和 堿 性 氨 基 酸 。 （ P268）a-氨 基 酸 可 變 部 分不 變 部 分 一 、 氨 基 酸 的 結(jié) 構(gòu) 、 分 類

4、和命 名 2021-4-19 NH2CH C OHOCH2CHO O 2， 6-二 氨 基 己 酸賴 氨 酸 （ 堿 性 氨 基 酸 ） NH2CH C OHO(CH2)4H2N H2C CO OHNH2 a-氨 基 丁 二 酸天 冬 氨 酸 （ 酸 性 氨 基 酸 ）中 性 :a-氨 基 乙 酸甘 氨 酸 （ 中 性 氨 基 酸 ） 根 據(jù) -NH2和 -COOH的 數(shù) 目 ， 分 類 ： 酸 性 、 中 性 和 堿 性 氨 基 酸 一 、 氨 基 酸 的 結(jié) 構(gòu) 、 分 類 和命 名 2021-4-19 根 據(jù) -NH2和 -COOH的 相 對 位 置 ， 分 類 ： -型 氨 基 酸 、

5、 -氨 基 酸 、 -氨 基 酸 、 -氨 基 酸 營 養(yǎng) 必 需 氨 基 酸 ： 在 人 體 中 不 能 合 成 或 合 成 數(shù) 量 不 足 ，必 需 由 食 物 蛋 白 質(zhì) 補 充 ， 滿 足 人 體 正 常 需 要 ， 此 類 氨 基酸 稱 為 營 養(yǎng) 必 需 氨 基 酸 （ 8種 ） P268。如 ： 賴 氨 酸 、 亮 氨 酸 等 20 standard amino acids 2021-4-19 甘 氨 酸 Glycine 脂 肪 族 氨 基 酸 H 2N CH C H OH O 20 standard amino acids 2021-4-19 脂 肪 族 氨 基 酸 H 2N

6、CH C CH 3 OH O甘 氨 酸 Glycine 丙 氨 酸 Alanine 20 standard amino acids 2021-4-19 甘 氨 酸 Glycine 丙 氨 酸 Alanine纈 氨 酸 Valine 脂 肪 族 氨 基 酸 H 2N CH C CH OH O CH 3 CH 3 20 standard amino acids 2021-4-19 甘 氨 酸 Glycine 丙 氨 酸 Alanine纈 氨 酸 Valine亮 氨 酸 Leucine 脂 肪 族 氨 基 酸 H 2N CH CCH 2 OHO CH CH 3CH 3 20 standard ami

7、no acids 2021-4-19 甘 氨 酸 Glycine 丙 氨 酸 Alanine纈 氨 酸 Valine亮 氨 酸 Leucine異 亮 氨 酸 Ileucine 脂 肪 族 氨 基 酸 H 2N CH CCH OHOCH 3CH 2CH 3 20 standard amino acids 2021-4-19 芳 香 族 氨 基 酸苯 丙 氨 酸Phenylalanine H 2N CH CCH 2 OHO 20 standard amino acids 2021-4-19 堿 性 氨 基 酸精 氨 酸 Arginine賴 氨 酸 Lysine H 2N CH CCH 2 OHO

8、CH 2CH 2 CH 2NH 2 20 standard amino acids 2021-4-19 天 冬 氨 酸 Aspartate 谷 氨 酸 Glutamate 酸 性 氨 基 酸 H 2N CH CCH 2 OHO CH 2C OH O 二 、 氨 基 酸 的 構(gòu) 型 2021-4-19 除 甘 氨 酸 外 ， 氨 基 酸 均 含 有 一 個 手 性 a-碳 原 子 ， 因此 都 具 有 旋 光 性 。 生 物 體 中 具 有 光 學 活 性 的 氨 基 酸 均 為 a -L-型 COOHR HH2N 三 、 氨 基 酸 的 化 學 性 質(zhì) 2021-4-19正 離 子 兩 性 離

9、 子 負 離 子 等 電 點 pIH 3N+ R HCOO-H3N+ R HCOOH H2N R HCOO-OH-H+強 酸 性 溶 液 中 ， 氨 基 酸 主 要 以 正 離 子 存 在強 堿 性 溶 液 中 ， 氨 基 酸 主 要 以 負 離 子 存 在某 PH值 ： 正 離 子 濃 度 負 離 子 濃 度 ， 氨 基 酸 主 要 以 偶極 離 子 形 式 存 在 ， 該 PH值 稱 為 等 電 點 pI （ P268）1.酸 堿 性 2021-4-19 v在 等 電 點 時 ， 氨 基 酸 幾 乎 全 部 以 兩 性 離 子 形 式 存 在 。溶 液 的 pHpI時 ， 氨 基 酸 以

10、負 離 子 形 式 存 在 。 v處 于 等 電 點 的 氨 基 酸 溶 解 度 最 小 。可 以 通 過 測 定 氨 基 酸 的 等 電 點 來 鑒 別 氨 基 酸 。 中 性 氨 基 酸 ： pI=6.2-6.8；v分 子 結(jié) 構(gòu) 不 同 的 氨 基 酸 ， 等 電 點 各 不 相 同 。酸 性 氨 基 酸 ： pI=2.8-3.2；堿 性 氨 基 酸 ： pI=7.6-10.8。 三 、 氨 基 酸 的 化 學 性 質(zhì) 氨 基 酸 的 等 電 點 2021-4-19 通 電 時 ： 等 電 點 時 ， 氨 基 酸 不 向 正 極 也 不 向 負 極 移 動 pH pI， 氨 基 酸 帶

11、負 電 ， 電 場 中 向 正 極 移 動 。 pH pI， 氨 基 酸 帶 正 電 ， 電 場 中 向 負 極 移 動 。 pH = pI， 氨 基 酸 呈 電 中 性 ， 電 場 中 不 移 動 。 等 電 點 時 ， 氨 基 酸 的 溶 解 度 最 小 ， 易 結(jié) 晶 ， 可用 此 性 質(zhì) 分 離 提 純 氨 基 酸 。 2021-4-19 R COCl NH2 CHR COOH R C NHO CHR COOH+ + HCl NH2 CHR COOH C NHO CHR COOH+CH2 O C ClO CH2 O芐 氧 甲 酰 氯 NH2 CHR COOH NH CHR COOH+

12、NO2NO2FNO2NO2 （ 1） 氨 基 的 酰 基 化 （ 2） 氨 基 的 烴 基 化 2021-4-19 (3)和 亞 硝 酸 反 應 R CH COOHNH 2 + HNO2 R CH COOHOH + N2 + H2O 反 應 是 定 量 完 成 的 ， 根 據(jù) 放 出 氮 氣 的量 ， 算 出 樣 品 中 氨 基 的 含 量 。 3 、 脫 羧 反 應 2021-4-19R CHCOOHNH2 R CH 2NH2 + CO2N NHCH2CHNH 2COOH脫 羧 酶組 氨 酸 N NHCH2CH2NH2組 氨 + CO2 2021-4-194、 與 茚 三 酮 的反 應凡 是

13、 有 游 離 氨 基 的 氨 基 酸 都 可 以 和 茚 三 酮 發(fā) 生 呈 紫 色 的 反 應 。茚 茚 三 酮 水 合 茚 三 酮 OOOHO N + 紫 色-CO2， -RCH O-3H 2O互 變 異 構(gòu) 2021-4-195、 氨 基 酸 金 屬 鹽 絡 合 物 的 形成 金 屬 上 有 空 軌 道 ， N上 有 未 共 用 電 子 對 ！ 氨 基 酸 金 屬 鹽 絡 合 物 具 有 很 好 的 結(jié) 晶 形 狀 , 該 反應 可 用 來 沉 淀 和 鑒 別 某 些 氨 基 酸 。 2021-4-19改 進 方 法 ： 用 NH 4CN or NH 4Cl+KCN代 替 H CN+NH

14、 3應 用 ： 產(chǎn) 物 比 原 料 醛 多 一 個 碳 的 氨 基 酸1、 由 醛 和 酮 制 備RCH O + H CN +NH 3 RCH CN +_ NH 2 RCH COO-NH 3+ +_H 3+O 四 、 氨 基 酸 的 合 成 2021-4-192. -溴 化 法應 用 蓋 布 瑞 爾 法 可 以 制 備 很 純 的 氨 基 酸 。RCH COOHNH 2RCH COOHBrRCH 2COOH NH 3Br2P 在 封 管 或 高壓 釜 內(nèi) 進 行3、 蓋 布 瑞 爾 (G abrial)法 + RCH COOCH 3BrNKOO CH COOCH 3NOO R COOHCOOH

15、 + + NH 3CH COO- + CH 3OHRH 3O+ 2021-4-194.丙 二 酸 酯 法 合 成CH 2(COOEt)2 BrCH (COOEt)2ClCH 2CH 2SCH 3 NKOO N-CH(COOEt)2OO NH-C-CH2CH2SCH3COO-O COO-COO- N-C-CH2CH2SCH3OO COOEtCOOEt H3N+-CH-CH2CH2SCH3COO-H Cl Br2 CCl4 NaOC2H 5NaOH 蛋 氨 酸 （ 50%） 烷 基 化 2021-4-19 化 學 合 成 法 合 成 的 氨 基 酸 是 外 消 旋 體 ， 拆 分 后 才能 得 到

16、 -L-氨 基 酸 . 氨 基 酸 的 合 成5.發(fā) 酵 法 ： 氨 基 酸 的 化 學 合 成 1850年 就 已 實 現(xiàn) ， 但氨 基 酸 的 發(fā) 酵 法 生 產(chǎn) 在 一 百 年 后 的 1957年 才 得 以 實現(xiàn) 用 糖 類 （ 淀 粉 ） 發(fā) 酵 生 產(chǎn) 谷 氨 酸 。 發(fā) 酵 法 的 特 點 ： 室 溫 常 壓 ,其 產(chǎn) 品 具 有 生 物 活 性6.蛋 白 質(zhì) 水 解 法蛋 白 質(zhì) 濃 鹽 酸100-120 -氨 基 酸 第 二 節(jié) 多 肽 和 蛋 白 質(zhì)H 2N CHR1 COOH H2N CHR2 COOH+ -H2O+H2OH2N CHR1 CO NH CHR2 COOH

17、2021-4-19 一 個 氨 基 酸 的 氨 基 與 另 一 個 氨 基 酸 的 羧 基 之 間失 水 形 成 的 酰 胺 鍵 稱 為 肽 鍵 ， 所 形 成 的 化 合 物 稱 為肽 。 由 兩 個 氨 基 酸 組 成 的 肽 稱 為 二 肽 ， 由 多 個 氨 基酸 組 成 的 肽 則 稱 為 多 肽 。 十 肽 以 下 稱 為 寡 肽 。 組 成多 肽 的 氨 基 酸 單 元 稱 為 氨 基 酸 殘 基 。 一 、 多 肽 的 命 名 C-端 氨 基 酸N-端 氨 基 酸 2021-4-19 CH CO NH2N H CHCH(CH3)2CO NH CH CO NH CH COOHCH

18、2 CH2N HN CH 2COOH 在 多 肽 鏈 中 ， 氨 基 酸 殘 基 按 一 定 的 順 序 排 列 ， 這 種 排 列 順 序稱 為 氨 基 酸 順 序 2021-4-19多 肽 的 結(jié)構(gòu)1） . 肽 鍵 和 肽 的 幾 何 形 狀2） . 二 硫 鍵 SCH 2CH NH 3COO -+ CH 2SCH NH 3COO -+ CH 2SHCH NH 3 COO-+ Na +液 NH 3空 氣 氧 化Cys-Tyr-Ile-G lu-Arg-Cys-Pro-Leu-G ly NH 2SS 牛 催 產(chǎn) 素 C NO HC C sp2雜 化 Disulfide Bonds 2021-

19、4-19 2021-4-19Hair:Straight or curly?燙 發(fā) 的 過 程 是 一 個 舊 二 硫 鍵 還原 打 開 而 后 又 氧 化 形 成 新 的 二硫 鍵 過 程 三 、 蛋 白 質(zhì) 的 結(jié) 構(gòu) 層 次 2021-4-19l 蛋 白 質(zhì) 是 由 一 條 或 多 條 多 肽 (polypeptide)鏈以 特 殊 方 式 結(jié) 合 而 成 的 生 物 大 分 子 。l 蛋 白 質(zhì) 與 多 肽 并 無 嚴 格 的 界 線 ， 通 常 是 將 相對 分 子 量 在 10000以 上 的 多 肽 稱 為 蛋 白 質(zhì) 。在 10000以 下 的 稱 為 多 肽 。 （ 一 ） 一

20、 級 結(jié) 構(gòu) (Primary structure) 2021-4-19l 蛋 白 質(zhì) 的 一 級 結(jié) 構(gòu) : 多 肽 鏈 的 氨 基 酸 順 序 , 及 多 肽 鏈 內(nèi) 或 鏈 間 二硫 鍵 的 數(shù) 目 和 位 置 。l 其 中 最 重 要 的 是 多 肽 鏈 的 氨 基 酸 順 序 ， 它 是 蛋白 質(zhì) 生 物 功 能 的 基 礎(chǔ) 。 （ 二 ） 二 級 結(jié) 構(gòu) 2021-4-19l蛋 白 質(zhì) 的 二 級 (Secondary)結(jié) 構(gòu) 是 指 肽鏈 的 主 鏈 在 空 間 的 排 列 ,或 規(guī) 則 的 幾 何 走向 、 旋 轉(zhuǎn) 及 折 疊 。 它 只 涉 及 肽 鏈 主 鏈 的構(gòu) 象 及

21、鏈 內(nèi) 或 鏈 間 形 成 的 氫 鍵 。l主 要 有 a-螺 旋 、 -折 疊 、 -轉(zhuǎn) 角 。la-螺 旋 由 鏈 內(nèi) 氫 鍵 維 系 ， -折 疊 由 鏈間 氫 鍵 維 系 。 （ 1） a-螺 旋 2021-4-19l 多 肽 鏈 中 的 各 個 肽 平 面 圍 繞 同 一軸 旋 轉(zhuǎn) ， 形 成 螺 旋 結(jié) 構(gòu) ， 螺 旋 一周 ， 沿 軸 上 升 的 距 離 即 螺 距 為0.54nm,含 3.6個 氨 基 酸 殘 基 ； 兩個 氨 基 酸 之 間 的 距 離 為 0.15nm;l 肽 鏈 內(nèi) 形 成 氫 鍵 ， 氫 鍵 的 取 向 幾乎 與 軸 平 行 ， 第 一 個 氨 基 酸

22、殘 基的 酰 胺 基 團 的 -CO基 與 第 四 個 氨基 酸 殘 基 酰 胺 基 團 的 -NH基 形 成氫 鍵 。l 蛋 白 質(zhì) 分 子 為 右 手 a-螺 旋 。 （ 1） a-螺 旋 2021-4-19 2021-4-19折 疊 ： 兩 條 肽 鏈 或 一 條 肽 鏈 的 兩 段 平 行 排 列 。 -折 疊 （ 3） -轉(zhuǎn) 角 2021-4-19l 在 -轉(zhuǎn) 角 （ 回 折 )部 分 ，由 四 個 氨 基 酸 殘 基 組 成 ;l 彎 曲 處 的 第 一 個 氨 基 酸 殘基 的 -C=O 和 第 四 個 殘 基的 N-H 之 間 形 成 氫 鍵 ，形 成 一 個 不 很 穩(wěn) 定

23、的 環(huán) 狀結(jié) 構(gòu) 。l 這 類 結(jié) 構(gòu) 主 要 存 在 于 球 狀蛋 白 分 子 中 。 （ 三 ） 三 級 結(jié) 構(gòu) 2021-4-19l蛋 白 質(zhì) 的 三 級 結(jié) 構(gòu) (Tertiary Structure)是 指在 二 級 結(jié) 構(gòu) 基 礎(chǔ) 上 ， 肽 鏈 的 不 同 區(qū) 段 的 側(cè)鏈 基 團 相 互 作 用 在 空 間 進 一 步 盤 繞 、 折 疊形 成 的 包 括 主 鏈 和 側(cè) 鏈 構(gòu) 象 在 內(nèi) 的 特 征 三維 結(jié) 構(gòu) 。l維 系 這 種 特 定 結(jié) 構(gòu) 的 力 主 要 有 氫 鍵 、 疏 水鍵 、 離 子 鍵 、 范 德 華 力 和 二 硫 鍵 等 。 尤 其是 疏 水 鍵 ，

24、 在 蛋 白 質(zhì) 三 級 結(jié) 構(gòu) 中 起 著 重 要作 用 。 2021-4-19 （ 四 ） 四 級 結(jié) 構(gòu) 2021-4-19l 蛋 白 質(zhì) 的 四 級 結(jié) 構(gòu) (Quaternary Structure)是 指 由 多條 各 自 具 有 一 、 二 、 三 級 結(jié) 構(gòu) 的 肽 鏈 通 過 非 共 價 鍵連 接 起 來 的 結(jié) 構(gòu) 形 式 ； 各 個 亞 基 在 這 些 蛋 白 質(zhì) 中 的空 間 排 列 方 式 及 亞 基 之 間 的 相 互 作 用 關(guān) 系 。l 這 種 蛋 白 質(zhì) 分 子 中 ， 最 小 的 單 位 通 常 稱 為 亞 基 或 亞單 位 Subunit， 它 一 般 由 一 條 肽 鏈 構(gòu) 成 ， 無 生 理 活 性 ；l 維 持 亞 基 之 間 的 化 學 鍵 主 要 是 疏 水 力 。l 由 多 個 亞 基 聚 集 而 成 的 蛋 白 質(zhì) 常 常 稱 為 寡 聚 蛋 白 ； （ 四 ） 四 級 結(jié) 構(gòu) 2021-4-19 蛋 白 質(zhì) 的 四 個 結(jié) 構(gòu) 層 次 2021-4-19一級結(jié)構(gòu) 四級結(jié)構(gòu)二級結(jié)構(gòu) 三級結(jié)構(gòu)氨 基 酸