第二十章蛋白质和核酸.ppt
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1、第二十章第二十章 蛋白质和核酸蛋白质和核酸 学习要求:学习要求:1、掌握、掌握-氨基酸的结构、两性、等电点、主要化氨基酸的结构、两性、等电点、主要化学性质及制法。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。、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、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。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。、了解酶的组成及酶催化反应的特异性。5、了解核酸(、了解核酸(RNA和和DNA)的组成、结构及核)的组成、结构及核酸的生物功能。酸的生物功能。蛋蛋白白质质和和核核酸酸都都是是
2、天天然然高高分分子子化化合合物物,是是生生命命物物质质的的基基础础。我我们们知知道道,生生命命活活动动的的基基本本特特征征就就是是蛋蛋白白质质的的不不断断自自我我更更新新。蛋蛋白白质质是是一一切切活活细细胞胞的的组组织织物物质质,也也是是酶酶、抗抗体体和和许许多多激激素素中中的的主主要要物物质质。所所有有蛋蛋白白质质都都是是-由由氨氨基基酸酸构构成成的的,因因此此,-由由氨氨基基酸酸是是建建筑筑蛋蛋白白质质的的砖砖石石。要要讨讨论论蛋蛋白白质质的的结结构构和和性性质质,首首先先要要研研究究-由由氨氨基酸。基酸。201 201 氨基酸氨基酸 组组成成蛋蛋白白质质的的氨氨基基酸酸(天天然然产产氨氨
3、基基酸酸)都都是是-氨氨基基酸酸,即即在在-碳碳原原子子上上有有一个氨基,可用下式表示:一个氨基,可用下式表示:天然产的各种不同天然产的各种不同 的的-氨基酸只是氨基酸只是R R不同不同 而已。而已。氨氨基基酸酸目目前前已已知知的的已已超超过过100100种种以以上上,但但在在生生物物体体内内作作为为合合成成蛋蛋白白质质的的原原料料只只有有二二十十种种(见(见P P616616表表20-120-1)。)。1 1分分类类:按按烃烃基基类类型型可可分分为为脂脂肪肪族族氨氨基酸,芳香族氨基酸,含杂环氨基酸。基酸,芳香族氨基酸,含杂环氨基酸。按按分分子子中中氨氨基基和和羧羧基基的的数数目目分分为为中性
4、氨基酸,酸性氨基酸,碱性氨基酸。中性氨基酸,酸性氨基酸,碱性氨基酸。2 2命命名名:多多按按其其来来源源或或性性质质而而命命名名。国际上有通用的符号(见国际上有通用的符号(见P P268268表表20-120-1)。)。3 3构构型型:用用D/D/L L体体系系表表示示在在费费歇歇尔尔投投影影式式中中氨氨基基位位于于横横键键右右边边的的为为D D型型,位于左边的为位于左边的为L L型。例如:型。例如:天天然然氨氨基基酸酸(出出甘甘氨氨酸酸外外)其其他他所所有有-碳碳原原子子都都是是手手性性的的,都都有有旋旋光光性性,而而且且发发现现主主要要是是L L型型的的(也也有有D D型型的的,但但很很少
5、)。少)。存在形式:氨基酸都以偶极离子的形式存在。存在形式:氨基酸都以偶极离子的形式存在。组氨酸组氨酸谷氨酸谷氨酸丙氨酸丙氨酸八个人体必需氨基酸八个人体必需氨基酸缬氨酸缬氨酸亮氨酸亮氨酸异亮氨酸异亮氨酸苯丙氨酸苯丙氨酸苏氨酸苏氨酸蛋氨酸蛋氨酸赖氨酸赖氨酸色氨酸色氨酸 一、一、名称和物理性质名称和物理性质 名名 称称氨基酸的氨基酸的 碳原子(除甘氨酸外)都是手性碳原子。碳原子(除甘氨酸外)都是手性碳原子。其构型的表示方法与糖一样,用其构型的表示方法与糖一样,用D D或或L L表示。表示。每个氨基酸都有俗名,并都用一个缩写符号表示。每个氨基酸都有俗名,并都用一个缩写符号表示。物物 理理 性性 质质
6、大部分的氨基酸在水中有一定的溶解度;大部分的氨基酸在水中有一定的溶解度;酸性的氨基酸在水中的溶解度较差;酸性的氨基酸在水中的溶解度较差;氨基酸在氨基酸在200200度以下都是稳定的;度以下都是稳定的;氨基酸的氨基酸的p pK Ka a为为2 2左右;左右;每一个光学纯的氨基酸都有旋光值。每一个光学纯的氨基酸都有旋光值。二、氨基酸的性质二、氨基酸的性质 1 1、氨基酸的酸、氨基酸的酸-碱性碱性两性与等电点两性与等电点 氨基酸分子中的氨基是碱性的,而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应,羧基是酸性的,因而氨基酸既能与酸反应,也能与碱反应,是一个两性化合物。也能与碱反应
7、,是一个两性化合物。(1 1)两性)两性 氨基酸在一般情况下不是以游离的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。态或水溶液中形成内盐。(2 2)等电点)等电点 在在氨氨基基酸酸水水溶溶液液中中加加入入酸酸或或碱碱,至至使使羧羧基基和和氨氨基基的的离离子子化化程程度度相相等等(即即氨氨基基酸酸分分子子所所带带电电荷荷呈呈中中性性处处于于等等电电状状态态)时时溶溶液液的的pHpH值值称称为为氨氨基基酸的等电点。常以酸的等电点。常以pIpI表示。表示。溶液溶液pHpH等电点等电点 等电点等电点(pI)(pI)溶液溶液
8、pHpH等电点等电点 注:注:1 1等电点为电中性而不是中性(即等电点为电中性而不是中性(即pH=7pH=7),在溶液中加入电极时其电荷迁移),在溶液中加入电极时其电荷迁移为零。为零。中性氨基酸中性氨基酸 pI=4.86.3 pI=4.86.3 酸性氨基酸酸性氨基酸 pI=2.73.2pI=2.73.2 碱性氨基酸碱性氨基酸 pI=7.610.8pI=7.610.8 2 2等电点时,偶极离子在水中的溶等电点时,偶极离子在水中的溶解度最小,易结晶析出。解度最小,易结晶析出。2 2、氨基酸氨基的反应、氨基酸氨基的反应 (1 1)氨基的酰基化)氨基的酰基化 氨基酸分子中的氨氨基酸分子中的氨基能酰基化
9、成酰胺。基能酰基化成酰胺。乙酰氯、醋酸酐、苯甲酰氯邻苯二甲乙酰氯、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程中为了保护氨基则用苄氧甲酰氯作为酰化剂。剂。(2 2)氨基的烃基化)氨基的烃基化 氨基酸与氨基酸与RXRX作用则烃基化作用则烃基化成成N-N-烃基氨基酸:烃基氨基酸:氟代二硝基苯在多肽结构分析中用作测定氟代二硝基苯在多肽结构分析中用作测定N N端的试剂。端的试剂。(3 3)与亚硝酸反应)与亚硝酸反应 反应是定量完成的,衡量的放出反应是定量完成的,衡量的放出N N2 2,测定,测定N2N2的体
10、积便可计算出氨基酸只氨基的含量。的体积便可计算出氨基酸只氨基的含量。(4 4)与茚三酮反应)与茚三酮反应 -氨氨基基酸酸在在碱碱性性溶溶液液中中与与茚茚三三酮酮作作用用,生生成成显显蓝蓝色色或或紫紫红红色色的的有有色色物物质质,是鉴别是鉴别-氨基酸的灵敏的方法。氨基酸的灵敏的方法。3 3、氨基酸羧基的反应、氨基酸羧基的反应 氨氨基基酸酸分分子子中中羧羧基基的的反反应应主主要要利利用用它它能能成成酯酯、成成酐酐、成成酰酰胺胺的的性性质质。这这里里值值得得特特别别提提出出的的是是将将氨氨基基酸酸转转化化为为叠叠氮氮化化合合物物的的方方法法(氨氨基基酸酸酯酯与与肼肼作作用用生生成成酰酰肼肼,酰肼与亚
11、硝酸作用则生成叠氮化合物)。酰肼与亚硝酸作用则生成叠氮化合物)。叠叠氮氮化化合合物物与与另另一一氨氨基基酸酸酯酯作作用用即即能能缩缩合合成成二二肽肽(用用此此法法能能合合成成光光学学纯纯度度的的肽)。肽)。三、氨基酸的制备三、氨基酸的制备 氨基酸的制取主要有三条途径:即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。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:氨基酸的合成方法主要有三种:1 1、由醛制备、由醛制备 醛在氨存在下加氢氰酸生醛在氨存在下加氢氰酸生成成-氨基腈,后者水解生成氨基腈,后者水解生成-氨基酸。氨基酸。例如:例如:2 2、-卤代酸的氨化卤代酸的氨化
12、此法有副产物仲胺和叔胺生成,不易纯化。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。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,适用于实验盖伯瑞尔法生成的产物较纯,适用于实验室合成氨基酸。室合成氨基酸。3 3、由丙二酸酯法合成、由丙二酸酯法合成 此法应用的方式多种此法应用的方式多种多样,其基本合成路线是:多样,其基本合成路线是:合成法合成的氨基酸是外消旋体,拆分后合成法合成的氨基酸是外消旋体,拆分后才能得到才能得到D-D-合合L-L-氨基酸。氨基酸。202 202 多多 肽肽 一、多肽的组成和命名一、多肽的组成和命名 1、肽和肽键肽和肽键 一分子氨基酸中的羧基
13、与另一分子氨一分子氨基酸中的羧基与另一分子氨基酸分子的氨基脱水而形成的酰胺叫做肽,基酸分子的氨基脱水而形成的酰胺叫做肽,其形成的酰胺键称为肽键。其形成的酰胺键称为肽键。由由n n个个-氨氨基基酸酸缩缩合合而而成成的的肽肽称称为为n n肽肽,由由多多个个-氨氨基基酸酸缩缩合合而而成成的的肽肽称称为为多多肽。肽。一一般般把把含含100100个个以以上上氨氨基基酸酸的的多多肽肽(有时是含(有时是含5050个以上)称为蛋白质。个以上)称为蛋白质。无无论论肽肽脸脸有有多多长长,在在链链的的两两端端一一端端有有游游离离的的氨氨基基(-NH-NH2 2),称称为为N N端端;链链的的另另一端有游离的羧基(一
14、端有游离的羧基(-COOH-COOH),称为),称为C C端。端。2 2、肽的命名、肽的命名 根据组成肽的氨基酸的顺序称为某氨酰某氨根据组成肽的氨基酸的顺序称为某氨酰某氨酰酰某氨酸(简写为某、某、某)。某氨酸(简写为某、某、某)。例如:例如:很多多肽都采用俗名,如催产素、胰岛素等。很多多肽都采用俗名,如催产素、胰岛素等。二、多肽结构的测定二、多肽结构的测定 由氨基酸组成的多肽数目惊人,情况十分由氨基酸组成的多肽数目惊人,情况十分复杂。假定复杂。假定100100个氨基酸聚合成线形分子,可能具个氨基酸聚合成线形分子,可能具有有2010020100中多肽。中多肽。例如:例如:由甘氨酸、缬氨酸、亮氨酸
15、三种氨基酸就由甘氨酸、缬氨酸、亮氨酸三种氨基酸就可组成六种三肽。可组成六种三肽。甘甘-缬缬-亮;亮;甘甘-亮亮-缬;缬;缬缬-亮亮-甘;甘;缬缬-甘甘-亮;亮;亮亮-甘甘-缬;缬;亮亮-缬缬-甘。甘。多肽结构的测定主要是作如下工作:多肽结构的测定主要是作如下工作:了解某一多肽是由哪些氨基酸组成的。了解某一多肽是由哪些氨基酸组成的。各种氨基酸的相对比例。各种氨基酸的相对比例。确定各氨基酸的排列顺序。确定各氨基酸的排列顺序。多肽结构测定工作步骤如下:多肽结构测定工作步骤如下:1 1、测定分子量、测定分子量 2 2、氨基酸的定量分析、氨基酸的定量分析 现代方法是将水解后的氨基酸混和现代方法是将水解后
16、的氨基酸混和液用氨基酸分析仪进行分离和测定。液用氨基酸分析仪进行分离和测定。3 3、端基分析(测定、端基分析(测定N N端和端和C C端)端)(1 1)测定)测定N N端(有两种方法)端(有两种方法)2,4-2,4-=硝硝基基氟氟苯苯法法桑桑格格尔尔(Sanger-(Sanger-英国人英国人)法法 2,4-2,4-=硝硝基基氟氟苯苯与与氨氨基基酸酸的的N N端端氨氨基基反反应应后后,再再水水解解,分分离离除除N-N-二二硝硝基基苯苯基基氨氨基基酸酸,用用色色谱谱法法分分析析,即即可可知知道道N N端端为为何氨基酸。何氨基酸。此法的缺点是所有的肽键都被水解掉了:此法的缺点是所有的肽键都被水解掉
17、了:异硫氰酸苯酯异硫氰酸苯酯(Ph-N=C=S)(Ph-N=C=S)法法艾德曼艾德曼(Edman)(Edman)降解法降解法 测定咪唑衍生物的测定咪唑衍生物的R R,即可知是哪种氨基酸。,即可知是哪种氨基酸。异硫氰酸苯酯法的特点是,除多肽异硫氰酸苯酯法的特点是,除多肽N N端的氨端的氨基酸外,其余多肽链会保留下来。这样就可以继基酸外,其余多肽链会保留下来。这样就可以继续不断的测定其续不断的测定其N N端。端。(2 2)测定)测定C C端端 a a 多肽与肼反应多肽与肼反应 所有的肽键(酰胺)都与肼反应而断裂成酰肼,只所有的肽键(酰胺)都与肼反应而断裂成酰肼,只有有C C端的氨基酸有游离的羧基,
18、不会与肼反应成酰肼。这端的氨基酸有游离的羧基,不会与肼反应成酰肼。这就是说与肼反应后仍具有游离羧基的氨基酸就是多肽就是说与肼反应后仍具有游离羧基的氨基酸就是多肽C C端端的氨基酸。的氨基酸。b b 羧肽酶水解法羧肽酶水解法 在羧肽酶催化下,多肽链中只有在羧肽酶催化下,多肽链中只有C C端的氨基酸能逐端的氨基酸能逐个断裂下来。个断裂下来。4 4、肽链的选择性断裂及鉴定、肽链的选择性断裂及鉴定 上述测定多肽结构顺序的方法,对于分子量大的多上述测定多肽结构顺序的方法,对于分子量大的多肽是不适用的。对于大分子量多肽顺序的测定,是将其多肽是不适用的。对于大分子量多肽顺序的测定,是将其多肽用不同的蛋白酶进
19、行部分水解,使之生成二肽、三肽等肽用不同的蛋白酶进行部分水解,使之生成二肽、三肽等碎片,再用端基分析法分析个碎片的结构,最后将各碎片碎片,再用端基分析法分析个碎片的结构,最后将各碎片在排列顺序上比较并合并,即可推出多肽中氨基酸的顺序。在排列顺序上比较并合并,即可推出多肽中氨基酸的顺序。部分水解法常用的蛋白酶有:部分水解法常用的蛋白酶有:胰蛋白酶胰蛋白酶只水解羰基属于赖氨酸、精只水解羰基属于赖氨酸、精氨酸的肽键。氨酸的肽键。糜蛋白酶糜蛋白酶水解羰基属于苯丙氨酸、酪水解羰基属于苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的肽键。氨酸、色氨酸的肽键。溴化氰溴化氰只能断裂羰基属于蛋氨酸的只能断裂羰基属于蛋氨酸的肽键。肽键
20、。F.SangerF.Sanger及及其其他他工工作作者者化化了了约约1010年年时时间间于于19531953年年(3535岁岁)首首先先测测定定出出牛牛胰胰岛岛素素的的氨氨基基酸酸顺顺序序,由由此此SangerSanger获获得得了了19581958年年(4141岁岁)的的诺诺贝贝尔尔化化学学奖奖。此此后后,有有几几百百种种多多肽肽和和蛋蛋白白质质的的氨氨基基酸酸顺顺序序被被测测定定出出来来,其其中中包包括括含含333333个个氨氨基基酸单位的甘油醛酸单位的甘油醛-3-3-磷酸酯脱氢酶。磷酸酯脱氢酶。以以后后F.SangerF.Sanger又又测测定定了了DNADNA核核苷苷酸酸顺顺序序,因
21、因而而他他第第二二次次(19801980年年6262岁岁)获获得得了了诺诺贝贝尔尔奖奖(同同美美国国人人伯伯格格、吉吉尔尔伯伯特特共共享享)。两两次次获获得得诺诺贝贝尔尔奖奖的的化化学学家家是是很很少少见见的的,所所以以说说,F.SangerF.Sanger是一个伟大的化学家。是一个伟大的化学家。THANK YOUSUCCESS2024/5/8 周三31可编辑 三、多肽的合成三、多肽的合成 要要使使各各种种氨氨基基酸酸按按一一定定的的顺顺序序连连接接起起来来形形成成多多肽肽是是一一向向十十分分复复杂杂的的化化学学工工程程,需需要要解解决决许许多难题,最主要的是要解决四大问题。多难题,最主要的是
22、要解决四大问题。1 1、保护、保护-NH-NH2 2或或-COOH-COOH 氨氨基基酸酸是是多多官官能能团团化化合合物物,在在按按要要求求形形成成肽肽键键时时,必必须须将将两两个个官官能能团团中中的的一一个个保保护护起起来来,留留下下一一个个去去进进行行指指定定的的反反应应,才才能能达达到到合合成成的的目目的。的。对保护基的要求是:易引入,之后又易除去。对保护基的要求是:易引入,之后又易除去。我我们们把把保保护护-NH-NH2 2称称为为代代帽帽子子,保保护护羧羧基基称称为穿靴子。为穿靴子。2 2、活化反应基团(活化、活化反应基团(活化-NH2-NH2或或-COOH-COOH)通常是保护通常
23、是保护-NH2-NH2及及-OH-OH、-SH-SH等,活化等,活化-COOH-COOH 3 3、生物活性、生物活性 合合成成多多肽肽必必须须保保证证氨氨基基酸酸的的排排列列顺顺序序与与天天然然多多肽肽相相同同,并并与与天天然然多多肽肽不不论论在在物物理理、化化学学性性质质和和生生物物活活力力各各方面都一样,才具有意义。方面都一样,才具有意义。我我国国19651965年年6 6月月发发表表合合成成成成功功牛牛胰胰岛岛素素的的文文章章,生生物活性物活性1.270%1.270%美国美国19671967年发表文章年发表文章 (胰岛素合成方法的改进)(胰岛素合成方法的改进)前苏联前苏联19721972
24、年发表文章年发表文章 (胰岛素合成方法的改进)(胰岛素合成方法的改进)胰胰岛岛素素是是一一种种激激素素,可可用用于于治治疗疗糖糖尿尿病病,但但只只能能用用和和人人体体结结构构相相近近的的胰胰岛岛素素,如如猪猪胰胰岛岛素素,其其它它的的则则不不起起疗效。疗效。203 203 蛋蛋 白白 质质 分子量在分子量在10001000以上,构型复杂的多肽称为蛋白质。以上,构型复杂的多肽称为蛋白质。一、蛋白质的分类一、蛋白质的分类 1 1、根据蛋白质的形状分为:、根据蛋白质的形状分为:(1 1)纤维蛋白质)纤维蛋白质 如丝蛋白、角蛋白等;如丝蛋白、角蛋白等;(2 2)球状蛋白质)球状蛋白质 如蛋清蛋白、酪蛋
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