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多肽和蛋白质
第十九章蛋白质和核酸
第一节氨基酸
一、分类、命名和构型
组成蛋白质的氨基酸（天然产氨基酸）都是α-氨基酸，即在α-碳原子上有一个氨基，可用下式表示：
天然产的各种不同的α-由氨基酸只R不同而已。
氨基酸目前已知的已超过100种以上，但在生物体内作为合成蛋白质的原料只有二十种。
1．分类：
按烃基类型可分为脂肪族氨基酸，芳香族氨基酸，含杂环氨基酸。
按分子中氨基和羧基的数目分为中性氨基酸，酸性氨基酸，碱性氨基酸。
2．命名：
多按其来源或性质而命名。
国际上有通用的符号。
3．构型：
用D/L体系表示--在费歇尔投影式中氨基位于横键右边的为D型，位于左边的为L型。
例如：
D-氨基酸
L-氨基酸
天然氨基酸（出甘氨酸外）其他所有α-碳原子都是手性的，都有旋光性，而且发现主要是L型的（也有D型的，但很少）。
二、氨基酸的性质
1．氨基酸的酸-碱性--两性与等电点。
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，也能与碱反应，是一个两性化合物。
（1）两性
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，在固态或水溶液中形成内盐。
（2）等电点
在氨基酸水溶液中加入酸或碱，至使羧基和氨基的离子化程度相等（即氨基酸分子所带电荷呈中性--处于等电状态）时溶液的pH值称为氨基酸的等电点。
常以pI表示。
注：
1°等电点为电中性而不是中性（即pH=7），在溶液中加入电极时其电荷迁移为零。
中性氨基酸pI=4.8~6.3
酸性氨基酸pI=2.7~3.2
碱性氨基酸pI=7.6~10.8
2°等电点时，偶极离子在水中的溶解度最小，易结晶析出。
2．氨基酸氨基的反应
（1）氨基的酰基化氨基酸分子中的氨基能酰基化成酰胺。
乙酰氯、醋酸酐、苯甲酰氯邻苯二甲酸酐等都可用作酰化剂。
在蛋白质的合成过程中为了保护氨基则用苄氧甲酰氯作为酰化剂。
选用苄氧甲酰氯这一特殊试剂，是因为这样的酰基易引入，对以后应用的种种试剂较稳定，同时还能用多种方法把它脱下来。
（2）氨基的烃基化氨基酸与RX作用则烃基化成N-烃基氨基酸：
氟代二硝基苯在多肽结构分析中用作测定N端的试剂。
（3）与亚硝酸反应
反应是定量完成的，衡量的放出N2，测定N2的体积便可计算出氨基酸只氨基的含量。
4）与茚三酮反应
α-氨基酸在碱性溶液中与茚三酮作用，生成显蓝色或紫红色的有色物质，是鉴别α-氨基酸的灵敏的方法。
3．氨基酸羧基的反应
氨基酸分子中羧基的反应主要利用它能成酯、成酐、成酰胺的性质。
这里值得特别提出的是将氨基酸转化为叠氮化合物的方法（氨基酸酯与肼作用生成酰肼，酰肼与亚硝酸作用则生成叠氮化合物）。
叠氮化合物与另一氨基酸酯作用即能缩合成二肽（用此法能合成光学纯度的肽）P618。
三、氨基酸的制备
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。
氨基酸的合成方法主要有三种：
1．由醛制备醛在氨存在下加氢氰酸生成α-氨基腈，后者水解生成α-氨基酸。
例如：
2．α-卤代酸的氨化
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。
盖伯瑞尔法生成的产物较纯，适用于实验室合成氨基酸。
3．由丙二酸酯法合成此法应用的方式多种多样，其基本合成路线是：
D，L-苯丙氨酸
合成法合成的氨基酸是外消旋体，拆分后才能得到D-合L-氨基酸。
氨基酸的化学合成1850年就已实现，但氨基酸的发酵法生产在一百年后的1957年才得以实现用糖类（淀粉）发酵生产谷氨酸。
第二节多肽
一、多肽的组成和命名
1．肽和肽键
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，其形成的酰胺键称为肽键。
由n个α-氨基酸缩合而成的肽称为n肽，由多个α-氨基酸缩合而成的肽称为多肽。
一般把含100个以上氨基酸的多肽（有时是含50个以上）称为蛋白质。
无论肽脸有多长，在链的两端一端有游离的氨基（-NH2），称为N端；链的另一端有游离的羧基（-COOH），称为C端。
2．肽的命名
根据组成肽的氨基酸的顺序称为某氨酰某氨酰…某氨酸（简写为某、某、某）。
例如：
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
由氨基酸组成的多肽数目惊人，情况十分复杂。
假定100个氨基酸聚合成线形分子，可能具有20100中多肽。
例如：
由甘氨酸、缬氨酸、亮氨酸三种氨基酸就可组成六种三肽。
甘-缬-亮；甘-亮-缬；缬-亮-甘；缬-甘-亮；亮-甘-缬；亮-缬-甘。
多肽结构的测定主要是作如下工作：
①了解某一多肽是由哪些氨基酸组成的。
②各种氨基酸的相对比例。
③确定各氨基酸的排列顺序。
多肽结构测定工作步骤如下：
1．测定分子量
2．氨基酸的定量分析
现代方法是将水解后的氨基酸混和液用氨基酸分析仪进行分离和测定。
°
3．端基分析（测定N端和C端）
（1）测定N端（有两种方法）
a2,4-=硝基氟苯法--桑格尔（Sanger-英国人）法
2,4-=硝基氟苯与氨基酸的N端氨基反应后，再水解，分离除N-二硝基苯基氨基酸，用色谱法分析，即可知道N端为何氨基酸。
此法的缺点是所有的肽键都被水解掉了。
b异硫氰酸苯酯（Ph-N=C=S）法--艾德曼（Edman）降解法。
测定咪唑衍生物的R，即可知是哪种氨基酸。
异硫氰酸苯酯法的特点是，除多肽N端的氨基酸外，其余多肽链会保留下来。
这样就可以继续不断的测定其N端。
（2）测定C端
a多肽与肼反应
所有的肽键（酰胺）都与肼反应而断裂成酰肼，只有C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C端的氨基酸。
b羧肽酶水解法
在羧肽酶催化下，多肽链中只有C端的氨基酸能逐个断裂下来。
4．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：
胰蛋白酶--只水解羰基属于赖氨酸、精氨酸的肽键。
糜蛋白酶--水解羰基属于苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸的肽键。
溴化氰---只能断裂羰基属于蛋氨酸的肽键。
例1：
催产素的（一个八肽）结构分析。
P623~625。
例2：
某八肽
完全水解后，经分析氨基酸的组成为：
丙、亮、赖、苯丙、脯、丝、酪、缬。
端基分析：
N-端丙……………………亮C-端。
胰蛋白酶催化水解：
分离得到酪氨酸，一种三肽和一种四肽。
用Edman降解分别测定三肽、四肽的顺序，结果为：
丙-脯-苯丙；赖-丝-缬-亮。
由上述信息得知，八肽的顺序为：
F.Sanger及其他工作者化了约10年时间与1953年（35岁）首先测定出牛胰岛素的氨基酸顺序，由此Sanger获得了1958年（41岁）的诺贝尔化学奖。
此后，有几百种多肽和蛋白质的氨基酸顺序被测定出来，其中包括含333个氨基酸单位的甘油醛-3-磷酸酯脱氢酶。
以后F.Sanger又测定了DNA核苷酸顺序，因而他第二次（1980年62岁）获得了诺贝尔奖（同美国人伯格、吉尔伯特共享）。
两次获得诺贝尔奖的化学家是很少见的，所以说，F.Sanger是一个伟大的化学家。
三、多肽的合成
要使各种氨基酸按一定的顺序连接起来形成多肽是一向十分复杂的化学工程，需要解决许多难题，最主要的是要解决四大问题。
1．保护-NH2或-COOH
氨基酸是多官能团化合物，在按要求形成肽键时，必须将两个官能团中的一个保护起
来，留下一个去进行指定的反应，才能达到合成的目的。
对保护基的要求是：
易引入，之后又易除去。
我们把保护-NH2称为代帽子，保护羧基称为穿靴子。
2．活化反应基团（活化-NH2或-COOH）
通常是保护-NH2及-OH、-SH等，活化-COOH（具体方法-略）
3．生物活性
合成多肽必须保证氨基酸的排列顺序与天然多肽相同，并与天然多肽不论在物理、化学性质和生物活力各方面都一样，才具有意义。
我国1965年6月发表合成成功牛胰岛素的文章，生物活性1.2~70%
西德…………7月………………羊………………，…………0.5~10%
美国1967年发表文章（胰岛素合成方法的改进）
前苏联1972年发表文章（胰岛素合成方法的改进）
胰岛素是一种激素，可用于治疗糖尿病，但只能用和人体结构相近的胰岛素，如猪胰岛素，其它的则不起疗效。
第三节蛋白质
分子量在1000以上，构型复杂的多肽称为蛋白质
一、蛋白质的分类
1．根据蛋白质的形状分为：
（1）纤维蛋白质如丝蛋白、角蛋白等；
（2）球状蛋白质如蛋清蛋白、酪蛋白、血红蛋白、γ-球代表蛋白（感冒抗体）等。
2．根据组成分：
（1）单纯蛋白质--其水解最终产物是α-氨基酸。
（2）结合蛋白质--α-氨基酸+非蛋白质（辅基）
辅基为糖时称为糖蛋白；辅基为核酸时称为核蛋白；辅基为血红素时称为血红素蛋白等。
2．根据蛋白质的功能分；
（1）活性蛋白按生理作用不同又可分为；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的蛋白，但本身不具有生物活性的物质。
例如：
贮存蛋白（清蛋白、酪蛋白等），结构蛋白（角蛋白、弹性蛋白胶原等）等等。
二蛋白质的结构
各种蛋白质的特定结构，决定了各种蛋白质的特定生理功能。
蛋白质种类繁多，结构极其复杂。
通过长期研究确定，蛋白质的结构可分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
1．蛋白质的一级结构
由各氨基酸按一定的排列顺序结合而形成的多肽链（50个以上氨基酸）称为蛋白质的一级结构。
对某一蛋白质，若结构顺序发生改变，则可引起疾病或死亡。
例如，血红蛋白是由两条α-肽链（各为141肽）和两条β-肽链（各为146肽）四条肽链（共574肽）组成的。
在β链，N-6为谷氨酸，若换为缬氨酸，则造成红血球附聚，即由球状变成镰刀状，若得了这种病（镰刀形贫血症）不到十年就会死亡。
2．蛋白质的二级结构
多肽链中互相靠近的氨基酸通过氢键的作用而形成的多肽在空间排列（构象）称为蛋白质的二级结构。
蛋白质的二级结构主要有三中形式；°
1°α-螺旋--右螺旋..2°β-折叠和β-转角3°无规则卷曲--没有确定规律性。
3．蛋白质的三级结构
由蛋白质的二级结构在空间盘绕、折叠、卷曲而形成的更为复杂的空间构象称为蛋白质的三级结构。
维持三级结构的作用力有：
共价键（-S-S-）、静电键（盐键）、氢键、憎水基（烃基等）。
形成三级结构后，亲水基团在结构外，憎水基团在结构内，故球状蛋白溶于水。
4．蛋白质的四级结构
由一条或几条多肽链构成蛋白质的最小单位称为蛋白质亚基，由几个亚基借助各种副键的作用而构成的一定空间结构称为蛋白质的四级结构。
三、蛋白质的性质
1．两性及等电点
多肽链中有游离的氨基和羧基等酸碱基团，具有两性。
2．胶体性质与沉淀作用
蛋白质是大分子化合物，分子颗粒的直径在胶粒幅度之内（0.1~0.001μ）呈胶体性质。
蛋白质颗粒表面都带电荷，在酸性溶液中带正电荷，在碱性溶液中带负电荷，达到帮助带有同性电荷就于周围电性相反的的离子构成稳定的双电层。
由于同性电荷相斥，颗粒互相隔绝而不粘合，形成稳定的胶体体系。
蛋白质与水形成的亲水胶体，也和其它胶体一样不是十分稳定，在各种因素的影响之下，蛋白质容易析出沉淀。
（1）可逆沉淀（盐析）
（2）不可逆沉淀
蛋白质与重金属盐作用，或在蛋白质溶液中加入有机溶剂（如丙酮、乙醇等）则发生不可逆沉淀。
如70-75%的酒精可破坏细菌的水化膜，是细菌发生沉淀和变性，从而起到消毒的作用。
3．蛋白质的变性作用
蛋白质在一定条件下，共价键不变，但构象发生变化而丧失生物活性的过程成为蛋白质的变性作用。
变性条件：
物理因素：
干燥、加热、高压、振荡或搅拌、紫外线、X射线、超声等等。
化学因素：
强酸、强碱、尿素、重金属盐、生物碱试剂（三氯乙酸、乙醇等等）。
变性后的特点：
①丧失生物活性②溶解度降低③易被水解（对水解酶的抵抗力减弱）。
变性作用的利用：
①消毒、杀菌、点豆腐等；②排毒（重金属盐中毒的急救）；③肿瘤的治疗（放疗杀死癌细胞）；
变性作用的防治：
①种子的贮存；②人体衰老（缓慢变性）；③防止紫外光灼伤皮肤。
4．蛋白质的颜色反应
（1）缩二脲反应蛋白质与新配置的碱性硫酸铜溶液反应，呈紫色，称为缩二脲反应。
（2）蛋白黄反应蛋白质中含有苯环的氨基酸，遇浓硝酸发生硝化反应而生成黄色硝基化合物的反应称为蛋白黄反应。
（3）米勒反应蛋白质中酪氨酸的酚基遇到硝酸汞的硝酸溶液
（4）茚三酮反应蛋白质与稀的茚三酮溶液共热，即呈现蓝色。
第四节酶
酶是生物化学反应的催化剂。
一、酶的分类和组成
它可以分为单纯酶和结合酶两类。
单纯酶的催化活性仅由蛋白质结构决定的。
结合酶的催化活性除蛋白质部分外，还需要非蛋白质物质，这种非蛋白质物质就称为酶的辅助因子，辅助因子可以是分子量低的有机物或某些金属元素。
通常把辅助因子称为辅酶。
除去辅助因子后剩余部分称为酶蛋白。
辅酶以什么方式与酶蛋白结合，目前还了解的不多，多数情况下辅酶与酶蛋白通过其他方式连接，结合很疏松易与酶蛋白分开而脱落，但也有一些辅酶与酶蛋白较牢固不易脱落（以共价键结合）则称为辅基。
许多种酶类特别是氧化还原酶类都含有辅基或辅酶，辅基或辅酶就其化学组成可分两类，一类是无机金属元素，如铜、锌、锰；另一类是低分子量的有机化合物，如血红素、叶绿素，某些维生素如：
B1、B2、B6、B12等。
辅酶是酶起作用不可缺少的一部分，如果把辅酶除去，单纯的酶蛋白就会失去活性，把辅酶补入后，又恢复活性。
医疗上口服或注射维生素B就是给人体补充辅酶，以提高机体内某些酶的活性，调节代谢，而达到治疗和增进健康的目的。
因此，结合酶蛋白的催化作用是由酶蛋白和辅酶共同配合完成的。
二、酶的特性
1、强大的催化能力：
其催化效率比一般催化剂要高108-1010倍。
2、专一性
具有化学选择性：
从混合物中排选特殊的作用物。
具有主体化学选择性辨别对映体。
3、一般在温和条件下进行催化作用，PH=7,37度左右进行（当然也有例外，如胃蛋白酶可以在Ph=1～2时催化）。
第五节核酸
核酸以游离态蛋白质结合核蛋白存在于细胞之内，它的两个极为重要的生物功能是生命遗传和蛋白质的合成。
在细胞质中，核酸以可溶的形式存在，特别是在细胞质的粒质之中，含有丰富的核酸。
有些核酸的分子量非常巨大，它们是决定生命遗传的重要物质，是生物化学近些年来研究的的最广泛的最活跃的一个课题。
下面我们只从有机化学的角度对它们的结构稍微加以讨论。
核酸是由核苷酸聚合而成的大分子。
核苷酸是由一个杂环碱基和一个核糖或脱氧核糖结合形成的核苷。
通过核糖中的羟基与磷酸形成的磷酸酯。
细胞核核酸的细胞质核酸彻底水解分别得到下列的化合物：
一、核苷酸
1、碱基：
存在于核苷酸中的碱基都是嘧啶或嘌呤的羟基和氨基衍生物（只有一种还含有甲基），并常见的只有五种。
2、核糖和脱氧核糖
3、核苷
核酸中两种核糖与上述的五种碱基形成的糖苷统称为糖苷。
每个糖上的C-l通过β-糖苷键和多种杂环碱基之一相连。
一个碱基-糖单元称为核苷。
现举一两个例子来说明：
4、核苷酸
核苷酸是核苷的磷酸酯，也就是一个碱基-糖-磷酸单元称为核苷酸。
核苷酸是核酸3'或5'位（糖分子中的碳原子用1'、2'、3'等编号）的羟基被磷酸酯化生成的。
如：
二、核酸的结构
1、核酸的一级结构
核酸的初级结构是指核酸中各核苷酸单位排列的次序。
测定的方法和测定多肽中氨基酸单位排列次序相似。
一般是将核酸部分水解，取得大小合适的核苷酸链片段，并测定每一片段的末端碱基，通过逐步降低和分析，测的每一片段核苷酸链的排列次序，最后从各链的结构推出整个多肽核苷酸链中各核苷酸的次序。
如部分DNA链的结构式：
（人类有30亿碱基对序，约3万个基因。
基因是DNA分子上具有遗传效应的特定核苷酸序列的总称。
2、核酸的二级结构
分析MNA的组成及时发现嘌碱的摩尔百分数与嘧啶碱的摩尔百分数接近相等，即（%G+%A）/（%C+%T）≈1，腺嘌呤的摩尔百分数与胸腺嘌呤的摩尔百分数接近相等，%A/%T≈1，而鸟嘌呤的摩尔百分数则与胞嘧啶的摩尔百分数接近相等，%G/%C≈1。
这就是说，A和C，G和T是成对出现的。
根据X射线研究和分子模型的推论以及各碱基的性质，瓦特生（J.D.Watson）和克利格（F.H.C.Crick）提出了双螺旋的结构模型，两条DNA链的氢键相连，一条链上T与另一条链上的A或一条链上的C与另一条链上的G之间生成氢键。
因此，两条键是互补的，每一配对中包含一个嘌呤碱或一个嘧啶碱，两条链具有相对应的碱基排列次序，如：
这两条链从相反的方向围绕着同一个轴盘绕，形成右旋的双螺旋，这样的双螺旋，每转一周约相当于十个核苷酸直径在2nm左右。
3、核酸的三级结构
核酸的三级结构由于X射线衍射所需的晶体制备困难，很难制得完整的原样DNA，但用温和条件已经从某些小病毒、叶绿素等分离出来降解的DNA。
研究这些DNA的结构，发现它们在双螺旋的基础上进一步紧缩成用链环或开链环状以及麻花状等形式的三级结构。
三、核酸的生物功能
从生理功能上讲蛋白质所发挥的作用种差繁多，如多种的酶，激素等，而核酸的功能却很专一，根据已知的事实，它只控制着生命规律的各种遗传作用（DNA）和蛋白质的合成（RNA）。
（一）DNA的复制事实
DNA的双螺旋结构学说，可以解释DNA分子本身的复制机制。
细胞分裂时，DNA的两条链可以拆开，分别到两个子细胞里，每条链通过碱基配对，即A-T，G-C各自复制出一条与自相对应的链子，并一起组成一个新的DNA分子。
（二）蛋白质的生物合成
蛋白质的生物生成主要通过三种RNA来完成。
1、信息核糖核酸（mRNA）：
存在于细胞核内DNA是通过mRNA来传递信息的，所以称为信息核糖核酸。
当生物体需要合成某一种蛋白质时，DNA中相当于这种蛋白质的一段双股链就拆开，并以这拆开的单股链作为模板，按碱基互补原则在细胞核内合成了相当的mRNA（碱基配对的规律与DNA不同的地方在于用U代替T），然后通过核膜进入细胞质。
MRNA链上按一定次序排列的碱基每三个组成一个遗传密码，每个密码代表一个氨基酸。
2、核糖核蛋白简称核糖体（rRNA）：
核糖体是存在于细胞质内的一种小球状颗粒，分子量约为五十万到一百万，由大小两个亚基组成。
核糖体是合成蛋白质的场所。
3、转移核糖核酸（tRNA）：
转移核糖核酸存在于细胞质内。
目前大多数的tRNA的核苷酸顺序及其空间结构都已弄清楚了，即所谓的三叶菜形态，tRNA与激活后的氨基酸结合成氨基酰tRNA，具有携带和转运氨基酸的作用，所以称为转移核糖核酸。
一种tRNA只能转运一种氨基酸。
在tRNA分子中间的转运部位具有三个核苷酸的碱基未配对，所谓反密码处。
这三个未配对的核苷酸决定了它与什么氨基酸结合成氨基酰tRNA。
如教材中图20-20中酵母丙氨酸tRNA的中间转移部位三个未配对的核苷酸为GGC（I是次黄嘌呤核酸，是"修饰"过的G），按互补原则它只能与CCG配对，形成氢键，因而CCG就是丙氨酸的代号或密码，而GGC就是反密码了。
所有的tRNA都具有相同的部分，它就是链端由ACC三个核苷酸所组成的单链部分，这一端核糖3'位上羟基在酶作用下可以同特定的氨基酸生成酯。
蛋白质的合成可用图26.7中的示意图表示<南京"有机"下册，P318>。
在合成蛋白质肽链时，mRNA附着在核糖体上，当mRNA与核酸结合的部分的密码为AUG时，与N-甲酰基蛋氨酸相应的tRNA，带着氨基酸的反密码UAG与mRNA结合，于是蛋白质的合成开始。
mRNA上下一个密码是AAA，相当于赖氨酸，相应的tRNA2带着赖氨酸以它的反密码UUU与mRNA结合，特定的酶使N-甲酰基氨基酸与赖氨酸之间形成肽键。
TRNA1完成它的工作后离开，同时核糖体沿着mRNA链移动，使下一个密码GUA（代表缬氨酸）开始作用，相应的tRNA3带着缬氨酸到达指定位置，在另一种酶的作用下，在肽链上增加一个缬氨酸结构单位，完成工作的tRNA2离开，同时核糖体继续沿着mRNA链往前移动，使下一个密码UUU（代表苯丙氨酸）开始作用。
如此继续进行，肽链不断延伸，当核糖体移至mRNA上表示蛋白质合成终止的密码UAA处时核糖体脱离mRNA，蛋白质的合成完成，最后一个tRNAn也从多肽链上脱下。
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