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第 15 章

有机化学

Amino acids Proteins Peptides

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基本内容和重点要求

氨基酸的结构、分类、命名和性质 多肽 蛋白质的结构和性质 核酸的结构功能

重点要求掌握氨基酸和蛋白质的化学性质及氨基酸的等电点、蛋白质的一级及二级结构等基本概念。

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生命是物质的一种存在状态，它通过生长、代谢、繁殖和进化等一系列复杂现象来表达。蛋白质和一切生命活动总是连在一起的，蛋白质和核酸是生命的标志，是生命与非生命在化学组成上的主要区别。蛋白质存在于一切细胞中，它们是构成人体和动植物的基本材料，肌肉、毛发、皮肤、指甲、血清、血红蛋白、神经、激素、酶等都是由不同蛋白质组成的。蛋白质在有机体中供给肌体营养、输送氧气、防御疾病、控制代谢过程、传递遗传信息、负责机械运动等。核酸分子携带着遗传信息，在生物的个体发育、生长、繁殖和遗传变异等生命过程中起着极为重要的作用。

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自然界的生命是在氨基酸产生之后才逐渐诞生、进化的。目前发现的天然氨基酸约有 300 种，构成蛋白质的氨基酸约有 30 余种，其中常见的有 20 种，人们把这些氨基酸称为蛋白氨基酸。其他不参与蛋白质组成的氨基酸称为非蛋白氨基酸。这 20 种氨基酸以不同的数目、不同的连接方式组合，就可产生千百万种不同的蛋白质。自然界千变万化的生命，就这样产生了。所以氨基酸被称为生命的基石。

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15.1.1 α-氨基酸的构型、分类和命名15.1.2 α- 氨基酸的物理性质15.1.3 α- 氨基酸的化学性质15.1.4 氨基酸的合成

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15.1 氨基酸

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15.1.1 α-氨基酸的构型、分类和命名

羧酸分子中烃基上的一个或几个氢原子被氨基取代的化合物叫做氨基酸。

根据氨基和羧基的相对位置

α- 氨基酸 β- 氨基酸 γ- 氨基酸 …………

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COOH

H2N H

R

L 氨基酸NH2

COOHR

H2N COOH

R

H

H (侧链)

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根据氨基和羧基的相对数目

中性氨基酸

碱性氨基酸

酸性氨基酸

氨基羧基数目相等

氨基数目多于羧基

羧基数目多于氨基

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氨基酸的构型

由蛋白质水解所得 α- 氨基酸的 α碳原子的构型都是 S型。但氨基酸习惯上用 D/L 标记其构型。

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C H

COOH

NH2

CH2OHCH2

NH

CH2

C

CH2

COOH

H C H

CHO

OH

CH2OH

L-Ë¿°± Ëá L-¸¬ °± Ëá L-¸ÊÓÍÈ©

由蛋白质水解所得 α －氨基酸的 α 碳原子的构型都是 L 型的

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氨基酸的命名 氨基酸的系统命名法是以羧酸为母体，氨基为取代基来命名的。 但 α- 氨基酸通常按其来源或性质所得的俗名来称呼。

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α- 氨基乙酸( 甘氨酸 )

β- 氨基丙酸

α ， ε- 二氨基己酸( 赖氨酸 )

α- 氨基戊二酸( 谷氨酸 )

H2NCH2COOH NH2CH2CH2CH2CH2CHCOOH

NH2

NH2CH2CH2COOHHOOCCH2CH2CHCOOH

NH2

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(CH3)2CHCHCOOH

NH2

(CH3)2CHCH2CHCOOH

NH2

CH3CH2CHCHCOOH

NH2

CH3

CH3CHCHCOOH CH3SCH2CH2CHCOOH C6H5CH2CHCOOH

NH2 NH2NH2

OH

NH2 NH2N

CH2CHCOOH H2NCH2CH2CH2CH2CHCOOH

缬氨酸 (Val) 亮氨酸 (Leu) 异亮氨酸 (Ile)

苏氨酸 (Thr) 蛋氨酸 (Met) 苯丙氨酸 (Phe)

色氨酸 (Trp) 赖氨酸 (Lys)

8 种人体必需氨基酸：

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15.1.2 α- 氨基酸的物理性质

氨基酸分子中既含有氨基 (碱性 ) 又含有羧基 (酸性 )，所以是一种两性化合物。在固体状态下，羧基使氨基官能团质子化，形成内盐 (即以两性离子的形式存在 )。高极性的两性离子结构使得 α- 氨基酸能够形成强的晶格。因此它们中的大多数在有机溶剂中的溶解度都相当小，在水中有一定的溶解度，而且熔点比相应的羧酸或胺类要高，一般为 200 ～ 300℃（许多氨基酸在接近熔点时分解）。

α- 氨基酸一般为无色晶体，除甘氨酸外，其他的 α- 氨基酸都有旋光性。

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15.1.3 α- 氨基酸的化学性质

氨基酸分子中含有氨基和羧基。它可以和酸生成盐，也可以和碱生成盐，所以氨基酸是两性物质。

NH3 CH COO

R

NH2 CH COO

R

NH3 CH COOH

R

H+

OH

H+

OH+ __ +

¸ºÀë×Ó Å¼¼«Àë×Ó ÕýÀë×Ó

_ _

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15.1.3.1 氨基酸的等电点 (pI)

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氨基酸的等电点

在一定的 pH值溶液中，正离子和负离子数量相等，且浓度都很低，而偶极离子浓度最高，此时电解，以偶极离子形式存在的氨基酸不移动。这时溶液的 pH值就叫做氨基酸的等电点 (Isoelectric point, pI) 。

碱性溶液中 , 负离子数量多，电解时氨基酸向阳极移动

酸性溶液中 , 正离子数量多，电解时氨基酸向阴极移动

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等电点 pI 与解离常数 pK间的关系

中性氨基酸 : pI = (pK1 + pK2)/2

酸性氨基酸 : pI = (pK1 + pKRCOOH)/2

碱性氨基酸 :pI = (pK1 + pKRNH2)/2

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一般为 5.6 ～ 6.3

一般为 2.8 ～ 3.2

一般为 7.6 ～ 10.8

氨基酸在等电点时溶解度最小。可以利用这一性质，通过调整溶液的pH 值，将等电点不同的氨基酸从氨基酸的混合溶液中分别分离出来

等电点不是中性点

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课堂练习：1. 下列氨基酸溶于水使之达到等电点应加酸还是加碱？

NH2

H2NCH2CH2CH2CH2CHCOOH(1) 赖氨酸

(2) 甘氨酸

(3) 谷氨酸

等电点时 pH>7 ，溶于水中使之达到等电点应当加碱

HOOCCH2CH2CHCOOH

NH2

等电点时 pH<7 ，溶于水中使之达到等电点应当加酸

等电点时 pH<7 ，溶于水中使之达到等电点应当加酸

H2NCH2COOH

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课堂练习：2. 下列介质中各氨基酸的主要存在形式是什么？

(1) 缬氨酸在 pH=8时

(2)丝氨酸在 pH=1时

缬氨酸的等电点为 pH=5.97 ，在 pH=8时存在形式为：

丝氨酸的等电点为 pH=5.68 ，在 pH=1时存在形式为：

(CH3)2CHCHCOO

NH2

HOCH2CH(NH3)COOH+

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反应常用于蛋白质的化学修饰、水解程度测定及氨基酸的定量

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(1) 与亚硝酸反应

R CH COOH

NH2

R CH COOH

OH

HNO2N2 OH2+ + +

15.1.3.2 氨基酸中氨基的反应

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酰化反应在多肽合中的用于保护氨基，一般选用苄氧甲酰氯作为酰化剂

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R CH COOH

NH2R Cl

O

CR CH COOH

NH R

O

C

(2) 氨基的酰化反应

NH2 CH COOH

R

CH2OCCl

OOH , H2O

H3O

CH2OCNHCHCOOH

O

R

+¢Ù

¢Ú +

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氨基具有亲核性，可与卤代烃（ RX）及醛、酮作用。

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（ 3）与卤代烃及醛、酮的反应

NH2 CH

R

COOH NH CH

R

COOH+

NO2

NO2F

NO2

NO2

N- （ 2,4- 二硝基苯基）氨基酸2,4- 二硝基氟苯（ DNFB ）

此反应可用于识别多肽或蛋白质的 N-端氨基酸

显黄色，可用于氨基酸的比色测定

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氨基酸分子的氨基可以被双氧水或高锰酸钾等氧化剂氧化，生成 α-亚氨基酸，然后进一步水解，脱去氨基生成 α-酮酸。生物体内在酶催化下，氨基酸也可发生氧化脱氨反应，这是生物体内蛋白质分解代谢的重要反应之一。

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（ 4）氧化脱氨反应

R CH COOH

NH2

H2O2或

KMnO4,酶R C COOH

NH

R C COOH

O

H2O

－ NH3

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（ 1 ）酯化及酰卤的生成

15.1.3.3 氨基酸中羧基的反应

NH2 CH COOH

R

OH

H3OC2H5OH NH2 CH COOC2H5

R

+¢Ù

¢Ú

+

NH2 CH COOH

R O

NH2 CH

RSOCl2

C Cl

在肽的合成中用于羧基的保护及活化

保护及活化

活化

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（ 2）脱羧反应

将氨基酸缓缓加热或在高沸点溶剂中回流，可以发生脱羧反应生成胺。

RCHCOOH

NH2

Ba(OH)2

, CO2RCH2NH2 + CO2

生物体内的脱羧酶也能催化氨基酸的脱羧反应，这些脱羧后的产物有着重要的生理功能。例如：组胺酸脱羧生成组胺。半赖氨酸脱羧生成 1,5- 戊二胺 (尸胺 )，这是蛋白质腐败发臭的主要原因。

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α- 氨基酸的水溶液遇水合茚三酮，能生成有颜色的产物。大多数氨基酸遇此试剂显蓝紫色。

O

OH

OH

O

CHCOOH

NH2

R

O

O

N

OH

O

RCHO CO2 OH2+2 + + +3

反应常用于α-氨基酸的比色测定和色层分析的显色

（ 1）与水合茚三酮的反应

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15.1.3.4 氨基酸中氨基和羧基共同参与的反应

水合茚三酮 蓝紫色

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（ 2）与金属离子形成配合物

某些氨基酸与某些金属离子能形成结晶型化合物，有时可以用来沉淀和鉴别某些氨基酸。例如二分子氨基酸与铜离子能形成深紫色配合物结晶：

RCHCOOH

NH2

Cu2+Cu(RCHCOO)2

NH2

深蓝色结晶

H2S RCHCOOH

NH2

+ CuS

CH2NH2

CuNH2CH2O=C-O

O-C=O

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（ 3）脱羧失氨作用

氨基酸在酶的作用下，同时脱去羧基和氨基得到醇。工业上发酵制取乙醇时，杂醇就是这样产生的。此外，一些氨基酸侧链具有的官能基团，如羟基、酚基、吲哚基、胍基、巯基及非 α- 氨基等，均可以发生相应的反应，这是进行蛋白质化学修饰的基础。 α- 氨基酸还可通过分子间的－ NH2 与－COOH缩合脱水形成多肽，该反应是形成蛋白质一级结构的基础。

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15.1.3.5. 氨基酸的受热分解反应

不同的氨基酸分子受热时发生不同的反应。

H3C

NH2

C

O

OH

HO

O

NH2

CH3+ HN

NH

O

O

H3C

CH3

+ 2 H2O

RCH=CHCOOH + NH3

NH2

RCHCH2COOH

OCNH2

RCH

NH

RCHCH2CH2COOHCH2

CH2

α- 氨基酸 交酰胺

γ-( 或 δ- 氨基酸 ) 内酰胺

β-氨基酸不饱和酸

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蛋白质在酸、碱或酶的作用下水解，最后生成多种 α- 氨基酸的混合物。将混合物用各种分离手段 (如色层分离法、离子交换法等等 ) 进行分离，即可分别得到各种氨基酸。

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15.1.4 氨基酸的合成

蛋白质 酸、碱或酶H2O

α -氨基酸(混合物)蛋白质 酸、碱或酶H2O

α -氨基酸(混合物)色层分离法、离子交换法

各种α -氨基酸色层分离法、离子交换法

各种α -氨基酸蛋白质 酸、碱或酶H2O

α -氨基酸(混合物)蛋白质 酸、碱或酶H2O

α -氨基酸(混合物)色层分离法、离子交换法

各种α -氨基酸色层分离法、离子交换法

各种α -氨基酸

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15.1.4.1 还原氨化法

还原氨化法实际是一步完成，又称为仿生合成。这个反应与生物合成极为相似。

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CR

O

COO

-酮酸

+ NH3 (¹ýÁ¿) CR COO

NH

NH4

亚胺

H2/PdCHR

NH2

COO(D，L)--氨基酸

CHOOCCH2CH2 COO

O+ NH4

N

HHCNH2

sugar

+

O

+ H酶

CHHOOCCH2CH2

NH3

COO +N

H

sugar

NH2

O

NAD

+ H2O

NADH

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15.1.4.2 由卤代酸氨解

卤代酸与过量的氨作用，可以生成氨基酸。

例如：

CH3CH COOH

Br

NH3

OH2CH3 CH COOH

NH2

NH4Br+2ÊÒÎÂ

+

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CRH2C OH

O (1)Br2/PBr3

(2)H2O CRHC OH

OBr NH3

(´ó´ó¹ýÁ¿)

(D, L)--氨基酸

CHC O

O

R

NH2

NH4

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15.1.4.3 由丙二酸酯制备

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将丙二酸酯转化成 N- 乙酰胺基丙二酸酯，然后烷基化、水解，最后再脱羧，即可得到 α- 氨基酸。

COOEt

CH2 + O=N-OH

COOEt

COOEt

C=N-OH

COOEt

H-C-NHCOCH3

COOEt

COOEt

H2/Pt

醋酸

N- 乙酰胺基丙二酸酯

H-C-NHCOCH3

COOEt

COOEt

+ CH2=O HOCH2-C-NHCOCH3

COOEt

COOEt

1. H3+O

2. -CO2

NH2

CH CH2C OH

O

HO

丝氨酸 （65%）

(HNO2)

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将丙二酸酯转化成 N-邻苯二甲酰亚胺基丙二酸酯，然后烷基化、水解，最后再脱羧，即可得到α- 氨基酸。

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N- 邻苯二甲酰亚胺基丙二酸酯

盖布瑞尔（ Gabriel ）法

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15.1.4.4 斯特雷克合成法

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CH3 H

O

COH2

NH3CH3 H

NH

CHCN

CH3 CN

NH2

C

H+

, H2O,CH3 COO

NH3

C

H

+

亚胺 α-氨基丙腈

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15.2 蛋白质与肽

15.2.1 多肽及其分类15.2.2 肽链的命名15.2.3 多肽结构的测定15.2.4 肽的合成15.2.5 蛋白质15.2.6 蛋白质的理化性质

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多肽是含有多个 α- 氨基酸单元的聚合物，是蛋白质分子的一级结构。由两个氨基酸单元构成的是二肽，由三个氨基酸单元构称的是三肽，……。它们统称多肽，或简称肽。多肽可看作是由多个氨基酸分子，通过氨基和羧基之间脱水缩合而行成的。

肽键

15.2.1 多肽及其分类

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NH2 CH COOH

R

H CH COOH

R

HN

H2N CH

R

CO NH CH COOH

R

+

¶þëÄ

15.2 蛋白质与肽

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肽键肽键

N

H

CHC

H

RO

N

NH2

CHCOOH

ROH

n

R

N 端 C 端

多肽链的通式

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15.2.2 肽链的命名

肽链的命名以是以 C-端氨基酸为母体，根据组 成肽的氨基酸的顺序，从左到右依次命名，称为某

…氨酰某氨酰 某氨酸（简写为某、某、某）。

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+H3NHCC NHCH2C NHCHC NHCHC NHCHCOO-

O

CH3

O CH2CH2

OO

HOH2C

CH(CH3)2

OH

Ser Gly Tyr Ala Leu

肽分子中组成氨基酸残基一样，但是肽键的连接次序不同，不是同一种化合物。

丝氨酰 -甘氨酰 -色氨酰 -丙氨酰 -亮氨酸或是 Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu

命名为：

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15.2.3 多肽结构的测定

氨基酸的种类及数目

氨基酸的排列次序

将多肽在酸性溶液中进行水解，再用色层分离法把各种氨基酸分开，然后进行分析。

用适当的化学方法，把多肽末端的氨基酸断裂下来。经分析，就可以知道多肽链的两端是那两个氨基酸。也叫末端分析。

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末端分析

N

H

CHC

H

RO

N

NH2

CHCOOH

R2OH

R1

n N

H

CHC

H

RO

N

NH2

CHCOOH

R4OH

R3

n-2

ONH2

CH OH

R1

NH2

CH

R2

COOH+

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15.2.4 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的顺序连接成一定长度的肽键。在需要使一种氨基酸的羧基和另一种氨基酸的氨基相结合时，要防止同一种氨基酸分子之间相互结合。因此，在合成时，必须把某些氨基或羧基保护起来，以便反应能按所要求的方式进行。而所选用的保护基团，必须符合以下条件：在以后脱除该保护基的条件下，肽键不会发生断裂。

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A COOHNH2 B COOHNH2+

A CONHNH2 B COOH

B CONHNH2 A COOH

防止生

成

需要保护

需要保护

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羧基的保护

羧基常通过生成酯加以保护，碱性水解可除去保护。

CO NHCHCO

ROH2

OH

H+

CO NHCHCOOH

R

OMe _

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氨基的保护

氨基可以通过与氯甲酸苄酯作用加以保护，因为氨基上的苄氧羰基很容易用催化氢解的方法除去。

C6H5CH2OCO NHCHCO NH

RH2,Pd

C6H5CH3CO2 RCHCO NH

NH2

+ +

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15.2.4.1 化学合成法

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实例：苯丙氨酰 -甘氨酸二肽的合成（ 1）氨基保护

NH2 CH COOH CH2OCCl

OOH , H2O

H3O

CH2OCNHCHCOOH

O

CH2C6H5

CH2C6H5

+¢Ù

¢Ú +

NH

苯丙氨酸

（ 2）羧基保护

NH2 CH2 COOHOH

H3OC2H5OH NH2 CH2 COOC2H5+

¢Ù

¢Ú

+

甘氨酸

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实例：苯丙氨酰 -甘氨酸二肽的合成

（ 3）缩合生成酰胺

CH2OCNHCHCOOH

O

CH2C6H5

NH2CH2COOC2H5

DCC

CH2OCNHCHCNHCH2COOC2H5

O

CH2C6H5

O

+

DCC ： N, N′- 二环己基碳二亚胺，为最常用的高效脱水剂。应用高效脱水剂可使羧基和氨基在温和的条件下生成酰胺 (肽键 )。

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实例：苯丙氨酰 -甘氨酸二肽的合成

（ 5）脱羧基保护OH , H2O

NH2CHCNHCH2COOC2H5

O

CH2C6H5

NH2CHCNHCH2COOH

O

CH2C6H5

苯丙氨酰 -甘氨酸

（ 4）脱氨基保护

CH2OCNHCHCNHCH2COOC2H5

O

CH2C6H5

H2 , PdNH2CHCNHCH2COOC2H5

O

CH2C6H5

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15.2.4.2 　固相合成法

1963年， R.B.Merrifield创立了将氨基酸的 C末端固定在不溶性树脂上，然后在此树脂上依次缩合氨基酸，延长肽链、合成蛋白质的固相合成法。在固相法中，每步反应后只需简单地洗涤树脂，便可达到纯化目的。克服了经典液相合成法中的每一步产物都需纯化的困难，为自动化合成肽奠定了基础。　　 今天，固相法得到了很大发展，除了 Merrifield

所建立的 Boc 法 (Boc:叔丁氧羰基 ) 之外，又发展了Fmoc固相法 (Fmoc:9-芴甲氧羰基 ) 。以这两种方法为基础的各种肽自动合成仪也相继出现和发展，并仍在不断得到改造和完善。

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CH COOHHN OH

R1

+ P

CH COHN O

R1

P

CH CONH2 O

R1

P

CH COCONH OCH

R2 R1

NH P

C末端氨基酸与树脂结合

保护基的脱除、洗涤

CH

R2

COOHNH偶联、洗涤 +

重复偶联、洗涤

脱保护基

………

固相合成法原理

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保护基 联接臂固相树脂

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在 Boc 合成法中，用酸来脱保护，反复地处理会使约 1.4% 的肽从树脂上脱落，合成的肽越大，这样的丢失越严重； Boc 合成法也不适于合成含有色氨酸等对酸不稳定的肽类。

Fmoc 法与 Boc 法的根本区别在于采用了碱来脱保护，在合成一些含有在酸性条件下不稳定的氨基的残基的肽时，具有特别优越之处。

Fmoc 法和 Boc 法可互相补充。

CH2OC

O

(CH3)3COC

O

Boc 合成法 (叔丁氧羰基 ) ：

Fmoc 合成法 (9-芴甲氧羰基 ) ：

保护基

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化学家介绍：

梅里菲尔德，美国生物化学家和教育家。他在 20世纪 50 和 60年代发展的革新方法，是基于构想多肽合成的关键在于将第一个氨基酸固定在不溶性固体上，其他氨基酸随后便可一个接一个地连于固定端，顺序完成后所形成的链即可轻易地与固体分离。这一过程可利用机器操作，经证明效率很高。在激素和酶等物质的研究上，以及在胰岛素等药物和干扰素等物质的工业生产上有重大意义。梅里菲尔德因发展出这种依预定顺序合成氨酸链或多肽的简单而巧妙的方法而获得1984年诺贝尔化学奖。

梅里菲尔德 (Robert Bruce Merrifield)

1921～

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蛋白质是一切生命的物质基础，是肌体细胞的重要组成部分，是人体组织更新和修补的主要原料，没有蛋白质就没有生命。蛋白质是由 20 多种氨基酸组成，以氨基酸组成的数量和排列顺序不同，使人体中蛋白质多达 10 万种以上。它们的结构、功能千差万别，形成了生命的多样性和复杂性。 水解后只生成多种 α- 氨基酸的，叫做单纯蛋白质。水解后，除生成 α- 氨基酸外，还有非蛋白质物质 (如糖、脂肪、色素、含磷化合物、含铁化合物等 ) 生成的，叫做结合蛋白质。结合蛋白质中的非蛋白质部分，叫做辅基。

15.2.5 蛋白质

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蛋白质的生理功能 1 、构造人的身体：蛋白质是一切生命的物质基础，是肌体细胞的重要组成部分，是人体组织更新和修补的主要原料。人体的每个组织：毛发、皮肤、肌肉、骨骼、内脏、大脑、血液、神经、内分泌等都是由蛋白质组成。蛋白质对人的生长发育非常重要。 2 、修补人体组织：人的身体由百兆亿个细胞组成，细胞可以说是生命的最小单位，它们处于永不停息的衰老、死亡、新生的新陈代谢过程中。组织受损后，不能得到及时和高质量的修补，便会加速机体衰退。

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3 、维持肌体正常的新陈代谢和各类物质在体内的输送。载体蛋白对维持人体的正常生命活动是至关重要的。可以在体内运载各种物质。比如血红蛋白—输送氧（红血球更新速率 250 万 /秒）、脂蛋白—输送脂肪、细胞膜上的受体还有转运蛋白等。 4 、白蛋白：维持机体内的渗透压的平衡及体液平衡。 5 、维持体液的酸碱平衡。

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6 、免疫细胞和免疫蛋白：有白细胞、淋巴细胞、巨噬细胞、抗体（免疫球蛋白）、补体、干扰素等。 7 、构成人体必需的催化和调节功能的各种酶。我们身体有数千种酶，每一种只能参与一种生化反应。人体细胞里每分钟要进行一百多次生化反应。酶有促进食物的消化、吸收、利用的作用。相应的酶充足，反应就会顺利、快捷的进行，就会精力充沛，不易生病。否则，反应就变慢或者被阻断。

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8 、激素的主要原料。具有调节体内各器官的生理活性。胰岛素是由 51 个氨基酸分子合成。生长素是由 191 个氨基酸分子合成。 9 、构成神经递质乙酰胆碱、五羟色氨等。维持神经系统的正常功能：味觉、视觉和记忆。 10 、胶原蛋白：占身体蛋白质的 1/3 ，生成结缔组织，构成身体骨架。如骨骼、血管、韧带等，决定了皮肤的弹性，保护大脑（在大脑脑细胞中，很大一部分是胶原细胞，并且形成血脑屏障保护大脑） 11 、提供热能。

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蛋白质按溶解度分类

纤维蛋白质 球状蛋白质分子形状是一条条线状的，分子中的多肽链扭在一起或平行并列，且以氢键互相联结着。这类蛋白质在水中不能溶解，在生物体内往往起着结构和支撑的作用

分子形状是一团团球状的，它们的多肽链自身扭曲折叠成特有的球形 . 在折叠时，分子内某些基团之间通过氢键、二硫键或范德华引力相互作用。

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球状蛋白质

15.2.5.1 蛋白质的分类

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15.2.5.2 蛋白质的结构

蛋白质是一种生物大分子，基本上是由 20种氨基酸以肽键连接成肽链。肽键连接成肽链称为蛋白质的一级结构。不同蛋白质其肽链的长度不同，肽链中不同氨基酸的组成和排列顺序也各不相同。肽链在空间卷曲折叠成为特定的三维空间结构，包括二级结构和三级结构二个主要层次。有的蛋白质由多条肽链组成，每条肽链称为亚基，亚基之间又有特定的空间关系，称为蛋白质的四级结构。

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蛋白质的生物学功能在很大程度上取决于其空间结构，蛋白质结构构象多样性导致了不同的生物学功能。蛋白质结构与功能关系研究是进行蛋白质功能预测及蛋白质设计的基础。蛋白质分子只有处于它自己特定的三维空间结构情况下，才能获得它特定的生物活性；三维空间结构稍有破坏，就很可能会导致蛋白质生物活性的降低甚至丧失。

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蛋白质一级结构（ primary structure)

蛋白质的一级结构是指多肽链的氨基酸残基的排列顺序，也是蛋白质最基本的结构。它是由基因上遗传密码的排列顺序所决定的，各种氨基酸按遗传密码的顺序通过肽键连接起来。 每一种蛋白质分子都有自己特有的氨基酸的组成和排列顺序即一级结构，由这种氨基酸排列顺序决定它的特定的空间结构，也就是蛋白质的一级结构决定了蛋白质的二级三级等高级结构，这就是著名的安芬森 (Anfinsen) 原理。

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胰岛素的一级结构及不同动物胰岛素在 A 链中的差异

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安芬森原理

氨基酸序列与蛋白质空间结构的关系研究源于美国生物化学家安芬森。 1961年，他研究了核糖核酸酶的去折叠和重折叠过程，发现在相同的环境中去折叠的蛋白质都会恢复到原来的空间结构，认为蛋白质链会以自由能最低的方式形成三维结构，由此推测蛋白质的折叠密码隐藏在氨基酸排序中，即所谓的安芬森原理：蛋白质一级排序决定三维结构。

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安芬森 (Christian Boehmer Anfinsen) ，美国生物化学家， 1916年 3月 26日生于美国宾夕法尼亚州。 1943年在哈佛大学获得哲学博士学位。安芬森先后在宾夕法尼亚大学、哈佛大学及斯德哥尔摩诺贝尔医学研究所从事教学和研究工作。 1950年人马里兰州贝塞斯达全国卫生研究院，主要研究酶及其他蛋白质的结构对它们的生理活力的适应。 1959年安芬森发表专著《进化的分子基础》。安芬森因对蛋白质分子结构及其生物作用之间的关系的研究而与穆尔和斯坦共获 1972年诺贝尔化学奖。

安芬森(Christian Boehmer Anfinsen)

1916～

化学家介绍：

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斯坦 (William Howard Stein) ，美国生物化学家， 1911年 6月 25日生于美国纽约。 1938年在纽约哥伦比亚内科和外科医师学院获得博士学位。同年入纽约洛克菲勒医学研究所 (今洛克菲勒大学 )任职。曾主要从事研究蛋白质分解产物的分析方法，并将这些方法用于测定核糖核酸酶的结构。斯坦因对蛋白质分子结构的研究取得成果，而与安芬森和穆尔共获 1972年诺贝尔化学奖。

化学家介绍：

斯坦(William Howard Stein)

1911～ 1980

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穆尔 (Stanford Moore) ，美国生物化学家， 1913年 9月 4日生于美国芝加哥。 1938年在威斯康星大学获哲学博士学位。 1939年成为纽约洛克菲勒医学研究所 ( 现洛克菲勒大学 )安芬森研究组成员。1952年升为教授。他出色的成就是应用色谱技术分析蛋白质和生物体液中的氨基酸和肽，并据此确定核糖核酸的结构。穆尔因与安芬森和斯坦合作研究蛋白质结构取得成果而获得 1972年诺贝尔化学奖。

化学家介绍：

穆尔(Stanford Moore)

1913～ 1982

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肯德鲁 (John Cowdery Kendrew) ，英国生物化学家， 1917年 3月 24日生于英国牛津。 1947年成为剑桥彼得豪斯学院研究员和剑桥医学研究理事会分子生物学实验室副主任。 1971年后任防务科学顾问理事会主席。肯德鲁用特殊的X射线衍射技术及电子计算机技术描述了肌球蛋白螺旋结构中氨基酸单位的排列。他与佩鲁茨共同研究了 X.射线衍射晶体照相术，还分工合作研究蛋白质和核酸的结构与功能。肯德鲁因测定了肌球蛋白的结构，而与佩鲁茨共获 1962年诺贝尔化学奖。

肯德鲁(John Cowdery Kendrew)

1917～

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佩鲁茨 (Max Ferdinand Perutz) ，英国生物化学家， 1914年 5月 19日生于奥地利维也纳。曾在维也纳大学和剑桥大学学习。 1937年在剑桥大学卡文迪许实验室开始研究工作。首次获得血红蛋白晶体 X光衍射图像，并与布雷格共同研究 X射线晶体照相术。 1947年他与肯德鲁合作，进行血红蛋白的研究，肯德鲁分工研究肌血红蛋白分子结构，佩鲁茨研究血红蛋白。因佩鲁茨对球蛋白，特别是血红蛋白的结构进行 X射线衍射分析，而与肯德鲁共获 1962年诺贝尔化学奖。

佩鲁茨(Max Ferdinand Perutz)

1914～

化学家介绍：

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二级结构是指多肽链借助于氢键沿一维方向排列成具有周期性的结构的构象，是多肽链局部的空间结构（构象），主要有 α －螺旋、 β－折叠、β－转角等几种形式，其他二级结构元件还有 β－凸起 (β－ bugle) 无规则卷曲 (randon coil)等等。它们是构成蛋白质高级结构的基本要素。

蛋白质二级结构 (secondary structure)

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α－螺旋形 (α－ helix)

返回动画

下页 退出上页四种不同的 α －螺旋表示

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β－折叠形 (β－ sheet)

返回动画

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在平行（ A ）和反平行（ B ） β －折叠片中氢键的排列

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反向 β －折叠

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两种主要类型的 β －转角

β －转角是种简单的非重复性结构。在 β －转角中第一个残基的 C=O 与第四个残基的 N-H 氢键键合形成一个紧密的环，使 β －转角成为比较稳定的结构，多处在蛋白质分子的表面。

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β－转角 (β － turn)

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三级结构主要针对球状蛋白质而言，是指整条多肽链由二级结构元件构建成的总三维结构，包括一级结构中相距远的肽段之间的几何相互关系 ,骨架和侧链在内的所有原子的空间排列。在球状蛋白质中，侧链基团的定位是根据它们的极性安排的。蛋白质特定的空间构象是由氢键、离子键、偶极与偶极间的相互作用、疏水作用等作用力维持的，疏水作用是主要的作用力。有些蛋白质还涉及到二硫键。 如果蛋白质分子仅由一条多肽链组成，三级结构就是它的最高结构层次。

蛋白质的三级结构 (tertiary structure)

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胰岛素的三级结构 溶菌酶分子的三级结构

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四级结构是指在亚基和亚基之间通过疏水作用等次级键结合成为有序排列的特定的空间结构。四级结构的蛋白质中每个球状蛋白质称为亚基，亚基通常由一条多肽链组成，有时含两条以上的多肽链，单独存在时一般没有生物活性。如果某个蛋白质只由一条肽链构成，那么它就没有四级结构。

蛋白质的四级结构 (quaternary structure)

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血红蛋白分子就是由二个由 141 个氨基酸残基组成的 α亚基 (珠蛋白 )和二个由 146个氨基酸残基组成的 β亚基按特定的接触和排列组成的一个球状蛋白质分子，每个亚基中各有一个含亚铁离子的血红素辅基。四个亚基间靠氢键和八个盐键维系着血红蛋白分子严密的空间构象。其功能是运输氧和二氧化碳，维持血液酸碱平衡。

血红蛋白的四级结构

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15.2.6 蛋白质的理化性质

蛋白质与氨基酸相似，具有旋光性，也具有两性性质和等电点。蛋白质溶液在某一 pH时，其分子所带的正、负电荷相等，即成为净电荷为零的偶极离子，此时溶液的 pH值称为该蛋白质的等电点（ pI）。蛋白质溶液在不同的 pH溶液中，以不同的形式存在 :

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15.2.6.1 蛋白质的两性和等电点

PCOO

NH2

H

OHP

COO

NH3

PCOOH

NH3

H

OHP = Protin

pH <> pH pIpH pIµ°°×ÖÊ

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蛋白质是大分子化合物，分子颗粒的直径在胶粒范围之内（ 1～ 100 nm），所以蛋白质分散在水中，水溶液具有胶体溶液的一般特性。例如具有丁铎尔 (Tyndall) 现象，布朗 (Brown) 运动，不能透过半透膜以及较强的吸附作用等。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，所以蛋白质溶液能形成较稳定的胶体体系。

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15.2.6.2 蛋白质的胶体性质

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蛋白质溶液的稳定性是有条件的、相对的。如果改变这种相对稳定的条件，蛋白质分子就会凝集而沉淀。蛋白质的沉淀分为可逆沉淀和不可逆沉淀。（ 1）可逆沉淀 可逆沉淀是指蛋白质分子的内部结构仅发生了微小改变或基本保持不变，仍然保持原有的生理活性。只要消除了沉淀的因素，已沉淀的蛋白质又会重新溶解。盐析一般不会破坏蛋白质的结构，当加水或透析时，沉淀又能重新溶解。所以盐析作用是可逆沉淀。（ 2）不可逆沉淀 蛋白质在沉淀时，空间构象发生了很大的变化或被破坏，失去了原有的生物活性，即使消除了沉淀因素也不能重新溶解，称为不可逆沉淀。

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15.2.6.3 蛋白质的沉淀

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由于物理或化学因素的影响，蛋白质分子的内部结构发生了变化，导致理化性质改变，生理活性丧失，称做蛋白质的变性。变性后的蛋白质称为变性蛋白质。蛋白质的变性分为可逆变性和不可逆变性，若仅改变了蛋白质的三级结构，可能只引起可逆变性；若破坏了二级结构，则会引起不可逆变性。变性蛋白质与天然蛋白质有明显的差异，其物理性质、化学性质发生改变能并丧失生理活性。

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15.2.6.4 蛋白质的变性

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蛋白质的颜色反应可以辅助判断蛋白质的存在与否，主要包括以下几种特殊颜色反应：（ 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。含两个以上 -CO-NH- 基的化合物，都能和硫酸铜的碱溶液生成紫色。（ 2）蛋白黄反应 分子中含有苯环的蛋白质，遇浓硝酸即显黄色称为蛋白黄反应，这是苯环发生了硝化的缘故。黄色溶液再用碱处理，就会转为橙色。（ 3）茚三酮反应 蛋白质与稀的茚三酮溶液共热，呈现蓝色。

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15.2.6.5 蛋白质的颜色反应

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15.3 核酸

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15.3.1 核酸的组成15.3.2 核苷和酸核苷15.3.3 核酸的结构15.3.4 基因

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核酸存在于一切生物体中。因最早由细胞核中提取得到，故名核酸。核酸象蛋白质一样，也是生命的最基本物质。

核酸也是链状高分子化合物，它们的相对分子质量可达几百万甚至数亿，组成核酸链的单元是核苷酸。

在生物体内，核酸主要以核蛋白的形式存在。核蛋白是结合蛋白，核酸作为辅基与蛋白质结合在一起。

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15.3.1 核酸的组成

核酸

在适当酶催化，或在弱碱的作用下

温度较高则进一步水解

在无机酸的作用下完全水解磷酸

杂环碱核苷戊糖核苷酸

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核

糖

核

酸

脱氧核糖核酸

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戊糖

O OH

HH

OH

H

OH

CH2OH

H

O OH

HH

H

H

OH

CH2OH

H

脱氧核糖核酸 (Deoxyribonucleic acid ，简称 DNA) 水解后得到的戊糖为 2-脱氧核糖

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核糖核酸 (Ribonucleic acid ，简称 RNA) 水解后得到的戊糖为核糖

核糖

2- 脱氧核糖

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杂环碱

由核酸水解所得到的杂环碱都是嘌呤碱或嘧啶碱。 RNA 和 DNA 所含的嘌呤碱是相同的，都含有腺嘌呤和鸟嘌呤。

N

N

N

N

NH2

H

1

23

4

56 7

8

9

ÏÙàÑßÊ£¨adenine,¼òд£ºA)

NH

N

N

NNH2

O

H

ÄñàÑßÊ

£¨guanine,¼òд£ºG)

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RNA 和 DNA 所含的的嘧啶碱不完全一样， RNA 含有胞嘧啶和尿嘧啶，而 DNA 含有胞嘧啶和胸腺嘧啶。

N

N O

NH2

H1

2

34

5

6

°ûà×à¤

£¨cytosine, ¼òд£ºC)

N O

NH

H

O

1

2

345

6

Äòà×à¤

(uracil,¼òд£ºU)

N O

NHCH3

H

O

1

2

345

6

ÐØÏÙà×à¤thymine,¼òд£ºT)(

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O

HH

OH

H

OH

CH2OH

H

N

N

N

N

NH2

ÏÙàÑßʺËÜÕ

9

1'

NN

N

NH2

N

O

H

O

HH

OH

H

OH

CH2OH

H

ÄñàÑßʺËÜÕ

9

1'

N

NH

N OO

HH

OH

H

OH

CH2OH

H

1

1'

°ûà×ऺËÜÕ

N O

NH

O

O

HH

OH

H

OH

CH2OH

H

1

1'

Äòà×ऺËÜÕ

RNA的四种核苷

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15.3.2　核苷和酸核苷

杂环碱核苷

戊糖

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O

HHH

OH

CH2OH

H

H

N

N

N

N

NH2

9

1'

ÏÙàÑßÊÍÑÑõºËÜÕ

NN

N

NH2

N

O

H

O

HHH

OH

CH2OH

H

H

9

1'

ÄñàÑßÊÍÑÑõºËÜÕ

N

NH

N OO

HHH

OH

CH2OH

H

H

1

1'

°ûà×à¤ÍÑÑõºËÜÕ

N O

NH2

O

O

HHH

OH

CH2OH

H

H

1

1'

ÐØÏÙà×à¤ÍÑÑõºËÜÕ

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DNA的四种核苷

杂环碱核苷

戊糖

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O

HH

OH

H

O

H

CH2

P

OH

PO

OO CH2O

HH

OH

H

O

H

P

OH

OO CH2O

HH

OH

H

H

¼î»ù

¼î»ù

¼î»ù

1'

5'

4'

3' 2'

1'

1'

3'

3'

5'

5'

RNA 的结构

核酸是由许多核苷酸单元所构成的高分子化合物。

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核苷酸单元是通过磷酸酯键，在戊糖的 3’ 和5’位上联结起来的。

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15.3.3.1 核酸的一级结构

核酸的一级结构是指组成核酸的各种单核苷酸按照一定比例和一定的顺序，通过磷酸二酯键连接而成的核苷酸长链。 RNA的分子量一般在 104～ 106之间，而 DNA在 106 ～ 109之间。无论是 RNA还是 DNA，都是由一个单核苷酸中戊糖的 C5’上的磷酸与另一个单核苷酸中戊糖的 C

3’上羟基之间，通过 3’， 5’-磷酸二酯键连接而成的长链化合物。

15.3.3 核酸的结构

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15.3.3.2 DNA 的双螺旋结构

研究表明， DNA具有双螺旋的二级结构， 2条反方向平行的 DNA链沿着 1

个轴向右盘旋成双螺旋体。在两条链之间嘌呤碱和嘧啶碱两两成对，通过氢键相互联结。

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N

N

OCH3

O

H N

N

N

N

NHH

ÍÑ ÑõºË ÌÇ

ÍÑ ÑõºË ÌÇT A

N

N

N

O

H H N

N

N

N

O

N

HH

HH

ÍÑ ÑõºË ÌÇ

ÍÑ ÑõºË ÌÇ

C G返回

嘌呤碱和嘧啶碱两两成对：　

DNA 分子双螺旋结构模型的发现，是生物学史上的一座里程碑，它为 DNA 复制提供了构型上的解释，使人们对 DNA 作为基因的物质基础不再怀疑，并且奠定了分子遗传学和分子生物学的基础， DNA双螺旋模型在科学上的影响是深远的。沃森、克里克和威尔金斯于 1962年荣获诺贝尔生理学医学奖。

克里克Francis Harry Compton

Crick英国剑桥分子生物学研究所

1916年 -- 2004

沃森James Dewey 

Watson美国哈佛大学

1928年 --

威尔金斯Maurice Hugh Frederick 

Wilkins英国伦敦大学

1916年— 2004

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15.3.4 基因

基因是含有特定遗传功能的核酸片段，是人类的遗传物质，附着在细胞核中的染色体上，主要成份是脱氧核糖核酸。人类基因组拥有大约 32亿对碱基，不同的人基因组中碱基对序列的 99.9％都是一模一样的，只有不到 1‰左右的序列有所不同。这不到 1‰ 的差异不仅决定了人们是否易于得某些疾病，也决定了他们在身高、肤色和体型等方面的差异。

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人类基因组计划

1990 年 10月，国际人类基因组计划启动。 1999年 9月，中国获准加入人类基因组计划。 12月 1日，人类首次成功地完成人体染色体基因完整序列的测定。 2000 年 4月底，中国科学家完成 1％人类基因组的工作框架图。 5月 8日，由德国和日本等国科学家组成的国际科研小组宣布，他们已基本完成了人体第21 对染色体的测序工作。 6月 26日，科学家公布人类基因组工作草图。 2001年 2月 12日，人类基因组图谱及初步分析结果首次公布。

基因示意图

科学家宣布人类基因组草图绘制成功 返回

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第一个亚洲人基因组图谱 (“炎黄一号” )

由于进化历史、文化习俗等种种原因，中国人具有自己独特的遗传背景，在疾病易感性和药物反应方面与其它族群存在显著差异，导致许多对白种人群有效的基因诊断、药物等医学研究成果不能够应用于中国乃至亚洲人群。“炎黄一号”作为中国人参照基因组序列，从基因组学上对这些差异做出了解释。此外，研究人员将“炎黄一号” DNA序列信息与已知疾病关联位点进行了比较并对该个体的各种常见疾病风险进行了预测。其科学发现将从根本上影响疾病的预测、预警、预防和治疗方式，推动个体化医疗和健康的新发展模式，形成巨大的新兴产业和市场。

测序数据总量达到一千一百七十七亿碱基对，详细比较了中国人与已有数据的白种人基因组在序列上的差异，总共发现了三百零七万例单核苷酸多态性位点。