北京大学裴伟伟有机化学讲义Chapter22.ppt

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1、第二十二章第二十二章第二十二章第二十二章 氨基酸、多肽、蛋白质、酶和核酸氨基酸、多肽、蛋白质、酶和核酸氨基酸、多肽、蛋白质、酶和核酸氨基酸、多肽、蛋白质、酶和核酸exit第一节第一节 氨基酸的结构、名称及物理性质氨基酸的结构、名称及物理性质第二节第二节 氨基酸的性质氨基酸的性质第三节第三节 氨基酸的合成氨基酸的合成第第四四节节 多肽的定义、命名和结构多肽的定义、命名和结构第第五五节节 多肽的合成多肽的合成第六节第六节 多肽结构的测定多肽结构的测定第七节第七节 蛋白质的结构和特性蛋白质的结构和特性第八节第八节 酶酶第九节第九节 核酸核酸本章提纲本章提纲本章提纲本章提纲 蛋白质、碳水化合物、脂肪蛋

2、白质、碳水化合物、脂肪(甘油醇的脂肪酸酯甘油醇的脂肪酸酯)是人所需营养中的三种要素。是人所需营养中的三种要素。第一节第一节 氨基酸的结构、名称和物性氨基酸的结构、名称和物性 羧酸分子中烃基上的一个或几个氢羧酸分子中烃基上的一个或几个氢原子被氨基取代生成的化合物叫氨基酸。原子被氨基取代生成的化合物叫氨基酸。一一 定义定义按氨基与羧基的相对位置分：按氨基与羧基的相对位置分：-氨基酸，氨基酸，-氨基酸氨基酸按氨基与羧基的数目来分：按氨基与羧基的数目来分：中性氨基酸、酸性氨基酸，碱性氨基酸中性氨基酸、酸性氨基酸，碱性氨基酸三三 氨基酸的氨基酸的构型和存在形式构型和存在形式构型（用构型（用D、L表示）表

3、示）-氨基酸通式氨基酸通式 L型型-氨基酸氨基酸 D型型-氨基酸氨基酸 L-甘油醛甘油醛除甘氨酸，天然除甘氨酸，天然-氨基酸都是有旋光的，而且都是氨基酸都是有旋光的，而且都是L型的。型的。二二 分类分类存在形式：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四四 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或或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

4、一个缩写符号表示。物物 理理 性性 质质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200度以下都是稳定的；度以下都是稳定的；氨基酸的氨基酸的pKa为为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。五五 八个必需氨基酸八个必需氨基酸缬缬氨酸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 等电点等电点二二 与茚三酮反应与茚三酮反应三三 氨基酸金属盐络合物的形成氨基酸金属盐络合物的形成第二节第二节 氨基酸的

5、性质氨基酸的性质谷氨酸谷氨酸 焦谷氨酸焦谷氨酸总述：具有胺和羧酸的共性。例如形成酰胺总述：具有胺和羧酸的共性。例如形成酰胺2分子甘氨酸分子甘氨酸 2,5-二嗪哌酮二嗪哌酮-2H2O-H2O 一个氨基酸总可以找到一个一个氨基酸总可以找到一个pH值，在该值，在该pH值下，正、值下，正、负离子的浓度完全相等，此时向阳极移动和向阴极移动的离负离子的浓度完全相等，此时向阳极移动和向阴极移动的离子彼此抵消（即没有净的迁移），或者说，电场中不显示离子彼此抵消（即没有净的迁移），或者说，电场中不显示离子的迁移。将此时的子的迁移。将此时的pH值称为该氨基酸的等电点。值称为该氨基酸的等电点。氨基酸的特殊性质氨基酸

6、的特殊性质一一 等电点等电点中性氨基酸的等电点：中性氨基酸的等电点：pH=6.26.8 酸性氨基酸的等电点：酸性氨基酸的等电点：pH=2.83.2 碱性氨基酸的等电点：碱性氨基酸的等电点：pH=7.610.8 不同的氨基酸有不同的等电点，所以可以通过测定氨基不同的氨基酸有不同的等电点，所以可以通过测定氨基酸的等电点来鉴别氨基酸。酸的等电点来鉴别氨基酸。等电点时，以两性离子形式存在的氨基酸浓度最等电点时，以两性离子形式存在的氨基酸浓度最大（在水溶液中），氨基酸的溶解度最小。大（在水溶液中），氨基酸的溶解度最小。二二 与茚三酮的反应与茚三酮的反应凡是有游离氨基的氨基酸都可以和茚三酮发生呈紫色的反应

7、。凡是有游离氨基的氨基酸都可以和茚三酮发生呈紫色的反应。茚茚茚三酮茚三酮 水合茚三酮水合茚三酮+紫色紫色-CO2，-RCHO-3H2O互变异构互变异构三三 氨基酸金属盐络合物的形成氨基酸金属盐络合物的形成金属上有空轨道，金属上有空轨道，N上有未共用电子对！上有未共用电子对！氨基酸金属盐络合物具有很好的结晶形状氨基酸金属盐络合物具有很好的结晶形状,该该反应可用来沉淀和鉴别某些氨基酸。反应可用来沉淀和鉴别某些氨基酸。一一 斯瑞克合成法斯瑞克合成法-醛的氨氰化法醛的氨氰化法二二 赫尔赫尔-乌尔哈乌尔哈-泽林斯基泽林斯基-溴化法溴化法三三 盖布瑞尔法盖布瑞尔法四四 丙二酸酯法丙二酸酯法第三节第三节 氨

8、基酸氨基酸的合成的合成改进方法：改进方法：用用NH4CN or NH4Cl+KCN代替代替HCN+NH3应应 用：用：合成比原料醛多一个碳的氨基酸合成比原料醛多一个碳的氨基酸氨基酸的来源：（氨基酸的来源：（1）天然产物酸性水解）天然产物酸性水解 （2）微生物发酵法微生物发酵法 （3）化学合成法化学合成法一一 斯瑞克合成法斯瑞克合成法-醛的氨氰化法醛的氨氰化法RCHO +HCN +NH3H3+O应用盖布瑞尔法可以制备很纯的氨基酸。应用盖布瑞尔法可以制备很纯的氨基酸。二二 赫尔赫尔-乌尔哈乌尔哈-泽林斯基泽林斯基-溴化法溴化法RCH2COOHNH3Br2P在封管或高在封管或高压釜内进行压釜内进行三

9、三 盖布瑞尔法盖布瑞尔法H3O+1.通过酰基丙二酸酯法通过酰基丙二酸酯法四四 丙二酸酯法丙二酸酯法+NC-CH=CH2H3+OH2/Pt醋酸醋酸麦克尔加成麦克尔加成 碱碱H2/催催加热加热-CO2OH-丝氨酸的合成丝氨酸的合成+CH2=OH3+O-CO2丝氨酸丝氨酸 （65%）2.通过溴代丙二酸酯法合成通过溴代丙二酸酯法合成CH2(COOEt)2BrCH(COOEt)2ClCH2CH2SCH3HClBr2 CCl4NaNaOH蛋氨酸（蛋氨酸（50%）烷基化烷基化谷氨酸的合成谷氨酸的合成+CH2=CHCOOEt麦克尔加成麦克尔加成NaOEtH3+O谷氨酸谷氨酸 （70%）脯氨酸的合成脯氨酸的合成

10、H3+ONaOEtBr(CH2)3BrEtOHNaOH脯氨酸脯氨酸 70%分子内亲核取代分子内亲核取代 一个氨基酸的羧基与另一分子氨基酸的氨基通过失水反应，一个氨基酸的羧基与另一分子氨基酸的氨基通过失水反应，形成一个酰氨键，新生成的化合物称为肽，肽分子中的酰形成一个酰氨键，新生成的化合物称为肽，肽分子中的酰氨键叫肽键。二分子氨基酸失水形成的肽叫二肽，多个分氨键叫肽键。二分子氨基酸失水形成的肽叫二肽，多个分子氨基酸失水形成的肽叫多肽。子氨基酸失水形成的肽叫多肽。第四节第四节 多肽的定义、命名和结构多肽的定义、命名和结构一一 定义定义二二 命名命名甘氨酸甘氨酸丙氨酸丙氨酸亮氨酸亮氨酸产物三肽的名称

11、为：甘氨酰产物三肽的名称为：甘氨酰-丙氨酰丙氨酰-亮氨酸亮氨酸 （甘（甘-丙丙-亮）（亮）（Gly-Ala-Leu）-2H2O肽键肽键C-端端N端端1.肽键和肽的几何形状肽键和肽的几何形状三三 结构结构2.二硫键二硫键Na+液液NH3空气氧化空气氧化Cys-Tyr-Ile-Glu-Arg-Cys-Pro-Leu-Gly NH2SS牛催产素牛催产素一一 氨基的保护氨基的保护二二 羧基的保护羧基的保护三三 侧链的保护侧链的保护四四 接肽方法接肽方法 1 混合酸酐法混合酸酐法 2 活泼酯活泼酯法、法、3 碳二亚胺法碳二亚胺法 4 环酸酐法、环酸酐法、5 固相接肽固相接肽第五节第五节 多肽的合成多肽的

12、合成保护基必须具备的条件保护基必须具备的条件（1）易在预定的部位引入）易在预定的部位引入（2）在某特定的条件下，保护基很易除去）在某特定的条件下，保护基很易除去（3）引入和除去保护基时，分子中的其它部位）引入和除去保护基时，分子中的其它部位 不会受到影响，特别是已接好的肽键。不会受到影响，特别是已接好的肽键。多肽合成必须解决下面四个问题多肽合成必须解决下面四个问题1.1.氨基保护氨基保护 2.羧基保护羧基保护 3.侧链保护侧链保护 4.接肽方法接肽方法C6H5CH2OH+COCl2（光气光气)一一 氨基的保护氨基的保护1.用氯代甲酸苯甲酯（或称苯甲氧基甲酰氯）保护用氯代甲酸苯甲酯（或称苯甲氧基

13、甲酰氯）保护Benzoxycarbonyl（简写简写Z）H2 Pd/C +NH3CH2CO2-OH-H+SOCl2+NH3CH2CO2-,OH-H+H+CF3COOH（1mol）上保护基上保护基接肽接肽去保护基去保护基反应过程：反应过程：2 用氯代甲酸三级丁酯保护用氯代甲酸三级丁酯保护t-Butoxycarbonyl 简写简写BOC在多肽中的应用：在多肽中的应用：CF3COOH HOAc-OH,25oC上保护基上保护基接肽（过程略）接肽（过程略）去保护基去保护基*1.催化氢化和稀碱都不能除去催化氢化和稀碱都不能除去BOC，通常用温通常用温 和的酸性水解法除去。和的酸性水解法除去。*2.若氨基酸

14、中有多个氨基，在接肽前均需保护。若氨基酸中有多个氨基，在接肽前均需保护。*3.用用Z保护还是用保护还是用BOC保护，视实际情况而定。保护，视实际情况而定。二二 羧基的保护羧基的保护使用的酸为：使用的酸为：CF3COOH HBr/HOAcA代表：代表：HCl CH3OH接肽接肽Na2CO3接肽接肽Pd/H2(CH3)2C=CH2接肽接肽H3+O去保护基去保护基去保护基去保护基上保护基上保护基上保护基上保护基上保护基上保护基去保护基去保护基AAA例如：例如：三三 侧链的保护侧链的保护 当氨基酸的侧链带有某些官能团时，在合成多肽时，有时也需当氨基酸的侧链带有某些官能团时，在合成多肽时，有时也需要加以

15、保护，保护的方法，要视具体情况而定。要加以保护，保护的方法，要视具体情况而定。巯基经常用苯甲基保护，保护基可以在钠、液氨作用下除去。巯基经常用苯甲基保护，保护基可以在钠、液氨作用下除去。上保护基上保护基去保护基去保护基空气中氧化空气中氧化Na,NH3(l)四四 接肽的方法接肽的方法1 混合酸酐法（活化羧基）混合酸酐法（活化羧基）-OH,25oCN(C2H5)3-5-0oC-(C2H5)3NHClH2/Pd-C接肽接肽C6H5CH2OCOCl2 活泼酯法活泼酯法N(C2H5)3H+3.碳二亚胺法接肽碳二亚胺法接肽dicyclohexylcarbodimide (DCC)接肽接肽H2/Pd-C去保

16、护基去保护基失水机制失水机制二环己基脲二环己基脲1.保护氨基和活化羧基同时完成保护氨基和活化羧基同时完成 2.氨基甲酸不稳定氨基甲酸不稳定4.环酸酐法接肽环酸酐法接肽-CO2二肽二肽环状酸酐环状酸酐215.固相接肽固相接肽麦尔德麦尔德发明；发明；解决了蛋白质和多肽的一些合成问题。解决了蛋白质和多肽的一些合成问题。在不溶的高分子树脂的表面上进行接肽反应称为固相接肽。在不溶的高分子树脂的表面上进行接肽反应称为固相接肽。测定肽或蛋白质的一级结构需要进行下面几项工作：测定肽或蛋白质的一级结构需要进行下面几项工作：一一 测定分子中是否存在二硫键测定分子中是否存在二硫键二二二二 检测氨基酸的组成及其相对比

17、例检测氨基酸的组成及其相对比例三三三三 测定肽或蛋白质中各氨基酸的排列顺序测定肽或蛋白质中各氨基酸的排列顺序第六节第六节 多肽结构的测定多肽结构的测定一一 测定分子中是否存在二硫键测定分子中是否存在二硫键 多肽或蛋白质分子中有二硫键，需要切断。多肽或蛋白质分子中有二硫键，需要切断。其方法是用过酸氧化。其方法是用过酸氧化。二二 检测氨基酸的组成及其相对比例检测氨基酸的组成及其相对比例该工作由氨基酸自动分析仪完成该工作由氨基酸自动分析仪完成 在在N-端引入具有特定基团的标记化合物，这种标记基端引入具有特定基团的标记化合物，这种标记基团有颜色、荧光、紫外吸收等性质，然后分离鉴定具有这团有颜色、荧光、

18、紫外吸收等性质，然后分离鉴定具有这种基团的氨基酸衍生物。种基团的氨基酸衍生物。三三 测定肽或蛋白质中各氨基酸的排列顺序测定肽或蛋白质中各氨基酸的排列顺序1.N-端氨基酸单元的分析端氨基酸单元的分析DNFB +Gly-Ala-PheDNFB-Gly-Ala-PheDNFB-Gly Ala PheH+水解水解 105oCpH=8-9 室温室温二硝基氟苯法（桑格尔法）二硝基氟苯法（桑格尔法）肼解法：肼解法：当蛋白质（或多肽）与无水肼在当蛋白质（或多肽）与无水肼在100反应反应5-10h后，除后，除C端氨基酸外，端氨基酸外，所有氨基酸都转变成相应氨基酸的酰肼，所有氨基酸都转变成相应氨基酸的酰肼，C端氨

19、基酸则以游离氨基酸放出。端氨基酸则以游离氨基酸放出。2.C-末端测定末端测定NH2-NH2 100oC 5-10hGly-Ala-PheGlyNHNH2 AlaNHNH2 Phe第七节第七节 蛋白质的结构和特性蛋白质的结构和特性相对分子质量超过相对分子质量超过1万的多肽称为蛋白质。万的多肽称为蛋白质。蛋白质有两个重要的性质：盐析、变性蛋白质有两个重要的性质：盐析、变性蛋白质有四级结构蛋白质有四级结构 肽链中各种氨基酸相互联接的顺序是蛋白质的初级结构，肽链中各种氨基酸相互联接的顺序是蛋白质的初级结构，也叫一级结构。也叫一级结构。多肽链主链骨架中的若干肽段，通过氢键，形成有规则多肽链主链骨架中的若

20、干肽段，通过氢键，形成有规则的构象，这称为二级结构。的构象，这称为二级结构。-螺旋螺旋 -折叠折叠 在二级结构的基础上，多肽链间通过氨基酸残基侧链的在二级结构的基础上，多肽链间通过氨基酸残基侧链的相互作用而进行盘旋和折叠，因而产生的特定的三维空间结相互作用而进行盘旋和折叠，因而产生的特定的三维空间结构，这称为三级结构，也称为蛋白质的亚基。构，这称为三级结构，也称为蛋白质的亚基。各个亚基在低聚蛋白中的空间排布及相互作用，称为蛋各个亚基在低聚蛋白中的空间排布及相互作用，称为蛋白质的四级结构。白质的四级结构。蛋白质的生理活性是由二级、三级、四级结构来决定的蛋白质的生理活性是由二级、三级、四级结构来决

21、定的。第八节第八节 酶酶酶：酶：酶是一类在生物体内有催化活性的蛋白质。酶是一类在生物体内有催化活性的蛋白质。辅酶：与酶蛋白松弛地结合的辅助因子称为辅酶。辅酶：与酶蛋白松弛地结合的辅助因子称为辅酶。辅基：与酶蛋白紧密地结合的辅助因子称为辅基。辅基：与酶蛋白紧密地结合的辅助因子称为辅基。全酶：酶蛋白与辅助因子结合后形成的复合物称为全酶。全酶：酶蛋白与辅助因子结合后形成的复合物称为全酶。D-2-脱氧核糖脱氧核糖的核苷的核苷+磷酸磷酸第九节第九节 核酸核酸D-核糖核糖+碱基碱基结构组成结构组成核糖核苷酸核糖核苷酸核糖核酸核糖核酸D-核糖的核苷核糖的核苷+磷酸磷酸核核酸酸脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸脱氧核糖

22、脱氧核糖核甘酸核甘酸D-2-脱氧核糖脱氧核糖+碱基碱基聚合聚合聚合聚合核酸的基本单位核酸的基本单位一一 糖糖D-核糖核糖D-2-脱氧核糖脱氧核糖二二 碱基碱基C（胞嘧啶）胞嘧啶）U（脲嘧啶）脲嘧啶）T（胸腺嘧啶）胸腺嘧啶）A（腺嘌呤）腺嘌呤）G（鸟嘌呤）鸟嘌呤）RNA的的组组成成鸟苷（鸟苷（G）腺苷（腺苷（A）胞苷胞苷（C）脲苷（脲苷（U）将遗传密码翻译变成特异的蛋白质，以将遗传密码翻译变成特异的蛋白质，以执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相执行各种生命功能，使后代表现出与亲代相似的遗传性状。似的遗传性状。RNA的作用的作用DNA的的组组成成2-脱氧胸腺苷脱氧胸腺苷dT2-脱氧胞苷脱氧胞苷d

23、C2-脱氧腺苷脱氧腺苷dA2-脱氧鸟苷脱氧鸟苷 dG携带全部遗传密码。携带全部遗传密码。DNA所携带的全部遗传信息都记载在所携带的全部遗传信息都记载在DNA所包含的全部核苷酸的排列顺序中。所包含的全部核苷酸的排列顺序中。DNA虽然只有四种类型的核苷酸，但它的相对分子质量虽然只有四种类型的核苷酸，但它的相对分子质量极大，这四种核苷酸在极大，这四种核苷酸在DNA分子中的排列方式近乎无穷，分子中的排列方式近乎无穷，一个含一个含1000个核苷酸的个核苷酸的DNA分子，有分子，有41000种排列方式，这是种排列方式，这是一个天文数字，这就是生物界多样性的原因。一个天文数字，这就是生物界多样性的原因。DNA的作用的作用