第一章 氨基酸和核苷酸

1、第一章氨基酸和核苷酸Amino Acids and Nucleotides生物大分子蛋白質(zhì)、核酸都是由基本結(jié)構(gòu)單位組成的多聚體（polymer）；可形成聚合體的基本結(jié)構(gòu)單位稱為單體（monomer）。蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單體是氨基酸核酸的基本結(jié)構(gòu)單體是核苷酸第一節(jié)氨基酸的結(jié)構(gòu)與功能The Structure and Function of Amino Acids一、構(gòu)成人體蛋白質(zhì)氨基酸均為L-a-氨基酸雖然存在于自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的氨基酸僅有20種，且均屬 L- a-氨基酸（除甘氨酸外）。側(cè)鏈R-氨基-羧基-CCOO-COOHH2NCHR+H3NCHR離子形式不帶電形式

2、C如是不對稱C（除Gly），則：1. 具有兩種立體異構(gòu)體 D-型和L-型2. 具有旋光性 左旋（-）或右旋（+）二、氨基酸的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)決定其功能（一）氨基酸的差異在于側(cè)鏈結(jié)構(gòu)a-R基團(tuán)(1)側(cè)鏈含烴鏈的氨基酸屬于非極性脂肪族氨基酸 包括甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、。 此類氨基酸在水溶液中溶解度小。中文名英文名縮寫符號結(jié)構(gòu)式等電點（pI）含脂肪烴側(cè)鏈的氨基酸甘氨酸GlycineGlyG5.97丙氨酸AlanineAlaA6.00纈氨酸ValineValV5.96亮氨酸LeucineLeuL5.98異亮氨酸IsoleucineIleI6.02(2)側(cè)鏈含羥基或含巰基是極性中性氨基酸側(cè)鏈

3、含有羥基的氨基酸絲氨酸SerineSerS5.68蘇氨酸ThreonineThrT5.60酪氨酸TyrosineTyrY見芳香族類5.66側(cè)鏈含有硫的氨基酸半胱氨酸CysteineCysC5.07甲硫氨酸MethionineMetM5.74(3)側(cè)鏈含酸性基團(tuán)及其衍生物的氨基酸此類氨基酸有天冬氨酸、谷氨酸，其側(cè)鏈都含有羧基，均可解離而帶負(fù)電荷。側(cè)鏈含酸性基團(tuán)及其氨基衍生物的氨基酸天冬氨酸Aspartic acidAspD2.97天冬酰胺AsparagineAsnN5.41谷氨酸Glutamic acidGluE3.22谷氨酰胺GlutamineGlnQ5.65(4)側(cè)鏈含堿性基團(tuán)的氨基酸屬于堿

4、性氨基酸 此類氨基酸有賴氨酸、精氨酸和組氨酸，其側(cè)鏈分別含有氨基、胍基和咪唑基，均可發(fā)生質(zhì)子化， 使之帶正電荷。側(cè)鏈含堿性基團(tuán)的氨基酸精氨酸ArginineArgR10.76賴氨酸LysineLysK9.74組氨酸HistidineHisH7.59(5)側(cè)鏈含芳香基團(tuán)的氨基酸是芳香族氨基酸 包括苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸，其側(cè)鏈分別有苯基、酚基和吲哚基。側(cè)鏈含芳香環(huán)的氨基酸苯丙氨酸PhenylalaninePheF5.48酪氨酸TyrosineTyrY5.66色氨酸TryptophanTrpW5.89亞氨基酸脯氨酸ProlineProP6.30幾種特殊氨基酸脯氨酸CH2（亞氨基酸）CHCOO-C

5、H2NH2+CH2 半胱氨酸+-OOC-CH-CH2-SHHS-CH2-CH-COO-+NH3+NH3-HH-OOC-CH-CH2+NH3-CH2-CH-COO-+NH3胱氨酸二硫鍵-SS（二） a-R基團(tuán)賦予氨基酸不同的極性蛋白質(zhì)中的L-a-氨基酸依據(jù)極性的分類類別主要氨基酸非極性脂肪族氨基酸丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸芳香族氨基酸苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸亞氨基酸脯氨酸極性中性氨基酸甘氨酸、絲氨酸、半胱氨酸、蘇氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺酸性氨基酸天冬氨酸、谷氨酸堿性氨基酸賴氨酸、精氨酸、組氨酸（三） 氨基酸a-R基團(tuán)直接影響多肽鏈結(jié)構(gòu)半胱氨酸結(jié)構(gòu)與功能特點:氧化狀態(tài)下，多肽鏈中不

6、相鄰的兩個半胱氨酸通過二硫鍵相連，增強蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；巰基易與重金屬離子結(jié)合 。天冬氨酸、谷氨酸結(jié)構(gòu)與功能特點：攜帶強負(fù)電荷，常位于水溶性蛋白的表面；可結(jié)合帶正電荷的分子或金屬離子。苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸結(jié)構(gòu)與功能特點：側(cè)鏈結(jié)構(gòu)大且極性較弱或無極性，常位于水溶性蛋白的內(nèi)部。甘氨酸結(jié)構(gòu)與功能特點：是唯一不存在不對稱立體結(jié)構(gòu)的氨基酸，有較大的旋轉(zhuǎn)自由度，賦予多肽鏈更多的柔性；是最小的氨基酸，能夠存在于空間致密的蛋白質(zhì)中，如膠原。組氨酸結(jié)構(gòu)與功能特點：咪唑基團(tuán)容易發(fā)生質(zhì)子化，進(jìn)而影響其所在的蛋白質(zhì)構(gòu)象，因此是許多蛋白質(zhì)功能的調(diào)節(jié)機制異亮氨酸、亮氨酸、纈氨酸結(jié)構(gòu)與功能特點：均含有較大的疏水側(cè)鏈，

7、其剛性結(jié)構(gòu)特征及疏水相互作用都對蛋白折疊有重要的影響力，常作為水溶性蛋白的內(nèi)部支撐結(jié)構(gòu)賴氨酸、精氨酸結(jié)構(gòu)與功能特點：有帶正電荷的柔性側(cè)鏈，常作為蛋白的親水表面，且易于結(jié)合帶有負(fù)電荷的其他分子，如DNA。甲硫氨酸結(jié)構(gòu)與功能特點：是多肽鏈生物合成的起始氨基酸；參與體內(nèi)含硫化合物代謝及甲基化反應(yīng)。脯氨酸結(jié)構(gòu)與功能特點：N原子在雜環(huán)中移動的自由度受到限制，常位于多肽鏈的轉(zhuǎn)角處絲氨酸、蘇氨酸結(jié)構(gòu)與功能特點：側(cè)鏈短，所含羥基常作為酶反應(yīng)中的供氫體；親水性強，位于水溶性蛋白表面（四） 氨基酸的側(cè)鏈可有其他化學(xué)基團(tuán)修飾體內(nèi)常見的蛋白質(zhì)翻譯后發(fā)生化學(xué)修飾的氨基酸殘基常見的化學(xué)修飾種類發(fā)生修飾的主要氨基酸殘基磷酸

8、化絲氨酸、蘇氨酸、酪氨酸N-糖基化天冬酰胺O-糖基化絲氨酸、蘇氨酸羥基化脯氨酸 賴氨酸甲基化賴氨酸、精氨酸、組氨酸、天冬酰胺、天冬氨酸、谷氨酸乙?；嚢彼?、絲氨酸硒化半胱氨酸三、氨基酸及其衍生物具有除形成多肽鏈外的多種重要功能組成蛋白質(zhì)的氨基酸的其他功能及重要衍生物舉例氨基酸名稱重要功能及衍生物甘氨酸神經(jīng)遞質(zhì)；參加體內(nèi)嘌呤類、卟啉類和肌酸的合成谷氨酸神經(jīng)遞質(zhì)；其a-脫羧產(chǎn)物-氨基丁酸亦是重要的神經(jīng)遞質(zhì)色氨酸轉(zhuǎn)化生成重要的神經(jīng)遞質(zhì)5羥色胺精氨酸產(chǎn)生重要的信號物質(zhì)一氧化氮（NO）；參加合成尿素的鳥氨酸循環(huán)甲硫氨酸為體內(nèi)的毒物或藥物甲基化代謝提供甲基，起到解毒的作用天冬氨酸神經(jīng)遞質(zhì)；三羧酸循環(huán)中的重

9、要成分；參加合成尿素的鳥氨酸循環(huán)酪氨酸黑色素組氨酸脫羧形成的組胺具有血管舒張作用，并參與多種反應(yīng)非蛋白質(zhì)組成氨基酸及其衍生物功能舉例氨基酸名稱功能瓜氨酸、鳥氨酸參加體內(nèi)尿素合成同型半胱氨酸轉(zhuǎn)甲基作用的產(chǎn)物-丙氨酸泛酸（一種維生素）的成分之一L-肉毒堿化學(xué)結(jié)構(gòu)為L-羥-g-三甲胺丁酸， 參加脂質(zhì)轉(zhuǎn)運四、氨基酸的理化性質(zhì)：一般物理性質(zhì)無色晶體，熔點極高（200以上），不同味道；水中溶解度差別較大（極性和非極性），不溶于有機溶劑。（一） 氨基酸具有離子特征氨基酸在水溶液中或在晶體狀態(tài)時都以離子形式存在，在同一個氨基酸分子上帶有能放出質(zhì)子的NH3+正離子和能接受質(zhì)子的COO-負(fù)離子，為電解質(zhì)。等電點

10、(isoelectric point, pI)在某一pH的溶液中，氨基酸解離成陽離子和陰離子的趨勢及程度相等，成為兼性離子，呈電中性。此時溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點。RCHNH2COOH+OH-+H+OH-+H+COO-CH COO- NH2RCHCOOHRCHRNH3+NH3+pHpIpHpI陽離子pH=pI氨基酸的兼性離子陰離子氨基酸等電點的計算氨基酸a 碳上的氨基及羧基各是一帶電基團(tuán)，故有兩個 pK，這兩個pK 平均值即為該氨基酸的 pI (等電點)，即 (pK1 + pK2) 2 = pI。若一個氨基酸有3個可解離的基團(tuán)，寫出它們的電離式后取兼性離子兩邊的pK 值的平均值，即為此

11、氨基酸的等電點。如天冬氨酸的pI計算如下：其中Asp為兼性離子,因而其等電點的計算取其兩側(cè)的pK 值的平均值, 即(pK1 + pK2) 2 = pI（2.09+3.86）2=2.97 即天冬氨酸的pI為2.97。（二）氨基酸的羧基和氨基可發(fā)生多種化學(xué)反應(yīng)體內(nèi)氨基酸化學(xué)反應(yīng)一個氨基酸的羧基可與另一個氨基酸的氨基反應(yīng)成肽， 形成共價的肽鍵。通過連續(xù)的肽鍵，許多氨基酸即可聚合成多肽或蛋白質(zhì)分子a-氨基參與體內(nèi)多種化學(xué)反應(yīng)。氨基酸的a-氨基能與醛類化合物生成弱堿，稱為Schiff堿，這是體內(nèi)氨基酸轉(zhuǎn)氨基作用的中間代謝物（三） 可利用氨基酸理化特性對其進(jìn)行定性定量分析1 氨基酸與2，4-二硝基氟苯反應(yīng)

12、生成二硝基苯基氨基酸2 氨基酸與亞硝酸反應(yīng)生成氮氣3 與茚三酮的反應(yīng)：氨基酸與茚三酮共加熱，生成藍(lán)紫色化合物。在570nm（藍(lán)紫色）定量測定氨基酸的含量。4紫外吸收性質(zhì)：組成天然蛋白質(zhì)分子的20種氨基酸中，色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸含共軛雙鍵對紫外光有光吸收。其吸收峰在280nm左右，以色氨酸吸收最強。大多數(shù)蛋白質(zhì)含有這幾種氨基酸殘基，所以測定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡便的方法?？衫么诵再|(zhì)采用紫外分分光度法測定蛋白質(zhì)的含量。芳香族氨基酸的紫外吸收5薄層層析是鑒定氨基酸及其修飾的經(jīng)典方法各種氨基酸在固定相和流動像中的分配系數(shù)不同，在展開過程中被分離，用茚三酮顯色

13、，觀察氨基酸斑點。（四）氨基酸定量定性分析已進(jìn)入自動化時代隨 著 毛 細(xì) 管 電 泳 （capillary electrophoresis，CE；液相層析（liquid chromatography, LC）自動化及質(zhì)譜（mass spectrometry，MS）技術(shù)的發(fā)展， 目前氨基酸的檢測分析可以在自動分析儀器中快速完成。第 二 節(jié)核苷酸的結(jié)構(gòu)與功能The Structure and Function of Nucleotides核酸是存在于細(xì)胞中的一類大分子酸性物質(zhì)，包括核糖核酸（RNA）和脫氧核糖核酸（DNA）兩大類。RNA和DNA都是以單核苷酸為基本單位所組成的多核苷酸長鏈。RNA主

14、要參與遺傳信息的表達(dá)，而DNA則是遺傳信息的載體。核酸的化學(xué)組成元素組成C、H、O、N、P（9 % 10%）分子組成 堿基(base)：嘌呤堿，嘧啶堿 戊糖(pentose)：核糖，脫氧核糖 磷酸(phosphate)一、戊糖、磷酸和堿基是核苷酸的基本成分核酸在酶的作用下水解為核苷酸（nucleotide）。核苷酸由堿基(base)、戊糖(pentose)和磷酸3種成分以共價鍵依次連接而成。磷酸核糖核酸酶核酸核苷酸戊糖水解脫氧核糖核苷或脫氧核苷核苷酶嘌呤堿基嘧啶（一）核酸中的堿基核酸中常見的5種堿基堿 基:NNH2N嘌呤(purine)NHNN789NH腺嘌呤(adenine, A)O61 N

15、5423NNNHNHNNH2鳥嘌呤(guanine, G)O嘧啶(pyrimidine)NH43 N562NHO1NH尿嘧啶(uracil, U)ONH2H3CNNHNHONHO胞嘧啶(cytosine, C)胸腺嘧啶(thymine, T)五種堿基的酮基或氨基受介質(zhì)的影響，G、U、T可形成酮烯醇互變異構(gòu)體，體液近中性條件下以酮式為主。A、C可形成氨基亞氨基互變異構(gòu)體，體液近中性條件下以氨式為主。使堿基間能形成氫鍵。嘌呤或嘧啶既可堿性解離又可酸性解離，液近中性條件下以堿性解離為主。堿基可發(fā)生互變異構(gòu)OHOOOHNN NHNHNNN HN HH2NNON HH NNGHONU2酮式O烯醇式CH3

16、OH酮式烯醇式CH3 HNNON HHONT烯醇式NH2酮式NHNHNH2NN NHNHNNON HN HON HN HANCN氨式亞氨式氨式亞氨式DNA中的四種堿基及它們間的氫鍵胸腺嘧啶胞嘧啶TCAG腺嘌呤鳥嘌呤核酸中存在稀有堿基核酸中還有一些含量甚少的堿基，稱為稀有堿基(rarebase)。稀有堿基種類很多，大多數(shù)都是甲基化堿基。tRNA中含有較多的稀有堿基， 可高達(dá)10%。核酸中部分稀有堿基DNARNA嘌呤m7G7-甲基鳥嘌呤N6，N6-2 m6AN6，N6-二甲基腺嘌呤N6-m6AN6-甲基腺嘌呤N6-m6AN6-甲基腺嘌呤m7G7-甲基鳥嘌呤嘧啶m5 C5-甲基胞嘧啶DHU二氫尿嘧啶

17、Hm5 C5-羥甲基胞嘧啶T胸腺嘧啶OOH HNNHNHCH3HNHNNNHOHCH3雙氫尿嘧啶S二甲基鳥嘌呤N,NCH3CH3CH2CHCHNNHNNNHONHNN6-異戊烯腺嘌呤4-巰尿嘧啶稀有堿基tRNA中常見的稀有堿基（二） 核苷酸中的戊糖戊糖是核苷酸的另一個基本成分。 核糖核苷酸：-D-核糖 脫氧核糖核苷酸：-D-2-脫氧核糖戊糖HOCH2HOCH2OHOH5OO1432OHHOHOH核糖(ribose)（構(gòu)成RNA）脫氧核糖(deoxyribose)（構(gòu)成DNA）（三）核苷：核苷是由戊糖與含氮堿基經(jīng)脫水縮合而生成的化合物。在大多數(shù)情況下，核苷是由核糖或脫氧核糖的C1-羥基與嘧啶堿N

18、1或嘌呤堿N9進(jìn)行縮合，故生成的化學(xué)鍵稱為，N糖苷鍵。腺苷(AR)1,N9-糖苷鍵脫氧胞苷(dCR)1,N1-糖苷鍵11N9 N1“稀有核苷”是由“稀有堿基”所生成的核苷。假尿苷（）1,C5-糖苷鍵1C5（四）核苷酸的結(jié)構(gòu)與命名核苷酸是由核苷與磷酸經(jīng)脫水縮合后生成的磷酸酯類化合物，包括核糖核苷酸和脫氧核糖核苷酸兩大類。由于與磷酸基縮合的位置不同而分別生成2-核苷酸、3-核苷酸和5-核苷酸。最常見者為5-核苷酸（5常被省略）。含有一個磷酸基團(tuán)的核苷酸稱為核苷一磷酸（NMP）；含有兩個磷酸基團(tuán)的核苷酸稱為核苷二 磷酸（NDP）；含有三個磷酸基團(tuán)的核苷酸稱為核 苷三磷酸（NTP）。核苷酸的分子結(jié)構(gòu)5-核苷酸又可按其在5位縮合的磷酸基的多少，分為一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。不同類型的核苷酸環(huán)核苷酸分子：第二信使環(huán)一磷酸腺苷環(huán)一磷酸鳥