第 章 氨基酸、蛋白质、核酸

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1 第十六章蛋白质和核酸 知识目标 熟悉氨基酸 蛋白质的结构和命名 掌握氨基酸 蛋白质的性质 第一节蛋白质的化学组成 一 蛋白质的元素组成根据对蛋白质的元素分析表明 : 碳 50%~55% 氢 6%~8% 氧 19%~24% 氮 13%~19% 除此四种元素外, 大多数蛋白质还含有硫, 有的还含有磷 碘等 一切蛋白质均含有氮, 并 且大多数蛋白质含氮量比较接近, 平均 16%, 这是蛋白质元素组成的一个重要特点 二 蛋白质结构的基本单位蛋白质是高分子有机化合物, 结构复杂, 种类繁多, 但其水解的最终产物都是氨基酸, 因此, 把氨基酸称为蛋白质的基本组成单位 1. 氨基酸的结构通式 学习目标 了解核酸的组成和结构 能力目标 能够利用化学性质进行氨基酸 蛋白质的鉴别 能够运用氨基酸 蛋白质的知识解决实际问题 氨基酸是一类分子中既含有氨基 (- 2 ) 又含有羧基 (-C) 的化合物 氨基酸在自然 界中主要以多肽或蛋白质的形式存在于动植物体内, 蛋白质在酸 碱或酶的作用下水解, 得 到的最终产物就是 α- 氨基酸, 其通式一般表示为 : R C C 2 除甘氨酸外, 组成蛋白质的 α- 氨基酸都有旋光性, 而且其构型都是 L 型 L-α- 氨基酸的通式为 : C 2 C R 2. 氨基酸的分类按分子中氨基和羧基的相对位置分为 α- 氨基酸 β- 氨基酸 γ- 氨基酸 其中 α- 氨基酸最为重要 自然界中存在的氨基酸有 200 余种, 但由生物体内蛋白质水解而得到的氨基酸只有 20 余种 表 16-1 中列出常见的 α- 氨基酸 其中标有 号的 8 种氨基酸在人体内不能合成, 必须通过食物供给, 这些氨基酸称为必需氨基酸 根据分子中烃基的结构不同, 氨基酸可分为脂肪族氨基酸 芳香族氨基酸和杂环氨基酸 根据分子中所含氨基和羧基的数目不同, 氨基酸又分为 : 中性氨基酸 ( 氨基和羧基的数目相等 ) 酸性氨基酸 ( 羧基的数目多于氨基的数目 ) 碱性氨基酸 ( 氨基的数目多于羧基的数目 ) 3. 氨基酸的命名可以采用系统命名法, 以羧酸为母体, 氨基做为取代基, 称为氨基某酸 氨基的位置可 275

2 用阿拉伯数字表示, 也可用希腊字母 α β γ 等表示, 并写在氨基酸名称前面 一些常见的 氨基酸还根据其来源或某些特性采用俗名, 如天门冬氨酸源于天门冬植物, 甘氨酸因具甜味 而得名 例如 : C 2 C C C 2 C 2 C C C 2 C C 2 ( ) α- ( ) 2 2 α- -β- ( ) 表 16-1 常见的 α- 氨基酸 名称缩写符号结构式等电点 中性氨基酸 甘氨酸 (Glyeine) 甘 C 2 ( 2 )C 5.97 ( 氨基乙酸 ) Gly 丙氨酸 (Alanine) 丙 C 3 C( 2 )C 6.00 (α- 氨基丙酸 ) Ala 丝氨酸 (Serine) 丝 C 2 ()C( 2 )C 5.68 (α- 氨基 β- 羟基丙酸 ) Ser 半胱氨酸 (Cysteine) 半胱 C 2 (S)C( 2 )C 5.05 (α- 氨基 β- 巯基丙酸 ) Cys S C 2 C( 2 )C 胱氨酸 (Cystine) 胱 4.80 ( 双 -β- 硫代 -α- 氨基丙酸 ) Cys - Cys S C 2 C( 2 )C 苏氨酸 (Threonine) 苏 C 3 C()C( 2 )C 6.53 (α- 氨基 -β- 羟基丁酸 ) Thr 蛋氨酸 (Methionine) 蛋 C 3 SC 2 C 2 C( 2 )C 5.74 (α- 氨基 -γ- 甲硫基丁酸 ) Met 缬氨酸 (Valine) 缬 (C 3 ) 2 CC( 2 )C 5.96 (α- 氨基 -β- 甲基丁酸 ) Val 亮氨酸 (Leucine) 亮 (C 3 ) 2 CC 2 C( 2 )C 6.02 (α- 氨基 -γ- 甲基戊酸 ) Leu C CC( 异亮氨酸 (Isoleucine) 异亮 3 C 2 2 )C 5.98 (α- 氨基 -β- 甲基戊酸 ) Ile 苯丙氨酸 (henylalanine) 苯丙 C 6 5 C 2 C( 2 )C 5.48 (α- 氨基 -β- 苯基丙酸 ) he 酪氨酸 (Tyrosine) 酪 p-c 6 4 C 2 C( 2 )C 5.66 (α- 氨基 -β- 对羟苯基丙酸 ) Tyr 脯氨酸 (roline) 脯 6.30 (α- 吡咯啶甲酸 ) ro 色氨酸 (Tryptophan) 色 5.89 (α- 氨基 -β- (3- 吲哚 ) 丙酸 ) Try C 3 C C 2 C( 2 )C 276

3 酸性氨基酸天门冬氨酸 (Aspartic acid) 天门冬 CC 2 CC (α- 氨基丁二酸 ) Asp 谷氨酸 (Glutamic acid ) 谷 CC 2 C 2 CC (α- 氨基戊二酸 ) Glu 碱性氨基酸 精氨酸 (Arginine) 精 2 C(C 2 ) 3 C( 2 )C (α- 氨基 -δ- 胍基戊酸 ) Arg 赖氨酸 (Lysine) 赖 2 (C 2 ) 4 C( 2 )C 9.74 (α,ω- 二氨基已酸 ) Lys 组氨酸 (istidine) 组 7.59 (α- 氨基 -β- (5- 咪唑 ) 丙酸 ) is C 2 C( 2 )C 4.α- 氨基酸的理化性质 α- 氨基酸都是无色晶体, 熔点较高, 一般在 200~300, 加热至熔点分解放出 C 2 除胱氨酸和酪氨酸外, 大多 α- 氨基酸能溶于而不溶于乙醚 苯 石油醇等有机溶剂, 但均可溶于强酸 强碱溶液中 α- 氨基酸的高熔点和溶解性都显示了盐类化合物的特性 氨基酸既含有羧基又含有氨基, 因此它具有羧基和氨基的典型反应 同时, 由于羧基和氨基的相互影响, 使氨基酸还表现出一些特殊的性质 (1) 两性电离和等电点氨基酸分子中含有酸性的羧基和碱性的氨基, 既可以与碱反应, 又可以与酸反应, 是两性化合物 氨基酸分子中的氨基可以接受羧基上电离出的, 成为既带正电荷又带负电荷的两性离子 ( 又称偶极离子 ) 固体氨基酸就是以偶极离子的形式存在, 偶极离子间的引力较大, 所以氨基酸具有熔点较高, 难溶于有机溶剂的特点 这种两性离子相当于氨基酸分子内部酸性基团和碱性基团相互作用所形成的盐, 称为内盐 a R C Ca 2 R C C 2 2 Cl R C C R C C 3 Cl - 2 Cl R C C R C C 2 3 ( ) 氨基酸具有两性, 在酸性溶液中, 能与氢离子反应形成带正电荷的阳离子, 即发生碱式电离 : R C C - R C C 在碱性溶液中, 又能与氢氧根离子反应形成带负电荷的阴离子, 即发生酸式电离 - 277

4 R C C R C C - 2 氨基酸解离的方向和程度决定于溶液的 p 值 向氨基酸水溶液中加酸, 可以抑制酸式 电离, 增大碱式电离, 氨基酸主要以正离子的形式存在, 在电场中向负极移动 反之, 向氨 基酸水溶液中加碱, 可以抑制碱式电离, 增大酸式电离, 氨基酸主要以负离子的形式存在, 在电场中向正极移动 如将氨基酸水溶液的 p 值调到某一特定数值, 使其酸式电离程度和 碱式电离程度相等, 则氨基酸几乎全部以两性离子的形式存在, 整个氨基酸分子是电中性的, 在电场中不向任何一极移动 此时溶液的 p 值称为氨基酸的等电点, 常用 pi 表示 氨基 酸在溶液中的存在形式随溶液酸碱性的变化可表示如下 : R C C - R C C R C C (p> pi) (p=pi) (p< pi) 等电点是氨基酸的一个重要物理常数 不同的氨基酸, 由于组成和化学结构不同, 其等电点也各不相同 ( 见表 16-1) 一般来 说, 酸性氨基酸的等电点 pi 在 2.7~3.2 之间 ; 碱性氨基酸的等电点 pi 在 9.5~10.7 之间 ; 中 性氨基酸的等电点 pi 在 5.0~6.5 之间 中性氨基酸等电点偏酸是由于羧基的酸解离略大于氨 基的碱解离, 因此溶液必须偏酸才能使两种解离的趋向相当 在等电点时, 以内盐形式存在的氨基酸溶解度最小, 最容易从溶液中析出 因此, 可 以用调节等电点的方法鉴别氨基酸或分离氨基酸的混合物 (2) 成肽反应 α- 氨基酸分子间氨基与羧基脱水, 生成以酰胺键相连的化合物肽 例如 : 2 C C R 1 C C C C R 2 R 1 C C R 2 肽分子中的酰胺键 ( ) 又称肽键 由 2 个氨基酸分子缩合而成的肽为二肽 二肽分子中仍含有游离的氨基和羧基, 因此可以继续与另外的氨基酸脱水, 缩合成三肽 四肽 以至多肽 其通式为 : 2 C ( C C ) C n R R 由两种不同氨基酸组成的二肽, 由于结合顺序不同可存在两种异构体, 如甘氨酸和丙氨 酸组成的二肽可有两种异构体 : 2 C 2 C C C 2 C C C 3 C 3 C 2 C ( - ) ( - ) 同理, 由 3 种不同的氨基酸组成的三肽可有 6 种异构体 ; 由 4 种不同的氨基酸组成的四肽可 有 24 种异构体 因此, 由多种氨基酸按不同的排列顺序以肽键相互结合, 可以形成许多长 链状的多肽 C 在多肽中, 通常将有游离氨基 - 2 的一端写在左边称为 - 端 ; 将羧基 -C 的末 端写在右边称为 C- 端 多肽中的每个氨基酸单位称为氨基酸残基, 氨基酸残基的数目等于 成肽的氨基酸数目 多肽的命名是以 C- 端氨基酸为母体, 从 - 端开始命名, 依次称为 某 278

5 氨酰某氨酸 例如广泛存在于动 植物细胞中的一种三肽, 称为 γ- 谷氨酰半胱氨酰甘氨酸, 简称谷胱甘肽, 其结构式为 : C 2 S 2 C C 2 C 2 C C C C 2 C C 自然界还有一些分子大小不同的多肽, 它们都具有一定的生物活性, 有的是抗生素, 有的是激素 (3) 显色反应 α- 氨基酸与茚三酮的水合物在溶液中共热, 发生一系列的化学反应, 最终生成蓝紫色的化合物, 这是检验氨基酸的灵敏方法 反应过程如下 : 2 C C R 第二节 蛋白质及其衍生物 一 蛋白质的结构和性质蛋白质是生物体尤其是动物体的基本组成物质, 动物的肌肉 上皮组织 毛发 角蹄 爪 蚕丝等都是由不同的蛋白质所构成的, 酶 某些激素和细菌等也都是蛋白质 蛋白质在 生命活动中起决定性的作用 在生物体内, 蛋白质的功能是极其复杂的 例如血红蛋白把氧 气送到各部分组织中, 激素在新陈代谢中起调节作用, 酶 ( 酵素 ) 是生物体内的催化剂, 病 毒能引起疾病的发生, 而抗体则能抵抗疾病 蛋白质不但能供给机体营养, 行使保护机能, 进行机械运动, 控制代谢过程, 输送氧气, 防止病菌侵袭, 表达遗传信息, 而且对细胞膜的 通透性以及高等动物的记忆活动等方面都起着重要的作用 蛋白质是由很多个 α- 氨基酸分子间失水以肽键 C 形成的高分子化合物, 分子量 很大, 约一万至数千万 ( 一 ) 蛋白质的分子结构 多肽链是蛋白质的基本结构 多肽链中 α- 氨基酸排列的顺序和连接方式叫做一级结构 在一级结构中肽键是其主要的连接方式 ( 主键 ) 蛋白质分子的空间结构分为蛋白质的二级 结构 三级结构和四级结构 由于肽键不是直线型的, 价键之间有一定的角度, 而且分子中又含有许多肽键 因此一 条肽链可以通过一个肽键中的羰基的氧与另一个肽键中的氨基的氢形成氢键而绕成螺旋形, 叫做 α- 螺旋, 这是蛋白质的一种二级结构, 见图

6 α- 螺旋结构 β- 折叠结构图 16-1 蛋白质的二级结构蛋白质的另一种二级结构是由链间的氢键将肽链拉在一起形成 片 状, 叫做 β- 折叠, 见图 16-1 在二级结构中氢键起了维系和固定的作用 在二级结构的基础上多肽链 (α- 螺旋 ) 还可以按照一定的方式卷曲折叠, 形成复杂的空间结构, 这就是蛋白质的三级结构 三级结构是由静电引力 氢键 二硫键 疏水键和酯键等副键来维系的, 见图 16-2 有些具有三级结构的多肽链并不单独显示生物活性, 几条具有三级结构的肽链 ( 此时叫做亚基 ), 通过氢键, 疏水键, 静电引力等副键缔合成蛋白质的四级结构, 见图 16-3 图 16-2 蛋白质的三级结构图 16-3 蛋白质的四级结构每种蛋白质各有其特定的空间结构, 通常正是这种特定的空间结构赋予蛋白质以某种特殊的理化性质和生物活性 ( 二 ) 蛋白质的性质蛋白质是由氨基酸组成的高分子化合物, 其理化性质一部分与氨基酸相似, 如两性电离及等电点和呈色反应等 但也有一部分理化性质与氨基酸不同, 如胶体性 沉淀和变性等 现择其主要理化性质分述如下 : 1. 两性电离和等电点蛋白质虽是氨基酸通过肽键连接而成的大分子, 但分子中仍含有一定数量游离的羧基和氨基 羧基显酸性, 氨基显碱性, 所以蛋白质与氨基酸一样具有两性电离的性质, 可以与酸或碱作用生成盐 若以蛋白质的等电点为标准, 值小于等电点的溶液为酸性溶液, 值大于等电点的溶液为碱性溶液, 那么, 在酸性溶液中, 蛋白质主要成为正离子, 在电场中向负极移动, 在碱性溶液中, 蛋白质主要是负离子, 在电场中向正极移动 对某种蛋白质来说, 当溶液处于某一 p 值时, 蛋白质呈 ( 电 ) 中性的偶极离子, 在电场中既不向正极移动, 也不向负极移动 这时溶液的 p 值叫该蛋白质的等电点 280

7 r C 2 r C r C r C 3 p>pi p=pi p<pi 由于各种蛋白质分子中所含氨基酸的种类 数目及空间结构不同, 而且所含的游离氨基 游离羧基的数目及其电离度也不同, 因此不同的蛋白质就有不同的等电点 酸性蛋白质的等电点小于 7, 碱性蛋白质的等电点大于 7 但多数蛋白质的等电点接近于 5, 因此在人和动物的组织和体液中 (p 近于 7.4), 蛋白质大多数为负离子, 并与 a K Ca 2 和 Mg 2 等结合成盐而存在 在酸性或碱性条件下, 蛋白质颗粒分别带正电荷或负电荷, 互相排斥, 不易凝聚 在等电点时, 蛋白质以 ( 电 ) 中性的偶极离子存在, 其总电荷为零, 溶解度最小, 粘度 渗透压和导电能力等也在等电点时为最小 在同一 p 值的溶液中, 由于各种蛋白质所带电荷的性质和数量不同, 分子大小也不同, 因此它们在电场中移动的速度就有差别, 利用这种性质来分离和分析蛋白质, 称为蛋白质的电泳分析法 例如临床上常应用蛋清蛋白电泳分析来帮助诊断疾病和观察预后 2. 变性蛋白质在某些理化因素作用下其空间结构发生改变, 使蛋白质的理化性质和生物活性发生变化, 这种现象称为蛋白质的变性 变性后的蛋白质称为变性蛋白质 能使蛋白质变性的因素有强酸 强碱 重金属盐 尿素 丙酮和酒精等化学因素, 以及加热 干燥 高压 震荡 紫外线 超声波和 X- 射线等物理因素 变性的实质是维系蛋白质分子空间结构的副键断开, 使其正常的空间结构松懈 ( 但肽键并未断开 ) 蛋白质变性后, 理化性质最明显的改变是溶解度降低, 本来在等电点附近能溶于水的蛋白质, 变性后不再溶解而产生沉淀 因为原来隐藏于蛋白质分子内部的疏水基团, 变性后转向分子表面, 使得原来分布在分子表面的亲水基团反被掩盖, 所以蛋白质分子的水化作用减小, 溶解度降低 变性蛋白质在等电点时煮沸, 变为比较坚固的凝块, 称为蛋白质的凝固作用 很多天然蛋白质直接加热也可以凝固 凝固后的蛋白质因肽链伸展, 肽键充分暴露, 易被蛋白酶水解, 所以凝固的蛋白质容易消化 此外变性蛋白质还表现为粘度增大, 渗透压降低 具有生物活性的蛋白质如酶和蛋白质激素等, 变性后失去生物活性 蛋白质变性后, 如其分子结构改变不大, 可以恢复原有性质, 称为可逆变性 ; 相反, 叫不可逆变性 蛋白质变性的原理有重要的实用价值 用酒精 加热 紫外线消毒灭菌和热凝法检查尿蛋白, 都是基于蛋白质变性的原理 制备或保存酶 疫苗 免疫血清等蛋白制剂时, 应选择适当的条件, 以防止其失去活性 在配制胃蛋白酶水溶液时, 不能加热, 也不宜多加搅拌振摇, 因为剧烈振荡也可以使蛋白质变性, 使药效下降 3. 蛋白质的沉淀蛋白质自溶液中成固体析出, 称为蛋白质的沉淀作用 如果在蛋白质溶液中加入适当的电解质, 或调整溶液的 p 值到等电点, 蛋白质的胶粒就失去电荷, 但并不能沉淀, 因为蛋白质胶粒表面还有一层水化膜, 具有保护作用 再加入脱水剂, 除去水化膜, 蛋白质胶粒才能相互凝聚而从溶液中析出 若蛋白质胶粒先脱水后失去电荷, 也同样能发生沉淀作用 沉淀蛋白质的方法有以下几种 : (1) 盐析 281

8 往蛋白质溶液中加入电解质 ( 氯化钠, 硫酸铵, 硫酸钠等中性盐 ) 到一定浓度时, 由于 电解质离子的水化作用, 夺去了蛋白质的水化膜, 同时带相反电荷的电解质离子, 中和了蛋 白质的电荷, 使蛋白质沉淀析出 这种应用电解质盐类使蛋白质析出沉淀的过程称盐析 盐 析时所需盐的最小量, 称为盐析浓度 盐析时电解质中的阴离子往往起主要作用, 阴离子的 价数愈高, 盐析能力愈强 由于不同蛋白质盐析时所需的盐析浓度不同, 因此可用不同浓度 的盐溶液, 使蛋白质分段析出而加以分离, 这种方法称为分段盐析 盐析所得的蛋白质并不 变性, 失盐后又能溶于水, 因此可用于提纯蛋白质 (2) 加入脱水剂 酒精 ( 低温 ) 和丙酮等脱水剂对水的亲和能力较大, 能破坏蛋白质胶粒的水化膜, 使蛋 白质沉淀析出 沉淀后如迅速将蛋白质与脱水剂分离, 仍可保持蛋白质原来的性质 95% 的 酒精吸水较强, 与细菌接触, 细菌表面的蛋白质立即凝固, 使酒精不能扩散到细胞内部, 细 菌只暂时丧失活力而并不死亡 ; 低于 70% 的稀酒精, 沉淀蛋白的能力不足, 所以 70% 的酒 精消毒效力最好 在制备中草药注射剂的过程中, 常需加入浓乙醇使含醇量达 70% 以上, 以沉淀 ( 除去 ) 蛋白质 利用有机溶剂沉淀蛋白质后有机溶剂很容易蒸发除去 而盐析沉淀的蛋白质中存在大量 盐类, 必须经过透析才能除去电解质 (3) 加入重金属盐 蛋白质在 p 值高于其等电点的溶液中带负电荷, 因此可与 g 2,Cu 2,b 2,Ag 等 重金属离子结合成不溶性的沉淀物质 例如 : C C - 2 Ag CAg 2 重金属的杀菌作用是由于它能沉淀蛋白质 急救铅 汞等重金属盐中毒时, 服用生蛋清 或牛乳以解毒, 也是根据这一原理, 使蛋白质与铅汞盐结合成为不溶性物质, 而阻止毒物进 入组织 (4) 加入生物碱沉淀试剂 沉淀生物碱的试剂例如 : 磷钨酸 苦味酸 鞣酸等, 一般都是有机酸或无机酸, 而蛋白 质在 p 值低于其等电点的溶液中带正电荷 可与生物碱沉淀试剂的酸根结合, 生成不溶性 的沉淀物质 例如 : C 蛋白质的颜色反应 C 3 Y - C 3 Y (Y - = ) 由于蛋白质分子中含有氨基酸的反应基团, 因此也有与氨基酸相同的颜色反应, 如茚三 酮反应, 蛋白质分子中具有很多肽键, 在碱性溶液中可与硫酸铜发生缩二脲反应而呈紫红色 还有些颜色反应是由蛋白质中氨基酸的某些基团所引起的, 如果蛋白质中没有这些基团就不 反应 重要的颜色反应有 : (1) 黄蛋白反应 分子组成中含有酪氨酸 苯丙氨酸 色氨酸的蛋白质, 与浓硝酸作用, 生成白色沉淀, 加热颜色变黄, 加碱碱化后, 转变为橙黄色, 称为黄蛋白反应 这是因为上述氨基酸结构中 的苯环上发生硝化反应, 产生硝基衍生物的缘故 皮肤接触硝酸而变黄色, 说明皮肤的蛋白 质分子组成中也含有这类氨基酸, 所以也有黄蛋白反应 苯丙氨酸 酪氨酸或色氨酸单独与 282

9 浓硝酸反应, 均有同样的结果 (2) 米伦反应 米伦 (Millon) 试剂是硝酸汞和硝酸亚汞的硝酸溶液 分子组成中含有酪氨酸的蛋白质, 遇米伦试剂即产生白色沉淀, 加热变暗红色, 叫做米伦反应 这是由于酪氨酸中羟苯基 与汞盐形成了有色物质, 酪氨酸以及其他含有羟苯基结构的化合物, 均有此反应 (3) 与亚硝酰铁氰化钠反应 含有游离巯基 (-S) 的蛋白质和亚硝酰铁氰化钠的氨溶液反应, 即显淡红色 二 酶酶是具有生物活性的蛋白质, 是生物化学反应的催化剂 酶的催化能力远远超过化学催 化剂, 有些在体外难以进行的反应, 在体内 ( 体温和体液 p 条件下 ) 可以顺利地进行 酶的催化作用有两个特点 : 其一是强大的催化作用, 其二是作用的专一性 某一种酶只 能催化某一物质的反应, 如脂酶只能水解脂肪, 乙酰胆碱酶只能水解乙酰胆碱 酶对空间结 构也有选择性, 如乳酸去氢酶只能催化 L- 乳酸的氧化, 不能催化 D- 乳酸的氧化 酶的催化 速度是惊人的, 体内的过氧化氢酶, 每个分子每一分钟可以分解五千万个过氧化氢分子 也有一些专一性稍差的酶, 例如胃蛋白酶, 可以水解多数的肽键 医药上常用的酶有胃蛋白酶 胰酶 a- 糜蛋白酶等 三 明胶 ( 一 ) 来源 明胶 (gelatin) 是胶原温和断裂的产物, 它是天然多肽的聚合物 明胶的原料胶原是一 种纤维蛋白, 存在于动物 ( 猪 牛等 ) 的结缔组织和硬骨料组织, 胶原蛋白含有 18 种氨基 酸 ( 甘氨酸 脯氨酸 羧脯氨酸 谷氨酸 天冬氨酸 丙氨酸 苯丙氨酸 精氨酸 赖氨酸 羟赖氨酸 丝氨酸 白氨酸 缬氨酸 苏氨酸 组氨酸 酪氨酸 蛋氨酸 异白氨酸 ) 氨基 酸在明胶分子链的排列非常复杂, 在组成上有下列特征 : 异常高含量的有脯氨酸 羟脯氨酸 和甘氨酸, 很少量的蛋氨酸 明胶成分受胶原来源的影响, 明胶的氨基酸成分与胶原中所含 相似, 但因在处理上的差异, 组成成分也可能不同 ( 二 ) 性质 明胶来源于胶原蛋白的水解, 它的性质与胶原蛋白的结构有关, 胶原蛋白的分子水解时, 三股螺旋互相拆开, 而且肽链有不同程度的断裂, 生成能够溶于水的大小不同的碎片, 明胶 实际上就是这些碎片, 市售明胶呈淡黄色, 外型有薄片 粒状, 无味, 无臭 1. 溶胀和溶解 明胶遇冷水会溶胀, 投入水中 2h, 可充分溶胀 ( 吸收 5~10 倍水 ), 在热水中 ( 加热至 40 ) 即完全溶解成溶液 水溶液中明胶分子的构型 物理性质随所处的环境而不同 明胶 水溶液中分子存在两种可逆变化的构型 : 溶胶形式 A 凝胶形式 B 溶胶形式 A 存在于较高的温度 (35 ) 以上 在 15~35 的范围内, 两种形式的明胶 分子成平衡状态共存 明胶分子与其它蛋白质一样, 在不同 溶液中, 可成为正离子 负离子或两性离子 ( 等 电点 ) 在等电点时溶胀吸水量最小, 加入脱水剂时, 在 40 以上能出现单凝聚 明胶在所 有 范围内都易溶于水, 如加入与明胶分子上电荷相反的聚合物, 则带电荷的聚合物能使 明胶从溶液中析出, 例如阿拉伯胶带负电荷, 能和带正电荷的弱酸性明胶溶液反应, 溶解度 急剧下降 这种共凝聚作用在工艺上最重要的用途就是制造微型胶囊 明胶与有些有机溶剂有相容性, 如甘油 丙二醇 山梨醇 甘露糖醇 二甲基亚砜 甲 酰胺 冰醋酸 - 甲基甲酰胺 乙酰胺和 2- 吡咯烷酮等 明胶不溶于一元醇 醚 丙酮 氯仿 脂肪油和挥发油 283

10 固体明胶通常含少量水分, 其中含水量一般在 10%~15%, 实际上这部分水分有增塑剂的作用, 含水量太低 (5% 以下 ) 的明胶太脆, 一般都需加入甘油或其它多元醇作为增塑剂 2. 凝胶化明胶溶液可因温度降低而形成具有一定硬度 不能流动的凝胶, 明胶溶液形成凝胶的浓度最低极限值约为 0.5% 凝胶存在的温度最高为 35 凝胶形成后, 它的结构向胶原构型的变化历时很长, 要经历不同阶段, 其螺旋结构的比例逐步增加 明胶分子互相结合而成三维空间的网状结构, 明胶分子的运动受到限制, 但其中间夹持的大量液体却有正常的粘度, 电解质离子在其中的扩散速度和电导与在溶液中者相同, 而在干燥的明胶中所保存下来的只是任意卷曲的松散的构型, 和完全变性的蛋白质凝胶有类似的结构 3. 粘度明胶溶液具有很高的粘度, 它在室温下容易形成网状结构, 妨碍流动, 因而粘度增加 明胶分子量愈大, 分子链愈长, 则愈有利于形成网状结构, 粘度也愈大 4. 稳定性明胶在室温 干燥状态下比较稳定, 可放置数年, 在较高的温度 (35~40 ) 的湿度下保存的明胶倾向于失去溶解性, 其原因是明胶分子的聚合, 交联和氢键的作用 在水溶液中, 明胶能够慢慢地水解而转变成分子量较小的片段, 粘度下降, 失去凝胶能力,65 以上解聚作用加快, 加热到 80 持续 1h 后, 凝聚动力将减少 50%, 分子量越小, 分解越快 ( 三 ) 应用明胶的凝聚具有热可塑性, 冷却时凝固, 加热时熔化, 这一特性使其大量应用于制药工业和食品工业 在制剂生产中, 最主要的用途是作为硬胶囊 软胶囊以及微囊的囊材, 成品胶囊在物理性质上的差异与采用的明胶类型的关系不大 明胶的薄膜均匀, 有较坚固的拉力并富有弹性, 故可用作片剂包衣的隔层材料 此外常用作栓剂的基质 片剂的粘合剂和吸收性明胶海棉的原料等 知识链接 [ 食用明胶的应用范围 ] 食用明胶的应用范围很宽广, 可以用于肉制品 肉馅 冻汁肉 奶糖 果汁软糖 牛轧糖 太妃糖 冰淇淋 酸乳制品 啤酒澄清剂 复合乳化稳定剂 保健食品 色拉 布丁 糖霜 蛋黄汁 明胶软糖 糕点 肉类罐头 火腿肠等食品的生产之中 在不同的食品中, 明胶有不同的用量 在肉制品 肉馅制品 冻汁肉等食品中, 明胶的用量为 2%~9%; 在果汁软糖生产中, 明胶的用量为 2%; 在太妃糖的生产过程中, 明胶的用量为 0.4%~1.5%; 在冰淇淋的生产过程中, 明胶的用量为 0.1% 第三节 核酸 核酸是除多糖 蛋白质以外的第三种对生命现象极为重要的天然高分子 最早由米歇尔 于 1868 年在脓细胞中发现和分离出来, 具有酸性 核酸广泛存在于动物 植物细胞 微生 物内, 生物体内核酸常与蛋白质结合形成核蛋白 不同的核酸, 其化学组成 核苷酸排列顺 序等不同 根据化学组成不同, 核酸可分为核糖核酸 (ribonucleicacid,ra), 简称 RA 和 脱氧核糖核酸 (deoxyribonucleicacid,da), 简称 DA DA 是储存 复制和传递遗传信 息的主要物质基础,RA 在蛋白质合成过程中起着重要作用 因此核酸在生长 遗传 变 异等一系列重大生命现象中起决定性的作用 一 核酸的化学组成核酸是由一定序列的核苷酸组成 核酸水解生成许多核苷酸, 核苷酸水解得到核苷和磷 酸, 核苷进一步水解, 则得到戊糖和含氮有机碱 284

11 核酸 核苷酸 核苷 戊糖和含氮有机碱 RA 和 DA 之间除了戊糖不同外, 嘧啶碱也有差别 DA 分子中是含有 A,G,C,T 四种碱基的脱氧核苷酸 ;RA 分子中则是含 A,G,C,U 四种碱基的核苷酸 RA 和 DA 水解后的产物 水解产物类别 RA DA 戊糖 D- 核糖 D- 脱氧核糖 酸 磷酸 磷酸 含氮有机碱 嘌呤碱腺嘌呤 (A) 鸟嘌呤 (G) 腺嘌呤 (A) 鸟嘌呤 (G) 嘧啶碱胞嘧啶 (C) 尿嘧啶 (U) 胞嘧啶 (C) 胸腺嘧啶 (T) 二核苷与核苷酸 ( 一 ) 核苷 由戊糖与碱基缩合而成的产物称为核苷 DA 水解而得的脱氧核糖核苷有腺嘌呤脱氧 核苷 鸟嘌呤脱氧核苷 胞嘧啶脱氧核苷 胸腺嘧啶脱氧核苷 RA 水解而得的核糖核苷 有腺嘌呤核苷 鸟嘌呤核苷 胞嘧啶核苷和尿嘧啶核苷 在核苷的结构式中, 糖分子的编号 用 1'2'3' 表示, 以便与杂环上的编号相区别 例如, 尿嘧啶核苷 腺嘌呤脱氧核苷 胸腺嘧啶脱氧核苷的结构式分别为 : C 2 2 C 2 3 C C 2 尿嘧啶核苷 腺嘌呤脱氧核苷 胸腺嘧啶脱氧核 ( 二 ) 核苷酸 核苷酸是构成核酸的基本单位 单个核苷酸是由含氮有机碱 ( 称碱基 ) 戊糖 ( 即五 碳糖 ) 和磷酸三部分构成的 例如, 尿嘧啶核苷酸和腺嘌呤核苷酸结构式分别如下 : 2 尿嘧啶核苷酸腺嘌呤核苷酸 (1) 碱基 (base): 构成核苷酸的碱基分为嘌呤 (purine) 和嘧啶 (pyrimi-dine) 两类 前者主 285

12 要指腺嘌呤 (adenine,a) 和鸟嘌呤 (guanine,g), DA 和 RA 中均含有这二种碱基 后者主要指胞嘧啶 (cytosine,c) 胸腺嘧啶 (thymine,t) 和尿嘧啶 (uracil,u) 其结构式如下 : 2 C 3 胞嘧啶 (C) 尿嘧啶 (U) 胸腺嘧啶 (T) 2 腺嘌呤 (A) 2 鸟嘌呤 (G) 嘌呤环上的 -9 或嘧啶环上的 -1 是构成核苷酸时与核糖 ( 或脱氧核糖 ) 形成糖苷键 的位置 (2) 戊糖 :RA 中的戊糖是 D- 核糖,DA 中的戊糖是 D-2- 脱氧核糖 D- 核糖的 C-2 所连的羟基脱去氧就是 D-2- 脱氧核糖 其结构式如下 : C 2 β-d- 核糖 C 2 β-d-2- 脱氧核糖 戊糖 C-1 所连的羟基是与碱基形成糖苷键的基团, 糖苷键的连接都是 β- 构型 三 核酸的分子结构 ( 一 ) 核酸的一级结构 核酸的一级结构是指核酸分子中核苷酸的排列顺序 核酸中的核苷酸以 3',5' 磷酸二 酯键构成无分支结构的线性分子 核酸链具有方向性, 有两个末端分别是 5' 末端与 3' 末 端 5' 末端含磷酸基团,3' 末端含羟基 核酸链内的前一个核苷酸的 3' 羟基和下一个核 苷酸的 5' 磷酸形成 3', 5' 磷酸二酯键, 如此依次相连形成一条多核苷酸长链, 如图 16-4 所示 在该链的戊糖上具有 3' 磷酸基 ( 或羟基 ) 的末端称 3' 末端, 而具有 5' 磷 酸基 ( 或羟基 ) 的末端称 5' 末端 多核苷酸链两端的核苷酸为末端核苷酸 286

13 RA DA 5' 5' C 2 ( A) C 2 ( A) C 2 ( C) C 2 ( C) C 2 ( G) C 2 ( G) C 2 ( U) C 2 ( T) 3' 3' 图 16-4 RA 和 DA 分子中部分多核苷酸链的结构 ( 二 ) 核酸的二级结构 DA 的二级结构即双螺旋结构 (double helix structure) DA 双螺旋结构特点如下 :1 两条 DA 互补链反向平行 2 由脱氧核糖和磷酸间隔相连而成的亲水骨架在螺旋分子的外侧, 而疏水的碱基对则在螺旋分子内部, 碱基平面与螺旋轴垂直, 螺旋旋转一周正好为 10 个碱基对, 螺距为 3.4nm, 这样相邻碱基平面间隔为 0.34nm 并有一个 36 的夹角 3DA 双螺旋的表面存在一个大沟 (major groove) 和一个小沟 (minor groove), 蛋白质分子通过这两个沟与碱基相识别 4 两条 DA 链依靠彼此碱基之间形成的氢键而结合在一起 根据碱基结构特征, 只能形成嘌呤与嘧啶配对, 即 A 与 T 相配对, 形成 2 个氢键 ;G 与 C 相配对, 形成 3 个氢键 因此 G 与 C 之间的连接较为稳定 5DA 双螺旋结构比较稳定 维持这种稳定性主要靠碱基对之间的氢键以及碱基的堆集力 (stacking force) ( 三 )DA 三级结构 超螺旋结构 DA 三级结构是指 DA 链进一步扭曲盘旋形成超螺旋结构 生物体内有些 DA 是以 287

14 双链环状 DA 形式存在, 如有些病毒 DA, 某些噬菌体 DA, 细菌染色体与细菌中质粒 DA, 真核细胞中的线粒体 DA 叶绿体 DA 都是环状的 环状 DA 分子可以是共价闭合环, 即环上没有缺口, 也可以是缺口环, 环上有一个或多个缺口 在 DA 双螺旋结构基础上, 共价闭合环 DA(covalently close circular DA) 可以进一步扭曲形成超螺旋形 (super helical form) 根据螺旋的方向可分为正超螺旋和负超螺旋 正超螺旋使双螺旋结构更紧密, 双螺旋圈数增加, 而负超螺旋可以减少双螺旋的圈数 几乎所有天然 DA 中都存在负超螺旋结构 习题 一 选择题 1. 下列关于酶的叙述中, 不正确的是 ( ) A. 酶的催化效率很高 B. 酶的催化效率不受外界条件的影响 C. 酶在反应过程中本身不发生变化 D. 一种酶只催化一种或一类物质的化学反应 2. 蛋白酶使蛋白质水解为多肽, 但不能使多肽水解为氨基酸, 这一事实说明了酶的 ( ) A. 专一性 B. 高效性 C. 多样性 D. 特异性 3. 人在发热时食欲较差, 其直接的病理可能是 ( ) A. 胃不能及时排空 B. 摄入的食物未能被消化 C. 消化酶活性受影响 D. 完全抑制了消化酶的分泌 6. 在唾液淀粉酶催化淀粉水解的实验中, 将唾液稀释十倍与用未稀释的唾液实验效果 基本相同, 这说明酶具有 ( ) A. 专一性 B. 高效性 C. 多样性 D. 特异性 7. 在下列检测蛋白质的方法中, 哪一种取决于完整的肽链? A. 凯氏定氮法 B. 双缩尿反应 C. 紫外吸收法 D. 茚三酮法 8. 下列哪个性质是氨基酸和蛋白质所共有的 ( ) A. 胶体性质 B. 两性性质 C. 沉淀反应 D. 变性性质 9. 氨基酸在等电点时具有的特点是 ( ) A. 不带正电荷 B. 不带负电荷 C.A 和 B D. 溶解度最大 10. 蛋白质的一级结构是指 ( ) A. 蛋白质氨基酸的种类和数目 B. 蛋白质中氨基酸的排列顺序 C. 蛋白质分子中多肽链的折叠和盘绕 D. 包括 A,B 和 C 二 填空题 1. 组成蛋白质的化学元素主要有 2. 蛋白质的一级结构是指, 主键是 3. 采用高压加热 紫外线照射进行灭菌消毒是基于 4. 盐析浓度是指 5. 当氨基酸溶液的 p=pi 时, 氨基酸以 离子形式存在, 当 p>pi 时, 氨基酸以 288

15 离子形式存在 6. 今有甲 乙 丙三种蛋白质, 它们的等电点分别为 和 10.0, 当在 p8.0 缓冲 液中, 它们在电场中电泳的情况为 : 甲, 乙, 丙 三 完成反应方程式 1. (C 3 ) 2 C C C a 2 2. C 2 C C C 3 C C 2 C 3 C 2 CCl 4. C C C 3 2 C 3 ( ) 四 写出下列化合物在标明 p 值下的结构式 并说明它们在电场作用下, 向何极移动? (1) 赖氨酸在 p=12.0 时 (2) 谷氨酸在 p=2.0 时 (3) 缬氨酸在 p=4.0 时 (4) 色氨酸在 p=8.0 时五 某化合物 A 分子式为 C 4 9 2, 具有旋光性, 即能与 a 反应, 也能与 Cl 反应 A 与 2 发生放氮反应, 生成分子式为 C 的物质 B;B 与酸性 KMn 4 反应生成 3 丁酮酸 试推测 A B 的结构式并写出各步反应式 六 问答题 1. 什么叫蛋白质的变性? 2. 蛋白质胶粒稳定的因素是什么? 使蛋白质沉淀的方法有那些? 289

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