10 生物有机化合物

Transcription

1 10 生 物 有 机 化 合 物 内 容 提 要 糖 氨 基 酸 蛋 白 质 核 酸 等 是 生 命 中 不 可 缺 少 的 物 质, 了 解 这 类 生 物 有 机 化 合 物 的 结 构 极 其 性 能 是 非 常 重 要 的 本 章 主 要 介 绍 碳 水 化 合 物 氨 基 酸 蛋 白 质 核 酸 的 基 本 知 识 学 会 利 用 前 面 所 学 的 有 机 化 学 知 识 来 处 理 生 物 有 机 化 合 物, 同 时 掌 握 生 物 有 机 化 合 物 所 特 有 的 结 构 和 性 质 在 自 然 界 中, 人 类 动 物 和 植 物 体 内 存 在 着 许 多 类 有 机 化 合 物, 它 们 中 数 量 最 多 分 布 最 广 的 主 要 有 两 类 : 一 类 是 碳 水 化 合 物, 另 一 类 是 氨 基 酸 与 蛋 白 质, 它 们 在 生 命 体 内 具 有 极 其 重 要 的 作 用, 是 人 类 和 动 植 物 维 持 生 命 不 可 缺 少 的 物 质 碳 水 化 合 物 占 植 物 干 重 的 80% 左 右 作 为 基 本 食 物 提 供 生 物 体 活 动 所 需 能 量 的 淀 粉 棉 麻 木 材 中 的 纤 维 都 是 碳 水 化 合 物 水 果 蜂 蜜 和 人 体 内 都 含 有 各 种 碳 水 化 合 物 碳 水 化 合 物 也 是 光 合 作 用 的 产 物, 故 也 是 储 存 太 阳 能 的 物 质 生 命 活 动 的 基 本 特 征 就 是 蛋 白 质 不 断 自 我 更 新 ( 新 陈 代 谢 ) 的 过 程 细 胞 内 除 水 以 外, 其 余 80% 的 物 质 是 蛋 白 质 蛋 白 质 在 生 物 体 内 起 组 织 结 构 作 用 和 生 物 调 节 作 用 从 外 界 摄 取 的 蛋 白 质 为 维 持 组 织 细 胞 的 生 长 更 新 和 修 复 提 供 能 量 另 外, 在 生 命 体 中 普 遍 存 在 的 核 酸 指 导 蛋 白 质 的 合 成, 决 定 生 命 体 的 遗 传 总 之, 生 物 有 机 化 合 物 与 生 命 体 密 切 相 关, 是 极 其 重 要 的 有 机 化 合 物 本 章 介 绍 碳 水 化 合 物 氨 基 酸 多 肽 蛋 白 质 及 核 酸 10.1 碳 水 化 合 物 碳 水 化 合 物 (carbohydrate), 又 称 为 糖 (sugar), 在 自 然 界 分 布 很 广 它 与 蛋 白 质 脂 肪 一 起 组 成 生 命 体 营 养 的 基 础 早 在 十 八 世 纪 人 们 就 发 现 葡 萄 糖 果 糖 等 单 糖 都 是 由 碳 氢 氧 三 种 元 素 组 成, 且 分 子 中 氢 和 氧 的 原 子 数 比 与 水 分 子 相 同, 都 是 2:1, 它 们 的 结 构 通 式 为 n2mm, 即 n(2)m(n m 为 正 整 数,n m 可 以 相 同, 也 可 不 同 ), 即 由 碳 和 水 组 成 的 化 合 物, 故 由 此 而 得 名 为 碳 水 化 合 物 后 来 发 现 鼠 李 糖 (6125), 脱 氧 核 糖 (5104) 虽 然 组 成 上 不 符 合 上 述 结 构 通 式, 但 它 们 的 结 构 和 性 质 都 与 碳 水 化 合 物 相 似 另 外, 有 些 化 合 物 如 甲 醛 (2) 乙 酸 (242) 乳 酸 (363) 的 分 子 式 均 符 合 上 述 通 式, 可 是 它 们 的 结 构 和 性 质 与 碳 水 化 合 物 不 同 因 此 碳 水 化 合 物 这 一 词 已 失 去 了 它 原 有 的 含 意, 由 于 沿 用 已 久, 至 今 人 们 仍 然 使 用 它 实 质 上 现 在 碳 水 化 合 物 是 指 多 羟 基 醛 酮 以 及 经 水 解 后 能 生 成 多 羟 基 醛 酮 的 一 类 化 合 物 碳 水 化 合 物 ( 即 糖 类 ), 按 其 能 否 水 解 和 水 解 的 产 物 情 况 可 分 为 以 下 三 类 : (1) 单 糖 : 不 能 水 解 的 多 羟 基 醛 或 多 羟 基 酮 例 如 葡 萄 糖 果 糖 和 核 糖 (2) 低 聚 糖 : 水 解 后 能 生 成 2~10 个 分 子 单 糖 的 化 合 物 其 中 最 重 要 的 是 二 糖, 例 如 蔗 糖 麦 芽 糖 纤 维 二 糖 等 (3) 多 糖 : 水 解 后 生 成 10 个 以 上 单 糖 分 子 的 化 合 物 例 如 淀 粉 纤 维 素 等 单 糖 单 糖 (monosaccharide) 按 分 子 中 所 含 的 羰 基 是 醛 基 还 是 酮 基 可 分 为 醛 糖 (aldose) 和 酮 糖 (ketose) 两 类 又 可 按 分 子 所 含 碳 原 子 数 目 分 为 丙 糖 丁 糖 戊 糖 和 己 糖 戊 糖 中 最 重 要 的 是 核 糖 和 脱 氧 核 糖, 它 们 是 核 酸 的 组 成 部 分 核 酸 在 生 命 体 中 起 着 不 可 替 代 的 作 用 己 糖 中 最 重 要 的 是 葡 萄 糖 和 果 糖 葡 萄 糖 存 在 于 葡 萄 汁 和 其 它 果 汁 中 以 及 植 物 的 根 茎 叶 花 等 中, 也 存 在 于 动 物 血 液 里 它 是 人 体 内 新 陈 代 谢 不 可 缺 少 的 营 养 物 质 天 然 的 葡 萄 糖 是 右 旋 葡 萄 糖, 称 为 右 旋 糖 工 业 上 水 解 淀 粉 或 纤 维 素 得 到 葡 萄 糖 葡 萄 糖 也 是 合 成 维 生 素 的 原 料, 还 可 以 在 工 业 上 用 作 缓 和 还 原 剂 在 蜂 蜜 和 水 果 中 存 在 丰 富 的 果 糖 天 然 果 糖 是 左 旋 体, 称 为 左 旋 糖 果 糖 是 常 见 糖 类 中 最 甜 的 糖, 可 用 作 营 养 剂 防 腐 剂 等 下 面 以 葡 萄 糖 和 果 糖 为 例 讨 论 单 糖 的 结 构 构 型 和 性 质 335

2 单 糖 的 结 构 通 过 对 单 糖 化 学 性 质 的 研 究 得 知 单 糖 既 有 开 链 式 结 构, 又 有 环 状 结 构 1 开 链 式 结 构 大 量 化 学 事 实 和 结 构 分 析 表 明 单 糖 是 多 羟 基 醛 酮 例 如 葡 萄 糖 的 开 链 式 结 构 为 五 羟 基 己 醛, 由 下 列 化 学 事 实 证 实 : (1) 经 分 析 表 明, 葡 萄 糖 的 分 子 式 为 6126 葡 萄 糖 被 钠 汞 齐 (a-g) 还 原 得 到 己 六 醇, 后 者 被 碘 化 氢 进 一 步 还 原 生 成 正 己 烷 这 说 明 葡 萄 糖 的 碳 链 骨 架 为 含 有 六 个 碳 的 直 链 结 构 (2) 葡 萄 糖 能 与 苯 肼 反 应 生 成 亮 黄 色 晶 体, 也 能 与 羟 胺 反 应, 表 明 它 含 有 羰 基 葡 萄 糖 用 溴 水 氧 化 生 成 含 有 六 个 碳 原 子 的 羧 酸 ( 碳 链 未 断 裂 ), 这 说 明 葡 萄 糖 含 有 末 端 羰 基, 即 醛 基 (3) 葡 萄 糖 与 乙 酸 酐 反 应 得 到 五 乙 酰 基 衍 生 物, 表 明 它 含 有 五 个 羟 基, 由 于 两 个 羟 基 在 同 一 个 碳 上 的 结 构 ( 醛 酮 水 合 物 ) 是 不 稳 定 的, 故 五 个 羟 基 连 在 五 个 碳 原 子 上 综 合 上 述 化 学 事 实 得 知 葡 萄 糖 的 开 链 式 结 构 为 : 2 用 类 似 的 化 学 方 法 证 明 果 糖 的 开 链 式 结 构 为 五 羟 基 -2- 己 酮 2 2 在 书 写 单 糖 的 开 链 式 结 构 时, 一 般 将 碳 链 竖 写, 羰 基 位 于 上 端, 碳 链 的 编 号 从 靠 近 羰 基 的 一 端 开 始 单 糖 的 开 链 式 结 构 常 用 Fischer 投 影 式 或 更 简 单 的 式 子 表 示 己 醛 糖 分 子 中 含 有 四 个 手 性 碳 原 子, 应 有 2 4 =16 个 立 体 异 构 体 自 然 界 中 存 在 的 右 旋 葡 萄 糖 只 是 其 中 之 一 葡 萄 糖 的 构 型 是 由 德 国 的 Fischer E. 测 定 出 来 的, 他 同 时 推 导 出 8 种 D- 己 醛 糖 和 4 种 戊 醛 糖 之 间 的 立 体 化 学 关 系,Fischer E. 因 为 在 合 成 糖 和 嘌 呤 衍 生 物 方 面 的 贡 献 获 1902 年 的 诺 贝 尔 化 学 奖 右 旋 葡 萄 糖 的 结 构 可 用 Fischer 投 影 式 或 更 简 单 的 式 子 表 示 如 下 : * * * * 或 * * * * 或 * * * * 构 型 和 标 记 法 在 碳 水 化 合 物 中 存 在 立 体 异 构 体, 为 了 确 定 其 构 型 一 般 采 用 D L 相 对 标 记 法 和 S 绝 对 标 记 法 在 二 十 世 纪 初 期 还 没 有 有 机 化 合 物 绝 对 构 型 的 表 示 方 法, 只 能 用 相 对 构 型 来 表 示 各 种 化 合 物 构 型 之 间 的 关 系 最 简 单 的 单 糖 是 2,3- 二 羟 基 丙 醛 ( 俗 名 甘 油 醛 ), 它 含 有 一 个 手 性 碳 原 子, 所 以, 它 有 一 对 对 映 体 根 据 甘 油 醛 对 映 体 的 旋 光 性, 人 们 规 定 右 旋 的 一 种 构 型 (- 写 在 右 边 的 ) 为 D- 型 甘 油 醛, 另 一 种 左 旋 的 构 型 (- 写 在 左 边 ) 为 L- 型 甘 油 醛,D L 分 别 是 Dextory 和 Left 的 第 一 个 字 母, 分 别 表 示 右 旋 和 左 旋 将 其 它 单 糖 的 构 型 与 甘 油 醛 比 较, 如 编 号 最 大 的 ( 距 羰 基 碳 最 远 的 ) 不 对 称 碳 原 子 的 构 型 与 D-()- 甘 油 醛 相 同, 就 属 于 D 型 ; 若 与 L-(-)- 甘 油 醛 相 同, 则 为 L 型 自 然 界 中 存 在 的 葡 萄 糖 和 果 糖 是 D 型 单 糖 除 甘 油 醛 以 外, 其 它 单 糖 的 相 对 构 型 D L 与 旋 光 性 无 对 应 关 系 例 如 : 336

3 D-()- 甘 油 醛 D-()- 葡 萄 糖 D-(-)- 果 糖 L-(-)- 甘 油 醛 L-(-)- 葡 萄 糖 L-()- 阿 拉 伯 糖 D- 葡 萄 糖 是 右 旋 的, 而 D- 果 糖 是 左 旋 的 ;L- 葡 萄 糖 是 左 旋 的, 但 L- 阿 拉 伯 糖 是 右 旋 的 含 有 4 个 手 性 碳 原 子 的 己 醛 糖 有 16 个 异 构 体, 其 中 8 个 为 D 型,8 个 为 L 型 D 型 糖 的 对 映 体 一 定 是 L 型 类 似 地, 己 酮 糖 含 有 3 个 手 性 碳 原 子, 故 有 2 3 =8 个 异 构 体, 其 中 4 个 D 型,4 个 为 L 型 由 于 相 对 构 型 标 记 法 只 表 示 单 糖 中 离 羰 基 最 远 的 手 性 碳 原 子 的 构 型, 并 不 能 表 示 其 它 手 性 碳 原 子 的 构 型 因 此, 相 对 构 型 标 记 法 不 能 准 确 反 映 单 糖 分 子 的 立 体 结 构 为 了 准 确 反 映 手 性 分 子 的 立 体 结 构, 二 十 世 纪 五 十 年 代 以 后 产 生 了 绝 对 构 型 的 表 示 方 法 用 S 绝 对 构 型 标 记 法 命 名 单 糖 时, 将 糖 分 子 中 的 每 个 手 性 碳 原 子 的 构 型 都 用 或 S 标 示 出 来, 例 如 天 然 的 D-()- 葡 萄 糖 的 名 称 是 (2,3S,4,5)-()-2,3,4,5,6- 五 羟 基 己 醛 但 是 在 糖 化 学 中, 通 常 用 俗 名 表 示 糖, 故 糖 的 构 型 常 用 D L 表 示 自 然 界 中 存 在 的 单 糖 大 多 数 是 D 型 的 含 有 3~6 个 碳 原 子 的 所 有 D 型 醛 糖 的 Fischer 投 影 式 及 名 称 见 表 10.1 表 10.1 一 些 D 型 醛 糖 337

4 2 2 2 D-(-)- 赤 藓 糖 D-(-)-erythrose D-()- 甘 油 醛 D-()-glyceraldehyde D-(-)- 苏 糖 D-(-)-throse 2 2 D-(-)- 核 糖 D-(-)- 阿 拉 伯 糖 D-()- 木 糖 D-(-)- 来 苏 糖 D-(-)-ribose D-(-)-arabinose D-()-xylose D-(-)-lyxose 2 2 D-()- 阿 洛 糖 D-()-allose 3 环 状 结 构 D-()- 阿 单 糖 D-()-altrose D-()- 葡 萄 糖 D-()-glucose D-()- 甘 露 糖 D-()-maltose 338 D-(-)- 古 洛 糖 D-(-)-gulose D-(-)- 艾 杜 糖 D-(-)-idose D-()- 半 乳 糖 D-()- 塔 罗 糖 D-()-galactose D-()-talose 单 糖 的 开 链 式 结 构 能 揭 示 单 糖 的 许 多 化 学 性 质, 但 不 能 说 明 单 糖 的 全 部 化 学 性 质 例 如 D- 葡 萄 糖 的 开 链 式 结 构 不 能 说 明 下 列 性 质 : (1) 在 碱 存 在 下,D- 葡 萄 糖 与 硫 酸 二 甲 酯 作 用 生 成 D- 五 甲 基 葡 萄 糖, 后 者 没 有 醛 的 性 质 ( 若 D- 葡 萄 糖 为 开 链 式 结 构, 则 五 甲 基 葡 萄 糖 应 具 有 醛 的 性 质 ) 将 D- 五 甲 基 葡 萄 糖 在 稀 酸 中 水 解, 只 有 一 个 甲 氧 基 容 易 水 解 生 成 四 甲 基 葡 萄 糖, 它 具 有 醛 的 性 质 ( 若 D- 葡 萄 糖 为 开 链 式 结 构, 则 D- 五 甲 基 葡 萄 糖 中 五 个 甲 氧 基 水 解 程 度 应 相 似 ) (2)D- 葡 萄 糖 在 50 以 下 从 水 溶 液 中 结 晶 得 到 α- 型 晶 体 ( 熔 点 为 146 ); 在 98 以 上 从 水 溶 液 中 结 晶 得 到 β- 型 晶 体 ( 熔 点 为 150 ) α- 葡 萄 糖 配 成 溶 液, 最 初 的 比 旋 光 度 为 113, 渐 渐 降 低 到 52.7 就 不 再 变 化 ; β- 葡 萄 糖 配 成 的 溶 液 最 初 的 比 旋 光 度 为 18.7, 渐 渐 升 高 到 52.7 也 不 再 变 化 这 种 比 旋 光 度 发 生 变 化 的 现 象, 称 为 变 旋 光 现 象 这 用 开 链 式 结 构 无 法 解 释 (3)D- 葡 萄 糖 与 甲 醇 在 酸 催 化 下 制 备 缩 醛 时 只 能 导 入 一 个 甲 基, 得 到 α- 甲 基 -D- 葡 萄 糖 苷 和 β- 甲 基 -D- 葡 萄 糖 苷, 其 比 旋 光 度 分 别 为 [α]d 159 和 -34, 它 们 的 性 质 与 缩 醛 相 似, 对 碱 稳 定, 在 酸 性 溶 液 中 水 解 成 D- 葡 萄 糖 和 甲 醇 ( 若 为 开 链 式 结 构,D- 葡 萄 糖 分 子 中 含 有 醛 基, 应 与 二 分 子 甲 醇 作 用 得 到 缩 醛 ) 经 过 深 入 研 究, 并 受 到 醛 可 以 与 醇 作 用 生 成 半 缩 醛 这 一 反 应 的 启 示,1930 年, 哈 沃 斯 提 出 D- 葡 萄 糖 具 有 分 子 内 的 醛 基 与 醇 羟 基 形 成 半 缩 醛 的 环 状 结 构, 现 已 得 到 证 实 为 了 确 定 半 缩 醛 环 的 大 小, 哈 沃 斯 将 D- 甲 基 葡 萄 糖 苷 用 硫 酸 二 甲 酯 和 氢 氧 化 钠 反 应, 使 分 子 中 四 个 醇 羟 基 变 成 甲 氧 基, 生 成 D- 五 甲 基 葡 萄 糖 苷, 后 者 中 的 缩 醛 结 构 稳 定 性 不 如 醚 键 结 构, 故 与 稀 盐 酸 作 用, 只 有 (1) 上 的 甲 氧 基 被 水 解, 得 到 D- 四 -- 甲 基 葡 萄 糖 这 是 一 个 环 状 半 缩 醛, 它 在 溶 液 中 与 相 应 的 开 链 式 结 构 形 成 动 态 平 衡 在 开 链 式 结 构 中 有 一 个 醛 基 和 一 个 游 离 的 醇 羟 基, 这 两 个 官 能 团 都 容 易 起 反 应 用 硝 酸 氧 化 D- 四 -- 甲 基 葡 萄 糖 得 到 三 甲 氧 基 戊 二 酸 和 二 甲 氧 基 丁 二 酸 由 此 可 见 D- 四 -- 甲 基 葡 萄 糖 的 开 链 式 结 构 中 游 离 的 醇 羟 基 连 在 (5) 上, 因 此,D- 甲 基 葡 萄 糖 苷 为 六 元 环 其 他 的 实 验 事 实 如 X- 射 线 结 构 分 析 也 证 明 了 D- 葡 萄 糖 为 六 元 环, 其 他 己 醛 糖 或 苷 一 般 也 为 六 元 环 D- 葡 萄 糖 的 环 状 结 构 是 (1) 醛 基 和 (5) 羟 基 形 成 的 半 缩 醛 的 结 果 环 的 生 成 使 羰 基 碳 原 子 ( 称 为 异

5 头 碳 原 子 ) 成 为 不 对 称 原 子, 因 此, 同 一 单 糖 有 两 种 环 状 的 非 对 映 异 构 体, 它 们 的 差 别 在 于 链 端 一 个 不 对 称 碳 原 子 的 构 型 不 同, 这 两 种 非 对 映 异 构 体 互 为 正 位 异 构 体 (anomers), 分 别 用 α 和 β 表 示 例 如 :D- 葡 萄 糖 的 两 种 正 位 异 构 体 分 别 为 α-d-()- 葡 萄 糖 和 β-d-()- 葡 萄 糖 在 溶 液 中 环 状 结 构 与 开 链 结 构 之 间 存 在 动 态 平 衡 α-d-()- 葡 萄 糖 2 β-d-()- 葡 萄 糖 当 互 变 异 构 达 到 动 态 平 衡 时,α-D- 葡 萄 糖 约 占 36%,β-D- 葡 萄 糖 约 占 64%, 而 开 链 式 结 构 含 量 极 少 α-d- 葡 萄 糖 的 比 旋 光 度 为 113,β-D- 葡 萄 糖 的 比 旋 光 度 为 18.7 在 溶 液 中 存 在 互 变 异 构 动 态 平 衡, 所 以, 无 论 是 α-d- 葡 萄 糖 还 是 β-d- 葡 萄 糖 配 制 成 的 溶 液, 最 后 溶 液 的 比 旋 光 度 均 为 52.7 虽 然 开 链 式 结 构 在 平 衡 混 合 物 中 含 量 很 少, 但 当 D- 葡 萄 糖 水 溶 液 遇 到 羰 基 试 剂 ( 如 羟 胺 苯 肼 氧 化 剂 等 ) 时, 少 量 的 开 链 式 结 构 与 羰 基 试 剂 反 应, 破 坏 平 衡, 使 平 衡 向 开 链 式 移 动, 继 续 反 应, 因 此 D- 葡 萄 糖 水 溶 液 显 示 羰 基 的 特 性 对 于 与 羰 基 发 生 可 逆 反 应 的 试 剂, 由 于 开 链 式 结 构 含 量 很 少,D- 葡 萄 糖 不 显 示 羰 基 的 性 质 例 如 D- 葡 萄 糖 只 与 一 分 子 ( 而 不 是 二 分 子 ) 甲 醇 形 成 缩 醛 这 是 环 状 结 构 与 甲 醇 缩 合 的 结 果 由 于 环 状 结 构 有 5 个 羟 基, 所 以,D- 葡 萄 糖 能 与 硫 酸 二 甲 酯 反 应 生 成 五 甲 基 -D- 葡 萄 糖, 后 者 为 缩 醛, 不 显 示 醛 的 性 质 ; 且 (1) 上 的 缩 醛 甲 氧 基 比 其 它 4 个 甲 氧 基 活 泼, 在 稀 酸 中 较 易 水 解 在 D- 葡 萄 糖 的 甲 醇 溶 液 中 通 入 氯 化 氢, 即 能 生 成 异 头 碳 上 羟 基 变 成 甲 氧 基 的 缩 醛 糖 的 这 种 由 半 缩 醛 羟 基 转 化 为 烷 氧 基 而 形 成 的 衍 生 物 称 为 糖 苷 ( 或 糖 甙 ) 糖 的 半 缩 醛 结 构 ( 环 状 结 构 ) 中, 异 头 碳 上 的 羟 基 称 为 苷 羟 基 与 糖 形 成 糖 苷 的 非 糖 物 质 称 为 苷 元 糖 与 苷 元 之 间 的 键 称 为 苷 键 因 此,D- 葡 萄 糖 与 甲 醇 生 成 的 化 合 物 ( 缩 醛 ) 称 为 D- 甲 基 葡 萄 糖 苷 它 的 苷 元 是 甲 醇 D- 葡 萄 糖 在 溶 液 中 有 α- 和 β- 两 种 半 缩 醛 结 构, 所 以 D- 葡 萄 糖 与 甲 醇 生 成 两 种 苷, 它 们 是 α-d-()- 甲 基 葡 萄 糖 苷 和 β-d-()- 甲 基 葡 萄 糖 苷 α-d-()- 甲 基 葡 萄 糖 苷 β-d-()- 甲 基 葡 萄 糖 苷 它 们 是 非 对 映 体, 可 以 用 物 理 方 法 分 离 在 糖 苷 分 子 中 没 有 苷 羟 基 糖 苷 的 环 状 结 构 不 能 与 开 链 式 结 构 互 变, 因 此 糖 苷 无 变 旋 光 现 象, 也 无 羰 基 特 性 糖 苷 与 一 般 的 缩 醛 一 样, 在 碱 性 条 件 下 是 稳 定 的, 但 在 酸 性 条 件 下, 苷 键 断 裂 水 解 为 糖 和 苷 元 糖 的 开 链 式 结 构 可 以 用 下 面 的 方 法 改 写 成 环 状 结 构 将 Fischer 投 影 式 的 碳 骨 架 垂 直 于 纸 平 面 弯 曲 似 环 状 ( 异 头 碳 原 子 位 于 纸 平 面 前 面, 左 边 原 子 或 基 团 位 于 环 平 面 上 方, 右 边 原 子 或 基 团 位 于 环 平 面 下 方 ), 绕 (4)-(5) 键 旋 转, 使 (5) 上 的 羟 基 位 于 环 平 面,(5) 上 羟 基 与 醛 基 缩 合 为 半 缩 醛 式 ( 环 状 结 构 ) 异 头 碳 上 羟 基 位 于 环 平 面 下 方 为 α- 型 ; 位 于 环 平 面 上 方 为 β- 型 339

6 α-d-()- 葡 萄 糖 β-d-()- 葡 萄 糖 糖 的 这 种 环 状 结 构 称 为 哈 沃 史 (oworth) 式 有 时 不 需 要 指 出 糖 的 正 位 异 构 体, 就 把 异 头 碳 上 羟 基 写 在 环 平 面 上, 且 异 头 碳 原 子 上 的 也 可 以 省 去 : 2 或 2 单 糖 分 子 中 的 半 缩 醛 环 并 不 都 是 六 元 环, 也 有 的 是 五 元 环 例 如 D-(-)- 果 糖 : D-(-)- 果 糖 β-d-(-)- 呋 喃 果 糖 糖 的 六 元 环 和 五 元 环 的 半 缩 醛 可 以 根 据 相 应 的 含 氧 杂 环 的 名 称 分 别 用 吡 喃 和 呋 喃 表 示 吡 喃 呋 喃 例 如 :α-d-()- 吡 喃 葡 萄 糖,β-D-(-)- 呋 喃 果 糖, 在 水 溶 液 中 D- 葡 萄 糖 约 36% 为 α- 吡 喃 型, 约 64% 为 β- 吡 喃 型,α- 和 β- 呋 喃 型 小 于 1% 4 构 象 糖 的 哈 沃 史 式 能 清 楚 地 表 示 出 环 上 各 原 子 和 原 子 团 之 间 相 互 关 系, 但 吡 喃 环 上 的 原 子 并 不 在 同 一 平 面 内, 而 是 类 似 于 环 己 烷, 具 有 椅 式 构 象, 例 如 β-d- 葡 萄 糖 的 两 种 椅 式 构 象 为 : 2 2 在 左 边 构 象 中 所 有 体 积 大 的 取 代 基 都 在 平 伏 键 的 位 置, 而 右 边 构 象 中 所 有 体 积 大 的 取 代 基 均 在 直 立 键 上, 因 此, 左 边 构 象 较 稳 定 据 计 算, 左 边 构 象 的 能 量 比 右 边 构 象 低 25kJ mol -1 晶 体 结 构 研 究 和 其 他 研 究 方 法 说 明 β-d- 葡 萄 糖 以 左 边 构 象 形 式 存 在 α-d- 葡 萄 糖 也 有 两 种 椅 式 构 象 : 340

7 2 2 左 边 构 象 比 右 边 构 象 稳 定, 但 左 边 构 象 中 苷 羟 基 处 于 直 立 键 位 置, 故 其 稳 定 性 不 如 β-d- 葡 萄 糖 中 较 稳 定 的 构 象 ( 只 有 氢 位 于 直 立 键 位 置 ) 稳 定 因 此,D- 葡 萄 糖 溶 液 中,β-D- 葡 萄 糖 占 优 势 其 它 D- 己 醛 糖 的 构 象 可 参 考 葡 萄 糖 的 构 象 推 出 例 如 :β-d- 甘 露 糖 β-d- 阿 洛 糖 和 β-d- 半 乳 糖 的 稳 定 构 象 为 : β-d- 甘 露 糖 β-d- 阿 洛 糖 β-d- 半 乳 糖 D- 果 糖 也 有 变 旋 光 现 象 在 水 溶 液 中 果 糖 主 要 为 吡 喃 型 环 状 结 构 ( 分 为 α- 型 和 β- 型 ) 而 果 糖 苷 主 要 以 呋 喃 型 环 状 结 构 ( 分 为 α- 型 和 β- 型 ) 形 式 存 在 X- 射 线 分 析 表 明, 呋 喃 型 糖 中 五 元 环 在 同 一 平 面 上 ; 吡 喃 型 糖 中 六 元 环 主 要 为 椅 式 构 象 单 糖 的 反 应 2 α-d-(-)- 呋 喃 果 糖 β-d-(-)- 呋 喃 果 糖 α-d-(-)- 吡 喃 果 糖 2 β-d-(-)- 吡 喃 果 糖 单 糖 是 多 羟 基 醛 酮, 含 有 羰 基 和 羟 基, 能 发 生 这 些 官 能 团 的 特 性 反 应, 如 还 原 反 应 氧 化 反 应 加 成 反 应 成 醚 反 应 成 酯 反 应 等 单 糖 还 含 有 相 邻 的 醇 羟 基 结 构, 故 还 能 发 生 邻 二 醇 的 特 性 反 应, 如 被 高 碘 酸 氧 化 1 还 原 反 应 单 糖 用 还 原 剂 或 催 化 加 氢 将 羰 基 还 原 为 羟 基 生 成 糖 醇 ( 即 多 元 醇 ) 例 如,D- 葡 萄 糖 还 原 生 成 D- 葡 萄 糖 醇 ( 又 叫 D- 山 梨 醇 ),L- 古 洛 糖 还 原 也 生 成 D- 山 梨 醇 : 2 [] D- 葡 萄 糖 D- 山 梨 醇 L- 古 洛 糖 [] 即 : 2 D- 甘 露 糖 还 原 为 D- 甘 露 醇,D- 果 糖 的 羰 基 在 2 位, 故 还 原 产 生 新 的 手 性 中 心, 生 成 非 对 映 异 构 体 D- 甘 露 醇 和 D- 山 梨 醇 : 341

8 2 2 2 [] [] [] D- 甘 露 糖 D- 甘 露 醇 D- 果 糖 D- 山 梨 醇 在 实 验 室 中 常 用 ab4 将 糖 还 原 成 相 应 的 糖 醇 在 工 业 上 则 用 镍 作 催 化 剂, 在 沸 腾 的 乙 醇 溶 液 中 加 氢 得 到 糖 醇 山 梨 醇 甘 露 醇 等 多 元 醇 存 在 于 植 物 中 山 梨 醇 无 毒, 有 轻 微 的 甜 味 和 吸 湿 性, 可 用 作 化 妆 品 和 药 物 2 氧 化 反 应 单 糖 被 不 同 的 氧 化 剂 氧 化 生 成 氧 化 程 度 不 同 的 产 物 醛 糖 或 酮 糖 与 弱 氧 化 剂 Tollens 试 剂 和 Fehling 试 剂 均 发 生 反 应, 与 Tollens 试 剂 作 用 都 产 生 银 镜, 与 Fehling 试 剂 一 起 加 热 时 生 成 氧 化 亚 铜 的 砖 红 色 沉 淀 M u 2 醛 糖 或 酮 糖 u 2 氧 化 产 物 Tollens 试 剂 和 Fehling 试 剂 都 是 碱 性 溶 液 醛 糖 含 有 醛 基, 能 被 弱 氧 化 剂 氧 化 ; 酮 糖 都 是 α- 碳 上 有 羟 基 的 酮, 在 碱 性 溶 液 中, 存 在 开 链 式 醛 糖 与 开 链 式 酮 糖 通 过 烯 二 醇 而 进 行 互 变 异 构 的 平 衡 例 如 : 醛 糖 烯 二 醇 酮 糖 因 此, 酮 糖 也 能 被 弱 氧 化 剂 (Tollens 试 剂 和 Fehling 试 剂 ) 氧 化 许 多 糖 在 生 物 体 内 的 代 谢 都 包 括 有 烯 醇 化 反 应 与 Tollens 试 剂 或 Fehling 试 剂 发 生 反 应 ( 即 呈 正 反 应 ) 的 糖 叫 还 原 糖, 不 发 生 反 应 ( 即 呈 负 反 应 ) 的 糖 叫 非 还 原 糖 单 糖 的 环 状 结 构 都 有 苷 羟 基, 其 溶 液 中 均 有 开 链 式 结 构 存 在, 因 此, 单 糖 都 是 还 原 糖 糖 苷 在 碱 性 溶 液 中 不 能 变 成 醛 糖 或 酮 糖, 因 此, 它 不 与 Tollens 试 剂 或 Fehling 试 剂 反 应, 故 被 称 为 非 还 原 糖 Tollens 试 剂 和 Fehling 试 剂 可 区 别 还 原 性 糖 与 非 还 原 性 糖, 但 不 能 区 别 醛 糖 与 酮 糖 Tollens 试 剂 和 Fehling 试 剂 通 常 用 于 糖 的 检 验, 由 于 糖 在 碱 性 溶 液 中 起 复 杂 的 重 排 和 降 解 反 应, 因 此, 它 们 没 有 合 成 价 值 溴 水 也 是 一 个 弱 的 氧 化 剂, 在 p=5~6 的 弱 酸 性 条 件 下, 直 接 氧 化 己 醛 糖 为 内 酯 在 此 反 应 体 系 中, 醛 糖 不 发 生 分 子 的 异 构 化 反 应 及 碳 - 碳 键 的 断 裂 反 应, 因 此, 此 反 应 有 合 成 价 值 此 反 应 中,β-D- 葡 萄 糖 氧 化 速 度 为 α-d- 葡 萄 糖 的 250 倍, 说 明 反 应 是 由 试 剂 进 攻 异 头 碳 上 的 羟 基 开 始 进 行 的, 在 平 伏 键 位 置 上 的 羟 基 比 在 直 立 键 位 置 上 的 羟 基 更 容 易 起 反 应 生 成 的 1,5- 内 酯 (δ 内 酯 ) 慢 慢 水 解 成 醛 糖 酸, 后 者 的 水 溶 液 在 蒸 发 时 容 易 生 成 1,4- 内 酯 (γ 内 酯 ) 反 应 可 能 经 由 如 下 过 程 : 342

9 2 2 2 Br 2, 2 -Br Br D- 葡 萄 糖 D- 葡 萄 糖 酸 -δ- 内 酯 2 2 D- 葡 萄 糖 酸 -γ- 内 酯 D- 葡 萄 糖 酸 酮 糖 在 同 样 氧 化 条 件 下 不 反 应 因 此, 可 用 溴 水 作 为 试 剂 区 别 醛 糖 和 酮 糖 β-d- 葡 萄 糖 苷 用 臭 氧 氧 化 生 成 葡 萄 糖 酸 酯,α- 异 构 体 活 性 较 低, 不 易 被 臭 氧 氧 化 硝 酸 是 强 氧 化 剂, 能 使 醛 糖 氧 化 为 糖 二 酸 例 如 : 2 D- 葡 萄 糖 D- 葡 萄 糖 二 酸 内 酯 D- 葡 萄 糖 二 酸 有 旋 光 性 将 醛 糖 氧 化 为 糖 二 酸, 然 后 测 其 旋 光 性, 这 些 性 质 可 用 于 推 测 糖 的 构 型 糖 二 酸 也 容 易 生 成 γ- 内 酯 和 δ- 内 酯 D- 果 糖 用 硝 酸 氧 化 时, 发 生 碳 链 的 断 裂, 生 成 D- 阿 拉 伯 糖 二 酸 及 其 它 小 分 子 氧 化 产 物 生 物 体 内 由 酶 催 化 进 行 醛 糖 的 氧 化 反 应, 醛 基 不 受 影 响, 而 末 端 -2 氧 化 为 羧 基, 生 成 糖 醛 酸 这 是 一 个 重 要 的 生 化 反 应 生 成 的 糖 醛 酸 衍 生 物 可 由 尿 液 从 动 物 体 内 排 出, 起 到 排 毒 作 用 高 碘 酸 氧 化 糖 类 时, 邻 二 醇 结 构 的 碳 链 处 及 羰 基 与 羰 基 α- 碳 链 处 均 发 生 断 裂 得 到 醛 及 酸 : 2I 反 应 常 是 定 量 的, 断 裂 一 个 碳 - 碳 键 消 耗 一 摩 尔 I4 -, 产 生 一 摩 尔 I3 - 用 银 盐 溶 液 滴 定 反 应 生 成 的 I3 -, 可 以 知 道 反 应 中 - 键 断 裂 的 数 目 例 如 氧 化 D- 葡 萄 糖 时, 消 耗 5 摩 尔 高 碘 酸, 生 成 5 摩 尔 甲 酸 和 1 摩 尔 甲 醛, 表 明 葡 萄 糖 中 有 5 个 - 键, 共 6 个 碳 原 子, 且 这 6 个 碳 原 子 或 为 羰 基 碳, 或 与 羟 基 相 连 343

10 2 5I 4 5 糖 苷 中 也 存 在 邻 二 醇 结 构, 故 也 可 被 高 碘 酸 氧 化 例 如 :D- 甲 基 吡 喃 葡 萄 糖 苷 氧 化 时 消 耗 2 摩 尔 高 碘 酸, 生 成 1 摩 尔 甲 酸 和 1 摩 尔 二 醛, 从 后 者 的 结 构 可 以 得 知 糖 苷 分 子 中 成 环 情 况 及 三 个 相 邻 羟 基 的 存 在 3 成 脎 反 应 I 4 3 单 糖 很 难 以 良 好 的 晶 体 从 溶 液 中 析 出, 常 常 为 浆 状 物 单 糖 中 存 在 醛 基 和 酮 羰 基, 能 与 苯 肼 反 应 生 成 易 于 提 纯 的, 有 特 殊 形 状 的 黄 色 晶 体, 称 为 糖 脎 此 类 反 应 称 为 成 脎 反 应 344 糖 脎 不 溶 于 水 不 同 的 糖 脎 晶 形 不 同, 熔 点 不 同 不 同 的 单 糖 成 脎 速 度 也 不 同, 因 此, 常 用 成 脎 反 应 鉴 定 糖 糖 成 脎 的 反 应 在 早 期 糖 化 学 的 研 究 中 发 挥 了 极 重 要 的 鉴 别 作 用 成 脎 反 应 在 单 糖 的 (1) 和 (2) 上 均 形 成 = 双 键, 因 此, 醛 糖 生 成 糖 脎 后 (2) 不 再 是 不 对 称 碳 原 子, 而 其 余 的 不 对 称 碳 原 子 的 构 型 则 保 持 不 变 2 D-()- 葡 萄 糖 D-()- 葡 萄 糖 脎 D-()- 甘 露 糖 D-()- 葡 萄 糖 与 D-()- 甘 露 糖 都 是 己 醛 糖, 它 们 生 成 同 样 的 糖 脎, 说 明 它 们 分 子 中 (3) (4) (5) 的 构 型 相 同 在 糖 化 学 中 这 种 只 有 一 个 碳 原 子 构 型 不 同 的 非 对 映 异 构 体 称 为 差 向 异 构 体 (epimers) 除 糖 类 外, 在 酸 碱 热 等 条 件 下, 只 有 一 个 手 性 中 心 发 生 构 型 改 变 而 其 余 手 性 中 心 的 构 型 不 变 的 非 对 映 异 构 体 也 可 称 为 差 向 异 构 体 如 内 消 旋 酒 石 酸 与 光 活 性 酒 石 酸 互 为 差 向 异 构 体 酮 糖 与 苯 肼 反 应 也 在 (1) (2) 上 进 行 D-(-)- 果 糖 是 一 种 己 酮 糖, 它 与 苯 肼 作 用 生 成 D-()- 葡 糖 脎 因 此, 果 糖 分 子 中 (3) (4) (5) 的 构 型 与 D-()- 葡 萄 糖 相 同 糖 成 脎 反 应 的 机 理 尚 不 很 清 楚 反 应 可 能 经 由 过 程 如 下 : 醛 糖 成 脎 反 应 : 酮 糖 成 脎 反 应 :

11 4 醚 化 和 酯 化 反 应 单 糖 的 环 状 结 构 中 存 在 苷 羟 基 和 醇 羟 基, 因 此, 单 糖 与 适 当 的 试 剂 反 应 可 以 得 到 单 糖 的 醚 或 酯 例 如,D- 葡 萄 糖 与 硫 酸 二 甲 酯 在 碱 存 在 下 反 应 或 与 碘 甲 烷 及 氧 化 银 反 应, 苷 羟 基 和 醇 羟 基 全 部 甲 基 化 生 成 D- 五 甲 基 葡 萄 糖 2 ( 3 ) 2 S 2, a 或 3 I, g D- 葡 萄 糖 D- 五 甲 基 葡 萄 糖 D- 葡 萄 糖 与 乙 酸 酐 发 生 酯 化 反 应 生 成 D- 五 乙 酸 葡 萄 糖 酯 ( 又 叫 D- 五 乙 酰 基 葡 萄 糖 ) 2 ( 3 ) 吡 啶 D- 葡 萄 糖 D- 五 乙 酸 葡 萄 酯 糖 糖 的 磷 酸 酯 在 生 物 体 内 有 重 要 作 用 它 们 是 许 多 代 谢 过 程 的 中 间 体 例 如, 在 肝 糖 的 生 物 合 成 和 生 物 降 解 过 程 中, 都 含 有 α-d-1- 磷 酸 葡 萄 糖 酯 和 D-6- 磷 酸 葡 萄 糖 酯 2 P3 2 P α-d-1- 磷 酸 葡 萄 糖 酯 D-6- 磷 酸 葡 萄 糖 酯 核 酸 在 生 物 体 内 起 着 极 其 重 要 的 作 用,β-D- 核 糖 和 β-d-2- 脱 氧 核 糖 的 磷 酸 酯 是 核 酸 的 组 成 部 分 2 β-d- 核 糖 2 β-d-2 - 脱 氧 核 糖 β-d- 核 糖 和 β-d-2- 脱 氧 核 糖 为 呋 喃 型 环 状 结 构,3- 和 5- 位 上 的 羟 基 与 磷 酸 形 成 酯, 同 时 1- 位 上 的 羟 基 与 嘧 啶 或 嘌 呤 缩 合 后 形 成 核 酸 的 基 本 单 位 核 苷 酸 ( 见 ) 5 差 向 异 构 化 (epimerization) 差 向 异 构 化 作 用 就 是 在 差 向 异 构 体 之 间 进 行 的 一 种 直 接 可 逆 的 转 化 过 程 在 碱 性 条 件 下, 醛 糖 通 过 烯 醇 式 转 化 为 差 向 异 构 体, 同 时 发 生 醛 糖 与 酮 糖 间 的 相 互 转 化 2 例 如 : 在 mol L -1 氢 氧 化 钠 溶 液 中,35 下 D- 葡 萄 糖 反 应 4 昼 夜 后 生 成 D- 果 糖 (28%),D- 甘 露 糖 (3%) 和 D- 葡 萄 糖 的 混 合 物 D- 葡 萄 糖 与 D- 甘 露 糖 的 差 向 异 构 化 也 可 通 过 下 列 反 应 实 现 345

12 2 2 1) 分 离 Br 2 吡 啶 2) 醛 糖 还 可 以 通 过 下 列 反 应 转 化 为 酮 糖 Zn, c 6 5 a/g 2 2 醛 糖 糖 脎 邻 酮 醛 糖 酮 糖 6 醛 糖 的 递 升 和 递 降 将 一 个 醛 糖 通 过 化 学 方 法 变 为 高 一 级 的 醛 糖 的 过 程 叫 做 递 升 ; 变 为 低 一 级 的 醛 糖 的 过 程 叫 做 递 降 将 醛 糖 与 氢 氰 酸 作 用 得 到 羟 基 腈, 由 于 在 反 应 过 程 中 增 加 了 一 个 不 对 称 碳 原 子, 所 以 得 到 两 个 非 对 映 体 羟 基 腈 水 解 生 成 的 多 一 个 碳 原 子 的 醛 糖 酸 失 水 而 成 γ- 内 酯, 再 经 钠 汞 齐 还 原 得 到 高 一 级 的 醛 糖 例 如,D-(-)- 阿 拉 伯 糖 通 过 上 述 系 列 反 应 得 到 D-()- 葡 萄 糖 和 D-()- 甘 露 糖 2 Ba() P=3~5 1) 2 a-g, 2 2) D-()- 甘 露 糖 2 2 1) Ba() 2 P=3~5 a-g, 3 2 2) D-()- 葡 萄 糖 醛 糖 递 降 一 般 有 两 种 方 法 其 一 是 将 醛 糖 用 电 解 法 氧 化 或 经 溴 水 氧 化 后 与 氢 氧 化 钙 作 用 生 成 糖 酸 钙, 后 者 用 过 氧 化 氢 及 铁 盐 处 理 变 成 低 一 级 的 醛 糖 此 法 称 为 uff 降 解 法 例 如 将 D-()- 葡 萄 糖 降 解 为 D-(-)- 阿 拉 伯 糖 2 电 解 氧 化 a 2 2 2,Fe D-()- 葡 萄 糖 D-(-)- 阿 拉 伯 糖 346

13 其 二 是 将 醛 糖 与 羟 胺 反 应 生 成 的 肟 与 乙 酐 反 应 使 分 子 中 羟 基 乙 酰 化 并 脱 去 一 分 子 水 得 到 腈 腈 在 银 氨 溶 液 中 失 去 氰 基, 然 后 在 稀 酸 溶 液 中 水 解 生 成 少 一 个 碳 原 子 的 醛 糖 此 法 称 为 Wohl 降 解 法 例 如 : c 2 c 2, Znl 2 c g( 3 ) 2-2 -c c c c ( 3 ) 2 稀 l 低 聚 糖 低 聚 糖 (oligosaccharides) 一 般 指 由 10 个 以 下 相 同 或 不 同 的 单 糖 分 子 相 互 脱 水 结 合 起 来 的 低 聚 分 子 低 聚 糖 中 最 常 见 的 是 二 糖, 如 蔗 糖 乳 糖 麦 芽 糖 和 纤 维 二 糖 等 组 成 二 糖 的 两 分 子 单 糖 之 间 的 苷 键 有 两 种 方 式 一 种 方 式 是 一 分 子 单 糖 的 苷 羟 基 与 另 一 分 子 单 糖 的 醇 羟 基 脱 水 结 合 而 成, 如 乳 糖 麦 芽 糖 纤 维 二 糖 等 这 样 的 二 糖 仍 有 一 个 半 缩 醛 官 能 团 和 醇 羟 基 存 在, 故 能 发 生 单 糖 的 各 种 反 应, 如 还 原 Tollens 试 剂 和 Fehling 试 剂, 与 苯 肼 反 应 形 成 糖 脎 等, 并 有 变 旋 光 现 象 另 一 种 方 式 是 两 分 子 单 糖 的 苷 羟 基 脱 水 结 合 而 成, 如 蔗 糖 这 样 的 二 糖 已 无 潜 在 的 醛 羰 基, 故 无 醛 基 的 性 质, 为 非 还 原 糖, 不 与 苯 肼 反 应, 也 无 变 旋 光 现 象 二 糖 在 酸 催 化 下 均 水 解 为 单 糖 人 及 哺 乳 动 物 一 般 不 能 吸 收 二 糖 但 单 糖 能 透 过 体 内 细 胞 膜 而 被 吸 收 一 些 单 糖 在 体 内 吸 收 率 高 低 次 序 为 :D- 半 乳 糖 > D- 葡 萄 糖 > D- 果 糖 >D- 甘 露 糖 > 戊 糖 但 是 一 些 二 糖 在 人 及 哺 乳 动 物 体 内 特 定 酶 的 作 用 下 水 解 为 单 糖 而 被 吸 收 麦 芽 糖 淀 粉 在 淀 粉 酶 作 用 下 水 解 得 到 ()- 麦 芽 糖 (maltose) 麦 芽 中 含 有 的 淀 粉 酶 常 常 用 来 使 淀 粉 水 解 成 麦 芽 糖, 麦 芽 糖 的 名 称 由 此 而 来 我 国 饴 糖 中 的 主 要 组 分 就 是 麦 芽 糖 麦 芽 糖 甜 度 小 于 蔗 糖, 易 溶 于 水, 它 的 分 子 式 为 它 用 无 机 酸 水 解 生 成 两 分 子 葡 萄 糖, 因 此 它 是 由 两 分 子 葡 萄 糖 失 去 一 分 子 水 的 产 物 麦 芽 糖 能 使 Tollens 试 剂 和 Fehling 试 剂 还 原, 与 苯 肼 作 用 成 脎, 用 溴 水 氧 化 时 生 成 一 元 酸 麦 芽 糖 酸 (112110) 它 有 α 和 β 两 种 形 式 ( 比 旋 光 度 分 别 为 168 及 112 ), 在 溶 液 中 有 变 旋 光 作 用 这 些 事 实 说 明 麦 芽 糖, 含 有 一 个 半 缩 醛 官 能 团 因 此, 麦 芽 糖 是 由 一 个 葡 萄 糖 分 子 中 苷 羟 基 与 另 一 个 葡 萄 糖 分 子 中 一 个 醇 羟 基 失 水 生 成 的 麦 芽 糖 能 被 α- 葡 萄 糖 苷 酶 水 解 生 成 两 分 子 葡 萄 糖 α- 葡 萄 糖 苷 酶 只 能 使 α- 糖 苷 水 解, 因 此 麦 芽 糖 是 一 种 α- 葡 萄 糖 苷 为 了 确 定 麦 芽 糖 中 一 个 葡 萄 糖 以 哪 个 碳 上 的 醇 羟 基 参 与 苷 键 的 形 成, 人 们 将 麦 芽 糖 先 氧 化 成 麦 芽 糖 酸 后 再 甲 基 化, 得 到 的 八 -- 甲 基 麦 芽 糖 酸 水 解 时 生 成 一 分 子 2,3,5,6- 四 -- 甲 基 葡 萄 糖 酸 和 一 分 子 2,3,4,6- 四 -- 甲 基 葡 萄 糖, 说 明 一 分 子 葡 萄 糖 以 (4) 上 的 羟 基 参 与 苷 的 生 成 因 此, 麦 芽 糖 是 由 一 分 子 葡 萄 糖 的 α- 苷 羟 基 与 另 一 分 子 的 葡 萄 糖 (4) 上 的 醇 羟 基 脱 水 经 α-1,4- 苷 键 连 接 而 成 的 二 糖 即 为 4--(α-D- 吡 喃 葡 萄 糖 基 )-D- 吡 喃 葡 萄 糖 347

14 2 2 Br 2, 2 2 麦 芽 糖 酸 2 ( 3 ) 2 S 八 - - 甲 基 麦 芽 糖 酸 ,3,4,6- 四 -- 甲 基 葡 萄 糖 2,3,5,6- 四 -- 甲 基 葡 萄 糖 酸 α- 麦 芽 糖 与 β- 麦 芽 糖 的 构 象 式 为 : β- 麦 芽 糖 α- 麦 芽 糖 人 及 哺 乳 动 物 消 化 道 中 麦 芽 糖 酶 可 将 食 入 的 麦 芽 糖 水 解 为 葡 萄 糖 葡 萄 糖 透 过 细 胞 膜 而 被 消 化 吸 收 纤 维 二 糖 在 纤 维 素 酶 作 用 下 纤 维 素 ( 如 棉 花 ) 水 解 得 到 ()- 纤 维 二 糖 (cellobiose) 它 无 味, 也 是 一 种 还 原 糖, 一 般 化 学 性 质 与 麦 芽 糖 相 同, 但 不 能 被 α- 葡 萄 糖 苷 酶 水 解, 却 能 被 β- 葡 萄 糖 苷 酶 水 解 成 两 分 子 葡 萄 糖, 因 此 它 是 一 个 β- 葡 萄 糖 苷 用 甲 基 化 及 水 解 等 方 法 证 明 : 纤 维 二 糖 是 由 一 分 子 吡 喃 型 环 状 葡 萄 糖 的 β- 苷 羟 基 与 另 一 分 子 吡 喃 型 环 状 葡 萄 糖 (4) 上 的 醇 羟 基 脱 水 经 β-1,4- 苷 键 连 接 而 成 的 二 糖, 即 为 4--(β-D- 吡 喃 葡 萄 糖 基 )-D- 吡 喃 葡 萄 糖 348

15 2 2 纤 维 二 糖 虽 然 纤 维 二 糖 与 麦 芽 糖 在 结 构 上 的 唯 一 区 别 是 苷 键 类 型 不 同, 但 它 们 在 生 理 上 的 作 用 有 很 大 差 别, 如 人 体 能 消 化 麦 芽 糖, 却 不 能 消 化 纤 维 二 糖 ; 但 许 多 动 物, 如 牛 马 等 能 以 纤 维 素 为 食 料 营 养 乳 糖 ()- 乳 糖 也 有 甜 味, 但 甜 度 不 如 蔗 糖 它 存 在 于 人 及 哺 乳 动 物 的 乳 汁 中, 人 乳 含 乳 汁 6-7%, 牛 羊 乳 含 乳 糖 4-5% 在 工 业 上 乳 糖 是 由 牛 奶 制 干 酪 时 所 得 的 副 产 品 乳 糖 在 乳 酸 杆 菌 作 用 下 可 氧 化 成 乳 酸, 牛 奶 变 酸 就 是 由 于 所 含 的 乳 糖 变 成 了 乳 酸 乳 糖 为 还 原 糖, 能 生 成 脎, 有 α- 和 β- 两 种 形 式, 在 溶 液 中 有 变 旋 光 现 象 α- 乳 糖 的 熔 点 为 202, 比 旋 光 度 [α] D 为 92.6 ;β- 乳 糖 的 熔 点 为 252,[α] D 为 34 乳 糖 在 水 溶 液 中 达 到 平 衡 时 [α] D 为 52.3 用 β- 半 乳 糖 苷 酶 使 乳 糖 水 解 时, 生 成 一 分 子 葡 萄 糖 和 一 分 子 半 乳 糖 因 此 它 是 一 种 β- 糖 苷 乳 糖 用 溴 水 氧 化 时 生 成 乳 糖 酸, 乳 糖 酸 水 解 生 成 半 乳 糖 与 葡 萄 糖 酸 因 此, 乳 糖 是 一 种 β- 半 乳 糖 苷 用 甲 基 化 及 水 解 等 方 法 证 明 : 乳 糖 是 由 一 分 子 吡 喃 型 环 状 半 乳 糖 的 β- 苷 羟 基 与 一 分 子 吡 喃 型 环 状 葡 萄 糖 (4) 上 的 醇 羟 基 脱 水 经 β-1,4- 苷 键 连 接 而 成 的 二 糖, 即 为 4--(β-D- 吡 喃 半 乳 糖 基 )-D- 吡 喃 葡 萄 糖 2 2 乳 糖 在 人 体 内 经 乳 糖 酶 作 用 水 解 为 能 被 人 体 吸 收 利 用 的 半 乳 糖 和 葡 萄 糖 蔗 糖 乳 糖 ()- 蔗 糖 是 自 然 界 中 分 布 最 广 泛 的 二 糖 所 有 有 光 合 作 用 的 植 物 都 含 有 蔗 糖 甘 蔗 中 含 有 16~26% 蔗 糖, 甜 菜 中 含 有 12~15% 蔗 糖, 甘 蔗 甜 菜 等 是 工 业 上 制 取 蔗 糖 的 主 要 原 料 蔗 糖 是 生 产 数 量 最 多 的 一 种 有 机 化 合 物, 世 界 上 每 年 生 产 的 蔗 糖 一 亿 吨 左 右 蔗 糖 与 其 它 糖 不 同, 很 容 易 结 晶, 很 甜, 但 其 甜 度 低 于 最 甜 的 糖 D-(-)- 果 糖 蔗 糖 的 分 子 式 也 是 它 水 解 时 生 成 一 分 子 D-()- 葡 萄 糖 和 一 分 子 D-(-)- 果 糖 蔗 糖 是 右 旋 的, 水 解 后 生 成 的 等 量 葡 萄 糖 和 果 糖 的 混 合 物 则 是 左 旋 的 由 于 蔗 糖 的 水 解 使 旋 光 的 方 向 发 生 了 转 变, 一 般 把 蔗 糖 的 水 解 反 应 称 为 转 化 反 应, 而 水 解 生 成 的 葡 萄 糖 和 果 糖 的 混 合 物 叫 做 转 化 糖, 蜂 蜜 的 主 要 组 成 就 是 转 化 糖 蔗 糖 D-()- 葡 萄 糖 D-(-)- 果 糖 [α] 20 D =66.5 [α] 20 = [α] =-92 D D 转 化 糖 20 [α] D =-20 在 工 业 上 用 转 化 酶 使 蔗 糖 水 解 为 转 化 糖, 用 于 食 品 及 饮 料 中 蔗 糖 与 Tollens 试 剂 和 Fehling 试 剂 无 作 用, 也 不 与 苯 肼 反 应, 在 溶 液 中 也 没 有 变 旋 光 现 象, 这 些 事 实 说 明 蔗 糖 中 没 有 自 由 的 苷 羟 基 存 在, 故 葡 萄 糖 和 果 糖 是 通 过 它 们 环 状 结 构 的 苷 羟 基 连 结 起 来 的 由 于 蔗 糖 能 被 α- 葡 萄 糖 苷 酶 所 水 解, 因 此 它 是 α- 葡 萄 糖 苷 为 了 确 定 蔗 糖 中 两 个 单 糖 的 成 环 大 小, 将 八 甲 基 蔗 糖 水 解, 生 成 2,3,4,6- 四 -- 甲 基 葡 萄 糖 和 1,3,4,6- 四 -- 甲 基 果 糖 : 349

16 2 1 2 ( 3 ) 2 S a ,3,4,6- 四 -- 甲 基 葡 萄 糖 1,3,4,6- 四 -- 甲 基 果 糖 因 此, 在 蔗 糖 分 子 中 葡 萄 糖 部 分 为 吡 喃 型 环, 而 果 糖 部 分 为 呋 喃 型 环 酶 水 解 和 X- 射 线 晶 体 分 析 结 果 表 明 蔗 糖 是 一 种 β- 果 糖 苷 总 之, 蔗 糖 是 一 分 子 吡 喃 型 环 状 葡 萄 糖 的 α- 苷 羟 基 与 一 分 子 呋 喃 型 环 状 果 糖 的 β- 苷 羟 基 脱 水 连 接 而 成 的 二 糖 ( 含 有 由 α-1,2- 苷 键 和 β-2,1- 苷 键 ), 其 构 象 如 下 : 蔗 糖 分 子 的 结 构 得 以 确 定, 它 的 全 合 成 工 作 于 1953 年 完 成 蔗 糖 在 人 体 内 经 蔗 糖 酶 作 用 水 解 为 能 被 人 体 消 化 吸 收 的 葡 萄 糖 和 果 糖 棉 子 糖 棉 子 糖 是 存 在 于 棉 籽 和 甜 菜 中 的 一 种 非 还 原 糖, 是 由 甜 菜 生 产 蔗 糖 过 程 中 得 到 的 一 种 副 产 品 它 们 的 分 子 式 为 它 经 酸 性 水 解 生 成 一 摩 尔 D- 葡 萄 糖 一 摩 尔 D- 半 乳 糖 和 一 摩 尔 D- 果 糖 棉 子 糖 用 α- 半 乳 糖 苷 酶 水 解 得 到 一 摩 尔 D- 半 乳 糖 和 一 摩 尔 蔗 糖 棉 子 糖 经 彻 底 甲 基 化 后, 再 水 解 得 到 1,3,4,6- 四 -- 甲 基 果 糖 2,3,4,6- 四 -- 甲 基 半 乳 糖 和 2,3,4- 三 -- 甲 基 葡 萄 糖 因 此 它 是 一 种 三 糖, 其 结 构 为 : 2 2 α-1,2- 苷 键 β-2,1- 苷 键 半 乳 糖 α-1,6- 苷 键 葡 萄 糖 2 2 果 糖 棉 子 糖 10.2 多 糖 多 糖 (polysaccharides) 是 许 多 单 糖 分 子 缩 合 而 成 的 高 聚 物, 几 乎 所 有 的 生 物 体 内 都 含 有 多 糖 同 低 聚 糖 一 样, 多 糖 也 是 由 单 糖 通 过 苷 键 连 结 起 来 的 因 此, 多 糖 在 酸 或 适 当 的 酶 作 用 下 也 能 水 解 彻 底 水 解 后 只 生 成 一 种 单 糖 的 多 糖 称 为 同 多 糖 (homosaccharide) 彻 底 水 解 后 生 成 几 种 单 糖 的 多 糖 称 为 杂 多 350

17 糖 (heterosaccharide) 自 然 界 中 存 在 的 多 糖 大 多 数 含 有 80~100 个 单 糖 结 构 单 位, 但 纤 维 素 中 平 均 含 有 3000 个 单 糖 的 结 构 单 位 多 糖 由 于 分 子 量 很 大, 其 物 理 性 质 与 单 糖 二 糖 完 全 不 同 多 糖 大 多 数 是 不 溶 于 水 的 非 晶 形 固 体, 也 无 甜 味 尽 管 多 糖 分 子 末 端 仍 有 苷 羟 基, 但 其 所 占 比 例 太 小 因 此, 多 糖 为 非 还 原 糖 许 多 多 糖 与 我 们 的 生 活 密 切 相 关, 如 纤 维 素 是 主 要 的 天 然 纺 织 原 料 和 许 多 动 物 的 主 要 天 然 食 物, 淀 粉 是 人 类 主 要 食 物 之 一 纤 维 素 纤 维 素 是 自 然 界 分 布 最 广 的 高 分 子 有 机 化 合 物, 它 是 植 物 细 胞 的 主 要 成 分, 在 植 物 中 所 起 的 作 用 与 动 物 的 骨 骼 相 似 木 材 含 纤 维 素 40~60%, 亚 麻 约 含 纤 维 素 80%, 棉 花 中 纤 维 素 的 含 量 在 90% 以 上 这 三 种 物 质 是 工 业 上 主 要 的 纤 维 素 原 料 纤 维 素 无 味, 不 溶 于 水, 不 能 还 原 Tollens 试 剂 和 Fehling 试 剂 在 酸 性 溶 液 中 它 完 全 水 解, 生 成 D-()- 葡 萄 糖 故 纤 维 素 是 D-()- 葡 萄 糖 的 同 多 糖 聚 合 体 纤 维 素 用 硫 酸 和 乙 酸 酐 处 理 得 到 八 -- 乙 酰 基 纤 维 二 糖 这 表 明 纤 维 素 是 由 许 多 葡 萄 糖 结 构 单 位 通 过 β-1,4- 苷 键 连 接 起 来 的 直 链 分 子 纤 维 素 的 分 子 量 随 来 源 而 异, 平 均 含 有 3000 个 葡 萄 糖 结 构 单 位 X- 射 线 研 究 证 明 纤 维 素 分 子 的 长 链 平 行 排 列, 由 于 氢 键 作 用 而 形 成 纤 维 素 束, 几 个 纤 维 束 绞 在 一 起 形 成 绳 索 状 的 结 构, 这 种 绳 索 状 结 构 再 排 列 起 来 形 成 肉 眼 所 见 的 纤 维 因 此, 纤 维 素 有 很 大 的 强 度 和 弹 性 牛 羊 和 马 等 食 草 动 物 的 消 化 道 中 孳 生 着 一 些 微 生 物, 这 些 微 生 物 分 泌 的 纤 维 素 酶 能 使 纤 维 素 水 解, 故 食 草 动 物 靠 吃 各 种 富 含 纤 维 素 的 植 物 茎 叶 根 等 生 存 人 体 中 没 有 能 使 纤 维 素 水 解 成 葡 萄 糖 的 酶, 因 此 人 不 能 以 纤 维 素 为 食 物 但 是, 人 吃 一 些 富 含 纤 维 素 的 食 物, 如 粗 粮 燕 麦 大 麦 水 果 蔬 菜 等 很 有 益 处 肠 子 因 果 胶 树 胶 木 质 等 纤 维 素 的 存 在 而 增 加 蠕 动, 而 且 纤 维 素 是 多 羟 基 亲 水 性 的 化 合 物, 它 吸 水 使 肠 子 保 持 湿 润 而 让 大 便 通 畅 并 有 助 于 食 物 的 消 化 和 吸 收 高 纤 维 植 物 带 走 胆 固 醇 的 代 谢 产 物 胆 固 酸, 使 胆 固 醇 在 体 内 的 沉 积 减 少 因 此, 膳 食 纤 维 ( 富 含 纤 维 素 的 食 物 ) 也 被 列 为 除 蛋 白 质 脂 肪 碳 水 化 合 物 维 生 素 无 机 盐 和 水 之 外 的 第 七 类 营 养 素, 是 其 他 营 养 素 无 法 代 替 的 重 要 物 质 纤 维 素 ( 如 木 材 麦 杆 竹 等 ) 大 量 用 于 造 纸 木 材 中 绳 索 状 的 纤 维 素 和 木 质 素 混 在 一 起 木 质 素 是 一 组 复 杂 的 芳 香 族 化 合 物 用 亚 硫 酸 钙 处 理 木 材 溶 解 掉 木 质 素, 得 到 较 纯 的 木 质 纤 维 素, 滤 纸 几 乎 就 是 纯 的 纤 维 素 纤 维 素 分 子 中 每 个 葡 萄 糖 结 构 单 元 含 有 三 个 游 离 的 羟 基, 可 以 将 这 些 羟 基 醚 化 酰 基 化 等 对 纤 维 素 改 性 来 制 备 许 多 有 用 的 纤 维 素 衍 生 物 纤 维 素 用 浓 硝 酸 / 浓 硫 酸 处 理 生 成 俗 称 硝 化 纤 维 的 硝 酸 纤 维 素 酯 硝 化 程 度 不 同, 产 物 的 性 质 和 用 途 也 不 同 如 硝 化 程 度 较 低, 含 氮 量 约 在 11% 左 右 的 为 有 易 燃 性 无 爆 炸 性 的 胶 棉, 可 用 作 制 塑 料 喷 漆 等 游 离 羟 基 都 被 硝 化 得 到 俗 称 为 硝 棉 的 无 烟 火 药, 有 爆 炸 性 [ () 3 ] n 3 [ ( 2 ) 3 ] n 2 S 4 纤 维 素 ( 如 棉 花 亚 麻 等 ) 也 大 量 用 于 纺 织 工 业 人 们 用 多 种 方 法 将 纤 维 素 改 性, 以 便 更 好 地 满 足 纺 织 工 业 的 需 要 例 如, 将 纤 维 素 先 用 碱 处 理 以 增 加 其 反 应 活 性, 而 后 与 二 硫 化 碳 反 应, 生 成 纤 维 素 黄 原 酸 钠 的 粘 胶, 将 该 粘 胶 通 过 细 孔 进 入 酸 水 浴 中, 它 被 分 解 凝 固 成 型 并 还 原 出 纤 维 素, 因 纤 维 素 黄 原 酸 钠 的 粘 度 很 大, 故 被 称 为 粘 胶 纤 维 或 人 造 棉, 这 是 一 种 人 造 丝 它 的 光 泽 好, 分 子 很 长, 可 制 成 长 丝 或 短 丝 用 于 纺 织 工 业 后 来, 改 用 1% 的 硫 酸 锌 为 凝 固 浴 液 使 粘 胶 纤 维 的 质 量 大 大 得 到 改 进 由 于 粘 胶 纤 维 能 以 木 材 的 纤 维 素 浆 粕 为 原 料, 来 源 丰 富, 得 到 的 纤 维 性 能 好, 在 合 成 纤 维 中 占 有 重 要 的 地 位 351

18 [ () 3 ] n a [ () 2 a] n a ns 2 672()2 Sa n S 3 [ () 3 ] n ns 2 将 纤 维 与 乙 酐 乙 酸 和 浓 硫 酸 反 应 后 部 分 水 解 得 到 二 乙 酸 纤 维 素 酯, 俗 称 醋 酸 纤 维 素, 它 可 溶 于 丙 酮, 制 成 的 胶 浆 可 制 作 安 全 型 胶 片 的 片 基 和 手 感 柔 软, 类 似 真 丝 的 人 造 丝 它 还 具 有 一 种 选 择 性 过 滤 能 力, 可 滤 出 香 烟 中 的 苯 酚 等 有 毒 物 质, 但 对 烟 碱 的 吸 收 却 很 低, 已 成 为 卷 烟 过 滤 嘴 的 制 造 材 料 [ () 3 ] n c-c 2 -c [ (c) 3 ] n 2 S 4 2 [ ()(c) 2 ] n 纤 维 素 用 氯 乙 酸 处 理 生 成 羧 甲 基 纤 维 素, 它 溶 于 水 中 成 粘 稠 液, 它 可 用 作 纺 织 工 业 的 上 浆 剂 粘 合 剂 石 油 工 业 中 的 泥 浆 稳 定 剂 造 纸 工 业 的 胶 料 及 合 成 洗 涤 剂 的 填 料 牙 膏 和 冰 淇 淋 的 稳 定 剂 等 a nl 2 2 [ () 3 ] n [ () 2 a] n [ () ] n 淀 粉 淀 粉 (starch) 是 植 物 的 主 要 能 量 储 备, 也 是 人 类 膳 食 中 碳 水 化 合 物 的 主 要 来 源 植 物 的 种 子 果 实 叶 块 茎 球 茎 中 都 含 有 不 同 分 量 的 淀 粉 谷 物 中 淀 粉 的 含 量 在 75% 以 上 淀 粉 为 粒 状 结 构, 在 冷 水 中 膨 胀, 干 燥 后 又 缩 为 粒 状, 工 业 上 利 用 这 一 性 质 来 分 离 淀 粉 淀 粉 由 直 链 淀 粉 和 支 链 淀 粉 两 部 分 组 成, 其 相 对 含 量 与 淀 粉 的 来 源 有 关 在 大 多 数 淀 粉 品 种 中 直 链 淀 粉 的 含 量 在 15-35% 之 间 可 以 利 用 多 种 方 法 分 离 直 链 淀 粉 和 支 链 淀 粉 并 得 到 单 一 纯 品, 其 中 较 为 常 用 的 如 分 步 沉 淀 法 即 利 用 在 相 同 温 度 下 不 同 浓 度 的 硫 酸 镁 水 溶 液 中 或 在 不 同 温 度 下 相 同 浓 度 的 硫 酸 镁 水 溶 液 中 两 种 淀 粉 的 沉 降 速 度 不 同 达 到 分 离 的 目 的 利 用 两 种 淀 粉 的 稳 定 性 和 凝 沉 性 差 异 也 可 达 到 分 离 目 的, 因 为 直 链 淀 粉 的 凝 沉 性 大, 易 于 形 成 晶 体 还 可 利 用 纤 维 素 柱 法 分 离, 支 链 淀 粉 不 易 被 棉 花 柱 吸 附 仍 存 在 溶 液 中 流 出 用 分 步 沉 淀 法 得 到 的 直 链 淀 粉 中 含 有 少 量 支 链 淀 粉 就 可 应 用 棉 花 吸 附 法 除 去 此 外, 将 淀 粉 悬 浮 在 水 中, 加 入 一 种 极 性 有 机 化 合 物, 如 百 里 酚 (2- 异 丙 基 -5- 甲 基 苯 酚 ), 直 链 淀 粉 与 其 生 成 络 合 物 而 沉 淀 出 来, 与 支 链 淀 粉 分 开 淀 粉 的 分 子 式 为 [6105]n, 水 解 时 可 生 成 分 子 量 较 低 的 多 葡 萄 糖 混 合 物 糊 精 (dextrin), 进 一 步 水 解 生 成 麦 芽 糖, 最 终 水 解 产 物 都 是 D-()- 葡 萄 糖 [ ] n [ ] x 淀 粉 糊 精 麦 芽 糖 D- 葡 萄 糖 淀 粉 在 淀 粉 酶 的 作 用 下 水 解 得 到 麦 芽 糖 因 此 淀 粉 可 以 看 成 麦 芽 糖 的 聚 合 物, 其 中 苷 键 为 α- 型 直 链 淀 粉 经 甲 基 化 和 水 解 后, 主 要 产 物 为 2,3,6- 三 -- 甲 基 葡 萄 糖, 说 明 直 链 淀 粉 是 由 D-()- 吡 喃 葡 萄 糖 通 过 α-1,4- 苷 键 结 合 而 成 的 长 链 分 子 同 时 水 解 还 得 到 极 少 量 ( 如 0.3%) 的 2,3,4,6- 四 -- 甲 基 葡 萄 糖, 后 者 来 源 于 链 上 无 还 原 性 的 一 端 因 此, 可 根 据 最 终 水 解 产 物 中 三 甲 基 葡 萄 糖 与 四 甲 基 葡 萄 糖 的 比 例 计 算 淀 粉 的 键 长 和 分 子 量 大 多 数 直 链 淀 粉 的 分 子 量 为 几 万 到 几 十 万 n 直 链 淀 粉 直 链 淀 粉 并 不 是 朝 一 个 方 向 伸 展 的 直 线 状 结 构, 而 是 盘 旋 成 螺 圈 状, 每 一 圈 螺 旋 约 有 6 个 葡 萄 糖 结 构 单 元 这 种 螺 圈 状 结 构 再 弯 折 起 来 形 成 看 似 不 甚 规 则 的 立 体 构 型 淀 粉 螺 圈 中 有 一 定 的 空 腔, 遇 碘 时, 碘 被 包 络 在 螺 旋 的 中 间 而 显 紫 色 这 个 显 色 反 应 常 用 于 检 验 淀 粉 的 存 在 和 碘 量 法 分 析 的 终 点 指 352

19 示, 反 应 迅 速 灵 敏 支 链 淀 粉 相 对 分 子 量 比 直 链 淀 粉 更 高, 可 达 几 百 万 之 多 支 链 淀 粉 经 彻 底 甲 基 化 和 水 解, 主 要 生 成 2,3,6- 三 -- 甲 基 -D- 葡 萄 糖, 并 生 成 约 4% 的 2,3,4,6- 四 -- 甲 基 -D- 葡 萄 糖, 说 明 链 长 比 直 链 淀 粉 短, 另 外 还 生 成 2,3- 二 -- 甲 基 -D- 葡 萄 糖, 说 明 在 6- 位 上 有 支 链 支 链 m 支 链 淀 粉 支 链 淀 粉 与 直 链 淀 粉 类 似, 葡 萄 糖 单 元 主 要 通 过 α-1,4- 苷 键 相 连, 与 直 链 淀 粉 不 同 的 是, 支 链 淀 粉 中, 每 隔 20~25 个 葡 萄 糖 单 元 就 有 一 条 以 α-1,6- 苷 键 相 连 的 支 链 人 及 动 物 吃 了 淀 粉 后, 在 体 内 的 α- 葡 萄 糖 苷 酶 催 化 下, 水 解 成 葡 萄 糖, 为 生 命 活 动 提 供 能 源 多 余 的 葡 萄 糖 则 在 体 内 的 酶 催 化 下 转 变 成 糖 元 ( 又 称 肝 糖 ) 糖 元 是 人 及 动 物 体 内 的 储 备 糖, 存 在 于 肝 及 肌 肉 中 糖 元 的 结 构 与 支 链 淀 粉 相 似, 但 支 链 更 多 更 短, 分 子 量 却 很 大 10.3 氨 基 酸 蛋 白 质 蛋 白 质 是 生 命 的 基 石, 生 命 活 动 的 基 本 特 征 就 是 蛋 白 质 不 断 自 我 更 新 的 过 程 细 胞 内 除 水 以 外, 其 余 80% 的 物 质 是 蛋 白 质 生 命 体 中 起 催 化 作 用 的 酶 起 免 疫 作 用 的 抗 体 起 调 节 作 用 的 激 素 等 都 是 蛋 白 质 整 个 生 物 界 有 几 百 万 种 不 同 的 蛋 白 质, 它 们 的 结 构 极 其 复 杂, 人 们 对 其 了 解 很 有 限 然 而, 研 究 表 明, 所 有 蛋 白 质 都 是 由 20 多 种 氨 基 酸 分 子 间 脱 水 通 过 酰 胺 键 ( 肽 键 ) 连 接 起 来 的 复 杂 高 聚 物 因 此 我 们 先 讨 论 氨 基 酸 氨 基 酸 氨 基 酸 的 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 称 为 氨 基 酸 (amino acid) 氨 基 酸 既 含 有 氨 基, 又 含 有 羧 基 根 据 氨 基 和 酸 基 的 相 对 位 置, 氨 基 酸 可 分 为 α- 氨 基 酸 β- 氨 基 酸 γ- 氨 基 酸 等 其 中 α- 氨 基 酸 在 自 然 界 中 存 在 最 广 它 们 是 构 成 蛋 白 质 分 子 的 基 础 β- 或 γ- 氨 基 酸 在 蛋 白 质 中 很 少 见 组 成 蛋 白 质 的 氨 基 酸 称 为 蛋 白 质 氨 基 酸 氨 基 酸 可 以 按 照 系 统 命 名 法 命 名, 即 以 羧 酸 为 母 体, 氨 基 为 取 代 基 来 命 名 但 α- 氨 基 酸 通 常 由 于 其 来 源 或 性 质 而 得 俗 名 例 如, 从 蚕 丝 中 得 到 的 α- 氨 基 -β- 羟 基 丙 酸 又 称 为 丝 氨 酸, 微 有 甜 味 的 α- 氨 基 乙 酸 又 称 为 甘 氨 酸 1975 年,IUP 对 20 多 种 常 见 的 α- 氨 基 酸 分 别 给 出 了 正 式 名 称 及 标 准 的 一 个 字 母 或 三 个 字 母 组 成 的 通 用 的 缩 写 符 号 ( 见 表 10.1) 这 些 缩 写 符 号 在 表 示 蛋 白 质 和 肽 链 结 构 时 被 广 泛 采 用 蛋 白 质 在 人 体 消 化 道 内 可 以 水 解 成 α- 氨 基 酸, 然 后 被 吸 收 人 类 所 需 要 的 氨 基 酸, 有 些 可 以 在 体 内 由 其 他 物 质 合 成 但 有 八 种 氨 基 酸 人 体 不 能 合 成, 必 需 通 过 进 食 摄 取 人 体 若 缺 少 了 这 八 种 氨 基 酸, 则 会 导 致 许 多 种 类 蛋 白 质 的 代 谢 和 合 成 失 去 平 衡 这 八 种 氨 基 酸 也 是 生 命 运 动 的 基 本 物 质 因 此, 这 八 种 氨 基 酸 叫 必 需 氨 基 酸 它 们 在 表 10.1 中 用 * 号 标 出 表 10.1 一 些 常 见 的 蛋 白 质 氨 基 酸 中 性 氨 基 酸 名 称 缩 写 构 造 式 等 电 点 PI 熔 点 ( ) 353

20 甘 氨 酸 glycine 丙 氨 酸 alanine 缬 氨 酸 valine * 亮 氨 酸 leucine 异 亮 氨 酸 isoleucine 丝 氨 酸 serine * 苏 氨 酸 threonine 半 胱 氨 酸 cystein 胱 氨 酸 cystine * 蛋 氨 酸 methionine * 苯 丙 氨 酸 phenylalanine ly, ( 分 解 ) 3 la, 3 3 Val, V ( 3 ) ( 分 解 ) 3 Leu, L ( 3 ) ( 分 解 ) 3 Ilu, I ( 2 5 )( 3 ) Ser, S ( 分 解 ) ( 分 解 ) ( 分 解 ) Thr, T ( 分 解 ) ys, S 2 ys-ys S 2 S Met, M 3 S 2 2 Phe, P 酪 氨 酸 tyrocine Tyr, Y 谷 氨 酰 胺 glutamine 脯 氨 酸 proline * 色 氨 酸 tryptophan 天 冬 酰 胺 asparagines 天 冬 氨 酸 aspatic acid 谷 氨 酸 glutamic acid ln, Q Pro, Try, P W 2-2 sn, 酸 性 氨 基 酸 sp, D 2 3 lu, E 碱 性 氨 基 酸

21 * 赖 氨 酸 lysine Lys, K 组 氨 酸 histidine is, * 羟 赖 氨 酸 hydroxylysine yl 精 氨 酸 arginine rg, ( 分 解 ) 氨 基 酸 分 子 中 的 氨 基 原 子 上 有 孤 电 子 对, 能 接 受 质 子 而 显 碱 性 ; 羧 基 能 提 供 质 子, 而 显 酸 性 氨 基 酸 分 子 中 可 以 有 多 个 氨 基 或 羧 基 氨 基 和 羧 基 数 目 相 同 的 氨 基 酸 近 于 中 性, 叫 中 性 氨 基 酸 ; 氨 基 数 目 多 于 羧 基 的 呈 碱 性, 叫 碱 性 氨 基 酸 ; 羧 基 数 目 多 于 氨 基 的 呈 现 酸 性, 叫 酸 性 氨 基 酸 氨 基 酸 的 性 质 由 蛋 白 质 水 解 所 得 的 α- 氨 基 酸, 除 甘 氨 酸 外, 都 具 有 旋 光 性 它 们 的 α- 碳 原 子 的 构 型 都 与 L- 甘 油 醛 相 同, 故 都 属 于 L 型 例 如 : L- 丝 氨 酸 L- 脯 氨 酸 L- 甘 油 醛 若 用 -S 标 记 法, 这 些 α- 碳 原 子 的 构 型 都 是 S 型 但 氨 基 酸 习 惯 于 以 俗 名 命 名, 故 常 用 D-L 标 记 法 标 记 其 构 型 α- 氨 基 酸 分 子 中 含 有 氨 基 和 羧 基 氨 基 和 羧 基 均 是 极 性 基 团, 故 α- 氨 基 酸 是 强 极 性 分 子, 且 分 子 间 形 成 氢 键, 故 有 较 高 的 熔 点, 但 多 数 在 熔 化 时 分 解 能 与 水 分 子 形 成 氢 键, 故 易 溶 于 水 而 难 溶 于 无 水 乙 醇 乙 醚 等 有 机 溶 剂 它 们 具 有 氨 基 和 羧 基 的 典 型 性 质 例 如 氨 基 酸 中 羧 基 的 典 型 反 应 主 要 有 酯 化 反 应 酰 胺 化 反 应 还 原 反 应 等 氨 基 的 典 型 反 应 有 烃 基 化 反 应 和 酰 基 化 反 应 此 外, 氨 基 酸 与 亚 硝 酸 在 室 温 下 迅 速 反 应 生 成 α- 羟 基 酸 并 放 出 氮 气 由 于 这 是 定 量 反 应, 故 可 根 据 生 成 2 的 量 计 算 出 氨 基 酸 中 伯 氨 基 的 数 目 氨 基 酸 与 甲 醛 反 应 生 成 二 羟 甲 基 氨 基 酸, 这 样 封 闭 了 氨 基, 可 以 用 强 碱 滴 定 氨 基 酸 中 羧 基 以 确 定 氨 基 酸 中 羧 基 数 目 或 溶 液 中 氨 基 酸 的 量, 此 法 称 为 甲 醛 滴 定 法 氨 基 酸 氧 化 脱 氨 生 成 酮 酸 在 生 物 体 内 蛋 白 质 水 解 为 氨 基 酸 的 分 解 代 谢 过 程 中 就 有 氧 化 脱 氨 这 一 重 要 的 生 理 现 象 氨 基 酸 与 α- 酮 酸 发 生 转 氨 反 应 生 成 新 的 氨 基 酸 和 新 的 α- 酮 酸, 后 者 分 解 为 醛 355

22 2 3, l ' 2, D ' 2 Lil F (') 2 2 ' ( 2 ) 或 酶 2 2 ' 2 3 ' 2 ' 2 2 氨 基 酸 中 的 氨 基 与 羧 基 还 相 互 影 响, 使 氨 基 酸 具 有 一 些 特 殊 性 质 1 酸 碱 性 : 氨 基 酸 既 含 有 氨 基 又 含 有 羧 基, 它 可 以 和 酸 反 应 生 成 盐, 也 可 以 和 碱 反 应 生 成 盐, 所 以 氨 基 酸 是 两 性 物 质 多 数 α- 氨 基 酸 含 有 一 个 氨 基 和 一 个 羧 基, 可 以 用 通 式 2 -- 表 示 但 实 际 上, 由 于 氨 基 显 碱 性, 能 接 受 质 子, 而 羧 基 显 酸 性, 能 提 供 质 子, 因 此, 氨 基 酸 中 氨 基 接 受 分 子 内 羧 基 的 质 子, 成 为 偶 极 离 子 : 3 这 种 偶 极 离 子 又 叫 内 盐 氨 基 酸 之 所 以 具 有 相 当 高 的 熔 点, 难 溶 于 有 机 溶 剂 等 等, 都 与 它 们 是 内 盐 因 而 具 有 盐 的 性 质 有 关 为 简 便 起 见, 常 用 非 离 子 形 式 2-- 表 示 氨 基 酸 氨 基 酸 的 偶 极 离 子 中 存 在 显 碱 性 的 羧 酸 根 负 离 子, 又 存 在 显 酸 性 的 铵 离 子, 故 在 水 溶 液 中, 既 可 以 作 为 碱 与 一 个 结 合 成 为 正 离 子, 又 可 以 作 为 酸 失 去 一 个 成 为 负 离 子 这 三 种 离 子 在 水 溶 液 中 互 相 转 换 而 同 时 存 在 356

23 负 离 子 偶 极 离 子 正 离 子 但 是, 每 个 氨 基 酸 分 子 中 羧 基 的 离 解 能 力 与 胺 基 接 受 质 子 的 能 力 并 不 相 等 因 此, 在 纯 水 溶 剂 中 氨 基 酸 的 三 种 离 子 形 式 的 量 并 不 相 等 但 通 过 调 节 溶 液 的 p 值, 可 以 使 氨 基 酸 的 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 将 溶 液 电 解, 主 要 以 偶 极 离 子 形 式 存 在 的 氨 基 酸 不 移 动 这 时 溶 液 的 p 值 叫 氨 基 酸 的 等 电 点 (isoelectric point, PI) 当 溶 液 的 p 值 大 于 氨 基 酸 的 等 电 点 时, 负 离 子 浓 度 增 大, 氨 基 酸 在 电 场 中 向 阳 极 移 动 反 之, 当 溶 液 的 p 值 小 于 等 电 点 时 氨 基 酸 在 电 场 中 向 阴 极 移 动 等 电 点 不 是 中 性 点 不 同 的 氨 基 酸 由 于 结 构 的 不 同, 等 电 点 也 不 同 氨 基 酸 中 - 3 提 供 质 子 的 能 力 略 大 于 - - 接 受 质 子 的 能 力 因 此 在 纯 水 溶 液 中, 中 性 氨 基 酸 呈 微 酸 性, 氨 基 酸 负 离 子 的 浓 度 比 正 离 子 的 浓 度 大 一 些 若 将 溶 液 的 p 值 调 到 等 电 点, 使 氨 基 酸 以 偶 极 离 子 形 式 存 在, 需 要 加 些 酸, 把 p 值 适 当 降 低 所 以 中 性 氨 基 酸 和 酸 性 氨 基 酸 的 等 电 点 都 小 于 7 中 性 氨 基 酸 的 等 电 点 为 5.6~6.3, 酸 性 氨 基 酸 的 等 电 点 为 2.8~3.2 显 然, 要 将 碱 性 氨 基 酸 的 水 溶 液 调 到 等 电 点, 需 要 加 适 量 的 碱 所 以 碱 性 氨 基 酸 的 等 电 点 都 大 于 7( 通 常 在 7.6~10.8) 常 见 氨 基 酸 的 等 电 点 ( 见 表 10.1) 氨 基 酸 在 等 电 点 时 溶 解 度 最 小 因 为 此 时 它 主 要 以 偶 极 离 子 形 式 存 在 因 此, 通 过 调 节 溶 液 的 p 值, 将 等 电 点 不 同 的 氨 基 酸 从 氨 基 酸 的 混 合 物 溶 液 中 分 离 出 来 氨 基 酸 是 两 性 化 合 物 因 此 中 性 氨 基 酸 的 盐 酸 盐 为 二 元 酸, 存 在 二 级 电 离 而 酸 性 及 碱 性 氨 基 酸 的 盐 酸 盐 存 在 三 级 电 离 例 如 甘 氨 酸 盐 酸 盐 的 二 级 电 离 如 下 : K K 1 = [ ][ ] [ ] K K 2 = [ ][ ] [ ] 当 用 强 碱 滴 定 甘 氨 酸 盐 酸 盐 溶 液 时 ( 见 图 10.1), 由 于 比 -3 的 酸 性 强 故 碱 首 先 从 2 上 接 受 质 子 当 碱 的 量 逐 渐 增 加 到 0.5mol 时,3 22 的 一 半 被 中 和, 此 时,[ ]=[3 22], 溶 液 的 p 值 等 于 pka1; 当 碱 的 量 增 加 到 1.0mol 时, 溶 液 中 甘 氨 酸 两 性 离 子 浓 度 [ ] 达 到 极 大 值, 即 为 等 电 点 碱 的 量 再 继 续 增 加, 则 碱 从 - 3 上 接 受 质 子, 当 碱 的 量 增 加 到 1.5mol 时, 的 一 半 被 中 和, 这 时,[ ]=[222 - ], 溶 液 的 p 值 等 于 pka2;pka2 代 表 的 是 铵 离 子 的 酸 性 强 度 当 碱 量 达 到 2.0mol 时, 甘 氨 酸 全 部 转 变 为 它 的 共 轭 碱 中 性 氨 基 酸 pka1 和 pka2 值 各 大 致 相 近, 其 PI 值 与 (pka1pka2)/2 相 等, 均 小 于 p pk a1 =2.3 PI= pk a2 = n(-)/mol 图 10.1 甘 氨 酸 盐 酸 盐 的 滴 定 曲 线 357

24 在 强 酸 性 溶 液 中, 碱 性 氨 基 酸 赖 氨 酸 的 两 个 氨 基 都 质 子 化, 生 成 赖 氨 酸 双 正 离 子, 当 溶 液 p 值 增 大 时, 依 羧 基 α- 铵 离 子 和 ε- 铵 离 子 次 序 失 去 质 子, 它 们 的 平 衡 为 : 3 ( 2 ) ( 2 ) ( 2 ) ( 2 ) 双 正 离 子 单 正 离 子 偶 极 离 子 负 离 子 其 PI 是 pka2 和 pka3 的 平 均 值 : PI= = 9.75 常 见 α- 氨 基 酸 的 pka 值 列 入 表 10.2 中 表 10.2 α- 氨 基 酸 的 溶 解 度 和 pka 值 α- 氨 基 酸 溶 解 度 (25 ) pka1 pka2 PKa3 (g/100ml, 2 ) 甘 氨 酸 丙 氨 酸 缬 氨 酸 亮 氨 酸 异 亮 氨 酸 蛋 氨 酸 脯 氨 酸 苯 丙 氨 酸 色 氨 酸 天 冬 酰 胺 谷 氨 酰 胺 丝 氨 酸 苏 氨 酸 很 大 天 冬 氨 酸 谷 氨 酸 酪 氨 酸 半 胱 氨 酸 赖 氨 酸 很 大 精 氨 酸 组 氨 酸 (2) 水 合 茚 三 酮 显 色 反 应 在 弱 酸 性 溶 液 中,α- 氨 基 酸 与 水 合 茚 三 酮 加 热 时, 即 可 进 行 反 应 生 成 一 般 为 蓝 紫 色 的 产 物 其 反 应 过 程 可 能 为 : 358

25 蓝 紫 色 此 反 应 很 灵 敏, 是 鉴 定 α- 氨 基 酸 最 为 迅 速 简 捷 的 定 性 及 定 量 分 析 方 法 对 反 应 后 蓝 紫 色 溶 液 在 570nm 强 吸 收 处 进 行 比 色 分 析, 其 强 度 与 氨 基 酸 的 浓 度 成 正 比 关 系 但 是, 脯 氨 酸 分 子 只 有 亚 胺 基, 与 水 合 茚 三 酮 反 应 呈 橙 色, 在 440nm 处 进 行 定 量 分 析 用 纸 层 析 分 离 氨 基 酸 时, 可 用 茚 三 酮 试 剂 喷 洒 显 色 来 检 验 氨 基 酸 (3) 消 除 反 应 氨 基 酸 受 热 后 发 生 消 除 反 应 消 除 方 法 以 生 成 较 稳 定 结 构 产 物 ( 如 五 六 元 环 共 轭 体 系 等 ) 为 主 一 般 α- 氨 基 酸 受 热 后, 能 在 两 分 子 之 间 发 生 脱 水 反 应, 生 成 较 稳 定 的 六 元 环 交 酰 胺 例 如 : 2 2 交 酰 胺 2 β- 氨 基 酸 受 热 后, 分 子 内 容 易 脱 去 一 分 子 氨, 生 成 α,β- 不 饱 和 羧 酸 例 如 : γ- 或 δ- 氨 基 酸 受 热 后, 容 易 分 子 内 脱 去 一 分 子 水 生 成 五 元 或 六 元 内 酰 胺 例 如 : 2 分 子 中 氨 基 和 羧 基 相 隔 更 远 的 氨 基 酸, 受 热 后 既 不 能 形 成 五 六 元 环, 又 不 能 形 成 共 轭 体 系, 故 发 生 多 分 子 间 脱 水, 生 成 聚 酰 胺 n 2 ( 2 ) x 2 ( 2 ) x ( 2 ) x n - 2 ( 2 ) x (n-1) 氨 基 酸 的 制 备 1 蛋 白 质 水 解 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 谱 法 离 子 交 换 法 等 等 ) 进 行 分 离, 即 可 分 别 得 到 各 种 氨 基 酸 这 是 制 备 氨 基 酸 及 研 究 蛋 白 质 组 成 的 重 要 方 法 (1) 酸 水 解 法 通 常 将 蛋 白 质 和 6 l 在 110 温 度 下 回 流 16~24 小 时 或 加 压 下 于 120 水 解 12 小 时 此 法 优 点 是 水 解 彻 底, 蛋 白 质 全 部 水 解 为 L- 氨 基 酸, 不 会 引 起 氨 基 酸 的 旋 光 异 构 作 用 缺 点 是 营 养 价 值 较 高 的 色 氨 酸 几 乎 全 部 破 坏 水 解 过 程 中 色 氨 酸 与 含 醛 基 化 合 物 ( 如 糖 ) 作 用 生 成 黑 色 物 质, 使 溶 液 呈 黑 色 此 外, 含 羟 基 的 丝 氨 酸 苏 氨 酸 酪 氨 酸 也 部 分 被 破 坏 (2) 碱 水 解 法 将 蛋 白 质 和 6 a 或 4 Ba()2 溶 液 煮 沸 6 小 时, 即 可 将 蛋 白 质 完 全 水 解 为 氨 359

26 基 酸 此 法 优 点 是 色 氨 酸 不 被 破 坏, 水 解 液 清 亮 缺 点 是 氨 基 酸 发 生 旋 光 异 构 作 用 水 解 产 物 为 L- 氨 基 酸 和 D- 氨 基 酸 而 D- 氨 基 酸 对 人 体 无 用 此 外, 丝 氨 酸 苏 氨 酸 精 氨 酸 胱 氨 酸 赖 氨 酸 等 大 部 分 被 破 坏, 放 出 2 和 2S 等 因 此, 此 法 一 般 很 少 用 (3) 蛋 白 酶 水 解 法 在 30~60, 溶 液 p 值 为 2~8 条 件 下, 蛋 白 质 在 蛋 白 酶 作 用 下 水 解 为 氨 基 酸 所 用 蛋 白 酶 通 常 为 胰 酶 制 品 胰 浆 微 生 物 蛋 白 酶 制 品 等 此 法 优 点 是 条 件 温 和, 氨 基 酸 不 被 破 坏, 也 不 发 生 消 旋 作 用 等 缺 点 是 水 解 时 间 较 长, 不 易 水 解 完 全, 中 间 产 物 ( 如 肽 类 等 ) 较 多 但 由 于 条 件 温 和 设 备 简 单, 此 法 广 泛 应 用 于 制 备 水 解 蛋 白 注 射 液 蛋 白 胨 皮 革 的 脱 毛 缫 丝 中 的 脱 胶 等 2 由 醛 制 备 醛 与 3 和 反 应 得 到 α- 氨 基 腈, 后 者 经 酸 或 碱 水 解 生 成 α- 氨 基 酸 此 法 称 为 Strecker α- 氨 基 酸 合 成 法 为 了 避 免 使 用, 可 将 醛 与 4l 和 K 水 溶 液 作 用, 然 后 水 解 得 到 α- 氨 基 酸 3 由 卤 代 羧 酸 氨 解 卤 代 酸 与 过 量 的 氨 作 用 生 成 氨 基 酸 这 也 是 制 备 氨 基 酸 的 好 方 法 例 如, 羧 酸 在 三 溴 化 磷 存 在 下 与 溴 作 用 生 成 α- 溴 代 酸, 后 者 与 过 量 的 氨 作 用, 即 可 生 成 α- 氨 基 酸 Br Br.T 氨 基 酸 的 氨 基 不 象 一 般 伯 胺 的 氨 基 那 样 容 易 进 一 步 烃 基 化 这 是 由 于 受 羧 基 的 影 响 使 其 碱 性 比 伯 胺 要 弱 的 缘 故 因 此, 多 烃 基 化 副 产 物 不 多 若 要 得 到 更 纯 的 氨 基 酸, 可 采 用 abriel 合 成 法 K K X 2 ' 2 ' ' 2 4 由 丙 二 酸 酯 制 备 先 将 丙 二 酸 酯 与 亚 硝 酸 反 应 生 成 亚 硝 基 丙 二 酸 酯, 后 者 重 排 为 肟 肟 在 乙 酸 酐 存 在 下 催 化 氢 化 生 成 乙 酰 氨 基 丙 二 酸 酯, 然 后, 在 碱 作 用 下 与 卤 代 烃 等 化 合 物 反 应, 最 后 水 解 脱 羧 得 到 氨 基 酸 例 如 : 2 ( 2 Et) 2 2 ( 2 Et) 2 ( 2 Et) 2 2 Pt 3 ( 2 Et) 2 2 ( 2 Et) 2 1)aEt 2) 3 3 Br aet aet c 2 3 ( 2 Et) 2 3 ( 2 Et) 2 Br 2 ( 3 ) 丝 氨 酸 缬 氨 酸 组 氨 酸 360

27 蛋 氨 酸 可 用 下 列 方 法 合 成 K 2 ( 2 5 ) 2 Br 2 l 4 Br( 2 5 ) 2 ( 2 5 ) 2 1) 2 5 a 2) 3 S 2 2 l ( 2 5 ) S S 2 2 () S 2 2 蛋 氨 酸 由 上 述 一 些 合 成 方 法 制 备 的 氨 基 酸, 都 是 外 消 旋 体 还 需 要 予 以 拆 分 目 前, 不 对 称 合 成 L-α- 氨 基 酸 的 工 作 已 取 得 较 大 的 进 展 和 成 功 氨 基 酸 的 拆 分 一 般 合 成 的 α- 氨 基 酸 为 外 消 旋 体, 需 要 将 其 拆 分 得 到 有 较 大 实 际 用 途 的 L-α- 氨 基 酸 常 用 的 拆 分 方 法 有 结 晶 法 和 酶 法 1 结 晶 法 将 外 消 旋 α- 氨 基 酸 酰 化 生 成 - 酰 基 -DL- 氨 基 酸, 后 者 与 一 种 旋 光 的 碱 作 用 生 成 互 为 非 对 映 异 构 体 的 两 种 盐 然 后 选 择 适 当 的 溶 剂 和 条 件, 可 以 使 其 中 一 种 盐 从 溶 液 中 结 晶 析 出 重 结 晶 提 纯 后, 加 酸 分 解 得 到 旋 光 的 - 酰 基 氨 基 酸 若 选 择 适 当 的 酰 基, 得 到 的 - 酰 基 -L-α- 氨 基 酸 可 直 接 用 于 多 肽 的 合 成 若 需 要 α- 氨 基 酸, 将 - 酰 基 氨 基 酸 水 解 例 如 : DL- 丙 氨 酸 3 苯 甲 酸 酐 - 苯 甲 酰 基 -DL- 丙 氨 酸 1) 马 钱 子 碱 2) 分 离 1) -, 2 - 苯 甲 酰 基 -L- 丙 氨 酸 L- 丙 氨 酸 2) 3 - 苯 甲 酰 基 -L- 丙 氨 酸 的 马 钱 子 碱 盐 多 数 情 况 下, 用 (-)- 麻 黄 碱 拆 分 - 苄 氧 羰 基 -DL- 氨 基 酸 但 是, 上 述 方 法 不 适 合 拆 分 酪 氨 酸 色 氨 酸 及 谷 氨 酸 赖 氨 酸 组 氨 酸 等 碱 性 氨 基 酸 可 用 樟 脑 磺 酸 直 接 拆 分, 不 需 先 进 行 酰 化 2 酶 法 将 外 消 旋 α- 氨 基 酸 酰 化 或 酯 化 为 其 衍 生 物 在 酶 作 用 下, 只 有 L- 氨 基 酸 衍 生 物 被 分 解 成 游 离 的 氨 基 酸, 然 后 用 溶 剂 提 取 法 或 离 子 交 换 层 析 法 把 L-α- 氨 基 酸 分 离 出 来 通 常 将 外 消 旋 氨 基 酸 转 变 为 - 乙 酰 基 或 - 氯 乙 酰 基 衍 生 物, 在 酰 基 转 移 酶 ( 由 哺 乳 动 物 的 肾 脏 中 提 取 得 到 ) 的 作 用 下,- 酰 基 -L- 氨 基 酸 分 解 成 游 离 的 L-α- 氨 基 酸, 然 后 分 离 提 纯 α- 氨 基 酸 广 泛 用 于 食 品 医 药 及 饲 料 等 工 业 中,L- 谷 氨 酸 单 钠 盐 ( 味 精 ) 大 量 用 作 调 味 品 L- 天 冬 氨 酸 钠 甘 氨 酸 钠 丙 氨 酸 钠 等 也 可 增 强 食 品 鲜 味 常 在 食 品 及 饲 料 中 加 入 一 些 必 需 氨 基 酸, 可 增 强 营 养 效 果 由 氨 基 酸 配 制 的 输 液 常 用 来 补 充 外 科 手 术 前 后 病 人 的 营 养 不 少 氨 基 酸 及 其 衍 生 物 有 药 理 作 用 多 肽 一 分 子 α- 氨 基 酸 的 羧 基 与 另 一 分 子 α- 氨 基 酸 的 氨 基 之 间 脱 水 形 成 的 酰 胺 键 称 为 肽 键 (peptide linkage), 生 成 的 产 物 称 为 肽 (peptide) ' ' ' 由 二 分 子 α- 氨 基 酸 形 成 的 肽 称 为 二 肽, 由 多 个 α- 氨 基 酸 形 成 的 肽 称 为 多 肽 (polypeptide) 361

28 在 肽 链 中, 有 氨 基 的 一 端 叫 做 端 ; 有 羧 基 的 一 端 叫 做 端 在 写 多 肽 结 构 时, 通 常 把 端 写 在 左 边, 端 写 在 右 边 命 名 时 从 端 开 始, 称 为 某 氨 酰 ( 基 ) 某 氨 酸 为 书 写 简 便 起 见, 也 常 用 缩 写 符 号 来 表 示 例 如 : 丙 氨 酰 甘 氨 酸, 丙 - 甘, 丙 甘 丙 苯 丙 甘 丝 la - ly, la ly la Phe ly Ser 天 然 多 肽 都 是 由 不 同 的 氨 基 酸 组 成 的 相 对 分 子 质 量 一 般 在 以 下 有 些 多 肽 在 生 物 体 内 起 着 很 重 要 的 作 用 例 如, 存 在 于 血 浆 中, 与 调 节 血 压 有 关 的 舒 缓 激 肽 是 一 个 九 肽 能 使 子 宫 收 缩 的 垂 体 后 叶 催 产 素 也 是 一 个 九 肽 在 它 的 分 子 中, 氨 基 酸 单 元 之 间 除 以 肽 键 相 连 外, 还 有 一 个 二 硫 键 (-S -S-) la - Pro - Pro - ly - Phe - Ser - Pro - Phe - rg 舒 缓 激 肽 (bradykinin) S ys - Tyr - Ile - ln - sn - ys - Pro - Leu - ly 催 产 素 (oxytocin) 自 然 界 中 多 肽 有 重 要 的 生 理 功 能 多 肽 能 作 为 激 素 如 胰 岛 素 血 小 板 活 化 因 子, 也 可 以 作 为 神 经 调 节 剂 如 脑 啡 肽 神 经 生 长 因 子 胰 酶 分 泌 肽 等, 这 些 多 肽 能 结 合 于 特 定 的 受 体 并 刺 激 酶 的 活 化 和 合 成 有 的 多 肽 也 是 生 物 调 节 剂, 可 以 促 进 前 列 腺 素 甲 状 腺 素 糖 蛋 白 等 的 释 放, 因 此, 某 些 多 肽 可 用 于 治 疗 一 些 疾 病 在 细 胞 内, 多 肽 是 由 比 较 大 的 多 肽 经 一 系 列 酶 催 化 的 降 解 反 应 而 产 生 的 目 前, 基 因 工 程 是 一 个 合 成 多 肽 化 合 物 的 重 要 手 段, 但 对 于 肽 键 长 度 小 于 20 个 氨 基 酸 的 多 肽, 则 常 常 通 过 化 学 方 法 合 成 在 海 洋 生 物 微 生 物 及 植 物 代 谢 产 物 中 存 在 一 类 天 然 环 肽 化 合 物 这 些 环 肽 分 子 骨 架 较 为 刚 性, 且 含 有 非 蛋 白 氨 基 酸 环 肽 化 合 物 具 有 空 腔, 可 以 作 为 离 子 载 体 将 钠 钾 钙 等 金 属 离 子 透 过 细 胞 膜, 有 的 具 有 抗 病 毒 抗 菌 抗 肿 瘤 及 免 疫 调 节 活 性 等 生 理 作 用 环 肽 由 于 具 有 相 对 固 定 的 环 状 构 象 还 为 研 究 蛋 白 质 的 结 构 分 子 识 别 主 客 体 相 互 作 用 等 提 供 了 极 好 的 分 子 模 型 多 肽 两 端 有 氨 基 和 羧 基, 故 也 是 两 性 离 子, 其 性 质 在 很 多 方 面 类 似 于 氨 基 酸 例 如, 多 肽 也 有 等 电 点, 且 在 等 电 点 时 溶 解 度 最 小 氨 基 酸 和 多 肽 都 可 以 用 离 子 交 换 层 析 法 分 离 蛋 白 质 也 是 由 许 多 氨 基 酸 单 元 通 过 肽 键 组 成 的 多 肽 与 蛋 白 质 之 间 无 明 显 的 界 限, 一 种 区 分 方 法 是 以 能 透 过 一 种 天 然 渗 析 膜 的 定 为 多 肽 的 上 限, 相 当 于 相 对 分 子 质 量 为 左 右, 约 含 100 个 氨 基 酸 单 元 蛋 白 质 的 相 对 分 子 质 量 更 高, 所 含 氨 基 酸 单 元 在 100 以 上, 结 构 也 更 复 杂 蛋 白 质 部 分 水 解 可 以 得 到 多 肽, 所 以 对 多 肽 的 结 构 进 行 研 究, 是 了 解 蛋 白 质 结 构 的 一 个 重 要 步 骤 研 究 多 肽 的 结 构, 不 仅 要 使 它 们 降 解, 以 便 分 析 鉴 定, 然 后 推 测 其 结 构, 还 要 合 成 它 们 多 肽 结 构 的 测 定 结 合 的 要 了 解 一 个 多 肽 的 结 构, 必 须 了 解 它 是 由 哪 些 氨 基 酸 组 成 的, 这 些 氨 基 酸 又 是 按 照 怎 样 的 次 序 相 首 先 用 超 离 心 法 渗 透 法 和 X- 射 线 衍 射 法 测 定 多 肽 的 分 子 量, 然 后 测 定 多 肽 的 组 成 一 般 是 将 多 肽 和 6 l 在 120 加 热 进 行 水 解 得 到 游 离 的 氨 基 酸 ( 水 解 过 程 中 部 分 色 氨 酸 分 解 ), 再 用 纸 层 析 分 离, 用 茚 三 酮 显 色 法 与 已 知 氨 基 酸 比 较, 鉴 别 组 成 多 肽 的 氨 基 酸 种 类, 并 通 过 比 色 法 测 定 各 种 氨 基 酸 的 相 对 含 量, 确 定 组 成 多 肽 的 各 种 氨 基 酸 的 数 目 现 在 可 用 氨 基 酸 自 动 分 析 仪 测 定 多 肽 的 组 成, 方 便 迅 速, 且 样 品 用 量 很 少 ( 微 克 数 量 级 ) 最 后 测 定 这 些 氨 基 酸 在 多 肽 分 子 中 的 排 列 次 序, 主 要 是 通 过 末 端 分 析 的 方 法, 并 配 合 部 分 水 解 法 用 适 当 的 化 学 方 法, 可 以 使 多 肽 链 末 端 的 氨 基 酸 断 裂 下 来, 经 过 分 析, 就 可 以 知 道 多 肽 链 的 两 端 是 哪 两 个 氨 基 酸, 这 叫 做 末 端 分 析 法 末 端 分 析 法 可 分 为 - 端 和 - 端 两 种 分 析 方 法 可 利 用 末 端 这 两 个 氨 基 酸 的 游 离 官 能 团 和 专 门 的 标 记 化 合 物 反 应, 再 经 水 解 后 来 加 以 鉴 定,- 端 分 析 法 可 将 多 肽 与 2,4- 二 硝 基 氟 苯 (DEB) 作 用 生 成 - 端 带 有 2,4- 二 硝 基 氟 苯 的 肽 (DP), 水 解 后 只 有 - 端 这 个 氨 基 酸 带 有 该 取 代 基 团, 易 与 其 它 氨 基 酸 分 离, 而 且 各 种 带 有 DFB 的 氨 基 酸 都 是 黄 色 的, 362 S

29 容 易 通 过 层 析 比 较 比 移 值 f 确 定 肽 中 - 端 的 氨 基 酸 2 ' 2 ' 2 F 2 -F 2 DFB DP l 无 荧 光 的 丹 酰 氯 (5- 二 甲 基 萘 -1- 磺 酰 氯 ) 也 是 一 种 标 记 - 端 的 化 合 物 它 与 肽 的 - 端 游 离 氨 基 反 应, 生 成 的 取 代 多 肽 水 解 后 得 到 能 发 荧 光 的 - 丹 酰 氨 基 酸, 可 以 用 纸 层 析 或 薄 板 层 析 法 鉴 定 : ( 3 ) 2 2 S 2 l ' ( 3 ) 2 S 2 ' l ( 3 ) 2 S 另 一 种 标 记 - 端 的 化 合 物 是 异 硫 氰 酸 苯 酯, 它 和 多 肽 - 端 的 氨 基 反 应 生 成 苯 胺 基 硫 代 甲 酸 衍 生 物 后 者 在 无 水 氯 化 氢 作 用 下 发 生 关 环 作 用, 形 成 取 代 二 氢 噻 唑 酮 衍 生 物 而 从 肽 链 上 断 裂 下 来 取 代 二 氢 噻 唑 酮 在 酸 性 条 件 下 重 排 为 取 代 苯 基 乙 内 酰 硫 脲, 后 者 经 分 离 后 用 色 谱 或 质 谱 方 法 鉴 定 失 去 了 - 端 的 肽 键 回 收 后 再 重 复 进 行 - 端 氨 基 酸 的 标 记 和 鉴 别, 一 步 步 重 复 末 端 分 析 可 以 分 析 整 个 肽 链 应 用 这 个 原 理 设 计 成 功 的 自 动 分 析 仪 已 能 精 确 测 定 由 多 达 60 个 氨 基 酸 以 下 组 成 的 多 肽 结 构, 这 被 称 为 Edman 降 解 法 ' Ph S S 2 ' Ph Ph S S - 2 ' Ph l 取 代 二 氢 噻 唑 酮 取 代 苯 基 乙 内 酰 硫 脲 - 端 分 析 法 一 般 是 在 羧 肽 酶 作 用 下, 多 肽 水 解 的 方 法 在 水 解 过 程 中, 只 有 - 端 的 那 个 肽 键 水 解 由 于 此 类 水 解 反 应 能 从 - 端 开 始, 依 次 逐 步 断 裂 系 列 肽 键 测 定 时 从 酶 的 水 解 液 中 定 时 取 样 分 析, 根 据 各 种 氨 基 酸 出 现 的 先 后 次 序 分 析 出 多 肽 中 氨 基 酸 从 - 端 起 排 列 的 顺 序, 但 肽 链 超 过 六 七 个 以 上 时 可 靠 性 就 开 始 降 低 ' 2 羧 肽 酶 ' 端 分 析 的 另 一 种 方 法 是 将 无 水 肼 和 多 肽 在 105 加 热 一 段 时 间, 不 在 - 端 的 氨 基 酸 都 形 成 相 应 的 肼 化 物 ( 因 酰 胺 基 与 肼 反 应, 而 羧 基 不 与 肼 反 应 ), 继 续 反 应 成 不 溶 于 水 的 苯 腙 衍 生 物 被 除 去, 而 - 端 氨 基 酸 游 离 出 来, 进 行 鉴 定 363

30 ' ' 通 过 多 步 末 端 分 析, 就 可 以 确 定 多 肽 链 中 氨 基 酸 的 连 接 次 序 但 是, 对 于 较 长 的 肽 链 来 说, 要 完 全 靠 末 端 分 析 的 方 法 法 确 定 所 有 氨 基 酸 的 连 接 次 序 有 困 难, 所 以 一 般 还 要 结 合 使 用 部 分 水 解 的 方 法, 即 先 将 多 肽 部 分 水 解 成 较 短 的 肽 链, 然 后 对 这 些 较 小 的 多 肽 进 行 末 端 分 析, 最 后 推 断 出 原 多 肽 分 子 中 各 种 氨 基 酸 的 排 列 次 序 部 分 水 解 法 常 用 消 化 道 中 分 泌 产 生 的 酶 来 催 化 水 解 许 多 蛋 白 质 水 解 酶 通 常 只 能 水 解 一 定 类 型 的 肽 键, 即 它 们 都 是 高 度 专 一 性 的, 利 用 不 同 的 蛋 白 质 水 解 酶 可 以 断 裂 不 同 的 肽 键 如 胰 蛋 白 酶 可 以 水 解 赖 氨 酸 或 精 氨 酸 的 羧 基 形 成 的 肽 键, 因 此 用 它 催 化 水 解 某 一 多 肽, 得 到 的 肽 键 中 - 端 将 是 赖 氨 酸 或 精 氨 酸 糜 蛋 白 酶 则 专 一 水 解 由 芳 香 氨 基 酸 如 苯 丙 氨 酸 酪 氨 酸 色 氨 酸 的 羧 基 形 成 的 肽 链 而 胃 蛋 白 酶 的 选 择 性 较 差, 可 水 解 苯 丙 氨 酸 色 氨 酸 赖 氨 酸 谷 氨 酸 精 氨 酸 的 羧 基 形 成 的 肽 键 除 了 应 用 各 种 有 专 一 活 性 的 酶 以 外, 利 用 溴 化 氰 水 解 法 也 可 断 裂 由 蛋 氨 酸 羧 基 形 成 的 肽 键 2 2 S 3 Br - 3 S S 3 结 合 部 分 水 解 和 端 基 分 析 方 法, 就 能 确 定 整 个 肽 链 中 氨 基 酸 排 列 的 次 序 如, 一 个 多 肽 经 完 全 水 解 鉴 定 后 得 知 含 有 酪 赖 精 亮 丙 蛋 谷 和 甘 氨 酸 8 种 氨 基 酸, 并 且 其 中 甘 氨 酸 有 二 个, 其 余 氨 基 酸 为 一 个 因 此 这 是 一 个 九 肽 分 子 它 分 别 与 DFB 和 羧 肽 酶 的 反 应 显 示 - 端 是 酪 氨 酸,- 端 是 甘 氨 酸 ; 然 后 用 胰 蛋 白 酶 降 解, 得 到 两 个 二 肽 和 一 个 五 肽, 它 们 分 别 与 DFB 作 用 后 得 知 二 肽 组 成 为 酪 - 赖 和 丙 - 甘, 五 肽 结 构 为 谷 - 蛋 - 亮 - 甘 - 精 ; 用 溴 化 氰 水 解 得 到 一 个 酪 - 赖 - 谷 - 蛋 四 肽 和 一 个 亮 - 甘 - 精 - 丙 - 甘 五 肽 由 此 可 知, 这 个 九 肽 是 酪 - 赖 - 谷 - 蛋 - 亮 - 甘 - 精 - 丙 - 甘 所 利 用 的 蛋 白 质 水 解 酶, 种 类 和 数 量 很 有 限, 且 价 高 难 得 经 过 长 期 努 力, 人 们 利 用 单 克 隆 抗 体 催 化 肽 键 水 解 及 化 学 选 择 性 切 割 断 裂 肽 键 的 研 究 已 取 得 了 不 少 进 展 一 些 无 机 和 有 机 化 合 物, 如 1- 氰 基 -4- 二 甲 基 氨 基 吡 啶 鎓 盐 2- 硝 基 -5- 硫 代 氰 酸 苯 甲 酸 盐 和 某 些 羟 胺 化 合 物 等 等 都 已 被 用 于 断 裂 肽 键 由 于 过 渡 金 属 配 合 物 的 种 类 和 结 构 的 多 样 性, 将 它 们 ( 如 Fe u o i Pt Pd 等 配 合 物 ) 作 为 金 属 水 解 酶 的 模 型 加 以 研 究 并 用 于 肽 键 的 选 择 性 切 割 也 取 得 了 突 破 性 进 展 多 肽 的 合 成 许 多 天 然 多 肽 具 有 十 分 重 要 的 生 理 作 用 为 研 究 天 然 多 肽 和 蛋 白 质 的 结 构, 必 需 对 有 关 多 肽 进 行 结 构 测 定 而 推 测 出 来 的 结 构 是 否 完 全 正 确, 需 要 通 过 多 肽 的 合 成 加 以 证 实 并 且, 由 于 多 肽 与 蛋 白 质 有 着 密 切 关 系, 进 行 多 肽 的 合 成 对 探 索 蛋 白 质 结 构 及 其 合 成 有 重 要 意 义 要 合 成 一 种 与 天 然 多 肽 相 同 的 化 合 物, 必 须 把 有 关 的 有 旋 光 的 氨 基 酸 按 一 定 的 次 序 连 接 而 成 一 定 长 度 的 肽 链 这 需 解 决 好 两 个 问 题 一 个 是 将 形 成 肽 链 的 羧 基 或 氨 基 活 化, 使 之 在 温 和 的 条 件 下 就 能 够 反 应 另 一 个 是 将 暂 不 形 成 肽 链 的 氨 基 和 羧 基 保 护 起 来 不 干 扰 形 成 肽 键 的 反 应, 待 形 成 肽 键 的 反 应 完 成 后 再 定 量 地 去 掉 保 护 基, 同 时 还 不 影 响 分 子 中 的 其 他 部 分 特 别 是 已 形 成 的 肽 链 此 外 还 要 注 意 氨 基 酸 侧 链 上 的 官 能 团 在 成 肽 前 后 不 受 影 响, 天 然 多 肽 中 的 氨 基 酸 除 甘 氨 酸 外 都 是 有 光 学 活 性 的, 任 何 一 步 发 生 外 消 旋 化 副 作 用 的 反 应 会 给 分 离 提 纯 带 来 很 大 困 难 羧 基 常 通 过 生 成 酯 ( 如 甲 酯 乙 酯 苄 酯 等 ) 加 以 保 护 因 为 酯 比 酰 胺 容 易 水 解, 用 碱 性 水 解 的 方 法, 就 可 以 把 保 护 基 团 除 去 此 外, 苄 酯 还 可 用 氢 解 方 法 除 去 保 护 基 团, 叔 丁 酯 可 用 温 和 酸 性 水 解 方 法 除 去 保 护 基 团 常 用 的 保 护 氨 基 的 方 法 是 将 氨 基 转 化 为 酰 胺 一 般 的 酰 胺 键 较 难 断 裂, 以 致 除 去 保 护 基 的 过 程 会 影 响 肽 键 ( 也 是 酰 胺 键 ) 故 需 选 择 特 殊 结 构 的 羰 基 化 合 物 保 护 氨 基 常 将 氨 基 酸 与 氯 甲 酸 苄 酯 在 碱 性 溶 液 中 反 应, 生 成 - 苄 氧 羰 基 氨 基 酸 后 者 可 以 由 催 化 氢 解 或 在 醋 酸 中 用 冷 Br 水 解 方 法 除 去 保 护 基, 且 不 影 响 肽 键 364

31 Ph 2 l 2 2 1)a, 2 2) 3 Ph 2 2 Ph Pd/ 苄 氧 羰 基 (benzoxycarbonyl) 常 用 Z- 或 bz- 表 示 Ph 也 可 将 氨 基 酸 与 氯 甲 酸 叔 丁 酯 反 应 生 成 - 叔 丁 氧 羰 基 氨 基 酸 用 叔 丁 氧 羰 基 (t-butoxycarbonyl, 简 写 为 B-) 保 护 的 氨 基 酸 和 多 肽 在 无 水 条 件 下 用 F32 处 理 除 去 保 护 基, 不 影 响 肽 键 氨 基 酸 侧 链 上 的 巯 基 羟 基 的 保 护 方 法 通 常 是 将 其 转 化 为 苄 硫 醚 苄 基 醚 它 们 分 别 用 a/3 和 氢 解 的 方 法 除 去 苄 基 保 护 基 两 个 分 别 保 护 过 氨 基 和 羧 基 的 氨 基 酸 还 不 容 易 直 接 反 应 通 常 先 将 一 个 氨 基 酸 的 羧 基 活 化 然 后 与 另 一 个 氨 基 酸 的 氨 基 缩 合 为 肽 键 可 将 羧 基 转 化 为 酯 或 酸 酐 来 活 化 羧 基 但 一 般 不 宜 将 羧 基 转 化 为 酰 氯, 因 酰 氯 活 性 太 大, 易 产 生 其 它 副 反 应 应 用 最 广 泛 且 最 有 效 的 方 法 是 利 用 高 效 专 一 的 缩 合 剂 或 脱 水 剂 如 二 环 己 基 碳 二 亚 胺 ( 简 写 为 DI 或 D) 它 使 羧 基 和 氨 基 在 常 温 下 反 应 形 成 肽 键, 产 率 很 高, 且 中 间 产 物 无 需 分 离 DI 的 作 用 是 活 化 羧 基, 有 利 于 氨 基 加 成, 且 易 以 中 性 分 子 脲 离 去, 有 利 于 加 成 物 消 除 形 成 肽 键 例 如 苯 丙 氨 酸 的 羧 基 与 甘 氨 酸 的 氨 基 缩 合 形 成 肽 键 经 过 下 列 系 列 反 应 : l ), 2 2) ) ) DI Pd/ , DI 参 与 的 反 应 过 程 为 : ' 2 ' ' ' 365

32 多 肽 的 合 成 是 一 项 复 杂 的 工 作 合 成 多 肽 时 往 往 先 制 备 几 种 较 小 的 肽, 再 进 行 偶 联, 常 常 需 要 几 十 甚 至 几 百 步 反 应, 总 产 率 极 低 20 世 纪 50 年 代,Vigneaud V du 合 成 八 肽 催 产 素 的 成 功 是 多 肽 领 域 中 划 时 代 的 成 就, 他 为 此 而 获 得 1955 年 度 的 诺 贝 尔 化 学 奖 Sanger F. 经 过 10 年 努 力, 测 定 出 了 牛 胰 岛 素 的 一 级 结 构, 为 此 荣 获 1958 年 度 诺 贝 尔 化 学 奖 1965 年 我 国 化 学 家 们 首 次 合 成 了 具 有 生 理 活 性 的 结 晶 牛 胰 岛 素, 于 1971 年 又 完 成 了 猪 胰 岛 素 晶 体 结 构 的 测 定 牛 胰 岛 素 和 猪 岛 胰 素 都 是 51 肽 2 2 S S 2 2 天 冬 21 链 : 甘 1- 异 亮 2- 缬 3- 谷 4- 谷 5- 半 胱 6- 半 胱 7- 丙 8- 丝 9- 缬 10- 半 胱 11- 丝 12- 亮 13- 酪 14- 谷 15- 亮 16- 谷 17- 天 冬 18- 酪 19- 半 胱 20 2 S S S S B 链 : 苯 丙 1- 缬 2 - 天 冬 3- 谷 4- 组 5- 亮 6- 半 胱 7 - 甘 8- 丝 9- 组 10- 亮 11- 缬 12 - 谷 13 - 丙 14 - 亮 15 - 酪 16 - 亮 17- 缬 18- 半 胱 19 2 丙 30- 赖 29- 脯 28- 苏 27- 酪 26- 苯 丙 25- 苯 丙 24- 甘 23- 精 22- 谷 21 - 甘 20 图 10.2 结 晶 牛 胰 岛 素 的 结 构 上 述 合 成 肽 的 方 法 是 在 溶 液 中 进 行 的, 每 步 反 应 产 物 都 要 分 离 提 纯, 不 仅 消 耗 大 量 溶 剂, 而 且 费 时, 产 率 也 大 为 降 低 20 世 纪 60 年 代,Merrifield. B. 发 明 的 多 肽 固 相 合 成 法 主 要 是 在 不 溶 性 的 由 苯 乙 烯 和 对 苯 二 乙 烯 共 聚 树 脂 (P) 的 表 面 上 进 行 反 应 此 方 法 以 快 速 简 便 的 操 作 和 较 高 的 产 率 显 示 了 其 优 越 性 和 新 颖 性 首 先 在 树 脂 上 引 入 活 性 基 团, 即 将 树 脂 进 行 部 分 氯 甲 基 化 ( 每 10 个 苯 基 中 约 1 个 苯 基 连 一 个 氯 甲 基 ), 然 后 与 一 个 氨 基 酸 反 应 生 成 苄 酯 并 接 在 树 脂 上, 该 树 脂 和 氨 基 已 用 B 基 团 保 护 过 的 另 一 种 氨 基 酸 在 D 存 在 下 振 荡 反 应, 生 成 一 个 仍 挂 在 树 脂 上 的 氨 基 被 保 护 的 二 肽, 用 三 氟 乙 酸 或 c/l 去 掉 B 基 团 得 到 端 连 接 在 树 脂 上, 端 有 游 离 氨 基 的 二 肽, 如 前 重 复 操 作 直 到 得 到 所 需 的 多 肽, 最 后 用 氢 溴 酸 和 三 氟 乙 酸 处 理, 使 肽 链 与 树 脂 脱 离 树 脂 也 恢 复 为 溴 甲 基 化 树 脂, 可 以 继 续 用 于 固 相 合 成 固 相 多 肽 合 成 的 方 法 已 经 应 用 于 自 动 化 仪 器 中, 使 合 成 速 度 大 大 加 快, 过 去 几 年 时 间 才 能 完 成 的 工 作 在 仪 器 上 进 行 只 要 十 几 天 就 可 以 了 Merrifield 也 因 其 出 色 的 多 肽 固 相 合 成 工 作 而 获 1984 年 诺 贝 尔 奖 P 2 l 2 Boc P ' F l 2 DI Boc a P 2 2 ' 2 P 2 2 Boc F l 2 P 2 2 ' Boc 重 复 如 上 步 骤 P 2 2 ' 多 肽 2 Br, F 3 2 P 2 Br 2 ' 多 肽 2 固 相 合 成 法 在 最 后 一 步 反 应 完 成 后 才 能 进 行 提 纯, 由 于 每 步 反 应 产 率 不 大 可 能 达 到 100%, 故 得 到 的 多 肽 中 会 混 有 缺 少 一 个 或 多 个 氨 基 酸 的 杂 质 肽, 这 给 提 纯 工 作 带 来 很 大 困 难 如 Merrifield 合 成 一 个 由 124 个 氨 基 酸 组 成 的 多 肽 核 糖 核 酸 酶, 包 括 369 步 反 应,10000 多 步 操 作, 每 步 反 应 的 平 均 产 率 高 达 90% 以 上, 只 用 6 个 星 期 就 完 成 了 全 合 成 工 作, 总 产 率 达 17%, 但 最 终 的 提 纯 工 作 却 花 了 4 个 多 月 时 间 才 得 以 完 成 蛋 白 质 蛋 白 质 是 一 类 很 重 要 的 天 然 有 机 物 它 是 生 物 体 内 一 切 组 织 的 基 础 物 质, 并 在 生 命 现 象 和 生 命 过 程 中 起 着 决 定 性 的 作 用, 没 有 蛋 白 质 就 没 有 生 命 通 常 将 分 子 量 较 大 结 构 较 复 杂 的 多 肽 称 为 蛋 白 质 (protein) 据 估 计, 生 物 界 蛋 白 质 的 数 量 在 ~10 12 数 量 级, 而 目 前 已 弄 清 结 构 的 蛋 白 质 只 有 几 千 种 因 此, 生 命 的 奥 秘 仍 需 继 续 探 讨 366

33 蛋 白 质 的 结 构 和 分 类 蛋 白 质 一 般 由 S 等 元 素 组 成, 有 些 还 含 有 P Fe I 等 其 它 元 素 它 们 基 本 上 是 由 数 百 个 甚 至 上 千 个 氨 基 酸 所 构 成 按 其 组 成, 蛋 白 质 可 分 为 单 纯 蛋 白 质 和 结 合 蛋 白 质 两 大 类 单 纯 蛋 白 质 只 由 氨 基 酸 组 成 蛋 白 中 的 卵 白 蛋 白 血 清 中 的 血 清 球 蛋 白 大 米 中 的 米 精 蛋 白 大 麦 中 的 麦 胶 蛋 白 生 丝 中 的 丝 蛋 白 等 等, 都 是 单 纯 蛋 白 质 结 合 蛋 白 质 由 单 纯 蛋 白 质 和 非 蛋 白 质 物 质 ( 如 糖 脂 肪 色 素 含 磷 化 合 物 含 铁 化 合 物 等 ) 组 成 细 胞 中 的 核 蛋 白 ( 由 蛋 白 质 与 核 酸 结 合 而 成 ) 唾 液 中 的 粘 蛋 白 ( 由 蛋 白 质 与 糖 类 结 合 而 成 ) 肌 肉 中 的 脂 蛋 白 ( 由 蛋 白 质 与 脂 肪 结 合 而 成 ) 血 液 中 的 血 红 蛋 白 ( 由 蛋 白 质 和 血 红 素 结 合 而 成 ) 等 等, 都 是 结 合 蛋 白 质 结 合 蛋 白 质 中 的 非 蛋 白 质 部 分, 叫 做 辅 基 按 溶 解 性 能, 蛋 白 质 可 分 为 不 溶 于 水 的 纤 维 状 蛋 白 质 和 能 溶 于 水 的 球 状 蛋 白 质 两 大 类 纤 维 状 蛋 白 质 的 分 子 形 状 是 一 条 条 线 状 的, 分 子 的 多 肽 链 扭 在 一 起 或 平 行 并 列, 且 以 氢 键 互 相 联 结 着 纤 维 状 蛋 白 质 ( 又 称 结 构 蛋 白 ) 组 成 生 物 体 的 皮 肤 毛 发 羽 毛 角 骨 骼 及 结 构 组 织 等, 起 到 支 撑 和 保 护 作 用 例 如 角 蛋 白 质 骨 胶 蛋 白 质 肌 蛋 白 质 等 都 是 纤 维 状 蛋 白 质 球 状 蛋 白 质 的 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 力 相 互 作 用 着 分 子 的 疏 水 基 团 ( 如 烃 基 等 ) 分 布 在 球 形 内 部, 而 亲 水 基 团 ( 如 S - 等 ) 分 布 在 球 形 表 层 因 而 球 蛋 白 质 的 水 溶 性 比 较 大 但 由 于 蛋 白 质 分 子 很 大, 蛋 白 质 的 溶 液 实 际 上 是 胶 体 溶 液 例 如 酶 血 红 蛋 白 等 都 是 球 状 蛋 白 质 按 其 功 能, 蛋 白 质 可 分 为 起 组 织 结 构 作 用 的 非 活 性 蛋 白 质 和 在 生 命 运 动 中 起 生 理 作 用 的 活 性 蛋 白 质 两 大 类 前 者 例 如, 角 蛋 白 组 成 皮 肤 毛 发 指 甲 头 角 ; 骨 胶 蛋 白 组 成 腱 骨 ; 肌 球 蛋 白 组 成 肌 肉 等 等 后 者 按 生 理 功 能 分 为 起 催 化 作 用 的 酶 起 免 疫 作 用 的 抗 体 起 调 节 作 用 的 激 素 等 等 蛋 白 质 的 结 构 非 常 复 杂 不 仅 蛋 白 质 的 多 肽 链 中 α- 氨 基 酸 有 一 定 的 排 列 次 序, 而 且 蛋 白 质 有 复 杂 的 空 间 结 构 蛋 白 质 的 多 肽 链 中 α- 氨 基 酸 的 组 成 和 排 列 次 序 是 蛋 白 质 的 一 级 结 构 (primary structure) 长 肽 链 中 邻 近 基 团 之 间 氢 键 作 用, 使 肽 链 按 一 定 规 律 螺 旋 状 卷 曲 或 折 叠 形 成 特 定 的 空 间 结 构, 这 是 蛋 白 质 的 二 级 结 构 (secondary structure) 由 于 长 肽 链 中 基 团 之 间 的 次 级 作 用 ( 如 带 相 反 电 荷 之 间 的 相 互 吸 引 形 成 的 盐 键, 相 同 性 质 的 疏 水 基 团 之 间 形 成 疏 水 键, 两 个 半 胱 氨 酸 之 间 形 成 的 二 硫 键, 邻 近 侧 链 之 间 的 范 德 华 力 氢 键 等 ) 具 有 二 级 结 构 的 蛋 白 质 进 一 步 盘 曲 折 叠 形 成 热 力 学 上 更 稳 定 的 空 间 构 象, 这 是 蛋 白 质 的 三 级 结 构 (tertiary structure) 二 级 结 构 和 三 级 结 构 都 是 蛋 白 质 中 肽 链 的 特 有 结 构 许 多 蛋 白 质 是 由 两 条 或 多 条 肽 链 组 成 的 肽 链 之 间 的 次 级 作 用 使 这 些 肽 链 聚 集 而 形 成 蛋 白 质 的 四 级 结 构 (quaternary structure) 在 蛋 白 质 的 二 级 结 构 中, 肽 键 中 的 四 个 原 子 及 其 相 邻 的 两 个 碳 原 子 都 处 于 同 一 个 平 面 上, 肽 键 中 键 因 具 有 部 分 双 键 性 质 不 能 自 由 旋 转, 与 键 相 连 的 氧 和 氢 原 子 互 处 反 式 位 置, 在 一 个 伸 展 的 呈 锯 齿 形 排 列 的 肽 键 上, 与 羰 基 和 氨 基 相 连 的 两 个 α- 碳 原 子 各 在 一 边, 基 团 也 沿 肽 链 呈 反 式 排 列, 互 为 反 位 ( 见 图 10.3) 但 与 肽 键 原 子 相 连 的 两 个 基 团 是 可 以 自 由 旋 转 的, 因 此 肽 链 有 各 种 构 象 异 构 体 肽 链 因 肽 键 的 双 键 性 质 有 一 定 的 刚 性, 而 α- 碳 上 的 单 键 的 自 由 旋 转 又 使 肽 链 有 一 定 程 度 的 柔 顺 性 如 纤 维 蛋 白 通 过 氢 键 而 固 定 成 一 个 右 手 螺 旋 状 的 空 间 结 构, 每 圈 约 含 3.6 个 氨 基 酸 单 位, 圈 间 距 离 约 为 0.54nm, 螺 旋 上 升 时, 每 个 氨 基 酸 残 基 沿 轴 转 动 100, 并 平 均 向 上 0.15nm, 基 指 向 螺 旋 外 面, 相 邻 的 螺 圈 之 间 形 成 螺 内 氢 键, 其 取 向 几 乎 与 中 心 轴 平 行, 这 样 的 结 构 被 称 为 α- 螺 旋 该 结 构 允 许 所 有 的 肽 键 都 能 参 与 链 内 氢 键 的 形 成, 故 α- 螺 旋 是 较 稳 定 的 构 象 若 氨 基 酸 侧 链 太 大 或 带 有 电 荷 和 极 性 基 团, 则 由 于 空 间 和 电 荷 效 应, 螺 旋 不 稳 定 并 失 去 规 律 性, 以 致 肽 链 呈 另 一 种 空 间 构 象, 即 β- 折 叠, 这 是 氢 键 作 用 的 结 果 α- 螺 旋 和 β- 折 叠 是 肽 链 在 蛋 白 质 中 的 两 个 重 复 结 构 367

34 α - 螺 旋 β- 折 叠 图 10.3 肽 链 中 相 邻 两 个 肽 键 之 间 的 关 系,α- 螺 旋 和 β- 折 叠 羊 毛 中 的 α- 角 蛋 白 大 部 分 是 α- 螺 旋 结 构 羊 毛 纤 维 拉 伸 时,α- 螺 旋 区 域 内 的 氢 键 受 到 破 坏, 由 于 二 硫 键 的 限 制, 拉 伸 有 一 定 限 度, 除 去 外 力 后 氢 键 重 新 形 成, 纤 维 又 恢 复 原 状 在 蚕 丝 中 丝 心 蛋 白 是 主 要 成 分, 其 中 80% 是 甘 - 丝 - 甘 - 丙 - 甘 - 丙 链 段 的 重 复, 几 乎 完 全 为 β- 折 叠 结 构, 这 使 蚕 丝 不 能 拉 伸 这 二 者 之 所 以 有 不 同 的 物 理 性 质 是 由 于 它 们 的 二 级 结 构 不 同, 而 二 级 结 构 又 是 由 一 级 结 构 所 决 定 的 大 多 数 蛋 白 质 不 是 单 一 地 以 一 种 二 级 结 构 形 式 存 在 如, 聚 -L- 赖 氨 酸 侧 链 上 的 氨 基 在 p 为 2 时, 以 α- 螺 旋 结 构 存 在, 在 中 性 条 件 下 侧 链 上 的 羧 基 失 去 质 子 成 为 负 离 子, 负 电 荷 之 间 的 排 斥 使 α- 螺 旋 解 体 而 成 为 无 规 则 线 团 的 二 级 结 构 三 级 结 构 对 蛋 白 质 的 性 质 和 生 理 功 能 产 生 很 大 影 响 如 在 球 蛋 白 中, 折 叠 结 构 使 之 尽 可 能 将 疏 水 基 团 包 在 多 肽 链 内 以 保 持 一 定 的 几 何 构 型, 并 排 斥 水 分 子 的 进 入 而 亲 水 基 团 暴 露 在 外, 可 以 和 极 性 溶 剂 形 成 氢 键 因 此, 球 蛋 白 可 以 在 水 中 形 成 水 溶 性 胶 体 由 肌 红 蛋 白 和 血 红 素 结 合 而 成 的 肌 红 蛋 白 质 由 153 个 氨 基 酸 组 成, 有 七 个 区 域 基 本 上 是 α- 螺 旋 的 二 级 结 构, 肽 链 进 一 步 盘 曲 折 叠 形 成 一 个 近 乎 球 状 的 疏 水 囊 袋, 囊 袋 中 有 一 个 组 氨 酸, 囊 袋 的 空 间 构 象 正 好 和 血 红 素 分 子 匹 配, 这 个 血 红 素 分 子 中 与 卟 啉 配 位 的 亚 铁 离 子 又 正 好 可 以 和 组 氨 酸 咪 唑 环 上 的 氮 原 子 配 位 形 成 第 五 根 轴 向 配 位 键 血 红 素 中 的 亚 铁 离 子 有 六 个 配 位 位 置, 故 还 可 以 和 氧 分 子 配 位, 使 肌 红 蛋 白 质 有 储 氧 功 用 许 多 蛋 白 质 分 子 是 由 两 条 或 多 条 肽 链 聚 集 而 形 成 蛋 白 质 的 四 级 结 构 例 如 磷 酸 化 酶 就 是 由 两 条 相 同 的 多 肽 链 组 成 的, 只 有 两 条 肽 链 聚 集 在 一 起 才 有 催 化 作 用 近 似 椭 球 状 的 血 红 蛋 白 由 四 个 相 当 于 肌 红 蛋 白 三 级 结 构 形 状 的 亚 基 组 成, 其 中 两 条 是 α- 链, 两 条 是 β- 链, 每 条 肽 链 就 是 一 个 亚 基, 单 独 的 亚 基 大 多 是 没 有 生 物 活 性 的, 而 具 有 完 整 的 四 级 结 构 的 蛋 白 质 分 子 将 具 有 特 定 的 生 理 活 性 Kendrew J.. 和 Perutz M. F. 因 对 血 红 蛋 白 球 蛋 白 和 纤 维 蛋 白 等 的 结 构 研 究 所 取 得 的 出 色 成 果, 而 荣 获 1962 年 诺 贝 尔 化 学 奖 20 世 纪 80 年 代 以 后, 培 养 蛋 白 质 晶 体 的 技 术 和 测 定 效 率 迅 速 提 高 具 有 强 光 源 的 同 步 衍 射 及 检 测 计 算 设 备 不 断 更 新,X- 射 线 单 晶 衍 射 法 是 测 定 生 物 大 分 子 三 维 结 构 的 主 要 有 力 手 段 二 维 M 方 法 也 已 用 于 测 定 较 小 的 蛋 白 质 分 子 在 溶 液 中 的 构 象 由 于 一 级 结 构 中 也 包 含 着 高 级 结 构 的 信 息, 探 索 368

35 两 者 之 间 的 内 在 关 系 以 及 从 一 级 结 构 出 发 结 合 同 源 蛋 白 的 已 知 结 构 从 而 推 断 预 测 高 级 结 构 的 工 作 已 有 不 少 进 展 蛋 白 质 的 性 质 蛋 白 质 是 由 α- 氨 基 酸 组 成 的 蛋 白 质 中 在 肽 链 末 端 仍 有 氨 基 和 羧 基, 且 链 任 有 氨 基 和 羧 基, 且 链 中 还 有 氨 基 酸 的 一 些 侧 链 特 征 基 团 因 此 它 和 氨 基 酸 有 部 分 相 似 的 物 理 化 学 性 质, 但 由 于 蛋 白 质 是 高 聚 物, 且 存 在 复 杂 的 空 间 结 构, 这 些 结 构 上 的 特 殊 性, 导 致 它 又 有 一 些 特 性 1 两 性 和 等 电 点 蛋 白 质 分 子 两 端 仍 有 氨 基 和 羧 基, 侧 链 也 还 有 可 能 存 在 各 种 基 团 因 此, 蛋 白 质 分 子 的 电 离 情 况 比 氨 基 酸 复 杂 得 多 但 是, 由 于 分 子 中 存 在 碱 性 基 团 和 酸 性 基 团, 故 它 也 是 两 性 化 合 物, 与 酸 或 碱 都 能 生 成 盐, 也 有 等 电 点 在 等 电 点 时, 蛋 白 质 所 带 净 电 荷 为 零, 成 为 两 性 离 子 不 同 蛋 白 质 等 电 点 不 同, 例 如 白 明 胶 的 等 电 点 为 4.8, 卵 清 蛋 白 为 4.9, 酪 蛋 白 为 4.6, 胰 岛 素 为 5.3, 血 红 蛋 白 为 6.8 而 在 同 一 p 值 的 溶 液 中, 不 同 的 蛋 白 质 分 子 的 大 小 和 所 带 电 荷 性 质 数 量 也 不 相 同, 故 在 电 场 中 移 动 的 速 度 也 不 一 样, 利 用 这 种 性 质 发 展 起 来 的 电 泳 分 析 方 法 就 可 以 将 各 种 蛋 白 质 分 离 分 析 2 胶 体 性 质 蛋 白 质 分 子 颗 粒 的 大 小 正 在 胶 体 的 大 小 范 围 (1~100µm) 以 内, 故 蛋 白 质 溶 液 具 有 胶 体 溶 液 的 性 质 蛋 白 质 颗 粒 表 面 有 许 多 亲 水 基 团, 能 与 水 形 成 氢 键, 故 对 水 有 很 强 的 亲 合 力 ( 见 图 10.4) 碱 酸 碱 酸 带 正 电 荷 的 蛋 白 质 颗 粒 等 电 点 的 蛋 白 质 颗 粒 带 负 电 荷 的 蛋 白 质 颗 粒 图 10.4 蛋 白 质 亲 水 胶 体 示 意 图 ( 外 圈 为 水 化 膜 ) 在 水 溶 液 中, 每 个 蛋 白 质 颗 粒 的 外 层 可 以 和 水 形 成 水 化 膜, 这 层 水 化 膜 的 存 在 会 阻 止 蛋 白 质 颗 粒 的 凝 聚 沉 淀, 且 同 种 蛋 白 质 颗 粒 表 面 都 带 有 同 种 电 荷, 它 们 也 会 相 互 排 斥 阻 止 蛋 白 质 颗 粒 凝 聚 这 两 种 因 素 使 蛋 白 质 能 形 成 稳 定 的 胶 体 溶 液 当 这 两 种 稳 定 因 素 消 失 时, 如 加 入 脱 水 剂 和 调 节 p 值, 胶 体 结 构 受 到 破 坏, 蛋 白 质 就 会 凝 聚 成 块, 利 用 这 个 性 质 也 可 以 分 离 提 纯 蛋 白 质 蛋 白 质 是 高 聚 物, 一 般 不 能 透 过 半 透 膜, 故 可 利 用 半 透 膜 分 离 纯 化 蛋 白 质, 这 种 方 法 叫 透 析 人 体 的 细 胞 都 具 有 半 透 膜 性 质, 使 不 同 的 蛋 白 质 合 理 地 分 布 在 细 胞 内 外 不 同 的 部 位 分 别 发 挥 作 用, 这 对 维 持 正 常 的 电 解 质 和 水 的 平 衡 分 布 及 调 节 各 类 物 质 的 代 谢 作 用 均 具 有 重 要 的 意 义 3 变 性 作 用 当 在 加 热 加 压 超 声 光 照 辐 射 震 荡 搅 拌 干 燥 脱 水 或 强 酸 强 碱 重 金 属 盐 脲 及 有 机 溶 剂 乙 醇 丙 酮 等 作 用 下, 蛋 白 质 中 的 氢 键 疏 水 键 盐 键 等 受 到 不 同 程 度 的 破 坏, 规 则 缔 合 的 肽 链 松 展 开 来, 它 的 规 则 有 序 的 多 级 空 间 结 构 不 复 存 在 因 此 蛋 白 质 的 物 理 化 学 性 质 都 发 生 改 变, 且 往 往 失 去 生 理 活 性, 即 产 生 了 蛋 白 质 的 变 性 作 用 在 变 性 的 早 期 阶 段, 蛋 白 质 的 三 级 和 四 级 结 构 受 到 一 定 程 度 的 破 坏, 变 性 作 用 是 可 逆 进 行 的, 如 血 红 蛋 白 在 低 浓 度 的 水 杨 酸 钠 溶 液 中 变 性, 除 去 水 杨 酸 钠 后 其 天 然 性 质 仍 得 以 恢 复 但 变 性 过 度, 蛋 白 质 分 子 的 二 级 和 三 级 结 构 都 彻 底 破 坏 后, 蛋 白 质 将 不 能 再 恢 复 到 其 原 有 的 结 构, 这 样 的 变 性 是 不 可 逆 的 变 性 后 的 蛋 白 质 最 显 著 的 特 点 是 溶 解 度 降 低 粘 度 增 加 和 难 以 结 晶, 且 蛋 白 质 原 有 的 生 理 活 性 完 全 丧 失, 但 更 易 被 蛋 白 酶 催 化 水 解 蛋 白 质 的 变 性 和 人 类 的 生 活 生 产 活 动 密 切 相 关 如, 种 子 要 在 适 当 的 环 境 下 保 存 以 避 免 其 变 性 而 失 去 发 芽 能 力 ; 疫 苗 制 剂 免 疫 血 清 等 蛋 白 质 产 品 在 储 存 运 输 和 使 用 过 程 中 也 要 注 意 防 止 变 性 ; 延 迟 和 制 止 人 体 中 蛋 白 质 变 性 也 是 保 持 青 春 防 止 衰 老 的 一 个 有 效 过 程 另 一 方 面 我 们 又 可 以 注 入 酒 精 和 加 热 辐 照 等 手 段 使 病 菌 和 病 毒 的 蛋 白 质 变 性 而 起 到 治 病 消 毒 和 灭 菌 等 作 用 煮 熟 变 性 后 的 蛋 白 质 更 易 被 人 体 吸 收 酸 奶 是 牛 奶 经 发 酵 而 成, 其 所 含 的 蛋 白 质 变 性 后 也 比 鲜 牛 奶 更 易 消 化 吸 收, 营 养 价 值 也 更 高 4 沉 淀 蛋 白 质 能 形 成 稳 定 的 胶 体 溶 液, 不 易 析 出 但 在 某 些 因 素 作 用 下, 蛋 白 质 能 从 溶 液 中 析 出, 这 种 现 象 称 为 蛋 白 质 的 沉 淀 沉 淀 出 的 蛋 白 质 有 些 是 变 性 的, 有 些 并 未 变 性 使 蛋 白 质 沉 淀 的 主 要 方 法 有 369

36 下 面 几 种 (1) 盐 析 往 蛋 白 质 水 溶 液 中 加 入 氯 化 钠 等 中 性 电 解 质, 使 蛋 白 质 颗 粒 表 面 的 电 荷 被 中 和, 以 致 蛋 白 质 颗 粒 凝 聚 沉 淀, 这 称 为 盐 析 效 应 如 果 盐 析 时 溶 液 的 p 值 正 好 在 蛋 白 质 的 等 电 点 PI, 其 盐 析 效 果 更 佳, 沉 淀 出 的 蛋 白 质 一 般 不 会 变 性 (2) 加 热 加 热 既 能 破 坏 蛋 白 质 颗 粒 表 面 水 化 膜, 又 能 破 坏 蛋 白 质 分 子 内 氢 键, 使 蛋 白 质 规 整 的 空 间 结 构 受 到 破 坏, 使 蛋 白 质 变 性 凝 固 沉 淀 出 来, 如 加 热 灭 菌 就 是 使 细 菌 体 内 的 蛋 白 质 凝 固 而 失 去 生 理 活 性 (3) 加 脱 水 剂 往 蛋 白 质 溶 液 中 加 入 丙 酮 甲 醇 和 乙 醇 等 亲 水 性 强 的 有 机 溶 剂, 蛋 白 质 胶 体 颗 粒 表 面 的 水 化 膜 消 失 及 溶 剂 进 入 链 空 隙 引 起 溶 胀 作 用 使 氢 键 和 分 子 间 力 受 到 破 坏 使 蛋 白 质 沉 淀 出 来 在 这 个 过 程 中 还 往 往 引 起 蛋 白 质 变 性 如 75% 的 乙 醇 有 很 强 的 灭 菌 作 用 (4) 加 试 剂 磷 钨 酸 鞣 酸 磺 酰 水 杨 酸 三 氯 乙 酸 和 苦 味 酸 等 试 剂 与 蛋 白 质 结 合 后 生 成 不 溶 性 的 盐, 使 蛋 白 质 沉 淀 出 来 g 2 g u 2 等 重 金 属 离 子 也 会 和 蛋 白 质 结 合 生 成 沉 淀, 此 时 蛋 白 质 往 往 也 发 生 变 性 作 用 利 用 这 种 性 质 在 临 床 上 可 救 治 重 金 属 盐 中 毒 的 病 人, 其 方 法 是 给 他 们 口 服 生 鸡 蛋 和 生 牛 奶, 使 其 和 重 金 属 离 子 结 合 成 不 溶 性 的 蛋 白 质, 然 后 在 催 吐 剂 作 用 下 将 它 们 呕 出 达 到 解 毒 的 效 果 (5) 颜 色 反 应 蛋 白 质 能 发 生 多 种 颜 色 反 应 这 些 颜 色 反 应 可 用 来 鉴 别 蛋 白 质 蛋 白 质 溶 液 也 与 茚 三 酮 发 生 颜 色 反 应 这 可 用 于 它 的 定 性 和 定 量 分 析 碱 性 蛋 白 质 溶 液 中 滴 加 硫 酸 铜 稀 溶 液, 铜 离 子 与 四 个 肽 键 上 的 氮 原 子 形 成 紫 红 色 的 配 位 络 合 物, 肽 键 越 多, 颜 色 越 深, 因 为 双 缩 脲 在 碱 性 溶 液 中 和 0.5%uS4 溶 液 反 应 产 生 紫 红 色, 故 蛋 白 质 的 这 个 呈 色 反 应 又 称 为 蛋 白 质 的 双 缩 脲 反 应 u 双 缩 脲 含 有 苯 环 的 蛋 白 质 遇 到 硝 酸, 在 苯 环 上 发 生 硝 化 反 应, 呈 黄 色, 这 被 称 为 蛋 白 黄 反 应 做 实 验 时 皮 肤 不 慎 溅 上 硝 酸 会 留 下 黄 色 的 痕 迹 就 是 蛋 白 黄 反 应 的 结 果 蛋 白 质 的 生 理 功 能 和 合 成 组 成 一 个 蛋 白 质 的 氨 基 酸 种 类 数 量 及 它 们 的 排 列 顺 序 和 空 间 构 象 都 是 一 定 的 任 何 方 面 的 微 小 变 化 都 会 引 起 蛋 白 质 性 质 特 别 是 生 理 功 能 的 变 化 许 多 遗 传 性 疾 病 的 致 病 原 因 就 是 某 个 蛋 白 质 中 的 某 个 氨 基 酸 发 生 改 变 所 造 成 的 生 物 体 系 中 某 些 蛋 白 质 的 一 级 结 构 上 的 差 别 和 物 种 进 化 有 密 切 关 系 在 血 红 蛋 白 的 一 条 β- 链 上 的 146 个 氨 基 酸 中, 人 与 马 有 26 处 不 同, 与 猪 有 10 处 不 同, 而 与 大 猩 猩 只 有 1 处 差 别 对 人 体 而 言 蛋 白 质 的 营 养 价 值, 一 是 维 持 组 织 细 胞 的 生 长 更 新 和 修 复, 二 是 氧 化 供 给 热 能 但 食 进 的 蛋 白 质 不 会 百 分 之 百 被 消 化 吸 收 消 化 的 程 度 大 小 用 消 化 率 来 表 示 不 同 蛋 白 质 的 消 化 率 既 与 其 结 构 有 关, 也 与 加 工 和 烹 饪 有 关 煮 熟 的 黄 豆, 其 消 化 率 为 65%, 磨 成 豆 浆 后 可 达 85%, 豆 浆 中 的 蛋 白 变 性 凝 固 后, 制 成 的 豆 腐 豆 腐 干 等 的 消 化 率 可 达 95% 利 用 微 生 物 可 以 进 行 人 造 蛋 白 质 的 工 业 化 生 产 某 些 酵 母 菌 能 在 纯 石 蜡 和 粗 汽 油 等 烃 类 底 物 上 生 长 发 酵 每 一 吨 链 烷 和 0.11 吨 氨 在 500kg 酵 母 菌 上 一 昼 夜 可 以 得 到 1.2 吨 左 右 的 干 酵 母, 比 动 物 植 物 产 生 蛋 白 质 的 速 度 还 快 将 其 脱 油 脱 色 脱 脂 后 其 蛋 白 质 含 量 可 达 60%, 且 含 有 维 生 素 和 氨 基 酸 糖 等 营 养 物 质, 可 供 动 物 和 人 类 食 用 近 年 来, 随 着 高 效 液 相 色 谱 (PL) 毛 细 管 电 泳 质 谱 和 核 磁 共 振 技 术 的 发 展, 多 肽 化 合 物 和 蛋 白 质 的 分 离 和 鉴 定 有 了 更 精 密 有 效 的 手 段, 多 肽 合 成 方 法 也 日 趋 高 效 和 多 样 化 在 Merrifield 经 典 固 370

37 相 方 法 的 基 础 上 又 相 继 出 现 液 相 多 肽 合 成 法, 从 逐 步 缩 合 方 法 改 进 为 片 段 缩 合, 即 所 谓 的 收 敛 固 相 方 法 以 及 多 重 肽 合 成 方 法 等 等 已 研 究 开 发 出 一 批 有 实 际 应 用 价 值 的 多 肽 药 物 此 外, 人 们 还 根 据 蛋 白 质 结 构 与 功 能 的 关 系, 设 计 与 天 然 蛋 白 质 没 有 同 源 性 的 序 列, 合 成 并 测 定 其 结 构 与 功 能, 再 不 断 验 证 修 改, 最 终 创 造 出 具 有 所 希 望 功 能 的 自 然 界 不 存 在 的 全 新 蛋 白 质 合 成 方 法 也 已 经 开 始 受 到 人 们 的 重 视 和 应 用 酶 在 生 物 体 内 的 各 种 酶 (enzyme)( 除 催 化 性 核 酸 外 ) 都 是 蛋 白 质 虽 然 酶 在 生 物 体 内 的 存 在 量 很 少, 但 生 物 体 内 的 一 切 生 物 化 学 反 应, 几 乎 都 在 酶 的 催 化 下 进 行 的, 故 常 把 酶 叫 做 生 物 催 化 剂 酶 的 种 类 很 多, 常 按 其 所 催 化 的 反 应 类 型 分 为 六 大 类 : 水 解 酶 氧 化 还 原 酶 转 移 酶 裂 解 酶 异 构 酶 和 合 成 酶 且 每 一 大 类 又 可 按 其 所 能 作 用 的 物 质 分 为 若 干 小 类, 如 水 解 酶 又 分 为 淀 粉 酶 蛋 白 酶 等 等 按 其 组 成 可 分 为 单 纯 蛋 白 酶 和 结 合 蛋 白 酶 酶 的 催 化 效 率 很 高, 并 有 高 度 的 选 择 性 一 种 酶 只 能 催 化 一 类 反 应 有 的 酶 只 能 作 用 于 一 类 物 质, 甚 至 只 能 作 用 于 一 种 物 质 有 的 酶 还 具 有 立 体 专 一 性, 即 只 能 作 用 于 立 体 异 构 体 中 的 一 种 异 构 体 例 如, 人 体 内 的 过 氧 化 氢 酶 每 分 钟 可 分 解 5000 万 个 过 氧 化 氢 分 子 胃 蛋 白 酶 能 催 化 水 解 所 有 的 肽 键 麦 芽 糖 酶 只 能 催 化 水 解 麦 芽 糖 为 D- 葡 萄 糖 而 对 蔗 糖 无 作 用 L- 氨 基 酸 酶 只 能 催 化 L- 氨 基 酸 的 氧 化, 而 对 D- 氨 基 酸 无 作 用 结 合 蛋 白 质 酶 又 叫 类 蛋 白 酶 结 合 蛋 白 质 酶 一 般 由 蛋 白 质 ( 又 称 酶 蛋 白 或 酶 朊 ) 和 辅 基 ( 一 般 为 也 参 与 催 化 反 应 的 有 机 化 合 物 ) 组 成 有 的 酶 还 含 有 金 属 离 子 如 Mg 2 Mn 2 Fe 2 K a 等 ( 也 称 辅 助 因 子 ), 它 们 直 接 或 间 接 催 化 反 应 或 维 持 酶 分 子 中 的 某 种 状 态 和 帮 助 活 性 构 型 的 形 成 等 在 许 多 生 物 反 应 中, 酶 朊 和 辅 基 的 共 同 作 用 才 能 使 酶 发 挥 催 化 作 用 许 多 辅 基 是 可 以 可 逆 分 解 的, 但 也 有 些 辅 基 与 酶 朊 结 合 得 很 牢 固, 不 易 分 开, 此 时 辅 基 又 叫 辅 酶 (coenzyme) 有 些 辅 酶 也 是 蛋 白 酶, 它 的 作 用 是 活 化 另 一 类 蛋 白 酶 酶 蛋 白 和 辅 酶 组 成 全 酶, 对 结 合 蛋 白 质 酶 而 言, 只 有 全 酶 有 催 化 作 用 在 催 化 反 应 中, 酶 蛋 白 决 定 反 应 的 高 效 性 和 专 一 性, 辅 酶 对 质 子 电 子 和 某 些 基 团 起 传 递 作 用 酶 分 子 中 起 催 化 作 用 的 部 位 称 为 活 性 中 心 酶 的 催 化 作 用 分 三 步 进 行, 首 先, 底 物 与 酶 的 活 性 中 心 作 用, 生 成 酶 - 底 物 复 合 物, 其 作 用 力 主 要 是 构 象 上 容 许 形 成 的 氢 键 静 电 引 力 和 非 极 性 基 团 之 间 的 各 种 作 用 力, 而 活 性 中 心 内 还 有 起 催 化 作 用 的 基 团 如 肽 链 上 的 氨 基 酸 侧 链 残 基 ; 第 二 步 在 酶 - 底 物 复 合 物 内 进 行 催 化 反 应 生 成 酶 - 产 物 复 合 物 ; 第 三 步 是 产 物 脱 离 活 性 中 心, 酶 复 原 并 继 续 催 化 另 一 底 物 分 子 的 反 应 活 性 中 心 的 形 成 要 求 酶 分 子 有 一 定 的 空 间 构 象, 酶 及 底 物 的 构 造 构 象 和 相 互 作 用 力 都 有 严 格 的 要 求, 要 做 到 结 构 和 能 量 都 相 适 应 才 能 使 两 者 结 合, 故 酶 对 底 物 具 有 专 一 性 的 选 择 酶 分 子 中 除 活 性 中 心 以 外 的 部 分 则 为 活 性 中 心 的 形 成 提 供 结 构 基 础 等 当 酶 与 底 物 结 合 时, 酶 分 子 发 生 显 著 的 构 象 改 变, 底 物 分 子 要 有 正 确 的 定 向, 使 反 应 时 底 物 的 键 只 发 生 最 小 程 度 的 移 动, 酶 与 底 物 相 互 靠 拢 楔 合, 反 应 仅 需 很 小 的 活 化 能, 通 过 共 价 键 形 成 一 个 有 很 大 活 性 的 中 间 体, 或 者 使 底 物 分 子 中 的 某 些 特 殊 的 敏 感 键 发 生 变 形 和 断 裂 反 应 完 成 放 出 产 物 后, 酶 的 构 象 回 到 它 的 初 始 状 态 例 如,α- 胰 凝 乳 蛋 白 酶 是 由 245 个 氨 基 酸 残 基 组 成 的 单 链 酶 蛋 白 它 催 化 肽 链 水 解 的 过 程, 见 图

38 is 57 is 57 Ser 195 Ser 195 sp 102 is 57 Ser 195 sp 102 ' is 57 sp 102 ' is 57 sp 102 Ser Ser 195 ' ' sp 102 图 10.5 α- 胰 凝 乳 蛋 白 酶 催 化 肽 链 水 解 有 些 物 质 能 干 扰 酶 的 作 用, 称 为 酶 抑 制 剂 (enzyme inhibitor) 酶 抑 制 剂 可 分 为 两 类, 一 类 是 能 与 酶 结 合, 使 酶 永 久 失 活, 包 括 巯 基 抑 制 剂 如 g 2 g Pb 2 s 3 化 合 物 和 有 机 物 磷 抑 制 剂 如 有 机 磷 农 药 等 另 一 类 能 模 拟 酶 与 反 应 物 分 子 形 成 的 活 性 中 间 体 结 构, 它 占 据 了 酶 的 活 性 中 心 从 而 阻 断 了 酶 的 正 常 功 能 这 类 化 合 物 也 称 为 阻 断 物, 如 磺 胺 类 药 物 许 多 疾 病 如 肿 瘤 感 染 代 谢 紊 乱 等 也 都 是 在 特 定 的 酶 催 化 下 进 行 的 生 化 过 程, 通 过 抑 止 这 些 特 定 的 酶 也 可 以 治 疗 疾 病 但 是, 酶 催 化 反 应 往 往 过 于 专 一, 且 酶 只 在 生 理 环 境 条 件 下 表 现 活 性, 这 使 酶 的 应 用 受 到 限 制 酶 的 不 足 之 处 可 通 过 固 定 化 处 理 化 学 修 饰 及 蛋 白 质 工 程 等 现 代 生 物 技 术 手 段 和 优 化 反 应 条 件 下 予 以 改 进, 特 别 是 近 年 来 在 非 水 相 系 统 中 的 酶 催 化 技 术 正 取 得 突 破 性 的 进 展 酶 分 子 中 有 多 个 活 性 口 袋, 往 往 起 作 用 的 只 有 1~2 个 活 性 中 心, 因 此, 可 以 用 简 化 模 型 物 来 模 拟 酶 催 化 反 应 的 本 质, 重 点 阐 明 结 构 与 功 能 的 关 系 酶 模 拟 (enzyme mimics) 就 是 人 工 合 成 或 半 合 成 或 组 装 成 的 具 有 酶 那 种 活 性 中 心 的 分 子 或 分 子 集 聚 如 金 属 卟 啉 环 糊 精 冠 醚 多 肽 带 催 化 基 团 的 功 能 高 分 子 糖 淀 粉 及 其 衍 生 物 等 等 的 研 究 既 可 以 揭 示 天 然 酶 的 催 化 作 用 机 制, 又 为 开 发 新 型 的 高 效 温 和 工 业 催 化 剂 打 下 基 础 10.4 核 酸 1868 年,Miescher F. 从 细 胞 核 中 分 离 出 一 种 含 磷 的 酸 性 物 质, 命 名 为 核 酸 (nucleic acid) 凡 是 有 生 命 的 地 方 就 有 核 酸 存 在 实 际 上 它 也 存 在 于 细 胞 质 中 核 酸 是 以 遗 传 编 码 的 方 式 贮 存 和 传 递 信 息 并 指 导 蛋 白 质 合 成 的 物 质 用 电 脑 语 言 来 讲, 在 生 命 活 动 中, 蛋 白 质 是 硬 件, 核 酸 则 相 当 于 软 件 核 酸 的 结 构 核 酸 是 由 许 多 核 苷 酸 (nucleotide) 聚 合 而 成 的 因 此, 核 酸 又 称 多 核 苷 酸 但 核 酸 中 核 苷 酸 单 体 的 数 目 远 远 超 过 蛋 白 质 中 氨 基 酸 单 体 数 目 大 肠 肝 菌 染 色 体 D 由 40 多 万 个 碱 基 对 组 成, 分 子 量 为 , 长 度 达 1.4mm 从 元 素 组 成 来 看, 核 酸 主 要 含 P 元 素, 个 别 的 还 含 S 元 素 从 结 构 来 看, 核 酸 由 核 苷 酸 组 成, 而 核 苷 酸 用 核 苷 酸 酶 水 解 后 得 到 磷 酸 和 由 嘌 呤 或 嘧 啶 类 杂 环 碱 和 戊 糖 所 组 成 的 核 苷 (nucleoside), 酸 性 水 解 核 苷 酸 生 成 戊 糖 的 磷 酸 酯 和 杂 环 碱 因 此, 在 核 苷 酸 分 子 中, 杂 环 碱 与 戊 糖 相 连 形 成 核 苷, 核 苷 上 的 糖 基 再 与 磷 酸 相 连 组 成 核 苷 酸 372

39 核 蛋 白 由 核 酸 和 蛋 白 质 结 合 而 成, 若 将 核 蛋 白 分 步 水 解, 可 得 到 如 下 各 产 物 : 核 蛋 白 蛋 白 质 核 酸 核 苷 酸 氨 基 酸 核 苷 酸 中 有 两 类 戊 糖 :D- 核 糖 和 2- 脱 氧 -D- 核 糖 5' 2 4' 3' 核 糖 1' 2' 磷 酸 核 苷 5' 2 4' 1' 3' 2' 脱 氧 核 糖 戊 糖 杂 环 碱 核 苷 酸 中 的 碱 基 有 嘌 呤 和 嘧 啶 两 大 类, 它 们 是 腺 嘌 呤 (denine, ) 鸟 嘌 呤 (uanine, ) 和 胞 嘧 啶 (ytosine, ) 脲 嘧 啶 (Uridine, U) 胸 腺 嘧 啶 (Thymine, T) 共 五 种 后 面 四 种 都 有 酮 式 和 烯 醇 式 的 互 变 异 构 存 在 在 p 值 为 7±2 的 生 理 条 件 下, 它 们 主 要 以 酮 式 结 构 存 在 U T 核 酸 也 有 二 类, 主 要 存 在 于 细 胞 核 外 细 胞 质 中 的 核 糖 核 酸 (ribonucleic acid, ) 和 主 要 存 在 于 细 胞 核 中 的 脱 氧 核 糖 核 酸 (deoxyribonucleic acid, D) D 和 在 结 构 上 有 两 点 差 别 第 一,D 中 戊 糖 是 脱 氧 核 糖, 中 戊 糖 是 核 糖 ; 第 二,D 中 的 碱 基 没 有 脲 嘧 啶 (U), 中 的 碱 基 没 有 胸 腺 嘧 啶 (T) 成 键 时, 嘧 啶 类 碱 基 以 1- 位 和 戊 糖 的 1'- 位 形 成 苷 键, 嘌 呤 类 碱 基 则 以 9- 位 与 戊 糖 的 1'- 位 形 成 苷 键, 它 们 都 是 β- 苷 键 磷 酸 与 戊 糖 的 3'- 位 和 5'- 位 形 成 磷 酸 二 酯 键 由 于 存 在 不 同 的 碱 基 及 各 种 核 苷 酸 在 链 中 连 接 顺 序 的 各 种 可 能 性, 加 上 高 达 亿 万 级 巨 大 分 子 量,D 和 分 子 结 构 非 常 复 杂 图 10.6 为 由 4 个 核 苷 酸 组 成 的 D 或 中 的 一 段 多 核 苷 酸 链 的 结 构 示 意 图 多 核 苷 酸 链 也 可 用 简 单 表 示 法 ( 见 图 10.7), 还 可 以 分 别 被 简 写 为 T 和 U, 因 为 在 D 或 链 中 核 苷 酸 的 的 区 别 只 在 于 碱 基 不 同 373

40 2 5' 2 4' 3' P 1' 2' 2 2 P 2 2 ' P 2 D :, ': 3 T P 图 10.6 D 和 链 示 意 图 :, ': U 2' 2' P 3' 5' P P P P 3' P P 5' P P P 图 10.7 D 和 链 的 简 单 表 示 法 核 酸 链 中 各 种 核 苷 酸 按 一 定 的 次 序 连 接 起 来 形 成 核 酸 的 一 级 结 构 这 些 长 链 在 空 间 有 规 则 地 排 列, 并 盘 绕 成 一 定 的 形 态, 形 成 核 酸 的 高 级 结 构 对 核 酸 结 构 的 研 究 方 法 基 本 上 也 通 过 降 解 断 裂 并 鉴 定 断 片 结 构 1977 年 Sanger 确 定 了 由 5386 个 核 苷 酸 组 成 的 一 个 感 染 大 肠 肝 菌 的 噬 菌 体 病 毒 φx174 的 D 的 全 部 顺 序, 它 有 一 个 巨 大 的 环 状 结 构 这 是 一 项 划 时 代 的 突 破 性 工 作 已 经 证 实 在 所 有 的 D 分 子 中, 腺 膘 呤 () 和 胸 腺 嘧 啶 (T) 的 个 数 相 等, 鸟 嘌 呤 () 和 胞 嘧 啶 () 的 个 数 也 完 全 相 等 通 过 对 分 子 模 型 的 推 论 及 各 碱 基 的 性 质 研 究, 结 合 D 分 子 的 X- 射 线 衍 射 分 析, rick F... 和 Watson J. D. 在 1953 年 合 作 推 出 了 D 的 双 螺 旋 (double helix) 结 构 模 型 ( 见 图 10.8) 这 是 人 类 在 分 子 水 平 上 认 识 生 命 现 象 所 取 得 的 一 个 重 大 突 破 这 两 位 科 学 家 也 因 此 荣 获 1960 年 诺 贝 尔 生 理 医 学 奖 374

41 5 ' 端 3 ' 端 :::T T::: :::T T::: :::T :::T T::: T::: n m 5 ' 端 3 ' 端 图 10.8 D 的 双 螺 旋 结 构 示 意 图 D 具 有 双 螺 旋 的 二 级 结 构 两 条 反 向 的 脱 氧 多 核 苷 酸 链 沿 着 一 个 轴 盘 旋 成 双 螺 旋 体 两 条 链 之 间 通 过 螺 旋 内 嘧 啶 碱 和 嘌 呤 碱 的 氢 键 固 定, 它 们 之 间 的 距 离 正 好 和 双 螺 旋 的 直 径 (2nm) 相 吻 合, 链 上 的 脱 氧 核 糖 和 磷 酸 处 于 螺 旋 外 侧 嘌 呤 和 嘧 啶 碱 基 形 状 扁 平, 有 疏 水 性, 在 双 螺 旋 内 侧 大 量 碱 基 层 层 堆 积, 十 分 贴 近, 使 双 螺 旋 内 部 有 一 个 强 大 的 疏 水 区, 与 介 质 中 的 水 分 子 隔 开, 这 种 碱 基 堆 积 力 也 是 维 持 D 双 螺 旋 结 构 的 主 要 力 量 加 之 链 上 配 对 碱 基 之 间 的 氢 键 作 用 使 这 两 个 多 核 苷 链 相 互 联 系 在 一 起 为 了 使 两 个 链 之 间 的 氢 键 作 用 足 够 有 效, 碱 基 有 选 择 地 配 对 如 果 两 个 都 是 嘌 呤 环, 则 将 占 有 太 大 的 空 间 而 有 拥 挤 感 ; 如 果 两 个 均 为 嘧 啶 环, 则 相 距 太 远 而 难 以 形 成 氢 键 这 两 个 互 补 的 碱 基 对 中, 和 T 之 间 有 两 根 氢 键, 和 有 三 根 氢 键 碱 基 对 中 的 两 个 碱 基 处 于 同 一 平 面, 而 各 个 碱 基 对 平 面 互 相 平 行, 每 两 个 螺 旋 之 间 相 距 0.34nm 螺 旋 外 部 有 两 个 螺 旋 形 凹 槽, 一 条 深 宽 的 称 为 大 沟 (major groove), 另 一 条 稍 浅 的 称 为 小 沟 (minor groove), 这 是 D 行 使 功 能 时 蛋 白 质 的 识 别 位 点 所 在 之 处 这 些 双 螺 旋 的 二 级 结 构 可 进 一 步 缩 合 为 闭 合 成 环 状 或 复 杂 麻 花 状 的 空 间 构 象, 形 成 所 谓 的 三 级 结 构, 如 超 螺 旋 十 字 架 和 三 链 状 结 构 等 等, 非 常 复 杂 的 碱 基 主 要 是 腺 嘌 呤 () 鸟 嘌 呤 () 胞 嘧 啶 () 和 脲 嘧 啶 (U) 四 种 但 有 些 分 子 还 含 有 另 外 一 些 特 殊 碱 基, 如 5- 甲 基 胞 嘧 啶 等, 这 些 特 殊 碱 基 又 被 称 为 稀 有 碱 基 由 于 核 糖 的 2'- 位 上 还 存 在 一 个 羟 基, 它 能 伸 入 到 分 子 密 集 的 部 位, 使 类 似 于 D 那 样 的 双 螺 旋 结 构 难 以 形 成 另 一 方 面, 的 糖 基 中 有 三 个 自 由 的 羟 基 磷 酸 二 酯 键 可 以 在 3'- 5'- 位 上 形 成, 也 可 以 在 2'- 5'- 位 之 间 形 成 现 在 知 道 大 部 份 结 构 中 只 在 一 段 或 几 段 有 两 股 互 补 的 排 列 而 其 他 区 段 则 是 单 股 弯 曲 的 核 苷 酸 链, 在 某 些 区 域 可 发 生 自 身 回 褶 形 成 双 螺 旋 结 构, 其 间 的 碱 基 也 有 互 补 关 系, 它 的 二 级 结 构 远 不 如 D 那 么 有 规 律 ( 参 见 图 10.9) 如 酵 母 丙 氨 酸 转 移 的 结 构 形 似 一 片 三 叶 草, 它 的 四 个 互 补 的 双 股 链 段, 被 非 互 补 的 单 股 链 所 分 开 U U U U U U 图 10.9 的 二 级 结 构 示 意 图 375

42 从 功 能 上 看, 已 经 知 道 有 三 种 类 型 的 它 们 分 别 是 核 糖 体 (r) 信 使 (m) 和 转 移 (t) r 是 细 胞 中 含 量 最 多 的 一 类, 以 与 蛋 白 质 结 合 成 核 蛋 白 的 形 式 存 在 于 细 胞 质 中, 其 生 物 功 能 是 为 蛋 白 质 的 生 物 合 成 提 供 场 所 m 的 含 量 最 少 ( 约 占 总 量 的 5%~10%), 也 存 在 于 细 胞 质 中, 其 生 物 功 能 是 接 受 D 的 遗 传 信 息 并 成 为 蛋 白 质 生 物 合 成 的 模 板, 相 当 于 是 D 的 副 本 t 在 细 胞 中 含 量 为 10%~15% t 以 自 由 状 态 或 者 与 氨 基 酸 相 结 合 后 存 在 于 细 胞 中, 往 往 含 有 多 种 稀 有 碱 基, 在 3'- 端 有 一 个 序 列, 在 酶 的 作 用 下 可 以 与 特 定 的 氨 基 酸 生 成 酯 不 同 的 t 可 以 专 一 地 接 受 不 同 的 氨 基 酸, 并 与 之 结 合 后 将 其 送 到 核 糖 体 上 去 进 行 蛋 白 质 的 合 成 每 种 t 也 是 根 据 所 转 移 的 氨 基 酸 而 命 名 的 一 般 用 磷 酸 三 酯 化 和 亚 磷 酰 胺 三 酯 化 方 法 合 成 核 酸, 但 合 成 难 度 极 大 Todd.. 因 在 核 酸 结 构 和 合 成 低 分 子 核 酸 等 工 作 中 取 得 了 重 大 进 展 而 荣 获 1957 年 诺 贝 尔 化 学 奖 现 在,D 自 动 测 序 仪 已 经 延 生, 通 过 固 相 合 成 技 术 与 微 机 自 动 控 制 相 结 合, 核 酸 的 化 学 合 成 也 开 始 趋 于 自 动 化 操 作 核 酸 的 生 物 功 能 20 世 纪, 人 们 已 经 知 道, 把 遗 传 特 征 代 代 相 传 的 因 子 ( 基 因 genes) 存 在 于 细 胞 内 的 染 色 体 之 中 染 色 体 是 存 在 于 细 胞 核 内 的 由 D 和 蛋 白 质 组 成 的 纤 维 状 物 质, 同 一 机 体 的 几 乎 所 有 细 胞 在 细 胞 核 中 都 含 有 相 同 的 染 色 体, 人 体 细 胞 内 就 有 23 对 染 色 体 染 色 体 中 D 的 复 制 和 细 胞 分 裂 之 间 有 密 切 的 关 系, 复 制 完 成, 细 胞 分 裂, 分 裂 结 束 后 又 开 始 新 一 轮 复 制, 这 些 过 程 极 为 复 杂, 但 有 序 可 靠, 保 证 了 生 物 物 种 的 稳 定 性 和 延 续 性 若 基 因 的 复 制 出 现 差 错, 则 导 致 正 在 发 育 的 有 机 体 的 某 些 部 位 发 生 变 化, 若 这 种 变 化 的 结 果 能 使 有 机 体 得 到 更 好 的 适 应 环 境 的 能 力 来 执 行 生 命 功 能, 它 就 能 生 存 发 育 下 去 并 进 行 繁 殖, 即 导 致 生 物 进 化 反 之, 它 将 被 淘 汰 基 因 在 遗 传 学 上 是 代 表 生 物 的 遗 传 物 质, 是 生 物 器 官 组 织 的 结 构 性 状 遗 传 的 基 本 功 能 单 位, 在 分 子 生 物 学 上 即 是 D 双 螺 旋 链 上 的 一 段 核 苷 酸 的 排 列, 它 携 带 着 能 在 特 定 条 件 下 表 达 的 遗 传 信 息 基 因 学 说 是 遗 传 学 的 核 心, 也 是 现 代 医 学 和 生 物 的 基 本 理 论 若 弄 清 了 D 片 断 即 基 因 的 本 质, 也 就 了 解 了 生 命 的 本 质 及 人 与 生 物 生 老 病 死 的 规 律 和 奥 秘 一 个 基 因 通 常 有 几 千 个 碱 基 对, 一 个 D 分 子 可 以 有 上 万 个 基 因 人 的 46 条 (23 对 ) 染 色 体 大 约 含 有 30 亿 个 碱 基 对, 约 近 3 万 个 基 因 人 类 基 因 是 合 成 有 功 能 的 人 体 蛋 白 质 多 肽 链 或 和 遗 传 信 息 所 必 须 的 全 部 D 排 列 这 些 基 因 在 30 亿 对 碱 基 中 仅 占 5% 的 比 例, 然 而 却 蕴 藏 着 表 达 人 体 所 需 要 的 全 部 遗 传 特 性 的 基 础 20 世 纪 80 年 代 末, 国 际 人 类 基 因 组 图 谱 工 程 (P) 启 动 我 国 科 学 家 承 担 了 该 项 工 程 中 1% 的 测 序 任 务, 主 要 负 责 3 号 染 色 体 上 的 3000 万 个 碱 基 对 的 测 序 和 初 步 组 装 工 作 成 为 继 美 英 日 德 法 之 后 第 六 个 P 参 与 国 2000 年 6 月, 人 类 基 因 组 工 作 草 图 已 经 全 部 完 成, 标 志 着 这 一 被 认 为 是 继 曼 哈 顿 原 子 弹 计 划 和 阿 波 罗 登 月 计 划 之 后 的 人 类 科 学 史 上 最 大 的 研 究 计 划 已 经 取 得 了 重 大 的 突 破 性 进 展 今 天 科 学 家 的 工 作 是 测 序 和 拼 接, 接 下 来 要 完 成 序 列 的 全 部 拼 接 即 完 成 精 图 而 后 确 定 基 因 并 对 基 因 的 功 能 信 息 予 以 分 析 处 理, 即 从 结 构 到 功 能 的 研 究 同 时, 非 编 码 区 的 遗 传 语 言, 即 D 中 占 95% 碱 基 对 的 非 基 因 的 结 构 及 功 能 的 研 究 将 是 又 一 个 根 本 性 的 挑 战 人 类 基 因 组 计 划 的 实 施 将 对 科 学 经 济 人 类 健 康 长 寿 和 国 际 事 务 等 各 方 面 都 将 产 生 难 以 预 计 的 巨 大 影 响 D 在 贮 存 遗 传 信 息 和 指 导 蛋 白 质 合 成 两 方 面 都 起 到 了 关 键 作 用 如 图 所 示,D 既 能 自 身 复 制 合 成 出 完 全 相 同 的 另 一 个 D 分 子, 同 时 又 能 控 制 细 胞 的 其 他 部 分 以 特 定 的 方 式 合 成 所 需 要 的 蛋 白 质 细 胞 分 裂 时,D 的 双 螺 旋 结 构 从 一 端 解 开 成 两 条 链 分 别 在 两 个 新 的 子 细 胞 里, 每 一 条 链 将 作 为 模 板, 在 细 胞 中 已 经 制 造 好 的 各 种 核 苷 酸 单 体 根 据 碱 基 互 补 原 则, 即 对 T 对 成 两 股 螺 旋 分 别 排 列 成 队 列 在 酶 的 作 用 下, 这 些 按 照 互 补 规 则 组 合 的 核 苷 酸 分 子 间 脱 水 形 成 糖 - 磷 酸 键 以 逐 个 联 结 这 样 便 合 成 了 一 股 同 原 来 的 那 股 螺 旋 完 全 相 等 的 新 螺 旋, 因 此, 在 两 个 子 细 胞 中 又 各 自 形 成 了 一 个 新 的 D 双 螺 旋, 它 们 和 母 细 胞 中 的 D 完 全 一 样, 基 因 和 遗 传 信 息 便 以 这 种 方 式 从 上 一 代 传 到 下 一 代 而 完 成 D 的 复 制 功 能 复 制 是 非 常 有 效 的, 几 分 钟 之 内 就 能 完 成 Berg P. ilbert W. 和 Sanger F. 三 人 因 对 核 酸 顺 序 和 基 因 功 能 的 出 色 研 究 而 共 享 1980 年 诺 贝 尔 化 学 奖, 其 中 Sanger 是 第 二 次 获 此 殊 荣 376

43 ::T ::T ::T ::T :T ::T ::T :T T T :T 4 :T 图 D 的 自 我 复 制 示 意 图 科 学 家 在 20 世 纪 60 年 代 前 后 以 D 结 构 为 平 台, 开 始 分 离 出 控 制 D 代 谢 作 用 的 酶, 实 现 了 从 D 自 我 复 制 合 成 到 充 当 生 产 m 的 模 板 功 能 D 在 复 制 过 程 中 保 留 了 一 条 原 来 的 多 核 苷 酸 链, 因 此 亦 称 半 保 留 复 制 如 果 由 于 某 些 因 素 引 起 D 分 子 中 某 个 ( 或 某 些 ) 碱 基 变 更, 则 会 引 起 遗 传 特 性 的 异 常 变 化, 即 遗 传 变 异 变 异 是 可 以 遗 传 给 子 代 的, 正 是 遗 传 与 变 异 才 使 生 物 界 进 化 人 类 已 开 始 主 动 将 某 些 基 因 分 离 出 来 并 在 体 外 重 组 ( 称 为 基 因 工 程 ), 且 已 获 得 成 功, 迎 来 了 生 物 技 术 时 代 如 将 大 鼠 胰 岛 素 基 因 与 人 工 合 成 的 人 胰 岛 素 基 因 引 入 大 肠 杆 菌, 并 在 菌 体 内 通 过 复 制 转 录 翻 译 后 得 到 了 人 胰 素 1997 年, 科 学 家 培 育 出 带 人 基 因 的 转 基 因 羊 我 国 科 学 家 袁 隆 平 领 导 的 研 究 小 组 成 功 地 研 究 出 杂 交 水 稻, 不 仅 大 大 增 加 了 水 稻 亩 产 量, 而 且 水 稻 质 量 也 得 到 提 高 阐 明 基 因 的 本 质 及 其 活 动 规 律 可 以 说 是 20 世 纪 生 物 科 学 的 最 大 成 就 基 因 工 程 一 般 包 括 :(1) 所 需 基 因 的 分 离 纯 化 和 合 成 制 备 ;(2) 将 目 的 基 因 和 载 体 D 结 合 形 成 重 组 D;(3) 将 重 组 D 引 入 受 体 细 胞, 使 细 胞 获 得 新 遗 传 特 性, 该 过 程 即 为 转 化 或 感 染 目 前 所 用 的 受 体 细 胞 主 要 是 细 菌 ( 细 菌 具 有 操 作 方 便 易 于 培 养 及 繁 殖 迅 速 等 优 点 );(4) 筛 选 出 含 有 重 组 D 的 细 菌, 然 后 再 加 以 复 制 或 克 隆 ;(5) 使 这 些 带 有 异 源 目 的 基 因 的 细 菌 得 到 表 达, 最 终 生 产 出 所 需 产 品 D 还 指 导 着 的 合 成, 而 又 指 导 着 蛋 白 质 的 合 成 即 D 是 的 模 板, 是 蛋 白 质 的 模 板 因 此,D 通 过 指 导 的 合 成 间 接 控 制 着 蛋 白 质 的 合 成 在 特 殊 的 场 合 下, 也 能 指 导 D 和 的 合 成, 即 发 生 的 反 向 转 录 及 互 补 D 的 生 成 D 也 能 直 接 控 制 蛋 白 质 的 合 成, 但 后 两 种 情 况 都 很 少 D 在 细 胞 核 中 首 先 合 成 m, 其 过 程 和 D 的 复 制 过 程 相 似, 也 遵 循 碱 基 配 对 规 律, 但 是 用 脲 嘧 啶 (U) 代 替 胸 腺 嘧 啶 (T), 核 糖 代 替 脱 氧 核 糖 另 外,m 只 以 拆 开 的 D 双 螺 旋 中 的 一 股 螺 旋 为 模 板 实 际 上 一 个 基 因 只 控 制 一 个 m 分 子 的 合 成 碱 基 成 对 以 后, 同 样 由 酶 来 催 化 形 成 糖 - 磷 酸 键, 接 着 整 条 m 便 脱 离, 而 D 双 螺 旋 结 构 又 重 新 形 成 ( 见 图 10.11) 377

44 T T T T T T T T T U T T T T T T U m- 图 D 指 导 m 的 生 成 在 m 合 成 过 程 中,m 接 受 了 D 中 贮 存 的 遗 传 信 息, 故 此 合 成 过 程 称 为 转 录 因 此, m 是 传 递 D 遗 传 信 息 的 物 质 所 有 细 胞 内 的 都 依 赖 于 D 和 聚 合 酶 合 成 的, 聚 合 酶 接 受 D 模 板 的 信 息, 在 某 些 金 属 离 子 如 Mg 2 或 Mn 2 的 参 与 下 催 化 的 合 成 转 录 作 用 从 D 双 螺 旋 模 板 中 一 股 链 上 的 特 定 识 别 位 点 启 动,D 模 板 上 还 含 有 转 录 中 止 信 号, 它 们 一 般 是 在 富 含 区 域 的 后 面 跟 随 着 富 含 T 的 一 个 序 列 新 生 链 还 经 常 以 几 个 U 残 基 而 结 束, 当 聚 合 酶 遇 到 一 处 或 多 处 这 种 结 构 特 点 时 就 停 顿 下 来 转 录 完 成 以 后 分 子 还 要 被 进 一 步 后 加 工 成 为 有 生 理 功 能 的 活 性 分 子 生 命 体 中 蛋 白 质 的 生 物 合 成 也 是 一 种 复 杂 而 有 规 律 的 20 多 种 氨 基 酸 结 合 的 过 程 氨 基 酸 排 列 次 序 的 生 物 合 成 指 令 存 在 于 m 之 中, 这 些 指 令 是 由 链 上 的 碱 基 顺 序 来 决 定 的 m 接 受 了 D 分 子 中 贮 存 的 遗 传 信 息, 而 遗 传 密 码 是 由 四 个 碱 基 ( U) 组 成 的, 蛋 白 质 中 的 氨 基 酸 都 是 根 据 分 子 中 的 三 种 碱 基 的 组 合 情 况 而 结 合 进 入 肽 链 的 遗 传 密 码 就 是 以 U 中 三 个 字 母 所 组 成 的 字 (codons) 而 被 表 示 出 来 的, 每 一 个 由 三 个 碱 基 所 组 成 的 序 列 代 表 一 个 字, 这 个 字 也 代 表 着 一 种 氨 基 酸 字 也 被 称 为 密 码 子,m 中 的 密 码 子 顺 序 决 定 了 新 生 蛋 白 质 中 的 氨 基 酸 在 多 肽 中 的 排 列 顺 序 科 学 家 们 通 过 合 成 一 系 列 分 子 来 破 译 密 码 例 如, 观 察 发 现 只 含 有 尿 嘧 啶 (U) 的 合 成 是 把 苯 丙 氨 酸 结 合 进 蛋 白 质 中 去 的, 因 此 苯 丙 氨 酸 的 密 码 子 是 UUU 有 些 氨 基 酸 可 以 具 有 1~6 个 不 等 的 密 码 子, 如,UU 也 代 表 苯 丙 氨 酸,U 代 表 色 氨 酸, 代 表 赖 氨 酸 等 等 U 代 表 蛋 白 质 的 合 成 开 始, 而 U U 和 U 的 出 现 则 是 链 终 止 的 代 码 1965 年, 人 类 完 全 确 定 了 编 码 20 种 天 然 氨 基 酸 的 60 多 组 密 码 子, 编 出 了 遗 传 密 码 组 合 表 ( 见 表 10.4) 细 胞 核 里 合 成 的 m 与 D 链 分 开 后 转 移 到 细 胞 质 中 通 过 r 与 核 糖 体 结 合 根 据 碱 基 互 补 的 原 则,m 召 集 一 系 列 与 之 配 对 的 专 门 从 事 携 带 和 活 化 氨 基 酸 的 转 移 核 糖 核 酸 t 每 种 氨 基 酸 都 由 一 种 或 数 种 与 之 对 应 的 特 异 t 携 带 转 运 t 既 能 读 取 m 上 碱 基 排 列 的 遗 传 密 码 又 能 识 别 各 种 氨 基 酸 并 把 这 些 特 定 的 氨 基 酸 带 到 m 上, 让 它 们 排 列 在 对 应 的 密 码 子 上 每 一 个 t 中 都 含 有 三 碱 基 组 单 位, 它 们 通 过 氢 键 的 形 式 分 别 和 m 密 码 子 中 的 三 碱 基 组 配 对 因 此, 在 t 上 的 三 碱 基 组 又 称 为 反 密 码 子, 在 t 的 一 端 含 有 的 反 密 码 子 决 定 了 氨 基 酸 的 种 类 表 10.4 氨 基 酸 的 密 码 组 合 表 5' 末 端 中 间 核 苷 酸 3' 末 端 U 苯 丙 丝 酪 半 胱 U 苯 丙 丝 酪 半 胱 U 亮 丝 -( 终 止 ) -( 终 止 ) 亮 丝 -( 终 止 ) 色 378

45 亮 亮 亮 亮 脯 脯 脯 脯 组 组 谷 酰 胺 谷 酰 胺 精 精 精 精 U 异 亮 异 亮 异 亮 蛋 ( 起 步 ) 苏 苏 苏 苏 天 冬 酰 胺 天 冬 酰 胺 赖 赖 丝 丝 精 精 U 缬 缬 缬 缬 丙 丙 丙 丙 天 冬 天 冬 谷 谷 甘 甘 甘 甘 U 1965 年, 人 们 根 据 酵 母 丙 氨 酸 t 的 核 苷 酸 排 列 顺 序 和 碱 基 配 对 规 律, 提 出 了 t 多 核 苷 酸 链 在 平 面 卷 曲 成 三 叶 草 型 的 二 级 结 构 模 型, 该 模 型 在 1974 年 被 X- 射 线 衍 射 分 析 所 证 实 迄 今 已 研 究 过 的 t 二 级 结 构 几 乎 都 符 合 三 叶 草 型 的 模 型 结 构 中 形 成 氢 键 的 碱 基 对 都 是 对 U, 对, 这 些 部 位 称 为 臂 不 能 形 成 氢 键 的 部 位 成 环 状 突 起, 称 为 突 环 ( 见 图 10.12) 反 密 码 子 突 环 U U 氨 基 酸 臂 3' U U U U U 反 密 码 子 区 U U U U 2 突 环 2 图 t 的 三 叶 草 二 级 结 构 ( 图 中 未 标 记 的 为 稀 有 碱 基 ) 蛋 白 质 是 在 细 胞 的 核 糖 体 参 加 下 进 行 合 成 的 核 糖 体 由 和 蛋 白 质 所 组 成, 每 个 核 糖 体 有 两 个 大 小 不 等 的 亚 基, 小 亚 基 结 合 着 m, 大 亚 基 连 结 着 t, 当 两 个 亚 基 在 一 起 时, 核 糖 体 处 于 活 化 状 态 m 上 的 密 码 子 和 t 上 的 反 密 码 子 的 相 互 作 用 使 该 氨 基 酸 能 够 进 入 核 糖 体 核 糖 体 顺 着 m 向 前 移 动, 阅 读 m 链 上 的 密 码 子 t 上 的 反 密 码 子 可 以 按 碱 基 互 补 原 则 与 m 上 对 应 的 密 码 子 相 配 合, 携 带 不 同 氨 基 酸 的 各 种 t 能 准 确 地 依 顺 序 进 入 核 糖 体 与 m 匹 配 从 而 进 行 肽 链 的 合 成 当 第 二 组 密 码 子 被 认 出 以 后, 相 应 的 t 分 子 便 把 对 应 的 氨 基 酸 带 到 这 个 部 位 在 转 肽 酶 作 用 下 两 个 氨 基 酸 之 间 形 成 肽 键, 然 后 t 离 去, 该 核 糖 体 则 继 续 向 前 移 动, 重 复 上 述 过 程, 肽 链 增 长 当 核 糖 体 遇 到 m 上 表 示 蛋 白 质 合 成 终 止 的 密 码 处 时, 核 糖 体 脱 离 m 完 成 蛋 白 质 的 合 成 合 成 开 始 时 接 在 链 首 端 的 蛋 氨 酸 将 在 酶 的 水 解 作 用 下 脱 离 肽 链 或 成 为 肽 链 的 组 分 总 之, 在 蛋 白 质 合 成 中 各 种 氨 基 酸 是 由 t 识 别 和 运 输 的, 各 种 t 的 排 列 顺 序 是 受 m 决 定 翻 译 过 来 的, 而 m 的 信 息 又 是 从 D 转 录 (transcription) 来 的,D 在 蛋 白 质 的 合 成 中 起 模 板 作 用 379

46 D 分 子 上 只 要 有 一 个 碱 基 改 变, 或 者 读 错 一 个 密 码 都 会 导 致 氨 基 酸 顺 序 的 变 化, 进 而 改 变 其 原 有 的 生 物 功 能, 常 常 导 致 变 异 和 疾 病 大 量 研 究 表 明, 遗 传 密 码 的 变 异 常 常 是 由 于 核 酸 和 引 起 变 异 的 物 质 如 大 剂 量 的 X- 射 线 核 辐 射 紫 外 光 照 有 害 化 学 品 的 接 触 和 抽 烟 酗 酒 等 不 良 饮 食 等 相 互 作 用 引 起 的 此 外, 当 某 碱 基 与 外 来 某 些 化 学 物 质 ( 如 致 癌 物 ) 作 用, 使 D 中 两 条 链 之 间 的 配 对 受 到 影 响 时 也 会 引 起 突 变 例 如, 烟 草 中 的 苯 并 [a] 芘 在 体 内 代 谢 后 形 成 二 羟 基 环 氧 化 物 D 中 的 鸟 嘌 呤 碱 基 与 它 的 环 氧 基 团 作 用 而 连 接 起 来, 干 扰 D 中 双 螺 旋 的 碱 基 配 对 这 种 变 异 导 致 突 变 及 致 癌 细 胞 产 生 糖 2 糖 亚 硝 酸 盐 可 能 与 D 中 碱 基 作 用 后 使 胺 基 消 除 而 产 生 致 癌 作 用 通 过 删 除 或 插 入 蛋 白 质 编 码 基 因 中 特 定 位 置 的 氨 基 酸 密 码 子 也 可 达 到 改 变 蛋 白 质 分 子 中 特 定 位 置 氨 基 酸 种 类 的 目 的 蛋 白 质 编 码 基 因 中 的 核 苷 酸 顺 序 决 定 了 蛋 白 质 分 子 中 的 氨 基 酸 顺 序, 因 此 改 变 编 码 基 因 的 特 定 核 苷 酸 顺 序, 即 通 过 位 置 选 择 突 变 (site-directed mutagenesis) 能 够 改 变 相 应 的 蛋 白 质 的 结 构 Smith M. 和 Mullis K. B. 因 此 发 明 而 荣 获 1993 年 诺 贝 尔 化 学 奖 目 前 各 种 位 置 选 择 突 变 方 法 的 展 开 正 成 为 研 究 蛋 白 质 和 核 酸 的 构 效 关 系 中 被 广 为 使 用 的 有 效 方 法 之 一, 它 和 蛋 白 质 分 子 的 计 算 机 模 型 设 计 是 蛋 白 质 工 程 的 两 大 支 柱 另 一 种 技 术 则 是 利 用 人 工 合 成 的 反 义 寡 核 苷 酸 (antisense oligonucleotides), 它 根 据 碱 基 配 对 原 理 和 靶 核 酸 的 特 定 编 码 ( 正 义 ) 顺 序 杂 交, 从 而 抑 制 基 因 表 达, 实 现 治 疗 疾 病 的 目 的 最 近 10 多 年 来, 人 们 又 发 现 某 些 像 蛋 白 质 一 样 可 以 作 为 生 物 催 化 剂 催 化 一 些 特 定 的 生 化 反 应 催 化 性 核 酸 (catalytic, ribozyme) 的 发 现 打 破 了 所 有 的 酶 都 是 蛋 白 质 的 传 统 观 点, 因 而 具 有 划 时 代 的 意 义, 其 发 现 者 ech T.. 和 ltman S. 因 此 荣 获 1989 年 度 的 诺 贝 尔 化 学 奖 催 化 性 核 酸 也 具 有 高 效 率 多 样 性 和 立 体 专 一 性 所 有 的 催 化 性 核 酸 发 挥 催 化 作 用 时 都 需 要 有 二 价 金 属 阳 离 子 的 参 与, 它 们 是 一 类 广 谱 的 金 属 酶, 其 作 用 机 理 与 某 些 蛋 白 质 酶 相 类 似 作 为 酶 作 用 的 本 身 的 催 化 效 率 不 高, 但 结 合 蛋 白 质 后 其 催 化 效 率 大 为 提 高, 这 可 能 与 蛋 白 质 上 含 有 的 多 种 活 性 基 团 有 关 小 结 1 本 章 首 先 介 绍 了 碳 水 化 合 物 的 三 类 : (1) 单 糖 要 求 了 解 单 糖 的 开 链 式 和 环 状 结 构, 掌 握 其 构 型 构 象 和 标 记 法, 熟 悉 单 糖 的 化 学 反 应, 如 还 原 氧 化 成 脎 醚 化 酯 化 差 向 异 构 化 和 醛 糖 的 递 升 和 递 降, 掌 握 葡 萄 糖 的 结 构 ; (2) 低 聚 糖 主 要 介 绍 了 麦 芽 糖 纤 维 二 糖 乳 糖 蔗 糖 和 棉 子 糖 ; (3) 多 糖 主 要 了 解 纤 维 素 和 淀 粉 的 结 构 性 质 及 用 途 2 学 习 氨 基 酸 的 结 构 分 类 和 命 名, 了 解 氨 基 酸 的 性 质 和 制 备, 掌 握 氨 基 酸 的 拆 分 方 法 本 章 还 详 细 讲 述 了 多 肽 的 测 定 及 合 成 介 绍 了 蛋 白 质 的 分 类 和 功 能, 要 求 掌 握 蛋 白 质, 特 别 是 酶 的 性 质 生 理 380

47 功 能 和 合 成 3 本 章 最 后 介 绍 了 核 酸 主 要 讲 解 了 核 酸 的 结 构 和 生 理 功 能 381