氨基酸、多肽、蛋白质和核酸.pptx

1、第二十二章 氨基酸、多肽、蛋白质和核酸,121,2009 有机化学,22.1氨基酸的分类,122,2009 有机化学,2009 有机化学,123,基本概念,从氨基酸的名字就可以看出该化合物应该含有NH2 基和CO2H 基，其真实状态应该为NH3+和CO2 。根据羧基和氨基的位置关系，氨基酸分为 a, b, g, 等氨基酸。,2009 有机化学,124,氨基酸,a-氨基酸是生物合成乙烯的中间体,b-氨基酸是辅酶A的结构单元,g-氨基酸涉及神经脉冲传递过程,a,b,g,2009 有机化学,125,20 关键的氨基酸,700 多种氨基酸是自然界中存在的，但是其中 20种是非常重要的。这 20 种氨基

2、酸是蛋白质的结构单元。所有这些氨基酸都是 a-氨基酸。它们的区别在于连接在 a 碳上的基团不同。,2009 有机化学,126,这些从蛋白质水解得到的氨基酸其不同在于 R (侧链)不同。这些氨基酸的性质不同也是由于其 R结构的不同所引起的。,2009 有机化学,127,甘氨酸,甘氨酸是最简单的氨基酸，仅有的非手性氨基酸。,Glycine,(Gly 或 G),2009 有机化学,128,丙氨酸,C,C,O,O,CH3,H,H3N,+,Alanine,(Ala 或 A),2009 有机化学,129,缬氨酸,C,C,O,O,CH(CH3)2,H,H3N,+,Valine,(Val 或 V),2009

3、有机化学,1210,亮氨酸,C,C,O,O,CH2CH(CH3)2,H,H3N,+,Leucine,(Leu 或L),2009 有机化学,1211,异亮氨酸,C,C,O,O,CH3CHCH2CH3,H,H3N,+,Isoleucine,(Ile 或 I),2009 有机化学,1212,蛋氨酸,C,C,O,O,CH3SCH2CH2,H,H3N,+,Methionine,(Met 或 M),2009 有机化学,1213,脯氨酸,Proline,(Pro 或 P),2009 有机化学,1214,苯丙氨酸,Phenylalanine,(Phe 或 F),2009 有机化学,1215,色氨酸,Trypt

4、ophan,(Trp 或 W),2009 有机化学,1216,天冬酰胺,Asparagine,(Asn 或 N),2009 有机化学,1217,谷氨酰胺,Glutamine,(Gln 或 Q),2009 有机化学,1218,丝氨酸,C,C,O,O,CH2OH,H,H3N,+,Serine,(Ser 或 S),2009 有机化学,1219,苏氨酸,C,C,O,O,CH3CHOH,H,H3N,+,Threonine,(Thr 或 T),2009 有机化学,1220,天冬氨酸,Aspartic Acid,(Asp 或 D),2009 有机化学,1221,谷氨酸,Glutamic Acid,(Glu

5、或 E),2009 有机化学,1222,酪氨酸,Tyrosine,(Tyr 或 Y),2009 有机化学,1223,半胱氨酸,C,C,O,O,CH2SH,H,H3N,+,Cysteine,(Cys 或 C),2009 有机化学,1224,赖氨酸,C,C,O,O,CH2CH2CH2CH2NH3,H,H3N,+,Lysine,+,(Lys 或 K),2009 有机化学,1225,精氨酸,C,C,O,O,CH2CH2CH2NHCNH2,H,H3N,+,Arginine,+,NH2,(Arg 或 R),2009 有机化学,1226,组氨酸,Histidine,C,C,O,O,H,H3N,+,(His

6、或 H),22.2氨基酸的立体化学,1227,2009 有机化学,2009 有机化学,1228,a-氨基酸的构型,甘氨酸是非手行的。蛋白质中所有其它 氨基酸在其a 碳处都是 L-构型。,2009 有机化学,1229,22.3氨基酸的酸碱行为,2009 有机化学,1230,甘氨酸的性质,甘氨酸的性质:高熔点 (加热到 233C 时分解)溶解度: 溶解于水，不溶解于非极性溶剂,性质与该结构相符,而不是此结构,2009 有机化学,1231,甘氨酸的性质,甘氨酸的性质:高熔点 (加热到 233C 时分解)溶解度: 溶解于水，不溶解于非极性溶剂,性质与该结构相符,称为两性离子,2009 有机化学,123

7、2,甘氨酸的酸碱性质,甘氨酸的两性离子结构让我们考虑其酸碱性质。如果甘氨酸在强酸介质中如pH = 1 ，其结构如何？在 pH = 1时, 甘氨酸为质子化状态 (单离子状态).,2009 有机化学,1233,甘氨酸的酸碱性质,当 pH 值上升时，哪个质子先离去？是正电荷的氮上，还是羧基上的质子？,典型的铵离子: pKa 9,典型的羧酸: pKa 5,2009 有机化学,1234,甘氨酸的酸碱性质,CO2H基上的质子酸性更大，所以当pH上升时，其质子优先离去。,典型的羧酸: pKa 5,2009 有机化学,1235,甘氨酸的酸碱性质,这样，甘氨酸稳定中性形态是两性离子。,典型的羧酸: pKa 5,

8、2009 有机化学,1236,甘氨酸的pKa 的测定值是 2.34。甘氨酸比典型的羧酸的酸性要大，这是因为带正电的 N 成为一个拉电子基团。,甘氨酸的酸碱性质,典型的羧酸: pKa 5,2009 有机化学,1237,甘氨酸的酸碱性质,这个质子脱去的 pKa 是 9.60。这个值与NH4+ 相同。,当pH值进一步升高时，两性离子的 N上 的质子也会离去。,2009 有机化学,1238,等电点 pI,pKa = 2.34,pKa = 9.60,两性离子浓度最大的时，其 pH 值成为等电点。其数值为两个pKas的平均值。甘氨酸的 pI 是 5.97。,2009 有机化学,1239,中性链的氨基酸,甘

9、氨酸,pKa1= 2.34pKa2=9.60pI =5.97,2009 有机化学,1240,中性链的氨基酸,丙氨酸,pKa1= 2.34pKa2=9.69pI =6.00,2009 有机化学,1241,中性链的氨基酸,缬氨酸,pKa1= 2.32pKa2=9.62pI =5.96,2009 有机化学,1242,中性链的氨基酸,亮氨酸,pKa1= 2.36pKa2=9.60pI =5.98,2009 有机化学,1243,中性链的氨基酸,异亮氨酸,pKa1= 2.36pKa2=9.60pI =5.98,H3N,C,C,O,O,CH3CHCH2CH3,H,+,2009 有机化学,1244,中性链的氨

10、基酸,蛋氨酸,pKa1= 2.28pKa2=9.21pI =5.74,H3N,C,C,O,O,CH3SCH2CH2,H,+,2009 有机化学,1245,中性链的氨基酸,脯氨酸,pKa1= 1.99pKa2=10.60pI =6.30,2009 有机化学,1246,中性链的氨基酸,苯丙氨酸,pKa1= 1.83pKa2=9.13pI =5.48,2009 有机化学,1247,中性链的氨基酸,色氨酸,pKa1= 2.83pKa2=9.39pI =5.89,2009 有机化学,1248,中性链的氨基酸,天冬酰胺,pKa1= 2.02pKa2=8.80pI =5.41,H3N,C,C,O,O,H,+

11、,2009 有机化学,1249,中性链的氨基酸,谷氨酰胺,pKa1= 2.17pKa2=9.13pI =5.65,2009 有机化学,1250,中性链的氨基酸,丝氨酸,pKa1= 2.21pKa2=9.15pI =5.68,2009 有机化学,1251,中性链的氨基酸,苏氨酸,pKa1= 2.09pKa2=9.10pI =5.60,H3N,C,C,O,O,CH3CHOH,H,+,2009 有机化学,1252,可离子化侧链的氨基酸,天冬氨酸,pKa1= 1.88pKa2=3.65pKa3=9.60 pI =2.77,H3N,C,C,O,O,H,+,对于带有酸性侧链的氨基酸，其pI 为 pKa1

12、和 pKa2的平均值。,2009 有机化学,1253,可离子化侧链的氨基酸,谷氨酸,pKa1= 2.19pKa2=4.25pKa3=9.67 pI =3.22,H3N,C,C,O,O,H,+,2009 有机化学,1254,可离子化侧链的氨基酸,酪氨酸,pKa1= 2.20pKa2=9.11pKa3=10.07 pI =5.66,2009 有机化学,1255,可离子化侧链的氨基酸,半胱氨酸,pKa1= 1.96pKa2=8.18pKa3=10.28 pI =5.07,2009 有机化学,1256,可离子化侧链的氨基酸,赖氨酸,pKa1= 2.18pKa2=8.95pKa3=10.53pI =9.

13、74,对于带有碱性侧链的氨基酸，其 pI 为 pKa2 和 pKa3平均值。,2009 有机化学,1257,可离子化侧链的氨基酸,精氨酸,pKa1= 2.17pKa2=9.04pKa3=12.48pI =10.76,2009 有机化学,1258,可离子化侧链的氨基酸,组氨酸,pKa1= 1.82pKa2=6.00pKa3=9.17 pI =7.59,2009 有机化学,1259,22.4氨基酸的合成,2009 有机化学,1260,以 a-卤代羧酸为原料,2NH3,+,H2O,+,(65-70%),+,NH4Br,2009 有机化学,1261,Strecker 合成,NH4Cl,NaCN,(52

14、-60%),2009 有机化学,1262,用乙酰氨基丙二酸二乙酯为原料,2009 有机化学,1263,示例,1. NaOCH2CH3,2. C6H5CH2Cl,(90%),2009 有机化学,1264,示例,HBr, H2O, 加热,O,O,HOCCCOH,CH2C6H5,H3N,+,2009 有机化学,1265,示例,HBr, H2O, 加热,O,HCCOH,CH2C6H5,H3N,+,(65%),2009 有机化学,1266,22.5氨基酸的反应,2009 有机化学,1267,氨基的酰化,氨基酸的氨基可用常规的酰化试剂将其转化为酰胺,+,(89-92%),2009 有机化学,1268,羧基

15、的酯化,氨基酸的羧基可以转化为酯。下例就是丙氨酸的 Fischer 酯化。,+,CH3CH2OH,(90-95%),HCl,H3NCHCOCH2CH3,+,CH3,2009 有机化学,1269,氧化脱氨：水合茚三酮试验,氨基酸可用水和茚三酮反应生成紫色检验。,+,+,CO2,+,H2O,+,2009 有机化学,1270,22.6氨基酸的一些生物化学反应,2009 有机化学,1271,L-谷氨酸的生物合成,NH3,+,酶和还原辅酶,2009 有机化学,1272,L-谷氨酸的氨基交换,L-谷氨酸作为氨基的来源在生物化学反应将 a-酮酸转化为氨基酸。如将丙酮酸转化为丙氨酸。,2009 有机化学,12

16、73,L-谷氨酸的氨基交换,酶,+,2009 有机化学,1274,机理,第一步是L-谷氨酸与丙酮酸生成烯胺。,2009 有机化学,1275,机理,CH3CCO2,HO2CCH2CH2CHCO2,N,2009 有机化学,1276,H,第二步是将一个碳上的 质子 离去，然后质子化另外一个碳。,2009 有机化学,1277,H,2009 有机化学,1278,将烯胺水解得到a-酮基戊二酸 和 L-丙氨酸。,2009 有机化学,1279,+,H2O,2009 有机化学,1280,L-酪氨酸的生物合成是从苯丙氨酸开始的。其关键是芳环的环氧化生成芳烃的环氧中间体。,L-酪氨酸的生物合成,2009 有机化学,

17、1281,L-酪氨酸的生物合成,O2, 酶,2009 有机化学,1282,L-酪氨酸的生物合成,酶,2009 有机化学,1283,L-酪氨酸的生物合成,转化为 L-酪氨酸是L-苯丙氨酸代谢的主要途径。苯丙酮尿症就是缺乏相应的酶将 L-苯丙氨酸转化为 L-酪氨酸。其结果是 L-苯丙氨酸被转化成苯丙酮酸，该化合物是有毒的。治疗的办法是减少苯丙氨酸的摄入。,2009 有机化学,1284,脱羧反应,脱羧反应是 a-氨基酸常见的反应。例如将 L-组氨酸转化为组胺。抗组胺剂就是阻止组胺的作用。,2009 有机化学,1285,脱羧反应,CO2,酶,2009 有机化学,1286,22.7多肽,2009 有机化

18、学,1287,肽,肽是由一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基以酰胺键相连的化合物。这种酰胺键常称为肽键。,2009 有机化学,1288,丙氨酸和甘氨酸,2009 有机化学,1289,丙氨酰甘氨酸,在丙氨酰甘氨酸中，两个 a-氨基酸以肽键相连。有两个氨基酸组成的肽称为二肽。,2009 有机化学,1290,丙氨酰甘氨酸,AlaGly,AG,N-端,C-端,2009 有机化学,1291,丙氨酰甘氨酸和甘氨酰丙氨酸为同分异构体,丙氨酰甘氨酸AlaGlyAG,甘氨酰丙氨酸GlyAlaGA,2009 有机化学,1292,丙氨酰甘氨酸,肽键为平面构型,2009 有机化学,1293,多肽,肽根据其氨基酸的数量

19、分类：二肽，三肽，四肽，等等亮氨酸脑菲肽就是一个五肽。,2009 有机化学,1294,亮氨酸脑菲肽,TyrGlyGlyPheLeuYGGFL,2009 有机化学,1295,催产素,催产素是一个环九肽。其环是由两个半胱氨酸的 SS 键连接的。,N-端,C-端,2009 有机化学,1296,催产素,SS bond,2009 有机化学,1297,22.8多肽结构的测定,2009 有机化学,1298,一级结构,一级结构指氨基酸的序列及二硫键的连接。,2009 有机化学,1299,经典策略 (Sanger),1.确定氨基酸的组成和分子比。2. 将肽分解成小的片断，确定这些小的片断中氨基酸的组成。3. 确

20、定母肽即每个碎片中的N-端和 C-端。4.组织所有的信息，从小碎片的重叠部分推断出整个序列。,2009 有机化学,12100,22.9氨基酸的分析,2009 有机化学,12101,氨基酸的分析,肽酸水解 (6 M HCl, 24 hr) 得到氨基酸的混合物根据氨基酸pI的不同，采用离子交换色谱分离。氨基酸用水合茚三酮检测。采用自动分析方法，只需要 10-5 到 10-7 g 肽即可,2009 有机化学,12102,22.10蛋白质的部分水解,2009 有机化学,12103,肽和蛋白质的部分水解,酸水解肽能够断裂所有的肽键。部分水解肽和蛋白质得到较小的碎片。这些小的碎片通过分离，在检测其中的氨基

21、酸。酶催化水解是理想的部分水解的方法。,2009 有机化学,12104,羧肽酶,羧肽酶是一种分解蛋白质的酶。(催化水解蛋白质).,2009 有机化学,12105,羧肽酶,羧肽酶是一种分解蛋白质的酶。(催化水解蛋白质).,羧肽酶选择性水解肽键的 C-端的氨基酸。,2009 有机化学,12106,胰蛋白酶,胰蛋白酶选择性水解赖氨酸和精氨酸的羧基,赖氨酸或精氨酸,2009 有机化学,12107,糜蛋白酶,糜蛋白酶选择性水解含芳香侧链的氨基酸的羧基。,苯丙氨酸，酪氨酸，色氨酸,2009 有机化学,12108,22.11端基分析,2009 有机化学,12109,端基分析,氨基酸的序列是模糊的，除非知道是

22、从左到右还是从右到左。必须知道N-端和 C-端的氨基酸。C-端氨基酸可以通过羧肽酶催化水解来测定。几种化学方法用于测定 N-端氨基酸。,2009 有机化学,12110,Sanger方法,Sanger试剂是2，4-二硝基氟苯 Sanger试剂是用于确定多肽N-端 2,4-二硝基氟苯对芳环的取代反应活性非常强。,2009 有机化学,12111,Sanger方法,2,4-二硝基氟苯与 N-端氨基酸的氨基氮反应,+,2009 有机化学,12112,Sanger方法,+,2009 有机化学,12113,Sanger方法,酸水解所有的肽键得到混合氨基酸，只有一个氨基酸含有 2,4-DNP 基，这个氨基酸就

23、是 N-端氨基酸。,2009 有机化学,12114,Sanger方法,酸水解所有的肽键得到混合氨基酸，只有一个氨基酸含有 2,4-DNP 基，这个氨基酸就是 N-端氨基酸。,H3O+,2009 有机化学,12115,Sanger方法,酸水解所有的肽键得到混合氨基酸，只有一个氨基酸含有 2,4-DNP 基，这个氨基酸就是 N-端氨基酸。,H3O+,H3NCHCO,CH3,+,+,+,+,2009 有机化学,12116,22.12胰岛素,2009 有机化学,12117,胰岛素,胰岛素是含有51个氨基酸的多肽。她有两个链，A 连含有 21 个氨基酸和 B 连含有30 个氨基酸。下面是如何测定B链氨基

24、酸的序列。,2009 有机化学,12118,牛胰岛素B 链,苯丙氨酸 (F) 是 N 端。胃蛋白酶水解得到四个肽： FVNQHLCGSHL VGAL VCGERGF YTPKA,2009 有机化学,12119,牛胰岛素B 链,FVNQHLCGSHL,VGAL,VCGERGF,YTPKA,2009 有机化学,12120,牛胰岛素B 链,苯丙氨酸 (F) 是 N 端。胃蛋白酶水解得到四个肽： FVNQHLCGSHL VGAL VCGERGF YTPKA上述肽的序列发现在另外的四个肽中有重叠：SHLVLVGAALTTLVC,2009 有机化学,12121,牛胰岛素B 链,FVNQHLCGSHL,SH

25、LV,LVGA,VGAL,ALY,YLVC,VCGERGF,YTPKA,2009 有机化学,12122,牛胰岛素B 链,苯丙氨酸 (F) 是 N 端。胃蛋白酶水解得到四个肽： FVNQHLCGSHL VGAL VCGERGF YTPKA上述肽的序列发现在另外的四个肽中有重叠：SHLVLVGAALTTLVC胰蛋白酶水解得到 GFFYTPK ，从而得到完整的序列。,2009 有机化学,12123,牛胰岛素B 链,FVNQHLCGSHL,SHLV,LVGA,VGAL,ALY,YLVC,VCGERGF,GFFYTPK,YTPKA,2009 有机化学,12124,牛胰岛素B 链,FVNQHLCGSHL,

26、SHLV,LVGA,VGAL,ALY,YLVC,VCGERGF,GFFYTPK,YTPKA,FVNQHLCGSHLVGALYLVCGERGFFYTPKA,2009 有机化学,12125,胰岛素,A 链的序列用相同的方法测定。二硫键通过两个半胱氨酸连接从而得到其一级结构。,2009 有机化学,12126,牛胰岛素的一级结构,A 链的N 端,B链的N 端,B链的C 端,A 链的C 端,2009 有机化学,12127,22.13Edman 降解和肽的自动测序,2009 有机化学,12128,Edman 降解,1. 用于测定 N-端的氨基酸。2.从一端能连续测定。3. 10-10 g 的样品就可以。4

27、. 已经自动化。,2009 有机化学,12129,Edman 降解,Edman 降解的试剂是异硫氰酸苯酯。,2009 有机化学,12130,Edman 降解,异硫氰酸苯酯与N-端氨基酸的氨基氮反应。,+,2009 有机化学,12131,Edman 降解,+,2009 有机化学,12132,Edman 降解,产物为苯氨甲硫酰衍生物 (PTC衍生物),PTC 衍生物在无水溶剂中用HCl 或三氟乙酸处理，N-端氨基酸从肽中断裂。,2009 有机化学,12133,Edman 降解,HCl,+,2009 有机化学,12134,Edman 降解,其产物为二氢噻唑酮，在反应条件下重排成乙内酰苯硫脲衍生物 (

28、PTH衍生物)。,+,2009 有机化学,12135,Edman 降解,乙内酰苯硫脲衍生物 (PTH衍生物)通过分离鉴定。降解过的肽继续进行第二次 Edman 降解。,+,2009 有机化学,12136,22.14肽的合成策略,2009 有机化学,12137,一般考虑,生成氨基酸间的肽键并不难。难的是将氨基酸按照正确的序列相连接。苯丙氨酸和甘氨酸随机生成肽键可以得到四个二肽。PhePheGlyGlyPheGly GlyPhe,2009 有机化学,12138,总的策略,1.通过保护一个氨基酸的氨基和另一个氨基酸的羧基来控制可能性的数目。,2009 有机化学,12139,总的策略,2.偶联两个保护

29、的氨基酸,2009 有机化学,12140,总的策略,3.将N-端的氨基和C-端的羧基脱保护。,Phe-Gly,2009 有机化学,12141,22.15氨基的保护,2009 有机化学,12142,氨基的保护通常是转化成酰胺。苄氧羰基 (C6H5CH2OCO) 是常用的保护基。其简写为 Z。Z-保护是将氨基酸与苄氧甲酰氯（氯甲酸苄酯）反应。,将氨基保护成酰胺,2009 有机化学,12143,将氨基保护成酰胺,+,1. NaOH, H2O,2. H+,(82-87%),2009 有机化学,12144,将氨基保护成酰胺,缩写为:,或 Z-Phe,2009 有机化学,12145,苄氧酰基保护的优点是很

30、容易将保护脱去：a) 氢解b) 在乙酸中用 HBr 断键,Z-保护的脱保护,2009 有机化学,12146,Z-保护基的氢解,H2, Pd,CH3,CO2,(100%),2009 有机化学,12147,Z-保护基的HBr断键,HBr,CH2Br,CO2,(82%),+,2009 有机化学,12148,叔丁氧酰基保护基,缩写为:,或 Boc-Phe,2009 有机化学,12149,Boc-保护基的HBr断键,NHCHCNHCH2CO2CH2CH3,CH2C6H5,(CH3)3COC,O,HBr,CO2,(86%),+,2009 有机化学,12150,22.16羧基的保护,2009 有机化学,12

31、151,羧基通常用酯来保护甲基酯和乙基酯通常用皂化来脱保护。苄酯通常用氢解脱保护。,用酯保护羧基,2009 有机化学,12152,苄酯的氢解,H2, Pd,C6H5CH3,CO2,(87%),+,CH3C6H5,2009 有机化学,12153,22.17肽键的形成,2009 有机化学,12154,有两种方法：1. 用N,N-二环己基碳二亚胺 (DCCI)偶联保护的氨基酸。 2. 通过N-端氨基酸的活性酯,肽键的生成,2009 有机化学,12155,DCCI偶联,+,DCCI, 氯仿,(83%),2009 有机化学,12156,DCCI偶联的机理,+,2009 有机化学,12157,DCCI偶联

32、的机理,+,2009 有机化学,12158,对硝基苯酯就是活性酯的一例。对硝基苯基比甲基、乙基更容易离去。对硝基苯基酯在亲核酰基取代反应活性很大。,活性酯法,2009 有机化学,12159,活性酯法,+,NO2,2009 有机化学,12160,活性酯法,+,氯仿,(78%),+,NO2,2009 有机化学,12161,22.18固相肽的合成法:Merrifield合成法,2009 有机化学,12162,固相肽的合成,在固相合成中，起始原料连接到惰性固体支持物上。反应物加到溶液中。反应发生在固体和溶液的界面上。因为起始原料键合在固体上，任何产物也是键合在固体上。纯化只要简单地从固体支持物上冲洗去

33、副产物就可以。,2009 有机化学,12163,固相支持,固体支持物是苯乙烯和二烯基苯的共聚物。图例是聚苯乙烯。苯乙烯和二烯基苯的共聚物有更僵硬的结构。,2009 有机化学,12164,固相支持,将聚合物支持物用氯甲基甲基醚(ClCH2OCH3)和SnCl4 将 ClCH2 加到部分苯环上。,2009 有机化学,12165,固相支持,侧链的氯甲基是一个苄卤，很容易发生亲核取代反应 (SN2)。,2009 有机化学,12166,固相支持,氯甲基化的树脂用 Boc-保护的C-端氨基酸处理，亲核反应发生， Boc-保护的氨基酸与树脂健合成酯。,2009 有机化学,12167,Merrifield 合

34、成程序,2009 有机化学,12168,Merrifield 合成程序,接着， Boc 保护基用 HCl脱去。,2009 有机化学,12169,Merrifield 合成程序,用DCCI为偶联剂与第二个氨基酸反应,2009 有机化学,12170,Merrifield 合成程序,脱去 Boc 保护基,2009 有机化学,12171,Merrifield 合成程序,在加上另一个氨基酸，不断重复.,2009 有机化学,12172,Merrifield 合成程序,最后，用HBr的 CF3CO2H溶液将多肽从树脂上脱下来,2009 有机化学,12173,Merrifield 合成程序,2009 有机化学

35、,12174,Merrifield 方法,Merrifield 已经将他的固相合成法自动化。合成一个九肽（血管舒缓激肽,1962)花费 8 天，总收率 68%。合成核酸酶 (124 氨基酸，1969) 。369 步反应; 11,391 步Nobel 化学奖: 1984,2009 有机化学,12175,22.19肽和蛋白质的二级结构,2009 有机化学,12176,蛋白质的结构水平,一级结构 = 氨基酸的序列+双硫键的连接二级结构= 邻近氨基酸的构象关系a 螺旋b 折叠片,2009 有机化学,12177,蛋白质的结构水平,肽键的平面几何构型主链的反式构象NH 和 O=C的氢键,a-螺旋和 b 折

36、叠片都可以用下列方法来表征：,2009 有机化学,12178,b 折叠片,上图为甘氨酸和丙氨酸残基交替蛋白质链形成的 b 折叠片。邻近的链为反平行。链间有氢键。van der Waals 力使之形成折叠片。,2009 有机化学,12179,b 折叠片,b 折叠片常见于含有小的侧链的氨基酸 (甘氨酸, 丙氨酸, 丝氨酸).80% 丝心蛋白 (丝绸中的主要蛋白) 含有重复序列of GlySerGlyAlaGlyAla.b 折叠片是柔软的，但能够抗拉伸。,2009 有机化学,12180,a 螺旋,图示是由L-丙氨酸组成的蛋白质的 a 螺旋。螺旋是右螺旋，每一个螺旋由 3.6 氨基酸组成。单链间存在着

37、氢键。肌肉的蛋白 (肌浆蛋白) 和羊毛 (a-角蛋白) 含有大区域的 a-落选。这些链能够被拉伸。,2009 有机化学,12181,22.20肽和蛋白质的三级结构,2009 有机化学,12182,三级结构,三级结构指蛋白总的形状 (肽链是如何折叠的)纤维蛋白 (头发，羊毛) 有伸长的形状。球形蛋白几乎是球状的：大多数酶是球形蛋白如：羧肽酶就是球形蛋白,2009 有机化学,12183,羧肽酶,羧肽酶能够催化水解蛋白质的C-端。它是一种金属酶，在其活性中心含有 Zn2+。带正电的氨基酸 (Arg-145) 紧挨着活性中心。,2009 有机化学,12184,羧肽酶,二硫键,N-端,C-端,Zn2+,

38、Arg-145,tube model,ribbon model,2009 有机化学,12185,在活性中心，反应是如何进行的?,H3N,peptide,O,NHCHC,+,C,O,O,H2N,H2N,C,Arg-145,+,2009 有机化学,12186,在活性中心，反应是如何进行的?,H3N,peptide,O,NHCHC,+,C,O,O,H2N,H2N,C,Arg-145,+,肽或蛋白质的带负电的羧基负离子与Arg145通过静电作用结合到活性中心。,2009 有机化学,12187,在活性中心，反应是如何进行的?,H3N,peptide,O,NHCHC,+,C,O,O,H2N,H2N,C,A

39、rg-145,+,Zn2+ 作为 Lewis 酸与羰基的氧作用，增加羰基碳的正电性。,2009 有机化学,12188,在活性中心，反应是如何进行的?,H3N,peptide,O,NHCHC,+,C,O,O,H2N,H2N,C,Arg-145,+,水对羰基发生亲核酰化取代反应。,2009 有机化学,12189,在活性中心，反应是如何进行的?,H2N,C,Arg-145,+,2009 有机化学,12190,22.21辅酶,2009 有机化学,12191,辅酶,由氨基酸参与的化学反应相对来说是有限的：酸-碱反应 (质子的转移和接受)亲核酰化取代反应许多其它的生物过程如氧化-还原需要辅酶、辅助因子或辅

40、基的存在才能发生。,2009 有机化学,12192,辅酶,NADH, 辅酶 A 和辅酶 B12 都是辅酶。血红素也是辅酶。,2009 有机化学,12193,血红素,卟啉铁,2009 有机化学,12194,肌红蛋白,血红素,血红素是肌红蛋白（将氧储存在肌肉中）和血红蛋白（氧的运输）与氧键合的辅酶。,2009 有机化学,12195,22.22蛋白质的四级结构:血红蛋白,2009 有机化学,12196,蛋白质的四级结构,一些蛋白质是由两个或更多的链组装成的。这些链组装的方式称为四级结构。例如：血红蛋白有4个亚单元组成。有两个相同的 a 链和两个相同的 b链每个亚单元有一个血红素，每个蛋白与肌红蛋白的

41、大小相当。,2009 有机化学,12197,22.23嘧啶和嘌呤,2009 有机化学,12198,嘧啶和嘌呤,为了理解DNA 和 RNA 的结构和性质，首先必须了解其结构组成。嘧啶和嘌呤芳香杂环化合物使DNA和RNA的基本组成。,2009 有机化学,12199,嘧啶和嘌呤,嘧啶,嘌呤,2009 有机化学,12200,重要的嘧啶化合物,在DNA中存在的嘧啶是胞嘧啶和胸腺嘧啶。 在RNA 中存在的嘧啶是尿嘧啶和胞嘧啶,尿嘧啶URNA,胸腺嘧啶TDNA,HN,NH,NH2,O,胞嘧啶CDNA,RNA,2009 有机化学,12201,重要的嘌呤化合物,在DNA 和 RNA中存在的嘌呤是腺嘌呤和鸟嘌呤,

42、腺嘌呤ADNA,RNA,鸟嘌呤GDNA,RNA,2009 有机化学,12202,咖啡因和可可碱,咖啡因 (咖啡) 和 可可碱 (咖啡和茶）是天然的嘌呤化合物。,2009 有机化学,12203,22.24核苷,2009 有机化学,12204,核苷,D-核糖或2-脱氧-D-核糖与嘧啶或嘌呤生成的N-苷叫核苷。广义的核苷：任何糖与嘧啶或嘌呤生成的N-苷.核苷中嘧啶和嘌呤称为嘧啶碱和嘌呤碱,2009 有机化学,12205,尿苷和腺苷,尿苷(嘧啶核苷),腺苷(嘌呤核苷),2009 有机化学,12206,22.25核苷酸,2009 有机化学,12207,核苷酸,核苷酸是核苷的磷酸酯,2009 有机化学,1

43、2208,腺苷 5-单磷酸酯 (AMP),腺苷 5-单磷酸酯 (AMP) 又称为 5-腺苷酸,1,2,3,4,5,2009 有机化学,12209,腺苷二磷酸酯 (ADP),2009 有机化学,12210,腺苷三磷酸酯 (ATP),2009 有机化学,12211,ATP 储存能量,AMP,ADP,ATP,每一步都是吸热的。每步的能量是从糖的代谢得来的。逆过程是放热的，是生物过程中能量来源。ATP水解到 ADP的自由能变化 DG 为 35 kJ/mol,2009 有机化学,12212,腺苷 3-5-环单磷酸酯 (cAMP),cAMP 是生物过程中重要的调节剂。,2009 有机化学,12213,22

44、.26核酸,2009 有机化学,12214,核酸,核酸是聚合的核苷酸。一个核苷酸的5 位氧与另一个核苷酸的 3 位氧相连。,2009 有机化学,12215,核酸的片断,2009 有机化学,12216,22.27DNA的结构和复制:双螺旋结构,2009 有机化学,12217,DNA的组成,Erwin Chargaff (哥伦比亚大学) 研究了不同来源的DNA，分析其嘧啶和嘌呤的分布。不同来源的DNA，其碱基腺嘌呤 (A), 鸟嘌呤 (G), 胸腺嘧啶 (T)和胞嘧啶 (C) 含量也不同。但总嘌呤 (A 和 G) 和总嘧啶 (T 和C) 的量总是相同的。而且: %A = %T, %G = %C,2

45、009 有机化学,12218,人类 DNA的组成,腺嘌呤 (A) 30.3%胸腺嘧啶 (T) 30.3%鸟嘌呤 (G) 19.5%胞嘧啶 (C) 19.9%总嘌呤: 49.8%总嘧啶: 50.1%,例如：,嘌呤,嘧啶,2009 有机化学,12219,碱基配对,Watson 和 Crick 提议t A 和 T 是等量的因为两者的氢键是互补的。,2-脱氧核糖,2-脱氧核糖,A,T,2009 有机化学,12220,碱基配对,同样, G 和 C 的量是相同的也是因为其氢键的互补。,2-脱氧核糖,2-脱氧核糖,G,C,2009 有机化学,12221,DNA 双螺旋,Watson 和 Crick 建议DN

46、A是双链结构，其中嘌呤和嘧啶根据其互补的氢键相连。,2009 有机化学,12222,DNA两条反平行的带通过嘌呤和嘧啶间的互补氢键配对。,2009 有机化学,12223,DNA 双螺旋结构 嘌呤和嘧啶碱基在一边，糖及磷酸酯在另一边。,2009 有机化学,12224,DNA 的复制,C,G,T,A,当双螺旋分开时，每条链作为模板，在上面复制。,2009 有机化学,12225,DNA 的复制,A,C,G,T,T,A,G,C,2009 有机化学,12226,22.28DNA-引导下的蛋白质的生物合成,2009 有机化学,12227,DNA 和蛋白质的合成,根据 Crick分子生物学的中心教义：“DNA 制造 RNA，RNA 制造蛋白质三种 RNA相关：信息核糖核酸 (mRNA)转移核糖核酸 (tRNA)核糖体核糖核酸 (rRNA)两个主要阶段：转录翻译,2009 有机化学,12228,转录,转录是以DNA的一条链为模板，生成 mRNA 的一条链。mRNA核苷酸的序列是与 DNA模板互补的。转录是从DNA 5 端开始的，在 RNA 聚合酶催化下进行的。,2009 有机化学,12229,转录,当DNA 的双联打开时，互补的 mRNA链在 5 端形成。,