《基础化学》课程教学资源（教案讲义）蛋白质和核酸

蛋白质和核酸 蛋白质 蛋白质是多种α-氨基酸按一定顺序以肽键连接而形成的生物高分子化合 物。通常将相对分子质量低于1万的称为多肽，高于1万至数千万的称为蛋白质。 蛋白质的种类繁多，结构复杂，功能特异。要了解蛋白质的性质和生物学功能， 就必须认识蛋白质的结构，即蛋白质分子中氨基酸的种类、数目、排列顺序和空 间结构。 一、蛋白质的元素组成 经过对蛋白质的元素分析，组成蛋白质的元素并不多，含量较多的元素主要 有C(50%~55%)、H(6%~7%)、0(20%~23%)、N(15%~17%)4种，大多 数蛋白质还含有少量的S(0~4%),另外P、Fe、Cu、Mm、Zn、I等元素也存在 于某些蛋白质中。 二、蛋白质的结构 蛋白质分子的基本结构是多肽链，其多肽链不仅有严格的氨基酸组成及排列 顺序，而且在三维空间上具有独特的复杂而精细的结构，这种结构是蛋白质理化 性质和生物学功能的基础。 （(一)蛋白质的一级结构 蛋白质多肽链中各种α-氨基酸残基的排列顺序，称为蛋白质的一级结构。 其中肽键是各氨基酸残基之间的主要连接方式（主键），在某些蛋白质分子的一级 结构中尚含有少量的二硫键。有些蛋白质就是一条多肽链，有的则由数条多肽链 构成。例如，核糖核酸酶分子含1条多肽链，124个氨基酸残基：血红蛋白含4 条多肽链，共有574个氨基酸残基。 (二)蛋白质的空间结构 蛋白质空间结构是指多肽链在空间进一步盘曲折叠形成的构象，它包括二级 结构、三级结构和四级结构。分子的多肽链并不是以线型的形式随机伸展的结构， 而是卷曲、折叠成特有的空间结构。 1.二级结构蛋白质分子多肽链的主链骨架借助肽键之间的氢键所形成的 空间结构，包括α-螺旋、-折叠、B-转角等形式，称为蛋白质的二级结构

蛋白质和核酸 蛋白质 蛋白质是多种 α-氨基酸按一定顺序以肽键连接而形成的生物高分子化合 物。通常将相对分子质量低于1万的称为多肽，高于1万至数千万的称为蛋白质。 蛋白质的种类繁多，结构复杂，功能特异。要了解蛋白质的性质和生物学功能， 就必须认识蛋白质的结构，即蛋白质分子中氨基酸的种类、数目、排列顺序和空 间结构。 一、蛋白质的元素组成 经过对蛋白质的元素分析，组成蛋白质的元素并不多，含量较多的元素主要 有 C(50﹪～55﹪)、H(6﹪～7﹪)、O(20﹪～23﹪)、N(15﹪～17﹪)4 种，大多 数蛋白质还含有少量的 S(0～4﹪)，另外 P、Fe、Cu、Mn、Zn、I 等元素也存在 于某些蛋白质中。 二、蛋白质的结构 蛋白质分子的基本结构是多肽链，其多肽链不仅有严格的氨基酸组成及排列 顺序，而且在三维空间上具有独特的复杂而精细的结构，这种结构是蛋白质理化 性质和生物学功能的基础。 (一)蛋白质的一级结构 蛋白质多肽链中各种 α-氨基酸残基的排列顺序，称为蛋白质的一级结构。 其中肽键是各氨基酸残基之间的主要连接方式(主键)，在某些蛋白质分子的一级 结构中尚含有少量的二硫键。有些蛋白质就是一条多肽链，有的则由数条多肽链 构成。例如，核糖核酸酶分子含 1 条多肽链，124 个氨基酸残基；血红蛋白含 4 条多肽链，共有 574 个氨基酸残基。 (二)蛋白质的空间结构 蛋白质空间结构是指多肽链在空间进一步盘曲折叠形成的构象，它包括二级 结构、三级结构和四级结构。分子的多肽链并不是以线型的形式随机伸展的结构， 而是卷曲、折叠成特有的空间结构。 1.二级结构 蛋白质分子多肽链的主链骨架借助肽键之间的氢键所形成的 空间结构，包括 α-螺旋、β-折叠、β-转角等形式，称为蛋白质的二级结构

2.三级结构蛋白质的多肽链在主链借助肽键之间的氢键形成二级结构基 础上，其相隔较远的氨基酸残基侧链（®-）之间还可借助于多种副键而进行范围 广泛的卷曲、折叠，所形成的特定整体排列称为蛋白质的三级结构。 研究证明，具有三级结构的蛋白质才具有生物功能，三级结构一旦破坏，蛋 白质的生物功能便丧失。 3.四级结构许多蛋白质是由两条或多条具有独立三级结构的多肽链构成， 这些多肽链称为亚基。由亚基构成的蛋白质称为寡聚蛋白。寡聚蛋白中各亚基借 助于各种副键（氢键、盐键、疏水键和范德华力等）而形成的空间排列方式称为蛋 白质的四级结构。 蛋白质的结构非常复杂，人类在探索生命奥秘的过程中虽然对蛋白质的结构 有一定认识，但对多数蛋白质的结构还有待进一步研究。 三、蛋白质的性质 (一)蛋白质的两性电离和等电点 蛋白质分子多肽链中总有游离的氨基和羧基存在，其侧链上也常含有酸性基 团和碱性基团，因此蛋白质与氨基酸相似，也具有两性电离和等电点的性质，在 水溶液中，蛋白质可解离为阴离子、阳离子，也可形成两性离子。 蛋白质在水溶液中的解离平衡，以及加酸或加碱时平衡移动的方向可用下式 表示（式中HN-P-COOH代表蛋白质分子，羧基代表分子中所有的酸性基团， 氨基代表分子中所有的碱性基团)。 COOH C00 COOH H P p NHOH- NH, OH 蛋白质负离子 两性离子 蛋白质正离子 pH>pI 等电点(p=plD 蛋白质在溶液中的存在形式随pH变化而改变。适当调节溶液的pH,可使 蛋白质主要以两性离子的形式存在，故在电场中不向任何电极移动，此时溶液的 pH称为该蛋白质的等电点，用pI表示

2.三级结构 蛋白质的多肽链在主链借助肽键之间的氢键形成二级结构基 础上，其相隔较远的氨基酸残基侧链(R-)之间还可借助于多种副键而进行范围 广泛的卷曲、折叠，所形成的特定整体排列称为蛋白质的三级结构。 研究证明，具有三级结构的蛋白质才具有生物功能，三级结构一旦破坏，蛋 白质的生物功能便丧失。 3.四级结构 许多蛋白质是由两条或多条具有独立三级结构的多肽链构成， 这些多肽链称为亚基。由亚基构成的蛋白质称为寡聚蛋白。寡聚蛋白中各亚基借 助于各种副键(氢键、盐键、疏水键和范德华力等)而形成的空间排列方式称为蛋 白质的四级结构。 蛋白质的结构非常复杂，人类在探索生命奥秘的过程中虽然对蛋白质的结构 有一定认识，但对多数蛋白质的结构还有待进一步研究。 三、蛋白质的性质 (一)蛋白质的两性电离和等电点 蛋白质分子多肽链中总有游离的氨基和羧基存在，其侧链上也常含有酸性基 团和碱性基团，因此蛋白质与氨基酸相似，也具有两性电离和等电点的性质，在 水溶液中，蛋白质可解离为阴离子、阳离子，也可形成两性离子。 蛋白质在水溶液中的解离平衡，以及加酸或加碱时平衡移动的方向可用下式 表示(式中 H2N-P-COOH 代表蛋白质分子，羧基代表分子中所有的酸性基团， 氨基代表分子中所有的碱性基团)。 P COO￾NH2 H+ OH￾P COO￾NH3 + H+ OH￾P COOH NH3 + pH>pI 等 电 点 （pH=pI） pH<pI NH2 P COOH 蛋白质负离子 两性离子 蛋白质正离子 蛋白质在溶液中的存在形式随 pH 变化而改变。适当调节溶液的 pH，可使 蛋白质主要以两性离子的形式存在，故在电场中不向任何电极移动，此时溶液的 pH 称为该蛋白质的等电点，用 pI 表示

(二)蛋白质的胶体性质 蛋白质是高分子化合物，相对分子质量大，在水溶液中形成的颗粒直径一般 在1-100m之间，属于胶体分散系，因此蛋白质具有胶体溶液的性质。如布朗 运动、丁达尔效应、不能透过半透膜及较强的吸附作用等， 利用蛋白质不能通过半透膜的性质，将蛋白质与小分子物质分离而得以纯化， 这种方法称为透析法。 (三)蛋白质的变性 天然蛋白质因受某些物理因素或化学因素的影响，其分子内部原有的高度规 律性的空间结构发生改变或破坏，导致蛋白质生物活性的丧失以及理化性质的改 变，这种现象称为蛋白质的变性。变性后的蛋白质称为变性蛋白质。能使蛋白质 变性的因素很多。物理因素有加热、高压、紫外线、X-射线、超声波和剧烈搅 拌等：化学因素包括加强酸、强碱、尿素、重金属盐及一些有机溶剂等。不同蛋 白质对各种变性因素的敏感程度不同。 蛋白质变性后，若其空间结构改变不大，就可以恢复原有结构和性质，称为 可逆变性：若其空间结构改变较大，则其结构和性质不能恢复，称为不可逆变性。 (四)蛋白质的沉淀 1.盐析法向蛋白质溶液中加入大量的中性盐，使蛋白质发生沉淀的现象称 为盐析。维持蛋白质溶液稳定的主要因素是蛋白质分子表面的水化膜和所带的同 性电荷。盐析作用的实质是盐类离子强烈的亲水作用破坏了蛋白质分子表面的水 化膜，同时相反电荷的离子能中和蛋白质的电荷。盐析是沉淀蛋白质的方法之一。 常用的盐析剂有NH4hSO4、NaSO4、NaCI和MgSO,等。 不同蛋白质盐析时所需的浓度也各不相同，因此可用不同浓度的中性盐溶液 使蛋白质分批析出沉淀，这种蛋白质的分离方法称为分段盐析。 2.加有机溶剂某些有机溶剂如乙醇、丙酮等是脱水剂，可以破坏蛋白质周 围的水化膜，使蛋白质沉淀。 3.加重金属盐某些重金属盐如硝酸银、醋酸铅及氯化高汞等中的阳离子与 蛋白质分子结合，生成不溶性的蛋白质盐沉淀。此法常易使蛋白质变性。 4.加生物碱试剂某些生物碱如苦味酸、三氯醋酸、鞣酸和磺柳酸等可使蛋 白质沉淀。这是因为蛋白质在pH<1的溶液中带正电荷，能与这些有机酸结合生

(二) 蛋白质的胶体性质 蛋白质是高分子化合物，相对分子质量大，在水溶液中形成的颗粒直径一般 在 1~100nm 之间，属于胶体分散系，因此蛋白质具有胶体溶液的性质。如布朗 运动、丁达尔效应、不能透过半透膜及较强的吸附作用等。 利用蛋白质不能通过半透膜的性质，将蛋白质与小分子物质分离而得以纯化， 这种方法称为透析法。 (三) 蛋白质的变性 天然蛋白质因受某些物理因素或化学因素的影响，其分子内部原有的高度规 律性的空间结构发生改变或破坏，导致蛋白质生物活性的丧失以及理化性质的改 变，这种现象称为蛋白质的变性。变性后的蛋白质称为变性蛋白质。能使蛋白质 变性的因素很多。物理因素有加热、高压、紫外线、X-射线、超声波和剧烈搅 拌等；化学因素包括加强酸、强碱、尿素、重金属盐及一些有机溶剂等。不同蛋 白质对各种变性因素的敏感程度不同。 蛋白质变性后，若其空间结构改变不大，就可以恢复原有结构和性质，称为 可逆变性；若其空间结构改变较大，则其结构和性质不能恢复，称为不可逆变性。 （四）蛋白质的沉淀 1.盐析法 向蛋白质溶液中加入大量的中性盐，使蛋白质发生沉淀的现象称 为盐析。维持蛋白质溶液稳定的主要因素是蛋白质分子表面的水化膜和所带的同 性电荷。盐析作用的实质是盐类离子强烈的亲水作用破坏了蛋白质分子表面的水 化膜，同时相反电荷的离子能中和蛋白质的电荷。盐析是沉淀蛋白质的方法之一。 常用的盐析剂有(NH4)2SO4、Na2SO4、NaCl 和 MgSO4 等。 不同蛋白质盐析时所需的浓度也各不相同，因此可用不同浓度的中性盐溶液 使蛋白质分批析出沉淀，这种蛋白质的分离方法称为分段盐析。 2.加有机溶剂 某些有机溶剂如乙醇、丙酮等是脱水剂，可以破坏蛋白质周 围的水化膜，使蛋白质沉淀。 3.加重金属盐 某些重金属盐如硝酸银、醋酸铅及氯化高汞等中的阳离子与 蛋白质分子结合，生成不溶性的蛋白质盐沉淀。此法常易使蛋白质变性。 4.加生物碱试剂 某些生物碱如苦味酸、三氯醋酸、鞣酸和磺柳酸等可使蛋 白质沉淀。这是因为蛋白质在 pH<pI 的溶液中带正电荷，能与这些有机酸结合生

成不溶性的盐沉淀出来。 (五)蛋白质的颜色反应 蛋白质分子内含有许多肽键和某些带有特殊基团的氨基酸残基，可与不同试 剂产生各种特有的颜色反应（见下表）。利用这些反应可以对蛋白质进行定性鉴定 和定量分析。 表蛋白质的颜色反应 反应名称 试剂 颜色 作用基团 缩二脲反应 CuSO4的碱性溶液 紫色或紫红色 肽键 硝酸汞、硝酸亚汞 米伦反应 红色 酚羟基 和硝酸混合液 茚三酮反应 茚三酮稀溶液 蓝紫色 氨基 黄蛋白反应 浓硝酸氨水 黄色-橙红色 苯环 坂口反应 次氯酸钠或次溴酸钠 红色 肌基 乙醛酸反应 乙醛酸、浓硫酸 紫红色 色氨酸 四、酶 酶是一类具有催化作用的蛋白质。生物体内几乎所有的代谢反应都是在酶催 化下进行的，所以酶又称为生物催化剂。酶所催化的反应物称为底物，酶所具有 的催化能力称为酶的活性，如果酶失去催化能力称为酶的失活。有些酶属于单纯 的蛋白质，另一些则含有非蛋白质部分，因而属于结合蛋白质类。 酶具有高效率的催化作用，比一般催化剂高10°~103倍。酶能在机体中十 分温和的条件下使各种代谢反应顺利地进行。 酶具有高度的专一性，即一种酶只能催化一种或一类反应。如脲种只能催化 尿素水解，脂肪酶能催化脂肪酯类水解。 酶具有高度的不稳定性，很容易受机体内各种因素的影响：凡可使蛋白质变 性的各种因素，都可使酶失活。 核酸 1868年，瑞士生物学家米歇尔(Miescher)从绷带上的脓细胞核中提取到一 种富含磷元素的酸性物质，将其称为核质。1898年更名为核酸。核酸是一类普 遍存在于生物体内具有酸性的生物高分子化合物，核酸是生命最根本的物质基础

成不溶性的盐沉淀出来。 (五) 蛋白质的颜色反应 蛋白质分子内含有许多肽键和某些带有特殊基团的氨基酸残基，可与不同试 剂产生各种特有的颜色反应(见下表)。利用这些反应可以对蛋白质进行定性鉴定 和定量分析。 表 蛋白质的颜色反应 反应名称 试 剂 颜 色 作用基团 缩二脲反应 CuSO4的碱性溶液 紫色或紫红色 肽键 米伦反应 硝酸汞、硝酸亚汞 和硝酸混合液 红色 酚羟基 茚三酮反应 茚三酮稀溶液 蓝紫色 氨基 黄蛋白反应 浓硝酸-氨水 黄色-橙红色 苯环 坂口反应 次氯酸钠或次溴酸钠 红色 胍基 乙醛酸反应 乙醛酸、浓硫酸 紫红色 色氨酸 四、酶 酶是一类具有催化作用的蛋白质。生物体内几乎所有的代谢反应都是在酶催 化下进行的，所以酶又称为生物催化剂。酶所催化的反应物称为底物，酶所具有 的催化能力称为酶的活性，如果酶失去催化能力称为酶的失活。有些酶属于单纯 的蛋白质，另一些则含有非蛋白质部分，因而属于结合蛋白质类。 酶具有高效率的催化作用，比一般催化剂高 106～1013 倍。酶能在机体中十 分温和的条件下使各种代谢反应顺利地进行。 酶具有高度的专一性，即一种酶只能催化一种或一类反应。如脲酶只能催化 尿素水解，脂肪酶能催化脂肪酯类水解。 酶具有高度的不稳定性，很容易受机体内各种因素的影响；凡可使蛋白质变 性的各种因素，都可使酶失活。 核 酸 1868 年，瑞士生物学家米歇尔（Miescher）从绷带上的脓细胞核中提取到一 种富含磷元素的酸性物质，将其称为核质。1898 年更名为核酸。核酸是一类普 遍存在于生物体内具有酸性的生物高分子化合物，核酸是生命最根本的物质基础

一、核酸的分类 根据分子中含戊糖的种类不同，核酸可分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核 酸(DNA)两大类。 DNA主要存在于细胞核和线粒体内，它是生物遗传的主要物质基础，承担 体内遗传信息的贮存和发布。 RNA约90%存在于细胞质中，约10%存在于细胞核中。它直接参与体内蛋 白质的合成。根据RNA在蛋白质合成过程中所起的作用不同，又可分为核蛋白 体RNA、信使RNA和转运RNA三类。 核蛋白体RNA(RNA)又称核糖体RNA,细胞内RNA的绝大部分(8O%~ 90%)都是核蛋白体组织。它是合成蛋白质多肽链的场所。参与蛋白质合成的各 种成分最终必须在核蛋白体上将氨基酸按特定的顺序组装成多肽链。 信使RNA(mRNA)是合成蛋白质的模板，在合成蛋白质时，控制氨基酸的排 列顺序。 转运RNA(tRNA)在蛋白质的合成过程中，是搬运氨基酸的工具。氨基酸由 各自特异的RNA“搬运”到核蛋白体，才能“组装”成多肽链。 二、核酸的组成成分 核酸在酸、碱或酶作用下可逐步水解，其水解过程如下： 枝酸0、核背酸H0 (RNA或DNA) 核眷0 ,戊糖（核糖或脱氧核糖） 碱基（嘌吟碱或嘧啶碱） 从核酸完全水解的产物可见，核酸含有磷酸、戊糖与碱基三类化学成分。 （一）戊糖 组成DNA的戊糖是D-2-脱氧核糖，而RNA中戊糖是D-核糖。它们都以 呋喃型的环式结构存在于核酸中 HOH- HOH-C OH OH B-D-核糖 B-D-2-脱氧核糖 (二)碱基 核酸中存在的碱基是嘧啶碱和嘌呤碱，它们是含氮杂环化合物嘧啶和嘌呤的

一、核酸的分类 根据分子中含戊糖的种类不同，核酸可分为核糖核酸(RNA)和脱氧核糖核 酸(DNA) 两大类。 DNA 主要存在于细胞核和线粒体内，它是生物遗传的主要物质基础，承担 体内遗传信息的贮存和发布。 RNA 约 90%存在于细胞质中，约 10%存在于细胞核中。它直接参与体内蛋 白质的合成。根据 RNA 在蛋白质合成过程中所起的作用不同，又可分为核蛋白 体 RNA、信使 RNA 和转运 RNA 三类。 核蛋白体 RNA(rRNA)又称核糖体 RNA，细胞内 RNA 的绝大部分(80％～ 90％)都是核蛋白体组织。它是合成蛋白质多肽链的场所。参与蛋白质合成的各 种成分最终必须在核蛋白体上将氨基酸按特定的顺序组装成多肽链。 信使 RNA(mRNA)是合成蛋白质的模板，在合成蛋白质时，控制氨基酸的排 列顺序。 转运 RNA(tRNA)在蛋白质的合成过程中，是搬运氨基酸的工具。氨基酸由 各自特异的 tRNA“搬运”到核蛋白体，才能“组装”成多肽链。 二、核酸的组成成分 核酸在酸、碱或酶作用下可逐步水解，其水解过程如下： 核酸 核苷酸 磷酸 核苷 戊糖（核糖或脱氧核糖） 碱基（嘌呤碱或嘧啶碱） H2O H2O (RNA或DNA) H2O 从核酸完全水解的产物可见，核酸含有磷酸、戊糖与碱基三类化学成分。 (一) 戊糖 组成 DNA 的戊糖是 D-2-脱氧核糖，而 RNA 中戊糖是 D-核糖。它们都以 β- 呋喃型的环式结构存在于核酸中  -D-2-脱氧核糖 O OH H OH H H HOH2C H H (二) 碱基 核酸中存在的碱基是嘧啶碱和嘌呤碱，它们是含氮杂环化合物嘧啶和嘌呤的  -D-核糖 O OH H OH H H HOH2C H OH

衍生物。 三、核苷和核苷酸 (一）核苷 由核糖或脱氧核糖与嘌呤碱或嘧啶碱缩合而成的糖苷称为核苷。两种戊糖在 形成核苷时，均以其阝-苷羟基与嘌呤碱的9位氮或嘧啶碱的1位氨上的氢脱水 形成氮苷键。 （二)核苷酸 核苷酸是组成核酸的基本单位，正如蛋白质是由许多氨基酸基本单位组成的 一样，核酸也是由许多核苷酸基本单位按特有的顺序连接而成。 四、核酸的结构 (一)核酸的一级结构 各种核苷酸的排列顺序和连接方式即为核酸的一级结构，又称为核苷酸序列。 由于同类核酸都有同样的磷酸戊糖骨架，差别主要是戊糖1'位上的碱基，所 以也可用碱基顺序来表示核酸的一级结构。 (二)核酸的二级结构 1.DNA的双螺旋结构1953年，Watson和Crick提出了著名的DNA分子的双 螺旋结构模型。大多数DNA分子的二级结构为双螺旋结构。 DNA分子由两条走向相反的多核苷酸链绕同一轴心相互平行，盘旋成右手 双螺旋结构。双螺旋的螺距为3.4nm,直径为2.0nm,每10个单核苷酸构成一圈 螺旋。两条核苷酸链之间的碱基以特定的方式配对并形成氢键，使两条核苷酸链 结合并维持双螺旋的空间结构。 2.RNA的空间结构与DNA不同，大多数天然RNA一般由一条回折的多核 苷酸链构成，它也是依靠嘌呤碱与嘧啶碱之间的氢键保持相对稳定的结构，碱基 互补规则是A-U、G-C。RNA的结构一般以单链存在，但可以有局部二级结构

衍生物。 三、核苷和核苷酸 (一)核苷 由核糖或脱氧核糖与嘌呤碱或嘧啶碱缩合而成的糖苷称为核苷。两种戊糖在 形成核苷时，均以其 β-苷羟基与嘌呤碱的 9 位氮或嘧啶碱的 1 位氮上的氢脱水 形成氮苷键。 (二)核苷酸 核苷酸是组成核酸的基本单位，正如蛋白质是由许多氨基酸基本单位组成的 一样，核酸也是由许多核苷酸基本单位按特有的顺序连接而成。 四、核酸的结构 (一)核酸的一级结构 各种核苷酸的排列顺序和连接方式即为核酸的一级结构，又称为核苷酸序列。 由于同类核酸都有同样的磷酸戊糖骨架，差别主要是戊糖1´位上的碱基，所 以也可用碱基顺序来表示核酸的一级结构。 (二)核酸的二级结构 1. DNA的双螺旋结构 1953年，Watson和Crick提出了著名的DNA分子的双 螺旋结构模型。大多数DNA分子的二级结构为双螺旋结构。 DNA分子由两条走向相反的多核苷酸链绕同一轴心相互平行，盘旋成右手 双螺旋结构。双螺旋的螺距为3.4 nm，直径为2.0 nm，每10个单核苷酸构成一圈 螺旋。两条核苷酸链之间的碱基以特定的方式配对并形成氢键，使两条核苷酸链 结合并维持双螺旋的空间结构。 2. RNA的空间结构 与DNA不同，大多数天然RNA一般由一条回折的多核 苷酸链构成，它也是依靠嘌呤碱与嘧啶碱之间的氢键保持相对稳定的结构，碱基 互补规则是A-U、G-C。RNA的结构一般以单链存在，但可以有局部二级结构