本章概述
生物大分子脱氧核糖核酸（又称去氧核糖核酸）具有信息储存的功能，它可以组成遗传信息，从而指导生物发育过程和生命机能运作。DNA是由许多脱氧核苷酸通过3',5'-磷酸二酯键按一定碱基顺序相连构成的长链核酸分子。基于M. Wilkins和R. Franklin所得的双链DNA的X射线衍射数据，J. D. Watson和F. H. C. Crick提出了DNA双螺旋结构模型，也称Watson-Crick模型。
有机分子是构成生命的基础。在早期发展中，有机化学被定义为生命体的化学。生命的特征活动主要包含了生长、代谢、繁殖以及进化，这些生命活动都是由化学反应来实现的。
蛋白质（protein）是生命的主要物质基础之一。生命体中的蛋白质均由20种氨基酸（amino acid）通过肽键连接而成。因此，要讨论蛋白质的结构和性质，首先必须了解蛋白质的基石——氨基酸的化学。
氨基酸的结构与命名
氨基酸的定义与分类
顾名思义，氨基酸就是带有氨基的羧酸。因此，羧酸分子中烃基上的一个或几个氢原子被氨基取代后生成的化合物称为氨基酸。根据氨基和羧基的相对位置，氨基酸可以分为α-氨基酸、β-氨基酸、γ-氨基酸等。自然界中最常见的为α-氨基酸。
R可以是烷基或芳基，也可以是羟基、氨基、巯基、羧基、胍基或其他芳香杂环。这种侧链的多样性赋予了不同氨基酸独特的化学性质。
D/L构型与手性
自然界中大约有500多种氨基酸，但是从最小的生物到我们人类，所有物种中的蛋白质主要由20种氨基酸组成，而这些氨基酸均为α-氨基酸。α-氨基酸可用通式RCH(NH₂)COOH表示。从通式不难看出，除氨基乙酸(R=H)外，α-氨基酸中的α碳原子都是手性碳原子。
20种天然氨基酸
中性氨基酸的羧基与氨基的基团个数相同。
* 标记为必需氨基酸（essential amino acid）
酸性氨基酸的羧基多于氨基。
碱性氨基酸的氨基多于羧基。
α-氨基酸的基本化学性质
两性离子性
氨基酸分子中既有碱性基团（氨基），又有酸性基团（羧基），它们同时具有胺和羧酸的性质。因此氨基酸具有两性（amphoteric）离子性。
铵离子的pKa约为10~11，羧酸的pKa约为2~5，因此氨基酸分子也可以内盐（internal salt）的形式存在，即氨基酸以两性离子（zwitterion）的形式存在：
酸碱性和等电点
氨基酸是一个两性分子（amphoteric molecule），既能与酸发生反应，又能与碱发生反应。因此，氨基酸在水溶液中的组成主要取决于溶液的pH。
等电点（isoelectric point, pI）：在该pH下氨基酸主要以两性离子形式存在，质子化与去质子化倾向相同。此时溶液中两性离子浓度最大，而它的溶解度最小，可以结晶析出。
甘氨酸盐酸盐滴定曲线
α-氨基酸的化学反应和生化反应
基本化学反应
α-氨基酸含有两个官能团：氨基和羧基，因此，它基本具有这两个官能团的反应特性。α-氨基酸中氨基的酰化反应就是其中最重要的反应：
α-氨基酸中羧基的酯化反应也是氨基酸的重要反应：
与茚三酮的反应
氨基与醛(酮)羰基反应生成亚胺或亚胺正离子也是胺类化合物的一个重要反应。此反应是α-氨基酸的一个重要鉴定反应的一部分。凡是具有游离氨基的氨基酸，其水溶液和水合茚三酮（ninhydrin）反应，都能生成一种紫色的化合物。该反应十分灵敏，是鉴定氨基酸最简便的方法。
脯氨酸中的氨基为二级胺，它与水合茚三酮反应时呈橙黄色。
生化反应 - PLP辅酶
氨基酸的许多生化反应都需要辅酶5'-磷酸吡哆醛（pyridoxal 5'-phosphate, PLP）的参与。PLP是维生素B₆的活性形式，在氨基酸代谢中起着关键作用。
许多氨基酸均可以在PLP辅酶作用下进行脱羧反应。例如组氨酸可以脱羧形成组胺（histamine）。组胺是一种活性胺化合物，能松弛血管平滑肌使血管扩张。
PLP还可以将一个物种上的氨基转移至另一个物种。例如L-氨基酸与α-酮代戊二酸发生转氨基作用：
PLP还可以作为辅酶催化氨基酸的消旋化反应。在质子向非手性的亚胺中间体转移的过程中，会产生一对含量相等的对映体。
神经递质去甲肾上腺素（肾上腺素的前体）就是通过L-酪氨酸经修饰和脱羧转换而成的：
L-酪氨酸 → L-多巴 → 多巴胺 → 去甲肾上腺素 → 肾上腺素
氨基酸的制备
消旋氨基酸的合成法
Strecker法是用醛与氢氰酸和氨（或与氰化铵）发生作用，得到α-氨基氰化物，再经水解，生成(±)-氨基酸。
N. D. Zelinsky后来改进了此法，用醛、氯化铵和氰化钾的混合水溶液反应，避免了直接使用氢氰酸或氰化铵。
利用氨作为亲核试剂对羧酸的α位进行亲核取代反应是合成氨基酸的最快捷有效的方法。此法首先对羧酸的α位进行溴化，然后再与氨进行亲核取代，生成氨基酸：
用卤代酸酯和邻苯二甲酰亚胺钾反应，然后水解，可以生成很纯的氨基酸。
为了提高此亲核取代反应的产率，通常采用α-溴代丙二酸二乙酯为原料。
对映体纯的氨基酸的合成
前面已经讨论了外消旋氨基酸的合成方法，但是天然的氨基酸均是L构型，因此，若希望合成天然氨基酸，或者对以上合成的外消旋氨基酸进行拆分；或者发展新的不对称合成法，进行对映体纯的氨基酸的合成。
拆分外消旋氨基酸的最佳方法是使其与光学纯手性胺反应，将其转化为一对非对映体的盐，就可以通过分步结晶的方法将二者分开，最后再酸化，得到光学纯的氨基酸。
多肽的命名和结构
肽键的形成
一个氨基酸的羧基与另一分子氨基酸的氨基通过失水反应，形成一个酰胺键，新生成的化合物称为肽（peptide），肽分子中的酰胺键叫做肽键（peptide bond）。
肽的命名
二分子氨基酸失水形成的肽叫二肽（dipeptide），多个氨基酸失水形成的肽叫多肽（polypeptide）。由酰胺键构成的链称为主链（main chain），肽链上每一取代基均称为侧链（side chains）。
命名多肽化合物时，以肽链为主链，通常将C-端的氨基酸作为母体，将肽链中的其他氨基酸看做酰基取代基，放在母体前。
或简称 甘-丙-缬 / G-A-V
二硫键的形成
半胱氨酸中有一个巯基，两个半胱氨酸温和氧化，可通过二硫键形成胱氨酸；胱氨酸可以还原回两个半胱氨酸：
如果两个肽链中均有一个半胱氨酸残基，那么这两条肽链可能可以通过二硫键结合起来。这对于蛋白质的三维结构具有重要影响。
胰岛素的结构
胰岛素（insulin）中有两条肽链，由21个氨基酸组成的A链上有四个半胱氨酸残基，由30个氨基酸组成的B链有两个半胱氨酸残基。A链和B链各用两个半胱氨酸残基的-SH氧化后形成两个二硫键，构成一个大环，此外A链上尚有两个半胱氨酸残基的-SH氧化成一个小环。
多肽合成
保护基策略
多肽也可以通过人工合成的方法获得。从肽的定义出发，多肽的人工合成看上去非常简单，就是把各种氨基酸按一定的顺序通过酰胺键连接起来。但是，氨基酸中既有氨基，又有羧基，因此两种不同的氨基酸接肽时可能产生四种以上产物。
因此，在合成多肽时，要按照结构的需要，将不参与形成酰胺键的氨基和羧基先保护起来，使它们不能参与反应。如果需要，有的侧链也需要保护。
催化氢解/HBr脱除
酸性条件脱除
碱性条件脱除
接肽方法
此方法中先使氨基被保护的氨基酸与氯甲酸乙酯反应形成混合酸酐，然后再与另一个羧基被保护的氨基酸通过酸酐的氨解反应完成酰胺键的形成。
此方法是使氨基被保护的氨基酸与对硝基苯酚反应，转变成具有更强亲电性的酯基，接着与另一个羧基被保护的氨基酸通过酯的氨解反应完成酰胺键的构建。
除活化羧基的方法外，还可用有效的失水剂（或称缩合剂 condensation agent）使氨基和羧基结合起来。最常用的是二环己基碳二亚胺（N,N'-dicyclohexylcarbodiimide, DCC）。DCC的作用是活化羧酸的羰基，以便被氨基亲核进攻，自身在反应中和水结合，最终变为不溶的二环己基脲。
固相多肽合成法
目前，多肽的合成已经通过固相多肽合成法（solid-phase synthesis of polypeptide）实现了自动化。为了增加每一步接肽的产量、避免提取过程中的损失，R. B. Merrifield从1959年开始研究多肽固相合成法。1962年，他成功地用固相合成法合成了一个二肽，接着很快又合成了一个四肽。
蛋白质的分子形状
蛋白质的四级结构
确定了一个蛋白质或多肽的氨基酸顺序，这只是完成了一级结构（primary structure）的测定。蛋白质的专一生理作用还要取决于它们的高级结构，即它们的二级结构、三级结构和四级结构。
一级结构
氨基酸序列
Primary Structure
肽键连接的线性序列
二级结构
α-螺旋/β-折叠
Secondary Structure
氢键维持的局部构象
三级结构
空间折叠
Tertiary Structure
整条肽链的三维构象
四级结构
亚基聚合
Quaternary Structure
多条肽链的组装方式
α-螺旋结构
蛋白质的二级结构是指多肽链主链骨架中各个肽段所形成的规则的或无规则的构象。多肽链主链骨架中形成的有规则的构象主要是依靠氢键维持的，最常见的二级结构是α-螺旋结构（α-helix structure）和β-折叠结构（β-pleated structure）。
α-螺旋结构中多肽链主链骨架围绕一个轴一圈一圈地上升，从而形成一个螺旋式的构象。螺旋旋转的方向有左手和右手之分；按照氢键形成方式的不同，可以把螺旋分为α-螺旋和γ-螺旋。在各种形成的螺旋构象中，只有右手α-螺旋是最稳定的构象，因此它存在于大多数蛋白质中。
β-折叠结构
β-折叠股是一种较伸展的锯齿形主链构象。两条β-折叠股平行排布，彼此以氢键作用，可以构成β-折叠片，又称之为β-折叠。β-折叠片又分为平行β-折叠片（parallel β-pleated sheet）和反平行β-折叠片（anti-parallel β-pleated sheet）两种类型。
从能量上分析，反平行β-折叠片更为稳定，因为其形成的氢键N—H···O中三个原子几乎位于同一条直线上，此时氢键最强。丝心蛋白（fibroin）的β-折叠结构是由两个肽链形成的折叠结构，很像一个扇面。
蛋白质的变性
球蛋白一个最突出的性质是很不稳定，可在辐射、加热或遇酸碱后，其特定的空间构象被改变，从而导致其物理、化学性质的改变和生物活性的丧失，这称为变性（denaturation）。
蛋白质的变性主要是由于三级结构或四级结构的改变引起的。变性分为可逆变性和不可逆变性。如果变性条件不剧烈，蛋白质分子内部结构变化不大，说明这种变性作用是可逆的。这时，如果除去变性因素，在适当条件下变性蛋白可恢复其天然构象和生物活性，这种现象称为蛋白质复性（renaturation）。
酶
酶的定义与特点
含碳化合物在实验室中的化学反应一般称为有机化学反应，在有生命的细胞中进行的化学反应一般称为生物化学反应。生物化学中的反应往往是有机化学中所熟知的反应，但生物化学反应的条件常常是温和的，在常温常压下就能进行，产率很高，反应具有立体专一性。生物化学反应具有这些优点，是因为生物化学反应是在酶催化下进行的。
酶的分类
酶按其催化性能可以分为六种：
- 氧化还原酶（oxido-reductases）
- 转移酶（transferases）
- 水解酶（hydrolases）
- 裂解酶（lyases）
- 异构酶（isomerases）
- 连接酶（ligases）
辅酶与辅助因子
酶按其组成分可以分为简单蛋白质和结合蛋白质两类。简单蛋白质的催化活性仅取决于蛋白质本身的结构。结合蛋白由酶蛋白和辅助因子（cofactor）或辅酶（coenzyme）共同组成。辅助因子主要是一种或多种无机离子，辅酶则是一些有机小分子或金属有机化合物。
重要的辅酶包括：
- 辅酶A（Coenzyme A）
- 烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（NAD⁺）
- 核苷和核苷酸的衍生物
诱导契合假说
酶的催化作用只局限在整个酶分子中某一小部位，这些部位称为活性中心。针对酶的这些特殊作用，D. Koshland提出"诱导契合"假说（induced-fit hypothesis）来解释酶专一性催化的现象。
他认为：当底物分子靠近酶时，酶蛋白受底物分子的诱导，发生有利于与底物结合的变化，在此基础上，酶与底物互补契合。X衍射分析的实验结果支持了这一假说。
核酸
核酸的定义与组成
核酸（nucleic acid）是对生命现象非常重要的一种生物大分子。核酸和蛋白质结合成结合蛋白存在于细胞核之内；在细胞质中，核酸以可溶的形式存在。有些核酸的相对分子质量非常巨大，它们是决定生命遗传信息的重要物质，是生物化学近些年来研究得最广泛、最活跃的一个课题之一。
核酸分为脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）和核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）两大类。DNA主要存在于细胞核内，RNA主要分布于细胞质中。核酸也是一种聚合物，它的基本结构单位是核苷酸（nucleotide）。
五种碱基
核酸中的主要碱基有五个，它们都有互变异构体：
DNA含有腺嘌呤、胸腺嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶四种碱基，而RNA含有腺嘌呤、尿嘧啶、鸟嘌呤和胞嘧啶四种碱基。
DNA双螺旋结构
核酸是通过3',5'-磷酸二酯基将不同的核苷连接而成的。核酸也有一级结构、二级结构和三级结构。核酸的一级结构是指组成核酸的核苷酸排列顺序。核酸的二级结构和三级结构是核酸的空间结构，它们是指多核苷酸链内或链之间通过氢键折叠卷曲而成的构象。
Watson-Crick 碱基配对规则
A 只能与 T 互补，形成 2个氢键； G 只能与 C 互补，形成 3个氢键
双螺旋和碱基以氢键"配对"的概念，具有非常深远的意义。它们把遗传的机制提高到分子的水平上，因此，现在一般认为，双螺旋模型的提出意味着分子生物学这门科学的开始。
DNA的复制和遗传
DNA在有机体内储存遗传信息，这是多次被实验证明的事实。DNA在细胞内可以复制出和自身完全相同的子代DNA，该过程也可用DNA聚合酶在体外实现。DNA在细胞内的合成过程，一般认为是双股的DNA先分开成两个单股，每一个单股分别作为一个模板，通过碱基互补原则确定新链中碱基序列，并在DNA聚合酶的帮助下聚合核苷酸，形成两个新股，这样就得到两个双股DNA分子，在每一个双股中都有一股是新合成的，一股是原来的，且子代双链DNA碱基的顺序和原来完全相同。
复习本章的指导提纲
基本概念和基本知识点
- 氨基酸的定义和分类
- 氨基酸的IUPAC命名法、俗名及缩写符号
- α-氨基酸的R,S构型和D,L构型的确定
- Fischer投影式的表达
- 八个必需氨基酸
- 氨基酸的酸碱性和等电点
- 甘氨酸盐酸盐的滴定曲线图的绘制和图示内容的分析
- 多肽的定义和命名
- 肽键、肽链的N-端和C-端
- 多肽的结构特征
- Z、Boc和Fmoc保护基的结构和名称
- 蛋白质的一级、二级、三级和四级结构
- α-螺旋、β-折叠
- 酶的定义、命名和分类
- 酶催化功能的特点
- 核酸(DNA和RNA)的定义、基本组分和结构
- 核糖和脱氧核糖的结构和表达
- 五个主要碱基的结构和表达
- 核苷的定义、核苷酸的定义
- 双螺旋结构、三叶草结构
基本反应和重要反应机理
- 氨基酸的反应：酸碱反应、与茚三酮的反应、形成和切断二硫键的反应
重要合成方法
- 氨基酸的合成：Strecker法、Hell-Volhard-Zelinsky α-溴化法、Gabriel法、丙二酸酯法
- 多肽的合成：氨基的保护和脱保护基的方法、羧基的保护和脱保护基的方法、侧链的保护、接肽的方法（混合酸酐法、活泼酯法、碳二亚胺法、环状酸酐法、固相接肽法）
重要鉴别方法
- 氨基酸用茚三酮鉴定
- 氨基酸用氨基酸的金属盐鉴定
- 测定氨基酸组成及其相对比例的方法
- 测定肽或蛋白质中各氨基酸的排列顺序的方法
英汉对照词汇
amino acid 氨基酸
peptide 肽
peptide bond 肽键
protein 蛋白质
enzyme 酶
nucleic acid 核酸
DNA 脱氧核糖核酸
RNA 核糖核酸
zwitterion 两性离子
isoelectric point 等电点
essential amino acid 必需氨基酸
α-helix structure α-螺旋结构
β-pleated structure β-折叠结构
primary structure 一级结构
secondary structure 二级结构
tertiary structure 三级结构
quaternary structure 四级结构
denaturation 变性
renaturation 复性
coenzyme 辅酶
cofactor 辅助因子
insulin 胰岛素
ninhydrin 水合茚三酮
Strecker 斯瑞克
Merrifield 梅尔菲尔德
Watson 瓦特生
Crick 克利格
Sanger 桑格尔
adenine 腺嘌呤
guanine 鸟嘌呤
cytosine 胞嘧啶
thymine 胸腺嘧啶
uracil 尿嘧啶
nucleotide 核苷酸
nucleoside 核苷
DCC 二环己基碳二亚胺
solid-phase synthesis 固相合成