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第四章 第二节
蛋白质
一、氨基酸
二、蛋白质
三、酶
第四章 第二节
第一课时 蛋白质的合成
一、胰岛素精神
二、牛胰岛素的合成
三、酶
胰岛素精神
吃糖能让人心情变好，但血糖长期过高容易导致糖尿病，人体内唯一能降低血糖的激素就是胰岛素。
胰岛素精神
1921年，加拿大外科医生Banting首次从狗的萎缩胰脏中提取了胰岛素，将初步纯化的动物胰岛素成功地应用于糖尿病患者，并获得1923年诺贝尔医学和生理学奖。
英国科学家Sanger经过10年的研究，于1955年报道了牛胰岛素的一级结构，并获得了1958年诺贝尔化学奖。
1958年，世界权威杂质Nature评论说“人工合成胰岛素还不是近期所能做到的”！
制备原料
难关第一步：制备原料(氨基酸)
组成人体内蛋白质的氨基酸(均为 -氨基酸)共21种，其中8种必须通过食物摄取，称为必须氨基酸。
牛的胰岛素需要16种氨基酸，而当时国内(大陆地区)只能生产纯度不高的甘、精、谷三种氨基酸。中国科学家上海生化所于1958年组织研究小组，从无到有，制作出了十几种氨基酸。
羧酸
-氨基酸
-H被氨基取代
制备原料
难关第一步：制备原料(氨基酸)
甘氨酸
氨基乙酸
丙氨酸
2-氨基乙酸
苯丙氨酸
2-氨基-3-苯基丙酸
谷氨酸
2-氨基戊二酸
半胱氨酸
2-氨基-3-巯基丙酸
制备原料
难关第一步：制备原料(氨基酸)
思考：以合成丙氨酸为例，若以乙醛为原料，如何向有机物中引入氨基和羧基？(提示： )
深度思考：若要合成苯丙氨酸，又需要什么原料呢？
苯丙氨酸
制备原料
难关第一步：制备原料(氨基酸)
然而，由于手性碳的存在，高等动物体内的氨基酸都是L构型(除甘氨酸外)，所以合成时还需要考虑D构型手性异构体的分离和提纯。
甘油醛的对映异构体
α-氨基酸结构简式
如何合成多肽
难关第二步：合成多肽A和B
思考：氨基酸分子间是如何成键的？
如何合成多肽
无色晶体；
熔点较高，多在200-300℃熔化时分解；
一般能溶于水，而难溶于乙醇、乙醚等有机溶剂；
α-氨基酸
天然氨基酸的物理性质
分析一：从结构角度解释为什么氨基酸的熔点较高、水溶性较好？
氨基酸具有氨基和羧基，使得氨基酸分子间能形成氢键，因此熔点较高；且氨基酸与水分子间也能形成氢键，因此水溶性较好！
如何合成多肽
分析二：根据以上氨基酸结构简式中所含有的官能团，推测氨基酸可能具有哪些化学性质？
α-氨基酸
-氨基酸
羧基具有酸性，能与碱发生中和反应生成羧酸盐；
羧基可以与羟基发生酯化反应；
氨基具有碱性，能与酸发生中和反应生成盐；
可以发生分子内或分子间脱水生成酰胺；
如何合成多肽
α-氨基酸
氨基酸的两性：
羧基是酸性基团，氨基是碱性基团，因此氨基酸是两性化合物，能与酸、碱反应生成盐。(以丙氨酸为例，分别写出与稀盐酸、NaOH溶液反应的化学方程式)
-氨基酸的化学性质
类比：NH3 + HCl = NH4Cl
如何合成多肽
【例1】氨基酸的中和反应：味精是一种常见的调味品，其化学成分主要为谷氨酸单钠盐。在味精的生成过程中，谷氨酸的中和为什么要严格控制溶液的pH？
谷氨酸
谷氨酸单钠盐
谷氨酸分子中含有两个羧基，当通过中和反应变为单钠盐时需严格控制溶液的pH，否则有可能被完全中和生成二钠盐！
【科普视频】味精是如何发明的
如何合成多肽
成肽反应：“酸脱羟基，氨脱氢”
-氨基酸的化学性质
两个氨基酸分子(可以相同，也可以不同)在一定条件下，通过氨基与羧基间缩合脱去水，形成含有肽键的化合物。
肽键
如何合成多肽
二肽还可以继续与其他氨基酸分子缩合生成三肽、四肽、五肽，以至生成长链的多肽。
多肽
氨基酸、多肽和蛋白质之间的关系：
氨基酸
多肽
蛋白质
脱水缩合
水解
脱水缩合
水解
如何合成多肽
成肽规律(前提条件：只形成一条肽链时)：
3个氨基酸脱水得到三肽，失去2个水分子，形成2个肽键；
n个氨基酸脱水得到多肽，失去(n-1)个水分子，形成(n-1)个肽键；
【例2】多肽与条件
以上有机物是由 个氨基酸分子脱水形成的，分子中含有 个肽键，称为 肽。
4
3
四
如何合成多肽
分析三：是不是合成出氨基酸就能顺利的合成牛胰岛素的多肽了呢？
【例3】氨基酸的成肽反应：写出甘氨酸与丙氨酸反应可能生成的二肽的结构简式。
链状二肽
如何合成多肽
分析三：是不是合成出氨基酸就能顺利的合成牛胰岛素的多肽了呢？
【例3】氨基酸的成肽反应：写出甘氨酸与丙氨酸反应可能生成的二肽的结构简式。
环状二肽
如何合成多肽
难关第二步：合成多肽A和B
氨基酸脱水方式太多，副产物多：
合成过程可能会破会手性结构；
α-氨基酸结构简式
【历史记载】合成A链时，研究员将玻璃滴管头拉得很细，以便精细调节溶液的pH值。经过现场三位专家(北大、上海有机所、复旦)精确计算后，才确定是否要再多加一滴碱或一滴酸。
构成蛋白质
难关第三步：多肽构成蛋白质
通过氨基酸脱水缩合得到多肽(一级结构)。如何才能顺利得到蛋白质呢？两条多肽依靠哪种作用力去“自主”形成特定结构的蛋白质呢？
我国科学家坚信并证明了蛋白质的一级结构能决定其高级结构
构成蛋白质
难关第三步：多肽构成蛋白质
一条肽链上不相邻的碳氧、氮氢之间能形成氢键，折叠特定的 螺旋结构，形成蛋白质的二级结构。
一级结构(序列结构)
构成蛋白质
二硫键的形成(了解)
巯基( SH)有臭味，很不稳定，极易被氧化，在牛胰岛素合成肽链期间，都需要将其保护起来。最终两条链进行组合时才能脱除巯基的保护。
半胱氨酸
构成蛋白质
1964年8月，上海生化所团队成功地合成了人工B链；
1965年5月，北京大学和上海有机所联合团队合成了人工A链；6月，A链积累到100多毫克(B链积累到5克)，杜雨苍(生化所，右二)、张伟君(有机所)、施溥涛(北大化学，右四)开始了AB全合成实验。
1965年9月17日，历时6年，世界上第一个人工全合成的牛胰岛素晶体诞生了！这是世界上第一个人工合成的具有生物活力的结晶蛋白质！
胰岛素精神
1981年，我国科学家人工合成了具有生物活性的核酸分子 酵母丙氨酸转移核糖核酸；
1999年，我国科学家加入人类基因组计划，完成了3000万个碱基的测序任务；
2000年，我国科学家领导的人类肝脏蛋白质组计划正式启动！
科学前沿
牛胰岛素合成时，需要先合成提纯对应的异构体，但这样会造成原料一半的浪费。
α-氨基酸结构简式
人们发现，生物体能够合成L构型的氨基酸，原因在于酶的选择性催化。直到2000年，科学家寻找到合适的催化剂，实现了不对称催化合成。2000年、2018年、2021年诺贝尔化学奖均颁给了相关领域的科学家！
酶
定义：酶是一类由细胞产生的、对生物体内的化学反应具有催化作用的有机化合物，其中绝大多数是蛋白质，少部分是由RNA构成的；
特点：
高效的催化作用，一般是普通催化剂的107倍；
反应条件温和，一般在接近体温和中性的条件下进行；
高度的专一性；
化学与生活
烫发原理
药水中的碱性成分和氧化剂，会使头发表层的鳞片遭到破坏，鳞片脱落，使头发内部的水分和营养成分流失，粗糙起毛刺，缺少光泽，没弹性！
还原剂
氧化剂
利用卷发棒固定形状
化学与生活
燕窝真的有那么神奇吗？
燕窝中含有蛋白质、微量元素及氨基酸。但是对于含有以上物质的食物，并不只是燕窝独有，一些平民化的食物中也能获得，如银耳、百合、山药等粘度高的食物。
随堂练习
1. 下列叙述错误的是( )
蛋白质一级结构与肽键的形成有关
可以用灼烧法鉴别真丝和化学纤维
1965年我国科学家首先合成结晶牛胰岛素
酶通常在强酸或强碱的条件下发挥作用
D
随堂练习
2. 以下属于组成蛋白质的 -氨基酸的是 。
①③
随堂练习
3. 市场上有一种加酶洗衣粉，即在洗衣粉中加入少量的碱性蛋白酶，它的催化活性很强，衣服上的汗渍、油渍、血迹及人体排出的蛋白质遇到它，皆能水解而除去。下列衣料不能用加酶洗衣粉洗涤的是( )
① 棉织品；② 羊毛织品；③ 腈纶织品；
④ 蚕丝织品；⑤ 涤纶织品；⑥ 锦纶织品
A. ①②③ B. ②④ C. ③④⑤ D. ③⑤⑥
B

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