氨基酸的分类特点及理化性质.ppt

1.2 氨基酸的分类特点及理化性质,一、氨基酸的分类及特点 二、氨基酸的理化性质 1、一般物理性质 2、氨基酸的旋光性和光吸收 3、氨基酸的两性性质和等电点 (1)、氨基酸是兼性离子 (2)、氨基酸的PK值和氨基酸解离的关系 (3)、电泳及等电点 (4)、氨基酸的滴定曲线 (5)、氨基酸等电点及解离百分数的计算 (6)、-氨基的反应 三、氨基酸的鉴定、分离纯化 四、多肽,氨基酸是蛋白质的基本组成材料,蛋白质用强酸、强碱处理后，可以得到各种各样的氨基酸。在动植物组织中可以分离得到2630种不同的氨基酸。第一个氨基酸早在两个世纪前就已经被发现，而最后一个氨基酸在1935年才发现。直到1965年才搞清楚，只有20种氨基酸才是合成蛋白质的原材料(称为Primary amino acid )。,20种氨基酸的发现年代表,天冬酰氨 1806 Vauquelin 天冬门芽 甘氨酸 1820 Braconnot 明胶 亮氨酸 1820 Braconnot 羊毛、肌肉 酪氨酸 1849 Bopp 奶酪 丝氨酸 1865 Cramer 蚕丝 谷氨酸 1866 Ritthausen 面筋 天冬氨酸 1868 Ritthausen 蚕豆 苯丙氨酸 1881 Schultze 羽扇豆芽 丙氨酸 1881 Weyl 丝心蛋白 赖氨酸 1889 Drechsel 珊瑚 精氨酸 1895 Hedin 牛角 组氨酸 1896 Kossel,Hedin 奶酪 胱氨酸 1899 Morner 牛角 缬氨酸 1901 Fischer 奶酪 脯氨酸 1901 Fischer 奶酪 色氨酸 1901 Hopkins 奶酪 异亮氨酸 1904 Erhlich 纤维蛋白 甲硫氨酸 1922 Mueller 奶酪 苏氨酸 1935 McCoy et al 奶酪,氨基酸的名称与符号,alanine 丙氨酸 Ala A arginine 精氨酸 Arg R asparagine 天冬酰氨 Asn Asx N aspartic acid 天冬氨酸 Asp Asx D cystine 半胱氨酸 Cys C glutarmine 谷氨酰胺 Gln Glx Q glutarmic acid 谷氨酸 Glu Glx E glycine 甘氨酸 Gly G histidine 组氨酸 His H isoleucine 异亮氨酸 Ile I leucine 亮氨酸 Leu L lysine 赖氨酸 Lys K methionine 甲硫氨酸 Met M phenylalanine 苯丙氨酸 Phe F proline 脯氨酸 Pro P serine 丝氨酸 Ser S threonine 苏氨酸 Thr T tryptophan 色氨酸 Trp W tyrosine 酪氨酸 Tyr Y valine 缬氨酸 Val V,要求： 能倒背,不用的字母,JUZBOX,L-氨基酸的基本结构,C,H,H2N,COOH,R,碳原子,不对称碳原子,侧链,二十种氨基酸除Gly外全是L-型。 Pro呢？,残基：在肽链中氨基酸之间脱去一个水分子，脱水后的残余部分叫残基（residue), 因此蛋白质肽链中的氨基酸统统是残基形式。,Chiral carbon,一、氨基酸的分类及特点,1、非极性R基氨基酸 Ala、Val、Leu、Ile、Pro、Phe、Trp、Met共8种，这类氨基酸在水中的溶解度较小 2、极性R基氨基酸 （1）、不带电荷的极性R基氨基酸 Ser、Thr、Tyr、Asn、Gln、Cys、Gly （2）、带正电荷的R基氨基酸Lys、Arg、His （3）、带负电荷的R基氨基酸Asp、Glu,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine,脂肪族氨基酸,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine,脂肪族氨基酸,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Valine,脂肪族氨基酸,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Valine 亮氨酸 Leucine,脂肪族氨基酸,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Valine 亮氨酸 Leucine 异亮氨酸 Ileucine,脂肪族氨基酸,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Valine 亮氨酸 Leucine 异亮氨酸 Ileucine 脯氨酸 Proline,亚氨基酸,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Valine 亮氨酸 Leucine 异亮氨酸 Ileucine 脯氨酸 Proline 甲硫氨酸 Methionine,含硫氨基酸,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Valine 亮氨酸 Leucine 异亮氨酸 Ileucine 脯氨酸 Proline 甲硫氨酸 Methionine 半胱氨酸 Cysteine,含硫氨基酸,氨基酸的结构,苯丙氨酸 Phenylalanine,芳香族氨基酸,氨基酸的结构,苯丙氨酸 Phenylalanine 酪氨酸 Tyrosine,芳香族氨基酸,氨基酸的结构,苯丙氨酸 Phenylalanine 酪氨酸 Tyrosine 色氨酸 Trytophan,芳香族氨基酸,氨基酸的结构,精氨酸 Arginine,碱性氨基酸,氨基酸的结构,精氨酸 Arginine 赖氨酸 Lysine,碱性氨基酸,氨基酸的结构,精氨酸 Arginine 赖氨酸 Lysine 组氨酸 Histidine,碱性氨基酸,氨基酸的结构,天冬氨酸 Aspartate,酸性氨基酸,氨基酸的结构,天冬氨酸 Aspartate 谷氨酸 Glutamate,酸性氨基酸,氨基酸的结构,丝氨酸 Serine,含羟基氨基酸,氨基酸的结构,丝氨酸 Serine 苏氨酸 Threonine,含羟基氨基酸,氨基酸的结构,天冬酰胺 Asnaragine,含酰胺氨基酸,氨基酸的结构,天冬酰胺 Asnaragine 谷氨酰胺 Glutamine,含酰胺氨基酸,二十种氨基酸的化学结构,要求全部背出,几种重要的不常见氨基酸,从少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸，通常称为不常见蛋白质氨基酸。 这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的。 其中重要的有4-羟基脯氨酸、5-羟基赖氨酸、N-甲基赖氨酸、和3,5-二碘酪氨酸等。这些不常见蛋白质氨基酸的结构如下。,从各种生物分离到的氨基酸已达250种以上,大量出现在胶原蛋白,结缔组织,结缔组织,凝血酶,信号传导,写出下列氨基酸的汉文名称与结构,Ala Arg Asn Cys Gly His Ile Met Thr Trp,二、氨基酸的理化性质,无色晶体，熔点较高（200300）水中溶解度各不同，取决于侧链。氨基酸能使水的介电常数增高。氨基酸的晶体是离子晶体。氨基酸是离子化合物。,1、一般物理性质,旋光性,2、氨基酸的旋光性和光吸收,20种氨基酸，除甘氨酸外，其它氨基酸的-碳原子均为不对称碳原子。可以有立体异构、有旋光性。氨基酸的构型也是与甘油醛构型比较而确定的。 从蛋白质酶促水解得到的-氨基酸，都属于L-型，但在生物体中(如细菌)也含有D-型氨基酸。 比旋光度是氨基酸的重要物理常数之一，是鉴别各种氨基酸的重要依据。,氨基酸的旋光性和光吸收,L型氨基酸 与 D型氨基酸,L- amino acid,D- amino acid,L型和D型的由来 甘油醛的旋光性,左旋甘油醛的构型,右旋甘油醛的构型,按原子序数法确定了L型和D型氨基酸，但现在L和D已经不代表氨基酸的旋光性，只代表氨基酸的绝对构型。,苏氨酸(Thr)有四种异构体,别,别,半胱氨酸Cysteine和胱氨酸Cystine,二硫键 Disulfide bond,胱氨酸的光学 异构体有几种,氨基酸的光吸收,构成蛋白质的20种氨基酸在可见光区都没有光吸收，但在远紫外区(220nm)均有光吸收。 在近紫外区(220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力。可以通过测定280nm 处的紫外吸收值的方法对蛋白溶液进行定量。 苯丙氨酸的max257nm，257=2.0x102 酪氨酸的max275nm，275=1.4x103 色氨酸的max280nm，280=5.6x103,3、氨基酸的两性性质和等电点,（1）、氨基酸是兼性离子 质子受体和质子供体。 所谓兼性离子是指在同一分子上带有能释放质子的正离子基团和能接受质子的负离子基团。兼性离子本身既是酸又是碱。因此它既可以和酸反应，也可以和碱反应。 实验证明：氨基酸在水溶液中或在晶体状态时，都以兼性离子形式存在。,氨基酸在结晶形态或在水溶液中，并不是以游离的羧基或氨基形式存在，而是离解成兼性离子。在兼性离子中，氨基是以质子化(-NH3+)形式存在，羧基是以离解状态(-COO-)存在。 在不同的pH条件下，两性离子的状态也随之发生变化。,PH 1 7 10 净电荷 +1 0 -1 正离子 兼性离子 负离子,(2)、氨基酸的pK值和氨基酸解离的关系,K1=H3N+CH2COO H+/ H3N+CH2COOH K2=H2NCH2COO H+/ H3N+CH2COO PH=PK1+lg(H3N+CH2COO / H3N+CH2COOH) PH=PK+lg(质子受体 / 质子供体) PH = PK1, H3N+CH2COOH = H3N+CH2COO PHPK1, H3N+CH2COOH H3N+CH2COO PHPK1, H3N+CH2COOH H3N+CH2COO PH = PK2, PHPK2, PHPK2时呢？,作业：写出Gly ,Asp, Lys , His , Pro , Cys的解离式,(3)、电泳及等电点,带电粒子在电场中向与其自身所带电荷相反的电极移动的现象称为电泳。 等电点(pI，isoelectric point)：使分子处于兼性离子状态，在电场中不迁移(分子的净电荷为零)时溶液的pH值。 每一种氨基酸都有特定的pI ，这是由于各种氨基酸分子上所含有的氨基、羧基等基团的数目以及各种基团的解离程度不同所造成的。 一般一氨基一羧基的氨基酸等电点在pH 6左右，这是由于羧基的解离程度大于氨基，故PI偏酸，碱性氨基酸pI在pH 10左右，酸性氨基酸的pI在pH 3左右。,*氨基酸水溶液中其解离度与溶液的PH有关,向氨基酸溶液中加酸时，羧基接受质子，使氨基酸带正电，加碱时，氨基释放质子，与OH-中和，使氨基酸带负电。 当溶液的pH=pI时，氨基酸以两性离子存在 当溶液的pHpI时，氨基酸溶液中正离子占优势 当溶液的pHpI时，氨基酸溶液中负离子占优势。,（4）、氨基酸的酸碱滴定,（5)、氨基酸等电点及解离百分数的计算,公式：pH=pK+lg(质子受体/质子供体)，可定量计算氨基酸在某一pH条件下的解离百分数。氨基酸等电点pI值是由兼性离子两侧基团的pK值所决定的。 eg:Gly K1=H3N+CH2COO- H+/ H3N+CH2COOH K2=H2NCH2COO- H+/ H3N+CH2COO pH=pI时， H3N+CH2COOH H2NCH2COO K1 K2 = H+2 2pH= pK1 + p K2 pH=( pK1 + p K2) / 2 pI= ( pK1 + p K2) / 2 同理对含三个可解离基团的氨基酸来说，只要写出它的电离式，然后取兼性离子两边的pK值的平均值，即得其pI值。,氨基酸等电点的计算,侧链不含离解基团的中性氨基酸，其等电点是它的pK1和pK2的算术平均值：pI = (pK1 + pK2 )/2,氨基酸等电点的计算,同样，对于侧链含有可解离基团的氨基酸，其pI值也决定于两性离子两边的pK值的算术平均值。 酸性氨基酸：pI = (pK1 + pKR-COO- )/2 碱性氨基酸：pI = (pK2 + pKR-NH2 )/2,例：Lys -+NH3 pK=10.5求- +NH3 在pH9.5及pH=11时的质子化%。,解: - +NH3 = -NH2 + H + 根据公式：pH=pK+lg(质子受体/质子供体) 9.5=10.5 +lg(-NH2 /- + NH3 ) lg(- NH2 /-+NH3 )=-1 -NH2 /-+NH3 =1/10 质子化%=10/(10+1)=91% PH=11时，同理可得，质子化%24,氨基的化学反应: 与亚硝酸的反应 Van Slyke定氮 与甲醛的反应 氨基滴定 与酰化试剂的反应 氨基保护基 与2,4-二硝基氟苯 (FDNB) 的反应 测序 与Edman试剂 (PITC 苯异硫氢酸酯) 测序 与二甲基氨基萘磺酰氯 (DNS-Cl)的反应 测序,4、氨基酸的化学性质,氨基酸的化学性质,-氨基参与的反应,与亚硝酸反应,用途：范斯来克法定量测定氨基酸的基本反应。,-氨基参与的反应,与甲醛发生羟甲基化反应,用途：可以用来直接测定氨基酸的浓度。,羟甲基氨基酸,二羟甲基氨基酸,氨基酸的甲醛滴定,氨基酸的化学性质,-氨基参与的反应,烃基化反应,用途：是鉴定多肽N-端氨基酸的重要方法。,二硝基氟苯（DNFB）法,-氨基参与的反应,烃基化反应,用途：是鉴定多肽N-端氨基酸的重要方法。,Sanger法。2,4-二硝基氟苯在碱性条件下，能够与肽链N-端的游离氨基作用，生成二硝基苯衍生物（DNP）。 在酸性条件下水解，得到黄色DNP-氨基酸。该产物能够用乙醚抽提分离。不同的DNP-氨基酸可以用色谱法进行鉴定。,Edman氨基酸顺序分析法（苯异硫氰酸酯PITC法）实际上也是一种N-端分析法。此法的特点是能够不断重复循环，将肽链N-端氨基酸残基逐一进行标记和解离。,烃基化反应,-氨基参与的反应,用途：是鉴定多肽N-端aa和aa顺序的重要方法。,-氨基参与的反应,酰化反应,用途：是鉴定多肽N-端氨基酸的重要方法。,丹磺酰氯法,-氨基参与的反应,酰化反应,用途：是鉴定多肽N-端氨基酸的重要方法。,在碱性条件下，丹磺酰氯（二甲氨基萘磺酰氯DNS-Cl）可以与N-端氨基酸的游离氨基作用，得到丹磺酰-氨基酸(DNS-AA)。 此法的优点是丹磺酰-氨基酸有很强的荧光性质，检测灵敏度可以达到110-9mol。,-氨基参与的反应,酰化反应,用途：用于保护氨基以及肽链的合成。, HX, -氨基参与的反应,生成西佛碱的反应,用途：是多种酶促反应的中间过程。, -氨基参与的反应,脱氨基反应,用途：酶催化的反应。,a.AA + NaOH 氨基酸钠盐(氨基酸的碱金属盐能溶于水,重金属盐不溶于水) b. Hcl AA + EtOH 氨基酸乙酯的盐酸盐 当AA的COOH变成甲酯，乙酯或钠盐后，COOH的化学反应性能被掩蔽或者说COOH被保护NH2的化学性能得到了加强or活化，易与酰基结合。 为什么AA的酰基化和烃基化在碱性溶液中进行？, -羧基参与的反应,成盐成酯反应,形成酰卤的反应,用途：这是使氨基酸羧基活化的一个重要反应。, -羧基参与的反应,叠氮化反应,用途：常作为多肽合成活性中间体，活化羧基。, -羧基参与的反应,脱羧反应,用途：酶催化的反应。, -羧基参与的反应,与茚三酮反应,用途：常用于氨基酸的定性或定量分析。, -氨基和羧基共同参与的反应,茚三酮,水合茚三酮,还原型茚三酮,成肽反应,用途：是多肽和蛋白质生物合成的基本反应。, -氨基和-羧基共同参与的反应,侧链基团的化学性质, 巯基（-SH）的性质,作用：与金属离子的螯合性质可用于体内解毒。,侧链基团的化学性质, 巯基（-SH）的性质,作用：氧化还原反应可使蛋白质分子中二硫键形成或断裂。,胱氨酸,半胱氨酸,侧链基团的化学性质, 巯基（-SH）的性质,作用：氧化还原反应可使蛋白质分子中二硫键断裂。 二硫苏糖醇(DTT)也可以用来打开胱氨酸上的二硫键。与碘乙酸的反应见书P141,磺基丙氨酸,胱氨酸,6HCOOOH,+ 6HCOOH,侧链基团的化学性质, 巯基（-SH）的性质,与碘乙酸的反应,作用：,侧链基团的化学性质, 羟基的性质,1,作用：可用于修饰蛋白质。,二异丙基氟磷酸酯,+HF,侧链基团的化学性质, 咪唑基的性质,组氨酸含有咪唑基，它的pK2值为6.0，在生理条件下具有缓冲作用。血红蛋白含有较多的Pro残基。,侧链基团的化学性质, 甲硫基的性质,5、氨基酸的应用,A、医药工业 氨基酸输液 必需氨基酸：苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸 半必需氨基酸：精氨酸、组氨酸是幼儿所必需的。,治疗药剂,精氨酸：对治疗高氨血症、肝机能障碍等疾病颇有效果； 天冬氨酸：钾镁盐可用于恢复疲劳；治疗低钾症心脏病、肝病、糖尿病等。 半胱氨酸：能促进毛发的生长，可用于治疗秃发症；甲酯盐酸盐可用于治疗支气管炎等； 组氨酸：可扩张血管，降低血压，用于心绞痛，心功能不全等疾病的治疗。,B、食品工业,营养强化剂； 谷氨酸单钠盐味精； 天冬氨酸钠：可用于清凉饮料，能增加清凉感并使香味浓厚爽口； 天冬氨酰苯丙氨酸甲酯：甜味素（APM）,C、农业,杀虫剂：刀豆氨酸、5-羟色氨酸可使南方毛虫拒食而死；半胱氨酸可杀死黄瓜蝇；甘氨酸乙酯衍生的二硫代磷酸盐具有较强的杀蚜虫和杀螨效果； 杀菌剂：N-月桂酰缬氨酸可作为治疗稻瘟病；-1，4环己二烯丙氨酸能抑制黑穗病毒、稻瘟病等； 除草剂：如N-3,4二氮丙氨酸，硫代氨基酸酯等。,D、化妆品工业,氨基酸能调节皮肤pH的变动，对细菌有防护作用，也可作为皮肤、毛发的营养成分，增加皮肤、毛发的光泽。 防止皮肤干燥的自然保湿因子的主要成分是甘氨酸、羟基丁氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、丝氨酸等游离氨基酸。 在化妆品中添加天冬氨酸或其衍生物以及一些维生素，可防止皮肤老化。,E、化学工业,维生素B6:可采用丙氨酸或天冬氨酸为原料合成。 叶酸：需要用谷氨酸为原料合成。 氨基酸表面活性剂：酰基谷氨酸钠、十六烷基-L-赖氨酰-L-赖氨酸甲酯二盐酸、月桂酰-L-精氨酸乙