蛋白质的构件氨基酸

(Amino Acid, AA, Aa, aa),第02章 氨基酸,一、蛋白质的化学组成和分类,蛋白质(protein)是由许多氨基酸(amino acids)通过肽键(peptide bond)相连形成的高分子含氮化合物。,蛋白质-英文为“Protein”第一重要.,（一）、蛋白质的元素组成,C H O N S （ 50%） （7%） （23%） （16%） （03%）,Others: P、Cu、Fe、Zn、Mn、Co、Se、I,磷 铜 铁 锌 锰 钴 硒 碘,蛋白质氮元素的含量都相当接近，一般在15%17，平均为16。这是凯氏定氮法测定蛋白质含量的计算基础。,6 .25 16的倒数，每测定g 氮相当于6 .25g的蛋白质。也就是1 g 氮所代表的蛋白质量（克数）,蛋白质含量蛋白氮6 .25,一般情况下,粗N检测可靠吗？,三聚氰胺（化学式：C3H6N6），俗称蜜胺、蛋白精，IUPAC命名为“1,3,5-三氨基-2,4,6-三嗪”，是一种三嗪类含氮杂环有机化合物，被用作化工原料。它是白色单斜晶体，几乎无味，微溶于水，可溶于甲醇、甲醛、乙酸、热乙二醇、甘油、吡啶等，具毒性，不可用於食品加工或食品添加物。 动物长期摄入三聚氰胺会造成生殖、泌尿系统的损害，膀胱、肾部结石，并可进一步诱发膀胱癌。,1.按组成成分分 A .单纯蛋白质单纯蛋白不含有非蛋白质部分。这类蛋白质水解后的最终产物只有氨基酸。 单纯蛋白质按其溶解性又可分为: 清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶蛋白精蛋白、组蛋白以及硬蛋白等,（二）、蛋白质的分类,B.结合蛋白质结合蛋白是指由单纯 蛋白和非蛋白成分结合而成的蛋白质. 按其非氨基酸成分又可分为： 核蛋白、脂蛋白、磷蛋白、糖蛋白、 血红素蛋白、黄素蛋白、金属蛋白,2.按分子的形状或空间构象 A.纤维状蛋白分子很不对称，形状类似纤维。 一般不溶于水。典型的有：胶原蛋白质、弹性蛋白质、角蛋白质、丝蛋白质等 B.球状蛋白质分子的形状接近球形，空间构象比纤维状蛋白复杂。 球状蛋白质的溶解性较好，能结晶，生物体内的蛋白质大多数属于这一类。 典型的有：胞质酶类等,二、 蛋白质水解,蛋白质和多肽的肽键可被催化水解 酸/碱能将蛋白完全水解 酶水解一般是部分水解,得到各种AA的混合物,得到多肽片段和AA的混合物,氨基酸是蛋白质的基本结构单元,蛋白质月示胨多肽肽AA 1*104 5*103 2*103 1000 200 100 -500,1、酸水解,常用6 mol/L的盐酸或4 mol/L的硫酸，回流煮沸20小时左右可使蛋白质完全水解。 优点：不引起消旋作用，得到的是L-氨基酸。 缺点：色氨酸完全被沸酸破坏；羟基氨基酸（丝氨酸或苏氨酸）有一小部分被分解；天门冬酰胺和谷氨酰胺酰胺基被水解成了羧基。,2、碱水解,一般用5 mol/L氢氧化钠煮沸10-20小时。 优点：可使蛋白质完全水解，色氨酸在水解中不受破坏。 缺点： 由于水解过程中许多氨基酸都受到不同程度的破坏，产率不高。 部分的水解产物发生消旋化，其产物是D-型和L-型氨基酸的混合物。,3、酶水解,优点：不会破坏氨基酸，也不会发生消旋化。 缺点：使用一种酶往往水解不彻底，需要多种酶协同作用才能使蛋白质完全水解。另外所需时间较长。 最常见的蛋白水解酶有以下几种： 胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶、 嗜热菌蛋白酶等。,三、a-氨基酸的一般结构,地球上天然形成的AA 300 种以上。 构成蛋白质的AA只有20种常见蛋白质氨基酸+2种不常见的蛋白质氨基酸含硒半胱氨酸（第21种）和吡咯赖氨酸（第22种）; 所有的生物体都含有20种常见的蛋白质氨基酸; 20种常见蛋白质氨基酸由遗传密码编码，被称为基本氨基酸(amino acid, AA)。,氨基酸的结构通式,不同的侧链基团(19) 不同的理化性质,-氨基酸结构通式,大多数AA在中性pH时呈兼性离子状态: 除甘氨酸外，19种AA都具有旋光性。 除胱氨酸和酪氨酸外，其余AA都能溶于水。,COO-,NH3+,四、氨基酸的分类,（一）常见的蛋白质氨基酸,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine,脂肪族氨基酸,氨基酸的结构,脂肪族氨基酸,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine,-氨基丙酸,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Valine,脂肪族氨基酸,-氨基异戊酸,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-甲基戊酸,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-甲基戊酸,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,-吡咯烷基-羧酸,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-甲巯基丁酸,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-巯基丙酸,氨基酸的结构,芳香族氨基酸,苯丙氨酸 Phenylalanine,-氨基-苯基丙酸,氨基酸的结构,芳香族氨基酸,苯丙氨酸 Phenylalanine 酪氨酸 Tyrosine,-氨基- -对羟苯基丙酸,氨基酸的结构,芳香族氨基酸,苯丙氨酸 Phenylalanine 酪氨酸 Tyrosine 色氨酸 Trptophan,-氨基- -吲哚基丙氨酸,氨基酸的结构,碱性氨基酸,精氨酸 Arginine,2-氨基-5-胍基戊酸,氨基酸的结构,碱性氨基酸,精氨酸 Arginine 赖氨酸 Lysine,-二氨基己酸,氨基酸的结构,碱性氨基酸,精氨酸 Arginine 赖氨酸 Lysine 组氨酸 Histidine,a-氨基-4-咪唑基丙酸,氨基酸的结构,天冬氨酸 Aspartate,酸性氨基酸,-氨基丁二酸,氨基酸的结构,天冬氨酸 Aspartate 谷氨酸 Glutamate,酸性氨基酸,-氨基戊二酸,氨基酸的结构,丝氨酸 Serine,含羟基氨基酸,-氨基-羟基丙酸,氨基酸的结构,丝氨酸 Serine 苏氨酸 Threonine,含羟基氨基酸,-氨基-羟基丁酸,氨基酸的结构,天冬酰胺 Asparagine,含酰胺氨基酸,氨基酸的结构,天冬酰胺 Asparagine 谷酰胺 Glutamine,含酰胺氨基酸,脂肪族氨基酸,芳香族氨基酸,笨（苯丙氨酸）色（色氨酸）哥（酪氨酸）,亲水氨基酸 VS 疏水氨基酸,极性氨基酸或亲水氨基酸的R基团为极性，对水分子具有一定的亲和性，一般能和水分子之间形成氢键。它们包括Ser、Thr、Tyr、Cys、Asn、Gln、Asp、Glu、Arg、Lys、His； 苏丝挪了两天半，紧赖着要两谷子 非极性氨基酸或疏水氨基酸的R基团呈非极性，对水分子的亲和性不高或者极低，但对脂溶性物质的亲和性较高。属于疏水氨基酸的有Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Pro、Met、Phe和Trp。,习惯分类方法 芳香族氨基酸：Trp、Tyr、Phe 含羟基氨基酸：Ser、Thr、Tyr 含硫氨基酸：Cys、Met 杂环族氨基酸：His 杂环族亚氨基酸：Pro 支链氨基酸：Val、Leu、Ile,几种特殊氨基酸 Gly：无手性碳原子。 Pro：为环状亚氨基酸。 Cys：可形成二硫键。,（二）不常见的蛋白质氨基酸,修饰氨基酸：,含硒半胱氨酸只存在于含硒蛋白之中，而吡咯赖氨酸仅存在于一些真细菌和古细菌体内，作为与产甲烷代谢有关的某些酶的组分。,21st & 22nd AAs,必需氨基酸VS非必需氨基酸,必需氨基酸是指人体必不可少，而机体内又不能合成、必须从食物中补充的氨基酸。如果饮食中经常缺少它们，就会影响健康。必需氨基酸共有8种：Lys、Trp、Phe、Met、Thr、Ile、Leu、Val。人体虽能够合成Arg和His，但合成的量通常不能满足正常的需要，因此这两种氨基酸又被称为半必需氨酸。-Tip MTV Hall 余下的氨基酸则属于非必需氨基酸，动物体自身可以进行有效的合成，它们包括：Ala，Asn、Asp、Gln、Glu、Pro、Ser、Cys、Tyr和Gly。,假设来借一两本书！ 不同生物，甚至同一生物的不同生理阶段或生理状态等，其必需氨基酸可能是不同的！,（三） 非蛋白质氨基酸,150多种 多是蛋白质中L型-AA衍生物 有一些是-，-，-AA 有些是D-型AA,鸟氨酸 瓜氨酸,（一）氨基酸的两性离子形式,晶体或水溶液中的主要存在形式,五、氨基酸的酸碱性质,（二）氨基酸的两性解离和等电点,等电点（pI）： 在某一PH值时，氨基酸所带的静电荷为零，在电场中既不向阴极移动，也不向阳极移动，此时氨基酸所处溶液的pH值称为该氨基酸的(等电点pI),等电点（pI） pH pI aa “ - ” aa向正极移动 pH pI aa “ + ” aa向负极移动 pH = pI aa “ 0 ” aa不移动,用标准NaOH和HCI进行滴定，用NaOH和HCI的摩尔数对pH值作图,规律,表观解离常数,pI =1/2(pKl+ pK2),对侧链R基不解离的中性氨基酸来说，其等电点是它的pKl和pK2的算术平均值。,对多氨基和多羧基氨基酸的解离 解离原则：,谷氨酸（A）和赖氨酸（B）滴定曲线和等电点计算,中性氨基酸：pK1，为羧基的解离常数，pK2，为氨基的解离常数。 pI=(pK1，+pK2，)/2 酸性氨基酸：pK1，为羧基的解离常数，pK2，为侧链羧基的解离常数。 pI=(pK1，+pK2，)/2 碱性氨基酸： pK2，为氨基的解离常数，pK3，为侧链氨基的解离常数。 pI=(pK2，+pK3，)/2,总结,1.某氨基酸的等电点即为该氨基酸两性离子两边的pK值和的一半。 2.在氨基酸等电点以上任何pH，AA带净的负电荷，在电场中向阳极移动；在氨基酸等电点以下任何pH，AA带净的正电荷，在电场中向阴极移动。 3.在一定pH范围中，溶液的pH离AA等电点愈远，AA带净电荷愈多。,注 意,六、氨基酸的化学反应,亚硝酸盐反应 烃基化反应 酰化反应 脱氨基反应 西佛碱反应,成盐成酯反应 成酰氯反应 脱羧基反应 叠氮反应,侧链反应,（一）-氨基参加的反应,1.与亚硝酸反应,2.与酰化试剂反应,3.烃基化反应,4.形成Schiffs碱反应,5.脱氨基反应,(1) 与亚硝酸反应：放出氮气，氮气的一半来自氨基氮，一半来自亚硝酸，在通常情况下测定生成的氮气的体积量可计算氨基酸的量，此反应可用于测定蛋白质的水解程度。,这是范斯来克（Van Slyke）法测定氨基氮的基础,（2）、与酰化试剂反应,氨基酸的氨基与酰氯或酸酐在弱碱溶液中发生作用时，氨基即被酰基化。,与丹磺酰氯反应,用途：可以用来鉴定多肽或蛋白质NH2末端氨基酸.,DNS +,AA 多肽 蛋白,弱碱,DNS-,AA 多肽 蛋白,酸,DNS-AA +游离AA,（乙醚抽提，有荧光）,（3）、烃基化反应,氨基酸与2,4一二硝基氟苯(DNFB)的反应 （Sanger反应）,+,DNP-AA(黄色),+ HF,与苯异硫氰酸酯反应,AA PITC+ 多肽 蛋白,弱碱,AA PTC多肽 蛋白,H+ （CH3NO2）,PTH-AA + 少一个AA的多肽或蛋白,用途：可以用来鉴定多肽或蛋白质NH2末端氨基酸.亦称Edman反应,（4）、形成西佛碱反应,Schiffs base,(5),（二） -羧基参加的反应,1.成盐或成酯反应,2.成酰氯反应,3.脱羧基反应,4.叠氮反应,（2）成酯 NH2 干燥，HCl R CH COOH + C2H5OH 回流 R CH COOC2H5 + H2O,NH3Cl,保护羧基,（1）与NaOH等形成盐,HN-保护基 R CH-COOH + PCl5 HN-保护基 R CH-COOCl + POCl3 + HCl,保护氨基 活化羧基,NH2 脱羧酶 RCH-COOH R-CH2-NH2 +CO2,3.脱羧基反应,YNH O NH2NH2 RCHCOCH3 YNH O HNO2 RCHCNHNH2 YNH O RCHCN -N+ N + 2H2O,酰化氨基酸甲酯,肼,酰化氨基酰肼,酰化氨基酰叠氮,肽的人工合成,4.叠氮反应,（三）-羧基和-氨基都参加的反应,1、 与茚三酮反应,2、 成肽反应,与茚三酮反应 茚三酮在弱酸性溶液中与-氨基酸共热，氨基酸被氧化成醛、CO2和NH3，最后茚三酮与反应产物氨和还原茚三酮发生作用，生成蓝紫色化合物。 两个亚氨基酸脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应形成黄色化合物。,+,氨基酸与茚三酮反应,水合性茚三酮,弱酸 加热,成肽反应,一个氨基酸的羧基与另一个氨基酸的氨基之间失水 形成的酰胺键称为肽键，所形成的化合物称为肽。,（四） 侧链R基参加的反应,1、Tyr,2、碱性AA,2、碱性AA,3、带硫AA,Tyr酚基在3和5位上易发生亲电取代反应， 如碘化和硝化,黄色反应,His侧链咪唑基与重氮苯磺酸生成棕红色化合物,Pauly反应,Arg侧链胍基与环己二酮生成缩合物,Trp侧链吲哚基能被 N-溴代琥珀酰亚胺氧化 分光光度法测定Trp含量,Met侧链上甲硫基：强亲核基团与烃化试剂成锍盐,保护巯基,与二硫硝基苯甲酸发生硫醇-二硫化物交换,pH8.0时412nm最大光吸收 分光光度法测定-SH,Cys的巯基不稳定，易被氧化成二硫键 巯基在有痕量的金属离子如： Cu2+，Fe2+，Co2+或Mn2+时，易被氧化,Cys中的二硫键可被氧化剂（过甲酸）以及还原剂（巯基化合物）打开。,磺基丙氨酸,七、氨基酸的旋光性和光谱性质,（一）AA的光学活性和立体化学,构成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，均含有不对称碳原子，所以除甘氨酸外，所有天然氨基酸含有一个手性-碳原子，因此都具有旋光性。,D型氨基酸与L型氨基酸,22种蛋白质氨基酸分子中，除了甘氨酸，均至少含有一个不对称碳原子（Thr和Ile有两个手性碳），因此除甘氨酸以外的21种标准氨基酸都具有手性性质。如果以L型甘油醛为参照物，具有不对称碳原子的氨基酸就有D型和L型两种对映异构体。实验证明，蛋白质分子中的不对称氨基酸都是L型。D型氨基酸仅存在于一些特殊的抗菌肽和某些细菌的细胞壁成分之中，它们不能参入到在核糖体上合成的多肽或蛋白质分子之中。 氨基酸的D型和L型与氨基酸的旋光方向没有必然的联系。,构型：根据甘油醛构型确定D型和L型,1.根据甘油醛原则确定构型 2.自然界的氨基酸有两种构型，构型和旋光方向没有必然联系。 3.组成蛋白质的氨基酸都是L型，除甘氨酸外都有旋光性。LAA,（二）氨基酸的光谱性质,可见光区：无吸收 远紫外和红外区：都吸收 近紫外区（200400nm）：Tyr/Trp/Phe 原因：-C=C-C=C-C=C-C=C-,1、紫外吸收光谱,Trp 280nm Tyr 275nm Phe 257nm,蛋白质含量测定,280nm,、核磁共振波谱,1946年美国科学家布洛赫(Bloch)和珀塞尔（Purcell）两位物理学家分别发现在射频（无线电波0.1100MHZ,106109m）的电磁波能与暴露在强磁场中的磁性原子核相互作用,引起磁性原子核在外磁场中发生磁能级的共振跃迁,从而产生吸收信号,他们