课件：氨基酸结构与性质.ppt

生物化学,氨基酸结构与性质,蛋白质化学之一,蛋白质化学,【目的与要求】,1.1 蛋白质通论,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,蛋白质化学,了解蛋白质对生物体的重要意义。 了解蛋白质的分类，掌握蛋白质元素组成特点。 掌握蛋白质的基本构成单体：氨基酸的结构特点，从各氨基酸的结构特点上理解氨基酸的分类。 掌握氨基酸的理化性质，重点掌握两性电离与等电点含义、茚三酮反应及其应用。,目的与要求,蛋白质化学,5.掌握蛋白质一级结构的概念；了解蛋白质一 级结构的测定方法与思路，学会分析简单多 肽的氨基酸顺序。 6.理解并掌握蛋白质二级结构的概念；二级结 构的基本类型：-螺旋及-折叠的结构 特点；了解几种常见纤维状蛋白质的结构特 性；了解超二级结构及结构域的概念。 7.了解蛋白质三级结构、四级结构的概念及稳定素。,蛋白质化学,8.充分理解蛋白质结构与功能的关系；从核糖 核酸酶的变性与复性实验理解一级结构与空 间结构的关系；以细胞色素C等为例充分理解 一级结构与蛋白质生物学功能的关系；从血 红蛋白与肌红蛋白的结构特性理解蛋白质空 间结构与生物学功能的关系。 9.掌握蛋白质的理化性质：胶体性质、两性电 离与等电点、沉淀作用、变性作用以及这些 性质的生理意义及实践意义。 10.了解蛋白质分离提纯的常用方法及基本原理。,1.1 蛋白质通论,一. 蛋白质的生物学意义,(一) 蛋白质是生命活动的物质基础,生物体内的蛋白质是除水以外，机体组织中最多的组分，占人体干重的45%，占细菌干重的5070%。Soybean,wheat.,早在1878年，思格斯就在反杜林论中指出：“生命 是蛋白体的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更新。” 蛋白体是生命的物质基础； 生命是物质运动的特殊形式，是蛋白体的存在方式； 这种存在方式的本质就是蛋白体与其外部自然界不断的新陈代谢。 现代生物化学的实践完全证实并发展了恩格斯的论断。,1.1 蛋白质通论,(二) 蛋白质的生物学功能,1.作为生物催化剂：在体内催化各种物质代谢反应的酶几乎都是蛋白质。(生物固氮，271亿吨/年。工业，500，几百大气压。）,2.调节代谢反应：一些激素是蛋白质或肽，如胰岛素、生长素。,3.运输载体：如红细胞中运输O2、CO2要靠Hb (Hemoglobin 血红蛋白)、运输脂类物质的是载脂蛋白、运铁蛋白等转运蛋白或叫载体蛋白。,4.参与机体的运动：如心跳、胃肠蠕动等，依靠与肌肉收缩有关的蛋白质来实现，如肌球蛋白、肌动蛋白。,1.1 蛋白质通论,5.参与机体的防御： 机体抵抗外来侵害的防御机能，靠抗体，抗体也称免疫球蛋白，是蛋白质。,6.接受传递信息：如口腔中的味觉蛋白、视网膜中的视觉蛋白。,7.调节或控制细胞的生长、分化、遗传信息的表达。,8.其它：如鸡蛋清蛋白、牛奶中的酪蛋白是营养和储存蛋白；胶原蛋白、纤维蛋白等属于结构蛋白。还有甜味蛋白、毒素蛋白等都具有特异的生物学功能。,所以，我们不难理解，为什么说没有蛋白质就没有生命。,(二) 蛋白质的生物学功能,1.1 蛋白质通论,二、蛋白质的分类,1.根据分子形状分：球状蛋白质、纤维状蛋白质,2.根据功能分：活性蛋白质、结构蛋白质。,3.根据组成分：,（1）简单蛋白质：清蛋白、球蛋白、谷蛋白、醇溶谷蛋白、组蛋白、精蛋白、硬蛋白。,（2）结合蛋白质：色素蛋白、金属蛋白、磷蛋白、核蛋白、脂蛋白、糖蛋白。,4.根据营养价值分：完全蛋白质、不完全蛋白质。,蛋白质分子的大小与分子量,蛋白质是分子量很大的生物分子。对任 一种给定的蛋白质来说，它的所有分子在氨 基酸的组成和顺序以及肽链的长度方面都应 该是相同的。 蛋白质分子量的上下限是人为规定的。 蛋白质的分子量（MW, molecular weight）: 6000-106 道尔顿（dalton）。,道尔顿（Dalton）,分子量常用单位(D)，就是将分子中所有原子按个数求原子量的代数和。蛋白质是大分子，所以常用kDa（千道尔顿）来表示。 原子质量单位（amu 或u）有时称统一原子质量单位，或道而顿（Dalton，Da，D）是用来衡量原子或分子质量的单位，它被定义为碳12原子质量的1/12 道尔顿就是原子质量单位，在生物化学、分子生物学和蛋白组学中经常用D或KD，定义为碳12原子质量的1/12，1D1/N g，N为阿弗加德罗常数，其实最开始道尔顿计算出的原子量是我们现在用的当量. 分子量是没有单位的，它是相对分子质量,比值是固定的，用原子量算出来的 氯化钠的分子量是58.5道尔顿 氯化钠的分子量是58.5，这个也可称作为式量 氯化钠摩尔质量就为58.5g/mol,蛋白质分子的大小与分子量,寡聚蛋白（oligomeric protein）: 由两个或 更多个蛋白质亚基(多肽链)通过非共价 键结合而成的蛋白质。如烟草花叶病毒 由许多亚基和核糖核酸组成的超分子复 合物，MW为4 x 107(四千万)。,蛋白质分子的大小与分子量,对于简单蛋白质来说，用其MW 除以110 即可得氨基酸残基的数目。(必须记住） 蛋白质中20种氨基酸的平均分子量为138， 在多数蛋白质中较小的氨基酸占优势，分子量接近128，形成肽键时失去1分子水(18),故氨基酸的平均MW为110。,1.1 蛋白质通论,三. 蛋白质的水解,1.酸水解,条件：510倍的20%的盐酸煮沸回流1624小时， 或加压于120水解2小时。,优点：可蒸发除去盐酸，水解彻底，终产物为L-氨基酸，产物单一，无消旋现象。,缺点：色氨酸破坏，并产生一种黑色的物质：腐黑质，水解液呈黑色。 HVP（hydrolyzed vegetable proteins）.HAP.食品添加剂,1.1 蛋白质通论,2. 碱水解,条件：4mol/L Ba(OH)2或6mol/L NaOH煮沸6小时。,优点：水解彻底，色氨酸不被破坏，水解液清亮。,缺点：产生消旋产物，破坏的氨基酸多，一般很少使用。,3. 蛋白酶水解,条件：蛋白酶如胰蛋白酶、糜蛋白酶，常温3740， pH值58 。,优点：氨基酸不被破坏，不发生消旋现象。,缺点：水解不完全，中间产物多。,蛋白质酸碱水解常用于蛋白质的组成分析，而酶水解用于制备蛋白质水解产物。,p123,p123,蛋白质的水解,一、 蛋白质的化学组成,1.元素组成：蛋白质是一类含氮有机化合物，除含有碳、氢、氧外，还有N和少量的S。某些蛋白质还含有其他一些元素，主要是磷、铁、碘、钼、锌和铜等。这些元素在蛋白质中的组成百分比约为： 碳 50-55% 氢 6.5-7.3 氧 19-24 氮 16% 硫 0-3 其他 微 量,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,蛋白质的含氮量,大多数蛋白质的含氮量接近于16%，这是蛋白质元素组成的一个特点，也是凯氏（Kjedahl）定氮法测定蛋白质含量的计算基础。所以，可以根据生物样品中的含氮量来计算蛋白质的大概含量： 蛋白质含量=蛋白氮 6.25 6.25为蛋白质系数，即1克氮所代表的蛋白质量（克数）,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,Pr 的基本结构单位氨基酸,1. 常见的蛋白氨基酸(Amino,acid Aa) Aa共有约180种，但组成蛋白质的常见Aa 只有20种，称为蛋白质Aa，其它不参与蛋白质组成的Aa 称为非蛋白Aa。 Aa 可以通俗地理解为含有氨基的羧酸，除脯氨酸外，其氨基均 位于与羧基相连的-C原子上，故称为-Aa。（天然蛋白质水解的终产物都为-氨基酸？）,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,二、蛋白质分子的基本组成单位氨基酸,（一）氨基酸的结构通式：,构成蛋白质的氨基酸均为L-氨基酸? (-C原子上有一个NH3) 除R为H（甘氨酸）外，其余氨基酸均具有旋光性。 各种氨基酸的区别在于侧基R基上。,从氨基酸的结构通式可以看出：,残余,剩余物,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,旋光性：,自然界中有许多物质对偏振光的振动面不发生影响，例如水、乙醇、丙酮、甘油及氯化钠等；还有另外一些物质却能使偏振光的振动面发生偏转，如某种乳酸及葡萄糖的溶液。能使偏振光的振动面发生偏转的物质具旋光性，叫做旋光性物质；不能使偏振光的振动面发生偏转的物质叫做非旋光性物质，它们没有旋光性。 当偏振光通过旋光性物质的溶液时，可以观察到有些物质能使偏振光的振动面向左旋转（逆时针方向）一定的角度，这种物质叫做左旋体，具有左旋性，以“-”表示； 另一些物质则使偏振光的振动面向右旋转（顺时针方向）一定的角度，叫做右旋体，它们具有右旋性，以“+”表示。以前也曾用“l、d”表示左右旋。,除Gly外，-C原子是一个不对称的碳原子（asymmetric carbon）或手性中心（chiral center）,它所连接的四个基团是不同的，因此 具有旋光性。,1. 常见的蛋白氨基酸,D-L构型 与旋光,Fischer选择甘油醛为标准，规定右旋甘油醛为D构型，只要通过 D-甘油醛 衍生出来的，或者通过反应能生成 D-甘油醛（不涉及手性中心的反应）的化合物均为D构型；反之，与左旋甘油醛相关的化合物为L型。 值得注意的是D/L与旋光的方向没有必然联系。,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,（二）氨基酸的构型：,构成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，均含有-碳原子，在空间各原子有两种排列方式：L-构型与D-构型，它们的关系就像左右手的关系，互为镜像关系，下图以丙氨酸为例：,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,（二）氨基酸的构型：,活着的生物体中所有蛋白质氨基酸除甘氨酸外，都是以L构型存在。 生物死亡及埋藏后非生物的D构型相对L构型大量增加，这一两种氨基酸构型的转换过程称之为氨基酸的外消旋作用（racemization）。,Pr 的基本结构单位氨基酸,1. 常见的蛋白氨基酸,甘氨酸 Gly 丙氨酸 Ala 缬氨酸 Val 亮氨酸 Leu 异亮氨酸 Ieu 脯氨酸 Pro 甲硫氨酸 Met 半胱氨酸 Cys,苯丙氨酸 Phe 酪氨酸 Tyr 色氨酸 Trp 精氨酸 Arg 赖氨酸 Lys 组氨酸 His 天冬氨酸 Asp 谷氨酸 Glu,丝氨酸 Ser 苏氨酸 Thr 天冬酰胺 Asp 谷酰胺 Gln,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,（三）氨基酸的结构与分类,1、按氨基酸分子中羧基与氨基的数目分：,（1）酸性氨基酸：一氨基二羧基氨基酸，有：天冬氨酸(Asp)、谷氨酸(Glu) （2）碱性氨基酸：二氨基一羧基氨基酸，有：赖氨酸(Lys)、精氨酸(Arg)、组氨酸(His) （3）中性氨基酸：一氨基一羧基氨基酸，有：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、脯氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸。,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,2、按侧基R基的结构特点分：,（1）脂肪族氨基酸: Gly,Ala,Val,Leu,Ile （2）芳香族氨基酸: Phe、Tyr, Trp （3）杂环氨基酸： Pro、His,3、按侧基R基与水的关系分：,（1）非极性R基氨基酸：有丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、脯氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、色氨酸。 （2）不带电的极性R基氨基酸：甘氨酸、丝氨酸、苏氨酸、半胱氨酸、酪氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺。 （3）极性带+电氨基酸：赖氨酸、精氨酸、组氨酸。 (4) 极性带-电氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸.,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,4、按氨基酸是否能在人体内合成分：,（1）必需氨基酸：指人体内不能合成的氨基酸，必须从食物中摄取，有八种：赖氨酸、色氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸。 异亮 甲 缬 亮 色 本 苏 赖 一 家 写 两 三 本 书 来 （2）非必需氨基酸：指人体内可以合成的氨基酸。有十种。 （3）半必需氨基酸：指人体内可以合成但合成量不能满足人体需要（特别是婴幼儿时期）的氨基酸，有两种：组氨酸、精氨酸。,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,二十种氨基酸的名称和结构如图所示:,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,2019/8/27,35,可编辑,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,注：二十种氨基酸的结构特点 支链氨基酸：缬氨酸、亮氨酸，异亮氨酸 含羟基的氨基酸：丝氨酸、苏氨酸 含硫的氨基酸：半胱氨酸（含巯基）、 甲硫氨酸（含硫甲基） 含苯环的氨基酸：苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸 含胍基的氨基酸：精氨酸 含咪唑基的氨基酸：组氨酸 亚氨基酸：脯氨酸 含酰胺的氨基酸：天冬酰胺、谷氨酰胺 含吲哚基的氨基酸：色氨酸 含-氨基的氨基酸：赖氨酸,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,（四）蛋白质中不常见的氨基酸,羟-脯氨酸、羟-赖氨酸、r-羧基谷氨酸、6-氮-甲基赖氨酸,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,（五）非蛋白氨基酸,鸟氨酸、胍氨酸、高半胱氨酸、高丝氨酸、-丙氨酸、-氨基丁酸等 作为细菌细胞壁中肽聚糖的组分：D-Glu D-Ala 作为一些重要代谢物的前体或中间体:-丙氨酸（VB3）、鸟氨酸（Orn）、胍氨酸（Cit）(尿素) 作为神经传导的化学物质：-氨基丁酸 有些氨基酸只作为一种N素的转运和贮藏载体（刀豆氨酸） 调节生长作用 杀虫防御作用 绝大部分非蛋白氨基酸的功能不清楚。,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,三.氨基酸的理化性质,（一）物理性质,形态：均为白色结晶或粉末，不同氨基酸的晶型结构不同。 溶解性：一般都溶于水，不溶或微溶于醇，不溶于丙酮，在稀酸和稀碱中溶解性好。 熔点：氨基酸的熔点一般都比较高，一般都大于200，超过熔点以上氨基酸分解产生胺和二氧化碳。 旋光性：除甘氨酸外的氨基酸均有旋光性。 光吸收：氨基酸在可见光范围内无光吸收，在近紫外区含苯环氨基酸有光的吸收（UVA,UVB,UVC?)。p145,日光中的紫外线,UVA：可以透射到皮肤真皮层，辐射强度大，其辐射到皮肤表面的能量高达紫外线总能量的98%，对皮肤的损伤作用较UVB缓慢但具有累积性，可使皮肤晒黑； UVB：透射能力较弱，只能到达皮肤表皮层，但对皮肤的损伤作用强，使皮肤出现红斑或晒斑； UVC: 具有较强的生物破坏作用，紫外灯杀菌是UVC发生作用，但日光中的UVC已经被大气层吸收,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,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Tyr、Phe和Trp有吸收光的能力。 Tyr max275nm， Phe max257nm， Trp(色） max280nm，,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,（二）化学性质,1.氨基酸的两性电离及等电点（重点）：,氨基酸既含有氨基，可接受H+ (碱）;又含有羧基，可电离出H+（酸），所以氨基酸具有酸碱两性性质。通常情况下，氨基酸以两性离子的形式存在，如下图所示：,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,氨基酸在酸性环境中，主要以阳离子的形式存在， 在碱性环境中，主要以阴离子的形式存在。 在某pH环境下，以两性离子（兼性离子）的形式存在。该pH称为该氨基酸的等电点。 所以氨基酸的等电点可以定义为：氨基酸所带正负电荷相等时的溶液pH（是否不带电荷？）。,氨基酸的等电点（isoeletric point）及其计算,氨基酸的等电点：当外液pH为某一值时，氨基酸分子中所含的-NH3+和-COO-数目正好相等，净电荷为0。这一pH值即为氨基酸的等电点，简称pI。在等电点时，氨基酸既不向正极也不向负极移动，即氨基酸处于两性离子状态。 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 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 + pK R-COO- )/2 ？ 碱性氨基酸： pI= (pK2 + pKR-NH2 )/2 ？,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,氨基酸的水溶液既可被酸滴定，又可被碱滴定，应该具有两性电离的性质，现以甘氨酸为例来说明氨基酸两性电离的特点。,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,左图是甘氨酸的电离酸碱滴定曲线， 从左向右是用NaOH滴定的曲线(B)，溶液的pH由小到大逐渐升高； 从右向左是用盐酸滴定的曲线(A),溶液的pH由大到小逐渐降低。 第一个拐点是氨基酸羧基解离50%的状态， 第二个拐点是氨基酸的等电点， 第三个拐点是氨基酸氨基解离50%的状态。,B,A,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,通过氨基酸的滴定曲线，可用下列 Henderson-Hasselbalch 方程求出各解离基团的解离常数（pK）：,根据pK可求出氨基酸的等电点，可由其等电点左右两个pK，值的算术平均值求出。,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,中性氨基酸：,pI=(pK1 + pK2)/2,pK1为-羧基的解 离常数, pK2为-氨基的解 离常数。,氨基酸等电点的计算,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,二十种氨基酸的pK，及等电点：,小 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.当溶液的pH大于AA 的pI，AA带 电荷，在电场中向 极移动； 当溶液的pH小于AA 的pI，AA带 电荷，在电场中向 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 。,（三）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,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,2.由-氨基参加的反应：,(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。,(2) 与甲醛的反应：用过量的中性甲醛与氨基酸反应，可游离出氢离子，然后用NaOH滴定，从消耗的碱量可以计算出氨基酸的含量。此法称为间接滴定法。,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,1.2 蛋白质的分子组成氨基酸,(3) 与2,4-二硝基氟苯（2,4-DNFB）的反应（Sanger反应）： 生成黄色的