生物化学氨基酸和多肽ppt课件.ppt

第3章蛋白质 Protein 最重要的一类生物大分子 存在于所有的生物细胞中 是构成生物体最基本的结构物质和功能物质 氨基酸多肽蛋白质蛋白质的结构多肽的化学合成 蛋白质功能的多样性蛋白质是最重要的一类生物大分子 存在于所有的生物细胞中 是构成生物体最基本的结构物质和功能物质 参与了几乎所有的生命过程 催化作用 生物调节 物质转运 免疫作用 运动 结构成分 贮存等 1 催化作为生物体新陈代谢的催化剂 酶 酶是蛋白质中最大的一类 酶的催化效率远大于合成的催化剂 酶催化的反应速率为非催化速率的1016倍 2 调节许多蛋白质能调节其他蛋白质执行其生理功能的能力 如 胰兰氏小岛及 细胞分泌的胰岛素 是调节动物体内血糖代谢的一种激素 3 物质转运如 红细胞里的血红蛋白输送氧气 将氧气从肺转运到其他组织 血清清蛋白将脂肪酸从脂肪组织转运到各器官 4 防御和进攻免疫球蛋白 抗体 抗体是在外来的蛋白质或其他高分子化合物即所谓抗原的影响下由淋巴细胞产生 并能与相应的抗原结合而排除外来物质对生物体的干扰 5 运动某些蛋白质赋予细胞以运动的能力 肌肉收缩和细胞游动是细胞具有这种能力的代表 如 肌动蛋白和肌球蛋白 蛋白质功能的多样性 6 结构成分建造和维持生物体的结构 给细胞和组织提供强度和保护 如 构成毛发 角 蹄 甲的 角蛋白 keratin 存在于骨 腱 韧 带 皮的胶原蛋白 蛋白质功能的多样性 7 贮存贮藏氨基酸 用作有机体及其胚胎或幼体生长发育的原料 8 异常功能如 应乐果甜蛋白有着极高的甜度 蛋白质功能的多样性 3 1氨基酸 多肽和蛋白质 1 蛋白质的化学组成蛋白质中各元素组成百分比约为 C50 H7 O23 N16 S0 3 其它微量生物组织中的含氮量近似地看作蛋白质的含氮量蛋白质含量 克 每克生物样品中含氮的克数 6 25 2 氨基酸是蛋白质的基本结构单元 生物界蛋白质种类约在1010 1012数量级 分子量范围 6000 1000 000道乐顿 dalton 归根结底 蛋白质由20种基本氨基酸 所组成 多肽是由氨基酸以酰胺键形式连接而成的线形大分子 多肽被合成后 可能就能够执行其功能 也可能其结构还要发生更多的化学修饰 蛋白质还要发生特定的折叠 成为固定的三维结构 蛋白质的生物功能决定于它的高级结构 高级结构是由一级结构即氨基酸序列决定的 3 2氨基酸 已发现天然氨基酸180种 参与蛋白质组成的基本氨基酸只有20种 作为蛋白质结构单元的氨基酸均为L 氨基酸 以D 甘油醛为参考物 某些蛋白质还含有若干种不常见的氨基酸 它们都有是基本氨基酸的衍生物 氨基酸 3 2 1氨基酸的结构和分类 除脯氨酸外 蛋白质氨基酸在结构上的共同点是与羧基相邻的 碳上都有一个氨基 因此称为 氨基酸 结构通式 可变部分 不变部分 氨基酸的结构和分类 二十种基本氨基酸的结构式 中性非极性氨基酸 氨基酸的结构和分类 中性极性氨基酸 酸性氨基酸 碱性氨基酸 氨基酸的结构和分类 不常见的氨基酸 由常见氨基酸衍生而来 氨基酸的结构和分类 3 2 2氨基酸的旋光性 氨基酸的构型 指 碳的构型 除甘氨酸外 氨基酸中的 C原子是一个不对称碳原子 因此都具有旋光度 比旋光度是 氨基酸的物理常数之一 也是鉴别各种氨基酸的重要依据 教材表3 2 3 2 3氨基酸的酸碱性质 氨基酸熔点高 一般在200oC以上如 甘氨酸在233oC溶解并分解 普通有机化合物如二苯胺 溶点为53oC 大多数氨基酸都能溶于水 水溶液具有较高的介电常数 说明 氨基酸在晶体或在水中主要是以两性离子形式存在 不带电荷的中性分子为少数 氨基酸的酸碱性质 1 氨基酸的两性解离 例 中性氨基酸的分步解离 第一步解离 第二步解离 氨基酸的酸碱性质 如何求解K1 和K2 滴定从甘氨酸 1 0mol 溶液开始用标准盐酸滴定 以加入的盐酸的摩尔数对pH作图 得到滴定曲线A段酸量为0 5mol时 对应一拐点pH2 34 此时有一半的A0变成A 根据pH pK1 lg A0 A pK1 pH 2 34 氨基酸pK值的求解 用标准NaOH滴定 以加入的NaOH的摩尔数对pH作图 得到滴定曲线B段碱量为0 5mol时 对应一拐点pH9 60 此时有一半的A0变成A 根据pH pK2 lg A A0 pH pK2 9 60净电荷为0时的pH值即为氨基酸的等电点pI isoelectricpoint 氨基酸的酸碱性质 结论 净电荷为0时的pH值即为氨基酸的等电点 对侧链不含解离基团的中性氨基酸 pI pK1 pK2 2 氨基酸的酸碱性质 酸性氨基酸 谷氨酸的滴定曲线pI pK1 pKR 2 氨基酸的酸碱性质 pK1 pKR pK2 碱性氨基酸 组氨酸的滴定曲线pI pKR pK2 2 氨基酸的酸碱性质 当溶液的pH大于等电点时 氨基酸带有净负电荷 在电场中向正极运动 当溶液的pH小于等电点时 氨基酸带有净正电荷 在电场中向负极运动 结论 求解等电点的公式 中性氨基酸的等电点 pI pK1 pK2 2侧链含有可解离基团的氨基酸等电点酸性氨基酸 pI pK1 pK RCOO 2碱性氨基酸 pI pK2 pK RNH2 2 电泳现象 氨基酸的酸碱性质 3 2 4氨基酸的化学性质 主要指 氨基和 羧基以及侧链上的官能团所参与的反应 1 NH2参与的反应 NH2特点和发生反应类型 氨基酸的化学性质 氨基中氮原子是一个很好的亲核中心 所以能够发生亲核加成或取代反应 24 氨基被羟甲基化后 碱性下降 其pK2 值减少2 3个pH单位 移至7附近 这时可以用酚酞作为碱滴定氨基酸氨基的指示剂 由于此法与碱滴定普通的一元酸相同 因而可以用来直接测定氨基酸的浓度 氨基酸的化学性质 NH2参与的反应 与甲醛发生羟甲基化反应 2 与亚硝酸反应 重氮化反应在标准条件下 测定生成N2体积 可计算出氨基酸的量 范斯来克 VanSlyke 法测定氨基N的基础 注意 生成的N2只有一半来自氨基酸 氨基酸的化学性质 室温 NH2参与的反应 3 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 例如 与苄氧甲酰氯 carbobenzyloxychloride 反应 氨基酸的化学性质 NH2参与的反应 酰化试剂还有 丹磺酰氯被用于多肽链N端氨基酸的标记和微量氨基酸定量测定 氨基酸的酰化反应是多肽合成的基本反应 此外 酰化反应还广泛用于保护氨基以及肽链的N 末端氨基酸测定等 氨基酸的化学性质 NH2参与的反应 4 烃基化反应 NH2上的H原子被烃基取代 例 与2 4 二硝基氟苯 2 4 dinitroflurobenzeneDNFB FDNB 反应 氨基酸的化学性质 鉴定多肽N 端氨基酸的重要方法 NH2参与的反应 5 形成西佛碱反应 与醛酮的加成消除反应 西佛碱是以氨基酸为底物的某些酶促反应的中间物 例如 转氨基反应 氨基酸的化学性质 NH2参与的反应 6 脱氨基反应 在氨基酸氧化酶作用下 发生脱氨基反应生成 酮酸 在转氨酶催化下 氨基可以转移到 酮酸上 氨基酸的化学性质 NH2参与的反应 a 酮戊二酸 丙酮酸 2 羧基参与的反应 成盐 成酯 成酰氯 成酰胺 脱羧 叠氮化反应 1 成盐反应与碱作用即生成盐 例如 与NaOH反应 碱金属盐溶于水 重金属盐不溶于水 氨基酸的化学性质 羧基参与的反应 2 成酯反应例 氨基酸在无水乙醇中通入干燥氯化氢或加入二氯亚砜 回流生成氨基酸乙酯的盐酸盐 生成活性酯的反应 NH2被保护后 与对硝基苯酚反应活性酯是合成氨基酸酰基衍生物的重要中间体 氨基酸的化学性质 羧基参与的反应 3 成酰卤的反应 使羧基活化 NH2被保护后 与PCl3 PCl5或亚硫酰氯反应 使羧基活化 在多肽人工合成中常用 氨基酸的化学性质 羧基参与的反应 酰基氨基酸的甲酯或乙酯与无水肼反应 再与亚硝酸反应 氨基酸叠氮化合物常用于肽的人工合成 4 叠氮化反应 羧基活化的一种方法 5 脱羧反应 氨基酸的化学性质 羧基参与的反应 1 与茚三酮反应 氨基酸与茚三酮在弱酸性溶液中共热 氨基酸即发生氧化脱氨生成酮酸 酮酸脱羧生成醛 茚三酮则成为还原茚三酮 3 氨基和 羧基共同参加的反应 氨基酸的化学性质 氨基和 羧基共同参加的反应 36 氨基酸的化学性质 氨基和 羧基共同参加的反应 蓝紫色化合物 茚三酮反应是氨基酸的特异性反应 常用于氨基酸的定性 定量分析 定量释放的CO2可用测压法测量 从而计算出参加反应的氨基酸量 产生的蓝紫色化合物可用比色法进行定性或定量测定 Pro与茚三酮反应不释放NH3 直接生成黄色物质 氨基酸的化学性质 氨基和 羧基共同参加的反应 2 成肽反应 一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基可以缩合成肽 成肽反应是蛋白质生物合成基本反应 成肽反应 从热力学上看是一个不能自发进行的反应 通过活化羧基方法 可以使成肽反应顺利进行 氨基酸的化学性质 氨基和 羧基共同参加的反应 4 侧链基团的反应 侧链官能团 OH SH 包括二硫键 氨基 羧基 芳香基 咪唑基 胍基 甲硫基等 氨基酸的化学性质 侧链基团的反应 1 巯基的反应 半胱氨酸的巯基 SH 在高pH条件下 发生解离 氨基酸的化学性质 侧链基团的反应 SH在弱碱条件下与卤代烃的反应 如苄氯 碘乙酰胺可用于巯基的保护 b 巯基与金属离子形成稳定程度不等的络合物 例 与对氯汞苯甲酸反应形成的络合物 是X 衍射时制备重原子衍生物 含有巯基的蛋白酶也可发生此反应而导致酶失活 氨基酸的化学性质 侧链基团的反应 对氯汞苯甲酸 c 与二硫硝基苯甲酸 dithionitrobenzoicacid DTNB 发生硫醇 二硫化物交换反应 其产物硫硝基苯甲酸在pH8 0时 在412nm处有强吸收 可用比色法定量测定半胱氨酸的含量 氨基酸的化学性质 侧链基团的反应 d SH的氧化 空气氧化产物 二硫化物 例Cys胱氨酸 氨基酸的化学性质 侧链基团的反应 强氧化剂作用下 SH 磺酸基 例 磺基丙氨酸 氨基酸的化学性质 侧链基团的反应 2 羟基的反应 Ser与Thr中含有羟基 OH与酸作用形成酯 例 Ser与磷酸结合 酪蛋白中含有大量丝氨酸磷酸酯 丝氨酸是大多数蛋白水解酶活性中心的主要组分 OH被酯化后会导致酶失活 氨基酸的化学性质 侧链基团的反应 3 咪唑基的性质 His的咪唑基 pKR 为6 0 在生理条件下具有缓冲作用 His在中性条件下 如下解离平衡 与ATP发生磷酰化反应 形成磷酸组氨酸 从而使酶活化 氨基酸的化学性质 侧链基团的反应 烷基化反应 水解酶活性中心的组氨酸与烷基化试剂作用 生成烷基咪唑衍生物 并引起酶活性的降低或丧失 氨基酸的化学性质 侧链基团的反应 4 甲硫基的反应 SCH3是强亲核基团 与烃化试剂易形成锍盐 在逆转反应中 原有的甲基和新加入的甲基除去的机会是相等的 因此当用14C标记的碘甲烷处理时 获得的蛋氨酸将有50 是同位素标记的 氨基酸的化学性质 侧链基团的反应 5 芳香环的反应 形成电子转移络合物 Phe Tyr Trp分子中有芳香环 是一个共轭 电子体系 容易与缺电子体系或其它的共轭 电子体系形成电子转移络合物 例 氨基酸的化学性质 取代反应例Tyr在3 5位易发生亲电取代 如 碘化 硝化和重氮化反应等Pauly反应 酪氨酸与重氮苯磺酸反应 用于检测酪氨酸 氨基酸的化学性质 目前氨基酸的合成方法有5种 发酵法 酶法 化学合成法 蛋白质水解提取法 3 2 5氨基酸的化学合成 以葡萄糖 氨等为原料 或者再添加特异的前体物质 经微生物作用将其有效地转化为目的氨基酸 生产的氨基酸有谷氨酸 赖氨酸 苏氨酸 异亮氨酸 精氨酸 组氨酸 脯氨酸 鸟氨酸 瓜氨酸 色氨酸 丝氨酸 氨基酸的化学合成 I 发酵法 用微生物产生的酶作催化剂 直接使底物转化为目标氨基酸 具有工艺简单 周期短 耗能低 专一性强 收率高等特点 天冬氨酸酶 氨基酸的化学合成 II 酶法 反丁烯二酸 L 天冬氨酸 III 氨基酸的化学合成 一般化学合成方法得到的都是外消旋体 需进一步拆分才能得到光学纯的氨基酸1 经典化学合成法 1 Strecker合成法醛与氢氰酸和氨反应得到氰氨化物 经水解得到外消旋的氨基酸 氨基酸的化学合成 酮酸与氨作用 生成亚胺 再还原成外消旋的氨基酸 2 还原氨化法 氨基酸的化学合成 3 溴代羧酸氨化法 此法是先制得 溴代羧酸 再在封管内或高压釜内和氨气反应得到外消旋氨基酸 氨基酸的化学合成 丙二酸酯经亚硝化 催化氢化得到乙酰氨基丙二酸酯 在不同反应条件下 可以进一步得到各种氨基酸 4 丙二酸酯合成法 几乎可以合成所有重要氨基酸a 乙酰氨基丙二酸酯合成法 氨基酸的化学合成 丙二酸酯溴化后与邻苯二甲酰亚胺钾反应得到邻苯二甲酰亚胺基丙二酸酯 它作为中间体 可以进一步与多种试剂发生反应制得不同的氨基酸 b 溴代丙二酸酯合成法 氨基酸的化学合成 2 外消旋氨基酸的拆分 1 化学法使消旋体与一个具有光学活性的化合物反应得到非对映体 然后利用二者的物理或化学性质的不同进行分离 常用的光学活性化合物有生物碱 如马钱子碱 或有机酸 如酒石酸 等 L 氨基酸L 氨基酸盐D 氨基酸D 氨基酸盐 分离 重结晶 色谱法等 纯手性碱 或酸 氨基酸的化学合成 2 酶解法酶本身是手性分子 对底物具有良好的手性选择性 用酶解方法可以将外消旋氨基酸拆分 氨基酸的化学合成 3 氨基酸的不对称合成 原理 创造一个不对称的反应条件或环境 使取代或加成反应按一定的方向进行 从而得到光学纯异构体 1 应用不对称前体合成法关键是构建不对称前体 由于前体分子的不对称性 使分子的某一侧空间位阻增大 进攻试剂只能从位阻小的一侧进攻 从而得到光学纯异构体 氨基酸的化学合成 62 不对称加成途径通过加成试剂