第二章： 氨基酸.ppt

AminoAcid AA Aa aa 第二章氨基酸 地球上天然形成的AA500种以上 构成蛋白质的AA只有20余种 且都是 氨基酸 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 AA1 1045 1032 1031000200100 500 除脯氨酸外 其他均具有如下结构通式 各种氨基酸的区别在于侧链R基的不同 20种基本氨基酸按R的极性可分为非极性氨基酸 极性氨基酸 酸性氨基酸和碱性氨基酸 氨基酸 可变部分 不变部分 Aminoacid 一 氨基酸的结构和分类 1 常见氨基酸 1 结构通式从不同天然蛋白质完全水解产物中分离到的20种基本氨基酸 称为常见氨基酸 它们的分子结构有两个共同的特点 a都是 氨基酸 b除了甘氨酸之外 都是L 型氨基酸 除胱氨酸和酪氨酸外 其余AA都能溶于水 C C C C COOH C C C C NH2 COOH 氨基酸 C C C NH2 C COOH 氨基酸 C C NH2 C C COOH 氨基酸 什么是 氨基酸 2常见的氨基酸的分类和结构氨基酸的分类通常是根据R基团的结构和性质进行a根据R基团的化学结构分为脂肪族 芳香族和杂环族氨基酸三类 b根据R基团的酸碱性质分为中性 酸性和碱性氨基酸三类 c根据R基团的电荷性质可分为非极性R基团氨基酸 不带电荷R基团氨基酸 带正电荷的R基团氨基酸和带负电荷的R基团氨基酸四类 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 芳香族氨基酸 苯丙氨酸Phenylalanine 氨基酸的结构 芳香族氨基酸 苯丙氨酸Phenylalanine酪氨酸Tyrosine 氨基酸的结构 芳香族氨基酸 苯丙氨酸Phenylalanine酪氨酸Tyrosine色氨酸Trytophan 氨基酸的结构 碱性氨基酸 精氨酸Arginine 氨基酸的结构 碱性氨基酸 精氨酸Arginine赖氨酸Lysine 氨基酸的结构 碱性氨基酸 精氨酸Arginine赖氨酸Lysine组氨酸Histidine 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 3 几种重要的不常见氨基酸 在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 4 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 二氨基酸的酸碱化学 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 而是离解成两性离子 在两性离子中 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 PH1710净电荷 10 1正离子两性离子负离子等电点PI 氨基酸的等电点 当溶液浓度为某一pH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 侧链不含离解基团的中性氨基酸 其等电点是它的pK 1和pK 2的算术平均值 pI pK 1 pK 2 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 pK 1 pK R COO 2碱性氨基酸 pI pK 2 pK R NH2 2 三 氨基酸的化学反应 1 氨基参与的反应 1 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 三 氨基酸的化学性质 1 氨基参与的反应 2 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 三 氨基酸的化学性质 1 氨基参与的反应 3 酰化反应 用途 用于保护氨基以及肽链的氨基端测定等 三 氨基酸的化学性质 1 氨基参与的反应 4 烃基化反应 用途 是鉴定多肽N 端氨基酸的重要方法 三 氨基酸的化学性质 1 氨基参与的反应 5 生成西佛碱的反应 用途 是多种酶促反应的中间过程 三 氨基酸的化学性质 1 氨基参与的反应 6 脱氨基和转氨基反应 用途 酶催化的反应 三 氨基酸的化学性质 氨基酸与碱作用生成相应的盐 氨基酸的碱金属盐能溶于水 而重金属盐则不溶于水 2 羧基参与的反应 1 成盐反应 用途 保护氨基酸的羧基 三 氨基酸的化学性质 1 1 氨基参与的反应 2 形成酯的反应 用途 是合成氨基酸酰基衍生物的重要中间体 2 羧基参与的反应 三 氨基酸的化学性质 1 3 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 2 羧基参与的反应 三 氨基酸的化学性质 4 叠氮化反应 用途 常作为多肽合成活性中间体 2 羧基参与的反应 三 氨基酸的化学性质 1 5 脱羧反应 用途 酶催化的反应 2 羧基参与的反应 三 氨基酸的化学性质 1 1 与茚三酮反应 用途 常用于氨基酸的定性或定量分析 3 氨基和羧基共同参与的反应 茚三酮 水合茚三酮 三 氨基酸的化学性质 1 2 成肽反应 用途 是多肽和蛋白质生物合成的基本反应 3 氨基和羧基共同参与的反应 4 侧链基团的化学性质 1 巯基 SH 的性质 1 作用 这些反应可用于巯基的保护 4 侧链基团的化学性质 1 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 4 侧链基团的化学性质 1 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 4 侧链基团的化学性质 1 巯基 SH 的性质 作用 可用于比色法定量测定半胱氨酸的含量 硝基苯甲酸二硫化合物 DTNB 4 侧链基团的化学性质 2 羟基的性质 1 作用 可用于修饰蛋白质 二异丙基氟磷酸酯 4 侧链基团的化学性质 3 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 组氨酸中的咪唑基能够发生多种化学反应 可以与ATP发生磷酰化反应 形成磷酸组氨酸 从而使酶活化 组氨酸的咪唑基也能发生烷基化反应 生成烷基咪唑衍生物 并引起酶活性的降低或丧失 4 侧链基团的化学性质 4 甲硫基的性质 1 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 Pauly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 四 氨基酸的旋光性氨基酸的光吸收 除甘氨酸外 氨基酸均含有一个手性 碳原子 因此都具有旋光性 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 1 氨基酸的旋光性 2 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 酪氨酸的 max 275nm 275 1 4x103 苯丙氨酸的 max 257nm 257 2 0 x102 色氨酸的 max 280nm 280 5 6x103 五 氨基酸的分离分析 分配柱层析 支持剂是一些具有亲水性的不溶性物质 如纤维素 淀粉 硅胶等 滤纸层析 薄层层析 离子交换层析 阴离子交换树脂 N CH3 3OH 阳离子交换树脂 SO3H电泳 六 氨基酸混合物的分析分离 利用AA成分分配系数的差异 一 分配层析法的一般原理 层析系统 固定相 流动相 附着在固相上的液体 固体 按两相所处状态分 按操作形式分 按层析原理分 固定相各组分对固定相 二 分配柱层析 填充物为亲水性的不溶物质如纤维素 淀粉 硅胶等 收集的组分用茚三酮显色定量 三 纸层析 四 薄层层析 五 离子交换层析 六 气液层析 固定相支持剂颗粒细 表面积大 采取高压 洗脱速度快 七 高效液相层析 六 氨基酸的化学合成 目前氨基酸的合成方法有5种 1 直接发酵法 2 添加前体发酵法 3 酶法 4 化学合成法 5 蛋白质水解提取法 通常将直接发酵法和添加前体发酵法统称为发酵法 合成方法 通过对菌株的诱变处理 产生的新微生物某代谢物在体内积累 从而达到生产的目的 直接发酵法以葡萄糖 氨等为原料 应用直接发酵法生产氨基酸产量最大的是谷氨酸 其次是赖氨酸 其余可以生产的品种有苏氨酸 异亮氨酸 结氨酸 精氨酸 组氨酸 脯氨酸 鸟氨酸 瓜氨酸等 1 直接发酵法 六 氨基酸的化学合成 又称为微生物转化法 这种方法使用葡萄糖作为发酵碳源 能源 再添加特异的前体物质 以避免氨基酸合成途径的反馈抑制作用 经微生物作用将其有效地转化为目的氨基酸 目前成功地用邻氨基苯甲酸作为前体 工业生产色氨酸 用甘氨酸作为前体工业化生产丝氨酸 2 添加前体发酵法 六 氨基酸的化学合成 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 3 酶法 六 氨基酸的化学合成 六 氨基酸的化学合成 反丁烯二酸 NH3 L 天冬氨酸 3 酶法 天冬氨酸酶 六 氨基酸的化学合成 L 天冬氨酸 H2O L 丙氨酸 CO2 3 酶法 天冬氨酸 脱羧酶 六 氨基酸的化学合成 氯 L 丙氨酸 H2S L 半胱氨酸 HCl 3 酶法 半胱氨酸脱硫基酶 六 氨基酸的化学合成 甘氨酸 甲醛 L 丝氨酸 3 酶法 丝氨酸转羟甲基酶 六 氨基酸的化学合成 甘氨酸 乙醛 L 苏氨酸 3 酶法 苏氨酸醛缩酶 六 氨基酸的化学合成 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 4 化学合成法 1 Strecker合成法 六 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 4 化学合成法 2 还原氨化法 六 氨基酸的化学合成 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 4 化学合成法 3 溴代羧酸氨化法 六 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 化学合成法 4 丙二酸酯合成法a 乙酰氨基丙二酸酯合成法 六 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 4 化学合成法 4 丙二酸酯合成法B 溴代丙二酸酯合成法 六 氨基酸的化学合成 通常可以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 纯手性碱 或酸 L 氨基酸盐 分离D 氨基酸D 氨基酸盐 5 外消旋氨基酸的拆分 1 化学法 六 氨基酸的化学合成 5 外消旋氨基酸的拆分 2 酶解法 六 氨基酸的化学合成 不对称加成途径通过加成试剂 一般是加氢 的选择性加成而实现的合成途径 例如Corey法合成手性纯氨基酸 6 氨基酸的不对称合成 1 应用不对称前体合成法 六 氨基酸的化学合成 不对称取代途径通过试剂 一般是烷基化 的选择性取代而实现的合成途径 6 氨基酸的不对称合成 1 应用不对称前体合成法 六 氨基酸的化学合成 此法的关键是制备一种具有特殊空间结构的加氢催化剂 这种催化剂能够识别底物分子的潜手性面 使氢原子只能从一个方向进行加成 得到光学纯异构体 6 氨基酸的不对称合成 2 应用不对称催化剂合成法 六 氨基酸的化学合成 反应基本过程 6 氨基酸的不对称合成 2 应用不对称催化剂合成法 七 氨基酸的应用 1 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 1 精氨酸 对治疗高氨血症 肝机能障碍等疾病颇有