第一章_蛋白质化学1

Protein 第一章蛋白质的化学 蛋白质存在于所有生物细胞中 是构成生物体最基本的结构物质和功能物质 蛋白质是生命活动最基本的物质基础 参与了几乎所有的生命活动过程 如生物专有的催化剂 酶一个细胞中约含有104种蛋白质 分子的数量达1011个 原生质中各种物质的平均值 一 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 已发现3 000多种 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 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 结构成分 建造和维持生物体的结构 如 角蛋白 阻遏蛋白及转录因子等 8 其它 如鸡蛋清蛋白 牛奶中的酪蛋白是营养和储存蛋白 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 蛋白质的化学组成和分类 1 元素组成 蛋白质的含氮量 蛋白氮占生物组织所有含氮物质的绝大部分 大多数蛋白质含氮量接近于16 蛋白质含量 每克样品中含氮的克数 6 25 消化 蒸馏 吸收 滴定 凯氏定氮法 反应方程式 用标准盐酸进行滴定 用硼酸吸收氨气 再强碱高温水蒸气蒸馏出氨气 先高温条件下强酸 浓H2SO4 把样品中的蛋白质的有机氮全部消化为无机氮形式 奶粉 三聚氰胺事件 三聚氰胺结构式 NH3 3CO2 6 硅胶 AminoAcid AA Aa aa 第一节 氨基酸 蛋白质的构件分子 ProteinArchitecture 一 氨基酸 一 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 二 氨基酸的结构 地球上天然形成的AA300种以上 构成蛋白质的AA只有20余种 称蛋白质氨基酸 且基本是 氨基酸 不参与蛋白组成的称为非蛋白质氨基酸 什么是氨基酸 氨基酸是指含有氨基的羧酸 蛋白质是由20种氨基酸组成的 除脯氨酸外 均为 氨基酸 即羧酸分子中 碳原子上的一个氢原子被氨基取代而成的化合物 什么是 氨基酸 六伴穷光蛋 酸谷天出门 死猪肝色脸 只携一两钱 一本落色书 拣来精读之 芳香老本色 不抢甘肃来 半胱 胱 蛋 甲硫 氨酸 含硫氨基酸谷氨酸 天冬氨酸 酸性氨基酸丝 组 甘 色氨酸 一碳单位来源的氨基酸缬 异亮 亮氨酸 支链氨基酸异亮 苯丙 酪 色 苏氨酸 生糖兼生酮赖氨酸 精氨酸 组氨酸 碱性氨基酸酪 苯丙 色氨酸 芳香族氨基酸脯 羟脯 甘 苏 赖氨酸 不参与转氨基的氨基酸 三 氨基酸的分类 甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 苯丙氨酸 脯氨酸 色氨酸 丝氨酸 酪氨酸 半胱氨酸 蛋氨酸 天冬酰胺 谷氨酰胺 苏氨酸 天冬氨酸 谷氨酸 赖氨酸 精氨酸和组氨酸 丙 精 天冬 半胱 谷 甘 组 异亮 亮 赖 甲硫 苯丙 脯 丝 苏 色 酪 缬 二十种氨基酸 1 按酸碱性质 酸性氨基酸 2种天冬 谷氨酸 碱性氨基酸 3种赖 组 精氨酸 中性氨基酸 15种 2 按R基团的化学结构分 脂肪族氨基酸 15种 丙 缬 亮 异亮 蛋 天冬 谷 赖 精 甘 丝 苏 半胱 天冬酰胺 谷氨酰胺 芳香族氨基酸 3种 苯丙氨酸 酪氨酸 色氨酸 杂环氨基酸 2种 组氨酸 脯氨酸 3 根据侧链R基团是否有极性分 极性带正电荷的氨基酸 3种 极性带负电荷的氨基酸 2种 极性不带电荷的氨基酸 7种 非极性氨基酸 8种 非极性氨基酸在维持蛋白质的三维结构中起着重要作用 蛋白质的疏水核心 4 根据人体能否自身合成 必需氨基酸 8种 赖氨酸 Lys 缬氨酸 Val 甲硫氨酸 Met 色氨酸 Try 亮氨酸 Leu 异亮氨酸 Ile 苏氨酸 Thr 苯丙氨酸 Phe 半必需氨基酸 2种 Arg His婴儿期供给不足 非必需氨基酸 其余 假设来借一本书 缬 组 丙 脯 赖 异亮 亮 天冬 苯丙 酪 天酰 谷酰 谷 精 色 甘 丝 半胱 苏 甲硫 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 5 几种重要的不常见氨基酸 胶原蛋白 1 溶解度2 氨基酸的旋光性甘氨酸除外 无手性碳原子 二 氨基酸的溶解度 旋光性 光吸收 说明 苏氨酸 异亮氨酸 羟脯氨酸 羟赖氨酸 有二个不对称碳原子 苏氨酸的四个异构体如下 胱氨酸光学异构体的特殊性 外消旋体 一对对映体右旋体和左旋体的等量混合物 旋光方向相反 旋光能力相同的分子等量混合而成 其旋光性因这些分子间的作用而相互抵消 因而是不旋光的 内消旋体 分子内 含有构造相同的手性碳原子 但存在对称面的分子 分子内虽然含有两个不对称碳原子C 但由于它们具有对称因素 一半分子的右旋作用被另一半分子的左旋作用在内部所抵消 因此是一个不旋光性化合物 氨基酸的旋光符号和大小取决于它的R基的性质 溶液的pH有关 测定的溶剂有关 3 氨基酸的吸光性在近紫外光区域 220 300nm 只有酪氨酸 苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力 酪氨酸的最大光吸收波长 max 在275nm 275 1400 苯丙氨酸的 max在275nm 275 200 色氨酸的 max在280nm 280 5600 利用分光光度法很方便地测定蛋白质的含量 三 氨基酸的酸碱性质 一 兼性离子 兼性离子 两性离子 所谓两性离子是指在同一个氨基酸分子上带有能放出质子的 NH3 正离子和能接受质子的 COO 负离子 因此 氨基酸是两性电解质 二 氨基酸的解离 pIpH带正电 向阴极移动pI pH不带电 不移动 氨基酸可以做缓冲试剂 三 氨基酸的等电点 当溶液为某一pH值时 AA的氨基和羧基的解离度完全相等 正负离子浓度相等 AA主要以兼性离子的形式存在 分子中所含的正负电荷数目相等 净电荷为0 这一pH值即为AA的等电点 pI 在pI时 AA在电场中既不向正极也不向负极移动 即处于两性离子状态 在pI时 AA的溶解度最小 侧链不含离解基团的中性AApI pK 1 pK 2 2 甘氨酸滴定曲线 对于侧链含有可解离基团的AApI取决于两性离子两边pK 值的算术平均值酸性AA pI pK 1 pK R COO 2碱性AA pI pK 2 pK R NH2 2 四 氨基酸的化学反应 1 氨基参加的反应 2 羧基参加的反应 3 氨基和 羧基共同参加的反应 4 侧链R基参加的反应 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 侧链反应 成盐成酯反应成酰氯反应脱羧基反应叠氮反应 1 氨基参加的反应 与亚硝酸反应 范斯莱克法测定氨基酸氮的依据 可用来进行氨基酸定量和蛋白质水解程度的测定 室温下 氨基酸的甲醛滴定 用于氨基酸定量分析 氨基酸不能直接用酸 碱滴定来进行定量测定 OH 中和滴定 应用 氨基酸定量分析 甲醛滴定法 间接滴定 A 直接滴定 终点pH过高 12 没有适当指示剂 B 与甲醛反应 滴定终点在9左右 可用酚酞作指示剂 C 简单快速 一般用于测定蛋白质的水解速度 是生物化工产品 食品和发酵物等产品中氨基氮的测定原理和方法 与2 4 二硝基氟苯 DNFB或FDNB Sanger试剂 首先被英国的Sanger鉴定多肽蛋白质的N末端氨基酸 二硝基苯基氨基酸 FrederickSanger 桑格 英国化学家 在生物化学领域的贡献很大 他两次获诺贝尔奖1958和1980年 1953年确定了牛胰岛素一级结构 1975年和1977年确定了DNA的两种用酶测序的方法加减法和终止法 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 氨基被酰基化 用于多肽链N末端氨基酸的标记和微量氨基酸的定量测定及保护氨基 常用的酰化试剂 叔丁氧甲酰氯 对甲苯磺酰氯 邻苯二甲酸酐 丹磺酰氯等 生成西佛碱的反应 Schiff 西佛碱是以氨基酸为底物的某些酶促反应的中间物 脱氨基反应 氨基酸在生物体内经氨基酸氧化酶的催化即脱去 氨基而转变成酮酸 氨基酸氧化酶 2 羧基参加的反应 1 成盐和成酯 羧基被保护 氨基被活化 重金属盐不溶于水 2 成酰氯反应 氨基被保护 羧基被活化 在多肽人工合成中常用 3 脱羧基反应 4 叠氮反应 常用于多肽的合成 1 成盐 成酯反应 可以屏蔽羧基活化氨基 C2H5OH 干燥 HCl 回流 R CH COOC2O5 NH3Cl H2O 成酯反应 NaOH H2O 氨基被保护后 羧基可与二氯亚砜或五氯化磷反应 生成酰氯 使羧基活化 在多肽的人工合成中常用 2 成酰氯的反应 HN 保护基 R CH COOH PCl5 HN 保护基 R CH COCl POCl3 HCl 三氯氧磷 活化羧基 可用于肽的人工合成 3 叠氮反应 将 氨基酸加热时 可脱去CO2得到胺 Ba OH 2 4 脱羧基反应 NH2R CH COOH R CH2 NH2 CO2 脱羧酶 H 2 N CH 2 CH 2 CH 2 NH 2 CH CH 2 2 尸胺 茚三酮在弱酸中与 氨基酸共热 引起氨基酸的氧化脱氨 脱羧反应 最后 茚三酮与反应产物 氨和还原茚三酮反应 生成紫色物质 max 570nm 三 NH2和 COOH共同参加的反应 1 与茚三酮反应 NH3 RCHO CO2 C C C OH O C C C O O N 蓝紫色复合物 Pro Hy Pro与直接形成黄色化合物 max 440nm 茚三酮 还原茚三酮 还原茚三酮 茚三酮 max 570nm 2020 4 18 58 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 形成的键称肽键 肽键 四 侧链R基参加的反应 氨基酸侧链功能基团 苯环 色氨酸 苯丙氨酸羟基 丝氨酸 苏氨酸巯基 半胱氨酸吲哚基 色氨酸胍基 精氨酸咪唑基 组氨酸非 氨基 赖氨酸非 羧基 谷氨酸 天冬氨酸 侧链基团可与特异试剂发生特定反应 用于氨基酸的鉴定 氨基酸的修饰 蛋白质化学修饰 在较温和的条件下 以可控制的方式使蛋白质某些试剂起特异反应 以引起蛋白质中个别氨基酸侧链或功能基团发生共价化学改变 1 酪氨酸的酚羟基 在3和5位上容易发生亲电取代反应 例如发生碘化或硝化 分别生成一碘酪氨酸和二碘酪氨酸或一硝基酪氨酸和二硝基酪氨酸 酪氨酸 酪氨酸的酚基还可以与重氮化合物 例如对氨基苯磺酸的重氮盐 结合生成桔黄色的化合物 2 组氨酸的侧链咪唑基 与重氮苯磺酸也能形成相似的化合物 但颜色稍有差异 呈棕红色 3 精氨酸的侧链胍基 在硼酸钠缓冲液 pH8 9 25 35 中 与1 2 环己二酮反应 生成缩合物 4 半胱氨酸侧链上的巯基 SH 1 与卤化烷生成稳定的烷基衍生物 可保护 SH以防被氧化 2 巯基能和各种金属离子形成络合物 SH酶遇到重金属离子而生成硫醇盐时 将导致酶失活 对羟基汞苯甲酸 3 巯基易受空气或其他氧化剂氧化 形成两种氧化衍生物 形成二硫化物 胱氨酸的形成 胱氨酸 二硫键 4 形成磺酸基 对游离的巯基具有保护作用 保护Cly巯基之间的氧化 5 羟基 OH 丝氨酸 苏氨酸 酪氨酸 磷酸酯 Pi HPO42 六 氨基酸混合物的分析分离 层析系统 固定相 流动相 附着在固相上的液体 固体 氨基酸的分离鉴定 1 纸层析法 2 薄层析法 3 离子交换柱法 4 高效液相分析法 1 纸层层析 层析缸 展层剂 正丁醇 冰醋酸 水 4 1 5 0 25 的比例将茚三酮 溶质在滤纸上的移动速度用Rf值表示 Rf 原点到层析斑点中心的距离 原点到溶剂前沿的距离 X Y 2 薄层层析 3 离子交换层析 通过带电的溶质分子与离子交换层析介质中可交换离子进行交换而达到分离纯化的方法 也可以认为是蛋白质分子中带电的氨基酸与带相反电荷的介质的骨架相互作用而达到分离纯化的方法 原理 4 高效液相层析 固定相支持剂颗粒细 表面积大 采取高压 洗脱速度快 高灵敏度的检测器 氨基酸的制备 目前氨基酸的生产方法分三类 1 直接发酵法 2 化学合成法 3 蛋白质水解提取法 酸 碱 酶 八 氨基酸的应用 1 医药工业 1 氨基酸输液 2 必需氨基酸 苏氨酸 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 苯丙氨酸 色氨酸 赖氨酸 蛋氨酸 3 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效果 2 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 3 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 4 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 2 化学工业 1 维生素B6 可采用丙氨酸或天冬氨酸为原料合成 2 叶酸 需要用谷氨酸为原料合成 3 氨基酸表面活性剂 酰基谷氨酸钠 十六