氨基酸

1,蛋白质的构件-氨基酸,第二章,第一节蛋白质的分子组成,一、 蛋白质的化学组成与分类,1、元素组成,碳 50% 氢7% 氧23% 氮16% 硫 0-3% 微量的磷、铁、铜、碘、锌、钼,凯氏定氮：粗蛋白质含量=蛋白氮6.25,蛋白质是由许多氨基酸通过肽键相连形成的高分子含氮化合物。,什么是蛋白质？,肽键,酰胺键,酶、运输蛋白、营养和贮存蛋白、激素、受体蛋白、运动蛋白、结构蛋白、防御蛋白。,2、分类,（1） 按组成,简单蛋白 结合蛋白,（2）按分子外形的对称程度,球状蛋白质 纤维状蛋白质 膜蛋白质,（3）按功能,生物催化作用： 酶 运输作用：如血红蛋白、转铁蛋白 调节作用：如胰岛素、生长激素 运动作用：如肌动蛋白和肌球蛋白 防御功能：如免疫球蛋白、凝血因子 营养功能：如卵清蛋白、酪蛋白 结构蛋白：如胶原蛋白、角蛋白 能量转换蛋白：如细胞色素 基因调节蛋白：如阻遏蛋白,蛋白质在机体内的生物学功能,6,二、蛋白质的水解,酸水解：色氨酸破坏，天冬酰胺、谷胺酰胺脱酰胺基,碱水解：消旋，色氨酸稳定,酶水解：水解位点特异，用于一级结构分析，肽谱,各种AA的混合物,大小不等多肽片段和AA的混合物,蛋白质分子量 = 氨基酸数目*110,三、蛋白质的大小与形状,少于50个氨基酸的低分子量氨基酸多聚物称为肽，寡肽或生物活性肽、多肽。,多于50个氨基酸的称为蛋白质。,110=氨基酸残基的平均分子量,四级结构：亚基之间的聚集形式,四、蛋白质分子的构象与结构层次,蛋白质都有自己特有的天然空间结构，称为构象。,一级结构：氨基酸顺序,二级结构：-螺旋、-折叠、-转角，无规卷曲,三级结构：整个肽链（亚基）的形状,第二节氨基酸,四大类生物分子中，蛋白质是生物功能的主要载体，而氨基酸是蛋白质的构件分子。,氨基酸组成,蛋白质是由20种L-型-氨基酸（甘氨酸除外）组成的长链分子。,可变的侧链,COO-,-C-,R,H3N,H,-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？,非蛋白质氨基酸：存在于生物体内但不组成蛋白质 (约150种),二、氨基酸的结构与分类,基本氨基酸（编码的蛋白质氨基酸）：组成蛋白质，20种,稀有氨基酸：是多肽合成后由基本氨基酸经酶促修饰而来,重点,问题与思考,利益熏心者在奶粉中添加三聚氰胺以增加蛋白质含量的依据是什么？三聚氰胺 (含氮量66%）,20种蛋白质氨基酸的名称和缩写,2018/2/17,14,（1）R为脂肪烃基的氨基酸（5种）,（一）基本氨基酸（编码的蛋白质氨基酸，20种）,1、按照R基的化学结构分类,Gly是唯一不含手性碳原子的氨基酸，因此不具旋光性 从Gly至Ile，R基团疏水性增加,特点,R基均为中性烷基，R基对分子酸碱性影响很小，它们几乎有相同的等电点。（6 .00.03）,（2） R中含有羟基和硫的氨基酸（共4种）, Ser的-CH2OH基（pKa=15）在生理条件下不解离，但在大多数酶的活性中心都发现有Ser残基存在。 Ser和Thr的-OH往往与糖链相连，形成糖蛋白。 Cys的R中含巯基（-SH），具有两个重要性质： （1）在较高pH值条件，巯基解离。 （2）两个Cys的巯基氧化生成二硫键，生成胱氨酸。 Met在生物合成中是一种重要的甲基供体。,特点,半胱氨酸,胱氨酸,（3）R中含有酰胺基团（2种）,酰胺基中氨基易发生氨基转移反应,（4）R中含有酸性基团（2种） Asp、Glu,Asp侧链羧基pKa为3.86，Glu侧链羧基pKa为4.25 它们是唯一在生理条件下带有负电荷的的两个氨基酸,2018/2/17,（5）R中含碱性基团（3种）, Lys侧链氨基的pKa为10.53，生理条件下，Lys侧链带有一个正电荷（NH3+），侧链的氨基反应活性增大。 Arg是碱性最强的氨基酸，侧链上的胍基是已知碱性最强的有机碱，pKa值为12.48，生理条件下完全质子化。 His是pKa值最接近生理pH值的一种（游离氨基酸中为6.00，在多肽链中为7.35 ） ，是在生理pH条件下唯一具有缓冲能力的氨基酸。 His在酶的酸碱催化机制中起重要作用,特点,在280nm处，Trp吸收最强，Tyr次之，Phe最弱。,（6） 芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸）,苯丙氨酸（Phe,F）,酪氨酸（Tyr,Y）,色氨酸（Trp,W）,（7）杂环族氨基酸（2种）,Pro的-亚氨基是环的一部分，因此具有特殊的刚性结构。一般出现在两段-螺旋之间的转角处，Pro残基所在的位置必然发生骨架方向的变化，,婴儿期：Arg（精氨酸）和His（组氨酸）供给不足， 属半必需氨基酸。,u必需氨基酸u,成年人：Thr 苏氨酸 Val 缬氨酸 Leu 亮氨酸 Ile 异亮氨酸 Phe 苯丙氨酸 Trp 色氨酸 Lys 赖氨酸 Met 甲硫氨酸,携（缬氨酸）一（异亮氨酸）两（亮氨酸）本（苯丙氨酸）单（蛋氨酸，即甲硫氨酸）色（色氨酸）书（苏氨酸）来（赖氨酸）。 携（写）一两本单色书来；一两色素本来淡些；假设来写一两本书,（一）赖氨酸（Lysine）：促进大脑发育，是肝及胆的组成成分，能促进脂肪代谢，调节松果腺、乳腺、黄体及卵巢，防止细胞退化；（二）色氨酸（Tryptophane）：促进胃液及胰液的产生；（三）苯丙氨酸（Phenylalanine）：参与消除肾及膀胱功能的损耗；（四）蛋氨酸（又叫甲硫氨酸）（Methionine）；参与组成血红蛋白、组织与血清，有促进脾脏、胰脏及淋巴的功能；（五）苏氨酸（Threonine）：有转变某些氨基酸达到平衡的功能；（六）异亮氨酸（Isoleucine）：参与胸腺、脾脏及脑下腺的调节以及代谢；脑下腺属总司令部作用于甲状腺、性腺；（七）亮氨酸（Leucine）：作用平衡异亮氨酸；（八）缬氨酸（Viline）：作用于黄体、乳腺及卵巢。（九）组氨酸（Hlstidine）：作用于代谢的调节；,27,在维持蛋白质的三维结构中起着重要（蛋白质的疏水核心）的作用。,（1）非极性氨基酸 8种,这类氨基酸的侧链都能与水形成氢键，因此很容易溶于水,（2） 不带电何的极性氨基酸 7种,（3）带负电荷的氨基酸(酸性氨基酸) 2种,（4）带正电荷的氨基酸(碱性氨基酸) 3种,氨基酸可根据侧链结构和理化性质进行分类,重点,非极性氨基酸,Ala丙氨酸,Val缬氨酸,Leu亮氨酸,Ile异亮氨酸,Phe苯丙氨酸,Trp色氨酸,Met甲硫氨酸,Pro脯氨酸,、不带电荷的极性基aa,不带电荷的极性氨基酸,Ser丝氨酸,Thr苏氨酸,Tyr酪氨酸,Gln谷氨酰胺,Cys半胱氨酸,Asn天冬酰胺,2018/2/17,30,带负电荷的氨基酸(酸性氨基酸),Asp天冬氨酸,Glu谷氨酸,2018/2/17,31,带正电荷的氨基酸(碱性氨基酸),Lys赖氨酸,Arg精氨酸,His组氨酸,32,胶原蛋白中的Lys侧链氧化时能形成很强的分子间(内)交联。,Arg的侧链碱性很强，与NaOH相当。,His是一个弱碱，是天然的缓冲剂，往往存在于许多酶的活性中心。,非极性氨基酸一般形成蛋白质的疏水核心，带电荷的氨基酸和极性氨基酸位于表面。,酶的活性中心：His、Ser、Cys,33,（二） 非编码的蛋白质氨基酸,也称修饰氨基酸，是在蛋白质合成后，由基本氨基酸修饰而来。,（1）4-羟脯氨酸 （2）5-羟赖氨酸 这两种氨基酸主要存在于结缔组织的纤维状蛋白中。（3）6-N-甲基赖氨酸 存在于肌球蛋白中 （4）-羧基谷氨酸 存在于凝血酶原及某些具有结合Ca2+离子功能的蛋白质中。（5）Tyr的衍生物：3.5 -二碘酪氨酸、甲状腺素 存在于甲状腺蛋白中（6）锁链素由4个Lys组成 存在于弹性蛋白中,2018/2/17,34,35,-Ala（泛素的前体）、-氨基丁酸（神经递质）,（三） 非蛋白质氨基酸,不组成蛋白质，但有生理功能的氨基酸,L-瓜氨酸、L-鸟氨酸是尿素循环的中间物,1、L-型 氨基酸的衍生物,2、D-型氨基酸,D-Glu、D-Ala（肽聚糖中）、D-Phe（短杆菌肽S）,3、-、-、-氨基酸,36,精氨酸、瓜氨酸、鸟氨酸是尿素循环的中间物。,三、氨基酸的功能,1、组成蛋白质,2、一些氨基酸及其衍生物充当化学信号分子,-氨基丁酸，色氨酸衍生物：5-羟色胺、褪黑激素，都是神经递质。甲状腺素（Tyr衍生物），吲哚乙酸（Trp衍生物）都是激素,3、氨基酸是许多含N分子的前体物,核酸的含氮碱基、血红素、叶绿素的合成都需要氨基酸。,4、一些基本氨基酸和非基本氨基酸是代谢中间物,四、氨基酸的构型、旋光性和光吸收,光学异构体（旋光）：绕手性中心的取代基团以特定的顺序排列形成 的立体异构体。手性碳原子：具有四个不同取代基团的四面体碳原子。,38,Gly（甘氨酸）只有一种构型,无旋光性Thr（苏氨酸）和Ile（异亮氨酸）有四种光学异构体。其余17种氨基酸有两种光学异构体：L型、D型。构成蛋白质的氨基酸均属L-型。,氨基酸的构型、旋光性和光吸收,1、 氨基酸的构型,2018/2/17,39,1,2,40,L-苏氨酸和D-苏氨酸组成消旋物。L-别一苏氨酸和D-别-苏氨酸组成消旋物,2、 氨基酸的旋光性,氨基酸的旋光性（符号和大小）取决于它的R基的性质，并与溶液的pH值有关。,外消旋物：D-型和L-型的等摩尔混合物。,41,胱氨酸有三种立体异构体： L-胱氨酸、D-胱氨酸、内消旋胱氨酸。 L-胱氨酸和D-胱氨酸是外消旋物,内消旋物：分子内消旋,由于氨基酸分子中除甘氨酸外都有不对称原子的存在，因此，天然氨基酸中除甘氨酸外均有旋光现象的存在。旋光性与构型之间无对应关系！20种天然氨基酸在可见光范围内都没有明显的光吸收现象，但在紫外区有三种氨基酸确有明显的光吸收作用。,3、氨基酸的光吸收性,Phe max257/=2102Tyr max275/=1.1103Trp max280/=5.1103,由于这三种氨基酸在紫外光区的吸收作用，可以通过测定蛋白质在紫外光区(280 nm) 吸收强度的方式对蛋白进行定量测定。,原因：-C=C-C=C-C=C-C=C-,茚三酮反应,氨基酸与茚三酮水合物共热，可生成蓝紫色化合物，其最大吸收峰在570nm处。由于此吸收峰值与氨基酸的含量存在正比关系，因此可作为氨基酸定量分析方法。,45,五、 氨基酸的酸碱性质,（一）氨基酸具有两性解离的性质,1. 两性解离及等电点,氨基酸是两性电解质，其解离程度取决于所处溶液的酸碱度。,等电点(isoelectric point, pI) 在某一pH的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性。此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。,pH=pI,pHpI,pHpI,氨基酸的兼性离子,阳离子,阴离子,重点,天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22,赖氨酸 lysine Lys K 9.74,精氨酸 arginine Arg R 10.76,组氨酸 histidine His H 7.59,各种氨基酸由于其组成和结构不同而具有不同的等电点。因此，等电点可以看作是氨基酸的物理常数。等电点的意义在于，当氨基酸在等电点时，其在溶液中是以两性离子形式存在，此时氨基酸在水中的溶解度最小，可以从水中以晶体析出。不同的氨基酸在同一PH值溶液中，所带的电荷种类和电量也都不同。因此，可据此采取离子交换层析法分离、电泳法对氨基酸进行分离和鉴定。,49,Glu、Leu 、His 、Lys，4种混合样，在pH6.0时，泳动方向,电泳分离,电泳的基本原理,Glu Leu His LyspI 3.22 5.98 7.59 9.74,+,-,50, pH pI时， -COOH解离成-COO-，氨基酸带负电荷，在电场作用下向正极移动。, pH = pI时，氨基酸净电荷为零，在电场中不移动,51,五、 氨基酸的酸碱性质,（二）氨基酸在晶体和水溶液中主要以兼性离子形式存在,（三）氨基酸的两性解离和酸碱滴定曲线,K1=AAH+/AA+ k2=AA-H+/AAHenderson-Hasselbalch解离方程式pH=pKa+log质子受体/质子供体,可以计算出任意pH条件下Ala的解离形式及比例。 当AA= AA+时 pH=pK1+logAA/AA+= pK1=2.34 当AA= AA-时 pH=pK2+logAA-/AA= pK2=9.69 AA+=AAH+/K1 AA-= k2 AA/H+ 当AA-= AA+ AAH+/K1=k2 AA/H+ H+2= K1* k2 pH=pI=(pK1+ pK2)/2,pH=pI=(pK1+ pK2)/2,侧链无可解离基团的氨基酸：pH=pI=(pK1+ pK2)/2酸性氨基酸与半胱，酪氨酸：pH=pI=(pK1+ pKR)/2碱性氨基酸：pH=pI=(pK2+ pKR)/2,注：pK1, pK2, pKR分别指a碳原子上的羧基解离， a碳 原子上的氨基解离，侧链上的基团解离。,氨基酸等电点的计算,如何判断：天冬氨酸的pK1, pK2, pKR分别为： 1.9, 3.7, 9.6;而赖氨酸为：2.2，8.9，10.5（半胱氨酸、组氨酸除外）,氨基酸中a碳原子上羧基和氨基的pK值分别对应小于侧链上的羧基和氨基的pK值！且氨基的pK远大于羧基的pK。,三种氨基酸的等电点为：5.97（A），3.22（B），7.59（C）。在pH=7.6时，它们在电场中的迁移方向为？Asp的pK1(-COOH)=1.88、pK2(R基团)=3.65、pK3(NH3+)=9.60，该氨基酸的pI值为 ；在pH值为6时向电场的 移动。,问题与思考,57,六、 氨基酸的化学性质,+ HNO2,+ N2,收集反应放出的氮气，可用来测定氨基酸的含量，这种测定氨基酸含量的方法称为范斯莱克（Van slyke）氨基测定法。,1、与亚硝酸反应,（一）-NH2参加的反应,58,苄氧甲酰氯（carbobenzyloxychloride,Cbz-Cl) 叔丁氧甲酰氯 对-甲苯磺酰氯 邻苯二甲酸酐,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。,酰化试剂,酰化试剂在多肽的人工合成中被用作氨基保护剂。,59,（ DNS-氨基酸 ，黄色荧光）,丹磺酰氯（DNS-Cl，5二甲基氨基萘-1-磺酰氯）常用于多肽链NH2末端氨基酸的标记和微量氨基酸的定量测定。,2018/2/17,60,Sanger 反应（2，4一二硝基氟苯，DNFB） DNP-氨基酸被Sanger用来测定多肽的NH2末端氨基酸,3、 烃基化反应,（弱碱）,（黄色）,氨基酸氨基的一个H原子可被烃基（包括环烃及其衍生物）取代。,2018/2/17,61,苯异硫氰酸酯，PITC 苯氨基硫甲酰衍生物（PTC-多肽）苯乙内酰硫脲衍生物（PTH-氨基酸），无色，可以用层析法分离鉴定。被Edman用来鉴定多肽的NH2末端氨基酸,（弱碱）,（CH3NO2/H+）,Edman反应,2018/2/17,62,甲醛,甲醛,西佛碱是某些酶促反应的中间产物（如转氨基反应的中间产物）。,4、生成西佛碱的反应（Schiff）,氨基酸的-氨基能与醛类化合物反应生成弱碱（Schiffs base）,2018/2/17,63,5、脱氨基反应,氨基酸在生物体内经氨基酸氧化酶催化即脱去-氨基而转变成酮酸。,氨基酸氧化酶,2018/2/17,64,（二）-羧基参加的反应,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,2018/2/17,65,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-COOCl,+,POCl3,+,HCl,2018/2/17,66,3、叠氮反应,活化羧基，可用于肽的人工合成。,酰化氨基酸甲酯（Y=酰基）,YNH O,R-CH-C-NHNH2,酰化氨基酸酰肼,NH2NH2,YNH O,R-CH-C-N-N=N,+,H2O,酰化氨基酸叠氮,2018/2/17,67,将-氨基酸加热时，可脱去CO2得到胺。,4、脱羧基反应,2018/2/17,68,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,+,+ NH3CO2RCHOH+,+,+,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）,2018/2/17,70,2、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,71,（四） 侧链R基参加的反应 用于蛋白质的化学修饰,自学,层析也称之色谱，基本原理是分析样品作为流动相流过固相时，由于样品中的各个成分与固相相互作用不同使得样品中的各个成分通过固相的速率产生了差别，从而达到分离样品中各个成分的目的。 层析因固相介质不同又分为离子交换层析、分子筛层析和吸附层析等各种层析。,1、离子交换柱层析,七、 氨基酸的分离和分析,如果被分离的样品中各个成分受溶液pH的影响，有时带正电荷，有时带负电荷，此时就可利用离子交换层析方法进行样品的分离。 离子交换层析的固相是离子交换体，包括离子交换树脂、离子交换纤维素、离子交换葡聚糖。 带有SO3 或COO基团，