生物化学氨基酸与肽

1、会计学1生物化学氨基酸与肽生物化学氨基酸与肽2The light produced by fireflies is the result of a reaction involving the protein luciferin and ATP, catalyzed by the enzyme luciferase. 蛋白质功能的多样性Erythrocytes contain large amounts of the oxygen-transporting protein hemoglobin.The chemical properties of black rhinoceros horn a

2、re no different from those of bovine hooves or human fingernails, which are mainly protein keratin.319 differentR-groups: - Structure - Size - Polarity - Ionization - Hydropathygeneral structure2 marking-methods- 含有氨基与羧基 - -AA (Pro例外)- 20种有遗传密码 - 常见/标准AA- 可依据侧链(R-)结构分类pKa 1.82.5pKa 8.710.71. 氨基酸结构与分

3、类 (Amino Acid, AA)4 AA大多具有两种异构体(except for Gly, Ile & Thr)Where R H, the C is a chiral center(optical activity & configuration)(cf. 甘油醛-OHin Fig. 2-6)- 蛋白质中的AA均为L-构型 (大多右旋，少数左旋)mainly in germs & antibiotics(cf. Fig. 2-5)520种标准氨基酸可以按其侧链分类 (cf. Tab. 2-1)EAA6Ala, Val, Leu, Ile非极性侧链，不带电荷，疏水性

4、，多在蛋白质内部Gly非极性，R=H，适应多种构象，多见于肽链转折处Met侧链含有非极性的甲硫醚 非极性脂肪族AA (cf. Fig. 2-1)甘氨酸丙氨酸缬氨酸亮氨酸蛋氨酸异亮氨酸 亦为C*，故有别构异构体之分侧链的高度疏水性互作对建立及维持蛋白质3D结构非常重要7Phe疏水侧链Tyr-OH可以形成H键，是某些酶的功能基团，磷酰基可转移到-OH上Trp吲哚N可作为H键供体Trp & Tyr 能吸收 UV (TrpTyr, Phe to a lesser extent)，是为大多数蛋白质在 280 nm具有很强光吸收的主要原因 芳香族AA苯丙氨酸酪氨酸色氨酸8Tyr和Trp的紫外吸收(

5、Phe的最大吸收在260 nm)pH 6.0浓度10-3 M(cf. Fig. 2-7)9Ser, Thr (C*)极性-OH 可与水形成H键，磷酰基和糖链亦可转移到 -OH上Cys极性来自其-SH，其氧化可形成S-S连接的胱氨酸二聚体二硫键/桥在确定蛋白质 结构中具有重要作用半胱氨酸苏氨酸丝氨酸 极性不带电荷AA (1)glycosidic bond(cf. Fig. 2-2)10二硫键的可逆形成与裂解胰岛素多肽链链内及链间的二硫键交连insulinA链：猪、狗、兔和抹香 鲸的均与人的相同B链：牛、猪、狗、羊和 马的均相同胱氨酸(meso-)11Pro (a pyrrole)环绕2胺和C连键

6、的旋转受到一定限制，使肽链中含有Pro 区段的结构柔曲性受到相应的影响多见于肽链转折处Asn, Gln分别为Asp和Glu的酰胺酰胺的-NH2可作为H键供体，-C=O则可作为H键受体多在蛋白分子表面与水互作-CH2-CAsn or Gln: serves as H-acceptor ONserve as H-donor H H 极性不带电荷AA (2)脯氨酸天冬酰胺谷氨酰胺(cf. Fig. 2-2)12Lys侧链位的第二个1胺在中性 pH条件下带正电荷dgbArg胍基在中性pH条件下带正电荷；具有很强的氢键供体作用His唯一的一个侧链pKa值接近于中性 pH的标准AA多见于酶的活性部位，其咪

7、唑环可 在质子化与去质子化之间转换， 以催化反应键的形成和断裂 带正电荷AA (碱性)赖氨酸组氨酸精氨酸H-donor groups of ArgCNHNHHNHHguanidino (cf. Fig. 2-3)13-CH2-CProtonatedform of Asp or Glu: can serve as H-acceptor OO-CH2-COOcan serve as H-donor H Ionizedform of Asp or Glu: can serve as H-acceptor Asp, Glu侧链的第二个羧基在中性pH条件下可解离而带负电荷， 具有H键受体作用 带负电荷A

8、A (酸性)天冬氨酸谷氨酸(cf. Fig. 2-2)14CH+NH3 RCOO CHNH2 RCOO CH+NH3 RCOOH+ H+ + H+ Amino acid dissolved in water exists as dipolar ion = zwitterion即可作为H+供体(酸)也可作为 H+受体(碱) AA的两性解离 (cf. p20)质子(proton)AA兼性离子(MP300)2. 氨基酸的酸碱特性(cf. Fig. 2-8)15只有单氨基和单羧基的简单-AA在完全质子化时可视为二元酸：可逐步给出2H+- H+ - H+ Net charge:+ 10- 1diprot

9、ic acid不存在这样一种pH，此时COOH和NH2都占优势pKa 1.82.5pKa 8.710.7(cf. Fig. 2-8)16 氨基酸滴定(二元酸型)各阶段优势离子最大缓冲区等电点isoelectric point(充分离子化但不带净电荷)pI = (pKn + pKn+1)+H3N-CH2-COOH+H3N-CH2-COO = 1H+ donorH+ acceptorH+ donorH+ acceptor+H3N-CH2-COOH2N-CH2-COO = 1A+ A0 A 加入碱的物质量/mol (cf. Fig. 2-9)17由二元酸型简单AA滴定可得如下推论：- AA通常具有两

10、个缓冲区(三元酸型例外)- AA的(平均)净电荷与溶液的pH有关- 在生理pH时AA大多为兼性离子- 在pI时因净电荷为零，AA溶解度最小 而容易沉淀析出(eg. pIGlu = 3.22)- 各功能基团的pKa在很大程度上受其 所处化学环境的影响(cf. next slide)18 化学环境对pKa的影响(cf. p22)类似的互作亦广泛存在于临近分子的化学基团之间(例如酶的活性中心) 相斥相吸羧基解离H+后两基团相吸而使兼性离子更加稳定H+继续降低时，电负性O对e的吸引将使质子化氨基更容易释出H+19A+ A0 A A2 pI = 3.22 谷氨酸滴定(三元酸型)pI 等于兼性离子两侧的p

11、Ka平均值(cf. Fig. 2-10)20A+ A2+ A0 A 组氨酸滴定(三元酸型)pI = 7.59pI 等于兼性离子两侧的pKa平均值Hb中His含量较高：本身即具有较大的缓冲能力(cf. Fig. 2-10)21- 茚三酮反应Ninhydrin在弱酸溶液中与AA共热可使 所有带伯氨基的AA氧化脱氨脱羧并生成 蓝紫色化合物(Pro生成亮黄色)- 2,4-二硝基氟苯反应DNFB在弱碱性溶液中可与AA 发生亲核芳环取代反应，生成 黄色二硝基苯基氨基酸DNP-AA- 丹磺酰氯反应DNS-Cl在弱碱性溶液中可使AA酰基化 生成强荧光性的丹磺酰衍生物DNS-AA- 苯异硫氰酸酯反应PITC在弱

12、碱性条件下能与AA反应 生成无色的苯乙内酰硫脲衍生物 PTH-AA均为-NH2烃基化(Sanger)(Edman)3. 氨基酸特征反应22 茚三酮反应(检测精度可达0.550g)= -氨基与羧基共同参与 的氧化脱氨和脱羧反应- Pro与之反应时不释出 NH3而直接生成亮黄色 化合物pH 51004-10 (Garrett)(cf. Fig. 2-13)23DNP-AADNFB/FDNBDNS-ClDNS-AAPITCPTH-AAPTC-AA -NH2的烃基化反应对酸水解稳定(vs.肽键)(cf. Fig. 2-27)24ureabiuretCu2+ OH紫红/蓝紫色化合物- 双缩脲由两分子尿素

13、加热至180时缩合而成，在碱性 溶液中能与CuSO4反应生成紫色络合物- 蛋白质中的肽键与之类似，也能经由该反应变为红紫色- 双缩脲反应既可用于蛋白质的定性鉴定，也可经540nm 比色定量测定(revising with Kjeldahl method) 双缩脲反应(含2个及更多肽键的化合物) 蛋白质颜色反应蛋白质中的一些基团能与某些特定的试剂反应而生成有色物质，可用作定性及定量检测依据自学cyanuramide25 黄色反应(苯环可被硝化生成硝基苯衍生物)- 含有芳香族AA (esp. Tyr & Trp)的蛋白质在溶液中 遇到硝酸时可产生白色沉淀，加热后变黄，再加碱 则颜色加深为橙

14、黄色- 皮肤、毛发、指甲遇浓硝酸都会变黄 米伦反应(酚类化合物)- 米伦试剂是硝酸汞、亚硝酸汞硝酸和亚硝酸的混合物- 蛋白质加入米伦试剂可产生白色沉淀，加热后变红- Tyr及含该AA的化合物都有此反应自学26 乙醛酸反应(含吲哚基的化合物)在含Trp的蛋白溶液中加入乙醛酸后再沿试管壁慢慢注入浓硫酸，两液层之间会出现紫色环 坂口反应(含胍基的化合物)Arg的胍基能与次氯酸钠/次溴酸钠及萘酚在NaOH溶液中产生红色物质，可用于鉴定含Arg的蛋白质及定量测定Arg 福林反应(Folin-酚法)- Tyr的酚基能还原福林试剂中的磷钼酸及磷钨酸 而生成蓝色化合物- 为双缩脲反应的发展，灵敏度更高自学27

15、 肽是经由肽键连接的氨基酸聚合链反应本质为脱水缩合( acylation of :NH2)peptide bondt1/2 usu. 7yr (higher G0)Unfavorable:OH being poor leaving group4. 肽 - 蛋白质一级结构as a nucleophile (cf. p27)28A peptide of 5 AA residues“N-terminus”“C-terminus”Ser-Gly-Tyr-Ala-LeuWhats the peptide without both free N- & C-terminus?(cf. Fig. 2-

16、14)29Ionization of peptidesPeptides have only one free amino group and one free carboxyl group at either end of the chain.R-groups can ionize, and contributeto the acid-base behavior of thepeptide.But, interactions with other R-groupsand loss of the charges from the AAs-amino and -carboxyl groups ca

17、naffect R-group pKa.R侧链的离子特性对蛋白质3D构象影响很大：非末端AA的氨基和羧基均因形成肽键而失去(其影响) 肽的离子化行为取决于其侧链组成 ( a bigger AA, cf. p28)pKa 3.2, but 2.18for free LyspKa 8.5, but 9.69for free Ala30A source for the determination of the isoelectric point when the primary sequence of a peptide is provided.自学31 肽/蛋白质具有特定的等电点胃蛋白酶脲酶血红蛋

18、白(Hb)肌红蛋白(Mb)细胞色素c (cyt c)溶菌酶32 多肽/蛋白质具有特定的氨基酸组成(by hydrolysis)- 酸水解将使Asn/Gln 转化为Asp/Glu，而 Trp的吲哚环则会被 氧化破坏- 碱水解会不同程度地 破坏多数AA并产生 消旋混合物- 酶水解不破坏AA或 产生消旋，但因专一 性所限而需要多种酶 协同作用33 有些蛋白质具有非氨基酸化学基团结合蛋白可依据其辅基分类34 蛋白质具有高级层次结构- 纤维蛋白的特性一般在二级结构上即可表现出来- 球蛋白的生物学功能往往需要以三级结构形式来实现- 酶等特殊球蛋白大多要在四级结构层次上才能表达其活性(covalent bo

19、nd) (hydrogen bond) (3D for a peptide) (3D for more peptides)(cf. Fig. 2-16)35自学36 生物活性肽具有重要的生理功能谷胱甘肽Glutathione(oxidative)胰岛素Insulin(hexomer)阿斯巴甜Aspartame(cf. p28 & Fig. 2-15)37要点提示 蛋白质由20种标准-AA组成，不同AA的性质差异取决 于其R侧链的不同，并可依据其极性以及在生理pH条件 下的荷电状态而分为中性脂肪族、芳香族、极性不带电 荷、带正电荷(碱性)和负电荷(酸性) AA等类别 除Gly外，所有标准

20、-AA的C都是不对称的，故至少 具有两种不同的立体构型，但在天然蛋白中都是L-型 异构体；非标准AA则往往是游离的代谢中间物或是 标准AA的衍生物 单氨基单羧基的简单AA在低pH条件下为二元酸型阳离 子，其羧基随着pH的增加失去质子而形成电中性的兼性 离子(是为等电点pI)，进一步加大pH将导致其氨基失去 质子而形成负离子；带有可解离R侧链的AA的荷电状态 则取决于溶液pH及其pK值38要点提示 (续1) AA的氨基、羧基和R侧链的某些基团可进行特征性化学 反应；茚三酮反应可用于AA的定性定量测试，DNFB、 DNS-Cl和PITC等则常用于测定肽链的N-端残基 AA可以经由肽键共价连接形成肽

21、链/蛋白质；细胞通常 含有数以千计的功能及生物学活性均不相同的蛋白质； 蛋白质可以是由成百上千个残基组成的多肽链，也可以 是仅由少量残基构建的寡肽链；简单蛋白质的水解只生 成AA，复合蛋白质则含有其它非AA组分 蛋白质结构可分为四个层次；初级结构为AA序列以及二 硫键连接；二级结构是相邻残基形成的局部空间分布； 三级结构为整条多肽链呈现的3D构象；四级结构则涉及 到稳定连接的多条多肽链/亚基所形成的特定空间联系 39作 业1) 组成蛋白质的20种AA中，哪些是极性的？哪些是非极性的？哪一种 不能参与形成真正的肽键？为什么？2) 将固体AA溶解于pH 7的水中所得的溶液，有的pH7，有的pH7，

22、 这种现象说明了什么？3) 根据Asp的解离常数(p20，表2-1)： a) 图示其随溶液pH由酸至碱变化过程中的解离状态； b) 在pI时它处于哪种解离态？ c) 计算其pI值4) Gly是由乙酸甲基上的H被一个氨基取代而成的，但其羧基的pKa要比 乙酸羧基的pKa更低，为什么？5) 与乳腺释放乳汁有关的催产素是一种九肽激素： Cys-Phe-Ile-Glu-Asn-Cys-Pro-His-Gly-NH2， 两个Cys之间以二硫键相连 。试计算当pH为2.0, 8.5和10.7时，该九 肽的净电荷分别是多少？(已知N-末端Cys的游离氨基pKa为10.7， Glu侧连羧基的pKa为4.07，

23、His侧连咪唑基的pKa为6.0；二硫键在 上述pH条件下均稳定，而且C-末端羧基已被酰胺化。)40一、选择 3, 5, 7, 8, 16, 17二、填空 1, 7, 8, 15三、判断 14, 9四、判断 2, 5, 6, 8, 11, 15五、问答与论述 3, 12复习题(考研精解 p1620)41There are three other amino acids that are incorporated directly into proteins at the ribosome. Each uses a codon otherwise used by another amino ac

24、id, or which normally acts as a stop codon. The 21st proteinogenic amino acid is N-formylmethionine, which is the first amino acid in all bacterial proteins. It is encoded by the same codon as methionine (AUG), but because of the interaction between initiation factors and ribosome at the start of tr

25、anslation, only the tRNA for N-formylmethionine is able to bind the start codon. The 22nd proteinogenic amino acid is selenocysteine, which is encoded by a special interpretation of the opal stop codon UGA, and is an important component of some enzymes, such as glutathione peroxidase. The 23rd genet

26、ically encoded amino acid is found in the methanogenic Archaea, which can interpret the amber stop codon (UAG) as the amino acid pyrrolysine when it is followed by a sequence in the mRNA that folds into a specific stem-loop structure.N-formyl methionine Selenocysteine Pyrrolysine 自学42Ala, Val, Leu, Ile非极性侧链，不带电荷，疏水性，多在蛋白质内部Gly非极性，R=H，适应多种构象，多见于肽链转折处Met侧链含有非极性的甲硫醚 非极性脂肪族AA (cf. Fig. 2-1)甘氨酸丙氨酸缬氨酸亮氨酸蛋氨酸异亮氨酸 亦为C*，故有别构异构体之分侧链的高度疏水性互作对建立及维持蛋白质3D结构非常重要43Lys侧链位的第二个1胺在中性 pH条件下带正电荷dgbArg胍基在中性pH条件下带正电荷；具有很强的氢键供体作用His唯一的