生物化学课件-1蛋白质化学

ProteinChemistry

1Amino

acidsTo

teach

is

not

to

fill

a

vase

but

to

light

a

fire（一）蛋白质的水解蛋白质和多肽的肽键与一般的酰胺键一样可以被酸碱或蛋白酶催化水解，最终得到各种氨基酸的混合物。所以说，氨基酸是蛋白质的基本结构单元。大多数的蛋白质都是由20种氨基酸组成。这20种氨基酸被称为基本氨基酸。CH3

O

CH2OH+

|

||

|+CH3+

|H3N－CH－COO－CH2OH+

|3H

N－CH－COO－H3N－CH－C－N－CH－COO－|H1、酸水解一、蛋白质的基本结构单位—氨基酸常用6mol/L的盐酸或4mol/L的硫酸，回流煮沸20小时左右可使蛋白质完全水解。优点：不引起消旋作用，得到的是L-氨基酸。缺点：是色氨酸完全被沸酸破坏；羟基氨基酸(丝氨酸或苏氨酸)有一小部分被分解；天门冬酰胺和谷氨酰胺酰胺基被水解成了羧基。2、碱水解一般用5mol/L氢氧化钠煮沸10-20小时。优点：可使蛋白质完全水解，色氨酸在水解中不受破坏。缺点：由于水解过程中许多氨基酸都受到不同程度的破坏，产率不高。部分的水解产物发生消旋化，其产物是D-型和L-型氨基酸的混合物。3、酶水解优点：不会破坏氨基酸，也不会发生消旋化。缺点：使用一种酶往往水解不彻底，需要多种酶协同作用才能使蛋白质完全水解。另外所需时间较长。最常见的蛋白水解酶有以下几种：胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶、嗜热菌蛋白酶等。异构体中取代基团在空间的相对取向，不同的构型如果没有共价键的破裂是不能互变的。（二）α-氨基酸的一般结构-氨基酸的分子构型构型指在具有相同结构式的the

α-carbon

atom

is

chiral,

or

asymmetric,since

it

has

fourdifferent

groups

bonded

to

it.构型：根据甘油醛构型确定D型和L型根据甘油醛原则确定构型；自然界的氨基酸有两种构型，D构型和L构型；构型和旋光方向没有必然联系；3.

组成蛋白质的氨基酸都是L型(L-type)，除甘氨酸外都有旋光性，用L-AA表示。CHO|HCOH|HCHOHCOOH|HCNH2|RD型CHO|HOCH|HCHOHCOOH|H2NCH|RL型D型L型Cα+H3NHR_COOL-氨基酸的结构通式α-碳原子，除甘氨酸外均为不对称碳原子；α-氨基，与α-碳原子直接相连的氨基，带正电荷或不带电荷；α-羧基，与α-碳原子直接相连的羧基，带负电荷或不带电荷；R侧链，与α-碳原子直接相连的基团，是氨基酸分类的依据。根据来源分：内源氨基酸和外源氨基酸；从营养学角度分：必需氨基酸和非必需氨基酸；这些体内需要而又不能自身 ，必须由食物供应的氨基酸，称为营养必需氨基酸。必需氨基酸有八种：MetTrpLysValIleLeuPheThr“假设来借—两本书”营养必需氨基酸：组氨酸、精氨酸；（对婴儿是必需）半必需氨基酸：半胱氨酸、酪氨酸；根据是否组成蛋白质来分：蛋白质中常见氨基酸、蛋白质中稀有氨基酸和非蛋白氨基酸。二、氨基酸分类（一）常见的蛋白质氨基酸按R基的极性性质可以分成以下4组：非蛋白质氨基酸蛋白质氨基酸(20种)酸性氨基酸天冬氨酸谷氨酸赖氨酸精氨酸组氨酸极性氨基酸非极性氨基酸甘氨酸丝氨酸苏氨酸半胱氨酸酪氨酸天冬酰胺谷氨酰胺丙氨酸亮氨酸异亮氨酸苯丙氨酸甲硫氨酸色氨酸脯氨酸缬氨酸氨基酸中性氨基酸碱性氨基酸丙氨酸缬氨酸甘氨酸AlanineValineGlycineAla,AVal,VGly,G6.025.975.97COO－+

|H3N－C－H|CH3COO－+

|H3N－C－H|H3C－C－H|CH3COO－+

|H3N－C－H|H1.非极性氨基酸(non-polarity

amino

acids)亮氨酸异亮氨酸苯丙氨酸脯氨酸leucineisoleucinePhenylalanineProlineLeu,LIle,IPhe,FPro,P5.986.025.486.30COO－+

|H3N－C－H|CH2|H3C－C－H|CH3COO－+

|H3N－C－H|H3C－C－H|CH2|CH3COO－+

|H3N－C－H|CH2|+H2CCH2CH2COO－|H2N

C－H2.

极性中性氨基酸（不带电荷）Polarity

amino

acids,

nonecharged色氨酸酪氨酸半胱氨酸甲硫(蛋)氨酸TryptophanTyrosineCysteineMethionineTrp,WTyr,YCys,CMet,M5.895.665.025.75COO－+

|H3N－C－H|CH2|COO－+

|H3N－C－H|CH2||OHCOO－+

|H3N－C－H|CH2|SHCOO－+

|H3N－C－H|CH2|CH2|S|CH3天冬酰胺谷氨酰胺苏氨酸丝氨酸asparagineGlutamineThreonineSerineAsn,NGln,QThr,TSer,S5.415.656.535.68COO－+

|H3N－C－H|CH2|CH2|C

＝O|NH2COO－+

|H3N－C－H|CH2|C

＝O|NH2COO－+

|H3N－C－H|CH2|OHCOO－+

|H3N－C－H|H－C－OH|CH33.酸性氨基酸(带负电荷)Acidic

amino

acids,

negative-charged天冬氨酸

Aspartic

acidAsp,D2.97谷氨酸

Glutamic

acidGlu,E3.22COO－+

|H3N－C－H|CH2|COO－COO－+

|H3N－C－H|CH2|CH2|COO－组氨酸赖氨酸精氨酸HistidinelysineArginineHis,HLys,KArg,R7.599.7410.76COO－+

|H3N－C－H|CH2|CH2|CH2|CH2|+NH3COO－+

|H3N－C－H|CH2|CH2|CH2|NH|

+C＝NH2|NH2COO－+

|H3N－C－H|CH2|N:HN4.碱性氨基酸(带正电荷)Basic

amino

acids,

positive

charged脯氨酸（亚氨基酸）+H2CCH2CH2COO－|H2N

C－HCOO－+

|H3N－C－H|CH2|SHCOO－+

|H3N－C－H|CH2|SH+胱氨酸CystineCOO－+

|H3N－C－H|CH2|SCOO－+

|H3N－C－H|CH2|S几种特殊氨基酸Polarity

of

amino

acidsPOLARNON-POLARTyrHisGlyAcidic

Neutral

BasicGluGlnCysAsp

AsnThrLysSer

ArgAlaValIleLeuMetTrpPhePro+H2NH2CCH2CHCOO－|C－HOH4-羟基脯氨酸COO－+

|H3N－C－H|CH2|CH2|CH2|CH2COO－+

|H3N－C－H|CH2|CH2|HO－

CH|CH2|+NH3|NH|CH36-N-甲基赖氨酸

5-羟基赖氨酸COO－+

|H3N－C－H|CH2||OHII3,5-二碘酪氨酸（二）不常见的蛋白质氨基酸（三）非蛋白质氨基酸H2N－CH2－CH2－COOH-丙氨酸H2N－CH2－CH2－CH2－COOH-氨基丁酸三、氨基酸的酸碱化学(Ionization

of

Amino

Acids)（一）氨基酸的两性离子形式(Zwitterionic

form)Cα+H3NHR_COOCα2H

NHRCOOH非解离形式两性离子形式（二）氨基酸的两性解离和等电点Ionization

and

isoelectric

point

of

Amino

Acids表观解离常数

Apparentdissociation

constantAt

isoelectric

point[R

]

[R

],K1

'

[R

][R

][H

]K2

'

[R

]1[K

'][R

]

[H

][K

'][R

][R

]

2

21

2pI

1

(

pK

'

pK

')＋H＋pK2

'＋OHCOOH＋

|H3N－C－HCOO－＋

|H3N－C－HCOO－|H2N－C－H＋OH＋H＋pK1'|R[R＋]正离子|R[R－]负离子[R

][H

]|R[R±]两性离子[R

][H

][H

]2

K

'

K

'1

2氨基酸的等电点（Isoelectric

point,pI）在某一PH值时，氨基酸所带的静电荷为零，在电场中既不向阴极移动也不向阳极移动，此时氨基酸所处溶液的pH值称为该氨基酸的等电点，常用pI表示。pH>pIaa“－”aa向正极移动pH＜pIaa“＋”aa向负极移动pH＝pIaa“0”aa不移动用标准NaOH和HCI滴定某氨基酸溶液，用NaOH和HCI的摩尔数对pH值作图，所得曲线叫做某氨基酸的滴定曲线。氨基酸的滴定曲线（

Titration

Curves

）BAH＋H＋H＋H＋Amino

acids-COOH-NH2-RGlyGAVL

ISTMFWNQPDEHCYKR2.349.60Ala2.349.69Val2.329.62Leu2.369.68Ile2.369.68Ser2.219.15Thr2.6310.4Met2.289.21Phe1.839.13Trp2.389.39Asn2.028.80Gln2.179.13Pro1.9910.6Asp2.099.823.86Glu2.199.674.25His1.829.176.0Cys1.7110.88.33Tyr2.209.1110.07Lys2.18

8.9510.53Arg2.17

9.0412.48pK1pK1pHpK2[OH－]Two

pKapIpK1＋

pK22pI？Three

pKapK3?pK2?碱性氨基酸（以His为例）00.51.0

1.5

2.0

2.53.04681012pHpK

＝9.17pIHis2①0②

pK1＝1.82③④

pKR＝6.00⑤⑥

2⑦

His－His2＋H＋

H＋His±H＋H＋His＋H＋H＋His2＋His＋His±His—COOH+

|H3N－C－H|CH2|NH+NHCOO－+

|H3N－C－H|CH2|NH+NHCOO－+

|H3N－C－H|CH2|NHN2H

N－C－H2|CH|NHNpK1pKRpK21.826.009.17[

proton

donor]COO－|pH＝pKa＋log

[

proton

accepter]Henderson-Hasselbalch

equation酸性氨基酸（以Glu为例）COO－+

|3H

N－C－H|CH2|CH2|—Glu－

COOCOO－+

|H3N－C－H|CH2|CH2|COOH|COO－pKRCOO－|pK2

H2N－C－H|9.67

CH2|CH2Glu＋|Glu±

COOHCOOH+

|H3N－C－H

pK1|CH2|

2.19CH2Glu2－03.0246810Glutamate21.0

2.0OH－

(equivalents)pH①②pK1=2.19③④

pKR=4.25⑤⑥

pK

=9.67⑦Glu＋Glu－Glu2－H＋H＋H＋H＋Glu±H＋H＋4.25＋Buffer

pHIsoelectric

point,

pI—1098765430

－Net

Charge

of

a

ProteinRelationships

between

buffer

pH

and

net

charge

of

a

protein四、氨基酸的化学反应Chemical

reactions

of

amino

acidsCOOHC

HRH3+Nα-氨基参加的反应α-氨基和α-羧基共同参加的反应α-羧基参加的反应侧链R基参加的反应在室温下亚硝酸能与含游离α-氨基的氨基酸起反应，定量地放出氮气，氨基酸被氧化成羟酸(含亚氨基的脯氨酸则不能与亚硝酸反应)。此法可用于氨基酸定量和蛋白质水解程度的测定。这里值得注意的是生成的氮气(N2)只有一半来自氨基酸。1.

与亚硝酸反应NH2|R－CH－COOHOH|R－CH－COOH

＋

N2

＋

H2O＋

HNO22.与2,4-二硝基氟苯的反应(Sanger反应)在弱碱性溶液中，氨基酸的α-氨基很容易与2，4-二硝基氟苯(DNFB)作用，生成稳定的黄色2，4-二 基氨基酸(简写为DNP-氨基酸)。+DNFB(dinitrofiuorobenzene)氨基酸弱碱中＋

HFDNP-AA(黄色)3.与异硫

酸苯酯反应

(Edman反应)在弱碱性条件下，氨基酸中的α-氨基还可以与异硫酸苯酯

(PITC)反应，产生相应的苯氨基硫甲酰氨基酸(PTC-氨基酸)。在无水酸中，PTC-氨基酸即环化为苯硫乙内酰脲(PTH)，后者在酸中极稳定。该反应首次被Edman用于鉴定多肽或蛋白质的N-末端氨基酸。－N＝C＝S(PITC)Phenylisothiocyanate＋O||H2N－CH－C－OHAmino

acidNC||SPTH-amino

acid苯乙内酰硫脲(PTH-AA)NHC||SPTC-amino

acidO||HO－COH－40℃无水HF苯氨基硫甲酰氨基酸(PTC-氨基酸)H＋4.与茚三酮反应茚三酮在弱酸性溶液中与α-氨基酸共热，氨基酸被氧化成醛、CO2和NH3，最后茚三酮与反应产物──氨和还原茚三酮发生作用，生成蓝紫色化合物。两个亚氨基酸──脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应形成黄色化合物。CCOC

OCCCOOOHOHH2OH2O水合茚三酮+

2H2OO

+

2NH3

+CCC

C4O-NH

+OC

N

CO

OCCOCCCOOHHONH3CCCOOH+

RCHO

+

NH2

+

CO2OHH2N

CHCOOHRCCCOOC

OOOHOH

+弱酸Ruhemann's

Purpleλmax

=

570nm5.

与丹磺酰氯反应(DNS)O

O

O

O||

||

||

||2H

N－CH－||R1C－NH－CH－C－NH－CH－C－NH－CH－C－R2|R3|R4丹磺酰氯(dansyl

chloride)是二甲氨基萘磺酰氯(5-Dimethylamino-1-naphthalenesulfonyl

chloride)的简称N(CH3)2||O＝S＝O|ClN(CH3)2||O＝S＝O|O

OO

O||

||

||

||NH－CH－C－NH－CH－C－NH－CH－C－NH－CH－C－|R1|R2|R3R2H2N－CH－COO－

H2N－CH－COO－

H2N－CH－COO－||R4|R3Free

amino

acidsNH－CH－COO—|R1N(CH3)2||O＝S＝O|OH－HCl|R4Dansyl

polypeptideH2O

H+＋Dansylamino

acid(fluorescent)Polypeptide丹磺酰氯有荧光五、氨基酸的旋光性和光吸收1.

氨基酸的旋光性构成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，均含有不对称碳原子，所以除甘氨酸外，所有天然氨基酸含有一个手性-碳原子，因此都具有旋光性。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

max＝275nm，苯丙氨酸max＝257nm色氨酸

max＝280nm

蛋白质的最大光吸收一般在280nm处.芳香族氨基酸的紫外吸收六、氨基酸的应用1、

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、赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、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、肝机能有效果；等疾病颇（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、 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（2）叶酸：需要用谷氨酸为原料

。（3）氨基酸表面活性剂：酰基谷氨酸钠、十六烷基-

L-赖氨酰-L-赖氨酸甲酯二盐酸、月桂酰-L-精氨酸乙酯盐酸等具有较强的抗菌杀菌活性，且无刺激性。（4）聚合氨基酸：聚谷氨酸甲酯可用于作为 皮革的表面处理剂；聚天冬氨酸或聚谷氨酸的二烷基酯与磷酸高级烷基酯结合得到化合物可作为可塑剂，稳定剂等。3、食品工业营养强化剂；谷氨酸钠－味精；天冬氨酸钠：可用于清凉饮料，能增加清凉感并使香味浓厚爽口；天冬氨酰苯丙氨酸甲酯：－甜味素APM4、农业（1）杀虫剂：刀豆氨酸、5-羟色氨酸可使南方毛虫拒食而死；半胱氨酸可杀死黄瓜蝇；甘氨酸乙酯衍生的二硫代磷酸盐具有较强的杀蚜虫和杀螨效果；（2）杀菌剂：N-月桂酰缬氨酸可作为治疗稻瘟病；-1，4环己二烯丙氨酸能抑制黑穗 、稻瘟病等；（3）除草剂：如N-3,4二氮丙氨酸，硫代氨基酸酯等；5、化妆品工业氨基酸能调节皮肤pH的变动，对细菌的防护作用，也可作为皮肤、毛发的营养成分，增加皮肤、毛发的光泽。防止皮肤干燥的自然保湿因子的主要成分是甘氨酸、羟基丁氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、丝氨酸等游离氨基酸。在化妆品中添加天冬氨酸或其衍生物以及一些维生素，可防止皮肤老化。Thank

you2.

Relationship

between

the

Titration

Curveand

the

Acid-Base

Properties

of

Glycine.A

100

mL

solution

of

0.1

M

glycine

at

pH

1.72

was

titrated

with

2

MNaOH

solution.

The

pHwas

monitored

and

the

results

were

plotted

on

agraph,

as

shown

at

left.

The

key

points

in

the

titration

are

designated

I

toV.

For

each

ofthestatements

(a)

to

(o),

identify

the

appropriate

key

point

in

the

titration

and

justify

your

choice.Glycine

is

present

predominantly

asthe

species

+H3N-CH2-COOH.The

averagenet

charge

of

glycine

is

+1/2Half

of

the

amino

groups

are

ionized.The

pH

is

equal

to

the

pKa

of

the

carboxyl

group.The

pH

is

equal

to

the

pKa

of

the

protonated

amino

group.(f)

Glycine

has

its um

buffering

capacity.(g)

The

averagenet

charge

of

glycine

is

zero.(h)

The

carboxylgroup

has

been

comple y

titrated

((Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅳ)(Ⅱ)(Ⅳ)(ⅡⅣ)(Ⅲ)(Ⅲ)equivalence

point).(i)

Glycine

iscomple y

titrated

(secondequivalence

point).(Ⅴ)(j)

The

predominant

species

is

+H3N-CH2-COOH

(Ⅰ)The

average

net

charge

of

glycine

is

1.

(Ⅰ)Glycine

is

present

predominantly

as

a

50:50mixtureof+H3N-CH2-COOH

and

+H3N-CH2-COO(Ⅱ)－.(m)

This

is

the

isoelectric

point.(n)

This

is of

the

titration.(Ⅲ)(Ⅴ)(o)

These

are

the

worst

pH

regions

for

bufferingpower.

(ⅠⅢⅤ)+1.00-1.0-0.5+0.5pKa＝2.34pKa＝9.60H

＋NCH

COOH3

2H

＋NCH

COO－3

2H2NCH2COO—2.

The

titration

curve

for

histidine

is

shown

below.

The

pKa

values

are

1.8

(--COOH),6.0

(side

chain),

and

9.3

(--NH3+).Draw