简明生物化学原理 课件 第3章 蛋白质-1 氨基酸

第3章蛋白质-1

氨基酸

Aminoacid简明生物化学原理

本章重点内容§4-1氨基酸的结构和分类§4-2氨基酸的酸碱化学§4-3氨基酸的物理和化学性质3Chapter4

Protein的化学——氨基酸§4.1蛋白质的重要性和一般组成蛋白质-英文为“Protein”

——第一重要.4（一）蛋白质的化学组成1、蛋白质是一类含氮有机化合物，除含有C、H、O外，还有N和少量的S、P。某些蛋白质还含有其他一些元素，主要是P、Fe、Cu、Co、Mn、Zn等。这些元素在蛋白质中的组成百分比约为：

C（50~55%）、H（6~8%）、O（20~23%）、N（15~18%）、

S（0~4%）、…2、蛋白质的含氮量☆☆蛋白质含量（克%）=每克生物样品中含氮的克数

6.25N的含量平均为16%——凯氏（Kjadehl）定氮法的理论基础3、蛋白质的大小与分子量蛋白质是分子量（Mr）很大的生物分子。对任一种给定的蛋白质来说，它的所有分子在氨基酸的组成和顺序以及肽链的长度方面都应该是相同的，即所谓均一的蛋白质。

4、蛋白质的分类什么叫单纯蛋白质、缀合蛋白质？辅基（或配体）？分类方法；球状蛋白质、纤维状蛋白质、膜蛋白（质）；单体蛋白质、寡聚蛋白质、亚基（亚单位）；§4.2氨基酸——蛋白质的构件分子★组成蛋白质的基本单位是氨基酸（aminoacid）。如将天然的蛋白质完全水解，最后都可得到约20种不同的氨基酸。★组成蛋白质的氨基酸都为L-

a-氨基酸（除Pro外）脯氨酸属于L-

-亚氨基酸，而甘氨酸则属于

-氨基酸。羧酸分子中烃基上的一个或几个氢原子被氨基取代生成的化合物叫氨基酸。为什么称为－氨基酸？与羧基相邻的－碳原子上都有一个氨基。羧基

H2N—Cα—HCOOHR氨基aminoacid,

aa或AA，结构通式1、氨基酸的结构和分类手性C酸氨HH2NCOOHR不同的aa在于

R基团的不同★除甘氨酸Gly和脯氨酸Pro外，其他均具有如下结构通式。1、氨基酸的结构和分类-氨基酸的通式可变部分不变部分（1）氨基酸的构型

用D/L体系表示——在费歇尔投影式中氨基位于横键右边的为D型，位于左边的为L型。

除甘氨酸外，所有的氨基酸分子的α-碳原子都具手性碳原子。因而都具有旋光性。而且发现主要是L型的（也有D型的，但很少）。

（2）氨基酸的分类

各种氨基酸的区别在于侧链R基的不同。非极性氨基酸（8）

极性氨基酸

非解离的极性氨基酸(不带电7)碱性氨基酸(带正电3)酸性氨基酸（带负电2）按R的极性

氨基酸的三字母简写符号必背熟，单字母符号要求认识。名称三字母符号单字母符号名称三字母符号单字母符号丙氨酸（alanine）AlaA亮氨酸（leucine）LeuL精氨酸（arginine）ArgR

赖氨酸(lysine)LysK

天冬酰胺（asparagine）Asn

N

甲硫氨酸（methionine）MetM天冬氨酸（asparticacid）AspD

笨丙氨酸（phenylalanine）PheF

半胱氨酸（cysteine）CysC脯氨酸（proline）ProP谷氨酰胺（glutanine）Gln

Q

丝氨酸（serine）SerS谷氨酸（glutamicacid）GluE苏氨酸（threonine）ThrT甘氨酸（Glycine）GlyG色氨酸（tryptophan）Trp

W

组氨酸（histidine）HisH酪氨酸（tyrosine）TyrY异亮氨酸（isoleucine）IleI颉氨酸（valine）ValV氨基酸的简写符号I非极性氨基酸

丙氨酸 AlaCOOHCH3CHNH2

CHCHCOOHNH2

CH3CH3

缬氨酸 Val什么叫非极性氨基酸？COOHCH2CHNH2

CH3CH3CH亮氨酸 Leu异亮氨酸 IleCOOHCHNH2

CHCH3CH2CH3

脯氨酸 ProCOOHCHNHCH2CH2CH2I非极性氨基酸

苯丙氨酸 PheCOOHCHNH2

CH2COOHCH2CHNH2

色氨酸 TrpN

H

甲硫氨酸 MetCOOHCHNH2

CH2CH2SCH3I非极性氨基酸CHCOOHCHNH2

苏氨酸 ThrCH3HO

丝氨酸 SerCOOHCHNH2

CH2HO半胱氨酸 CysCOOHCHNH2

CH2HS

甘氨酸 GlyCOOHCHNH2HII非解离的极性氨基酸II非解离的极性氨基酸

酪氨酸 TyrCOOHCHNH2CH2HO

天冬酰胺 AsnCOOHCHNH2

CH2COH2NCOOHCHNH2

谷氨酰胺 GlnCH2COH2NCH2III酸性氨基酸

天冬氨酸 AspCOOHCHNH2

CH2COHOCOOHCHNH2

谷氨酸 GluCH2COHOCH2IV碱性氨基酸(CH2)4

赖氨酸 LysCOOHCHNH2H2N

精氨酸 ArgCOOHCHNH2

(CH2)3NHCNHH2NCOOHCHNH2

组氨酸 HisCH2NHN

1.

氨基酸的分类

由R基团的性质

脂肪族氨基酸杂环氨基酸芳香族氨基酸Phe、Tyr、TrpPro、His

二.

氨基酸的分类

由aa的营养需求

人类自身能合成

非必需氨基酸

必需氨基酸

人类自身不能合成或不能足量合成，必须依赖食物供给。MetTrpValIleLeuPheThrLysGlyAlaSerTyrCysProAsnAspGluGln“假设携一两本书来”根据来源分：内源氨基酸和外源氨基酸

含羟基及含硫氨基酸含羟基氨基酸有SerThrTyr含硫氨基酸有CysMet甘氨酸

glycine

Gly

G

5.97丙氨酸

alanineAlaA

6.00缬氨酸

valineValV

5.96亮氨酸

leucineLeuL

5.98

异亮氨酸

isoleucineIleI

6.02

苯丙氨酸

phenylalaninePheF

5.48脯氨酸

prolineProP

6.30非极性疏水性氨基酸目录色氨酸

tryptophanTryW

5.89丝氨酸

serineSerS

5.68酪氨酸

tyrosineTryY

5.66

半胱氨酸

cysteineCysC

5.07

蛋氨酸

methionine

MetM

5.74天冬酰胺

asparagineAsnN

5.41

谷氨酰胺

glutamineGlnQ

5.65

苏氨酸

threonineThrT5.602.极性中性氨基酸目录天冬氨酸

asparticacidAspD

2.97谷氨酸

glutamicacidGluE

3.22赖氨酸

lysineLysK

9.74精氨酸

arginineArgR

10.76组氨酸

histidineHisH

7.593.酸性氨基酸4.碱性氨基酸目录稀有的蛋白质氨基酸

通常是常见氨基酸的衍生物。如4-羟脯氨酸、5-羟赖氨酸以游离或结合态存在于细胞或组织中，大部分是常见氨基酸的衍生物或异构型。如存在于细菌细胞壁肽聚糖内的D-谷氨酸和D-丙氨酸、花生中的g-亚甲基谷氨酸、甘蔗中的b-氨基丁酸，刀豆中的刀豆氨酸等。

非蛋白质氨基酸

H2N-CH2-CH2-COOHH2N-CH2-CH2-CH2-COOH-丙氨酸-氨基丁酸

氨基酸的溶解度，P46

除Gly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(光学性质）2、氨基酸的理化性质

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。

Trp、Tyr、Phe含芳香环共轭双键系统，在近紫外区(220-300nm)只有有吸收光的能力。

Trp、Tyr、Phe最大吸收峰分别在

279nm、278nm、259nm。（2）氨基酸的光吸收2、氨基酸的理化性质以Trp吸收最强。可利用此性质采用紫外分光光度法测定蛋白质的含量。（2）

光学性质氨基酸同时含有氨基和羧基：氨基具有碱性，羧基具有酸性（3）氨基酸的两性解离和等电点，P48依照布伦斯特－劳瑞的酸碱质子理论，质子的供体称为酸，质子的受体称为碱。HA↔A-+H+

酸碱质子原始的酸（HA）和生成的碱（A-）被称为共轭酸－碱对。酸碱可以互相转化。

氨基酸在水中的两性离子既能像酸一样放出质子，也能像碱一样接受质子，氨基酸具有酸碱性质，是一类两性电解质。Asanacid（protondonor）：Asabase（protonacceptor）：氨基酸的解离

HA↔A-+H+

酸碱质子一元酸的解离方程

Ka=[A-][H+][HA]-+H+H+H+H++-氨基酸完全质子化时，可以看成是多元酸。侧链不解离的中性氨基酸可看作二元酸，例如甘氨酸。甘氨酸的解离：-+H+H+H+H++-HHH阳离子（A+）兼性离子（A0）阴离子（A-）A+A0+H+Ka1第一步解离Ka1=[A0][H+][A+]Ka1代表

-碳上-COOH的解离常数A0A-+H+Ka2Ka2=[A-][H+][A0]第二步解离Ka2代表

-碳上-NH3+的解离常数等电点（isoelectricpoint):氨基酸所带静电荷为“零”时，溶液的pH值称为该氨基酸的等电点（isoelectricpoint），以pI表示。不同pH时氨基酸以不同的离子化形式存在：

正离子负离子两性离子氨基酸pI氨基酸pI氨基酸pI氨基酸pIAla6.02Pro6.48Thr5.87Asp2.77Val5.97Phe5.48Cys5.07Glu3.22Leu5.98Trp5.89Tyr5.66Lys9.74Ile6.02Gly5.97Asn5.41Arg10.76Met5.74Ser5.68Gln5.65His7.5920种氨基酸的pI（3）氨基酸的两性解离和等电点+OH-pH>pI阴离子pH=pI兼性离子+OH-+H+pH<pI阳离子+H+两性性质和等电点加酸H+H+H+总电荷“+”H3N+两性性质和等电点加碱H2OH2NCOO¯OH－OH－OH－总电荷“–”两性性质和等电点酸性溶液晶体状态碱性溶液或水溶液中即等电点（pI）pI——等电点时的pH不同氨基酸等电点（pI）不同提问：为什么？两性性质和等电点（4）氨基酸的滴定曲线Henderson-Hasselbalch方程pH=pKa+lg[质子受体][质子供体]酸碱滴定曲线乙酸★氨基酸等电点的计算——以甘氨酸为例K1=[Gly±][H+][Gly+]K2=[Gly-][H+][Gly±]pI时，[Gly+]=[Gly-][Gly±][H+]K1=[Gly±]K2[H+][H+]2=K1K2pH=（pK1+pK2）/2pI=（pK1+pK2）/2pI=（2.34+9.60）/2=5.97GlypI=1/2(pK1'+pK2')对于酸性氨基酸，以Asp为例：pI=1/2(pK1'+pK2')对于碱性氨基酸，以Lys为例：pI=1/2(pK2'+pK3')1.两性性质和等电点

等电点的计算例Gly的pI计算－H+＋H+NH2—CH2

—COO－Gly－＋NH3—CH2

—COO－Gly±

＋NH3—CH2

—COOHGly＋pI=1/2(pK1'+pK2')－H+＋H+K1'K2'K1'、K2'分别代表

COOH和NH3＋的表观解离常数。可以从滴定曲线中求得。2.

氨基酸的理化性质1.两性性质和等电点等电点的计算例Lys的pI计算pI=1/2(pK2'+pK3')溶液pH值增大COOHCH－NH3(CH2)4NH3＋＋Lys＋＋COO－CH－NH2(CH2)4NH2Lys－COO－CH－NH3(CH2)4NH3＋＋Lys＋－H+＋H+Lys±COO－CH－NH2(CH2)4NH3＋－H+＋H+－H+＋H+K1'K2'K3'2.

氨基酸的理化性质1.两性性质和等电点等电点的计算例Glu的解离2.

氨基酸的理化性质pI=1/2(pK1'+pK2')1.两性性质和等电点等电点的计算aa等电点的计算公式pI=1/2(pKn+pKn+1)(其中n为可解离的正电荷基团数目)2.

氨基酸的理化性质1.两性性质和等电点等电点的计算ConclusionpH>pI

带负电，移向正极2.

氨基酸的理化性质pH<pI

带正电，移向负极pH=

pI

不带电，不移动答案：-R有电性区别。中性氨基酸pI一般为6.0提问：为什么偏酸性？答案：

-COOH解离程度略大于-NH2的得电子能力

提问：酸性氨基酸的pI(更偏酸、更偏碱）？答案：更酸（3.0左右）碱性氨基酸pI更碱（7.6—10.7)(

只有三种）提问：大多数氨基酸在中性（pH=7）时，带

电？负提问：等电点时的氨基酸特点是？答案：两性离子，溶解度最小，容易沉淀。提问：为什么？答案：同性排斥力小，凝结沉淀其它：吸光性含苯环氨基酸大π键吸收紫外光，蛋白质故也具有紫外吸光性，实验室利用紫外分光光度仪在280nm处测定蛋白质含量；★等电点为电中性而不是中性（即pH=7），在溶液中加入电极时其电荷迁移为零。中性氨基酸pI=6.2-6.8酸性氨基酸pI=2.8-3.2碱性氨基酸pI=7.6-10.8★等电点时，偶极离子在水中的溶解度最小，易结晶析出。可用调节氨基酸等电点的方法分离氨基酸的混合物。注意：3、氨基酸的化学反应P501．

-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。即氨基酸的甲醛滴定P135页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。衡量的放出N2，测定N2的体积便可计算出氨基酸中氨基的含量。3、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。3、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。3、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。3、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。3、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：3、氨基酸的化学性质11．

-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3、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。3、氨基酸的化学性质2．

-羧基参与的反应（4）叠氮化反应用途：常作为多肽合成活性中间体。3、氨基酸的化学性质2．

-羧基参与的反应1（5）脱羧反应用途：酶催化的反应。3、氨基酸的化学性质2．

-羧基参与的反应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3、氨基酸的化学性质与茚三酮反应（鉴别α-氨基酸的灵敏方法）PH5～7茚三酮N-取代的α-氨基酸如脯氨酸，β-氨基酸、γ-氨基酸都不与茚三酮反应。

蓝色或紫红色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3、氨基酸的化学性质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端裂。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作用：。4．侧链基团的化学性质（4）甲硫基的性质1作用：。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：4、氨基酸的分离分析（55页）滤纸层析也是分配层析的一种。这里的滤纸纤维素吸附水作为固定相，展层用的溶剂是流动相。层析时，混合氨基酸在这两相中不断分配，使它们分布在滤纸的不同位置上。

溶剂前沿氨基酸显色点滤纸原点XY滤纸层析中的Rf值，Rf=X/Y丁醇-醋酸酚-甲酚-水氨基酸的双向滤纸层析图谱

四.

氨基酸的分离和分析1、纸层析2、离子交换层析

四.

氨基酸的分离和分析这是一种用离子交换树脂作支持剂的层析法。离子交换树脂是具有酸性或碱性基团的人工合成的聚苯乙烯-苯二乙烯等不溶性的高分子化合物。树脂阳离子交换树脂阴离子交换树脂含有酸性基团H+含有碱性基团OH－根据什么进行分离？2、离子交换层析

四.

氨基酸的分离和分析Columnchromatography

Ion-exchangechromatographySize-exclusionchromatographyHydrophobicinteractionchromatographyIsoelectricfocusingchromatography

Affinitychromatography:Antibodies,His-tags,Protein-A,Protein-G,GST-,MBP-fusionproteinsetc…,Ion-exchangeChromatography离子交换

分离氨基酸常用的是带有耐酸性非常强的磺酸根SO3－Na＋（以盐的形式出现）的强阳离子交换树脂。首先将这种树脂填充到柱子中，然