第1讲蛋白质的基本组件.ppt

1、蛋白质和核酸都是一类含氮的天然有机物，是生物体的主要组成部分。蛋白质在生命现象和生命过程中起着决定性的作用，是人类的三大营养物质之一，是维持生命活动必不可少的物质。 从化学结构上看，蛋白质是由许多氨基酸通过酰胺键结合而形成的高分子化合物，无论是哪一类蛋白质，在酸、碱、酶等作用下水解都得到-氨基酸的混合物。因此-氨基酸是构成蛋白质的基本结构单元，要讨论蛋白质的结构与性质，首先要了解氨基酸的结构与性质,第一讲 蛋白质的基本组件,第一讲 蛋白质的基本组件,氨基酸的结构 氨基酸的分类 氨基酸的物理性质 氨基酸的化学性质 氨基酸的代谢合成 肽单位与肽链,关于组成蛋白质的氨基酸结构，正确的说法是：( ),

2、A, 在-碳原子上都结合有氨基或亚氨基 B, 所有的-碳原子都是不对称碳原子 C, 组成人体的氨基酸除一种外都是L型 D, 脯氨酸是唯一的一种亚氨基酸 E, 不同氨基酸的R基团大部分都是相同的,A,C,D,一、-氨基酸的基本结构,分子中既有氨基又有羧基的化合物叫氨基酸。天然存在的氨基酸有300余种，但组成蛋白质的氨基酸仅有20种，都是-氨基酸。其中苯丙氨酸、色氨酸、赖氨酸、蛋氨酸、缬氨酸、苏氨酸、亮氨酸、异亮氨酸八种氨基酸人体不能自身合成， 需要从食物中摄取。 本讲主要讨论-氨基酸。,1. 结构 -氨基酸是羧酸分子中烃基上的-H原子被-NH2取代得到的衍生物，其结构通式为：,具有- 氨基和-羧

3、基是各种氨基酸的共性。 各种氨基酸在结构上的差异主要是其侧链基团R的不同。,R group,氨基,羧基,L-Form Amino Acid,H = Glycine,CH3 = Alanine,Juang RH (2003) Biochemistry,3. -氨基酸的构型 构型(configuration)是一个分子中原子的特定空间排布，当一种构型改变为另和种构型时必须有共价键的断裂和重新形成。不同构型分子间除镜面操作外不能以任何方式重合。 组成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，其它氨基酸分子中碳原子均为手性碳原子，因此都具有旋光性。大多数-氨基酸都只有一个手性碳原子，其构型一般用D/L法来标记。若有两

4、个或更多的手性碳原子，则以距羧基最近的手性碳原子为基准来标记其构型。 自然界存在的氨基酸大多为L-型。动物体内的酶只对L-氨基酸代谢，而对D-氨基酸不起作用。,氨基酸有镜像异构体,镜 像,化性相同、物性 (旋光度) 不同,立体构造不同(算是异构体),返回,地球上的生物大都采用L-form氨基酸。几年前分析一颗外层空间来的陨石，发现其中的L-form氨基酸的比例大于D-form者，令人推想地球上的生物使用L-form氨基酸可能有其原因。,以H为顶点，沿HC键方向观察各组成基团的投影，如果顺时针方向能得到“CORN”的就是L-型分子；不能则为D-型。,优势构象与旋转异构体,构象(conformat

5、ion)是指组成分子的原子或基团绕单键旋转而形成的不同空间排布。 显然，一种构象转变为另一种构象不要求有共价键的断裂和重新形成，在化学上也难以区分和分离。 对两个四面体配位的碳原子，“交错构象”(stagged confromation)是能量上最有利的排布，其一个碳原子的取代基正好处于另一个碳原子的两个取代基之间。侧链中的每一个这种C原子，都有三种交错构象，它们彼此以120旋转相关。 对已精确测定的蛋白质结构的分析显示，大多数氨基酸残基的侧链都有一种或少数几种交错构象作为优势构象最经常出现在天然蛋白质中，称为旋转异构体(rotamer)。目前，在国际上已经收集这些优势构象，建立旋转异构体库，

6、作为一种基本工具应用于蛋白质结构的计算机模型构建中。,第一讲 蛋白质的基本组件,氨基酸的结构 氨基酸的分类 氨基酸的物理性质 氨基酸的化学性质 氨基酸的代谢合成 肽单位与肽链,Gly,Ala,Val,Leu,Ile,Phe,Tyr,Trp,Cys,Met,S,S,各式氨基酸的大小样式齐全,有大有小,有正有负,有极性 非极性,形形色色的氨基酸侧基,返回,脂肪氨基酸,芳香氨基酸,杂环氨基酸,返回,（4）根据侧链基团极性的不同可分为疏水氨基酸和极性氨基酸两类；后者又可据带电性的不同分为不带电和带电两类。,带电氨基酸,极性氨基酸,疏水氨基酸,疏水氨基酸残基的侧链一般没有化学反应性，其共同的特性是疏于与

7、水相互作用，趋于彼此间或与其他非极性原子相互作用，这种疏水相互作用是多肽链折叠的原初推动力。所有蛋白质分子都有一部分这类残基密堆积在内部，形成疏水内核，这也是稳定蛋白质三维结构的主要因素。,POLAR,NON- POLAR,Tyr,His,Gly,Acidic,Neutral,Basic,Asp,Glu,Gln,Cys,Asn,Ser,Thr,Lys,Arg,Ala,Val,Ile,Leu,Met,Phe,Trp,Pro,氨基酸的极性分类,极性或非极性，是蛋白质性质之所系。,Juang RH (2003) Biochemistry,比较难以分类的氨基酸(如Tyr,Gly,His)，其性质就比较

8、模糊，但也各有其存在目的，而且经常有相当重要的角色。,氨基酸侧链的几个要点,Useful notes on side chain properties: His is the only side chain that titrates near physiological pH.,H,组氨酸的咪唑基pK值接近于中性，在生理条件下组氨酸常处于可逆的解离状态，并往往能和Fe2+等金属离子形成配位化合物。,见教材P20-30,2)Lys and Arg are positively charged (basic) at physiological pH. Lys和Arg带有碱性的侧链基团，此基团在p

9、H9以下处于正电状态。Lys侧链上的氨基很容易发生酰化、烷化、芳基化和咪基化等反应。Arg侧链由3个非极性的甲基和一个强碱性的 胍基构成，pKa值约为12。其胍基在天然蛋白质存在的整个pH范围都是解离的。,K,R,Asp and Glu are negatively charged (acidic) at physiological pH. 其侧链羟基的pKa值分别为3.9和4.3，故在生理条件下离解为电负性基团，它们也可整合金属离子。它们侧链相差一个-CH3，使它们对主链的相互作用有不同的趋向性，从而对肽链的构象和化学反应都有显著不同的影响。,D,E,Asn and Gln resemble

10、 backbone peptide. 既是H+的供体，又是H+的受体，这种特性与蛋白质的结构和功能有重要联系。,N,Q,Gly has the smallest side chain, it is often required where main chains must approach each other very closely. Gly is more flexible than other residues. 缺乏长侧链的制约使多肽链在Gly残基出现的地方具有显著的构象柔性。Gly可在广泛的构象空间中出现。,G,Cys has a sulphydryl group (-SH) th

11、at can act as a redox center. 巯基被氧化可以去掉氢，双双结合形成双硫键，把两条肽链连结在一起，对蛋白质构象有很大贡献。这种反应是可逆的。 两个独立的Cys之间，也可以双双氧化巯基后形成二元体，特称为胱氨酸(cystine)，缩写成为(Cys)2。注意英文写法的不同。,C,Cystine,Cysteine,双硫键,Disulfide-bond formation. The drawing illustrates the formation of a covalent disulfide bond between the side chains of neighbor

12、ing cysteine residues in a protein.,8)Met has a thiolether linkage with two lone electron pairs. Met的硫并非硫醇，而是被甲基化，因此无法如Cys般形成双硫键，但它是一个非常奇特的氨基酸，任何蛋白质的翻译，其第一个氨基酸一定是Met。,M,Ser, Thr, and Tyr have hydroxylic (-OH) side chains that can either be hydrogen bond donor or acceptor. 有着不同程度的化学反应性。,S,Y,T,Phe (F)

13、, Trp (W), and Tyr (Y) have aromatic side chains and can mediate cation-p interactions. They can form stacking interactions with nucleotide bases. 是使蛋白质产生紫外线吸收和荧光特性的主要因素。色氨酸的结构比其它氨基酸复杂，在蛋白质中含量最低，其在蛋白质结构与功能中的作用是一个重要的研究课题。,F,W,Y,这三种氨基酸对于介质环境非常敏感，常常作为蛋白质结构变化的非常有用的探针。 max/nm Phe: 257.4 Tyr: 274.6 Trp: 2

14、79.8,His 0.360Cys 0.210Ser 0.130 Lys 0.100Thr 0.100Asn0.080 Arg 0.055Gln 0.050Glu0.050 Asp 0.045Ile 0.005Tyr 0.040 Val 0.060Gly 0.070Phe 0.120 Trp 0.140Leu 0.180Pro 0.200 Ala 0.025Met 0.025,11)氨基酸残基在活性部位出现的几率,第一讲 蛋白质的基本组件,氨基酸的结构 氨基酸的分类 氨基酸的物理性质 氨基酸的化学性质 氨基酸的代谢合成 肽单位与肽链,第一讲 蛋白质的基本组件,氨基酸的结构 氨基酸的分类 氨基酸

15、的物理性质 氨基酸的化学性质 氨基酸的代谢合成 肽单位与肽链,四、氨基酸的化学性质 -氨基酸分子中既含有氨基，又有羧基，因此，它应具有胺和羧酸的通性。由于-NH2与-COOH共存于一个分子中，因此，它又有一些特性。 1、氨基的性质 （1）与亚硝酸反应,+ 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。 （2）与甲醛反应,甲醛,甲醛,-氨基酸与水合茚三酮溶液一起加热，生成蓝紫色物质，利用这个反应，可对-氨基酸进行定性鉴定。 2、羧基的反应 （1）脱羧 将-氨基酸加热时，可脱去CO2得到胺。,Ba(OH)2,尸

16、胺,（2）与氨反应,无水乙醇,干HCl,NH3,生物体内利用这个反应在体内贮存氮源。,3、氨基和羧基同时参与的反应 （1）两性与等电点 由于-氨基酸分子中既含有-NH2又有-COOH，因此，它既具有酸性，又具有碱性，它不但可以与酸、碱作用生成盐，而且自身可发生中和反应生成内盐。,+ H+,+ OH-,内盐分子中氨基带正电荷，羧基带负电荷，即在氨基酸分子中，既有正电荷，又有负电荷，称之为偶极离子或两性离子。,当氨基酸与酸作用时，H+有利于-NH2解离而抑制-COOH基解离，氨基酸带正电荷；当与碱作用时，OH-将有利于-COOH解离而抑制-NH2解离，氨基酸带负电荷。,H+,H+,OH-,OH-,

17、带负电荷,带正电荷,两性离子,由上面的反应式可以看出，-氨基酸分子所带电荷与该溶液的酸碱度有关，我们可以通过控制溶液的pH值，使氨基酸分子带上不同电荷。对某一种氨基酸，总有一个pH值，在这个pH值下，氨基酸分子所带的正电荷和负电荷恰好相等，即对外表现净电荷为零，此时氨基酸溶液的pH值称为该氨基酸的等电点，用pI表示。 若pH pI，则氨基酸分子带负电荷；若pH pI，则氨基酸分子带正电荷；若pH=pI，则氨基酸分子不带电荷。,若将带有电荷的氨基酸分子置于电场中，则会发生移动，若氨基酸分子带正电荷时，向阴极移动；若氨基酸分子带正电荷，则向阳极移动。这种带电粒子在电场中的移动现象称为电泳。利用电泳

18、方法可以分离、提纯氨基酸，这种方法称为电泳法。 一般来讲，中性氨基酸的等电点（pI）为6.26.8；碱性氨基酸的等电点为9.710.7；酸性氨基酸的等电点为2.83.2。氨基酸在等电点时溶解度最小，可用于氨基酸的分离。 （2）受热脱水反应 -氨基酸加热时可发生分子间脱水，生成交酰胺。,-2H2O,（5）成肽反应 两分子-氨基酸发生反应，一分子aa提供-NH2，另一分子aa提供-COOH，脱去一分子水，生成以酰胺键相连的化合物，叫做肽。酰胺键在蛋白质化学中又称为肽键。,第一讲 蛋白质的基本组件,氨基酸的结构 氨基酸的分类 氨基酸的物理性质 氨基酸的化学性质 氨基酸的代谢合成 肽单位与肽链,五、氨

19、基酸代谢与合成,和脂肪酸与葡萄糖相反，氨基酸除了合成蛋白质和其它生物分子所需以外，不能储存于体内，也无法排出体外。 多余的氨基酸会进行脱胺作用而形成代谢中间物进行其它代谢作用如柠檬酸循环、进入肝中产生葡萄糖、脂肪酸合成，或者其碳骨架参与其它氨基酸的合成，无法合成者称之为必需氨基酸。,第一讲 蛋白质的基本组件,氨基酸的结构 氨基酸的分类 氨基酸的物理性质 氨基酸的化学性质 氨基酸的代谢合成 肽单位与肽链,20种氨基酸的平均分子量为128，某蛋白质由100个氨基酸构成(仅为一条多肽链)，问该蛋白质的分子量是多少 ( ),问题,A. 12800 B. 11000 C. 11018 D. 7800,C

20、,关于肽键与肽的下列描述，哪些是正确的：( ),A, 肽键具有部分双键性质 B, 是核酸分子中的基本结构键 C, 含两个肽键的肽称三肽 D, 肽链水解下来的氨基酸称氨基酸残基 E, 蛋白质的肽链也叫寡肽,A, C,肽键与多肽 一个氨基酸的羧基和另一个氨基酸的氨基脱水缩合形成的共价连接称为肽键(peptide bond)。20种氨基酸在蛋白质中是通过肽键连接在一起的。 多个氨基酸通过肽键连接在一起构成多肽链(polypeptide chain)。 寡肽：含有 10 个左右氨基酸残基(如二肽、五肽、八肽) 多肽：含 1020 个氨基酸残基 蛋白质：含几十个到数千个氨基酸残基,六、肽单位与肽链,NH

21、2,COOH,两个氨基酸分子头尾连接起來,肽键 的形成,脫水,(脱水剂)碳化二亚胺 Carbodiimide,N,C,C,N,C, 肽键虽是单键却具有局部双键性质, 肽键周边六个原子在同一平面上, 前后两个氨基酸的-carbon在对角 (trans),C,肽键的特性,sp2,sp2,肽键看似单键，但 C-N 键旁的 C=O 双键会与它产生共振，因此具有双键的性质；且中心的 C 与 N 原子都是使用 sp2 轨道，因此其前后六个原子都躺在同一平面上，称为肽平面 (如上图虚线所围起)。注意每一个氨基酸的中心是 碳，而两个 碳之间是以肽平面连在一起，因此蛋白质可以说是由许多肽平面以 碳为接点连成的。

22、,肽键不能旋转，具有反式(trans)和顺式(cis)两种构型,在反式构型中，相邻C原子之间有0.38nm的距离，而在顺式中只有0.32nm。因而在顺式肽构型中原子间的推斥力较大，能量上处于不利状态，其稳定性只有反式肽的千分之一。脯氨酸由于其具有特殊结构，由它的氨端形成的顺式肽键与反式肽键的能量比为1 : 4。因此，非脯氨酸顺式肽键在天然蛋白质中很少出现，频率仅为0.05%，出现者大多位于结构或活性重要部位。,为何肽键 (-C-N-) 具有双键性质？,氮原子上面有一对 lone pair 电子，是以 p 轨道绕行在平面的上下两边；而 C=O 的双键，是碳与氧原子的两对 p 轨道所形成。因此在

23、O=C-N 上总共有三个 p 轨道，有时碳与氮的 p 轨道会混在一起，形成短暂的双键；也可以把这三个 p 轨道的电子，一起混成为一个类似共振的综合轨道，使得肽键具有双键的性质。如此混成所形成的双键，造成肽键无法自由转动，也就是说肽平面所包含的六个原子，必须平躺在同一平面上，它们具有确定的键长和键角，是多肽链中的刚性结构，称为肽单位(peptide unit)，也叫肽键平面。有序连接的肽单位就是多肽链的主链。因此，从结构上看，肽单位和侧链基团是蛋白质分子的基本建筑模块(Building Blocks)。,p 軌道電子共振使 肽键具双键特性,lone pair 电子,两个肽键平面的交接点为 a-碳

24、,以肽键平面连接成多肽长链,注意 a-碳上面接有各种大小不等的基团,多肽链中由肽键连接的部分称为主链(main chain或backbone)，它在所有氨基酸中都是相同的；氨基酸在形成肽键后保留的部分称为氨基酸残基(amino acid residue)。氨基酸的侧链从主链的C原子伸出。 一条肽链的两端有不同结构和性质： 一端的氨基酸残基带有游离氨基，称为氨基端或N端； 另一端的氨基酸残基带有游离羧基，称为羧基端或C端。,多肽链的构象,肽单位绕其所连接的两个共价单键CC(C为羰基中的C原子)和NC旋转是蛋白质分子主链仅有的自由度。肽单位围绕单键NC旋转形成的位置用角描述；绕CC 旋转形成的位置用角描述。因此，一个蛋白质分子的主链构象可以用其所有组成氨基酸的一套(，)n角度