1、第2章 蛋白質(zhì)的構(gòu)件氨基酸,生物化學,主要內(nèi)容,蛋白質(zhì)的組成和分類 氨基酸的結(jié)構(gòu)和分類 氨基酸的理化性質(zhì) 氨基酸的分析分離 氨基酸的應(yīng)用,氨基酸是蛋白質(zhì)的，已由蛋白質(zhì)的水解得到證明。 蛋白質(zhì)被酸、堿和酶水解，可以得到各種各樣的氨基酸。,一、蛋白質(zhì)的構(gòu)件氨基酸,蛋白質(zhì)的水解產(chǎn)物氨基酸,酸水解：色氨酸破壞，天冬酰胺、谷胺酰 胺脫酰胺基 堿水解：消旋，色氨酸穩(wěn)定 酶水解：水解位點特異，用于一級結(jié)構(gòu)分 析，肽譜,絕大多數(shù)的蛋白質(zhì)都是由20種氨基酸組成，這20種氨基酸被稱為基本氨基酸,構(gòu)成蛋白質(zhì) 的常見氨基 酸有20種 基本氨基酸,氨基酸蛋白質(zhì)的構(gòu)件分子,氨基酸蛋白質(zhì)的構(gòu)件分子,蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的多樣性

2、取決于 20種氨基酸的內(nèi)在性質(zhì)： 聚合能力 特有的酸堿性質(zhì) 側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)及其化學功能的多樣性 手性,自然界中存在的氨基酸有300余種，在動植物組織中可以分離得到2630種不同的氨基酸。 直到1965年才搞清楚，合成天然蛋白質(zhì)的原料只有20種氨基酸（ 稱為基本氨基酸， Primary amino acid）。,20種氨基酸的發(fā)現(xiàn)年代表,天冬酰胺 1806 Vauquelin 天門冬芽 甘氨酸 1820 Braconnot 明膠 亮氨酸 1820 Braconnot 羊毛、肌肉 酪氨酸 1849 Bopp 奶酪 絲氨酸 1865 Cramer 蠶絲 谷氨酸 1866 Ritthausen 面筋 天冬

3、氨酸 1868 Ritthausen 蠶豆 苯丙氨酸 1881 Schultze 羽扇豆芽 丙氨酸 1881 Weyl 絲心蛋白 賴氨酸 1889 Drechsel 珊瑚 精氨酸 1895 Hedin 牛角 組氨酸 1896 Kossel,Hedin 奶酪 胱氨酸 1899 Morner 牛角 纈氨酸 1901 Fischer 奶酪 脯氨酸 1901 Fischer 奶酪 色氨酸 1901 Hopkins 奶酪 異亮氨酸 1904 Erhlich 纖維蛋白 甲硫氨酸 1922 Mueller 奶酪 蘇氨酸 1935 McCoy et al 奶酪,基本氨基酸的名稱與符號,Alanine丙氨酸Al

4、aA Arginine 精氨酸 Arg R Asparagine天冬酰胺 Asn N Aspartic acid天冬氨酸Asp D Cysteine半胱氨酸CysC Glutamine谷氨酰胺Gln Q Glutamic acid谷氨酸Glu E Glycine甘氨酸GlyG Histidine組氨酸HisH Isoleucine異亮氨酸IleI Leucine亮氨酸LeuL Lysine賴氨酸LysK Methionine甲硫氨酸/蛋氨酸MetM Phenylalanine苯丙氨酸PheF Proline脯氨酸ProP Serine絲氨酸SerS Threonine蘇氨酸ThrT Trypt

5、ophan色氨酸TrpW Tyrosine酪氨酸TyrY Valine纈氨酸ValV,要求：記住每個氨基酸的 名稱、結(jié)構(gòu)及其簡寫,B,Z,Asx,Glx,一個小故事保你記住所有氨基酸！,六伴窮光蛋，酸谷天出門，死豬肝色臉，只攜一兩錢。 一本落色書，揀來精讀之。芳香老本色，不搶甘肅來。 六伴窮光蛋：硫、半、光、蛋半胱、光、蛋（甲硫）氨酸含硫氨 基酸酸谷天出門：酸、谷、天谷氨酸、天門冬氨酸酸性氨基酸死豬肝色臉：絲、組、甘、色絲、組、甘、色氨酸一碳單位來源 的氨基酸只攜一兩錢：支、纈、異亮、亮纈、異亮、亮氨酸支鏈氨基酸一本落色書：異、苯、酪、色、蘇異亮、苯丙、酪、色、蘇氨酸 生糖兼生酮揀來精讀之：堿

6、、賴、精、組賴氨酸、精氨酸、組氨酸堿性氨基 酸芳香老本色：芳香、酪、苯、色酪、苯丙、色氨酸芳香族氨基酸不搶甘肅來：脯、羥、甘、蘇、賴脯、羥脯、甘、蘇、賴氨酸不 參與轉(zhuǎn)氨基的氨基酸,（1）組成蛋白質(zhì) （2）一些aa及其衍生物充當化學信號分子 -氨基丁酸，色氨酸衍生物：5-羥色胺、褪黑激素， 都是神經(jīng)遞質(zhì)，甲狀腺素（Tyr衍生物） ，吲哚乙酸 （Trp衍生物）都是激素 （3）氨基酸是許多含N分子的前體物 核酸的含氮堿基、血紅素、葉綠素的合成都需要aa （4）一些基本氨基酸和非基本aa是代謝中間 物 （精氨酸、瓜氨酸、鳥氨酸)尿素循環(huán)的中間物,氨基酸的功能,作為構(gòu)成蛋白質(zhì)的基本單位，氨基酸中只有20

7、種基本氨基酸是在生物界中普遍存在的，且它們具有相同的結(jié)構(gòu)通式。,不同氨基酸在于R基團就不同,（一）L-氨基酸的基本結(jié)構(gòu),二、氨基酸的結(jié)構(gòu)與分類,側(cè)鏈基團,-氨基酸的碳為不對稱碳原子,氨基酸不同在于R基團就不同,常見20種氨基酸的的側(cè)鏈,二十種氨基酸的化學結(jié)構(gòu),（二）20種基本氨基酸的結(jié)構(gòu)及其分類,按酸堿性質(zhì)分類（生理pH）,1. 中性AA（1個-NH3+和1個-COO-，15種）,2. 酸性AA（1個-NH3+和2個-COO-，2種）,3. 堿性AA（2個-NH3+和1個-COO-，3種）,Asp、Glu,His、Lys 、 Arg,脂肪族氨基酸,1. 中性AA（1個-NH3+和1個-COO-

8、）,亞氨基酸,芳香族氨基酸,苯丙氨酸 （Phe,F）,酪氨酸 （Tyr,Y）,色氨酸 （Trp,W）,1. 中性AA（1個-NH3+和1個-COO-）,醇類氨基酸,1. 中性AA（1個-NH3+和1個-COO-）,絲氨酸 （Ser,S）,蘇氨酸 （Thr,T）,1. 中性AA（1個-NH3+和1個-COO-）,1. 中性AA（1個-NH3+和1個-COO-）,酰胺類氨基酸,天冬酰胺 （Asn,N）,谷氨酰胺 （Gln,Q）,生理pH范圍內(nèi) 酰胺基不被質(zhì)子化,天冬氨酸 （Asp,D）,谷氨酸 （Glu,E）,2. 酸性AA（1個-NH3+和2個-COO-）,3. 堿性AA（2個-NH3+和1個-

9、COO-）,賴氨酸 （Lys,K）,精氨酸 （Arg,R）,組氨酸 （His,H）,極性AA,非極性AA（9種）,按R基團的極性分類,Gly、Ala、Val、Leu、Ile、Pro、 Met、Phe、Trp,特點： 1 殘基的側(cè)鏈一般沒有化學反應(yīng)性； 2 疏水作用，趨于彼此間或與其他 非極性原子相互作用,特點： 側(cè)鏈都含有極性基團，可以是氫的供體或受體，有不同程度的化學反應(yīng)性,特點： 側(cè)鏈都可以解離使殘基帶上正或負電荷,氨基酸的極性分類總結(jié),“極性或非極性，是蛋白質(zhì)性質(zhì)之所系?！?必需氨基酸（8種） ：指人體不能合成，必須從食物中攝?。?Ile, Met, Val, Leu, Trp, Phe

10、, Thr, Lys 半必需氨基酸（2種） ：指人體可以合成但合成量不能滿足人體需要（特別是嬰幼兒）：His，Arg 非必需氨基酸：指人體可以合成的氨基酸：其余十種。,按氨基酸是否能在人體內(nèi)合成分類,一 家 攜 兩 三 本 書 來,需搭配膳食以保證營養(yǎng)均衡,旋光異構(gòu)體：化學性質(zhì)相同、物理性質(zhì)（旋光性除外） 相同， 生物功能不同,（三）氨基酸的旋光異構(gòu)體,氨基酸有D-型及L-型,氨基酸的D-型或L-型以甘油醛為參考,L-型：-氨基位 于-碳左邊 D-型：-氨基位于-碳右邊,D：Dextrorotatory （右旋） L： Levorotatory （左旋）,L-和D-型氨基酸的判斷（看CAR的走

11、向）,將H原子靠近自己，觀察CAR的走向，逆時針為L-型，順時針為D-型。,L-型,D-型,C：carboxyl group A：amino group R：residue,氨基酸的立體異構(gòu),構(gòu)型,當一種構(gòu)型改變?yōu)榱硪环N構(gòu)型時必須有共價鍵的斷鏈和重新形成；不同構(gòu)型分子間除鏡面操作外不能以任何方式重合,L-型,構(gòu)象,構(gòu)象,組成分子的原子或基團繞單鍵旋轉(zhuǎn)而形成 的不同空間排布,當一種構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N構(gòu)象時不要求有共價鍵的斷鏈和重新形成,氨基酸的構(gòu)型 除甘氨酸之外，所有的氨基酸都存在L-型和D-型分子構(gòu)型 天然蛋白質(zhì)中的氨基酸都是L-型的單一手性分子 氨基酸的旋光性 除甘氨酸外，氨基酸均含有一個手性

12、-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數(shù)之一，是鑒別各種氨基酸的重要依據(jù),Thr含兩個手性碳原子，有4 種立體異構(gòu)體，分別稱為- 、-，-別-、-別-氨基酸。,L-蘇氨酸 (L-threonine),D-蘇氨酸 (D-threonine),L-別-蘇氨酸 (L-allo-threonine),D-別-蘇氨酸 (D-allo-threonine),蘇氨酸（Thr）有 種旋光異構(gòu)體,旋光異構(gòu)體數(shù)目為 2n（n為不對稱碳原子數(shù)目）,？,半胱氨酸（Cysteine）和胱氨酸（Cystine）,胱氨酸的光學 異構(gòu)體有？種,胱氨酸有三種立體異構(gòu)體：L-胱氨酸、 D-胱氨酸、 內(nèi)消旋胱氨

13、酸。,外消旋物：D-型和L-型的等摩爾混合物； 如：L-胱氨酸和D-胱氨酸是外消旋物,內(nèi)消旋物：分子內(nèi)消旋,二硫鍵,1 穩(wěn)定蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)； 2 將不同的多肽鏈連接在一起； 3 分子內(nèi)二硫鍵可穩(wěn)定單肽鏈的折 疊，使蛋白質(zhì)不易被降解。,氨基酸的旋光性受溶液的pH影響很大，因為在不同條件下氨基和羧基的解離狀態(tài)不同。,pH對L-亮氨酸(a)和L-組氨酸(b) 的比旋光度的影響,L-亮氨酸,L-組氨酸,氨基酸的構(gòu)型 除甘氨酸之外，所有的氨基酸都存在L-型和D-型分子構(gòu)型 天然蛋白質(zhì)中的氨基酸都是L-型分子 氨基酸的旋光性 除甘氨酸外，氨基酸均含有一個手性-碳原子，因此都具有旋光性。 比旋光度是氨基酸

14、的重要物理常數(shù)之一，是鑒別各種氨基酸的重要依據(jù),（四）重要的不常見氨基酸,1. 非編碼氨基酸 在少數(shù)蛋白質(zhì)中分離出一些不常見的氨基酸，這些氨基酸都是由相應(yīng)的基本氨基酸修飾而來的，也稱修飾氨基酸。從各種生物分離到的氨基酸已達250種以上，大量出現(xiàn)在膠原蛋白，結(jié)締組織中。,2. 非蛋白氨基酸 不組成蛋白質(zhì)，呈游離或結(jié)合態(tài)的氨基酸，約150種，具有多種生理功能,修飾氨基酸,結(jié)締組織,膠原蛋白,凝血酶,胱氨酸（Cystine） ：廣泛地存在于蛋白質(zhì)中，由兩個Cys的巰基氧化脫氫形成的二硫鍵連接而成。,（1） L-氨基酸的衍生物 L-瓜氨酸和L-鳥氨酸是合成精氨酸的中間產(chǎn)物。,非蛋白氨基酸,（2）D-氨

15、基酸 D-Phe是短桿菌肽S的組分， D-Glu存在于肽聚糖中。,非蛋白氨基酸,泛酸的前體,神經(jīng)遞質(zhì),（3）、-氨基酸 -Ala是泛酸的前體，-氨基丁酸是傳遞神經(jīng)沖動的化學介質(zhì)。,非蛋白氨基酸,硒代半胱氨酸,1986年發(fā)現(xiàn)的編碼氨基酸（UGA） 存在于含硒蛋白質(zhì)中 簡寫：Sec，U,（第21種編碼氨基酸）,2000年5月24日Science上同時發(fā)表的2篇論文，表明在某些古細菌和真細菌中。通常作為終止密碼的UAG編碼了第22種氨基酸吡咯賴氨酸。,吡咯賴氨酸,（第22種編碼氨基酸）,Pyrrolysine (Pyl),三、氨基酸的理化性質(zhì),1. 氨基酸的一般物理性質(zhì) 2. 氨基酸的光吸收性 3.

16、 氨基酸的酸堿性質(zhì) 4. 氨基酸的化學反應(yīng),形態(tài)：均為白色結(jié)晶或粉末，不同氨基酸的晶型結(jié)構(gòu)不同。 溶解性：一般都溶于水，不溶或微溶于醇，不溶于丙酮，在稀酸和稀堿中溶解性好。 熔點：氨基酸的熔點一般都比較高，一般都大于200，超過熔點以上氨基酸分解產(chǎn)生胺和二氧化碳。,1. 氨基酸的一般物理性質(zhì),2. 氨基酸的光吸收,20種基本氨基酸,紫外吸收,Tyr、Phe、Trp的側(cè)鏈含有苯環(huán)共軛雙鍵，在220-300nm近紫外區(qū)有吸收。,AA在280nm有最大光吸收，可利用此性質(zhì)采用紫外分光光度法測定蛋白質(zhì)的含量,3. 氨基酸的酸堿性質(zhì)與兩性解離,氨基酸在晶體狀態(tài)或水溶液中以兼性離子(zwitterions

17、)或偶極離子(dipolar ion)形式存在。 一個氨基酸分子上可以即有正電荷又有負電荷，稱為兩性電解質(zhì)(ampholyte),氨基酸解離方式取決于所處環(huán)境的pH,氨基酸凈電荷為零時的溶液pH的為該氨基酸的等電點（isoelectric point),以符號pI 表示,氨基酸等電點的計算,側(cè)鏈不含可解離基團的中性氨基酸： pI = (pK1 + pK2 ) / 2 即：氨基酸的pI值等于該氨基酸的兩性離子狀態(tài)兩側(cè)的基團 pK值之和的二分之一。等電點值與離子濃度無關(guān)，只取決于兼性離子兩側(cè)基團的pK值。,側(cè)鏈含有可解離基團的氨基酸： 酸性氨基酸：pI = (pK1 + pKR-COOH) / 2

18、 堿性氨基酸：pI = (pK2 + pKR-NH3+) / 2,天冬氨酸,賴氨酸,+,氨基酸的解離與其pK,pKa 越小質(zhì)子越容易解離，酸性越強,酸基或氨基的pKa 都比R 基團上的羧基或氨基要低（更容易解離）,氨基酸的滴定曲線,甘氨酸的滴定曲線,Gly在pH 2.34和pH 9.60處具有緩沖能力,氨基酸的甲醛滴定法,由于滴定終點的pH 過高（11-13），無適當?shù)闹甘緞豢芍苯舆M行酸、堿滴定 加入過量的甲醛可降低氨基的堿性，使氫氧化鈉滴定的終點下移至pH9附近，可用酚酞指示。,COOH的pK值在2.0左右， 當pH3.5，COOH以COO- 形式存在。 NH2的pK值在9.4左右， 當

19、pH8.0時，-NH2 以NH3+ 形式存在。 pH值在3.5-8.0范圍內(nèi)時，氨基酸是兩性離子存在,氨基酸在溶液中的帶電狀態(tài),(1). 由-NH2與-COOH共同參與的反應(yīng) 茚三酮的顏色反應(yīng) 成肽反應(yīng) (2). -NH2參與的反應(yīng) 與亞硝酸反應(yīng) 與甲醛反應(yīng) ?；磻?yīng) 烷化反應(yīng) 西弗堿反應(yīng),(3). -COOH參與的反應(yīng) 成鹽反應(yīng) 成酯反應(yīng) 酰鹵化反應(yīng) 疊氮反應(yīng) (4). 氨基酸的側(cè)鏈基團的反應(yīng),4. 氨基酸的重要化學反應(yīng),-氨基酸與水合茚三酮溶液共熱，引起氨基酸脫氨、脫羧，生成藍紫色化合物（Pro呈黃色），最大吸收峰在470nm（ Pro 440nm）處。由于吸收峰值與氨基酸的含量存在正比關(guān)

20、系，因此可作為氨基酸定量分析或定性分析。,與茚三酮(ninhydrin)的反應(yīng)：,(1). 由-NH2與-COOH共同參與的反應(yīng), 成肽反應(yīng),(1). 由-NH2與-COOH共同參與的反應(yīng),(2). -NH2參與的反應(yīng), 與亞硝酸的反應(yīng) (Van Slyke定氮),一分子游離氨基形成一分子氮氣，因此可以用來定氮，這是Van slyke（范斯來克）定氮法的原理。, ?；磻?yīng),-氨基與酰氯或酸酐在弱堿溶液中發(fā)生作用時，氨基被?；??；噭┰诙嚯暮偷鞍踪|(zhì)的人工合成中被用作氨基的保護試劑,(2). -NH2參與的反應(yīng),鄰苯二甲酸酐,芐氧甲酰氯（Cbz-Cl）,對甲苯磺酰氯 (Tos-Cl), 酰

21、基化反應(yīng),(2). -NH2參與的反應(yīng),與丹磺酰氯反應(yīng),丹磺酰氯 (DNS-Cl，5-二甲氨基萘磺酰氯),DNS-氨基酸是熒光物質(zhì)，在紫外光激發(fā)后發(fā)黃色熒光,可用于鑒定多肽的N末端氨基酸殘基，靈敏度高, 烷基化反應(yīng),(2). -NH2參與的反應(yīng),氨基酸氨基的一個H鍵可被烴基（包括環(huán)烴及其衍生物）取代,2,4-二硝基氟苯（DNFB） （Sanger試劑）,苯異硫氰酸酯（PITC） （Edman試劑）,用來鑒定多肽的NH2末端氨基酸,與2,4-二硝基氟苯反應(yīng)（Sanger反應(yīng)）,+,弱堿,氨基酸,2,4-二硝基氟苯,DNP-氨基酸 (黃色),用于鑒定蛋白質(zhì)和多肽的N末端氨基酸殘基,無水HF,PIT

22、C,（苯乙內(nèi)酰硫脲-aa）,（苯氨基硫甲酰-aa）,與苯異硫氰酸酯的反應(yīng)（Edman反應(yīng)）,Edman 降解,在Edman試劑上加發(fā)色基團： 二甲氨基偶氮苯-ITC (DABITC),目前絕大部分被直接測定的蛋白序列是通過Edman降解反應(yīng)取得的。 為紀念Edman的貢獻，1988年世界蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分析大會設(shè)立了Edman獎，以鼓勵蛋白質(zhì)序列測定方法領(lǐng)域作出貢獻的科學家。 遺憾的是Edman未能獲得Nobel獎,氨基酸的分析分離,分配柱層析：支持劑是一些具有親水性的不溶性物質(zhì)，如纖維素、淀粉、硅膠等。 紙層析： 薄層層析： 離子交換層析： 陰離子交換樹脂-N(CH3)3OH， 陽離子交換樹脂-SO3H 氣相層析 高效液相層析 電泳：,紙層析、薄層層析,氨基酸的鑒定、分離純化（I）,氨基酸的鑒定、分離純化（II）,氨基酸的鑒定和分離純化2,離子交換層析,氨基酸的鑒定、分離純化（III）,PTH-AA,氨基酸的鑒定和分離純化3,氨基酸的合成,目前氨基酸的合成方法有5種： 直接發(fā)酵法； 添加前體發(fā)酵法； 酶法； 化學合成法； 蛋白質(zhì)水解提取法。,四、氨基酸的應(yīng)用,氨基酸輸液： 必需氨基酸，半必需氨基酸 治療藥劑： 精氨酸：對治療高氨血癥、肝機能障礙等疾病頗有效果； 天冬氨酸：