第2章 蛋白质的构件-氨基酸

第2章蛋白质的构件—氨基酸(AminoAcid,AA,Aa,aa)一、旋光异构原子组成、分子式、分子量相同（一）有关旋光异构的几个概念1、（同分）异构（isomerism）•结构异构：由于分子中原子连接的次序不同造成的，包括：碳架异构体、位置异构体和功能异构体。•立体异构：又可分为几何异构（也称为顺反异构）和旋光异构（也称光学异构）。几何异构：是由于分子中双键或环的存在或其它原因限制原子间的自由旋转引起的。旋光异构：是由于分子存在手性造成的，最常见的是分子内存在不对称碳原子。2、手性C原子（asymmetriccarbonatom)概念：也称为不对称碳原子，是指与四个不同的原子或原子基团共价连接并因而失去对称性的四面体碳。常C表示。3、旋光性（opticalactivity）当光波通过尼科尔棱镜时，由于棱镜的结构只允许沿某一平面振动的光波通过，其它的光波均被阻断，这种光称为平面偏振光。左/右旋当偏振光通过旋光物质的溶液时，则光的偏振面会向右旋转（顺时针方向或正向，符号+）或向左旋转(逆时针方向或负向，符号-),旋光度（旋光性、光学活性）旋光物质使平面偏振光的偏振面发生旋转的能力。4、构型和构象构型：原子或基团在空间的相对分布或排列。对于旋光异构体来说，是指不对称碳原子的四个取代基在空间的相互取向。涉及共价键的断裂。构象：当单键旋转时，取代基团可能形成不同的立体结构。不涉及共价键的断裂。（二）Fischer投影式CH3OHCOOHH这种投影式是德国化学家FischerE于1891年提出的。投影式可以看成是立体模型或透视结构在纸面上的投影。D（+）-甘油醛和L（-）-甘油醛的投影式和透视式如下：对于透视式，虚线键伸向纸面背后，楔形键凸出纸面，伸向读者。（三）构型的RS表示法虽然DL构型命名系统在反映旋光化合物之间的构型联系方面有它的优点，但其有存在很大的局限性。如酒石酸其C*2和C*3根据其与甘油醛的联系，一个为D构型，一个为L构型，但在实际测定中发现二者构型相同。1956年科学家们于是提出了RS构型命名，这样可以准确无误地规定任何手性碳原子的绝对构型，具有普遍适应的优点。其具体的应用规则：第一步：指定与每个手性碳原子直接相连的4个取代基的优先性顺序。顺序规则的基础是原子序数高的原子比原子序数低的原子优先性大。第二步：旋转手性四面体碳，使那个优先性最小的取代基，离开观察者最远，另三个取代基面向观察者。第三步：观察面向观察者的三个取代基按优先性大小的顺序是顺时针方向还是逆时针方向，如果为顺时针方向，则为R构型（R源自拉丁文Rectus,R,右），如果是反时针方向，则为S型（S源自拉丁文Sinister，左）——蛋白质的构件分子ProteinArchitecture二、氨基酸§１蛋白质的元素组成氮15%-18%氧20%-23%碳50%-55%氢6%-8%碳50-55%氢6-8%氧20-23%氮15-18%*平均含氮16%硫0%-4%有些蛋白质还含有微量的磷、铁、锌、铜、钼、碘等元素。蛋白质系数:6.25蛋白质的元素组成特点§２蛋白质的分类根据蛋白质组成成分单纯蛋白质结合蛋白质=蛋白质部分+非蛋白质部分根据蛋白质形状纤维状蛋白质球状蛋白质以长轴与短轴之比为标准，前者小于5，后者大于5。要注意球状蛋白质不等于球蛋白。球蛋白是按溶解度分类的一类蛋白质。根据结构分类1．单体蛋白：蛋白质由一条肽链构成，最高结构为三级结构。包括由二硫键连接的几条肽链形成的蛋白质，其最高结构也是三级。多数水解酶为单体蛋白。2．寡聚蛋白：包含2个或2个以上三级结构的亚基。可以是相同亚基的聚合，也可以是不同亚基的聚合，如血红蛋白为四聚体，由2个α亚基和2个β亚基聚合而成（α2β2）。3．多聚蛋白：由数十个亚基以上，甚至数百个亚基聚合而成的超级多聚体蛋白，如病毒外壳蛋白。根据功能分类活性蛋白和非活性蛋白两大类。属于活性蛋白质的有酶、蛋白质激素、运输和储存蛋白质、运动蛋白质和受体蛋白质等；属于非活性蛋白质的有角蛋白、胶原蛋白等。蛋白质的生物学重要性1.蛋白质是生物体重要组成成分分布广：所有器官、组织都含有蛋白质；细胞的各个部分都含有蛋白质。含量高：蛋白质是细胞内最丰富的有机分子，占人体干重的45％，某些组织含量更高，例如脾、肺及横纹肌等高达80％。1）作为生物催化剂（酶）2）代谢调节作用3）免疫保护作用4）物质的转运和存储5）运动与支持作用（结构蛋白）6）参与细胞间信息传递2.蛋白质具有重要的生物学功能3.氧化供能§３蛋白质水解蛋白质和多肽的肽键可被催化水解酸/碱能将蛋白完全水解酶水解一般是部分水解得到各种AA的混合物得到多肽片段和AA的混合物氨基酸是蛋白质的基本结构单元蛋白质——月示——胨——多肽——肽——AA1*1045*1032*1031000200100-500§４氨基酸的结构地球上天然形成的AA300种以上。构成蛋白质的AA只有20余种，且都是α-氨基酸。氨基酸a-碳原子R基不同a-氨基共同点：与羧基相邻的α-碳原子上都有一个氨基，因此称为α-氨基酸氨基酸同时含有氨基和羧基，所以它们能以首尾相连的方式进行聚合反应，除去一分子水形成一个共价酰氨键，也称之为肽键。氨基酸的构型COOHCOO-||NH2—C—HH—C—NH3+││RRL-AaD-Aa氨基位置参照甘油醛•----C-C-C-C-COOHγβα•----C-C-C-C(NH2)-COOHα-氨基酸•----C-C-C(NH2)-C-COOHβ-氨基酸•----C-C(NH2)-C-C-COOHγ-氨基酸什么是α-氨基酸？•大多数AA在中性pH时呈兼性离子状态:•除甘氨酸外，19种AA都具有旋光性。•除胱氨酸和酪氨酸外，其余AA都能溶于水。•脯氨酸和羟脯氨酸还能溶于乙醇或乙醚中。COO-NH3+§５氨基酸的分类（一）常见的蛋白质氨基酸需要记忆：P17页表2-2氨基酸的三字母符号和单字母符号分为：脂肪族、芳香族和杂环族按Ｒ基的化学结构分类：１、脂肪族aa（１）中性脂肪族aa（2）含羟基或硫aa（３）酸性aa及其酰胺（４）碱性aa２、芳香族aa３、杂环aa按Ｒ基的极性性质分类：１、非极性Ｒ基aa２、不带电荷的极性Ｒ基aa3、带正电荷的Ｒ基aa4、带负电荷的Ｒ基aa（二）不常见的蛋白质氨基酸由常见aa经修饰而来。存在于结缔组织的胶原蛋白中存在于结缔组织的胶原蛋白中甲基赖氨酸：肌球蛋白的成份。羧基谷氨酸：凝血酶原中发现，也存在需要Ca2+的蛋白质中。•某些涉及细胞生长和调节的蛋白质可以在含氨基残基如丝氨酸上进行可逆性磷酸化，生成磷酸丝氨酸。（三）非蛋白质氨基酸•200多种•多是蛋白质中L型α-AA衍生物•有一些是β-，γ-，δ-AA•有些是D-型AA如D-谷氨酸和D-丙氨酸，在细菌细胞壁的肽聚糖中发现。鸟氨酸瓜氨酸尿素循环的中间产物。记忆指导：1.两种酸性的氨基酸及它们的两种酰胺2.三种碱性氨基酸（多氨基）3.含苯环、杂环的4.含—OH、S的5.不同碳架（链长、分支）。氨基酸的结构特点§６氨基酸的酸碱性质（一）兼性离子非离子型。兼性离子型。氨基酸在晶体和水中以兼性离子，也称为偶极离子的形式存在，极少数为中性分子。H3N—CH—COOHR+（pH＜pI）H3N—CH—COO-R+（pH=pI）H2N—CH—COO-R（pH＞pI）（二）氨基酸的解离（三）氨基酸的等电点•当溶液为某一pH值时，AA主要以兼性离子的形式存在，分子中所含的正负电荷数目相等，净电荷为0。这一pH值即为AA的等电点（pI）。•在pI时，AA在电场中既不向正极也不向负极移动，即处于两性离子状态。pI=(pK’1+pK’2)/2对于侧链含有不解离的中性氨基酸来说：甘氨酸滴定曲线10nmol苷氨酸•对于侧链含有可解离基团的AA•pI取决于两性离子两边pK’值的算术平均值•酸性AA：pI=(pK’1+pK’R-COO-)/2•碱性AA：pI=(pK’2+pK’R-NH2)/2由实验测定:根据氨基酸羧基和氨基的pK值（即解离常数的负对数）来计算。一氨基一羧基氨基酸的解离、pK值及pI的计算公式如下:氨基酸的pI值：pI=(pK1+pK2)/2二氨基一羧基氨基酸如赖氨酸，在不同pH值时的解离情况如图所示。综上所述：各种氨基酸的等电点为两性离子两侧两个pK的平均值。每种氨基酸都有特定的等电点，当溶液的pH值低于某氨基酸的等电点时，则该氨基酸带正电荷，在电场中向负极移动。当溶液的pH值高于等电点时，则该氨基酸带负电荷，在电场中向正极移动。当液的pH等于等电点时，氨基酸所带净电荷为零，在电场中不移动。等电点的特点和意义：•溶解度最低，易沉淀，用于分离纯化等。等电点时不电泳，电泳液的pH值要偏离等电点。①与茚三酮的反应在570nm比色可知氨基酸的含量。该反应十分灵，几微克氨基酸就能显色。多肽或蛋白质也能与茚三酮反应，但肽越大，灵敏度也越差。脯氨酸+茚三酮黄色其他19种+茚三酮蓝紫色这是氨基酸的首选颜色反应$7.氨基酸的化学反应440nm•②与甲醛的反应氨基酸是两性离子，不能用酸或碱滴定测其量。氨基酸可与甲醛反应，使溶液酸性增加，再以酚酞作指示剂用ＮaOH来滴定。•由滴定所用的ＮaOH量就可以计算出氨基酸的含量——甲醛滴定法。变通一下再滴定③与2，4-二硝基氟苯（DNFB）反应——桑格反应可用于鉴定多肽链的N端氨基酸DNFB与α-氨基反应→黄色•有显著紫外吸收的氨基酸：Tyr275nmPhe257nmTrp280nm氨基酸的吸收光谱是紫外法测定蛋白质含量的理论基础蛋白质的特异吸收波长在280nm氨基酸的紫外吸收光谱：氨基酸的应用1.医药工业2.化学工业3.食品工业4.农业5.化妆品工业氨基酸输液--必需氨基酸•治疗药剂精氨酸：对治疗高氨血症、肝机能障碍等疾病颇有效果；天冬氨酸：钾镁盐可用于恢复疲劳；治疗低钾症心脏病、肝病、糖尿病等。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；•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。（1）医药工业（2）化学工业•维生素B6:可采用丙氨酸或天冬氨酸为原料合成。•叶酸：需要用谷氨酸为原料合成。•氨基酸表面活性剂•聚合氨基酸：聚谷氨酸甲酯可用于作为合成皮革的表面处理剂；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。•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APM（3）食品工业（4）农业•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；•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病毒、稻瘟病等；•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。８、AA的光学活性和光谱性质（一）AA的光学活性和立体化学（二）氨基酸的光谱性质可见光区：无吸收远紫外和红外区：都吸收近紫外区（200—400nm）：Tyr/Trp/Phe原因：-C=C-C=C-C=C-C=C-1、紫外吸收光谱R基含有苯环共轭双键系统。只有芳香族氨基酸有吸收Trp280nmTyr275nmPhe257nm蛋白质含量测定280nmA=A:吸光度；ζ为摩尔吸光系数；c为浓度（mol/L）；l为吸收杯的内径或光程厚度。I0为入射光强度；Ｉ为透射光强度。单色仪分光光度法定量分析所依据的是Lambert-Beer定律。２、核磁共振波谱主要用于测定肽和小蛋白分子的三维空间结构。$９、氨基酸混合物的分析分离——利用AA成分分配系数的差异即基于氨基酸的溶解度性质。（一）分配层析•一、原理•分配层析是利用