王镜岩-生物化学-第3章-氨基酸

第3章氨基酸一、氨基酸是蛋白质的构件分子（一）蛋白质的水解1.酸水解：常用6mol/LHCl回流20h，水解完全，不引起消旋，但色氨酸破坏，羟基氨基酸部分水解，酰胺键水解。2.碱水解：水解完全，会引起消旋，但色氨酸不破坏。3.酶水解：水解不完全，不引起消旋，色氨酸不破坏，主要用于蛋白质的部分水解。20种氨基酸的发现年代表天冬酰氨1806Vauquelin天门冬芽甘氨酸1820Braconnot明胶亮氨酸1820Braconnot羊毛、肌肉酪氨酸1849Bopp奶酪丝氨酸1865Cramer蚕丝谷氨酸1866Ritthausen面筋天冬氨酸1868Ritthausen蚕豆苯丙氨酸1881Schultze羽扇豆芽丙氨酸1881Weyl丝心蛋白赖氨酸1889Drechsel珊瑚精氨酸1895Hedin牛角组氨酸1896Kossel,Hedin奶酪胱氨酸1899Morner牛角缬氨酸1901Fischer奶酪脯氨酸1901Fischer奶酪色氨酸1901Hopkins奶酪异亮氨酸1904Erhlich纤维蛋白甲硫氨酸1922Mueller奶酪苏氨酸1935McCoyetal奶酪（二）α-氨基酸的一般结构氨基在α-位，为L-构型.二、氨基酸的分类(一)常见的蛋白质氨基酸1.常见的蛋白质氨基酸共二十种。2.按化学结构分为脂肪族、芳香族和杂环族三类。这种分类方法对于研究氨基酸的合成与分解有重要意义。3.按R-基的极性分为非极性R-基氨基酸、不带电荷的极性R-基氨基酸、带正电荷的极性R-基氨基酸、带负电荷的极性R-基氨基酸四类。这种分类方法对于研究氨基酸在蛋白质空间结构中的作用，和对于氨基酸的分离纯化均有重要意义。4.也可将氨基酸分为非极性脂肪族R-基氨基酸、非极性芳香族R-基氨基酸、不带电荷的极性R-基氨基酸、带正电荷的极性R-基氨基酸、带负电荷的极性R-基氨基酸五类。要熟悉氨基酸的结构特点、分类和符号。注意结构特点(二)不常见的蛋白质氨基酸5-羟赖氨酸4-羟脯氨酸甲状腺素3-甲基组氨酸ε-N-甲基赖氨酸ε-N，N，N-三甲基赖氨酸α-氨基己二酸γ-羧基谷氨酸焦谷氨酸磷酸丝氨酸磷酸苏氨酸磷酸酪丝氨酸N-甲基精氨酸N-乙酰赖氨酸(三)非蛋白质氨基酸肌氨酸γ-氨基丁酸甜菜碱β-丙氨基叠氮丝氨酸O-重氮乙酰丝氨酸高丝氨酸羊毛硫氨酸高半胱氨酸苯丝氨酸氯胺苯醇（氯霉素）环丝氨酸肾上腺素组胺5-羟色氨青霉胺鸟氨基瓜氨基三、氨基酸的酸碱化学（一）氨基酸的兼性离子形式氨基酸在晶体状态和水溶液中均以兼性离子形式存在。因此,氨基酸有很高的熔点。（二）氨基酸的解离(三)氨基酸的等电点1.等电点的定义2.等电点的计算对于R基无解离基团的氨基酸：pI=（pK1+pK2）/2对于R基有解离基团的氨基酸：pI等于等电形式两侧的pK值之和的一半，以等电形式为中心，另一个pK值为第二级解离，可以忽略不计。如Glu:Glu+Glu+-Glu-Glu2-若pH=pI=3.22，根据pH=pKa+log{[质子受体]/[质子供体]}3.22=9.67+log{[Glu2-]/[Glu-]}得[Glu2-]/[Glu-]=3.5╳10-7Lys，Arg和His的pI等于两个大的pK值之和的一半；Asp，Glu，Tyr和Cys的pI等于两个小的pK值之和的一半。2.194.259.67(四)氨基酸的甲醛滴定滴定终点由12左右降到9左右，可以用酚酞为指示剂，用标准氢氧化钠滴定。四、氨基酸的化学反应(一)α-氨基参加的反应1.与亚硝酸的反应测量氮气的体积可计算氨基酸的含量。2.与酰化试剂的反应可用于氨基的保护。3.烃基化反应可用于测定多肽链的氮末端氨基酸。4.形成西佛碱的反应为转氨基反应的中间步骤。5.脱氨基反应为氨基酸分解反应的重要中间步骤。(二)α-羧基参加的反应1.成盐和成酯反应可用于羧基的保护。2.成酰氯反应可用于羧基的活化。3.脱羧基反应是生成胺类的重要反应。4.叠氮反应可用于羧基的活化。(三)α-氨基和α-羧基共同参加的反应1.与茚三酮的反应常用于氨基酸的定性或定量检测。2.成肽反应(四)侧链R基参加的反应1.酪氨酸可发生碘化、硝化、重氮反应，后者可用于检测酪氨酸。2.组氨酸可发生重氮反应。3.精氨酸可与环己二酮发生缩合反应，曾被用于氨基酸序列分析。4.色氨酸可被N-溴代琥珀酰亚胺氧化，生成有色化合物，可用于色氨酸定量测定。5.半胱氨酸可生成烷基衍生物，可用于巯基的保护。巯基可与重金属生成盐，使蛋白质失活。巯基在空气中可被氧化，金属离子对此有催化作用。6.胱氨酸的二硫键可被还原为两个巯基。也可以被过甲酸氧化成两个磺酸基。N-乙酰马来酰亚胺半胱氨酸胱氨酸碘乙酸丙烯腈5，5′-二硫双（2-硝基苯酸）巯基阴离子对羟基汞苯酸赖氨酸希夫碱五、氨基酸的光学活性和光谱性质1.氨基酸的光学活性和立体化学：氨基酸的不对称碳原子可用D-或L-表示，其比旋值可用于氨基酸的鉴别。2.氨基酸的光谱性质：芳香族氨基酸的紫外吸收光谱如图所示。这一性质可用于蛋白质的定量测定。氨基酸的1HNMR谱3.氨基酸的核磁共振（NMR）在外加磁场的作用下，原子核的自旋方向达到一致，可以和一定频率的外加磁场共振而形成吸收峰，同一种原子核在分子中的位置不同，因其外围的电子云对核的屏蔽作用引起的吸收峰位置移动（化学位移）也不同，由吸收峰的位置可以推断原子处于哪一个基团，在1HNMR谱中，当相邻基团上有n个质子时，该基团的质子吸收峰将分裂成n+1个峰。aabbcc六、氨基酸混合物的分析分离(一)分配层析法的一般原理分配系数=物质在流动相中的总量/物质在固定相中的总量逆流分溶符合二项式的展开式，但对于纸层析和柱层析来说，有关的计算无实际意义。(二)分配柱层析可以同检测器、记录仪、馏分收集器、输液泵构成层析系统。(三)纸层析Rf主要与R基的极性有关，溶剂的pH可影响R基的极性，氨基酸与滤纸的吸附作用也影响Rf。(四)薄层层析速度快，硅胶等支持物可以使用较强烈的显色方法。（五）离子交换层析离子交换树脂的结构如图所示，功能基团种类较多。氨基酸的离子交换分离原理若pI−pH0，两性离子带净正电荷，若pI−pH0，两性离子带净负电荷，差值越大，所带的净电荷越多。氨基酸的分离过程用氨基酸自动分析仪分析氨基酸混合物的洗脱曲线（阳离子交换剂）。（六）气液层析(七)高效液相层析HPLC分析氨基酸混合物的洗脱曲线基本要求1.掌握氨基酸的一般结构和氨基酸的分类；2.掌握氨基酸的酸碱性质和等电点的计算方法；3.熟悉氨基酸的常见化学反应的应用价值；4.熟悉分离和分析氨基酸的常用方法。作业题1.第155页第2题；2.第155页第3题；3.第155页第5题；4.第155页第6题；5.第155页第7题；6.第155页第8题；7.第155页第9题；8.第156页第14题；9.第156页第15题。第4章蛋白质的共价结构—、蛋白质通论(一)蛋白质的化学组成和分类蛋白质的元素组成：C、H、O、N、S,其中含N平均为16%，这一数据可用于蛋白质的含量测定。1.简单蛋白完全由氨基酸组成，不含非蛋白成分。根据溶解性的不同，可将简单蛋白分为7类：清蛋白（溶于水）、球蛋白（溶于稀盐溶液）、谷蛋白（溶于稀酸或稀碱）、醇溶蛋白（溶于70%-80%的乙醇）、组蛋白（溶于水或稀酸，可用稀氨水沉淀）、精蛋白（溶于水或稀酸，不溶于氨水）和硬蛋白（只能溶于强酸）。2.结合蛋白由蛋白质和非蛋白成分组成，后者称为辅基。根据辅基的不同，可将结合蛋白分为以下7类：核蛋白、脂蛋白、糖蛋白、磷蛋白、血红素蛋白、黄素蛋白和金属蛋白。3.按蛋白质的生物学功能分类（1）催化功能生物体内的酶都是由蛋白质构成的，没有酶，生物体内的各种化学反应就无法正常进行。（2）结构功能蛋白质可以作为生物体的结构成分。高等动物的胶原蛋白是主要的细胞外结构蛋白，占蛋白总量的1/4；细胞膜、线粒体、叶绿体和内质网等膜系统都是由蛋白质与脂类组成的；动物的毛发和指甲都是由角蛋白构成的。（3）运输功能脊椎动物的血红蛋白和无脊椎动物的血蓝蛋白起着运输氧气的作用；血液中的载脂蛋白可运输脂肪，转铁蛋白可转运铁；一些脂溶性激素的运输也需要蛋白，如甲状腺素要与甲状腺素结合球蛋白结合才能在血液中运输。（4）贮存功能某些蛋白质的作用是贮存氨基酸作为生物体的养料和胚胎或幼儿生长发育的原料。此类蛋白质包括蛋类中的卵清蛋白、奶类中的酪蛋白和小麦种子中的麦醇溶蛋白等。肝脏中的铁蛋白可将血液中多余的铁储存起来，供缺铁时使用。（5）运动功能肌肉中的肌球蛋白和肌动蛋白是运动系统的必要成分，它们构象的改变引起肌肉的收缩，带动机体运动。细菌中的鞭毛蛋白有类似的作用，它的收缩引起鞭毛的摆动，从而使细菌在水中游动。（6）防御功能高等动物的免疫反应是机体的一种防御机能，它主要也是通过蛋白质（抗体）来实现的。凝血与纤溶系统的蛋白因子、溶菌酶、干扰素等，也担负着防御和保护功能。（7）调节功能某些激素、一切激素受体和许多其他调节因子都是蛋白质。（8）感觉功能生物体对信息的识别与传递过程也离不开蛋白质。例如，感受味道需要味觉蛋白，视觉信息的传递要有视紫红质参与。视杆细胞中的视紫红质，只需1个光子即可被激发，产生视觉。（9）遗传调控功能遗传信息的储存和表达都与蛋白质有关。DNA在在染色体中是缠绕在蛋白质（组蛋白）上的。有些蛋白质，如阻遏蛋白，与特定基因的表达有关。β－半乳糖苷酶基因的表达受到一种阻遏蛋白的抑制，当需要合成β－半乳糖苷酶时经过去阻遏作用才能表达。（10）其他功能某些生物能合成有毒的蛋白质，用以攻击或自卫。白喉毒素可抑制真核生物的蛋白质合成。蛋白质的分类如表4-1,4-2,4-3所示（p158)。(二)蛋白质的形状和大小按蛋白质的形状和溶解度可将蛋白质分为：纤维状蛋白质、球状蛋白质和膜蛋白质。蛋白质的相对分子质量差别很大。（肌联蛋白）(三)蛋白质构象和蛋白质结构的组织层次蛋白质的结构复杂，可分为不同的结构层次：1.一级结构：多肽链的氨基酸序列。2.二级结构：多肽链借助氢键形成的有规则的局部结构，如α螺旋、β折叠等。3.三级结构：球状蛋白质在二级结构基础上，借助次级键形成的相对独立的完整结构。4.四级结构：具有三级结构的组成单位（亚基）之间的聚合方式。(四)蛋白质功能的多样性蛋白质序列的多样性(P160)决定了其功能的多样性。如：20种氨基酸形成的二十肽（每种氨基酸只用1次）可以形成的异构体为：20！=21018又如：相对分子质量为34000的蛋白质含12种氨基酸，假定在肽链的任一位置，12种氨基酸出现的概率相等，则34000/120=28312283=103051.催化：大多数酶是蛋白质。2.调节：如激素和反式作用因子。3.转运：如血红蛋白、血清蛋白、载酯蛋白、膜转运蛋白等。4.贮存：如种子蛋白和卵清蛋白。5.运动：如肌肉、微管蛋白等。6.结构成分：如角蛋白、胶原蛋白等。7.支架作用：如锚定蛋白、连接蛋白等。8.防御和进攻：如抗体、毒蛋白等。9.特殊功能：如甜蛋白、胶质蛋白等。二、肽（一）肽和肽键的结构肽键的C和N均为sp2杂化，有部分双键的性质，相关的6个原子处于共平面，称作肽平面，肽平面内两个Cα多处于反式构型。（二）肽的物理和化学性质肽的等电点计算需先分别判断各解离基团的带电荷情况，再统计净电荷的量（P166表4-6）。肽的化学反应与氨基酸类似，同时，由于肽键的存在,肽可以进行双缩脲反应。NHCOCH2NHCOCHNHCOCH3CHCHOHCH2OHCHHNCNHCHCNHCH2CCOCHNHHOCH2NHNHCHCHCH3CH2CH3COOOOCH2CH2SOOH鹅膏覃碱的化学结构（三）天然存在的活性肽主要有：肽类激素、肽类抗生素和肽类毒素。有关内容将在后续章节介绍。环状八肽，真核生物RNA合成的抑制剂+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-COO-Met-脑啡肽+H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-COO-Leu-脑啡肽CysTyrILeGlnAsnCysProLeuGlyNH2SS牛催产素CysTyrGlnAsnCy