氨基酸

null生 物 化 学苏州大学医学部 刘超 suzhouliuchao@126.com生 物 化 学Biochemistry参考书目参考书目周爱儒:生物化学 (第5、6版)。北京:人民卫生出版社. Berg JM, Tymoczko JL, Stryer L, Clarke ND：Biochemistry (5th ed). WH Freeman & Co. New York, 2002 Nelson DL, Cox MM：Lehninger Principles of Biochemistry，Worth Publishers，New York，2000第一节 蛋白质的基本结构单位—氨基酸 （amino acid）第一节 蛋白质的基本结构单位—氨基酸 （amino acid） 一、蛋白质的水解 二、氨基酸的分类 三、氨基酸的理化性质 四、氨基酸的分析分离（后讲）一、蛋白质的水解一、蛋白质的水解蛋白质和多肽的肽键与一般的酰胺键一样可以被酸碱或蛋白酶催化水解，酸或碱能够将多肽完全水解，酶水解一般是部分水解.null完全水解得到各种氨基酸的混合物，部分水解通常得到多肽片段。 所以，氨基酸是蛋白质的基本结构单元。 大多数的蛋白质都是由20种氨基酸组成。这20种氨基酸被称为基本氨基酸。 nullTable1-1null二、氨基酸的结构及分类null根据来源分：内源氨基酸和外源氨基酸 从营养学角度分：必需氨基酸和非必需氨基酸 Ile Met Val Leu Trp Phe Thr Lys 家 写 两 三 本 书 来 His Arg 根据是否组成蛋白质来分：蛋白质中常见氨基酸、蛋白质中稀有氨基酸和非蛋白氨基酸 1、蛋白质中常见氨基酸的结构 1、蛋白质中常见氨基酸的结构 甘氨酸 Glycine 脂肪族氨基酸氨基乙酸氨基酸的结构氨基酸的结构 脂肪族氨基酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine-氨基丙酸氨基酸的结构氨基酸的结构 甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Valine 脂肪族氨基酸-氨基异戊酸氨基酸的结构氨基酸的结构 甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Valine 亮氨酸 Leucine 脂肪族氨基酸-氨基异己酸氨基酸的结构氨基酸的结构 甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Valine 亮氨酸 Leucine 异亮氨酸 Ileucine 脂肪族氨基酸-氨基--甲基戊酸 氨基酸的结构氨基酸的结构 甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Valine 亮氨酸 Leucine 异亮氨酸 Ileucine 脯氨酸 Proline 亚氨基酸-吡咯烷基--羧酸氨基酸的结构氨基酸的结构 甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Valine 亮氨酸 Leucine 异亮氨酸 Ileucine 脯氨酸 Proline 甲硫氨酸 Methionine 含硫氨基酸 -氨基--甲硫基丁酸氨基酸的结构氨基酸的结构 甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Valine 亮氨酸 Leucine 异亮氨酸 Ileucine 脯氨酸 Proline 甲硫氨酸 Methionine 半胱氨酸 Cysteine 含硫氨基酸氨基酸的结构氨基酸的结构 芳香族氨基酸苯丙氨酸 Phenylalanine  -氨基--苯基丙酸 氨基酸的结构氨基酸的结构 芳香族氨基酸苯丙氨酸 Phenylalanine 酪氨酸 Tyrosine -氨基--对羟苯基丙酸氨基酸的结构氨基酸的结构 芳香族氨基酸苯丙氨酸 Phenylalanine 酪氨酸 Tyrosine 色氨酸 Tryptophan Trp -氨基--吲哚基丙酸氨基酸的结构氨基酸的结构 碱性氨基酸精氨酸 Arginine  -氨基--胍基戊酸氨基酸的结构氨基酸的结构 碱性氨基酸精氨酸 Arginine 赖氨酸 Lysine ，-二氨基己酸氨基酸的结构氨基酸的结构 碱性氨基酸精氨酸 Arginine 赖氨酸 Lysine 组氨酸 Histidine -氨基--咪唑基丙酸 氨基酸的结构氨基酸的结构 天冬氨酸 Aspartate 酸性氨基酸 -氨基丁二酸 氨基酸的结构氨基酸的结构 天冬氨酸 Aspartate 谷氨酸 Glutamate 酸性氨基酸 -氨基戊二酸氨基酸的结构氨基酸的结构 丝氨酸 Serine 含羟基氨基酸 -氨基--羟基丙酸 氨基酸的结构氨基酸的结构 丝氨酸 Serine 苏氨酸 Threonine 含羟基氨基酸 -氨基--羟基丁酸氨基酸的结构氨基酸的结构 天冬酰胺 Asparagine 含酰胺氨基酸氨基酸的结构氨基酸的结构 天冬酰胺 Asparagine 谷酰胺 Glutamine 含酰胺氨基酸 按R基极性分类20种常见氨基酸 按R基极性分类20种常见氨基酸(1)非极性R基团氨基酸：8种—Ala Val Leu Ile Phe Pro Met Trp (2)极性不带电荷R基团氨基酸：7种—Ser Thr Asn Gln Try Cys Gly (3)带负电荷R基团氨基酸：2种—Asp Glu (4)带正电荷R基团氨基酸：3种—Lys Arg His null 丙氨酸（Ala） 缬氨酸（Val） 亮氨酸（Leu） 异亮氨酸（Ile） 脯氨酸（Pro） 苯丙氨酸（Phe） 色氨酸（Trp） 甲硫氨酸（Met） ①非极性R基团氨基酸 （8种）：null 特点：不易溶于水AlaValLeuIleMetPheTrpPronullR基疏水性大小 Ala＜ Met ＜ Pro ＜ Val ＜ Leu＝ Ile ＜ Phe ＜ Trp 这类氨基酸R基的疏水性，在维持蛋白质的三维结构中起着重要作用。nullPro是唯一的一种α-亚氨基酸，它在蛋白质空间结构中具有极重要的作用，一般出现在两段α-螺旋之间的拐角处. null甘氨酸（Gly） 丝氨酸（Ser） 苏氨酸（Thr） 半胱氨酸（Cys） 酪氨酸（Tyr） 天冬酰胺（Asn） 谷氨酰胺（Gln）②极性不带电荷R基团氨基酸（7种）： null特点：侧链含极性基团，在生理条件下不解离， 易溶于水，R侧链能与水形成氢键。GlySerThrCysAsnGlnTyrnullGly是唯一不含手性碳原子的氨基酸，因此不具旋光性。 Cys中R含巯基（-SH），两个Cys的巯基氧化生成二硫键，二硫键在蛋白质的结构中具有重要意义 Cys—s—s—Cys null天冬氨酸（Asp） 谷氨酸（Glu）AspGlu在生理条件下,侧链羧基完全解离，带负电荷。 ③ R基团带负电荷氨基酸： *为酸性氨基酸 味精即为谷氨酸的钠盐null④ R基团带正电荷氨基酸： 赖氨酸（Lys） 精氨酸（Arg） 组氨酸（His） *为碱性氨基酸，在生理条件下，侧链解离，带正电荷 胍基LysArgHis咪唑基null 常见20种蛋白质氨基酸都有对应的遗传密码。 近年发现谷胱甘肽过氧化物酶中存在硒代半胱氨酸，有证据表明此氨基酸由终止密码UGA编码，可能是第21种蛋白质氨基酸。 HSe-CH2-CH-COOH│NH2硒代半胱氨酸2.蛋白质中几种重要的稀有氨基酸2.蛋白质中几种重要的稀有氨基酸在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸，通常称为不常见蛋白质氨基酸。 这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的。 其中重要的有4-羟基脯氨酸、5-羟基赖氨酸、N-甲基赖氨酸、和3,5-二碘酪氨酸等。这些不常见蛋白质氨基酸的结构如下（P15）。 3.非蛋白氨基酸 3.非蛋白氨基酸 广泛存在于各种细胞和组织中，呈游离或结合态，但并不存在蛋白质中的一类氨基酸，大部分也是蛋白质氨基酸的衍生物。 null（1）大多数是L-型α–氨基酸的衍生物 L-瓜氨酸（Cit） 、L-鸟氨酸（Orn） （2）β-、γ-、δ-氨基酸 β-Ala、γ-氨基丁酸结 构 特 点null（3）D-型氨基酸 D-Glu、D-Ala（肽聚糖中） D-Phe（短杆菌肽S） 非蛋白氨基酸存在的意义： 非蛋白氨基酸存在的意义：1.作为细菌细胞壁中肽聚糖的组分：D-Glu D-Ala 2.作为一些重要代谢物的前体或中间体:-丙氨酸（VB3）、鸟氨酸（Orn）、胍氨酸（Cit）(尿素) 3.作为神经传导的化学物质：-氨基丁酸 4.有些氨基酸只作为一种N素的转运和贮藏载体 （刀豆氨酸） 5.杀虫防御作用:如种子中高浓度的刀豆氨酸和5-羟色氨酸能防止毛虫的危害，高精氨酸能抑制细菌的生长。 绝大部分非蛋白氨基酸的功能不清楚。三、 氨基酸的理化性质三、 氨基酸的理化性质 除甘氨酸外，氨基酸含有一个手性-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。 （一）氨基酸的一般物理性质 1.氨基酸的旋光性null旋光性：旋光物质使平面偏振光的偏振面发生旋转的能力。使偏振面向右旋的，称右旋光物质，记为“+”，使偏振面向左旋的，称左旋光物质，记为“-”。 氨基酸的旋光性是由它们的结构决定的。 除甘氨酸外，其它氨基酸的-C原子都与四个不同的原子和基团连接，因而是不对称C原子。 手性中心（chiral center）：当一个C原子有四个不同的取代基同它连接形成一个不对称碳原子时，这个碳原子就是一个不对称中心或称做手性中心。2.氨基酸的光吸收2.氨基酸的光吸收构成蛋白质的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。 在近紫外区(220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力。 酪氨酸的max＝275nm，苯丙氨酸的max＝257nm， 色氨酸的max＝280nm，null3.高熔点 4.一般均溶于水，溶于强酸、强碱；不溶于乙醚。 5.氨基酸一般有味 （二）氨基酸的两性性质和等电点（二）氨基酸的两性性质和等电点1.氨基酸的兼性离子形式(证据) 氨基酸的两个重要性质：氨基酸晶体的熔点高（200C）；氨基酸使水的介电常数增高。 H H3N+-C-COO- R兼性离子:指在同一氨基酸分子上含有正负两种电荷. 晶格中质点间的作用力是强大的异性电荷之间的作用，比分子晶格质点间的范德华力大的多。水在20C时介电常数是80，而1mol的氨基酸介电常数为102-108，已知极性分子的介电常数大，所以氨基酸在水中是强极性分子。 2、氨基酸的两性解离性质及等电点 2、氨基酸的两性解离性质及等电点 pH = pI 净电荷=0 pH< pI 净电荷为正pH > pI 净电荷为负(K´1)(K´2)当外液pH为某一pH值时，氨基酸分子中所含的-NH3+和-COO-数目正好相等，净电荷为0。这一pH值即为氨基酸的等电点，简称pI。在等电点时，氨基酸既不向正极也不向负极移动，即氨基酸处于两性离子状态。在不同的pH条件下，两性离子的状态也随之发生变化null 在反应中它可以提供质子，起酸的作用： N+H3 NH2 R C COO- R C COO- + H+ H H 也可以接受质子，起碱的作用： N+H3 N+H3 R C COO- + H+ R C COOH H H 因此氨基酸是两性电解质。 +OH-null阳离子（A+） 兼性离子（A0）兼性离子（A0） 阴离子（A-）甘氨酸的解离：null当Gly处于pI时，[Ala+]=[Ala-][Gly +][H+][Gly +] K2 K1[H+]=--[H+]2=K1 K2 pI=(pK1+ pK2)/2甘氨酸 pI=(2.34+9.60) /2=5.97 侧链不含解离基团的中性氨基酸，其等电点是它的pK′1和pK′2的算术平均值甘氨酸的滴定曲线：甘氨酸的滴定曲线：氨基酸的解离常数可以用测定滴定曲线的实验方法求得。当1mol的甘氨酸溶于水时，溶液的pH约为6，此时甘氨酸为兼性离子状态A0 。 若用标准NaOH滴定，已加入的NaOH摩尔数对pH作图，得滴定曲线B,在pH9.60处有一拐点（滴定中点)。A0 ABA+ A0 A-nullA0作为酸，由N+H3提供质子，逐渐变为A-,滴定中点时有一半A0变为A-,即 [A0]=[A-]， 则 K 2 = [H+] pK2=pH(拐点处） pK2就是A0 的NH3+ 50%解离时溶液的pH值，K2就是此时溶液的[H+] A-A0 [A0]=[A-]A+ABA+ A0 A-null若用HCl滴定，得滴定曲线A，在pH2.34 处有一拐点，拐点处pH即为pK1。 R基不解离的氨基酸都有类似甘氨酸的滴定曲线。 [A0]=[A+]A0 A+ABA+ A0 A-[A0]=[A-]null带有可解离R基的氨基酸，相当于三元酸，有3个pKpＩnullpＩnull氨基酸有时被用作缓冲剂，缓冲剂是当加入酸或碱时具有抗pH改变的溶液，缓冲剂起作用的pH范围称为缓冲范围，通常定义为pK+1至pK-1。 生理pH条件下那些氨基酸具有缓冲作用？ 20种基本氨基酸中只有组氨酸的咪唑基的pK最接近生理pH值（游离氨基酸中为6.00，在多肽链中为7.35 ） ，是在生理pH条件下唯一具有缓冲能力的氨基酸。（血红蛋白）nullnull 赖氨酸： H+ OH- COOH COO- COO- COO- K’1 K’2 K’R H3N+ C H H3N+ C H H2N C H H2N C H 2.18 8.95 10.53 ( CH2 )4 ( CH2 )4 ( CH2)4 ( CH2)4 N+H3 N+H3 N+H3 NH2 Lys++ Lys++- Lys+- Lys- pI=(pK2+pKR) /2=(8.95+10.53)=9.74 氨基酸等电点的计算 氨基酸等电点的计算氨基酸的pI值等于该氨基酸的两性离子状态两侧的基团pK′值之和的二分之一。 小 结 小 结1.当外液pH为某一pH值时，氨基酸分子中所含的-NH3+和-COO-数目正好相等，净电荷为0。这一pH值即为氨基酸的等电点，简称pI。 2.某氨基酸的等电点即为该氨基酸两性离子两边的pK值和的一半。 3.在氨基酸等电点以上任何pH，AA带净的负电荷，在电场中向阳极移动；在氨基酸等电点以下任何pH，AA带净的正电荷，在电场中向阴极移动。 4.在一定pH范围中，溶液的pH离AA等电点愈远，AA带净电荷愈多。 作 业 作 业根据各氨基酸相应的pK值，分析Gly、Glu、His在pH 3.0、7.0、13.0时占优势的离子形式 pH = pK时，[碱] = [酸]（50%解离） pH > pK时，[碱] > [酸]（＞50%解离） pH < pK时， [酸] > [碱]（＜50%解离） 提示已知Pk，可计算在任意pH 下的离子比例null （三）氨基酸的重要化学反应1、氨基酸与茚三酮反应 α-氨基和α-羧基共同参与的反应1、氨基酸与茚三酮反应 α-氨基和α-羧基共同参与的反应用途：常用于氨基酸的定性或定量分析。null脯氨酸与茚三酮反应的产物：N+黄色化合物（ λmax=440nm）2、氨基酸与2,4一二硝基氟苯(DNFB)的反应 （sanger反应）2、氨基酸与2,4一二硝基氟苯(DNFB)的反应 （sanger反应）DNFB（dinitrofiuorobenzene）++ HF氨基酸用途：可以用来鉴定多肽或蛋白质NH2末端氨基酸.nullDNFB+ 多肽 蛋白弱碱DNP-多肽 DNP-蛋白+ HF酸解DNP-AA（有机相） + 游离AA（水相）sanger反应鉴定多肽或蛋白质NH2末端氨基酸.null 3 成肽反应用途：是多肽和蛋白质生物合成的基本反应。4、氨基酸与苯异硫氰酸酯（PITC）的反应 （Edman反应）4、氨基酸与苯异硫氰酸酯（PITC）的反应 （Edman反应）PITC（phenylisothiocyanate）+用途：可以用来鉴定多肽或蛋白质NH2末端氨基酸.null 弱碱PITC+ 多肽 蛋白 PTC—多肽 蛋白无水甲酸 或HFPTH-AA + 少一个AA的多肽或蛋白（乙酸乙酯）Edman反应鉴定多肽或蛋白质NH2末端氨基酸.应用：多肽顺序自动分析仪null 5、与丹磺酰氯反应null DNS +用途：可以用来鉴定多肽或蛋白质NH2末端氨基酸. AA 多肽 蛋白 弱碱DNS-AA 多肽 蛋白 酸DNS-AA +游离AA（乙醚抽提，有荧光）null6．侧链基团的化学性质6．侧链基团的化学性质(1) 巯基（-SH）的性质作用：这些反应可用于巯基的保护。6．侧链基团的化学性质6．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对羟汞苯甲酸6．侧链基团的化学性质6．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打开。胱氨酸6．侧链基团的化学性质6．侧链基团的化学性质（2）羟基的性质 作用：可用于修饰蛋白质。6．侧链基团的化学性质6．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：判断酶的活性中心null 蛋白质的化学修饰：是指在较温和的条件下，以可控制的方式使蛋白质与某种试剂（称化学修饰剂）起特异反应，以引起蛋白质中个别氨基酸侧链或功能团发生共价化学改变。 小 结 小 结AA的结构通式 AA的分类 AA的理化性质 一般物理性质 AA的两性解离(等电点及其计算) AA的化学反应（蛋白质的化学修饰）鉴定多肽或蛋白质NH2末端氨基酸鉴定多肽或蛋白质NH2末端氨基酸Sanger反应 与丹磺酰氯的反应 Edman反应 DNP-AA（有机相） + 游离AA（水相） PTH-AA+ 少一个AA的多肽或蛋白 （乙酸乙酯）DNS-AA（荧光） +游离AA