蛋白質(zhì)化學(xué)總論和氨基酸

1、蛋白質(zhì)化學(xué)Protein Chemistry,Fireflies: luciferin+ATP,Erythrocytes: hemoglobin,Hair, scales, horn: keratin,蛋白質(zhì)概論,什么是蛋白質(zhì),蛋白質(zhì)（Protein）是由多種(20種）氨基酸，按照一定的順序，通過肽鍵連接形成的一條或多條肽鏈組成的生物大分子。蛋白質(zhì)是生命活動的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，沒有蛋白質(zhì)就沒有生命。,蛋白質(zhì)的形式及功能多樣,蛋白質(zhì)是最豐

2、富的生物大分子，存在于所有的細(xì)胞及細(xì)胞的所有部分。一個簡單的細(xì)胞中，蛋白質(zhì)的差異極大、種類有成千上萬種、分子量從小肽到數(shù)百萬的巨大分子。蛋白質(zhì)的生物功能還表現(xiàn)出極大的多樣性，是生物信息最重要的終產(chǎn)物，是遺傳信息表達(dá)的元件。 Protein一詞來自希臘文“Proteios”，指“first”或“foremost”，意即“頭等重要”、“第一位的”、“最重要的”。,從低等的古細(xì)菌到復(fù)雜的生命體，蛋白質(zhì)都是由相同的20種氨基酸共價連接而成的分

3、子。細(xì)胞能夠通過不同的組合和順序，用20種氨基酸合成性質(zhì)和功能截然不同的蛋白質(zhì)，如酶、激素、抗體、運(yùn)載體、肌肉、眼睛的晶狀體蛋白質(zhì)、羽毛、蜘蛛網(wǎng)、犀牛角、乳蛋白、抗生素、蘑菇毒素及各種不同的生物活性的蛋白質(zhì)。,18世紀(jì)中葉Beccari首次報道應(yīng)用稀酸、稀堿可從動植物組織中分離到含氮類物質(zhì)。1838年荷蘭化學(xué)家Mulder進(jìn)行元素分析發(fā)現(xiàn)幾乎所有的蛋白質(zhì)都有相同的實(shí)驗(yàn)公式。用“蛋白質(zhì)”這一名詞來描述這類分子是由Mulder的合作者永斯&

4、#183;貝采利烏斯于1838年提出 。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、種類繁多、功能各異，是生物體內(nèi)構(gòu)建生命、行使生命活動的最主要的功能分子,在幾乎所有的生命活動中起著關(guān)鍵的作用。如果說基因是生命的指導(dǎo)者和生命藍(lán)圖的構(gòu)建者，蛋白質(zhì)就是組成生命的主要材料，是生命的實(shí)踐者和執(zhí)行者。蛋白質(zhì)將生物體的遺傳信息表達(dá)成生物的性狀，指導(dǎo)生命活動，控制生物的代謝、生長、發(fā)育及繁殖。,蛋白質(zhì)化學(xué)研究史 I,1838年 Mulder研究了血清、蛋清、蠶絲等物質(zhì)的

5、元素組成后, 發(fā)現(xiàn)了組成生物體的復(fù)雜含氮物。19世紀(jì)末 從蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物分離得到了13種氨基酸。1902年 Fischer, Hofmeister同時提出肽鍵理論。1924年 Svedberg 發(fā)明超速離心機(jī)（100000 rpm, 700000 g）1930年代 Bergmann合成出只含L型氨基酸的多肽。1950年 Pauling提出蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)的基本單位：α-螺旋和β-折疊。1953年 Sanger

6、確定了牛胰島素的一級結(jié)構(gòu)。,蛋白質(zhì)化學(xué)研究史 II,1958年 Perutz & Kendrew用X光衍射法確定了肌紅蛋白的立體結(jié)構(gòu)。1961年 Anfinsen證明蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定其高級結(jié)構(gòu)。1980年代 蛋白質(zhì)工程的興起。1994年 Williams和Wilkins首次提出Proteome (Protein + genome)1997年 第一屆國際蛋白質(zhì)組學(xué)會議，確定蛋白質(zhì)組學(xué)（Proteomic

7、s)的興起。1999年 蛋白質(zhì)芯片技術(shù)出現(xiàn)。,I. 按理化性質(zhì)分: (英國Physiological Society, 1907)1. 單純蛋白 (simple protein)1). Albumin (白/清蛋白） 溶于水、鹽、酸、堿溶液, 加熱凝固 (血清)2). Globulin (球蛋白） 溶于鹽、酸、堿溶液, 加熱凝固 (血清)3). Glutelin (谷蛋白）

8、 溶于酸、堿溶液 (谷種，不溶于水和稀鹽)4). Prolamine (醇溶谷蛋白）溶于70-90%酒精、酸、堿溶液 (谷種)5). Scleroprotein (硬蛋白） 不溶 (毛、發(fā)、爪、皮膚)6). Histone (組蛋白） 溶于水、酸溶液 (細(xì)胞核)7). Protamine （魚精蛋白） 溶于水、酸溶液 (精子)2. 復(fù)合蛋白 (conjugated protein)

9、 1). Nucleoprotein (核蛋白） 含戊糖或脫氧戊糖 (細(xì)胞核)2). Phosphoprotein (磷蛋白）含有磷酸 (以酯的形式) (動物細(xì)胞、體液)3). Lipoprotein (脂蛋白) 含脂質(zhì) (動植物細(xì)胞)4). Chromoprotein (色蛋白） 含帶Fe、Cu等的有機(jī)色素 (動植物細(xì)胞)5). Glycoprotein (糖蛋白） 含糖及其

10、衍生物 (動植物細(xì)胞),蛋白質(zhì)的經(jīng)典分類法,蛋白質(zhì)的經(jīng)典分類法（續(xù)）,3. 衍生蛋白質(zhì) (derived protein) i). Primary protein derivatives 天然蛋白質(zhì)經(jīng)少量變性后的產(chǎn)物1). Gelatin (明膠） 膠原蛋白(collagen)加酸水解產(chǎn)物2). Protean 水溶性蛋白質(zhì)經(jīng)水、酶、稀酸作用而不溶化3). Metaprotein (變性蛋白

11、質(zhì)） 經(jīng)稀酸、稀堿變性后的蛋白質(zhì)4). Coagulated protein (凝固蛋白質(zhì)） 機(jī)械攪拌, 加酒精后形成的不溶物ii). Secondary protein derivatives 進(jìn)一步分解后的變性蛋白質(zhì)1). primary proteose (初生蛋白胅）溶于水, 加熱不凝固, 易鹽析2). secondary proteose 溶于水, 加熱不凝固, 難

12、鹽析3). peptone (蛋白胨） 溶于水, 加熱不凝固, 不能鹽析4). peptide 氨基酸的組成和序列一定的小分子,1. 酶類, 占細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)種類的絕大部分2. 運(yùn)輸?shù)鞍? 如albumin, hemoglobin, transferrin等3. 收縮運(yùn)動蛋白,

13、 如actin, myosin, tubulin等4. 激素蛋白, 如insulin, growth hormone等5. 細(xì)胞因子(cytokinin), 如EGF, PDGF, IL-2等6. 受體蛋白, 如insulin receptor, rhodopsin等7. 毒素蛋白, 如cholera toxin, ricin, pertussis等 8. 營養(yǎng)貯藏

14、蛋白, 如protamine, glutelin等9. 防御蛋白, 如IgG等10.結(jié)構(gòu)蛋白, 如keratin, collagen等,按功能的蛋白質(zhì)分類法,對蛋白質(zhì)化學(xué)有突出貢獻(xiàn)的Nobel獎獲得者,1902年 H. E. Fischer (德，化) 肽鍵理

15、論，多肽合成1910年 A.Kossel (德，醫(yī)) 組氨酸、組蛋白的發(fā)現(xiàn)，堿基的發(fā)現(xiàn)1915年 W.H.Bragg/W.L.Bragg (德，物） 用X射線測定晶體物質(zhì)結(jié)構(gòu)1926年 T.Svedberg (瑞，化) 用超離心手段決定蛋白質(zhì)的分子量1946年 J.B.Summer (美，化)

16、 蛋白質(zhì)酶的結(jié)晶，證明酶的本質(zhì)為蛋白質(zhì) 1948年 A.W.K.Tiselius (瑞，化) 電泳裝置的開發(fā)，血清蛋白的研究1952年 A.J.P.Martin/R.L.M.Synge (英，化〕分配層析發(fā)明，氨基酸的分離1954年 L.Pauling (美，化) 蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)，抗原抗體反應(yīng)理論195

17、8年 F.Sanger (英，化) 胰島素一級結(jié)構(gòu)的測定1962年 M.F.Perutz/J.C.Kendrew (英，化) X射線確定蛋白質(zhì)的立體結(jié)構(gòu)1972年 G.M.Edelman/R.R.Porter (美，醫(yī)〕抗體的化學(xué)構(gòu)造與功能的解明1972年 W.H.Stein/S.More (美，化) RNase的一級結(jié)構(gòu)和活性中

18、心的解明1972年 C.B.Anfinsen (美，化) 蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定其立體結(jié)構(gòu)1998年 S.B.Prusiner (美，醫(yī)) Prion:蛋白立體結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致疾病,蛋白質(zhì)的化學(xué)組成,碳(C) 50%-55%,元素組成,氫(H) 6%-7%,氧(O) 19%-24%,氮(N)

19、 13%-19%,硫(S) 0%-4%,有些含P、I，少量的還含有Fe、Cu、Zn、Mn、Co、Mo等,各種蛋白質(zhì)的含氮量很接近，平均為16%。由于體內(nèi)組織的主要含氮物是蛋白質(zhì)，因此，只要測定生物樣品中的氮含量，就可以按下式推算出蛋白質(zhì)大致含量。 每克樣品中含氮克數(shù)×6.25×100=100克樣品中蛋白質(zhì)含量(克%),N：平均16%,蛋白質(zhì)系數(shù),不同的蛋白質(zhì)其氨基酸構(gòu)成比例及方式不同，故各種不同的

20、蛋白質(zhì)其含氮量也不同，一般蛋白質(zhì)含氮量為16%，即一份氮素相當(dāng)于6.25份蛋白質(zhì)，此數(shù)值（6.25）稱為蛋白質(zhì)系數(shù)。蛋白質(zhì)含量=N含量?6.25.不同種類食品的蛋白質(zhì)系數(shù)有所不同，如玉米，蕎麥，青豆，雞蛋等為6.25，花生為5.46，大米為5.95，大豆及其制品為5.71，小麥粉為5.70，牛乳及其制品為6.38。,三聚氰胺（英文名Melamine），是一種三嗪類含氮雜環(huán)有機(jī)化合物，重要的氮雜環(huán)有機(jī)化工原料。簡稱三胺，又叫2 ,4 ,

21、6- 三氨基-1,3,5-三嗪、蜜胺、氰尿酰胺、三聚氰酰胺，分子式C3N6H6、C3N3(NH2)3，分子量126.12，含氮量66.7%。,氨基酸化學(xué),氨基酸是蛋白質(zhì)的基本組成材料,蛋白質(zhì)用強(qiáng)酸、強(qiáng)堿處理后，可以得到各種各樣的氨基酸。在動植物組織中可以分離得到26-30種不同的氨基酸。第一個氨基酸早在兩個世紀(jì)前就已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)，而最后一個氨基酸在1935年才發(fā)現(xiàn)。直到1965年才搞清楚，只有20種氨基酸才是生命體中合成蛋白質(zhì)的原材料（稱為

22、一級氨基酸， Primary amino acid）。 # 最近的報道又多了“兩種”一級氨基酸,天冬酰氨 1806 Robiquet &Vauquelin 天門冬屬植物液甘氨酸 1820 Braconnot 明膠水解物亮氨酸 1820 Braconnot 羊毛、肌肉酪氨酸 1849 Bopp

23、 奶酪絲氨酸 1865 Cramer 蠶絲谷氨酸 1866 Ritthausen 面筋天冬氨酸 1868 Ritthausen 蠶豆苯丙氨酸 1881 Schultze 羽扇豆芽丙氨酸 1881

24、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

25、 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

26、蘇氨酸 1935 McCoy et al 奶酪,20種氨基酸的發(fā)現(xiàn)年代表,氨基酸的名稱及三字、單字符號,Alanine丙氨酸AlaAArginine 精氨酸 ArgRAsparagine天冬酰胺Asn/Asx NAspartic acid天冬氨酸Asp/Asx DCysteine半胱氨

27、酸CysCGlutamine谷氨酰胺Gln/Glx QGlutamic acid谷氨酸Glu/Glx EGlycine甘氨酸GlyGHistidine 組氨酸His HIsoleucine異亮氨酸IleILeucine亮氨酸LeuLLysine

28、賴氨酸LysKMethionine甲硫氨酸MetMPhenylalanine苯丙氨酸PheFProline脯氨酸ProPSerine絲氨酸SerSThreonine蘇氨酸ThrTTryptophan色氨酸TrpWTyrosine 酪氨酸TyrYValine纈氨酸ValV,要求： 能熟背,,不用的字母,JUZBOX,一級氨基酸

29、的結(jié)構(gòu)及旋光性,L-氨基酸的基本結(jié)構(gòu),,C,,,,,H,H2N,COOH,R,α碳原子,不對稱碳原子,,側(cè)鏈,,二十種氨基酸除Gly外全是L-型。 Pro呢？,殘基：肽鏈中，氨基酸之間縮合時都脫去一個水分子，脫水后的殘余部分叫殘基（residue), 因此蛋白質(zhì)肽鏈中的氨基酸統(tǒng)統(tǒng)是殘基形式。,Chiral carbon,氨基酸可以通過R基團(tuán)分類,標(biāo)準(zhǔn)氨基酸的化學(xué)特性對于理解它們的生物化學(xué)是關(guān)鍵的，依據(jù)側(cè)鏈R基團(tuán)的特性，可以將氨基酸分成5

30、類以簡單化，特別是在生理pH條件下（pH 7.0附近），它們的極性或與水發(fā)生作用的趨勢。氨基酸側(cè)鏈的極性差異極大，從完全非極性或疏水性（水不溶性）到高極性或親水性（水溶性）。,二十種一級氨基酸的結(jié)構(gòu),?,,非極性（脂肪族）R側(cè)鏈，Ala、Val、Leu及Ile的側(cè)鏈在蛋白質(zhì)分子中易于聚攏在一起，通過疏水作用穩(wěn)定蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。Gly是最簡單的氨基酸，雖然疏水，但最小的側(cè)鏈對于疏水作用沒有貢獻(xiàn)。Met的側(cè)鏈有硫酯基團(tuán)。,,,,—— 分支氨

31、基酸,芳香族氨基酸，具有芳香環(huán)側(cè)鏈，相對非極性，都能參與疏水作用，Tyr的羥基能夠形成氫鍵，是一些酶的重要的功能基團(tuán)。Tyr和Trp比Phe是明顯更加極性的氨基酸（羥基及吲哚環(huán)上的N）。,芳香氨基酸的紫外吸收曲線比較:pH 6.0時Trp和Tyr的紫外吸收光譜，相同條件下，等摩爾數(shù)（10-3 M）的Trp的光吸收是Tyr的4倍，兩者最大光吸收的波長在280 nm附近。第三個紫外光吸收的氨基酸-Phe，對蛋白質(zhì)光吸收的貢獻(xiàn)很?。ㄎ达@示）

32、。,?,極性不帶電的R基團(tuán)，與非極性氨基酸相比，這些氨基酸的R基團(tuán)在水中溶解度較大或更加親水，它們的側(cè)鏈基團(tuán)可以與水形成氫鍵。Asn和Gln是蛋白質(zhì)中的兩個酰胺氨基酸，易于被酸或堿水解。Cys的巰基易氧化形成二硫鍵，對蛋白質(zhì)高級結(jié)構(gòu)的形成重要。,植物常受到逆境條件的危害，其中由干旱和鹽漬引起的滲透脅迫對植物的生長和產(chǎn)量影響最大。但植物通過長期的進(jìn)化已形成了許多機(jī)制抵抗外界的逆境條件。在滲透脅迫下，植物可通過積累一定量的溶質(zhì)降低水勢，維持

33、植物體內(nèi)的水分平衡，保證植物的正常生長。這類物質(zhì)包括一系列的含氮化合物(如脯氨酸、多胺等)，分布最廣的是脯氨酸(Pro)。Pro主要以游離狀態(tài)廣泛存在于植物中，它是水溶性最大的氨基酸（1620 mg/ml），具有較強(qiáng)的水合能力。在植物細(xì)胞生理干旱時，它的增加有助于細(xì)胞或組織持水。植物中游離脯氨酸含量(干重)甚微(0.2-0.69 mg/g)，約占游離氨基酸總量的百分之幾，但受到干旱、鹽漬等滲透脅迫時，脯氨酸會大量積累，其含量甚至高達(dá)百倍

34、以上。所有的植物在鹽漬條件下會發(fā)生游離Pro的積累。如以桿裂絲藻為材料的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)培養(yǎng)基鹽度從0提高到40%時，Pro以外的其余15種氨基酸總量從95 mM上升到120 mM，而Pro則由2 mM增加到278 mM。,常見氨基酸的溶解度,,半胱氨酸Cysteine和胱氨酸Cystine,二硫鍵Disulfide bond,,帶正電荷的三個堿性氨基酸，最為親水的R基團(tuán)，pH 7.0時帶正電荷，側(cè)鏈上有第二個氨基，Arg有帶正電的胍基，

35、His有可帶電的咪唑基（唯一），在許多酶促反應(yīng)中作為質(zhì)子供體/受體。,?-氨基,胍基,咪唑基,,親水指數(shù),,,,,,,,L型和D型的由來 甘油醛的旋光性,,左旋甘油醛的構(gòu)型,右旋甘油醛的構(gòu)型,按原子排列次序法確定了L型和D型氨基酸，但現(xiàn)在L和D已經(jīng)不代表氨基酸的旋光性，只代表氨基酸的絕對構(gòu)型。,,現(xiàn)在為了正確表示左旋和右旋，采用（＋）和（－）的符號，（＋）代表右旋，（－）代表左旋。從右旋的D型甘油醛出發(fā)，可以合成出左旋的D型乳酸。從這

36、點(diǎn)我們也可以看出物質(zhì)的旋光性與手性原子上的構(gòu)型沒有確定的關(guān)系。,,右旋D型甘油醛,左旋D型乳酸,L型氨基酸 與 D型氨基酸,,,,,L- amino acid,D- amino acid,,旋光性I,旋光性II,“黃氏”判斷法 （看CAR的走向）,將H原子靠近自己，觀察CAR的走向，逆時針（左轉(zhuǎn)）為L型，順時針（右轉(zhuǎn)）為D型。 D：dextro (右) C：carboxyl gr

37、oup L： levo (左) A：amino group R：residue,,,,,,,,,,,C,C,A,R,R,A,,,L型,D型,拉丁語中,蘇氨酸 Thr 有四種異構(gòu)體,L-別蘇氨酸,其他氨基酸的結(jié)構(gòu),出現(xiàn)在蛋白質(zhì)上的氨基酸修飾,,4-Hyd

38、roxyproline 在膠原蛋白上5-Hydroxylysine, 6-N-methyllysine, desmosine 在結(jié)締組織中Phospho-Ser, -Thr, -Tyr 信號轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白 γ-Carboxyglutamic acid 凝血酶中Pyroglutamic acid 神經(jīng)肽的N端均為氨基酸參入肽鏈后經(jīng)修飾而來!,蛋白質(zhì)中的氨基酸修飾-羥基化,從

39、各種生物分離到的氨基酸已達(dá)250種以上,大量出現(xiàn)在膠原蛋白,結(jié)締組織,,,4-羥脯氨酸,5-羥賴氨酸,結(jié)締組織,蛋白質(zhì)中的氨基酸修飾-甲基化,,鎖鏈素，吡啶環(huán)由4個Lys分子的側(cè)鏈組成，存在于彈性蛋白（elastin）中,蛋白質(zhì)上的氨基酸修飾,凝血酶,信號傳導(dǎo),,,γ-羧基谷氨酸,O-磷酸絲氨酸,游離型氨基酸衍生物,,Pyroglutamic acid (焦谷氨酸), 神經(jīng)肽的N端多數(shù)為焦谷氨酸,能夠增加細(xì)胞合成乙酰膽堿、增加乙酰膽堿

40、受體的數(shù)量、加強(qiáng)大腦左右半球之間的信息交流，幫助提高記憶力和頭腦敏銳度。,游離型氨基酸衍生物,,21號和22號primary amino acid ？？？ Ornithine（鳥氨酸）、Citrulline（瓜氨酸） 5’-Hydroxytryptamine（5-羥色胺） Homoamino acids（同型氨基酸） 3,4-Dihydroxyphenylalanine (DOPA)（多巴）γ-Aminobutyric aci

41、d (GABA) Mono, di, tri-iodotyrosine; thyroxineβ - Alanine,……etc,SeC（selenocysteine，硒半胱氨酸）第21個一級氨基酸?,,,遺傳密碼字典的破譯，通用性作為遺傳密碼的基本特點(diǎn)之一被人們認(rèn)可。近年來研究發(fā)現(xiàn)了一些例外，除線粒體使用一組密碼子其含義有別于核基因之外，原先被認(rèn)為僅用作終止信號的無義密碼子在某些情況下可重新詮釋，編碼特定的氨基酸。硒代半胱氨酸就

42、是由UGA無義編碼。,第21個基本氨基酸（E.coli）--硒代半胱氨酸密碼子為UGA，有特殊的 tRNA-Ser與其識別，Ser結(jié)合入肽鏈，則立即修飾為硒代半胱氨酸,是目前已知的第22種參與蛋白質(zhì)生物合成的氨基酸，與標(biāo)準(zhǔn)氨基酸不同的是，由終止密碼子UAG的有義編碼形成。與之對應(yīng)的在產(chǎn)甲烷菌中也含有特異的吡咯賴氨酰-tRNA合成酶(PylRS)和吡咯賴氨酸t(yī)RNA (tRNAPyl)，tRNAPyl具有不同于經(jīng)典tRNA的特殊結(jié)構(gòu)。,H

43、ao, B., et al. A novel UAG encoded residue in the structure of a methanogen methyltransferase. Science 296: 1462-1466, 2002.,PyL (Pyrrolysine，吡咯賴氨酸) - 第22個一級氨基酸?,游離型氨基酸衍生物-參與尿素循環(huán),瓜氨酸(存在于尿素循環(huán),從西瓜汁分離到)，與Asp作用生成精胺琥珀酸，再

44、轉(zhuǎn)變?yōu)锳rg而裂解生成尿素,鳥氨酸 (存在于尿素循環(huán)，與氨甲酰磷酸合成瓜氨酸),游離型氨基酸衍生物-5-羥色胺,,5-hydroxytryptamine （5-HT, 5-羥色胺 ）,,HO,“The taste of love” 是松果體素 ( 褪黑素, melatonin，5-甲氧基-N-乙酰色胺 ) 和 血清素(serotonin) 的前體。,,,,,,5-HT作為神經(jīng)遞質(zhì)，主要分布于松果體和下丘腦，可能參與痛覺、睡眠和體溫等

45、生理功能的調(diào)節(jié)。,色氨酸,H,HO,,5-羥色胺,松果體素（褪黑素，5-甲氧基-N-乙酰色胺）,,,游離型氨基酸衍生物-同型氨基酸,比“通?！钡陌被岫嘁粋€亞甲基，如：Homoserine 微生物、植物的代謝中間產(chǎn)物 HomocysteineHomocitrulline 攝取高Lys含量的食物時從尿中排出Homomethionine*,Met的分解產(chǎn)物，存在于S-adenosylhomo-cysteine.,,Homoc

46、ysteine,,Methionine,游離型氨基酸衍生物-酪氨酸代謝物,兒茶酚乙胺,游離型氨基酸衍生物-谷氨酸衍生物,鎮(zhèn)靜神經(jīng)，抗焦慮降低血壓，提高腦活力等,游離型氨基酸衍生物-甲狀腺素,氨基酸的理化性質(zhì),無色晶體，熔點(diǎn)較高（200～300℃） ，水中溶解度各不同，取決于側(cè)鏈。在紫外有特征吸收的僅三個芳香族的氨基酸Trp、Tyr、Phe, 利用這一特點(diǎn)，可以通過測定280 nm處的紫外吸收值的方法對蛋白質(zhì)溶液進(jìn)行定量。,氨基酸的理

47、化性質(zhì) 一般物理性質(zhì),氨基酸的光吸收,構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種氨基酸在可見光區(qū)都沒有光吸收，但在遠(yuǎn)紫外區(qū)(<220nm)均有光吸收。在近紫外區(qū)(220-300nm)只有色氨酸、酪氨酸和苯丙氨酸有吸收光的能力?？梢酝ㄟ^測定280 nm 處的紫外吸收值的方法對蛋白溶液進(jìn)行定量。 Phe（F）?max＝257 nm，?257=2.0x102Tyr（Y）?max＝275 nm，?275=1.4x103Trp（W）?max＝280 n

48、m，?280=5.6x103,Spectroscopy of amino acids,Only the aromatic amino acids absorb light in the UV region,紫外光吸收的測定裝置,Lambert-Beer law: A = log Io/I = ?clA: absorbanceIo: intensity of the incident lightI: intensity of th

49、e transmitted light?: molar extinction coefficient（摩爾消光系數(shù)）,( parallel and monochromatic ),氨基酸的兩性解離、等電點(diǎn)及計算,同一個氨基酸分子上可以同時解離攜帶正電荷和負(fù)電荷，被稱為兩性電解質(zhì)（ampholyte）。在水溶液中，氨基和羧基在不同的pH條件下表現(xiàn)出不同的解離狀態(tài)；當(dāng)氨基酸分子上的電荷總量為零時（凈電荷為零），該溶液的pH稱為該物質(zhì)的等

50、電點(diǎn)（isoelectric point)，以符號pI 來表示。,氨基酸的理化性質(zhì)-兩性電解質(zhì),,氨基酸的兩性離子,兩性離子也稱兩極離子（dipolar ion）,兩性電解質(zhì)（ampholyte）,等電點(diǎn) (isoelectric point, pI),氨基酸、多肽等兩（兼）性電解質(zhì)[ampholyte]在溶液中所攜帶的凈電荷 [net electric charge]為零時的溶液的pH值。因此也叫isoelectric pH.,比較常

51、見的錯誤說法,氨基酸溶液的凈電荷為零；物質(zhì)所帶凈電荷為零時溶液的pH值；氨基酸的凈電荷為零時的pH值；氨基酸分子達(dá)到中性時溶液的pH值；當(dāng)氨基酸、蛋白質(zhì)以離子存在時，環(huán) 境的pH值；,解離基團(tuán)的pK值受到鄰近基團(tuán)的影響,,,,,氨基酸的酸堿滴定曲線,1 mol Gly溶于水時，溶液的pH約為6，用標(biāo)準(zhǔn)NaOH進(jìn)行滴定的滴定曲線。,Multiple Titration

52、Curves,氨基酸的堿滴定及解離反應(yīng)方程,K1=[+H3NCH2COO-] [H+]/ [+H3NCH2COOH] K2=[H2NCH2COO-] [H+]/ [+H3NCH2COO－],氨基酸等電點(diǎn)及解離百分?jǐn)?shù)的計算,公式：pH=pK+lg ([質(zhì)子受體]/[質(zhì)子供體])，可定量計算氨基酸在某一pH條件下的解離百分?jǐn)?shù)。氨基酸等電點(diǎn)pI值是由兼性離子兩側(cè)基團(tuán)的pK值所決定的。 eg: Gly K1=[

53、+H3NCH2COO-] [H+]/ [+H3NCH2COOH] K2=[H2NCH2COO-] [H+]/ [+H3NCH2COO－] pH=pI時， +H3NCH2COOH＝ H2NCH2COO－ K1K2 = [H+]2 2pH= pK1 + pK2 pH=( pK1 + pK2) /

54、 2 pI= ( pK1 + pK2) / 2 同理對含三個可解離基團(tuán)的氨基酸來說，只要寫出它的電離式，然后取兼性離子兩邊的pK值的平均值，即得其pI值。,氨基酸等電點(diǎn)的計算,,側(cè)鏈不含離解基團(tuán)的中性氨基酸，其等電點(diǎn)是它的pK1和pK2的算術(shù)平均值： pI = (pK1 + pK2 )/2,pHpI, 帶負(fù)電。,同樣，對于側(cè)鏈含有可解離基團(tuán)的氨基酸，其pI值也決定于兩性離子兩邊的pK值的算術(shù)平均值。

55、 酸性氨基酸： pI = (pK1 + pKR-COO- )/2,堿性氨基酸： pI = (pK2 + pKR-NH2 )/2,二十種基本氨基酸，除His外，在生理pH（pH 7附近）下都沒有明顯的緩沖容量，因?yàn)檫@些氨基酸的表觀解離常數(shù)都不在pH 7附近，緩沖容量只有在接近表觀解離常數(shù)值時才表現(xiàn)出來。His咪唑基的解離常數(shù)為6.0，在pH 7附近有明顯的緩沖作用。血紅蛋白含有較多的His殘基，在pH 7左右的血液中具有

56、明顯的緩沖能力，對運(yùn)輸氧和二氧化碳重要。,肽及蛋白質(zhì)的等電點(diǎn)計算,計算KK和KKK的等電點(diǎn)，已知pKa=2.18，pKb=8.95，pKλε=10.53。,KK (3+) → KK (3+, -) → KK（2+，-） → KK(1-) 2.18 8.95 10.53KKK (4+) → KKK（4+，-） → KKK(3+,

57、-) →KKK（1-） 2.18 8.95 10.53 等電點(diǎn)時， K的 ε的電荷為+1,pIkk= 10.53 + log1/1 = 10.53 pIkkk= 10.53 + log2/1 = 10.83,一長鏈多肽，側(cè)鏈上有羧基30個（pKa= 4.3)，咪唑基有10個（

58、 pKa= 7.0），ε-氨基15個（ pKa= 1），設(shè)C端的α-羧基的pKa= 3.5，N端α-氨基的pKa= 9.5，計算此多肽 的等電點(diǎn)。,分析電荷狀態(tài)：此肽最多可帶15+10+1=26個正電荷，30+1=31個負(fù)電荷，相差5個 電荷，不考慮N-端和C-端（解離），30個 羧基只需解離25個，5個 不解離，則，pI = pKa + lg25/5 = 4.3+0.7=5.0,只是參考值，因?yàn)樵S多基團(tuán)的 pK受微環(huán)境的影響而發(fā)生

59、較大變化,氨基酸的主要化學(xué)反應(yīng),●850℃左右分解成 ？ ●氨基的化學(xué)反應(yīng): ◆與茚三酮 (ninhydrin) 的反應(yīng) 定量反應(yīng) ◆與亞硝酸的反應(yīng) Van Slyke定氮 ◆與2,4-二硝基氟苯 (FDNB) 的反應(yīng) 測序 ◆與甲醛的反應(yīng) 氨基滴定 ◆與

60、?；姆磻?yīng) 氨基保護(hù)基 ◆與二甲基氨基萘磺酰氯 (DNS-Cl)的反應(yīng) 測序 ◆與熒光胺的反應(yīng) 微量檢測 ■與Edman試劑 (苯異硫氰酸) 和 測序 有色Edman試劑的反應(yīng),氨基酸的化學(xué)性質(zhì)（I）,?-氨基參與的反應(yīng)-與亞硝酸反應(yīng)(Van Sly

61、ke定氮),用途：范斯萊克法定量測定氨基酸的基本反應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)條件下測定生成氮?dú)獾捏w積，可計算氨基酸的量，用于氨基酸定量和蛋白質(zhì)水解程度的測定。注意：生成的N2只有一半來自氨基酸。,?-氨基參與的反應(yīng)與甲醛發(fā)生羥甲基化反應(yīng),羥甲基氨基酸,二羥甲基氨基酸,用途：可以用來直接測定氨基酸的濃度。,?-氨基參與的反應(yīng)-烴基化反應(yīng)（DNFB法）,2,4-二硝基氟苯（DNFB，F(xiàn)DNB）法（桑格反應(yīng)，Sanger reaction）,用途：是鑒定

62、多肽N-端氨基酸的重要方法,pH 8-9,?-氨基參與的反應(yīng)-烴基化反應(yīng)(Sanger法),Sanger法N端測序--2,4-二硝基氟苯在堿性條件下，能夠與肽鏈N-端的游離氨基作用，生成二硝基苯衍生物（DNP-氨基酸）。在酸性條件下水解，得到黃色DNP-氨基酸。該產(chǎn)物能夠用乙醚抽提分離。不同的DNP-氨基酸可以用色譜法進(jìn)行鑒定。,用途：是鑒定多肽N-端氨基酸的重要方法,?-氨基參與的反應(yīng)-烴基化反應(yīng)(PITC法）,Edman氨基酸

63、順序分析法（異硫氰酸苯酯PITC法），實(shí)際上也是一種N-端分析法。此法的特點(diǎn)是能夠不斷重復(fù)循環(huán)，將肽鏈N-端氨基酸殘基逐一進(jìn)行標(biāo)記和解離。,,用途：是鑒定多肽N-端aa和aa順序的重要方法,?-氨基參與的反應(yīng)-酰基化反應(yīng)(丹磺酰氯法）,用途：是鑒定多肽N-端氨基酸的重要方法。,在堿性條件下，丹磺酰氯（二甲氨基萘磺酰氯DNS-Cl）可以與N-端氨基酸的游離氨基作用，得到丹磺酰-氨基酸(DNS-AA)。 此方法的優(yōu)點(diǎn)是丹磺酰-氨基酸有很

64、強(qiáng)的熒光性質(zhì)，檢測靈敏度可以達(dá)到1?10-9 mol。,?-氨基參與的反應(yīng)-酰基化反應(yīng)（氨基保護(hù)反應(yīng)）,＋ HX,用途：用于保護(hù)氨基以及肽鏈的合成。,?-氨基參與的反應(yīng)-生成西佛堿(Schiff base),用途：是多種酶促反應(yīng)的中間過程。,?-氨基參與的反應(yīng)-脫氨基反應(yīng),用途：氨基酸氧化酶催化的反應(yīng)。,●羧基的化學(xué)反應(yīng) ▲Strecker降解: 弱氧化劑 (次氯酸鈉, N-bromosuccin

65、 imide) 作用下生成NH3和醛(RCHO) ▲特殊條件下, 還原成氨基醇、氨基醛 ▲與肼 (hydrazine) 的反應(yīng) C端氨基酸分析●側(cè)鏈的化學(xué)反應(yīng) ▲羥基: 酯化 –蛋白質(zhì)磷酸化 ▲巰基: 氧化還原-二硫鍵形成與還原,氨基酸的化學(xué)性質(zhì)（II）,Strecker降解反應(yīng),Strecker降解反應(yīng)：α-氨基酸與α-二羰基化合物反應(yīng)時，α-氨基酸氧化脫羧生成比原來氨基酸少一個碳原子的醛

66、，氨基與二羰基化合物結(jié)合并縮合成吡嗪；此外，還可降解生成較小分子的雙乙酰、乙酸、丙酮醛等。1862年Strecker發(fā)現(xiàn)四氧嘧啶能將Ala分解為乙醛和CO2。，此反應(yīng)稱Strecker降解。不同α-氨基酸與還原糖加熱能按Strecker降解生成各種特殊醛類，不僅與褐變有關(guān)，還與香氣的產(chǎn)生有關(guān)。,?-羧基參與的反應(yīng)-成鹽、成酯反應(yīng),a. AA + NaOH －→ 氨基酸鈉鹽(氨基酸的堿金屬鹽能溶于水，重金屬鹽不溶于水)b. H

67、Cl　AA + EtOH －→ 氨基酸乙酯的鹽酸鹽當(dāng)AA的-COOH變成甲酯、乙酯或鈉鹽后，-COOH的化學(xué)反應(yīng)性能被掩蔽或者說COOH被保護(hù)，-NH2的化學(xué)性能得到了加強(qiáng)或活化，易與?；Y(jié)合。為什么AA的酰基化和烴基化在堿性溶液中進(jìn)行？,?-羧基參與的反應(yīng)-形成酰鹵的反應(yīng),?-羧基參與的反應(yīng)-疊氮化反應(yīng),,用途：常作為多肽合成活性中間體，活化羧基。,?-羧基參與的反應(yīng)-脫羧（基）反應(yīng),用途：脫羧酶催化的反應(yīng),根據(jù)氨基酸

68、側(cè)鏈的結(jié)構(gòu)，歷史上曾研究出了每種氨基酸側(cè)鏈的特異性反應(yīng)，可以用來定性和定量分析，但現(xiàn)在已經(jīng)基本棄用。,氨基酸的化學(xué)性質(zhì)（III）,?-氨基和羧基共同參與的反應(yīng)-與茚三酮反應(yīng)（氨基酸定性、定量分析）,茚三酮,水合茚三酮,紫色產(chǎn)物,Pro、Hypro ?,?-氨基和?-羧基共同參與的反應(yīng)-成肽反應(yīng),用途：是多肽和蛋白質(zhì)合成的基本反應(yīng),巰基（-SH）的反應(yīng)-側(cè)鏈基團(tuán)的反應(yīng)（與重金屬反應(yīng)）,作用：與金屬離子的螯合性質(zhì)可用于體內(nèi)解毒,巰基（