氨基酸與蛋白質(zhì)

第三章氨基酸和蛋白質(zhì)

AMINOACID&PROTEIN蛋白質(zhì)存在于所有的生物細(xì)胞中，是構(gòu)成生物體最基本的結(jié)構(gòu)物質(zhì)和功能物質(zhì)。蛋白質(zhì)是生命活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，它參與了幾乎所有的生命活動過程。當(dāng)前第1頁\共有72頁\編于星期五\19點蛋白質(zhì)占干重人體中（中年人）人體45%水55%

細(xì)菌50%~80%蛋白質(zhì)19%

真菌14%~52%脂肪19%

酵母菌14%~50%糖類＜1%

白地菌50%無機(jī)鹽7%蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)必不可少的重要成分當(dāng)前第2頁\共有72頁\編于星期五\19點

蛋白質(zhì)（protein）是生活細(xì)胞內(nèi)含量最豐富、功能最復(fù)雜的生物大分子，并參與了幾乎所有的生命活動和生命過程。因此，研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能始終是生命科學(xué)最基本的命題。生物體最主要的特征是生命活動，而蛋白質(zhì)是生命活動的體現(xiàn)者，具有以下主要功能：催化功能；結(jié)構(gòu)功能；調(diào)節(jié)功能；防御功能；運動功能；運輸功能；信息功能；儲藏功能當(dāng)前第3頁\共有72頁\編于星期五\19點CatalyticenzymesImmunoglobulinsantibodiesofimmunesystemTransportmovematerialsaround

hemoglobinforO2.Regulatoryhormones,controlmetabolismStructuralcoveringsandsupport

skin,tendons,hair,nails,boneMovementmuscles蛋白質(zhì)功能舉例：當(dāng)前第4頁\共有72頁\編于星期五\19點蛋白質(zhì)是由一個或多個多肽鏈通過共價鍵（主要是二硫鍵）或非共價力結(jié)合而成。應(yīng)用化學(xué)或物理方法，可以將蛋白質(zhì)拆分成多肽組分。多肽是由氨基酸以酰胺鍵形式連接而成的線性大分子。它在生物體內(nèi)可以單獨存在，但是更多的則是作為蛋白質(zhì)的組成部分。蛋白質(zhì)和多肽的肽鍵與一般的酰胺鍵一樣可以被酸堿或蛋白酶催化水解，酸或堿能夠?qū)⒍嚯耐耆?，酶水解一般是部分水?蛋白質(zhì)水解當(dāng)前第5頁\共有72頁\編于星期五\19點完全水解得到各種氨基酸的混合物，部分水解通常得到多肽片段。最后得到各種氨基酸的混合物。所以，氨基酸是蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單元。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。當(dāng)前第6頁\共有72頁\編于星期五\19點一、氨基酸

——蛋白質(zhì)的基本組成單位存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)的基本氨基酸僅有20種，且均屬L--氨基酸（甘氨酸除外）。當(dāng)前第7頁\共有72頁\編于星期五\19點構(gòu)成蛋白質(zhì)的20種基本氨基酸當(dāng)前第8頁\共有72頁\編于星期五\19點H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R當(dāng)前第9頁\共有72頁\編于星期五\19點當(dāng)前第10頁\共有72頁\編于星期五\19點非極性疏水性氨基酸2.極性中性氨基酸3.酸性氨基酸4.堿性氨基酸（一）氨基酸的分類當(dāng)前第11頁\共有72頁\編于星期五\19點非極性疏水性氨基酸當(dāng)前第12頁\共有72頁\編于星期五\19點2.極性中性氨基酸當(dāng)前第13頁\共有72頁\編于星期五\19點3.酸性氨基酸4.堿性氨基酸當(dāng)前第14頁\共有72頁\編于星期五\19點3.Classificationofaminoacids

---bySideChains(R-groups)

Someaminoacidsarenon-polar(hydrophobic)becausetheirsidechainsaremadeupmostlyofhydrocarbonchains;Somearepolar,butuncharged;Somearepolarandnormallyhaveapositiveornegativechargeinsolution.當(dāng)前第15頁\共有72頁\編于星期五\19點Lesshydrophobic

Morehydrophobic

AliphaticRgroupsarenonpolarandhydrophobic.

當(dāng)前第16頁\共有72頁\編于星期五\19點Hydroxylaminoacidsarepolar,unchargedatphysiologicalpH,andhydrophilic.當(dāng)前第17頁\共有72頁\編于星期五\19點BasicaminoacidsarepolarandpositivelychargedatpHvaluesbelowtheirpKa's,andareveryhydrophilic.當(dāng)前第18頁\共有72頁\編于星期五\19點AcidicaminoacidsarepolarandnegativelychargedatphysiologicalpH.Bothacidicaminoacidshaveasecondcarboxylgroup.Amidesarepolaranduncharged,andnotionizable.Allareveryhydrophilic.當(dāng)前第19頁\共有72頁\編于星期五\19點氨基酸的極性和非極性，與蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系當(dāng)前第20頁\共有72頁\編于星期五\19點非極性氨基酸的大小非常齊全。對于水溶性蛋白質(zhì)而言，整個球狀的蛋白質(zhì)分子中，大部分非極性的氨基酸都擠在分子的核心部位，形成堅實的“非極性核心”。使得蛋白在水溶液中，得以保持完整的三級結(jié)構(gòu)，保持活性當(dāng)前第21頁\共有72頁\編于星期五\19點-SH被氧化脫氫，可形成二硫鍵。對蛋白質(zhì)的構(gòu)型有很大的貢獻(xiàn)，此反應(yīng)可逆。Met被甲基化，功能非常奇特，在蛋白質(zhì)的翻譯過程中，Met總是第一個N端的氨基酸。當(dāng)前第22頁\共有72頁\編于星期五\19點構(gòu)造彎曲，使蛋白質(zhì)的長鏈必須轉(zhuǎn)折成固定角度，因此在蛋白質(zhì)的構(gòu)型上，具有非常重要的影響力，有pro必出現(xiàn)劇烈轉(zhuǎn)折。Pro和Cys是對蛋白質(zhì)構(gòu)造影響最大的氨基酸當(dāng)前第23頁\共有72頁\編于星期五\19點側(cè)鏈不同，大小不同，填充效果不同當(dāng)前第24頁\共有72頁\編于星期五\19點

習(xí)慣分類方法芳香族氨基酸：Trp、Tyr、Phe含羥基氨基酸：Ser、Thr、Tyr含硫氨基酸：Cys、Met雜環(huán)族氨基酸：His雜環(huán)族亞氨基酸：Pro支鏈氨基酸：Val、Leu、Ile當(dāng)前第25頁\共有72頁\編于星期五\19點甘丙纈亮異脂鏈

glyalavalleuile絲蘇半蛋羥巰添serthrcysmet

天谷精賴組酸堿aspgluarglys

his脯酪苯色雜芳環(huán)

protyrphetrp

天門酰胺谷酰胺

asngln都有密碼屬常見二十種氨基酸背誦口訣：當(dāng)前第26頁\共有72頁\編于星期五\19點當(dāng)前第27頁\共有72頁\編于星期五\19點Thenameoftheaminoacidsareoftenabbreviated,eithertothreelettersortoasingleletters.Thus,forexample,prolineisabbreviatedtoProorP.Dr.MargaretOakleyDayhoff,arguablythefounderofthefieldofbioinformatics,shortenedthecodefromthethreeletterdesignationstothesinglelettercodeinanefforttoreducethesizeofthedatafilesneededtodescribethesequenceofaminoacidsinaprotein.

Thelistingofaminoacids,thethreeletterandsinglelettercode,andtheexplanationforthechoiceofthesingleletterisgivenbelow.

Notethatthereare20aminoacidscommonlyfoundinproteins,and26lettersinthealphabet.

Asaresult,mostofthelettersareused.Theoriginofthesingle-lettercodefortheaminoacids當(dāng)前第28頁\共有72頁\編于星期五\19點AminoAcid

3lettercode

Singlelettercode

Explanation

Cysteine

Histidine

Isoleucine

Methionine

Serine

Valine

Cys

His

Ile

Met

Ser

ValC

H

I

M

S

VFirstletterofthename

Firstletterofthename

Firstletterofthename

Firstletterofthename

Firstletterofthename

FirstletterofthenameTodevelopasingle-lettercodefortheaminoacids,Dr.Dayhoffattemptedtomakethecodeaseasytorememberaspossible.

Ofcourse,ifthenameofeachaminoacidbeganwithadifferentletter,thecodewouldbesimpleindeed.

For6oftheaminoacids,thefirstletterofthenameisunique,makingthecodesimple.

Theseare:當(dāng)前第29頁\共有72頁\編于星期五\19點AminoAcid3lettercodeSinglelettercodeExplanation

Alanine

Glycine

Leucine

Proline

Threonine

Ala

Gly

Leu

Pro

ThrA

G

L

P

TFirstletterofthename

Firstletterofthename

Firstletterofthename

Firstletterofthename

FirstletterofthenameFortheotheraminoacids,thefirstletterofthenameisnotuniquetoasingleaminoacid,soDr.DayhoffassignedthelettersA,G,L,PandTtotheaminoacidsAlanine,Glycine,Leucine,ProlineandThreonine,respectively,whichoccurmorefrequentlyinproteinsthandotheotheraminoacidshavingthesamefirstletters.當(dāng)前第30頁\共有72頁\編于星期五\19點Someoftheotheraminoacidsarephonetically語音學(xué)上

suggestive.AminoAcid3lettercodeSinglelettercodeExplanationArginine

Phenylalanine

Tyrosine

TryptophanArg

Phe

Tyr

TrpR

F

Y

WaRginine

Fenylalanine

tYrosine

tWiptophan(or,containsDoublering)當(dāng)前第31頁\共有72頁\編于星期五\19點Fortheremaining5aminoacids,Dr.Dayhoffwasreachingsomewhattofindaneasy-to-rememberconnectionbetweenthesingleletterandtheaminoacid.

Sheassignedasparticacid,asparagine,glutamicacidandglutaminethelettersD,N,EandQ,respectively,notingthatDandNarenearerthebeginningofthealphabetthanEandQ,andthatAspissmallerthanGlu,whileAsnissmallerthanGln.

AminoAcid3lettercodeSinglelettercodeExplanationAsparticAcid

Asparagine

GlutamicAcid

GlutamineAsp

Asn

Glu

GlnD

N

E

QasparDic

ContainsN(orasparagiN)

gluE(orglutamEke)

Q-tamineBythetimeDr.Dayhoffgottolysine,therewerenottoomanylettersleft,sosheusedtheletterK,explainingthatKisatleastnearLinthealphabet.AminoAcid3lettercodeSinglelettercodeExplanationLysineLysKKisnearLinthealphabet當(dāng)前第32頁\共有72頁\編于星期五\19點修飾氨基酸：

蛋白質(zhì)合成后通過修飾加工生成的氨基酸。沒有相應(yīng)的編碼。如：胱氨酸、羥脯氨酸（Hyp）、羥賴氨酸（Hyl）。非蛋白氨基酸：蛋白質(zhì)中不存在的氨基酸。如：瓜氨酸、鳥氨酸、同型半胱氨酸，是代謝途徑中產(chǎn)生的。

當(dāng)前第33頁\共有72頁\編于星期五\19點1、酸水解常用6mol/L的鹽酸或4mol/L的硫酸在105-110℃條件下進(jìn)行水解，反應(yīng)時間約20小時。此法的優(yōu)點是不容易引起水解產(chǎn)物的消旋化。缺點是色氨酸被沸酸完全破壞；含有羥基的氨基酸如絲氨酸或蘇氨酸有一小部分被分解；門冬酰胺和谷氨酰胺側(cè)鏈的酰胺基被水解成了羧基。水解蛋白生成氨基酸的方法：當(dāng)前第34頁\共有72頁\編于星期五\19點2、堿水解一般用5mol/L氫氧化鈉煮沸10-20小時。由于水解過程中許多氨基酸都受到不同程度的破壞，產(chǎn)率不高。部分的水解產(chǎn)物發(fā)生消旋化。該法的優(yōu)點是色氨酸在水解中不受破壞。當(dāng)前第35頁\共有72頁\編于星期五\19點3、酶水解目前用于蛋白質(zhì)肽鏈斷裂的蛋白水解酶（proteolyticenzyme）或稱蛋白酶（proteinase）已有十多種。應(yīng)用酶水解多肽不會破壞氨基酸，也不會發(fā)生消旋化。水解的產(chǎn)物為較小的肽段。單一酶水解不完全。當(dāng)前第36頁\共有72頁\編于星期五\19點Section1AminoAcidsProtein1.ElementsofProtein氨基酸的性質(zhì)當(dāng)前第37頁\共有72頁\編于星期五\19點蛋白質(zhì)主要元素組成：C、H、O、N、S及P、Fe、Cu、Zn、Mo、I、Se等微量元素。

蛋白質(zhì)平均含N量為16％,這是凱氏定氮法測蛋白質(zhì)含量的理論依據(jù)：

蛋白質(zhì)含量＝蛋白質(zhì)含N量×6.25當(dāng)前第38頁\共有72頁\編于星期五\19點Essentialaminoacid

Anessentialaminoacidisonethatcannotbesynthesizedfromotheravailableresources,andthereforemustbesuppliedaspartofthediet.8aminoacidsaregenerallyregardedasessential,withtwoothers,histidineandarginine,essentialonlyinchildren:tryptophanlysinemethioninephenylalaninethreoninevalineleucineisoleucine賴氨酸(Lys)纈氨酸(Val)蛋氨酸(Met)色氨酸(Try)亮氨酸(Leu)異亮氨酸(Ile)蘇氨酸(Thr)苯丙氨酸(Phe)

嬰兒時期所需:精氨酸(Arg)、組氨酸(His)

早產(chǎn)兒所需：色氨酸(Try)、半胱氨酸(Cys)人體所必需的八種氨基酸：

賴色纈：賴氨酸、色氨酸、纈氨酸蘇亮亮：蘇氨酸、亮氨酸、異亮酸苯

蛋：苯丙氨酸、蛋氨酸甲攜（纈）來（賴）一（異）本（苯）亮色書（蘇）當(dāng)前第39頁\共有72頁\編于星期五\19點幾種重要的不常見氨基酸

在少數(shù)蛋白質(zhì)中分離出一些不常見的氨基酸，通常稱為不常見蛋白質(zhì)氨基酸。這些氨基酸都是由相應(yīng)的基本氨基酸衍生而來的。當(dāng)前第40頁\共有72頁\編于星期五\19點Section2PropertiesofAminoAcid1.Stereoisomers[立體異構(gòu)]Alloftheaminoacids,exceptforglycine[甘氨酸]havefourdifferentgroupsarrangedaroundthecentralCαatom，andcanthusexistinoneoftwostereoisomers;ThesetwostereoisomersaretermedtheDandLforms.當(dāng)前第41頁\共有72頁\編于星期五\19點Thesimplest,andsmallest,aminoacidfoundinproteinsisglycineforwhichtheR-groupisahydrogen(H).

Inproteins,onlytheL-isomerisfoundnormally.Asyoutravelonward(fromthecarbonylcarbontotheaminogroup),theRgroupofL-aminoacidswillbeontheleftasshowninthemoleculargraphicontheright.L-isomer當(dāng)前第42頁\共有72頁\編于星期五\19點2.氨基酸的性質(zhì)---兩性解離及等電點水溶液中只有10-7M的水解離記為pH=7因此數(shù)字越大，質(zhì)子濃度越小。水溶液中的質(zhì)子濃度是很重要的指標(biāo)，因為質(zhì)子會影響其他分子的帶電性質(zhì)，使得分子所帶的凈電荷改變，進(jìn)而影響分子活性。當(dāng)前第43頁\共有72頁\編于星期五\19點緩沖（buffer）可放出或吸收質(zhì)子的基團(tuán)，就是緩沖液的基本材料︰當(dāng)環(huán)境質(zhì)子太多，就趕快吸收質(zhì)子；當(dāng)環(huán)境質(zhì)子太少，就釋放質(zhì)子出來。通常都是弱酸或弱堿才可作為緩沖分子，因為強(qiáng)酸

(如HCl)只會釋放出大量質(zhì)子，不會回收；而強(qiáng)堿只會拼命吸附質(zhì)子，無法釋放。

描述緩沖溶液的解離常數(shù)和緩沖機(jī)制已解離未解離亨德森-哈塞爾巴爾赫方程當(dāng)前第44頁\共有72頁\編于星期五\19點表示在pH=5時，醋酸分子的組成中，有一半是在未解離的狀態(tài)[AH]，而另一半是已解離狀態(tài)[A-]。在此情形下醋酸有最大的緩沖能力，因為不管外來的pH如何變化，都有足夠的[A-]或[AH]去吸附或釋放質(zhì)子。外加酸堿不易改變體系的酸堿度。最佳緩沖范圍pH=4~6當(dāng)前第45頁\共有72頁\編于星期五\19點a.Highmeltingpoints

?b.SolubilityinwaterandInsolubilityinhydrocarbonsolvents

?Thea-COOHanda-NH2groupsinaminoacidsarecapableofionizing:R-COOH<------->R-COO-+H+

R-NH3+<--------->R-NH2+H+2.zwitterion

(兩性離子,偶極離子)(dipolarion)當(dāng)前第46頁\共有72頁\編于星期五\19點pH<pIpH=pIpH>pIIfthezwitterionistreatedwithacid,thatis,asolutioncontainingH+,theH+willaddtotheCOO-toformCOOH.Similarly,treatingthezwitterionwithbasewillresultinthelossoftheremovableprotonattachedtotheNH3+grouptoformNH2+.ThepHatwhichaminoacidshavenonetchargeiscalledtheIsoelectricPointorthepI.等電點當(dāng)前第47頁\共有72頁\編于星期五\19點pI＝(pK1’+pK2’)/2當(dāng)前第48頁\共有72頁\編于星期五\19點當(dāng)前第49頁\共有72頁\編于星期五\19點為何處于等電點的分子，完全不具緩沖作用？其分子上有一個H+，可以作為供應(yīng)質(zhì)子者；也有一個-COO-可以作為接受質(zhì)子者，非常完美。分子上的這些基團(tuán)能否收放質(zhì)子，都決定于自身的pK

細(xì)胞中的蛋白質(zhì)，其pI大多在4~6之間當(dāng)前第50頁\共有72頁\編于星期五\19點His是唯一具有近中性pKa基團(tuán)（imidazole）的氨基酸His在蛋白質(zhì)的構(gòu)造中，可以有緩沖的作用，是相當(dāng)特殊的胺基α羧酸或胺基的pKa都比R基團(tuán)上面的要低（較容易解離）在蛋白質(zhì)中的氨基酸基團(tuán)pKa會收到環(huán)境影響而改變當(dāng)前第51頁\共有72頁\編于星期五\19點大多數(shù)氨基酸只有兩個官能團(tuán)，另有7個氨基酸還有第三個官能團(tuán)簡單的說，還是先去找到靜電荷為零的pI，然後把夾著pI的兩個pKa值平均即得當(dāng)前第52頁\共有72頁\編于星期五\19點Asparticacid有3個官能基，如何求得其pI分子式從酸性開始算出凈電荷凈電荷為0前后兩個pKa值的算術(shù)平均值當(dāng)前第53頁\共有72頁\編于星期五\19點谷氨酸（A）和賴氨酸（B）滴定曲線和等電點計算一氨基二羧基AA的等電點計算：pI=2pK′1+pK′2二氨基一羧基AA的等電點計算：pI=2pK′2+pK′3BApK1pK2pIpIpK3pK3pK2pK1加入的OH-mL數(shù)加入的OH-mL數(shù)pHpH當(dāng)前第54頁\共有72頁\編于星期五\19點

當(dāng)溶液濃度為某一pH值時，氨基酸分子中所含的-NH3+和-COO-數(shù)目正好相等，凈電荷為0。這一pH值即為氨基酸的等電點，簡稱pI。在等電點時，氨基酸既不向正極也不向負(fù)極移動，即氨基酸處于兩性離子狀態(tài)。側(cè)鏈不含離解基團(tuán)的中性氨基酸，其等電點是它的pK’1和pK’2的算術(shù)平均值：

pI=(pK’1+pK’2)/2

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。

酸性氨基酸可以直接把靠酸性的那兩個pKa平均

堿性氨基酸可以把較大的兩個pKa值平均

當(dāng)溶液的PH大于等電點時，氨基酸帶有凈負(fù)電荷，在電場中向正極運動，而當(dāng)溶液PH低于等電點時，氨基酸帶凈正電荷，在電場中向負(fù)極運動，在一定的PH范圍內(nèi)，氨基酸溶液的PH值距等電點越遠(yuǎn)，氨基酸所攜帶的凈電荷量越多。當(dāng)前第55頁\共有72頁\編于星期五\19點當(dāng)前第56頁\共有72頁\編于星期五\19點氨基酸光學(xué)活性和光譜性質(zhì)

1、旋光性：除甘氨酸外，所有天然α-氨基酸都有不對稱碳原子，因此所有天然氨基酸都具有旋光性。2、紫外吸收光譜：參與蛋白質(zhì)組成的20種氨基酸中色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr)和苯丙氨酸(Phe)的R基團(tuán)中含有苯環(huán)共軛雙鍵系統(tǒng)，在紫外光區(qū)顯示特征的吸收譜帶，最大光吸收（max）分別為280、275和257nm。由于大多數(shù)蛋白質(zhì)都含有這些氨基酸殘基，因此用紫外分光光度法可測定蛋白質(zhì)含量。3、核磁共振（nuclearmagneticresonance,NMR）波譜：原子核帶有正電荷，只要自旋量子數(shù)不等于零，其行為就象饒軸自旋的小磁體，因而能與外加磁場相互作用，產(chǎn)生核磁共振。例如3H、13C、2H、14H、32P的核都屬于這一類。當(dāng)前第57頁\共有72頁\編于星期五\19點3.Chemicalproperties由α氨基參加的反應(yīng)與亞硝酸的反應(yīng)；與甲醛的反應(yīng)；酰化反應(yīng)；成鹽作用。由α羧基參加的反應(yīng)成鹽和成酯反應(yīng)；成酰鹵反應(yīng)；脫羧基反應(yīng)；由α氨基和羧基共同參加的反應(yīng)與茚三酮的反應(yīng)；成肽反應(yīng)；側(cè)鏈R基參加的反應(yīng)當(dāng)前第58頁\共有72頁\編于星期五\19點氨基酸與2,4一二硝基氟苯(DNFB)的反應(yīng)

DNFB（dinitrofiuorobenzene）DNP-AA(黃色)++HF弱堿中氨基酸當(dāng)前第59頁\共有72頁\編于星期五\19點氨基酸與苯異硫氰酸酯（PITC）的反應(yīng)

（Edman反應(yīng)）PITC（phenylisothiocyanate）+苯乙內(nèi)酰硫脲衍生物(PTH-AA)（phenylisothiohydantion-AA）弱堿中(400

C)(硝基甲烷400C)H+當(dāng)前第60頁\共有72頁\編于星期五\19點+3H20茚三酮(無色)NH3CO2RCHO+還原性茚三酮紫色化合物(弱酸)加熱氨基酸與茚三酮反應(yīng)當(dāng)前第61頁\共有72頁\編于星期五\19點FormationofapeptidebondPolypeptidechains當(dāng)前第62頁\共有72頁\編于星期五\19點Section3Peptides

肽(peptide)是氨基酸的線性聚合物，因此也常稱肽鏈(peptidechain)。蛋白質(zhì)是由一條或多條多肽鏈構(gòu)成的大分子，蛋白質(zhì)分子中氨基酸的排列順序，包括二硫鍵的位置稱為蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)。肽單位肽鍵當(dāng)前第63頁\共有72頁\編于星期五\19點在多肽鏈中，氨基酸殘基按一定的順序排列，這種排列順序稱為氨基酸順序通常在多肽鏈的一端含有一個游離的-氨基，稱為氨基端或N-端；在另一端含有一個游離的-羧基，稱為羧基端或C-端。氨基酸的順序是從N-端的氨基酸殘基開始，以C-端氨基酸殘基為