07氨基酸和蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)02(精)

1、第二章 氨基酸和蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)一、蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)的最重要的物質(zhì)；二、蛋白質(zhì)的元素組成；三、蛋白質(zhì)的基本組成單位是氨基酸；四、蛋白質(zhì)是基因編碼的本章主要內(nèi)容氨基酸的種類和分類；氨基酸的基本性質(zhì)（聚合，酸堿性，結(jié)構(gòu)，手性及化學(xué)功能）；氨基酸的分離和分析方法；肽、蛋白質(zhì)的共價結(jié)構(gòu)，生物活性肽；蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)測定和一級結(jié)構(gòu)分析的生物學(xué)意義第1節(jié)蛋白質(zhì)概述蛋白質(zhì)是生物體內(nèi)的最重要的物質(zhì)蛋白質(zhì)約占細(xì)胞干重的50%以上；蛋白質(zhì)與核酸共同構(gòu)成了生命現(xiàn)象的物質(zhì)基礎(chǔ)，是細(xì)胸原生質(zhì) 的主要成分；催化生物體內(nèi)幾乎所有化學(xué)反應(yīng)的酶是蛋白；抵抗外源性異物侵害而產(chǎn)生免疫反應(yīng)的抗體是蛋白質(zhì)；調(diào)節(jié)物質(zhì)代謝的許多激素也是蛋

2、白質(zhì)或多肽；肌肉收縮、物質(zhì)的運(yùn)輸、結(jié)締保護(hù)、病毒對宿主的感染等都是 蛋白質(zhì)在起作用；胚胎發(fā)育、生長、分化和繁殖等都有蛋白質(zhì)參與。二、蛋白質(zhì)的元素組成蛋白質(zhì)主要含有C、H、0、N,S元素。N元素是蛋白質(zhì)的特征 性元素，根據(jù)對大多數(shù)蛋白質(zhì)的N元素分析，其含量相近，一般 在1517% ,平均為16% o三、蛋白質(zhì)的基本組成單位是氨基酸經(jīng)水解分析，構(gòu)成氨基酸的蛋白質(zhì)約20種，氨基酸借肽鍵聚 合成蛋白質(zhì)。四、蛋白質(zhì)是基因編碼的直接參與蛋白質(zhì)合成的氨基酸在遺傳上都存在相應(yīng)的密碼， 這些密碼存在于基因的核昔酸順序中，通過轉(zhuǎn)錄成mRNA, mRNA的 編碼信息即三聯(lián)密碼子直接決定蛋白質(zhì)多肽的氨基酸願序。氨基酸

3、(Amino acids )氨基酸的結(jié)構(gòu)通式除脯氨酸外，其它所有氨基酸在結(jié)構(gòu)上都有一個共同的特點(diǎn)即在與竣基相連的a -碳原子上含有一個氨基（圖2-1）。結(jié)構(gòu)通式顯示，氨基酸的差別表現(xiàn)在側(cè)鏈R基團(tuán)上。COOT!COOHCOOHAlanirw*COOHCOOHLeucineCOOHHNh4n c hSerin.(3H,OHHaN-COOH 土H-COHTHrconin*Ah.HjN-COOH -CHCyst4iinp址XOHCOOH%N-C-HAricinimC-HGiutamkccdCOOHLyainwC-NHNH,COOHNHaCOOHtr犬5hbL JAmracinc CHaOHcincCO

4、OHCOOHCOOHCHCOOHCHHaC NHHc6hKacNC HCOOHCHaHThryptophanPtwinylMlMnineGluOminrNHa二.氨基酸的結(jié)構(gòu)和分類：根據(jù)氨基酸側(cè)鏈R基的極性，20 種氨基酸可分成4類。1.非極性R基氨基酸.9種 甘氨酸(Glycine, Gly.G), 丙氨酸(Alanine, Ala, A), 繳氨酸(Valine, Vai, V), 亮氨酸(Leucine, Leu, L), 異亮氨酸(I so leucine, lie, I), 脯氨酸(Pro I ine. Pro, P), 苯丙氨酸(Pheny lalanine, Phe, F), 色

5、氨酸(Tryptophan, Trp, W), 甲硫氨酸(Methion i ne. Met, M)Amino cu kls with non pula r side chains GlycineGlyGAlantnc A3 AValineVaiVLeucine LeuLIsolcucinc lieMcthloniix- Met MProline ProGOOH U IIZlH cooNHtH CCHNHt CMCOON tl tCOO絲気酸(Serine.Ser.S), 蘇氨酸(Threonine, Thr, T), 酪氨酸(Tyros i ne, Tyr, Y), 半胱氨酸(Cyste i

6、 ne, Cys, C), 天冬酰胺(As pa rag i ne, Asn, N), 谷氨酰胺(Glutamine, Gin, Q)圖23TryplophaiiiXV/gCH2CH、UH iZH ICOO-Phenylalanine PhcH C C ll2NHTH2-c1 :X / JNHJHI.H-CH,圖22Amxno acids with uncharged polar side chainSerine Ser SCOCTIH CCH2OHNHtThreonineCOOtlThrILH-CC-CHSTIINHt OHAsparagineAsn NTyrosine Tyr YCyste

7、ine CysCH-2Glutamine GinQCOOIH C CHINHtOHCIC ooAmino acids with charged polar side chainsLysineCOO-LysIHC-CH2 CH2 CH2 CH2NH|NHJArginine COOArg IR h-c-ch2-ch2NH2ch2-nh-cNHjHistidine1HisHooCIC H2(.13帶正電荷的極性R基氮基酸：3種賴氨酸(Lys i ne, Lys, K),精氨酸(Arginine, Arg, R), 組氨酸(Histidine, His, H)4帶負(fù)電荷的極性R基氨基酸：2種: 天冬氨

8、酸(Aspartic acid, Asp, D), 谷氨酸(GIutamic acid, GIu, E)c%L-AlanineI Alanine(a)Aspartic acid COO oAspI/DH-C-CH2-CNH扌OGlutamic acid COOqGIuI/FH-C-CH,-CH-CI -NH扌O三.氨基酸的構(gòu)型：氨基酸的構(gòu)型是以D-、 L-甘油醛為標(biāo)準(zhǔn)確定的。 除甘氨酸外，其他所有a- 氨基酸都是L-型的2z 5) 0H3N-C- HCOOH-CNH3L-Alaninei Alanine(c)Cooh；N-c-hL-AIanineCOOHCNH3ch3iAlanine(hiD

9、丙氨酸構(gòu)型VOHKhbYhH-C-H(a)(b)c)對稱分子，非對稱分子的立體旋轉(zhuǎn)鏡像關(guān)系Mirror image of original moleculeChiral molecule: Rotated molecule cannot be superimpoMd on mirror image of originalAchiralMirror image of original molwuleOriginal moleculemolecule:Rotated,molecule .can boRuperimpcMWd on mirror image of original(a(b)四、紫外吸

10、收特性:2010200 220 240 260 280 300 320Wavelength (nm)(XJwoooowoowoowaoOO0O $0 5 21 a a a 5 2 匕4 2 1w AsAndJosqc -1J3OW酪氨酸和色氨酸在280nm處 具紫外吸收特性，蛋白質(zhì)含 有此種氨基酸，可在280nm 處測定蛋白質(zhì)的含量，并計 算蛋白質(zhì)的含量。五、氨基酸的酸堿性質(zhì)1. 氨基酸的兩性解離性質(zhì)氨基酸在水溶液中或在晶體狀態(tài)下主要以兩性離子形式在.作為酸：R-CHCOO R-CH-COO- +|I+ nh3nh2作為堿： R-CII-COO + h+ R-CII-COOIIII+ nh3+

11、 nh3不同PH時中性氨基酸帶凈電荷狀況pH 1 Net charge +1COOHpH 7 Net charge 0COO-I c I R+N+ IH3Nc Il WcocrAnionic formCationic formZwitterion (neutral)氨基酸在不同的pH條件下可解離成帶不同的電荷:COOHICOO-C00I+ H+|-OH-H+N-C-H一； H+3N-C-HH2N-C HI-OH-|+H4IHHH酸性狀態(tài)(A)兩性離子狀態(tài)(Z)堿性狀態(tài)2. 氨基酸可解離基團(tuán)的pK值與等電點(diǎn)(pl)的關(guān)系：pl通過酸感満定曲線確定(圖2-6)。滴定曲線顯示，每種氨基 酸是在其pK

12、a值附近發(fā)揮緩沖作用而非在它的pl處。等電點(diǎn)時， 分子凈電荷為零，陽離子和陰離子的數(shù)目相等。圖2-7和圖2-8分別是酸性,堿性氨基酸的酸械滴定曲線。中性氨基酸：pl二(pKa + pKa2) 1/2酸性氨基酸：pl二(pKa + pKaR) 1/2堿性氨基酸：pl = (pKa2+ pKaR)1/2c：h71xxr(XX)-HZC H HgN*C Hch2ch2IICH2* GHoII (：H(XXHPH：HCXXcoocoo-(；lufdu001.02.03.0Equivalcnu of OH xddrcl 1()pH 84202.00GlyCOCT1.0Equivalents of OH

13、addedGly+COOH1.0 v 0 1.0Equivalents of H+Equivalents of OH2.0 1.0 Equivalents of addedH時+-146Gly-COO-0Isoelectric pointGluGlu_中性氨基酸：pl=(pKa1 + pKa2)圖26酸性氮基酸：pl= (pKa1 + pKaR)r.noint圖270COOHH3N*CH4H2N-CH（叫ClAdd mixture of Asp Ser. Lyt(b)Acid Na* (NaCI(c) Asp. tlir Iraxi positively charxcd amino acici

14、. is eluted firstIncrease N(d) Serine i eluted nextInc re (Na*J(c) Lysine ih? moil poMtiwly charged amino *ici is eluted last將氨基酸混合物的溶液調(diào)至pH3. 0時，氨基酸都帶凈正電荷。鑒 于各種氨基酸pl差異，其帶凈正電荷的量不等，在不同PH條件洗脫 時，解離順序呈規(guī)律性：酸性-中性-緘性氨基酸。12-10WWE d1-aniin aock 1Iroliinn nUmmK caoooJrrMithfjMtt TT*oQoo1二二 a-COOH及氨基酸的各種側(cè)鏈基團(tuán)可進(jìn)行

15、多種 化學(xué)反應(yīng)。)1. 氨基的反應(yīng)：(1).與亞硝酸反應(yīng)：R CHCOOH + H 02 R CH-COOH + t + H20NH2i)H測定釋放的N2體積算出氨基酸的含量，是Van Slyke (范氏)氨 基氮測定方法的基礎(chǔ)。(2) .與醛基的反應(yīng)-生成弱堿的反應(yīng)(3) .與二硝基氟苯的反應(yīng)-氨基酸末端反應(yīng)(顏色反應(yīng))；(4) .與苯異硫氨酸的反應(yīng)-Edeman試機(jī)測序反應(yīng)(產(chǎn)生熒光)；(5) .與二甲氨基蔡-1-磺酰氯(DNS-CI )的反應(yīng)-酰化，保護(hù)氨基 端，成肽反應(yīng)、末端反應(yīng)；(6) .成酯和成鹽反應(yīng)例如味精(谷氨酸鈉鹽)(7) .脫氨基一生成相應(yīng)的酮酸(生物體內(nèi)的重要反應(yīng))苗三酮

16、(ninhydrin)的反應(yīng)： 檢測和定量氨基酸、蛋白質(zhì)的重要反應(yīng)。(脯氨酸是一個亞氨基酸，與苛三酮反應(yīng)生成的是黃色化合物(入仙)o )Sanger 試劑：2, 4-二硝基氟苯(2, 4-dinitrofluoroberizene, DNFB),弱堿 性溶液中與氨基酸發(fā)生取代反應(yīng)，生成黃色化合物，用于鑒定 蛋白質(zhì)和多肽的 卜末端氨基酸殘基。h-c-nh2 +IC00HN02氨基酸no22, 4-二硝基氟苯N02 + HF丹磺酰氯(dansyl chloride):5-二甲基氨基蔡-1 -磺酰氯(5-dimethylaminonaphthalene-l - sulfonyl chloride),

17、 與氨基酸反應(yīng)生成熒光性質(zhì)強(qiáng)和穩(wěn)定的磺胺 衍生物，多肽鏈的-N末端 氨基酸的鑒定。(b) H-C-NH： +COOHN(CH,k叫CH2Edman反應(yīng)：苯異硫W酸酯(phenylisothiocyanate, PITC)在弱堿性條件 下，與氨基酸反應(yīng)生成苯乙內(nèi)酰硫腺(PTH)衍生物，是蛋白質(zhì) 或多肽氨基酸序列測定常用的反應(yīng)。(c)s2. 竣基的反應(yīng)：(1) .與堿反應(yīng)成鹽；(2) .與醇輕基反應(yīng)成酯(保護(hù)竣基)；(3) .成肽反應(yīng)；(4) 脫竣基成一級胺3. 氨基，竣基共同參加的反應(yīng)：(1) 成肽反應(yīng)；(2) .與苛三酮的反應(yīng)一鑒定氨基酸的顏色反應(yīng)4 側(cè)鏈R基團(tuán)的反應(yīng)思考題1. 哪些氨基酸可以

18、在PH4,PH9,PH7具 有有效的緩沖能力？2. 甘氨酸是乙酸甲基上的氫被氨基取代生成 的，但是，甘氨酸竣基的pKa值比乙酸竣基的 pKa低，為什么?(P21)第3節(jié)肽一.肽、肽鏈和肽鍵肽（Peptide） 氨基酸與氨基酸之間可以通過a-氨基和a-按 基以共價形成的酰胺鍵產(chǎn)物。肽鍵（Peptide bond） : 胺鍵（圖 2-11）。由氨基酸借肽鍵所形成的一條線性的鏈狀 聚合體。竟基酸殘基（re在肽鏈結(jié)構(gòu)中，每個氨基酸不再完整。o 般長于40 氨基酸殘基，或甚至超過4000o若以氨基酸殘基平均分子量110 計，則蛋白質(zhì)分子量范圍大約是4 000440 000 Da（4-440 kD）。除某

19、些特殊的環(huán)狀小肽外，寡肽和多肽都是線性分子，仍然保留一個未反應(yīng)的氨基末端（N-末端）和一個竣基末端（C-末在某些蛋白質(zhì)中，N-末端往往被甲酰基或 乙?；忾]；也有些蛋白質(zhì)的C-末端被修 飾成酰胺。Iuo amino acids蛋白質(zhì)中的氨基酸是通過肽鍵連接Prplicle bondRemoval l a water molecule.formation of the （：（ Nl IAmino endCarboxyl end圖 2-11一條多肽鏈的模式結(jié)構(gòu)如下所示(圖2-12)。模式結(jié)構(gòu)顯示, 每種多肽或蛋白質(zhì)都有相同的主鏈(backbone)，而每種多肽 或蛋白質(zhì)之間的差別則表現(xiàn)在多肽鏈中的

20、氨基酸殘基順序的不 同。MainFigure 6-3 Extended conformation of a polypeptide The backbone is shown a series of planar peptide groups |Figure copyrighted by Irving Geis返IE圖2-12二.肽的性質(zhì)1. 肽鍵可被水解（酸，堿，酶）2. 肽的解離性質(zhì)肽是一類多聚兩性電解質(zhì)，隨環(huán)境pH的變化，可以電 離成帶正電荷、負(fù)電荷或者凈電荷為霎等不同的狀態(tài)。每一 種多肽都有其等電點(diǎn)，可通過酸械滴定曲線確定。等電點(diǎn)的差別反映出它們的氨基酸組成不同和側(cè)鏈可電離 基團(tuán)的種類

21、和性質(zhì)的差別。多肽、蛋白質(zhì)的酸堿滴定曲線比氨基酸復(fù)雜，多肽鏈 形成特定的空間結(jié)構(gòu)，使每個可電離基團(tuán)的PK值發(fā)生改 變，是基團(tuán)鄰近產(chǎn)生的溶劑效應(yīng)以及氫鍵的形成都影響 每個可電離基團(tuán)的pK值。氨基酸或肽Pk1Pk2Ala2. 349. 69AlaAla3. 128. 30A1 aA1 aA1 a3. 398. 03Ja (Ala) nAla nM43. 427. 94思考題1氨基酸的a -COOH的pK值接近2. 0, a -NH3的pK值接近9. 0, 成肽后，a -C00H的pK值接近3. 8, a -NH3的pK值接近7. 8, 如何解釋？三 生物活性肽所有星物體內(nèi)部都存在多種。并具有相應(yīng)的

22、生物活性，功能不是完全清楚；通常統(tǒng)稱為生物活性肽。它 們在組成、結(jié)構(gòu)，大小等存在很大差異。有呈環(huán)形，分支， 有的含D-氨基酸或氨基酸類似物。（p32-33）（圖2-13）四.蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)水平可分為：一級、二級、三級、四級結(jié)構(gòu)。Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg(a 舒緩肽ISS1CyK-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly-NHa人加壓素心H 卑；- CNCCN r nh2 Pyroglutamate His Prolinamide(c)H2CCH2o、N七 oH HO促甲狀腺激索釋放因子CH2CH* 、HTCH燉 pu rtxme

23、) (iweH)Nib 八CHt CXOCHi H嚴(yán) AHC Lnv HLp8Lrtybiphetiyialanyl methyl Mter(Nature) A ZaA 他Q1只恢負(fù)了 1呀我國科學(xué)求仏1959年夏天兄弟位童相敦出丁賽個科m W*7*年.ttTl9581:的片斡及（上點(diǎn)）生物化學(xué)硬lift的結(jié)品由聲條變性的込C 話力的康合域映制當(dāng)了 上進(jìn)步證明：丈飲& 狀鏈所絶形或的所N(CH3)2Polypeptidel-Dimethylaminonaphthalenc Ssulfonyl chloride (dansyl chloride)I OH-r h( iN(CH3)2? 和?NHCH C NH CH C NHCH CN(CHa)2Dansyl polypeptide圖2-14淤71 ?川+卜NHCH C OH + H3NCH COOH +H3NCH COOH + Dansylamino acidFree amino acids(fluorescent)返回Fipifr 5-13. The dansyl chloride reaction. The reaction o( dansyl chlondc vnh prinurv ammo groups is used fo