生物化學(xué)課件-1蛋白質(zhì)化學(xué)

ProteinChemistry

1Amino

acidsTo

teach

is

not

to

fill

a

vase

but

to

light

a

fire（一）蛋白質(zhì)的水解蛋白質(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，最終得到各種氨基酸的混合物。所以說，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。CH3

O

CH2OH+

|

||

|+CH3+

|H3N－CH－COO－CH2OH+

|3H

N－CH－COO－H3N－CH－C－N－CH－COO－|H1、酸水解一、蛋白質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位—氨基酸常用6mol/L的鹽酸或4mol/L的硫酸，回流煮沸20小時左右可使蛋白質(zhì)完全水解。優(yōu)點：不引起消旋作用，得到的是L-氨基酸。缺點：是色氨酸完全被沸酸破壞；羥基氨基酸(絲氨酸或蘇氨酸)有一小部分被分解；天門冬酰胺和谷氨酰胺酰胺基被水解成了羧基。2、堿水解一般用5mol/L氫氧化鈉煮沸10-20小時。優(yōu)點：可使蛋白質(zhì)完全水解，色氨酸在水解中不受破壞。缺點：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，其產(chǎn)物是D-型和L-型氨基酸的混合物。3、酶水解優(yōu)點：不會破壞氨基酸，也不會發(fā)生消旋化。缺點：使用一種酶往往水解不徹底，需要多種酶協(xié)同作用才能使蛋白質(zhì)完全水解。另外所需時間較長。最常見的蛋白水解酶有以下幾種：胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶、嗜熱菌蛋白酶等。異構(gòu)體中取代基團(tuán)在空間的相對取向，不同的構(gòu)型如果沒有共價鍵的破裂是不能互變的。（二）α-氨基酸的一般結(jié)構(gòu)-氨基酸的分子構(gòu)型構(gòu)型指在具有相同結(jié)構(gòu)式的the

α-carbon

atom

is

chiral,

or

asymmetric,since

it

has

fourdifferent

groups

bonded

to

it.構(gòu)型：根據(jù)甘油醛構(gòu)型確定D型和L型根據(jù)甘油醛原則確定構(gòu)型；自然界的氨基酸有兩種構(gòu)型，D構(gòu)型和L構(gòu)型；構(gòu)型和旋光方向沒有必然聯(lián)系；3.

組成蛋白質(zhì)的氨基酸都是L型(L-type)，除甘氨酸外都有旋光性，用L-AA表示。CHO|HCOH|HCHOHCOOH|HCNH2|RD型CHO|HOCH|HCHOHCOOH|H2NCH|RL型D型L型Cα+H3NHR_COOL-氨基酸的結(jié)構(gòu)通式α-碳原子，除甘氨酸外均為不對稱碳原子；α-氨基，與α-碳原子直接相連的氨基，帶正電荷或不帶電荷；α-羧基，與α-碳原子直接相連的羧基，帶負(fù)電荷或不帶電荷；R側(cè)鏈，與α-碳原子直接相連的基團(tuán)，是氨基酸分類的依據(jù)。根據(jù)來源分：內(nèi)源氨基酸和外源氨基酸；從營養(yǎng)學(xué)角度分：必需氨基酸和非必需氨基酸；這些體內(nèi)需要而又不能自身 ，必須由食物供應(yīng)的氨基酸，稱為營養(yǎng)必需氨基酸。必需氨基酸有八種：MetTrpLysValIleLeuPheThr“假設(shè)來借—兩本書”營養(yǎng)必需氨基酸：組氨酸、精氨酸；（對嬰兒是必需）半必需氨基酸：半胱氨酸、酪氨酸；根據(jù)是否組成蛋白質(zhì)來分：蛋白質(zhì)中常見氨基酸、蛋白質(zhì)中稀有氨基酸和非蛋白氨基酸。二、氨基酸分類（一）常見的蛋白質(zhì)氨基酸按R基的極性性質(zhì)可以分成以下4組：非蛋白質(zhì)氨基酸蛋白質(zhì)氨基酸(20種)酸性氨基酸天冬氨酸谷氨酸賴氨酸精氨酸組氨酸極性氨基酸非極性氨基酸甘氨酸絲氨酸蘇氨酸半胱氨酸酪氨酸天冬酰胺谷氨酰胺丙氨酸亮氨酸異亮氨酸苯丙氨酸甲硫氨酸色氨酸脯氨酸纈氨酸氨基酸中性氨基酸堿性氨基酸丙氨酸纈氨酸甘氨酸AlanineValineGlycineAla,AVal,VGly,G6.025.975.97COO－+

|H3N－C－H|CH3COO－+

|H3N－C－H|H3C－C－H|CH3COO－+

|H3N－C－H|H1.非極性氨基酸(non-polarity

amino

acids)亮氨酸異亮氨酸苯丙氨酸脯氨酸leucineisoleucinePhenylalanineProlineLeu,LIle,IPhe,FPro,P5.986.025.486.30COO－+

|H3N－C－H|CH2|H3C－C－H|CH3COO－+

|H3N－C－H|H3C－C－H|CH2|CH3COO－+

|H3N－C－H|CH2|+H2CCH2CH2COO－|H2N

C－H2.

極性中性氨基酸（不帶電荷）Polarity

amino

acids,

nonecharged色氨酸酪氨酸半胱氨酸甲硫(蛋)氨酸TryptophanTyrosineCysteineMethionineTrp,WTyr,YCys,CMet,M5.895.665.025.75COO－+

|H3N－C－H|CH2|COO－+

|H3N－C－H|CH2||OHCOO－+

|H3N－C－H|CH2|SHCOO－+

|H3N－C－H|CH2|CH2|S|CH3天冬酰胺谷氨酰胺蘇氨酸絲氨酸asparagineGlutamineThreonineSerineAsn,NGln,QThr,TSer,S5.415.656.535.68COO－+

|H3N－C－H|CH2|CH2|C

＝O|NH2COO－+

|H3N－C－H|CH2|C

＝O|NH2COO－+

|H3N－C－H|CH2|OHCOO－+

|H3N－C－H|H－C－OH|CH33.酸性氨基酸(帶負(fù)電荷)Acidic

amino

acids,

negative-charged天冬氨酸

Aspartic

acidAsp,D2.97谷氨酸

Glutamic

acidGlu,E3.22COO－+

|H3N－C－H|CH2|COO－COO－+

|H3N－C－H|CH2|CH2|COO－組氨酸賴氨酸精氨酸HistidinelysineArginineHis,HLys,KArg,R7.599.7410.76COO－+

|H3N－C－H|CH2|CH2|CH2|CH2|+NH3COO－+

|H3N－C－H|CH2|CH2|CH2|NH|

+C＝NH2|NH2COO－+

|H3N－C－H|CH2|N:HN4.堿性氨基酸(帶正電荷)Basic

amino

acids,

positive

charged脯氨酸（亞氨基酸）+H2CCH2CH2COO－|H2N

C－HCOO－+

|H3N－C－H|CH2|SHCOO－+

|H3N－C－H|CH2|SH+胱氨酸CystineCOO－+

|H3N－C－H|CH2|SCOO－+

|H3N－C－H|CH2|S幾種特殊氨基酸Polarity

of

amino

acidsPOLARNON-POLARTyrHisGlyAcidic

Neutral

BasicGluGlnCysAsp

AsnThrLysSer

ArgAlaValIleLeuMetTrpPhePro+H2NH2CCH2CHCOO－|C－HOH4-羥基脯氨酸COO－+

|H3N－C－H|CH2|CH2|CH2|CH2COO－+

|H3N－C－H|CH2|CH2|HO－

CH|CH2|+NH3|NH|CH36-N-甲基賴氨酸

5-羥基賴氨酸COO－+

|H3N－C－H|CH2||OHII3,5-二碘酪氨酸（二）不常見的蛋白質(zhì)氨基酸（三）非蛋白質(zhì)氨基酸H2N－CH2－CH2－COOH-丙氨酸H2N－CH2－CH2－CH2－COOH-氨基丁酸三、氨基酸的酸堿化學(xué)(Ionization

of

Amino

Acids)（一）氨基酸的兩性離子形式(Zwitterionic

form)Cα+H3NHR_COOCα2H

NHRCOOH非解離形式兩性離子形式（二）氨基酸的兩性解離和等電點Ionization

and

isoelectric

point

of

Amino

Acids表觀解離常數(shù)

Apparentdissociation

constantAt

isoelectric

point[R

]

[R

],K1

'

[R

][R

][H

]K2

'

[R

]1[K

'][R

]

[H

][K

'][R

][R

]

2

21

2pI

1

(

pK

'

pK

')＋H＋pK2

'＋OHCOOH＋

|H3N－C－HCOO－＋

|H3N－C－HCOO－|H2N－C－H＋OH＋H＋pK1'|R[R＋]正離子|R[R－]負(fù)離子[R

][H

]|R[R±]兩性離子[R

][H

][H

]2

K

'

K

'1

2氨基酸的等電點（Isoelectric

point,pI）在某一PH值時，氨基酸所帶的靜電荷為零，在電場中既不向陰極移動也不向陽極移動，此時氨基酸所處溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點，常用pI表示。pH>pIaa“－”aa向正極移動pH＜pIaa“＋”aa向負(fù)極移動pH＝pIaa“0”aa不移動用標(biāo)準(zhǔn)NaOH和HCI滴定某氨基酸溶液，用NaOH和HCI的摩爾數(shù)對pH值作圖，所得曲線叫做某氨基酸的滴定曲線。氨基酸的滴定曲線（

Titration

Curves

）BAH＋H＋H＋H＋Amino

acids-COOH-NH2-RGlyGAVL

ISTMFWNQPDEHCYKR2.349.60Ala2.349.69Val2.329.62Leu2.369.68Ile2.369.68Ser2.219.15Thr2.6310.4Met2.289.21Phe1.839.13Trp2.389.39Asn2.028.80Gln2.179.13Pro1.9910.6Asp2.099.823.86Glu2.199.674.25His1.829.176.0Cys1.7110.88.33Tyr2.209.1110.07Lys2.18

8.9510.53Arg2.17

9.0412.48pK1pK1pHpK2[OH－]Two

pKapIpK1＋

pK22pI？Three

pKapK3?pK2?堿性氨基酸（以His為例）00.51.0

1.5

2.0

2.53.04681012pHpK

＝9.17pIHis2①0②

pK1＝1.82③④

pKR＝6.00⑤⑥

2⑦

His－His2＋H＋

H＋His±H＋H＋His＋H＋H＋His2＋His＋His±His—COOH+

|H3N－C－H|CH2|NH+NHCOO－+

|H3N－C－H|CH2|NH+NHCOO－+

|H3N－C－H|CH2|NHN2H

N－C－H2|CH|NHNpK1pKRpK21.826.009.17[

proton

donor]COO－|pH＝pKa＋log

[

proton

accepter]Henderson-Hasselbalch

equation酸性氨基酸（以Glu為例）COO－+

|3H

N－C－H|CH2|CH2|—Glu－

COOCOO－+

|H3N－C－H|CH2|CH2|COOH|COO－pKRCOO－|pK2

H2N－C－H|9.67

CH2|CH2Glu＋|Glu±

COOHCOOH+

|H3N－C－H

pK1|CH2|

2.19CH2Glu2－03.0246810Glutamate21.0

2.0OH－

(equivalents)pH①②pK1=2.19③④

pKR=4.25⑤⑥

pK

=9.67⑦Glu＋Glu－Glu2－H＋H＋H＋H＋Glu±H＋H＋4.25＋Buffer

pHIsoelectric

point,

pI—1098765430

－Net

Charge

of

a

ProteinRelationships

between

buffer

pH

and

net

charge

of

a

protein四、氨基酸的化學(xué)反應(yīng)Chemical

reactions

of

amino

acidsCOOHC

HRH3+Nα-氨基參加的反應(yīng)α-氨基和α-羧基共同參加的反應(yīng)α-羧基參加的反應(yīng)側(cè)鏈R基參加的反應(yīng)在室溫下亞硝酸能與含游離α-氨基的氨基酸起反應(yīng)，定量地放出氮氣，氨基酸被氧化成羥酸(含亞氨基的脯氨酸則不能與亞硝酸反應(yīng))。此法可用于氨基酸定量和蛋白質(zhì)水解程度的測定。這里值得注意的是生成的氮氣(N2)只有一半來自氨基酸。1.

與亞硝酸反應(yīng)NH2|R－CH－COOHOH|R－CH－COOH

＋

N2

＋

H2O＋

HNO22.與2,4-二硝基氟苯的反應(yīng)(Sanger反應(yīng))在弱堿性溶液中，氨基酸的α-氨基很容易與2，4-二硝基氟苯(DNFB)作用，生成穩(wěn)定的黃色2，4-二 基氨基酸(簡寫為DNP-氨基酸)。+DNFB(dinitrofiuorobenzene)氨基酸弱堿中＋

HFDNP-AA(黃色)3.與異硫

酸苯酯反應(yīng)

(Edman反應(yīng))在弱堿性條件下，氨基酸中的α-氨基還可以與異硫酸苯酯

(PITC)反應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)的苯氨基硫甲酰氨基酸(PTC-氨基酸)。在無水酸中，PTC-氨基酸即環(huán)化為苯硫乙內(nèi)酰脲(PTH)，后者在酸中極穩(wěn)定。該反應(yīng)首次被Edman用于鑒定多肽或蛋白質(zhì)的N-末端氨基酸。－N＝C＝S(PITC)Phenylisothiocyanate＋O||H2N－CH－C－OHAmino

acidNC||SPTH-amino

acid苯乙內(nèi)酰硫脲(PTH-AA)NHC||SPTC-amino

acidO||HO－COH－40℃無水HF苯氨基硫甲酰氨基酸(PTC-氨基酸)H＋4.與茚三酮反應(yīng)茚三酮在弱酸性溶液中與α-氨基酸共熱，氨基酸被氧化成醛、CO2和NH3，最后茚三酮與反應(yīng)產(chǎn)物──氨和還原茚三酮發(fā)生作用，生成藍(lán)紫色化合物。兩個亞氨基酸──脯氨酸和羥脯氨酸與茚三酮反應(yīng)形成黃色化合物。CCOC

OCCCOOOHOHH2OH2O水合茚三酮+

2H2OO

+

2NH3

+CCC

C4O-NH

+OC

N

CO

OCCOCCCOOHHONH3CCCOOH+

RCHO

+

NH2

+

CO2OHH2N

CHCOOHRCCCOOC

OOOHOH

+弱酸Ruhemann's

Purpleλmax

=

570nm5.

與丹磺酰氯反應(yīng)(DNS)O

O

O

O||

||

||

||2H

N－CH－||R1C－NH－CH－C－NH－CH－C－NH－CH－C－R2|R3|R4丹磺酰氯(dansyl

chloride)是二甲氨基萘磺酰氯(5-Dimethylamino-1-naphthalenesulfonyl

chloride)的簡稱N(CH3)2||O＝S＝O|ClN(CH3)2||O＝S＝O|O

OO

O||

||

||

||NH－CH－C－NH－CH－C－NH－CH－C－NH－CH－C－|R1|R2|R3R2H2N－CH－COO－

H2N－CH－COO－

H2N－CH－COO－||R4|R3Free

amino

acidsNH－CH－COO—|R1N(CH3)2||O＝S＝O|OH－HCl|R4Dansyl

polypeptideH2O

H+＋Dansylamino

acid(fluorescent)Polypeptide丹磺酰氯有熒光五、氨基酸的旋光性和光吸收1.

氨基酸的旋光性構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸除甘氨酸外，均含有不對稱碳原子，所以除甘氨酸外，所有天然氨基酸含有一個手性-碳原子，因此都具有旋光性。2.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)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力酪氨酸

max＝275nm，苯丙氨酸max＝257nm色氨酸

max＝280nm

蛋白質(zhì)的最大光吸收一般在280nm處.芳香族氨基酸的紫外吸收六、氨基酸的應(yīng)用1、

工業(yè)（1）氨基酸輸液（2）必需氨基酸：蘇氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、賴氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸（3）半必需氨基酸：精氨酸、組氨酸是幼兒所必需的。治療藥劑（1）精氨酸：對治療高氨血癥、肝機(jī)能有效果；等疾病頗（2）天冬氨酸：鉀鎂鹽可用于恢復(fù)疲勞；治療低鉀癥心臟病、肝病、 等。（3）半胱氨酸：能促進(jìn)毛發(fā)的生長，可用于治療禿發(fā)癥；甲酯鹽酸鹽可用于治療支氣管炎等；（4）組氨酸：可擴(kuò)張血管，降低血壓，用于心絞痛，心功能不全等疾病的治療。2、化學(xué)工業(yè)。（1）維生素B6:可采用丙氨酸或天冬氨酸為原料（2）葉酸：需要用谷氨酸為原料

。（3）氨基酸表面活性劑：?；劝彼徕c、十六烷基-

L-賴氨酰-L-賴氨酸甲酯二鹽酸、月桂酰-L-精氨酸乙酯鹽酸等具有較強的抗菌殺菌活性，且無刺激性。（4）聚合氨基酸：聚谷氨酸甲酯可用于作為 皮革的表面處理劑；聚天冬氨酸或聚谷氨酸的二烷基酯與磷酸高級烷基酯結(jié)合得到化合物可作為可塑劑，穩(wěn)定劑等。3、食品工業(yè)營養(yǎng)強化劑；谷氨酸鈉－味精；天冬氨酸鈉：可用于清涼飲料，能增加清涼感并使香味濃厚爽口；天冬氨酰苯丙氨酸甲酯：－甜味素APM4、農(nóng)業(yè)（1）殺蟲劑：刀豆氨酸、5-羥色氨酸可使南方毛蟲拒食而死；半胱氨酸可殺死黃瓜蠅；甘氨酸乙酯衍生的二硫代磷酸鹽具有較強的殺蚜蟲和殺螨效果；（2）殺菌劑：N-月桂酰纈氨酸可作為治療稻瘟??；-1，4環(huán)己二烯丙氨酸能抑制黑穗 、稻瘟病等；（3）除草劑：如N-3,4二氮丙氨酸，硫代氨基酸酯等；5、化妝品工業(yè)氨基酸能調(diào)節(jié)皮膚pH的變動，對細(xì)菌的防護(hù)作用，也可作為皮膚、毛發(fā)的營養(yǎng)成分，增加皮膚、毛發(fā)的光澤。防止皮膚干燥的自然保濕因子的主要成分是甘氨酸、羥基丁氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、絲氨酸等游離氨基酸。在化妝品中添加天冬氨酸或其衍生物以及一些維生素，可防止皮膚老化。Thank

you2.

Relationship

between

the

Titration

Curveand

the

Acid-Base

Properties

of

Glycine.A

100

mL

solution

of

0.1

M

glycine

at

pH

1.72

was

titrated

with

2

MNaOH

solution.

The

pHwas

monitored

and

the

results

were

plotted

on

agraph,

as

shown

at

left.

The

key

points

in

the

titration

are

designated

I

toV.

For

each

ofthestatements

(a)

to

(o),

identify

the

appropriate

key

point

in

the

titration

and

justify

your

choice.Glycine

is

present

predominantly

asthe

species

+H3N-CH2-COOH.The

averagenet

charge

of

glycine

is

+1/2Half

of

the

amino

groups

are

ionized.The

pH

is

equal

to

the

pKa

of

the

carboxyl

group.The

pH

is

equal

to

the

pKa

of

the

protonated

amino

group.(f)

Glycine

has

its um

buffering

capacity.(g)

The

averagenet

charge

of

glycine

is

zero.(h)

The

carboxylgroup

has

been

comple y

titrated

((Ⅰ)(Ⅱ)(Ⅳ)(Ⅱ)(Ⅳ)(ⅡⅣ)(Ⅲ)(Ⅲ)equivalence

point).(i)

Glycine

iscomple y

titrated

(secondequivalence

point).(Ⅴ)(j)

The

predominant

species

is

+H3N-CH2-COOH

(Ⅰ)The

average

net

charge

of

glycine

is

1.

(Ⅰ)Glycine

is

present

predominantly

as

a

50:50mixtureof+H3N-CH2-COOH

and

+H3N-CH2-COO(Ⅱ)－.(m)

This

is

the

isoelectric

point.(n)

This

is of

the

titration.(Ⅲ)(Ⅴ)(o)

These

are

the

worst

pH

regions

for

bufferingpower.

(ⅠⅢⅤ)+1.00-1.0-0.5+0.5pKa＝2.34pKa＝9.60H

＋NCH

COOH3

2H

＋NCH

COO－3

2H2NCH2COO—2.

The

titration

curve

for

histidine

is

shown

below.

The

pKa

values

are

1.8

(--COOH),6.0

(side

chain),

and

9.3

(--NH3+).Draw