氨基酸结构与性质

生物化学,氨基酸结构与性质,1.掌握蛋白质的基本构成单体：氨基酸的结构 特点，从各氨基酸的结构特点上理解氨基酸 的分类。2.掌握氨基酸的理化性质，重点掌握两性电离 与等电点含义。3 氨基酸的化学性质及其应用,目的与要求,蛋白质的元素组成,蛋白质是有机化合物，离不开C、H、O三种元素，还含有N、P、S、金属元素等。,含量% ： 5055 67 2023 1517 0.33 微量或无,元素组成 ： C H O N S 其它,蛋白质中N是特征元素，且含量恒定，为16%左右 ，即16克氮/100克蛋白质，故可以用定氮法测量蛋白质含量，即：每100克蛋白质含氮16克，100/16=6.25克蛋白质含氮1克。所以，每克样品含氮量6.25100=100克样品蛋白质含量（克%）。,有些蛋白质含有其他微量元素：P、Fe、Cu、Mn、Zn、Co、Mo、I 等。,一 蛋白质的水解,1.酸水解,条件：510倍的20%的盐酸煮沸回流1624小时，或加压于120水解2小时。,优点：可蒸发除去盐酸，水解彻底，终产物为L-氨基酸，产物单一，无消旋现象。,缺点：色氨酸破坏，并产生一种黑色的物质：腐黑质，水解液呈黑色。,2. 碱水解,条件：4mol/L Ba(OH)2或6mol/L NaOH煮沸6小时。,优点：水解彻底，色氨酸不被破坏，水解液清亮。,缺点：产生消旋产物，破坏的氨基酸多，一般很少使用。,3. 蛋白酶水解,条件：蛋白酶如胰蛋白酶、糜蛋白酶，常温3740， pH值58 。,优点：氨基酸不被破坏，不发生消旋现象。,缺点：水解不完全，中间产物多。,蛋白质酸碱水解常用于蛋白质的组成分析，而酶水解用于制备蛋白质水解产物。,二、蛋白质分子的基本组成单位氨基酸,（一）氨基酸的结构通式：,1、构成蛋白质的氨基酸均为L-氨基酸。2、除R为H（甘氨酸）外，其余氨基酸均具有旋光性。3、各种氨基酸的区别在于侧基R基上。,从氨基酸的结构通式可以看出：,（二）氨基酸的构型：,构成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，均含有-碳原子，在空间各原子有两种排列方式：L-构型与D-构型，它们的关系就像左右手的关系，互为镜像关系，下图以丙氨酸为例：,（三）氨基酸的结构与分类,1、按氨基酸分子中羧基与氨基的数目分：,（1）酸性氨基酸：一氨基二羧基氨基酸，有：天冬氨酸、谷氨酸、（2）碱性氨基酸：二氨基一羧基氨基酸 ，有：赖氨酸、精氨酸、组氨酸（3）中性氨基酸：一氨基一羧基氨基酸，有：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、脯氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸。,2、按侧基R基的结构特点分：,（1）脂肪族氨基酸（2）芳香族氨基酸：苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸（3）杂环氨基酸：脯氨酸、组氨酸,3、按侧基R基与水的关系分：,（1）非极性氨基酸：有丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、脯氨酸。（2）极性不带电氨基酸：甘氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、丝氨酸、苏氨酸。（3）极性带电氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸、赖氨酸、精氨酸、组氨酸。,4、按氨基酸是否能在人体内合成分：,（1）必需氨基酸：指人体内不能合成的氨基酸，必须从食物中摄取，有八种：赖氨酸、色氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苏氨酸。（2）非必需氨基酸：指人体内可以合成的氨基酸。有十种。（3）半必需氨基酸：指人体内可以合成但合成量不能满足人体需要（特别是婴幼儿时期）的氨基酸，有两种：组氨酸、精氨酸。,二十种氨基酸的名称和结构如图所示:,注：二十种氨基酸的结构特点支链氨基酸：缬氨酸、亮氨酸，异亮氨酸含羟基的氨基酸：丝氨酸、苏氨酸含硫的氨基酸：半胱氨酸（含巯基）、 甲硫氨酸（含硫甲基）含苯环的氨基酸：苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸含胍基的氨基酸：精氨酸含咪唑基的氨基酸：组氨酸亚氨基酸：脯氨酸含酰胺的氨基酸：天冬酰胺、谷氨酰胺含吲哚基的氨基酸：色氨酸含-氨基的氨基酸：赖氨酸,（四）蛋白质中不常见的氨基酸,羟-脯氨酸、羟-赖氨酸、-羧基谷氨酸、6-氮-甲基赖氨酸,（五）非蛋白氨基酸,鸟氨酸、胍氨酸、高半胱氨酸、高丝氨酸、-丙氨酸、-氨基丁酸等,三.氨基酸的理化性质,（一）物理性质,1.形态：均为白色结晶或粉末，不同氨基酸的晶型结构不同。2.溶解性：一般都溶于水，不溶或微溶于醇，不溶于丙酮，在稀酸和稀碱中溶解性好。3.熔点：氨基酸的熔点一般都比较高，一般都大于200，超过熔点以上氨基酸分解产生胺和二氧化碳。 4.旋光性：除甘氨酸外的氨基酸均有旋光性。5.光吸收：氨基酸在可见光范围内无光吸收，在近紫外区含苯环氨基酸有光的吸收。,（二）化学性质,1.氨基酸的两性电离及等电点：,氨基酸既含有氨基，可接受H+，又含有羧基，可电离出H+，所以氨基酸具有酸碱两性性质。通常情况下，氨基酸以两性离子的形式存在，如下图所示：,从上图可知：氨基酸在酸性环境中，主要以阳离子的形式存在，在碱性环境中，主要以阴离子的形式存在。在某一pH环境下，以两性离子（兼性离子）的形式存在。该pH称为该氨基酸的等电点。所以氨基酸的等电点可以定义为：氨基酸所带正负电荷相等时的溶液pH。,氨基酸的水溶液既可被酸滴定，又可被碱滴定，应该具有两性电离的性质，现以甘氨酸为例来说明氨基酸两性电离的特点。,左图是甘氨酸的电离酸碱滴定曲线，从左向右是用NaOH滴定的曲线，溶液的pH由小到大逐渐升高；从右向左是用盐酸滴定的曲线，溶液的pH由大到小逐渐降低。曲线中从左向右第一个拐点是氨基酸羧基解离50%的状态，第二个拐点是氨基酸的等电点，第三个拐点是氨基酸氨基解离50%的状态。,通过氨基酸的滴定曲线，可用下列 Henderson-Hasselbalch 方程求出各解离基团的解离常数（pK）：,根据pK可求出氨基酸的等电点，可由其等电点左右两个pK，值的算术平均值求出。,中性氨基酸：,pI=(pK1 + pK2)/2,pK1为-羧基的解 离常数,pK2为-氨基的解 离常数。,氨基酸等电点的计算,二十种氨基酸的pK，及等电点：,2.由-氨基参加的反应：,(1) 与亚硝酸反应：放出氮气，氮气的一半来自氨基氮，一半来自亚硝酸，在通常情况下测定生成的氮气的体积量可计算氨基酸的量，此反应可用于测定蛋白质的水解程度。,(2) 与甲醛的反应：用过量的中性甲醛与氨基酸反应，可游离出氢离子，然后用NaOH滴定，从消耗的碱量可以计算出氨基酸的含量。此法称为间接滴定法。,(3) 与2,4-二硝基氟苯（2,4-DNFB）的反应（Sanger反应）：在碱性条件下生成黄色的二硝基苯-氨基酸衍生物。,(4) 与苯异硫氰酸酯（PITC）反应（Edman反应）：生成苯乙内酰硫脲-氨基酸。,(5) 与丹磺酰氯（DNS-Cl）的反应：碱性环境生成荧光物质DNS-氨基酸。,（3）、(4)、(5)反应用于蛋白质的N-末端的测定。,3.-羧基参加的反应： (1)与碱反应成盐 (2)与醇反应成酯 (3)与酰化试剂反应成酰氯,4.-氨基与-羧基共同参加的反应 与茚三酮的反应：除脯氨酸与羟脯氨酸外，可与其它氨基酸生成蓝紫色化合物。脯氨酸与羟脯氨酸为黄色化合物。,(1)Millon反应：检测Tyr或含Tyr的蛋白质的反应。 Millon试剂：汞的硝酸盐与亚硝酸盐溶液。 产物：红色的化合物。(2)Folin反应：检测Tyr或含Tyr的蛋白质的反应。 Folin试剂：磷钼酸、磷钨酸混合溶液。 产物：蓝色的钼蓝、钨蓝。(3)坂口反应：检测Arg或含Arg的蛋白质的反应。 坂口试剂：萘酚的碱性次溴酸钠溶液。 产物：砖红色的沉淀。,5.侧链反应（颜色反应）：,(4)Pauly反应：检测His、Tyr及含His、Tyr蛋白质的反应。试剂：对氨基苯磺酸盐酸溶液、亚硝酸钠、碳酸钠混合溶液产物：橘红色的化合物。(5) 乙醛酸的反应：检测Trp或含Trp蛋白质的反应。 当Trp与乙醛酸和浓硫酸在试管中叠加时，产生分层现象，界面出现紫色环。(6) Cys的反应：Cys或含Cys蛋白质与亚硝基亚铁氰酸钠在稀氨的溶液中，产生一种红色的化合物。,四.氨基酸的分离测定,（一）层析法,层析法是利用被分离样品混合物中