07氨基酸和蛋白质的一级结构02(精)

1、第二章 氨基酸和蛋白质的一级结构一、蛋白质是生物体内的最重要的物质；二、蛋白质的元素组成；三、蛋白质的基本组成单位是氨基酸；四、蛋白质是基因编码的本章主要内容氨基酸的种类和分类；氨基酸的基本性质（聚合，酸碱性，结构，手性及化学功能）；氨基酸的分离和分析方法；肽、蛋白质的共价结构，生物活性肽；蛋白质的一级结构测定和一级结构分析的生物学意义第1节蛋白质概述蛋白质是生物体内的最重要的物质蛋白质约占细胞干重的50%以上；蛋白质与核酸共同构成了生命现象的物质基础，是细胸原生质 的主要成分；催化生物体内几乎所有化学反应的酶是蛋白；抵抗外源性异物侵害而产生免疫反应的抗体是蛋白质；调节物质代谢的许多激素也是蛋

2、白质或多肽；肌肉收缩、物质的运输、结缔保护、病毒对宿主的感染等都是 蛋白质在起作用；胚胎发育、生长、分化和繁殖等都有蛋白质参与。二、蛋白质的元素组成蛋白质主要含有C、H、0、N,S元素。N元素是蛋白质的特征 性元素，根据对大多数蛋白质的N元素分析，其含量相近，一般 在1517% ,平均为16% o三、蛋白质的基本组成单位是氨基酸经水解分析，构成氨基酸的蛋白质约20种，氨基酸借肽键聚 合成蛋白质。四、蛋白质是基因编码的直接参与蛋白质合成的氨基酸在遗传上都存在相应的密码， 这些密码存在于基因的核昔酸顺序中，通过转录成mRNA, mRNA的 编码信息即三联密码子直接决定蛋白质多肽的氨基酸願序。氨基酸

3、(Amino acids )氨基酸的结构通式除脯氨酸外，其它所有氨基酸在结构上都有一个共同的特点即在与竣基相连的a -碳原子上含有一个氨基（图2-1）。结构通式显示，氨基酸的差别表现在侧链R基团上。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.氨基酸的结构和分类：根据氨基酸側链R基的极性，20 种氨基酸可分成4类。1.非极性R基氨基酸.9种 甘氨酸(Glycine, Gly.G), 丙氨酸(Alanine, Ala, A), 缴氨酸(Valine, Vai, V), 亮氨酸(Leucine, Leu, L), 异亮氨酸(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丝気酸(Serine.Ser.S), 苏氨酸(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)图23TryplophaiiiXV/gCH2CH、UH iZH ICOO-Phenylalanine PhcH C C ll2NHTH2-c1 :X / JNHJHI.H-CH,图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带正电荷的极性R基氮基酸：3种赖氨酸(Lys i ne, Lys, K),精氨酸(Arginine, Arg, R), 组氨酸(Histidine, His, H)4带负电荷的极性R基氨基酸：2种: 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.氨基酸的构型：氨基酸的构型是以D-、 L-甘油醛为标准确定的。 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、丙氨酸构型VOHKhbYhH-C-H(a)(b)c)对称分子，非对称分子的立体旋转镜像关系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处 具紫外吸收特性，蛋白质含 有此种氨基酸，可在280nm 处测定蛋白质的含量，并计 算蛋白质的含量。五、氨基酸的酸碱性质1. 氨基酸的两性解离性质氨基酸在水溶液中或在晶体状态下主要以两性离子形式在.作为酸：R-CHCOO R-CH-COO- +|I+ nh3nh2作为碱： R-CII-COO + h+ R-CII-COOIIII+ nh3+

11、 nh3不同PH时中性氨基酸带净电荷状况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条件下可解离成带不同的电荷:COOHICOO-C00I+ H+|-OH-H+N-C-H一； H+3N-C-HH2N-C HI-OH-|+H4IHHH酸性状态(A)两性离子状态(Z)碱性状态2. 氨基酸可解离基团的pK值与等电点(pl)的关系：pl通过酸感満定曲线确定(图2-6)。滴定曲线显示，每种氨基 酸是在其pK

12、a值附近发挥缓冲作用而非在它的pl处。等电点时， 分子净电荷为零，阳离子和阴离子的数目相等。图2-7和图2-8分别是酸性,碱性氨基酸的酸械滴定曲线。中性氨基酸：pl二(pKa + pKa2) 1/2酸性氨基酸：pl二(pKa + pKaR) 1/2碱性氨基酸：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)图26酸性氮基酸：pl= (pKa1 + pKaR)r.noint图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将氨基酸混合物的溶液调至pH3. 0时，氨基酸都带净正电荷。鉴 于各种氨基酸pl差异，其带净正电荷的量不等，在不同PH条件洗脱 时，解离顺序呈规律性：酸性-中性-緘性氨基酸。12-10WWE d1-aniin aock 1Iroliinn nUmmK caoooJrrMithfjMtt TT*oQoo1二二 a-COOH及氨基酸的各种侧链基团可进行

15、多种 化学反应。)1. 氨基的反应：(1).与亚硝酸反应：R CHCOOH + H 02 R CH-COOH + t + H20NH2i)H测定释放的N2体积算出氨基酸的含量，是Van Slyke (范氏)氨 基氮测定方法的基础。(2) .与醛基的反应-生成弱碱的反应(3) .与二硝基氟苯的反应-氨基酸末端反应(颜色反应)；(4) .与苯异硫氨酸的反应-Edeman试机测序反应(产生荧光)；(5) .与二甲氨基蔡-1-磺酰氯(DNS-CI )的反应-酰化，保护氨基 端，成肽反应、末端反应；(6) .成酯和成盐反应例如味精(谷氨酸钠盐)(7) .脱氨基一生成相应的酮酸(生物体内的重要反应)苗三酮

16、(ninhydrin)的反应： 检测和定量氨基酸、蛋白质的重要反应。(脯氨酸是一个亚氨基酸，与苛三酮反应生成的是黄色化合物(入仙)o )Sanger 试剂：2, 4-二硝基氟苯(2, 4-dinitrofluoroberizene, DNFB),弱碱 性溶液中与氨基酸发生取代反应，生成黄色化合物，用于鉴定 蛋白质和多肽的 卜末端氨基酸残基。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、 与氨基酸反应生成荧光性质强和稳定的磺胺 衍生物，多肽链的-N末端 氨基酸的鉴定。(b) H-C-NH： +COOHN(CH,k叫CH2Edman反应：苯异硫W酸酯(phenylisothiocyanate, PITC)在弱碱性条件 下，与氨基酸反应生成苯乙内酰硫腺(PTH)衍生物，是蛋白质 或多肽氨基酸序列测定常用的反应。(c)s2. 竣基的反应：(1) .与碱反应成盐；(2) .与醇轻基反应成酯(保护竣基)；(3) .成肽反应；(4) 脱竣基成一级胺3. 氨基，竣基共同参加的反应：(1) 成肽反应；(2) .与苛三酮的反应一鉴定氨基酸的颜色反应4 侧链R基团的反应思考题1. 哪些氨基酸可以

18、在PH4,PH9,PH7具 有有效的缓冲能力？2. 甘氨酸是乙酸甲基上的氢被氨基取代生成 的，但是，甘氨酸竣基的pKa值比乙酸竣基的 pKa低，为什么?(P21)第3节肽一.肽、肽链和肽键肽（Peptide） 氨基酸与氨基酸之间可以通过a-氨基和a-按 基以共价形成的酰胺键产物。肽键（Peptide bond） : 胺键（图 2-11）。由氨基酸借肽键所形成的一条线性的链状 聚合体。竟基酸残基（re在肽链结构中，每个氨基酸不再完整。o 般长于40 氨基酸残基，或甚至超过4000o若以氨基酸残基平均分子量110 计，则蛋白质分子量范围大约是4 000440 000 Da（4-440 kD）。除某

19、些特殊的环状小肽外，寡肽和多肽都是线性分子，仍然保留一个未反应的氨基末端（N-末端）和一个竣基末端（C-末在某些蛋白质中，N-末端往往被甲酰基或 乙酰基封闭；也有些蛋白质的C-末端被修 饰成酰胺。Iuo amino acids蛋白质中的氨基酸是通过肽键连接Prplicle bondRemoval l a water molecule.formation of the （：（ Nl IAmino endCarboxyl end图 2-11一条多肽链的模式结构如下所示(图2-12)。模式结构显示, 每种多肽或蛋白质都有相同的主链(backbone)，而每种多肽 或蛋白质之间的差别则表现在多肽链中的

20、氨基酸残基顺序的不 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图2-12二.肽的性质1. 肽键可被水解（酸，碱，酶）2. 肽的解离性质肽是一类多聚两性电解质，随环境pH的变化，可以电 离成带正电荷、负电荷或者净电荷为霎等不同的状态。每一 种多肽都有其等电点，可通过酸械滴定曲线确定。等电点的差别反映出它们的氨基酸组成不同和侧链可电离 基团的种类

21、和性质的差别。多肽、蛋白质的酸碱滴定曲线比氨基酸复杂，多肽链 形成特定的空间结构，使每个可电离基团的PK值发生改 变，是基团邻近产生的溶剂效应以及氢键的形成都影响 每个可电离基团的pK值。氨基酸或肽Pk1Pk2Ala2. 349. 69AlaAla3. 128. 30A1 aA1 aA1 a3. 398. 03Ja (Ala) nAla nM43. 427. 94思考题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, 如何解释？三 生物活性肽所有星物体内部都存在多种。并具有相应的

22、生物活性，功能不是完全清楚；通常统称为生物活性肽。它 们在组成、结构，大小等存在很大差异。有呈环形，分支， 有的含D-氨基酸或氨基酸类似物。（p32-33）（图2-13）四.蛋白质的结构水平可分为：一级、二级、三级、四级结构。Arg-Pro-Pro-Gly-Phe-Ser-Pro-Phe-Arg(a 舒缓肽ISS1CyK-Tyr-Ile-Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly-NHa人加压素心H 卑；- CNCCN r nh2 Pyroglutamate His Prolinamide(c)H2CCH2o、N七 oH HO促甲状腺激索释放因子CH2CH* 、HTCH炖 pu rtxme

23、) (iweH)Nib 八CHt CXOCHi H严 AHC Lnv HLp8Lrtybiphetiyialanyl methyl Mter(Nature) A ZaA 他Q1只恢负了 1呀我国科学求仏1959年夏天兄弟位童相敦出丁赛个科m W*7*年.ttTl9581:的片斡及（上点）生物化学硬lift的结品由声条变性的込C 话力的康合域映制當了 上进步证明：丈饮& 狀链所絶形或的所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图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