天津大学生物化学课件Lecture02AminoAcidsPeptide

1、第一章第一章 蛋白质化学蛋白质化学 氨基酸氨基酸 肽肽 蛋白质蛋白质蛋白质的组成蛋白质的组成 蛋白质是生物体的细胞和组织的主要组成蛋白质是生物体的细胞和组织的主要组成成分成分, 也是生物体形态结构的物质基础也是生物体形态结构的物质基础 催化生物体内所有化学反应的酶，绝大多催化生物体内所有化学反应的酶，绝大多数是蛋白质数是蛋白质 蛋白质一般含碳蛋白质一般含碳5055%, 氢氢68%, 氧氧2023%, 氮氮1518%, 硫硫04%, 有的还含有有的还含有磷、铁、锌、铜、钼、碘等元素磷、铁、锌、铜、钼、碘等元素蛋白质蛋白质 蛋白质是由许多不同的蛋白质是由许多不同的-氨基酸按一定的序列氨基酸按一定的

2、序列通过酰胺键缩合而成通过酰胺键缩合而成, 具有较稳定的构象并具有具有较稳定的构象并具有一定生物功能的生物大分子一定生物功能的生物大分子H2N HCCNHCHCHNOR1OR2HCCHN HCCOHR3ORnO天然氨基酸结构天然氨基酸结构CCOOHH2NRHside chain(侧链侧链)carboxylic group(羧基羧基)-hydrogen（-氢）氢）amino group(氨基氨基)-carbon-碳碳天然氨基酸两种结构形式天然氨基酸两种结构形式非离子形式非离子形式 两性离子形式两性离子形式Nonionic form Zwitterion formCCOOHH2NRHCCOO-H3

3、NRH二十种二十种标准标准氨基酸氨基酸(一一) 甘氨酸甘氨酸 丙氨酸丙氨酸 缬氨酸缬氨酸 亮氨酸亮氨酸 异亮氨酸异亮氨酸CCOO-H3NHHGlycine (Gly) GCCOO-H3NCH3HAlanine (Ala) ACCOO-H3NCHHValine (Val) VH3CCH3CCOO-H3NCH2HLeucine (Leu) LCHCH3H3CCCOO-H3NCHHIsoleucine (Ile) IH3CCH2CH3Aliphatic amino acids二十种二十种标准标准氨基酸氨基酸(二二) 丝氨酸丝氨酸 半胱氨酸半胱氨酸 苏氨酸苏氨酸 蛋氨酸蛋氨酸CCOO-H3NCH2HS

4、erine (Ser) SOHCCOO-H3NCH2HCysteine (Cys) CSHCCOO-H3NCHOHHThreonine (Thr) TCH3CCOO-H3NCH2HMethionine (Met) MCH2SCH3Amino acids with hydroxyl- or sulfur-containing side chains二十种二十种标准标准氨基酸氨基酸(三三) 苯丙氨酸苯丙氨酸 酪氨酸酪氨酸 色氨酸色氨酸 脯氨酸脯氨酸CCOO-H3NCH2HPhenylalanine (Phe) FCCOO-H3NCH2HTyrosine (Tyr) YCCOO-H3NCH2HTry

5、ptophan (Trp) WCCOO-H2NCH2HProline (Pro) POHNHH2CCH2Aromatic amino acidsCyclic amino acid二十种二十种标准标准氨基酸氨基酸(四四) 组氨酸组氨酸 赖氨酸赖氨酸 精氨酸精氨酸CCOO-H3NCH2HHistidine (His) HCCOO-H3NCH2HLysine (Lys) KCH2CCOO-H3NCH2HArginine (Arg) RCH2NHHNCH2CH2NH3CH2NHCNH2NH2Basic amino acids二十种二十种标准标准氨基酸氨基酸(五五)天冬氨酸天冬氨酸 谷氨酸谷氨酸 天冬酰

6、胺天冬酰胺 谷氨酰胺谷氨酰胺CCOO-H3NCH2HAspartic acid (Asp) DCCCOO-H3NCH2HGlutamic acid (Glu) ECH2CCOO-H3NCH2HAsparagine (Asn) NCCCOO-H3NCH2HGlutamine (Gln) QCH2COO-COO-ONH2Acidic amino acidsONH220种标准氨基酸的结构特点小结种标准氨基酸的结构特点小结 都是都是-氨基酸，都可看作是甘氨酸的衍生氨基酸，都可看作是甘氨酸的衍生物，不同的是侧链物，不同的是侧链；除了甘氨酸外，也都可；除了甘氨酸外，也都可看作是丙氨酸的衍生物看作是丙氨酸的

7、衍生物 只含有只含有C、H、O、N和和S五种元素五种元素 -氨基参与成环的只有脯氨酸氨基参与成环的只有脯氨酸CCOO-H2NCH2HH2CCH2Proline (Pro) P脯氨酸脯氨酸20种种标准标准氨基酸的名称和缩写氨基酸的名称和缩写(一一)中文名中文名英文名英文名三字缩写三字缩写单字缩单字缩写写丝氨酸丝氨酸SerineSerS半胱氨酸半胱氨酸CysteineCysC组氨酸组氨酸HistidineHisH缬氨酸缬氨酸ValineValV异亮氨酸异亮氨酸IsoleucineIleI蛋氨酸蛋氨酸MethionineMetM20种种标准标准氨基酸的名称和缩写氨基酸的名称和缩写(二二)中文名中文名

8、英文名英文名三字缩写三字缩写单字缩单字缩写写丙氨酸丙氨酸AlanineAlaA天冬氨酸天冬氨酸 Aspartic acidAspD天冬酰胺天冬酰胺 AsparagineAsnN精氨酸精氨酸ArginineArgR20种种标准标准氨基酸的名称和缩写氨基酸的名称和缩写(三三)中文名中文名英文名英文名三字缩三字缩写写单字缩单字缩写写甘氨酸甘氨酸GlycineGlyG谷氨酸谷氨酸Glutamic acidGluE谷氨酰胺谷氨酰胺 GlutamineGlnQ20种种标准标准氨基酸的名称和缩写氨基酸的名称和缩写(四四)中文名中文名英文名英文名三字缩三字缩写写单字缩写单字缩写苏氨酸苏氨酸ThreonineT

9、hrT色氨酸色氨酸TryptophanTrpW酪氨酸酪氨酸TyrosineTyrY20种种标准标准氨基酸的名称和缩写氨基酸的名称和缩写(五五)中文名中文名英文名英文名三字缩三字缩写写单字缩单字缩写写亮氨酸亮氨酸LeucineLeuL赖氨酸赖氨酸LysineLysK脯氨酸脯氨酸ProlineProP苯丙氨酸苯丙氨酸 PhenylalaninePheF20种种标准标准氨基酸的名称和缩写氨基酸的名称和缩写(六六) 单字缩写未用的六个字母单字缩写未用的六个字母 B J O U X ZJOB ZUX在蛋白质中发现的非标准氨基酸在蛋白质中发现的非标准氨基酸HNH2CCCH2CCOOHHHOHCH3NHCO

10、OHCH2CHCNCHNHH3CCH3NHCOOHCH2CHHOOCCOOHCH3NHCOOHCH2OPO3H24-Hydroxyproline 3-Methylhistidine -Carboxyglutamic Phosphotyrosine都可看作标准氨基酸的修饰物都可看作标准氨基酸的修饰物在蛋白质中未发现的氨基酸在蛋白质中未发现的氨基酸CH2COOHCH2NH3CH2COOHCH2CH2NH3CCOOHCH2CH2CH2H3NHNH3CCOOHCH2CH2CH2H3NHNHH2NO -Alanine -Aminobutyric acidOrnithineCitrulline鸟氨酸鸟氨酸

11、 瓜氨酸瓜氨酸Urey-Miller experimentMiller, S. L., et al. Science 117, 528 (1953)CH4 NH3 H2O H2aminoacidUrey-Miller experiment resultsThe two-dimensional paper chromatogram of the amino acids produced from the sparkingexperiment. spots. 1 = Aspartic acid; 2 = glycine; 3 = -alanine; 4 = -alanine; and 5 = -a

12、mino-n-butyricacid. Spots labeled A and B where not identified. Miller, S. L., et al. Science 117, 528 (1953)手性The Mirror of Venus (1898), Sir Edward Burne-Jones/Museu Calouste Gulbenkian Lisbon/The Bridgeman Art Library氨基酸的手性氨基酸的手性 L-甘油醛甘油醛 D-甘油醛甘油醛 L-丝氨酸丝氨酸 D-丝氨酸丝氨酸CHOHCHOCH2OHCHOHCHOCH2OHCH2NHCOO

13、HCH2OHCHNH2COOHCH2OH表示手性分子的表示手性分子的(R,S)系统系统CHHOCHOCH2OHOHOHCCH2OHHL-Glyceraldehyde(S)-GlyceraldehydeCOHHCHOCH2OHOHHOH2CCHOHD-Glyceraldehyde(R)-Glyceraldehyde氨基酸的氨基酸的(R,S)系统表示系统表示CHH3NCOO-CH3NH3-OOCCH3HL-Alanine(S)-AlanineCHH3NCOO-CH2SHNH3-OOCCH2SHHL-Cysteine(R)-Cysteine20种种标准标准氨基酸的手性小结氨基酸的手性小结 构成生命体

14、中蛋白质的构成生命体中蛋白质的20种种标准标准氨基酸除甘氨酸外都具有手性，氨基酸除甘氨酸外都具有手性，而且而且-碳均为碳均为L-构型构型(除半胱氨酸除半胱氨酸外，又都为外，又都为S-构型）构型） 哥德巴赫猜想哥德巴赫猜想：任何大于任何大于4的偶数的偶数都可表示为两个素数之和。都可表示为两个素数之和。来自陨石的氨基酸来自陨石的氨基酸Amino acids found in Murchison meteorite, which struck the Earth on September 28, 1969, near Murchison, Australia. These amino acids h

15、ave an L-enantiomeric excess of 2-9%. Cronin, J. R. & Pizzarello, S. Enantiomeric excesses in meteoritic amino acids. Science 275, 951-955 (1997)CH3CH2CHCCOOHNH3H3CH3C2-amino-2,3-dimethyl-pentanoic acidCH3CH2CCOOHNH3H3CCH2CH2CCOOHNH3H3CCH3Isovaline -Methynorvaline氨基酸的手性放大氨基酸的手性放大D-PheL-Phe (1% e

16、e)水溶液水溶液缓慢蒸发缓慢蒸发D-PheL-Phe (40% ee)溶液溶液D-PheL-Phe消旋晶体消旋晶体D-PheL-Phe (90% ee)溶液溶液缓慢蒸发缓慢蒸发Breslow, R. & Levine, M. R. PNAS 103, 12979-12980 (2006).氨基酸的性质氨基酸的性质 理化性质理化性质 等电点等电点 光谱性质光谱性质 检测检测氨基酸的重要理化性质氨基酸的重要理化性质 -氨基酸为无色晶体氨基酸为无色晶体, 熔点极高熔点极高, 一般在一般在200C以上。以上。 溶于水、稀酸和稀碱溶于水、稀酸和稀碱, 但不溶于有机溶剂，但不溶于有机溶剂，因此通常

17、可用酒精把氨基酸从溶液中沉淀因此通常可用酒精把氨基酸从溶液中沉淀出来。出来。 氨基酸是两性电解质氨基酸是两性电解质氨基酸的酸碱平衡氨基酸的酸碱平衡 K1-OHH+ K2-OHH+CHCOOHNH3RCHCOO-NH3RCHCOO-NH2RHenderson-Hasselbalch EquationH+ + A-Ka = H+ A- / HApH = pKa + lg(A- / HA)HA甘氨酸的滴定曲线甘氨酸的滴定曲线H3NCH2COOHH3NCH2COO-H2NCH2COO-pK1pK2-H+-H+H+H+组氨酸的滴定曲线组氨酸的滴定曲线二十种二十种标准标准氨基酸氨基酸(四四) 组氨酸组氨酸

18、 赖氨酸赖氨酸 精氨酸精氨酸CCOO-H3NCH2HHistidine (His) HCCOO-H3NCH2HLysine (Lys) KCH2CCOO-H3NCH2HArginine (Arg) RCH2NHHNCH2CH2NH3CH2NHCNH2NH2Basic amino acids二十种二十种标准标准氨基酸氨基酸(五五)天冬氨酸天冬氨酸 谷氨酸谷氨酸 天冬酰胺天冬酰胺 谷氨酰胺谷氨酰胺CCOO-H3NCH2HAspartic acid (Asp) DCCCOO-H3NCH2HGlutamic acid (Glu) ECH2CCOO-H3NCH2HAsparagine (Asn) NCC

19、COO-H3NCH2HGlutamine (Gln) QCH2COO-COO-ONH2Acidic amino acidsONH2氨基酸的等电点氨基酸的等电点 当调节氨基酸溶液的当调节氨基酸溶液的pH，使氨基，使氨基酸所带净电荷为零，在电场中既酸所带净电荷为零，在电场中既不向阴极移动也不向阳极移动，不向阴极移动也不向阳极移动，此时氨基酸溶液的此时氨基酸溶液的pH值称为该氨值称为该氨基酸的等电点，以符号基酸的等电点，以符号pI表示表示 氨基酸的等电点可由其分子上解氨基酸的等电点可由其分子上解离基团的解离常数来计算离基团的解离常数来计算丙氨酸的等电点丙氨酸的等电点等电点的等电点的pH值值 pI =

20、 (pK1 + pK2)/2 = (2.34 + 9.69)/2 = 6.02 K1-OHH+ K2-OHH+CHCOOHNH3CH3CHCOO-NH3CH3CHCOO-NH2CH3天冬氨酸的等电点天冬氨酸的等电点 K1-OHH+ K2-OHH+CHCOOHNH3CH2CHCOO-NH3CH2CHCOO-NH3CH2COOHCOOHCOO-CHCOO-NH2CH2COO- K3-OHH+pI = (pK1 + pK2)/2 =(1.88 + 3.65)/2 = 2.77赖氨酸的等电点赖氨酸的等电点pI = (pK2 + pK3)/2 =(8.95 + 10.53)/2 = 9.74 K1-OH

21、H+ K2-OHH+CHCOOHNH3(CH2)4CHCOO-NH3(CH2)4CHCOO-NH2(CH2)4NH3NH3NH3CHCOO-NH2(CH2)4NH2 K3-OHH+等电点的应用等电点的应用 在等电点时，氨基酸的溶解度最在等电点时，氨基酸的溶解度最小，容易沉淀，此性质可用于分小，容易沉淀，此性质可用于分离及制备某些氨基酸离及制备某些氨基酸 各种氨基酸的等电点不同，可以各种氨基酸的等电点不同，可以通过电泳法、离子交换法进行氨通过电泳法、离子交换法进行氨基酸混合物的分离或制备基酸混合物的分离或制备各种氨基酸在各种氨基酸在25时时pI近似值近似值氨基酸氨基酸pI氨基酸氨基酸pI氨基酸氨

22、基酸pI甘氨酸甘氨酸5.97半胱氨酸半胱氨酸5.07精氨酸精氨酸10.76丙氨酸丙氨酸6.0蛋氨酸蛋氨酸5.74苯丙氨酸苯丙氨酸 5.48缬氨酸缬氨酸5.96天冬氨酸天冬氨酸2.77酪氨酸酪氨酸5.66亮氨酸亮氨酸5.98天冬酰胺天冬酰胺5.41色氨酸色氨酸5.89异亮氨酸异亮氨酸6.02谷氨酸谷氨酸3.22组氨酸组氨酸7.59丝氨酸丝氨酸5.68谷氨酰胺谷氨酰胺5.65脯氨酸脯氨酸6.30苏氨酸苏氨酸6.18赖氨酸赖氨酸9.74羟脯氨酸羟脯氨酸 5.83氨基酸的光谱性质氨基酸的光谱性质-红外、紫外红外、紫外 氨基酸在可见光区无吸收，几个氨基酸在氨基酸在可见光区无吸收，几个氨基酸在紫外区有吸收

23、，所有氨基酸在红外区都有紫外区有吸收，所有氨基酸在红外区都有吸收吸收 只有芳香氨基酸如苯丙氨酸，色氨酸和酪只有芳香氨基酸如苯丙氨酸，色氨酸和酪氨酸在氨酸在250nm以上有吸收以上有吸收 芳香氨基酸还展示弱的荧光，尤其是色氨芳香氨基酸还展示弱的荧光，尤其是色氨酸能发出磷光酸能发出磷光芳香氨基酸的紫外光谱芳香氨基酸的紫外光谱缬氨酸的氢谱缬氨酸的氢谱H3NCCOOHHCHCH3H3Caabcdabcd苯丙氨酸的氢谱苯丙氨酸的氢谱H3NCCOOHHCH2C6H5abcdabcd氨基酸混合物的分离和分析氨基酸混合物的分离和分析 根据氨基酸不同的物理和化学性质，特别根据氨基酸不同的物理和化学性质，特别是离

24、子化行为和溶解度方面的差异，可以是离子化行为和溶解度方面的差异，可以建立不同的分析分离方法建立不同的分析分离方法 氨基酸的色谱分离分析，就是根据氨基酸氨基酸的色谱分离分析，就是根据氨基酸在两相中的分配系数不同，使其在两相中在两相中的分配系数不同，使其在两相中反复分配从而达到分离分析的目的，最常反复分配从而达到分离分析的目的，最常用的是高压液相色谱（用的是高压液相色谱（HPLC）色谱柱分离氨基酸色谱柱分离氨基酸离子交换色谱离子交换色谱SO-OOO CH2O-OStrongly acidic, polystyrene resin(Dowex-50)Weakly acidic, carboxymethyl(CM) celluloseCation exchange mediaCH2NCH3CH3CH3O CH2CH2NCH2CH3HCH2CH3Strong basic, polystyrene resin(Dowex-1)Weakly basic, diethylaminoethyl(DEAE) celluloseAnion exchange media离子交换柱分析氨基酸离子交换柱分析氨基酸Ion exchange column: Ambe