氨基酸相关资料

1、氨基酸是一类同时含有氨基和羧基的有机小分子。组成多肽和蛋白质的氨基酸除Gly外，都 属于L型的a-氨基酸（Pro为亚氨基酸）。氨基酸不仅可以作为寡肽、多肽和蛋白质的组成单位或生物活性物质的前体，也可以作为神 经递质或糖异生的前体，还能氧化分解产生ATP目前已发现蛋白质氨基酸有22种，其中20种最为常见，而硒半胱氨酸和吡咯赖氨酸比较罕 见。非蛋白质氨基酸通常以游离的形式存在，作为代谢的中间物和某些物质的前体，具有特 殊的生理功能。22种标准氨基酸可使用三字母或单字母缩写来表示。某些标准氨基酸在细胞内会经历一些 特殊的修饰成为非标准蛋白质氨基酸。氨基酸有多种不同的分类方法：根据R基团的化学结构和在

2、pH7时的带电状况，可分为脂 肪族氨基酸、不带电荷的极性氨基酸、芳香族氨基酸、带正电荷的极性氨基酸和带负电荷的 极性氨基酸；根据R基团对水分子的亲和性，可分为亲水氨基酸和疏水氨基酸；根据对动 物的营养价值，可分为必需氨基酸和非必需氨基酸。氨基酸的性质由其结构决定。其共性有：缩合反应、手性（Gly除外）、两性解离、具有等 电点，以及氨基酸氨基和羧基参与的化学反应，包括与亚硝酸的反应、与甲醛的反应、Sanger 反应、与异硫氯酸苯酯的反应和与茚三酮的反应等。与亚硝酸的反应可用于Van Slyke定氮， 与甲醛的反应可用于甲醛滴定，Sanger反应和与异硫氯酸苯酯的反应可用来测定N-端氨基 酸。只有

3、脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应产生黄色物质，其余生成蓝紫色物质，利用此反应 可对氨基酸进行定性或定量分析。多数氨基酸的侧链可能发生特殊的反应，可以此鉴定氨基 酸。不同氨基酸在物理、化学性质上的差异可用来分离氨基酸，其中最常见的方法是电泳和层析。肽是氨基酸之间以肽键相连的聚合物，它包括寡肽、多肽和蛋白质。氨基酸是构成肽的基本 单位。线形肽链都含有N端和C端，书写一条肽链的序列总是从N端到C端。肽键具有部 分双键的性质，多为反式，也有顺式。酰胺平面中Ca-N单键旋转的角度称为，Ca-C单 键旋转的角度称为e。和e决定了相邻两个肽单位在空间上的相对位置。210个氨基酸残基组成的肽为寡肽，1250个氨基

4、酸残基组成的肽为多肽，由50个以上 的氨基酸残基组成的肽通常被称为蛋白质。天然存在的活性肽有的是在核糖体上合成，有的 在核糖体以外的地方由特定的酶依次催化而成。寡肽的理化性质包括两性解离、双缩脲反应 等。蛋白质的结构一般包括一级结构、二级结构、三级结构和四级结构，二级结构、三级结构和 四级结构被称为高级结构，一种蛋白质的全部三维结构一般被称为它的构象。蛋白质的一级结构是指氨基酸在多肽链上的排列顺序，含二硫键的蛋白质的一级结构还包括 二硫键的数目和位置。蛋白质的二级结构是指多肽链的主链骨架本身在空间上有规律的折叠和盘绕，它是由氨基酸 残基非侧链基团之间的氢键决定的。常见的二级结构有a螺旋、三股螺

5、旋、。折叠、。转角、 。凸起和无规卷曲。a螺旋中肽链骨架围绕一个轴以螺旋的方式伸展，它可能是极性的、疏 水的或两亲的。折叠是肽链的一种相当伸展的结构，有平行和反平行两种。如果0股交替 出现极性残基和非极性残基，那么就可以形成两亲的。折叠。转角指伸展的肽链形成 180的U形回折结构而改变了肽链的方向。凸起是由于0折叠股中额外插入一个氨基酸 残基而形成的，它也能改变多肽链的走向。无规卷曲是在蛋白质分子中的一些极不规则的二 级结构的总称。无规卷曲无固定走向，有时以环的形式存在，但不是任意变动的。从结构的 稳定性上看，右手a螺旋0折叠U型回折无规卷曲，但在功能上，酶与蛋白质的活 性中心通常由无规卷曲充

6、当，a右手螺旋和0折叠一般只起支持作用。蛋白质的三级结构是指多肽链在二级结构的基础上，进一步盘绕、卷曲和折叠，形成主要通 过氨基酸侧链以次级键以及二硫键维系的完整的三维结构。三级结构通常由模体和结构域组 成。稳定三级结构的化学键包括氢键、疏水键、离子键、范德华力、金属配位键和二硫键。 模体可用在一级结构上，特指具有特殊生化功能的序列模体，也可被用于功能模体或结构模 体，相当于超二级结构。结构模体是结构域的组分，基本形式有aa、Oa。和00。等。 常见的模体包括：左手超螺旋、右手超螺旋、卷曲螺旋、螺旋束、a 螺旋-环-a螺旋、 Rossmann卷曲和希腊钥匙模体。结构域是在一个蛋白质分子内的相对

7、独立的球状结构和/或功能模块，由若干个结构模体组 成的相对独立的球形结构单位，它们通常是独自折叠形成的，与蛋白质的功能直接相关。一 个结构域通常由一段连续的氨基酸序列组成。根据其占优势的二级结构元件的类型，结构域 可分为五大类：a结构域、0结构域、a/0结构域、a+0结构域、交联结构域。以上每 一类结构域的二级结构元件可能有不同的组织方式，每一种组织就是一种结构模体。这些结 构域都有疏水的核心，疏水核心是结构域稳定所必需的。确定一个蛋白质的三级结构的方法有X射线晶体衍射和NMR。可以用不同的模型来展示蛋 白质的三维结构，常见的模型有：线框模型、球棍模型、棍式模型、空间填充模型、骨架模 型和丝带

8、模型。具有两条和两条以上多肽链的寡聚蛋白质或多聚蛋白质才会有四级结构。组成寡聚蛋白质或 多聚蛋白质的每一个亚基都有自己的三级结构。蛋白质的四级结构内容包括亚基的种类、数 目、空间排布以及亚基之间的相互作用。驱动四级结构形成或稳定四级结构的作用力包括氢 键、疏水键、范德华力和离子键。具有四级结构的蛋白质具有特殊的优势，不适当的四级结 构的相互作用会影响到某些蛋白质的功能。蛋白质是高度柔性的分子，其柔性是生物功能所必需的。三级结构的柔性允许蛋白质适应它 们的配体。蛋白质柔性随着功能的不同而不同，并不是所有的蛋白质的柔性都一样。蛋白质折叠的基本规律包括：一级结构决定高级结构；蛋白质的折叠伴随着自由能

9、的降低， 但是并不通过随机尝试找到自由能最低的构象；是协同和有序的过程；绝大多数需要分子伴 侣的帮助。某些蛋白质的折叠还需要蛋白质二硫键异构酶和肽基脯氨酸异构酶的帮助。蛋白质折叠经过启动过程形成结构域，再经熔球态中间体最终形成完整的三维结构。蛋白质在溶液中折叠的驱动力有：肽链内的氢键释放水，增加水的熵；疏水侧链倾向聚合以 尽可能减少与水接触的疏水面积；亲水残基面向表面与水接触，增加溶解性。细胞内错误折叠的蛋白质来不及处理就可能导致机体的病变。与蛋白质错误折叠相关的疾病 有阿尔茨海默病、帕金森病和牛海绵状脑病等。蛋白质高级结构可以通过预测来进行研究。与预测蛋白质的三级结构相比，二级结构的预测 要

10、容易一些，因为20多种标准氨基酸残基具有形成不同二级结构的倾向。对于两种主要的 二级结构而言，a螺旋可被视为多肽链的默认二级结构状态，因为a螺旋与0折叠相比具 有熵的优势。目前使用从头计算法预测三维结构还很不成功。获得一种蛋白质精确的三级结 构仍然需要借助于X射线衍射和NMR。可以对蛋白质单独进行功能预测或者与结构预测结 合起来。蛋白质可视为生物功能试剂，几乎每一项细胞活动都牵涉到一种或多种特定的蛋白质。蛋白质的主要功能包括分子识别、酶、分子开关和结构支持。分子识别是蛋白质功能的中心。 配体与蛋白质的特异性结合受到形状、互补性和极性相互作用的控制。蛋白质表面大分子配 体的结合位点可能是凹陷、突

11、起或“平地”；小分子配体的结合位点是裂缝、口袋或空穴。 蛋白质和配体结合的亲和力主要归于无方向性的疏水作用，结合的特异性主要归于具有方向 性的力，如氢键。蛋白质的功能由其特定的三维结构决定。每一种蛋白质都具有特定的结构和特定的功能，高 级结构决定其功能。蛋白质的一级结构决定其高级结构和功能，一级结构相似的蛋白质具有 相似的功能。功能相似的蛋白往往在进化上具亲缘关系，一级结构相似的蛋白质往往具有共 同的起源。许多疾病是由相关的蛋白质结构异常引起的。纤维状蛋白质由几条肽链铰合而成，难溶于水，它们倾向于形成规则的长的曲线结构，这是 由其一级结构的高度规律性决定的。它们的主要功能是在结构或机械上，为生

12、物体提供坚实 的支架。a-角蛋白来源于动物的毛发、角、鸟喙和爪子。每一个a-角蛋白分子在其中央形成典型的 a螺旋，而两端为非螺旋区。两个a-角蛋白分子通过疏水的R基团的结合，相互缠绕形成 双股的卷曲螺旋，这大大地提高了a螺旋的稳定性。链间形成的多个二硫键还可进一步提 高a-角蛋白的强度。0-角蛋白主要来源于蚕丝和蜘蛛丝中的丝心、蛋白，其一级结构具有重复序列GlyAla/Ser -Gly-Ala/Ser;二级结构主要是反平行。折叠Gly和Ala/Ser分别分布于折叠片层的两侧， 使得相邻的0折叠更加紧密地堆积形成网状结构，赋予蛛丝较高的抗张强度，同时a螺旋 又赋予蛛丝一定的柔软性。相邻的。角蛋白

13、之间无共价交联。胶原蛋白是动物细胞外基质的一种成分，其基本组成单位是由3条a链组成的原胶原分子。 原胶原的一级结构具有重复的GlyXY三联体序列。X和Y通常是Pro。胶原蛋白富含 Gly和Pro的性质使得它难以形成a螺旋，但有规律重复的三联体序列促进三条胶原蛋白链 之间形成三股螺旋。球状蛋白质的结构与功能要比纤维状蛋白复杂。属于球状蛋白的珠蛋白家族都含有血红素辅 基，都能够可逆地结合氧气，都含有珠蛋白折叠这样的结构模体。属于这一类家族的有Mb、 Hb、Ngb 和 Cygb。Mb存在于肌肉中，其功能主要是贮存和运输O2，此外还能解除NO的毒性。Mb的分子表 面形成一个深的疏水口袋，血红素“藏”在

14、洞中。该口袋允许O2进入而阻止H2O的进入， 既保证了 Fe2+结合O2又可防止Fe2+的氧化。Mb的氧合曲线是双曲线，这使得它倾向于结 合O2而非释放O2，只有在pO2极低的时候才释放出O2。Hb存在于红细胞，其功能是运输氧气。Hb由四个亚基组成，每个亚基的一、二和三级结构 与Mb相似。Hb氧合曲线因为它与O2结合具有正协同效应而呈S形，只有在pO2很高的 情况下Hb才结合氧气，而pO2 一旦降低，它就释放O2。Hb的正协同效应是指Hb分子中一个亚基结合O2后，可以导致其构象发生变化，使其他亚 基对O2的亲和力突然增强。可使用Hill系数对Hb的正协同效应进行评估：n =1，无协同 效应；n

15、 1，为正协同效应；n 1，为负协同效应。H+、CO2和2，3-BPG等小分子配体对Hb的氧合也产生影响。其中H+和CO2促进Hb释 放O2，这样的效应被称为波尔效应。2, 3-BPG可与脱氧Hb上的位于两条0亚基之间的带 正电荷的空洞结合，稳定T态，显著降低Hb与O2的亲和力，促进Hb在组织中释放O2。 HbS是Hb的突变体，它直接导致镰状细胞贫血。HbS导致溶血的原因在于其0亚基的Glu6 突变成Val6以后，HbS由于疏水键而聚集在红细胞表面使细胞膜破裂。Ngb和Cygb是近期发现的珠蛋白，Ngb主要在脊椎动物的大脑和视网膜细胞中表达，Cygb 几乎在脊椎动物所有的细胞和组织中都能表达。

16、与Mb和Hb不同的是，Ngb和Cygb的血 红素辅基上的铁在没有氧气结合的时候，已有6个配位键，故O2或其他配体需要取代HisE7 形成的配位键后才能与血红素结合。此外，Ngb和Cygb含有链内二硫键。Ig是一类由B淋巴细胞分泌的糖蛋白，可与特异的抗原结合而激发特定的免疫反应。Ig由 2条重链和2条轻链组成，分子内有大量的二硫键。多肽链分为C区和V区。IgG的二级结 构几乎全是0折叠，由无规卷曲连接。IgG的三级结构由12个球形结构域组成，每个均被 二硫键锁住。抗体在结合抗原的前后，其构象从Y型变成T型。生物膜的各种功能是由各种结构不同的膜蛋白完成的。膜蛋白可分为外周蛋白、内在蛋白和 脂锚定蛋

17、白。膜蛋白与非膜蛋白含有相同的二级结构元件，其中a螺旋是最常见的二级结构， 。折叠也时有发现。目前常使用的功能预测法主要包括：基于序列的途径、基于结构的途径、结构与序列比对法、 基于模体的方法和基于“连坐”的功能预测等。蛋白质的基本性质包括：紫外吸收、两性解离、胶体性质、沉淀反应、变性、水解和颜色反 应等。蛋白质的紫外吸收是由三种芳香族氨基酸造成的，最大吸收峰在280 nm，它是测定溶液中 蛋白质含量的快速简便方法。蛋白质也能发生两性解离，具有pI，但不能直接计算，可使用等电聚焦的方法测定，pI处 蛋白质的溶解度最低。一个可溶性蛋白质分子在水中具有电泳、布朗运动、丁达尔现象和不 能通过半透膜等

18、典型的胶体性质。蛋白质分子表面的极性基团很容易吸附水分子，形成水化膜。水化膜的存在使得蛋白质颗粒 彼此不能靠近，增加了蛋白质在溶液中的稳定性，防止它们从溶液中聚集或沉淀出来。凡是能破坏水化膜以及能中和表面电荷的物质均可使蛋白质沉淀。沉淀的蛋白质的方法有： 盐析、pI沉淀、有机溶剂和重金属盐。蛋白质变性是指蛋白质受到某些理化因素的作用，其高级结构被破坏、生物活性随之丧失的 现象。导致蛋白质变性的有物理因素和化学因素。某些蛋白质的变性是可逆的，但大多数蛋 白质的变性是不可逆的。蛋白质变性以后，其理化性质发生一系列的变化。这些变化可以作 为检测蛋白质变性的指标。由于蛋白质折叠状态与去折叠状态的能量差异比较小，所以有时一个点突变就能显著改变一 个蛋白质对热的稳定性。从一些生存在极端环境中得到的蛋白质往往能够抵抗极端因素的作 用，这是因为它们的高级结构中含有更多的次级键。蛋白质在强酸、强碱或蛋白酶的催化下均能够发生水解。根据被水解肽键的位置，蛋白酶可 以分为内切蛋白酶和外切蛋白酶。外切蛋白酶又可以分为氨肽酶和羧肽酶。蛋白质的颜色反应是指蛋白质分子中的肽键或者某些氨基酸的R基团可与某些试剂产生颜 色反应，这些颜