氨基酸和蛋白质

1、奇妙无穷的 生命有机化学世界第14章 氨基酸、多肽和蛋白质氨基酸(amino acid)：结构、分类、命名和性质（两性电离和等电点、脱羧反应、与亚硝酸发应、显色反应、紫外吸收）。肽的结构和命名蛋白质的分类、结构和性质第一节 氨基酸一、氨基酸的结构、分类和命名自然界已经发现的氨基酸达几百种蛋白质水解后得到的编码氨基酸约20种氨基酸种类：编码氨基酸、修饰氨基酸、非蛋白质氨基酸等。氨基酸的主要官能团为氨基和羧基，且在固态和生理PH下多以离子形式存在，为偶极离子，即内盐。均为-氨基酸，除甘氨酸和脯氨酸外，其他均具有如下结构通式。-氨基酸可变部分不变部分按R的极性可分为非极性氨基酸、极性性氨基酸、酸性氨

2、基酸和碱性氨基酸。构成蛋白质的编码氨基酸除甘氨酸外，其他氨基酸的-碳原子均为手性碳原子，因此氨基酸具有旋光性，比旋光度是氨基酸的重要物理常数之一，是鉴别各种氨基酸的重要依据。氨基酸构型标记可用D/L法或R/S法。生物体内的旋光性氨基酸均为L-构型。组成蛋白质的氨基酸目前发现至少有20种。每个氨基酸在合成蛋白质时都有各自的碱基序列和编码。20种氨基酸分类如下： 脂肪族氨基酸（6种） 芳香族氨基酸（3种） 含硫氨基酸（2种） 含羟基氨基酸（2种） 碱性氨基酸（3种） 酸性氨基酸 （2种） 酰胺氨基酸（2种）编码氨基酸的种类和命名20种编码氨基酸的名称和缩写编码氨基酸的结构 甘氨酸 Glycine

3、脂肪族氨基酸编码氨基酸的结构 脂肪族氨基酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine编码氨基酸的结构 脂肪族氨基酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine编码氨基酸的结构 脂肪族氨基酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine亮氨酸 Leucine编码氨基酸的结构 脂肪族氨基酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine亮氨酸 Leucine异亮氨酸 Ileucine编码氨基酸的结构 脂肪族氨基酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine亮氨酸 Leucine异亮氨酸 Ileucine脯氨酸 P

4、roline编码氨基酸的结构 含硫氨基酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine亮氨酸 Leucine异亮氨酸 Ileucine脯氨酸 Proline甲硫氨酸 - - Methionine编码氨基酸的结构 含硫氨基酸甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine缬氨酸 Valine亮氨酸 Leucine异亮氨酸 Ileucine脯氨酸 Proline甲硫氨酸 - - Methionine半胱氨酸 Cysteine 芳香族氨基酸苯丙氨酸Phenylalanine编码氨基酸的结构 芳香族氨基酸苯丙氨酸Phenylalanine酪氨酸Tyrosine编码氨基酸的结构 芳香族

5、氨基酸苯丙氨酸Phenylalanine酪氨酸Tyrosine色氨酸 Trytophan编码氨基酸的结构 碱性氨基酸精氨酸 Arginine编码氨基酸的结构 碱性氨基酸精氨酸 Arginine赖氨酸 Lysine编码氨基酸的结构 碱性氨基酸精氨酸 Arginine赖氨酸 Lysine组氨酸 Histidine编码氨基酸的结构 天冬氨酸 Aspartate 酸性氨基酸编码氨基酸的结构 天冬氨酸 Aspartate 谷氨酸 Glutamate 酸性氨基酸编码氨基酸的结构 丝氨酸Serine 含羟基氨基酸编码氨基酸的结构 丝氨酸Serine 苏氨酸 Threonine 含羟基氨基酸编码氨基酸的结构

6、天冬酰胺 Asparagine 含酰胺氨基酸编码氨基酸的结构 天冬酰胺 Asparagine谷酰胺 Glutamine 含酰胺氨基酸编码氨基酸的结构修饰氨基酸在少数蛋白质中分离出一些无相应遗传编码，由编码氨基酸经过修饰得到的氨基酸，通常称为修饰氨基酸或衍生氨基酸。其中重要的有4-羟基脯氨酸、5-羟基赖氨酸、N-甲基赖氨酸、和3,5-二碘酪氨酸等。非蛋白氨基酸在自然界蛋白质以外的环境中，还发现一些游离或结合状态的氨基酸、氨基酸、氨基酸和D型氨基酸存在与生物体内。有些是重要的代谢前体和中间体。内盐，晶体，熔点较高（200以上，受热分解不熔融）易溶于强酸、强碱，水中溶解度差别大多有旋光活性，旋光度是

7、鉴别各种氨基酸的重要依据氨基酸的光吸收：在远紫外区(220nm)均有光吸收。在近紫外区(220-300nm)只有酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸有吸收光的能力。不同氨基酸有不同的最大吸收波长和吸收系数。如：酪氨酸的max275nm，275=1.4x103二、氨基酸的性质物 理 性 质二、氨基酸的化学性质1、氨基酸的酸碱两性氨基酸在结晶形态或在水溶液中，以两性离子形式存在(-NH3+ 、 -COO- )。氨基和羧基等酸碱基团的电离使氨基酸具有一定的酸碱性。可用酸碱滴定法测定Pka 值或含量。2、氨基酸的等电点及其应用氨基酸中的羧基和氨基的电离平衡受溶液酸碱度的影响，且方向相反。当溶液浓度为某一pH值时，

8、氨基酸分子中所含的-NH3+和-COO-数目正好相等，净电荷为零。这一pH值即为氨基酸的等电点，简称pI。在等电点时，氨基酸既不向正极也不向负极移动，即氨基酸处于两性离子状态。pI（pKx pKy）/2 pKx、pKy对应于相应的两个可解离基团氨基酸的等电点与电离平衡移动 阳离子 偶极离子 阴离子移向阴极 不移动 移向阳极氨基酸的等电点的应用各种氨基酸由于其组成和结构不同而具有不同的等电点。因此，等电点可以看作是氨基酸的物理常数不同的氨基酸在同一PH值溶液中，所带的电荷种类和电量也都不同。因此，可据此采取电泳法对氨基酸进行分离和鉴定。氨基酸的常用分离技术离子交换层析3、氨基酸的脱羧反应 具备羧

9、基的基本性质： 成盐、成酯、生成酰卤、脱羧反应等生物体内的脱羧反应在脱羧酶催化下进行4、与甲醛发生羟甲基化反应此反应用于氨基酸的甲醛滴定，计算氨基酸的电离常数5、与亚硝酸反应 用途： 范斯来克（Van Slyke)法定量测定氨基酸的基本反应。6、酰化反应 用途：用于保护氨基以及肽链的氨基端测定。7、与羰基反应生成希弗碱 用途：是多种酶促反应的中间过程。8、转（脱）氨基反应说明：酶催化的反应酶酶9、与茚三酮显色反应说明：常用于氨基酸的定性或定量分析亚氨基酸（脯氨酸和羟脯氨酸）呈黄色10、成肽反应是多肽和蛋白质生物合成的基本反应。11、与2，4二硝基氟苯的反应2,4-二硝基氟苯（DNFB）也叫做S

10、anger试剂。DNFB在弱碱性溶液中，生成黄色化合物二硝基苯基氨基酸（DNP氨基酸）。用于氨基酸分析。12、氨基酸与丹酰氯的反应丹磺酰氯与氨基酸反应生成荧光性很强和稳定的磺胺衍生物，常用于微量氨基酸的定量测定、多肽链的N末端氨基酸的鉴定。13、 巯基（-SH）的性质胱氨酸作用：该氧化还原反应可使蛋白质分子中二硫键形成或端裂。半胱氨酸氨基酸输液必需氨基酸：苏氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、赖氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、蛋氨酸半必需氨基酸：精氨酸、组氨酸是幼儿所必需的。医药工业临床治疗药剂精氨酸：对治疗高氨血症、肝机能障碍等疾病颇有效果；天冬氨酸：钾镁盐可用于恢复疲劳；治疗低钾症心脏病、肝病、糖尿病

11、等。半胱氨酸：能促进毛发的生长，可用于治疗秃发症；甲酯盐酸盐可用于治疗支气管炎等；组氨酸：可扩张血管，降低血压，用于心绞痛，心功能不全等疾病的治疗。食品工业营养强化剂；谷氨酸钠味精；天冬氨酸钠：可用于清凉饮料，能增加清凉感并使香味浓厚爽口；天冬氨酰苯丙氨酸甲酯：甜味素APM农 业杀虫剂：刀豆氨酸、5-羟色氨酸可使南方毛虫拒食而死；半胱氨酸可杀死黄瓜蝇；甘氨酸乙酯衍生的二硫代磷酸盐具有较强的杀蚜虫和杀螨效果；杀菌剂：N-月桂酰缬氨酸可作为治疗稻瘟病；-1，4环己二烯丙氨酸能抑制黑穗病毒、稻瘟病等；除草剂：如N-3,4二氮丙氨酸，硫代氨基酸酯等；化妆品工业氨基酸能调节皮肤pH的变动，对细菌有防护作

12、用，也可作为皮肤、毛发的营养成分，增加皮肤、毛发的光泽。防止皮肤干燥的自然保湿因子的主要成分是甘氨酸、羟基丁氨酸、丙氨酸、天冬氨酸、丝氨酸等游离氨基酸。在化妆品中添加天冬氨酸或其衍生物以及一些维生素，可防止皮肤老化。第二节 肽一个氨基酸的-羧基与另一个氨基酸的-氨基缩合，形成的酰胺键，也称为肽键。氨基酸通过肽键连接形成的产物称为肽（peptide）。一、肽的结构肽键：一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羧基之间失水形成的酰胺键称为肽键。氨基酸残基：肽中的氨基酸单位寡肽：由10个以下氨基酸组成的肽称为 寡肽（oligopeptide)二肽、三肽、四肽多肽：由10个以上的氨基酸残基组成的肽称为多肽(p

13、olypeptide)组成肽的氨基酸种类和数量肽链中氨基酸残基的排列顺序肽链形状：环形、开链空间构型和构象肽的结构取决于甘氨酸丙氨酸肽键的特点是氮原子上的孤对电子与羰基具有明显的共轭作用。肽键具有部分双键性质，因而不能自由旋转组成肽键的原子处于同一平面，有顺反两种构型肽键一般呈稳定的反式构型肽键的结构特点肽键的两种构型肽单元：肽键与相邻两个碳原子所组成的基团（CCONHC）称为肽单元。这个单元是一个平面结构，称为肽键平面肽键平面的结构模型肽键平面可以围绕C 旋转肽链中的肽键平面可以围绕-C进行旋转，从而产生肽链的不同构象。这一点对蛋白质的空间构象的形成具有极其重要的意义。二、肽的结构式书写与命

14、名C端氨基酸为母体其他氨基酸残基为取代基，从N端依次称为某氨酰，写在母体名称前。N端（游离的氨基末端）在左C端（游离的羧基末端）在右肽的结构式的书写惯例：肽的命名原则：肽的命名谷胱甘肽三、多肽的性质多肽的两性离解和等电点多肽链的反应（1）多肽链的水解（2）与茚三酮的显色反应鉴别（3）缩二脲反应 紫红色或蓝紫色用于鉴别和含量测定四、 天然存在的重要多肽在生物体中，多肽最重要的存在形式是作为蛋白质的亚单位。但是，也有许多分子量比较小的多肽以游离状态存在。这类多肽通常都具有特殊的生理功能，常称为活性肽。 如：脑啡肽；激素类多肽；抗生素类多肽；谷胱甘肽；蛇毒多肽等。 +H3N-Tyr-Gly-Gly-

15、Phe-Met-COO- Met-脑啡肽 +H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-COO-Leu-脑啡肽神经肽肽激素 L-Leu-D-Phe-L-Pro-L-Val L-Orn L-Orn L-Val-L-Pro-D-Phe-L-Leu短杆菌肽S(环十肽)由细菌分泌的多肽，有时也都含有D-氨基酸和一些不常见氨基酸，如鸟氨酸（Ornithine, 缩写为 Orn）。 短杆菌肽第三节 蛋白质重点内容：结构和性质protein 前 言早在1878年，思格斯就在反杜林论中指出：“生命是蛋白体的存在方式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更新。” 可以看出，第一，蛋白

16、体是生命的物质基础；第二，生命是物质运动的特殊形式，是蛋白体的存在方式；第三，这种存在方式的本质就是蛋白体与其外部自然界不断的新陈代谢。现代生物化学的实践完全证实并发展了恩格斯的论断。 前 言蛋白质存在于所有的生物细胞中，是构成生物体最基本的结构物质和功能物质。蛋白质是生命活动的物质基础，它参与了几乎所有的生命活动过程。蛋白质和多肽之间无严格的界限：相对分子质量在一万以上且有稳定构象的称之为蛋白质。一、蛋白质的组成蛋白质是一类含氮有机化合物，除了含有碳、氢氧、氮以外，还含有少量的硫。氮占生物组织中所有含氮物质的绝大部分。因此，可以将生物组织的含氮量近似地看作蛋白质的含氮量。由于大多数蛋白质的含

17、氮量接近于16%，所以，可以根据生物样品中的含氮量来计算蛋白质的大概含量：蛋白质含量（克%）=每克生物样品中含氮的克数 6.25二、蛋白质的分类（1）依据蛋白质的外形分为：球状蛋白质纤维状蛋白质球状蛋白球状蛋白质（globular protein）外形接近球形或椭圆形，溶解性较好，能形成结晶，大多数蛋白质属于这一类球状蛋白是结构最复杂，功能最多的一类蛋白质。这类蛋白结构紧密，分子的外层多为亲水性残基，能够发生水化；内部主要为疏水性氨基酸残基。因此，许多球蛋白分子的表面是亲水性的，而内部则是疏水性的。典型的球蛋白是血红蛋白。免疫球蛋白G纤维状蛋白质纤维状蛋白质：fibrous protein分子

18、类似纤维或细棒。纤维状蛋白质可分为不溶性(硬蛋白)和可溶性二类，前者有角蛋白、胶原蛋白和弹性蛋白等；后者有肌球蛋白和纤维蛋白原等。（2）依据蛋白质的组成分类：简单蛋白(simple protein) 结合蛋白(conjugated protein)铁硫蛋白简单蛋白又称为单纯蛋白质；这类蛋白质只含由-氨基酸组成的肽链，不含其它成分：清蛋白和球蛋白：albumin and globulin谷蛋白(glutelin)和醇溶谷蛋白(prolamin)精蛋白和组蛋白：碱性蛋白，存在于细胞核。硬蛋白：存在于各种软骨、腱、毛、发、丝等组织中，分为角蛋白、胶原蛋白、弹性蛋白和丝蛋白。简单蛋白结合蛋白结合蛋白：

19、由简单蛋白与其它非蛋白成分结合而成。色蛋白：由简单蛋白与色素物质结合而成。如血红蛋白、叶绿蛋白和细胞色素等。糖蛋白：由简单蛋白与糖类物质组成。如细胞膜中的糖蛋白等。脂蛋白：由简单蛋白与脂类结合而成。 如血清-，-脂蛋白等。核蛋白：由简单蛋白与核酸结合而成。如细胞核中的核糖核蛋白等。（3）依据蛋白质的生理功能分类：保护蛋白 酶蛋白激素蛋白膜蛋白受体蛋白调节蛋白等ATP酶木瓜蛋白酶/组织蛋白酶三、蛋白质的分子结构蛋白质最显著的特征：蛋白质在天然状态下均有其独特而稳定的构象蛋白质的特殊功能和活性取决于：多肽链蛋白多肽链的氨基酸组成、数目、排列次序其特定的空间构象三级结构四级结构二级结构单肽链蛋白 一

20、级结构亚铁血红素血红蛋白的一级四级结构四级结构的结构模型铁硫蛋白四、 蛋白质的性质蛋白质的两性离解和电泳现象蛋白质的胶体性质蛋白质的沉淀蛋白质的变性与复性蛋白质的颜色反应与鉴别蛋白质的紫外吸收（一）蛋白质的两性离解和电泳现象蛋白质与多肽一样，能够发生两性离解，也有等电点。在等电点时(Isoelectric point )，蛋白质的溶解度最小，在电场中不移动。在不同的pH环境下，蛋白质的电学性质不同。在等电点偏酸性溶液中，蛋白质粒子带负电荷，在电场中向正极移动；在等电点偏碱性溶液中，蛋白质粒子带正电荷，在电场中向负极移动。这种现象称为蛋白质电泳(Electrophoresis)。电 泳蛋白质在等

21、电点pH条件下，不发生电泳现象。利用蛋白质的电泳现象，可以将蛋白质进行分离纯化。由于蛋白质的分子量很大，它在水中能够形成胶体溶液。蛋白质溶液具有胶体溶液的典型性质，如丁达尔现象、布郎运动等。由于胶体溶液中的蛋白质不能通过半透膜，因此可以应用透析法将非蛋白的小分子杂质除去。透析（dialysis）：通过小分子经半透膜扩散到水（或缓冲液）的原理将小分子与生物大分子分开的一种分离纯化技术。（二）蛋白质的胶体性质蛋白质胶体溶液的稳定性与它的分子量大小、所带的电荷和水化作用有关。其中四蛋白质溶液稳定的最主要因素是：蛋白质表面的水化膜和所带电荷。改变溶液的条件，将影响蛋白质的溶解性质。如在等电点时，溶解度最低。破坏稳定因素，将使蛋白质分子发生聚集而沉淀。因此，在适当的条件下，蛋白质能够从溶液中沉淀出来。（三）蛋白质的沉淀性质可逆沉淀：在沉淀过程中，结构和性质都没有发生变化，在适当的条件下，可以重新溶解形成溶液。又称为非变性沉淀。可逆沉淀是分离和纯化蛋白质的基本方法，如等电点沉淀法、盐析法和有机溶剂沉淀法等。不可逆沉淀：在强烈沉淀条件下，不仅破坏了蛋白质胶体溶液的稳定性，而且也破坏了蛋白质的结构和性质，产生的蛋白质沉淀不可能再重新溶解于水。由于沉淀过程发生了