氨基酸与蛋白质

氨基酸与蛋白质第1页，共73页，2023年，2月20日，星期五第三章氨基酸和蛋白质

AMINOACID&PROTEIN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。第2页，共73页，2023年，2月20日，星期五蛋白质占干重人体中（中年人）人体45%水55%

细菌50%~80%蛋白质19%

真菌14%~52%脂肪19%

酵母菌14%~50%糖类＜1%

白地菌50%无机盐7%蛋白质是生物体内必不可少的重要成分第3页，共73页，2023年，2月20日，星期五

蛋白质（protein）是生活细胞内含量最丰富、功能最复杂的生物大分子，并参与了几乎所有的生命活动和生命过程。因此，研究蛋白质的结构与功能始终是生命科学最基本的命题。生物体最主要的特征是生命活动，而蛋白质是生命活动的体现者，具有以下主要功能：催化功能；结构功能；调节功能；防御功能；运动功能；运输功能；信息功能；储藏功能第4页，共73页，2023年，2月20日，星期五CatalyticenzymesImmunoglobulinsantibodiesofimmunesystemTransportmovematerialsaround

hemoglobinforO2.Regulatoryhormones,controlmetabolismStructuralcoveringsandsupport

skin,tendons,hair,nails,boneMovementmuscles蛋白质功能举例：第5页，共73页，2023年，2月20日，星期五蛋白质是由一个或多个多肽链通过共价键（主要是二硫键）或非共价力结合而成。应用化学或物理方法，可以将蛋白质拆分成多肽组分。多肽是由氨基酸以酰胺键形式连接而成的线性大分子。它在生物体内可以单独存在，但是更多的则是作为蛋白质的组成部分。蛋白质和多肽的肽键与一般的酰胺键一样可以被酸碱或蛋白酶催化水解，酸或碱能够将多肽完全水解，酶水解一般是部分水解.蛋白质水解第6页，共73页，2023年，2月20日，星期五完全水解得到各种氨基酸的混合物，部分水解通常得到多肽片段。最后得到各种氨基酸的混合物。所以，氨基酸是蛋白质的基本结构单元。大多数的蛋白质都是由20种氨基酸组成。这20种氨基酸被称为基本氨基酸。第7页，共73页，2023年，2月20日，星期五一、氨基酸

——蛋白质的基本组成单位存在自然界中的氨基酸有300余种，但组成人体蛋白质的基本氨基酸仅有20种，且均属L--氨基酸（甘氨酸除外）。第8页，共73页，2023年，2月20日，星期五构成蛋白质的20种基本氨基酸第9页，共73页，2023年，2月20日，星期五H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R第10页，共73页，2023年，2月20日，星期五第11页，共73页，2023年，2月20日，星期五非极性疏水性氨基酸2.极性中性氨基酸3.酸性氨基酸4.碱性氨基酸（一）氨基酸的分类第12页，共73页，2023年，2月20日，星期五非极性疏水性氨基酸第13页，共73页，2023年，2月20日，星期五2.极性中性氨基酸第14页，共73页，2023年，2月20日，星期五3.酸性氨基酸4.碱性氨基酸第15页，共73页，2023年，2月20日，星期五3.Classificationofaminoacids

---bySideChains(R-groups)

Someaminoacidsarenon-polar(hydrophobic)becausetheirsidechainsaremadeupmostlyofhydrocarbonchains;Somearepolar,butuncharged;Somearepolarandnormallyhaveapositiveornegativechargeinsolution.第16页，共73页，2023年，2月20日，星期五Lesshydrophobic

Morehydrophobic

AliphaticRgroupsarenonpolarandhydrophobic.

第17页，共73页，2023年，2月20日，星期五Hydroxylaminoacidsarepolar,unchargedatphysiologicalpH,andhydrophilic.第18页，共73页，2023年，2月20日，星期五BasicaminoacidsarepolarandpositivelychargedatpHvaluesbelowtheirpKa's,andareveryhydrophilic.第19页，共73页，2023年，2月20日，星期五AcidicaminoacidsarepolarandnegativelychargedatphysiologicalpH.Bothacidicaminoacidshaveasecondcarboxylgroup.Amidesarepolaranduncharged,andnotionizable.Allareveryhydrophilic.第20页，共73页，2023年，2月20日，星期五氨基酸的极性和非极性，与蛋白质的结构有密切关系第21页，共73页，2023年，2月20日，星期五非极性氨基酸的大小非常齐全。对于水溶性蛋白质而言，整个球状的蛋白质分子中，大部分非极性的氨基酸都挤在分子的核心部位，形成坚实的“非极性核心”。使得蛋白在水溶液中，得以保持完整的三级结构，保持活性第22页，共73页，2023年，2月20日，星期五-SH被氧化脱氢，可形成二硫键。对蛋白质的构型有很大的贡献，此反应可逆。Met被甲基化，功能非常奇特，在蛋白质的翻译过程中，Met总是第一个N端的氨基酸。第23页，共73页，2023年，2月20日，星期五构造弯曲，使蛋白质的长链必须转折成固定角度，因此在蛋白质的构型上，具有非常重要的影响力，有pro必出现剧烈转折。Pro和Cys是对蛋白质构造影响最大的氨基酸第24页，共73页，2023年，2月20日，星期五侧链不同，大小不同，填充效果不同第25页，共73页，2023年，2月20日，星期五

习惯分类方法芳香族氨基酸：Trp、Tyr、Phe含羟基氨基酸：Ser、Thr、Tyr含硫氨基酸：Cys、Met杂环族氨基酸：His杂环族亚氨基酸：Pro支链氨基酸：Val、Leu、Ile第26页，共73页，2023年，2月20日，星期五甘丙缬亮异脂链

glyalavalleuile丝苏半蛋羟巯添serthrcysmet

天谷精赖组酸碱aspgluarglys

his脯酪苯色杂芳环

protyrphetrp

天门酰胺谷酰胺

asngln都有密码属常见二十种氨基酸背诵口诀：第27页，共73页，2023年，2月20日，星期五第28页，共73页，2023年，2月20日，星期五Thenameoftheaminoacidsareoftenabbreviated,eithertothreelettersortoasingleletters.Thus,forexample,prolineisabbreviatedtoProorP.Dr.MargaretOakleyDayhoff,arguablythefounderofthefieldofbioinformatics,shortenedthecodefromthethreeletterdesignationstothesinglelettercodeinanefforttoreducethesizeofthedatafilesneededtodescribethesequenceofaminoacidsinaprotein.

Thelistingofaminoacids,thethreeletterandsinglelettercode,andtheexplanationforthechoiceofthesingleletterisgivenbelow.

Notethatthereare20aminoacidscommonlyfoundinproteins,and26lettersinthealphabet.

Asaresult,mostofthelettersareused.Theoriginofthesingle-lettercodefortheaminoacids第29页，共73页，2023年，2月20日，星期五AminoAcid

3lettercode

Singlelettercode

Explanation

Cysteine

Histidine

Isoleucine

Methionine

Serine

Valine

Cys

His

Ile

Met

Ser

ValC

H

I

M

S

VFirstletterofthename

Firstletterofthename

Firstletterofthename

Firstletterofthename

Firstletterofthename

FirstletterofthenameTodevelopasingle-lettercodefortheaminoacids,Dr.Dayhoffattemptedtomakethecodeaseasytorememberaspossible.

Ofcourse,ifthenameofeachaminoacidbeganwithadifferentletter,thecodewouldbesimpleindeed.

For6oftheaminoacids,thefirstletterofthenameisunique,makingthecodesimple.

Theseare:第30页，共73页，2023年，2月20日，星期五AminoAcid3lettercodeSinglelettercodeExplanation

Alanine

Glycine

Leucine

Proline

Threonine

Ala

Gly

Leu

Pro

ThrA

G

L

P

TFirstletterofthename

Firstletterofthename

Firstletterofthename

Firstletterofthename

FirstletterofthenameFortheotheraminoacids,thefirstletterofthenameisnotuniquetoasingleaminoacid,soDr.DayhoffassignedthelettersA,G,L,PandTtotheaminoacidsAlanine,Glycine,Leucine,ProlineandThreonine,respectively,whichoccurmorefrequentlyinproteinsthandotheotheraminoacidshavingthesamefirstletters.第31页，共73页，2023年，2月20日，星期五Someoftheotheraminoacidsarephonetically语音学上

suggestive.AminoAcid3lettercodeSinglelettercodeExplanationArginine

Phenylalanine

Tyrosine

TryptophanArg

Phe

Tyr

TrpR

F

Y

WaRginine

Fenylalanine

tYrosine

tWiptophan(or,containsDoublering)第32页，共73页，2023年，2月20日，星期五Fortheremaining5aminoacids,Dr.Dayhoffwasreachingsomewhattofindaneasy-to-rememberconnectionbetweenthesingleletterandtheaminoacid.

Sheassignedasparticacid,asparagine,glutamicacidandglutaminethelettersD,N,EandQ,respectively,notingthatDandNarenearerthebeginningofthealphabetthanEandQ,andthatAspissmallerthanGlu,whileAsnissmallerthanGln.

AminoAcid3lettercodeSinglelettercodeExplanationAsparticAcid

Asparagine

GlutamicAcid

GlutamineAsp

Asn

Glu

GlnD

N

E

QasparDic

ContainsN(orasparagiN)

gluE(orglutamEke)

Q-tamineBythetimeDr.Dayhoffgottolysine,therewerenottoomanylettersleft,sosheusedtheletterK,explainingthatKisatleastnearLinthealphabet.AminoAcid3lettercodeSinglelettercodeExplanationLysineLysKKisnearLinthealphabet第33页，共73页，2023年，2月20日，星期五修饰氨基酸：

蛋白质合成后通过修饰加工生成的氨基酸。没有相应的编码。如：胱氨酸、羟脯氨酸（Hyp）、羟赖氨酸（Hyl）。非蛋白氨基酸：蛋白质中不存在的氨基酸。如：瓜氨酸、鸟氨酸、同型半胱氨酸，是代谢途径中产生的。

第34页，共73页，2023年，2月20日，星期五1、酸水解常用6mol/L的盐酸或4mol/L的硫酸在105-110℃条件下进行水解，反应时间约20小时。此法的优点是不容易引起水解产物的消旋化。缺点是色氨酸被沸酸完全破坏；含有羟基的氨基酸如丝氨酸或苏氨酸有一小部分被分解；门冬酰胺和谷氨酰胺侧链的酰胺基被水解成了羧基。水解蛋白生成氨基酸的方法：第35页，共73页，2023年，2月20日，星期五2、碱水解一般用5mol/L氢氧化钠煮沸10-20小时。由于水解过程中许多氨基酸都受到不同程度的破坏，产率不高。部分的水解产物发生消旋化。该法的优点是色氨酸在水解中不受破坏。第36页，共73页，2023年，2月20日，星期五3、酶水解目前用于蛋白质肽链断裂的蛋白水解酶（proteolyticenzyme）或称蛋白酶（proteinase）已有十多种。应用酶水解多肽不会破坏氨基酸，也不会发生消旋化。水解的产物为较小的肽段。单一酶水解不完全。第37页，共73页，2023年，2月20日，星期五Section1AminoAcidsProtein1.ElementsofProtein氨基酸的性质第38页，共73页，2023年，2月20日，星期五蛋白质主要元素组成：C、H、O、N、S及P、Fe、Cu、Zn、Mo、I、Se等微量元素。

蛋白质平均含N量为16％,这是凯氏定氮法测蛋白质含量的理论依据：

蛋白质含量＝蛋白质含N量×6.25第39页，共73页，2023年，2月20日，星期五Essentialaminoacid

Anessentialaminoacidisonethatcannotbesynthesizedfromotheravailableresources,andthereforemustbesuppliedaspartofthediet.8aminoacidsaregenerallyregardedasessential,withtwoothers,histidineandarginine,essentialonlyinchildren:tryptophanlysinemethioninephenylalaninethreoninevalineleucineisoleucine赖氨酸(Lys)缬氨酸(Val)蛋氨酸(Met)色氨酸(Try)亮氨酸(Leu)异亮氨酸(Ile)苏氨酸(Thr)苯丙氨酸(Phe)

婴儿时期所需:精氨酸(Arg)、组氨酸(His)

早产儿所需：色氨酸(Try)、半胱氨酸(Cys)人体所必需的八种氨基酸：

赖色缬：赖氨酸、色氨酸、缬氨酸苏亮亮：苏氨酸、亮氨酸、异亮酸苯

蛋：苯丙氨酸、蛋氨酸甲携（缬）来（赖）一（异）本（苯）亮色书（苏）第40页，共73页，2023年，2月20日，星期五几种重要的不常见氨基酸

在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸，通常称为不常见蛋白质氨基酸。这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的。第41页，共73页，2023年，2月20日，星期五Section2PropertiesofAminoAcid1.Stereoisomers[立体异构]Alloftheaminoacids,exceptforglycine[甘氨酸]havefourdifferentgroupsarrangedaroundthecentralCαatom，andcanthusexistinoneoftwostereoisomers;ThesetwostereoisomersaretermedtheDandLforms.第42页，共73页，2023年，2月20日，星期五Thesimplest,andsmallest,aminoacidfoundinproteinsisglycineforwhichtheR-groupisahydrogen(H).

Inproteins,onlytheL-isomerisfoundnormally.Asyoutravelonward(fromthecarbonylcarbontotheaminogroup),theRgroupofL-aminoacidswillbeontheleftasshowninthemoleculargraphicontheright.L-isomer第43页，共73页，2023年，2月20日，星期五2.氨基酸的性质---两性解离及等电点水溶液中只有10-7M的水解离记为pH=7因此数字越大，质子浓度越小。水溶液中的质子浓度是很重要的指标，因为质子会影响其他分子的带电性质，使得分子所带的净电荷改变，进而影响分子活性。第44页，共73页，2023年，2月20日，星期五缓冲（buffer）可放出或吸收质子的基团，就是缓冲液的基本材料︰当环境质子太多，就赶快吸收质子；當环境质子太少，就释放质子出來。通常都是弱酸或弱碱才可作为缓冲分子，因为强酸

(如HCl)只会释放出大量质子，不会回收；而強碱只会拼命吸附质子，无法释放。

描述缓冲溶液的解离常数和缓冲机制已解离未解离亨德森-哈塞尔巴尔赫方程第45页，共73页，2023年，2月20日，星期五表示在pH=5時，醋酸分子的組成中，有一半是在未解离的状态[AH]，而另一半是已解离状态[A-]。在此情形下醋酸有最大的缓冲能力，因為不管外來的pH如何变化，都有足夠的[A-]或[AH]去吸附或释放质子。外加酸碱不易改变体系的酸碱度。最佳缓冲范围pH=4~6第46页，共73页，2023年，2月20日，星期五a.Highmeltingpoints

?b.SolubilityinwaterandInsolubilityinhydrocarbonsolvents

?Thea-COOHanda-NH2groupsinaminoacidsarecapableofionizing:R-COOH<------->R-COO-+H+

R-NH3+<--------->R-NH2+H+2.zwitterion

(两性离子,偶极离子)(dipolarion)第47页，共73页，2023年，2月20日，星期五pH<pIpH=pIpH>pIIfthezwitterionistreatedwithacid,thatis,asolutioncontainingH+,theH+willaddtotheCOO-toformCOOH.Similarly,treatingthezwitterionwithbasewillresultinthelossoftheremovableprotonattachedtotheNH3+grouptoformNH2+.ThepHatwhichaminoacidshavenonetchargeiscalledtheIsoelectricPointorthepI.等电点第48页，共73页，2023年，2月20日，星期五pI＝(pK1’+pK2’)/2第49页，共73页，2023年，2月20日，星期五第50页，共73页，2023年，2月20日，星期五为何处于等电点的分子，完全不具缓冲作用？其分子上有一個H+，可以作为供应质子者；也有一個-COO-可以作为接受质子者，非常完美。分子上的这些基团能否收放质子，都决定于自身的pK

细胞中的蛋白质，其pI大多在4~6之间第51页，共73页，2023年，2月20日，星期五His是唯一具有近中性pKa基团（imidazole）的氨基酸His在蛋白质的构造中，可以有缓冲的作用，是相当特殊的胺基α羧酸或胺基的pKa都比R基团上面的要低（较容易解离）在蛋白质中的氨基酸基团pKa会收到环境影响而改变第52页，共73页，2023年，2月20日，星期五大多数氨基酸只有两个官能团，另有7个氨基酸还有第三个官能团簡單的說，還是先去找到靜電荷為零的pI，然後把夾著pI的兩個pKa值平均即得第53页，共73页，2023年，2月20日，星期五Asparticacid有3個官能基，如何求得其pI分子式从酸性开始算出净电荷净电荷为0前后两个pKa值的算术平均值第54页，共73页，2023年，2月20日，星期五谷氨酸（A）和赖氨酸（B）滴定曲线和等电点计算一氨基二羧基AA的等电点计算：pI=2pK´1+pK´2二氨基一羧基AA的等电点计算：pI=2pK´2+pK´3BApK1pK2pIpIpK3pK3pK2pK1加入的OH-mL数加入的OH-mL数pHpH第55页，共73页，2023年，2月20日，星期五

当溶液浓度为某一pH值时，氨基酸分子中所含的-NH3+和-COO-数目正好相等，净电荷为0。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。侧链不含离解基团的中性氨基酸，其等电点是它的pK’1和pK’2的算术平均值：

pI=(pK’1+pK’2)/2

同样，对于侧链含有可解离基团的氨基酸，其pI值也决定于两性离子两边的pK’值的算术平均值。

酸性氨基酸可以直接把靠酸性的那两个pKa平均

碱性氨基酸可以把较大的两个pKa值平均

当溶液的PH大于等电点时，氨基酸带有净负电荷，在电场中向正极运动，而当溶液PH低于等电点时，氨基酸带净正电荷，在电场中向负极运动，在一定的PH范围内，氨基酸溶液的PH值距等电点越远，氨基酸所携带的净电荷量越多。第56页，共73页，2023年，2月20日，星期五第57页，共73页，2023年，2月20日，星期五氨基酸光学活性和光谱性质

1、旋光性：除甘氨酸外，所有天然α-氨基酸都有不对称碳原子，因此所有天然氨基酸都具有旋光性。2、紫外吸收光谱：参与蛋白质组成的20种氨基酸中色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr)和苯丙氨酸(Phe)的R基团中含有苯环共轭双键系统，在紫外光区显示特征的吸收谱带，最大光吸收（max）分别为280、275和257nm。由于大多数蛋白质都含有这些氨基酸残基，因此用紫外分光光度法可测定蛋白质含量。3、核磁共振（nuclearmagneticresonance,NMR）波谱：原子核带有正电荷，只要自旋量子数不等于零，其行为就象饶轴自旋的小磁体，因而能与外加磁场相互作用，产生核磁共振。例如3H、13C、2H、14H、32P的核都属于这一类。第58页，共73页，2023年，2月20日，星期五3.Chemicalproperties由α氨基参加的反应与亚硝酸的反应；与甲醛的反应；酰化反应；成盐作用。由α羧基参加的反应成盐和成酯反应；成酰卤反应；脱羧基反应；由α氨基和羧基共同参加的反应与茚三酮的反应；成肽反应；侧链R基参加的反应第59页，共73页，2023年，2月20日，星期五氨基酸与2,4一二硝基氟苯(DNFB)的反应

DNFB（dinitrofiuorobenzene）DNP-AA(黄色)++HF弱碱中氨基酸第60页，共73页，2023年，2月20日，星期五氨基酸与苯异硫氰酸酯（PITC）的反应

（Edman反应）PITC（phenylisothiocyanate）+苯乙内酰硫脲衍生物(PTH-AA)（phenylisothiohydantion-AA）弱碱中(400

C)(硝基甲烷400C)H+第61页，共73页，2023年，2月20日，星期五+3H20茚三酮(无色)NH3CO2RCHO+还原性茚三酮紫色化合物(弱酸)加热氨基酸与茚三酮反应第62页，共73页，2023年，2月20日，星期五FormationofapeptidebondPolypeptidechains第63页，共73页，2023年，2月20日，星期五Section3Peptides

肽(peptide)是氨基酸的线性聚合物，因此也常称肽链(peptidechain)。蛋白质是由一条或多条多肽链构成的大分子，蛋白质分子中氨基酸的排列顺序，包括二硫键的位置称为蛋白质的一级结构。肽单位肽键第64页，共73页，2023年，2月20日，星期五在多肽链中，氨基酸残基按一定的顺序排列，这种排列顺序称为氨基酸顺序通常在多肽链的一端含有一个游离的-氨基，称为氨基端或N-端；在另一端含有一个游离的-羧基，称为羧基端或C-端。氨基酸的顺序是从N-端的氨基酸残基开始，以C-端氨基酸残基为终