理学第2章-蛋白质的构件-氨基酸

第2章蛋白质的构件—氨基酸在生物体内,蛋白质(protein)是一类最重要的生物分子,是生物功能的主要载体。蛋白质和核酸构成细胞原生质(protoplasm)的主要成分,而原生质是生命现象的物质基础。

自然界中存在的、种类以千万计的蛋白质在结构和功能上的多样性归根结底是由20种构件氨基酸的内在性质造成的。

构成蛋白质20种氨基酸的内在性质:1.聚合能力

2.独特的酸碱性

3.氨基酸侧链的结构和化学官能度的多样性

4.手性一、蛋白质的化学组成和分类１、蛋白质的化学组成

蛋白质的平均含氮量为16%,这是蛋白质元素组成的一个特点,是凯式定氮法测定蛋白质含量的计算基础:

蛋白质含量=蛋白氮×6.25

(其中6.25是16%的倒数)

2.蛋白质的分类

(1)简单蛋白:仅由氨基酸组成的蛋白质。

(2)缀合蛋白:蛋白质中除了氨基酸外,还有其他化学成分作为其结构的一部分,这样的蛋白质称为缀合蛋白。其中非蛋白质成分称为辅基或称为配基或配体。

通常辅基在蛋白质的功能方面起重要作用,如果辅基是通过共价键与蛋白质结合的,则必须对蛋白质进行水解才能释放它;通过非共价键力与蛋白质结合的,只要使蛋白质变性即可把它除去。

简单蛋白质可以根据其溶解度进行分类,缀合蛋白质可按其辅基成分分类(表2-1)表2-1蛋白质的分类简单蛋白溶解性缀合蛋白辅基清蛋白溶于水或稀盐,为饱和硫酸铵所沉淀糖蛋白糖类球蛋白不溶于水,溶于稀盐,为半饱和硫酸铵所沉淀脂蛋白脂质谷蛋白不溶于水、醇或稀盐,溶于稀酸或稀碱核蛋白DNA或RNA谷醇溶蛋白不溶于水、溶于70%~80%乙醇磷蛋白磷酸基组蛋白溶于水及稀酸,为氨水所沉淀金属蛋白Fe.Cu.Zn.Mn.Mo等鱼精蛋白溶于水及稀酸,不溶于氨水血红素蛋白亚铁原卟啉硬蛋白不溶于水、稀盐、稀酸或稀碱黄素蛋白黄素核苷酸(FMN.FAD)

近年来,有些学者依据蛋白质的生物学功能把蛋白质分为酶、调节蛋白、转运蛋白、贮存蛋白、收缩和运动蛋白、结构蛋白、支架蛋白、保护和开发蛋白等。二、蛋白质的水解

蛋白质可以被酸、碱或蛋白（水解）酶催化水解。在水解过程中,被逐渐降解成相对分子量越来越小的肽（片）段或称肽碎片,直到最后成为氨基酸的混合物。根据蛋白质的水解程度,可分为完全水解和部分水解两种情况。完全水解或称彻底水解,得到的水解产物是各种氨基酸的混合物;部分水解即不完全水解,得到的产物是各种大小不等的肽段和氨基酸。

酸、碱和酶三种水解方法及其优缺点:（P16）

(1)酸水解

(2)碱水解

(3)酶水解

三、α-氨基酸的一般结构

地球上天然形成的AA300种以上。构成蛋白质的AA只有20余种，（除脯氨酸外）且都是α-氨基酸。氨基酸的结构通式脯氨酸的结构

R为可变的侧链H2CCH2H2CCHCOO-

NH2+----C-C-C-C-COOH

γβα----C-C-C-C(NH2)-COOHα-氨基酸----C-C-C(NH2)-C-COOHβ-氨基酸----C-C(NH2)-C-C-COOHγ-氨基酸什么是α-氨基酸？氨基酸含有氨基和羧基，具有两性电离性大多数AA在中性pH时呈兼性离子状态:

除甘氨酸外，19种AA都具有旋光性。除胱氨酸和酪氨酸外，其余AA都能溶于水。COOH

COO-

NH2

NH3+-H++H+氨基酸同时含有氨基和羧基，它们能以首尾相连的方式进行聚合反应，除去一分子水形成一个共价酰胺键或称肽键。四、氨基酸的分类（一）常见的蛋白质氨基酸（二）不常见的蛋白质氨基酸（三）非蛋白质氨基酸（一）常见的蛋白质氨基酸的分类按Ｒ基的化学结构分类：１、脂肪族aa(1)中性aa（2）含羟基或硫aa（３）酸性aa及其酰胺（４）碱性aa２、芳香族aa３、杂环aa按Ｒ基的极性性质分类：１、非极性Ｒ基aa２、不带电荷的极性Ｒ基aa3、带正电荷的Ｒ基aa4、带负电荷的Ｒ基aa(二)不常见的蛋白质氨基酸除上述20种基本氨基酸外,在某些蛋白质种还存在一些不常见的氨基酸(如图2-7),它们都是由多肽中相应的常见氨基酸修饰而来的。(三)非蛋白氨基酸

除了参与蛋白质组成的20多种氨基酸外,还在各种组织和细胞中找到200多种其它氨基酸。这些氨基酸大多是蛋白质中存在的L型α-氨基酸衍生物(图2-8)。但是有一些是β-，γ-，或δ-氨基酸,并且有些是D-型氨基酸。这些氨基酸中有些是重要的代谢中间物。鸟氨酸瓜氨酸五、氨基酸的酸碱性

(一)氨基酸的解离氨基酸在晶体和水中以兼性离子(zwitterion)也称偶极离子(dipolarion)的形式存在,极少数为中性分子(只存在于溶液中)H3N—CH—COOHR+（pH＜pI）H3N—CH—COO-R+（pH=pI）H2N—CH—COO-R（pH＞pI）

氨基酸完全质子化时,可以看成是多元酸,侧链不解离的中性氨基酸可看作二元酸,酸性氨基酸和碱性氨基酸可视为三元酸。(表观解离常数)(表观解离常数)[A+]=[A-]=当到达等电点时,[A+]=[A-]

方程两边取负对数,－㏒Ka1－Ka2=－㏒[H+]2－㏒[H+]=pH,－㏒Ka1=pk1(解离常数),

－Ka2=pk22pH=pk1+pk2令pI为等电点时的pH,则侧链不含离解基团的中性氨基酸

pI=(pk1+pk2)/2[A0][H+]Ka1

[H+]

[A0]Ka2

即Ka1×Ka2=[H+]2甘氨酸滴定曲线(二)氨基酸的等电点

等电点（pI）：当氨基酸溶液为某一pH值时，AA主要以兼性离子的形式存在，分子中所含的正负电荷数目相等，净电荷为零。这一pH值即为AA的等电点（pI）。在pI时，AA在电场中既不向正极也不向负极移动，即处于两性离子状态。在等电点以上的任一pH值，氨基酸带有净负电荷，在电场中向正极移动。在低于等电点的任一pH值，氨基酸带有净正电荷，在电场中将向负极移动。在一定的pH值范围内，氨基酸溶液的pH值离等电点愈远，氨基酸所携带的净电荷量愈多。对于R基不解离的中性氨基酸来说,其等电点是它的pKa1和pKa2的算术平均数。

pI=(pKa1+pKa2)/2

对有多个可解离基团的氨基酸来说,只要写出它的解离公式,然后取等电点兼性离子两边的pKa值的平均值,则得其pI值。六、氨基酸的化学反应氨基酸的化学反应是指它的a-羧基、a-氨基和R基团侧链上的官能团参加的反应。所有氨基酸的a-羧基和a-氨基呈现相似的化学反应性。侧链的化学反应性则各不相同,这取决于官能团的本质。

(一)a-羧基反应:

(二)a-氨基反应

(三)茚三酮反应

(四)侧链官能团的特异反应七、氨基酸的旋光性和光谱性质（一）氨基酸的旋光性和立体化学(二)氨基酸的光谱性质1、紫外吸收光谱可见光区（﹥400nm）：无吸收；红外区和远紫外区（﹤200nm）：都有吸收；近紫外区（200—400nm）：只有芳香族氨基酸（色氨酸Trp