生物化学-第三章-氨基酸

1、请做好,上课准备,吴石金 副教授 博士，硕士生导师 电话665783) E-mail : wujan28 zjut . 教学网站：,课件下载： Sheng_wu_hua_ 密码：biotech2008,第三章 氨基酸,Chapter 3 Amino acid,本章重点内容 3-2 氨基酸的结构和分类 3-3 氨基酸的酸碱化学 3-4 氨基酸的物理和化学性质,一、氨基酸蛋白质的构件分子, 组成蛋白质的基本单位是氨基酸（amino acid）。 如将天然的蛋白质完全水解，最后都可得到约20种不同的氨基酸。 这些氨基酸中，大部分属于L-氨基酸。其中，脯氨酸属于L-亚氨基酸，

2、而甘氨酸则属于-氨基酸。,蛋白质水解产物即为氨基酸的混合物，不同水解方法各有其优缺点（123页）。 1、酸水解：不引起消旋作用，得到 L-氨基酸，但 Trp 完全被破坏。 2、碱水解：引起消旋现象，得到 D-和L-氨基酸的混合物，Trp 稳定 。 3、酶水解：不引起消旋作用，也不破坏氨基酸，但水解不彻底。,二、氨基酸的结构和分类,手 性, 除甘氨酸Gly和脯氨酸Pro外，其他均具有如下结构通式。,二、氨基酸的结构和分类,-氨基酸的通式,可变部分,不变部分,氨基酸的构型,用D/ L体系表示在费歇尔投影式中氨基位于横键右边的为D型，位于左边的为L型。,除甘氨酸外，所有的氨基酸分子的-碳原子都具手性

3、碳原子。因而都具有旋光性。而且发现主要是L型的（也有D型的，但很少）。,-氨基酸的分子构型,1、氨基酸的分类 各种氨基酸的区别在于侧链R基的不同。 20种蛋白质氨基酸按R的极性可分为非极性氨基酸、极性性氨基酸、酸性氨基酸和碱性氨基酸；按R基的结构可分为脂肪族氨基酸、芳香族氨基酸及杂环氨基酸3大类。 氨基酸的三字母简写符号必背熟，单字母符号要求认识。 芳香族氨基酸: Phe Trp Tyr,1、氨基酸的分类,组成蛋白质的氨基酸按其-碳原子上侧链R的结构分为20种，20种氨基酸按R的结构和极性的不同有以下两种分类方法。 (一)根据R的结构不同分类 (二)根据侧链R的极性不同分为非极性和极性氨基酸,

4、在脂肪族氨基酸中，根据所含氨基、羧基的多寡及是否含硫或羟基，又可分为一氨基一羧基、一氨基二羧基、二氨基一羧基、含羟基及含硫氨基酸等几小类。,含羟基氨基酸有 Ser Thr Tyr 含硫氨基酸有 Cys Met,一氨基一羧基氨基酸又称中性氨基酸，一氨基二羧基氨基酸又称酸性氨基酸(Glu、Asp)，二氨基一羧基氨基酸又称碱性氨基酸(Arg、Lys、His) 。脯氨酸和羟脯氨酸是亚氨酸，因存在于天然蛋白，习惯上也列入氨基酸。 蛋白质中存在的氨基酸皆为L-型，但在微生物体内及抗菌素中亦有D-型氨基酸存在(自由或肽结合形式)。,甘氨酸 glycine Gly G 5.97,丙氨酸 alanine Ala

5、 A 6.00,缬氨酸 valine Val V 5.96,亮氨酸 leucine Leu L 5.98,异亮氨酸 isoleucine Ile I 6.02,苯丙氨酸 phenylalanine Phe F 5.48,脯氨酸 proline Pro P 6.30,非极性疏水性氨基酸,目 录,色氨酸 tryptophan Try W 5.89,丝氨酸 serine Ser S 5.68,酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66,半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07,蛋氨酸 methionine Met M 5.74,天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41,谷氨酰

6、胺 glutamine Gln Q 5.65,苏氨酸 threonine Thr T 5.60,2. 极性中性氨基酸,目 录,天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97,谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22,赖氨酸 lysine Lys K 9.74,精氨酸 arginine Arg R 10.76,组氨酸 histidine His H 7.59,3. 酸性氨基酸,4. 碱性氨基酸,目 录,2、氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine,中性脂肪族氨基酸,氨基酸的结构,中性脂肪族氨基酸,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine,氨基酸的结构,甘氨酸 Gly

7、cine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Valine,中性脂肪族氨基酸,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Valine 亮氨酸 Leucine,中性脂肪族氨基酸,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Valine 亮氨酸 Leucine 异亮氨酸 Ileucine,中性脂肪族氨基酸,氨基酸的结构,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,亚氨基酸,氨基酸的结构,甘氨酸 Glycine 丙氨酸 Alanine 缬氨酸 Val

8、ine 亮氨酸 Leucine 异亮氨酸 Ileucine 脯氨酸 Proline 甲硫氨酸 Methionine,含硫氨基酸,氨基酸的结构,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,含硫氨基酸,氨基酸的结构,芳香族氨基酸,苯丙氨酸 Phenylalanine,氨基酸的结构,芳香族氨基酸,苯丙氨酸 Phenylalanine 酪氨酸 Tyrosine,氨基酸的结构,芳香族氨基酸,苯丙氨酸 Phenylalanine 酪氨酸 Tyro

9、sine 色氨酸 Trytophan,氨基酸的结构,碱性氨基酸,精氨酸 Arginine,氨基酸的结构,碱性氨基酸,精氨酸 Arginine 赖氨酸 Lysine,氨基酸的结构,碱性氨基酸,精氨酸 Arginine 赖氨酸 Lysine 组氨酸 Histidine,氨基酸的结构,天冬氨酸 Aspartate,酸性氨基酸,氨基酸的结构,天冬氨酸 Aspartate 谷氨酸 Glutamate,酸性氨基酸,氨基酸的结构,丝氨酸 Serine,含羟基氨基酸,氨基酸的结构,丝氨酸 Serine 苏氨酸 Threonine,含羟基氨基酸,氨基酸的结构,天冬酰胺 Asparagine,含酰胺氨基酸,氨基酸

10、的结构,天冬酰胺 Asparagine 谷酰胺 Glutamine,含酰胺氨基酸,除甘氨酸外，氨基酸均含有一个手性-碳原子，因此都具有旋光性。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。,1、氨基酸的旋光性,三、氨基酸的物理性质,构成蛋白质的20种氨基酸在可见光区都没有光吸收，但在远紫外区(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。 酪氨酸 max275nm，275=1.4x103; 苯丙氨酸 max257nm，257=2.0 x102; 色氨酸 max280nm，280=5.6x103;,2、氨基酸的光吸收,三、

11、氨基酸的理化性质,天然蛋白质分子的20种氨基酸，以色氨酸和酪氨酸对紫外光有较强的光吸收。其吸收峰在280nm左右，以色氨酸吸收最强。 可利用此性质采用紫外分光光度法测定蛋白质的含量。,紫外吸收性质：,3、氨基酸的两性解离和等电点,加 酸,总电荷 “+”,H3N+,加 碱,H2O,H2N,COO,总电荷 “”,酸性溶液 晶体状态 碱性溶液 或水溶液中 即等电点（pI）,pI等电点时的pH 不同氨基酸等电点（pI）不同,提问：为什么？,氨基酸的等电点(isoelectric point)：氨基酸的等电点指在一定 pH条件下,某种氨基酸接受或给出质子的程度相等,分子所带的净电荷为零,此时溶液的pH值

12、就称为该氨基酸的等电点(pI),NH3+ NH3+ NH2 | +OH- | +OH- | H-C-COOH = H-C-COO- = H-C-COO- | +H+ | +H+ | R R R 阳离子 两性离子 阴离子 pHpI,4、氨基酸的滴定曲线,酸碱滴定曲线,乙酸,氨基酸等电点的计算以甘氨酸为例,H+2=K1K2,pH=（pK1+pK2）/2,pI=（pK1+pK2）/2,对于酸性氨基酸，以Asp为例：,对于碱性氨基酸，以Lys为例：,答案：-R 有电性区别。中性氨基酸pI一般为6.0,提问：为什么偏酸性？,答案： -COOH解离程度略大于-NH2的得电子能力,提问：酸性氨基酸的pI(更

13、偏酸、更偏碱）？,答案：更酸（3.0 左 右） 碱 性 氨 基 酸pI 更 碱（7.610.7)( 只 有 三 种）,提问：大 多 数 氨 基 酸 在 中 性（pH=7） 时， 带 电？,负,提问：等电点时的氨基酸特点是？,答案： 两性离子，溶解度最小，容易沉淀。,提问：为什么？,答案：同性排斥力小，凝结沉淀,其它：吸光性 含苯环氨基酸大键吸收紫外光，蛋白质故也具有紫外吸光性，实验室利用紫外分光光度仪在280nm处测定蛋白质含量；, 等电点为电中性而不是中性（即pH=7），在溶液中加入电极时其电荷迁移为零。 中性氨基酸 pI = 4.8-6.3 酸性氨基酸 pI = 2.7-3.2 碱性氨基酸

14、 pI = 7.6-10.8 等电点时，偶极离子在水中的溶解度最小，易结晶析出。可用调节氨基酸等电点的方法分离氨基酸的混合物。,注意：,等电点的应用1-电泳分离,应用-氨基酸的分离与分析 氨基酸电泳：带电颗粒在电场中移动的现象称为电泳 氨基酸不同（pI不同，大小不同），在电场中泳动速度不同，因此可以通过电泳将氨基酸彼此分开 当pH=pI时，氨基酸呈兼性离子，在电场中不移动 当pHpI时，氨基酸带负电荷，在电场中向正极移动 当pHpI时，氨基酸带正电荷，在电场中向负极移,四、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

15、基酸衍生而来的。 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。这些不常见蛋白质氨基酸的结构如下。,五、氨基酸的化学性质,1-氨基参与的反应,（1）与甲醛发生羟甲基化反应,用途：可以用来直接测定氨基酸的浓度。 即氨基酸的甲醛滴定,P135页,1-氨基参与的反应,（2）与亚硝酸反应,用途：范斯来克法定量测定氨基酸的基本反应。衡量的放出N2，测定N2的体积便可计算出氨基酸中氨基的含量。,五、氨基酸的化学性质,1-氨基参与的反应,（3）酰化反应,用途：用于保护氨基以及肽链的氨基端测定等。,五、氨基酸的化学性质,1-氨基参与的反应,（4）烃基化反应,用途：是鉴定多

16、肽N-端氨基酸的重要方法。,五、氨基酸的化学性质,1-氨基参与的反应,（5）生成西佛碱的反应,用途：是多种酶促反应的中间过程。,五、氨基酸的化学性质,1-氨基参与的反应,（6）脱氨基和转氨基反应,用途：酶催化的反应。,五、氨基酸的化学性质,氨基酸与碱作用生成相应的盐。氨基酸的碱金属盐能溶于水,而重金属盐则不溶于水。,2 -羧基参与的反应,（1）成盐反应,用途：,五、氨基酸的化学性质,1,1-氨基参与的反应,（2）形成酯的反应,用途：是合成氨基酸酰基衍生物的重要中间体。,2 -羧基参与的反应,五、氨基酸的化学性质,1,（3）形成酰卤的反应,用途：这是使氨基酸羧基活化的一个重要反应。,五、氨基酸的

17、化学性质,2 -羧基参与的反应,（4）叠氮化反应,用途：常作为多肽合成活性中间体。,五、氨基酸的化学性质,2 -羧基参与的反应,1,（5）脱羧反应,用途：酶催化的反应。,五、氨基酸的化学性质,2 -羧基参与的反应,1,(1)与茚三酮反应,用途：常用于氨基酸的定性或定量分析。,3-氨基和羧基共同参与的反应,茚三酮,水合茚三酮,五、氨基酸的化学性质,与茚三酮反应（鉴别-氨基酸的灵敏方法）,N-取代的-氨基酸如脯氨酸， -氨基酸、 -氨基酸都不与茚三酮反应 。,蓝色或紫红色,1,（2）成肽反应,用途：是多肽和蛋白质生物合成的基本反应。,3-氨基和羧基共同参与的反应,五、氨基酸的化学性质,4侧链基团的

18、化学性质,(1) 巯基（-SH）的性质,1,作用：这些反应可用于巯基的保护。,4侧链基团的化学性质,(1) 巯基（-SH）的性质,作用：与金属离子的螯合性质可用于体内解毒。,4侧链基团的化学性质,(1) 巯基（-SH）的性质,作用：氧化还原反应可使蛋白质分子中二硫键形成或端裂。,胱氨酸,4侧链基团的化学性质,(1) 巯基（-SH）的性质,作用：可用于比色法定量测定半胱氨酸的含量。,硝基苯甲酸二硫化合物(DTNB),4侧链基团的化学性质,（2）羟基的性质,1,作用：可用于修饰蛋白质。,二异丙基氟磷酸酯,4侧链基团的化学性质,（3）咪唑基的性质,组氨酸含有咪唑基，它的pK2值为6.0，在生理条件下

19、具有缓冲作用。 组氨酸中的咪唑基能够发生多种化学反应。可以与ATP发生磷酰化反应，形成磷酸组氨酸，从而使酶活化。 组氨酸的咪唑基也能发生烷基化反应。生成烷基咪唑衍生物，并引起酶活性的降低或丧失,作用：。,4侧链基团的化学性质,（4）甲硫基的性质,1,作用：。,分配柱层析：支持剂是一些具有亲水性的不溶性物质，如纤维素、淀粉、硅胶等。 滤纸层析： 薄层层析： 离子交换层析：阴离子交换树脂-N(CH3)3OH，阳离子交换树脂-SO3H 电泳：,六、氨基酸的分离分析 （148页）,Column chromatography,Ion-exchange chromatography Size-exclus

20、ion chromatography Hydrophobic interaction chromatography Isoelectric focusing chromatography Affinity chromatography: Antibodies, His-tags, Protein-A, Protein-G, GST-, MBP-fusion proteins etc,Ion-exchange Chromatography 离子交换,分离氨基酸常用的是带有耐酸性非常强的磺酸根SO3Na（以盐的形式出现）的强阳离子交换树脂。首先将这种树脂填充到柱子中，然后注入含有样品的流动相，样品

21、中含有阳离子成分X，通过静电吸引，与树脂中的带电基团相互作用，结果X与Na交换，即发生阳离子交换后，形成SO3X。,Size-exclusion Chromatography 分子筛,Affinity Chromatography 亲和层析,七、氨基酸的化学合成,目前氨基酸的合成方法有5种： （1）直接发酵法； （2）添加前体发酵法； （3）酶法； （4）化学合成法； （5）蛋白质水解提取法。 通常将直接发酵法和添加前体发酵法统称为发酵法。,合成方法,八、氨基酸的应用,1、医药工业 （1）氨基酸输液 （2）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 （3）半必需氨基酸：精氨酸、组氨酸是幼儿所必需的。,治疗药剂,（1）精氨酸：对治