王镜岩生物化学002氨基酸与蛋白质

2020/8/211第三章蛋白质2020/8/212蛋白质是由20种L-型α氨基酸组成的长链分子。第一节蛋白质概论一、蛋白质的化学组成与分类1、元素组成碳50%氢7%氧23%氮16%硫0-3%微量的磷、铁、铜、碘、锌、钼凯氏定氮：粗蛋白质含量=蛋白氮×6.252、氨基酸组成2020/8/213酶、运输蛋白、营养和贮存蛋白、激素、受体蛋白、运动蛋白、结构蛋白、防御蛋白。3、分类（1）按组成简单蛋白结合蛋白（2）按分子外形的对称程度球状蛋白质纤维状蛋白质膜蛋白质（3）按功能2020/8/214蛋白质分子量=氨基酸数目*110二、蛋白质的大小与形状少于50个氨基酸的低分子量氨基酸多聚物称为肽，寡肽或生物活性肽、多肽。多于50个氨基酸的称为蛋白质。110=氨基酸残基的平均分子量（P160）2020/8/215四级结构：亚基之间的聚集形式三、蛋白质分子的构象与结构层次蛋白质都有自己特有的天然空间结构，称为构象。一级结构：氨基酸顺序二级结构：α-螺旋、β-折叠、β-转角，无规卷曲三级结构：整个肽链（亚基）的形状2020/8/2161．酶2．结构成分（结缔组织的胶原蛋白、血管和皮肤的弹性蛋白、膜蛋白）3．贮藏（卵清蛋白、种子蛋白）4．物质运输（血红蛋白、Na+-K+-ATPase、葡萄糖运输载体、脂蛋白、电子传递体）5．细胞运动（肌肉收缩的肌球蛋白、肌动蛋白）6．激素功能（胰岛素）7．自我保护（抗体、皮肤的角蛋白、血凝蛋白8．接受、传递信息（受体蛋白，味觉蛋白）9．调节、控制细胞生长、分化、和遗传信息的表达（组蛋白、阻遏蛋白）四、蛋白质功能的多样性2020/8/217第二节氨基酸四大类生物分子中，蛋白质是生物功能的主要载体，而氨基酸是蛋白质的构件分子。自然界中存在的成千上万种蛋白质，在结构和功能上的惊人的多样性归根结底是由20中常见的氨基酸的内在性质造成的。这些性质包括：聚合能力酸碱性侧链结构的多样性化学功能的多样性2020/8/218一、蛋白质的水解酸水解：色氨酸破坏，天冬酰胺、谷胺酰胺脱酰胺基碱水解：消旋，色氨酸稳定酶水解：水解位点特异，用于一级结构分析，肽谱2020/8/219非蛋白质氨基酸：存在于生物体内但不组成蛋白质(约150种)二、氨基酸的结构与分类基本氨基酸（编码的蛋白质氨基酸）：组成蛋白质，20种稀有氨基酸：是多肽合成后由基本氨基酸经酶促修饰而来重点2020/8/2110α-氨基酸的一般结构α-氨基酸与羧基相邻的α-碳原子（Cα）上有一个氨基的氨基酸。COO--Cα-RH3N可变的侧链H2020/8/2111（1）R为脂肪烃基的氨基酸（5种）（一）基本氨基酸（编码的蛋白质氨基酸，20种）1、按照R基的化学结构分类2020/8/2112Gly是唯一不含手性碳原子的氨基酸，因此不具旋光性从Gly至Ile，R基团疏水性增加特点R基均为中性烷基，R基对分子酸碱性影响很小，它们几乎有相同的等电点。（6.0±0.03）2020/8/2113（2）R中含有羟基和硫的氨基酸（共4种）2020/8/2114★Ser的-CH2OH基（pKa=15）在生理条件下不解离，但在大多数酶的活性中心都发现有Ser残基存在。★Ser和Thr的-OH往往与糖链相连，形成糖蛋白。★Cys的R中含巯基（-SH），具有两个重要性质：（1）在较高pH值条件，巯基离解。（2）两个Cys的巯基氧化生成二硫键，生成胱氨酸。★Met在生物合成中是一种重要的甲基供体。特点2020/8/2115（3）R中含有酰胺基团（2种）酰胺基中氨基易发生氨基转移反应2020/8/2116（4）R中含有酸性基团（2种）Asp、GluAsp侧链羧基pKa为3.86，Glu侧链羧基pKa为4.25它们是唯一在生理条件下带有负电荷的的两个氨基酸2020/8/2117（5）R中含碱性基团（3种）2020/8/2118★Lys侧链氨基的pKa为10.53，生理条件下，Lys侧链带有一个正电荷（—NH3+），侧链的氨基反应活性增大。★Arg是碱性最强的氨基酸，侧链上的胍基是已知碱性最强的有机碱，pKa值为12.48，生理条件下完全质子化。★His是pKa值最接近生理pH值的一种（游离氨基酸中为6.00，在多肽链中为7.35），是在生理pH条件下唯一具有缓冲能力的氨基酸。★His在酶的酸碱催化机制中起重要作用特点2020/8/2119在280nm处，Trp吸收最强，Tyr次之，Phe最弱。（6）芳香族氨基酸（苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸）CH2H3N+-C-HCOO-CH2H3N+-C-HCOO-OHNHCHCCH2H3N+-C-HCOO-苯丙氨酸（Phe,F）酪氨酸（Tyr,Y）色氨酸（Trp,W）2020/8/2120（7）、杂环族氨基酸（2种）Pro的α-亚氨基是环的一部分，因此具有特殊的刚性结构。一般出现在两段α-螺旋之间的转角处，Pro残基所在的位置必然发生骨架方向的变化，2020/8/2121婴儿期：Arg（精氨酸）和His（组氨酸）供给不足，属半必需氨基酸。u必需氨基酸u成年人：Thr苏氨酸Val缬氨酸Leu亮氨酸Ile异亮氨酸Phe苯丙氨酸Trp色氨酸Lys赖氨酸Met甲硫氨酸携（缬氨酸）一（异亮氨酸）两（亮氨酸）本（苯丙氨酸）单（蛋氨酸，即甲硫氨酸）色（色氨酸）书（苏氨酸）来（赖氨酸）。携（写）一两本单色书来；一两色素本来淡些；假设来写一两本书•（一）赖氨酸（Lysine）：促进大脑发育，是肝及胆的组成成分，能促进脂肪代谢，调节松果腺、乳腺、黄体及卵巢，防止细胞退化；（二）色氨酸（Tryptophane）：促进胃液及胰液的产生；（三）苯丙氨酸（Phenylalanine）：参与消除肾及膀胱功能的损耗；（四）蛋氨酸（又叫甲硫氨酸）（Methionine）；参与组成血红蛋白、组织与血清，有促进脾脏、胰脏及淋巴的功能；（五）苏氨酸（Threonine）：有转变某些氨基酸达到平衡的功能；（六）异亮氨酸（Isoleucine）：参与胸腺、脾脏及脑下腺的调节以及代谢；脑下腺属总司令部作用于甲状腺、性腺；（七）亮氨酸（Leucine）：作用平衡异亮氨酸；（八）缬氨酸（Viline）：作用于黄体、乳腺及卵巢。（九）组氨酸（Hlstidine）：作用于代谢的调节；2020/8/21222020/8/2123在维持蛋白质的三维结构中起着重要（蛋白质的疏水核心）。（1）非极性氨基酸9种这类氨基酸的侧链都能与水形成氢键，因此很容易溶于水（2）不带电何的极性氨基酸6种（3）带负电荷的氨基酸(酸性氨基酸)2种（4）带正电荷的氨基酸(碱性氨基酸)3种2020/8/2124非极性氨基酸在维持蛋白质的三维结构中起着重要作用（蛋白质的疏水核心）。2020/8/21252020/8/2126不带电荷的极性氨基酸这类氨基酸的侧链都能与水形成氢键，因此很容易溶于水。2020/8/2127带负电荷的氨基酸(酸性氨基酸)2020/8/2128带正电荷的氨基酸(碱性氨基酸)2020/8/2129胶原蛋白中的Lys侧链氧化时能形成很强的分子间(内)交联。Arg的侧链碱性很强，与NaOH相当。His是一个弱碱，是天然的缓冲剂，往往存在于许多酶的活性中心。非极性氨基酸一般形成蛋白质的疏水核心，带电荷的氨基酸和极性氨基酸位于表面。酶的活性中心：His、Ser、Cys2020/8/2130（二）非编码的蛋白质氨基酸也称修饰氨基酸，是在蛋白质合成后，由基本氨基酸修饰而来。（1）4-羟脯氨酸（2）5-羟赖氨酸这两种氨基酸主要存在于结缔组织的纤维状蛋白中。（3）6-N-甲基赖氨酸存在于肌球蛋白中（4）г-羧基谷氨酸存在于凝血酶原及某些具有结合Ca2+离子功能的蛋白质中。（5）Tyr的衍生物：3.5-二碘酪氨酸、甲状腺素存在于甲状腺蛋白中（6）锁链素由4个Lys组成存在于弹性蛋白中2020/8/21312020/8/2132β-Ala（泛素的前体）、γ-氨基丁酸（神经递质）（三）非蛋白质氨基酸不组成蛋白质，但有生理功能的氨基酸L-瓜氨酸、L-鸟氨酸是尿素循环的中间物1、L-型α–氨基酸的衍生物2、D-型氨基酸D-Glu、D-Ala（肽聚糖中）、D-Phe（短杆菌肽S）3、β-、γ-、δ-氨基酸2020/8/21332020/8/2135精氨酸、瓜氨酸、鸟氨酸是尿素循环的中间物。三、氨基酸的功能1、组成蛋白质2、一些氨基酸及其衍生物充当化学信号分子-氨基丁酸，色氨酸衍生物：5-羟色胺、褪黑激素，都是神经递质。甲状腺素（Tyr衍生物），吲哚乙酸（Trp衍生物）都是激素3、氨基酸是许多含N分子的前体物核酸的含氮碱基、血红素、叶绿素的合成都需要氨基酸。4、一些基本氨基酸和非基本氨基酸是代谢中间物2020/8/2136Gly（甘氨酸）只有一种构型,无旋光性Thr（苏氨酸）和Ile（异亮氨酸）有四种光学异构体。其余17种氨基酸有两种光学异构体：L型、D型。构成蛋白质的氨基酸均属L-型。四、氨基酸的构型、旋光性和光吸收1、氨基酸的构型2020/8/21372020/8/2138L-苏氨酸和D-苏氨酸组成消旋物。L-别一苏氨酸和D-别-苏氨酸组成消旋物2、氨基酸的旋光性★氨基酸的旋光性（符号和大小）取决于它的R基的性质，并与溶液的pH值有关。★外消旋物：D-型和L-型的等摩尔混合物。2020/8/2139胱氨酸有三种立体异构体：L-胱氨酸、D-胱氨酸、内消旋胱氨酸。L-胱氨酸和D-胱氨酸是外消旋物★内消旋物：分子内消旋2020/8/21403、氨基酸的光吸收性Tyr、Phe、Trp的R基含有共轭双键，在220-300nm近紫外区有吸收。p1452020/8/2141五、氨基酸的酸碱性质1、氨基酸在晶体和水溶液中主要以兼性离子形式存在2、氨基酸的两性解离和酸碱滴定曲线（1）pKa/就是氨基酸50%解离（[碱]=[酸]）时溶液的pH值，Ka/就是此时溶液的[H+]（2）当HA50%解离时，溶液的pH值等于pKa/（3）pH=pKa/时，[碱]=[酸]（50%解离）pHpKa/时，[碱][酸]（＞50%解离）pHpKa/时，[酸][碱]（＜50%解离）2020/8/2142甘氨酸的滴定曲线（解离曲线）2020/8/2143起点：100%G+净电荷：+1第一拐点：50%G+，50%G±平均净电荷：+0.5pH=pK1+lg[G±]/[G+]=pK1=2.34第二拐点：0%G±净电荷：0等电点pI=5.97第三拐点：50%G±，50%G-平均净电荷：-0.5pH=pK2+lg[G-]/[G±]=pK2=9.6终点：100%G-净电荷：-1在pH2.34和pH9.60处，Gly具有缓冲能力。2020/8/21442020/8/2145)21(21][][log2][][log][][log2121pKpKpIRRpKpKpIRRpKpIRRpKpIGly等电点的计算2020/8/214622)3()3()(RNHNHCOOHpKpKpIpKpKpIa2)(RCOOHpKpKpIaaa中性氨基酸碱性氨基酸酸性氨基酸氨基酸等电点的计算2020/8/2147★pHpI时，-NH2解离成-NH3+，氨基酸带正电荷，在电场中向负极移动。★pHpI时，-COOH解离成-COO-，氨基酸带负电荷，在电场作用下向正极移动。★pH=pI时，氨基酸净电荷为零，在电场中不移动2020/8/2148六、氨基酸的化学性质CH3CHCOOHNH2+HNO2CH3CHCOOHOH+N2↑收集反应放出的氮气，可用来测定氨基酸的含量，这种测定氨基酸含量的方法称为范斯莱克（Vanslyke）氨基测定法。1、与亚硝酸反应（一）α-NH2参加的反应2020/8/2149苄氧甲酰氯（carbobenzyloxychloride,Cbz-Cl)叔丁氧甲酰氯对-甲苯磺酰氯邻苯二甲酸酐2、与酰化试剂反应氨基酸的氨基与酰氯或酸酐在弱碱溶液中发生作用时，氨基即被酰基化。酰化试剂★酰化试剂在多肽的人工合成中被用作氨基保护剂。P1362020/8/215