《生物化学》氨基酸.ppt

Protein chemistry,第一单元 蛋白质化学(14学时）,第三章 氨基酸第四章 蛋白质的共价结构第五章 蛋白质的三维结构第六章 蛋白质结构与功能的关系第七章 蛋白质的分离、纯化和表征,第3章 氨基酸(Amino acids),一、氨基酸-蛋白质的构件分子 二、氨基酸的分类 三、氨基酸的酸碱化学 四、氨基酸的化学反应 五、氨基酸的光学活性和光谱性质 六、氨基酸混合物的分析分离,一、氨基酸-蛋白质的构件分子,(一)蛋白质的水解(二)-氨基酸的一般结构,蛋白质水解的主要方法：（1）酸水解（2）碱水解（3）酶水解,(一)蛋白质的水解,蛋白质水解生成20种游离的氨基酸,（1）酸水解,常用H2SO4或HCl进行水解。方法：一般用6mol/L HCl，4mol/L H2SO4，回流煮沸20h左右可使蛋白质完全水解。优点：不引起消旋作用，得到的是L-氨基酸。缺点：色氨酸完全被沸酸所破坏。羟基氨基酸有一小部分被分解，天冬酰胺，谷氨酰胺的酰胺基被水解下来。,（2）碱水解,方法：一般与5mol/L NaOH共煮10-20h，即可使蛋白质完全水解。优点：色氨酸在碱性条件下稳定。缺点：水解过程中多数氨基酸遭到不同程度的破坏，并且产生消旋现象，所得的产物是D-和L-氨基酸的混合物，称消旋物。此外，精氨酸脱氨，生成鸟氨酸和尿素。,（3）酶水解,优点：不产生消旋现象，也不破坏氨基酸。缺点：水解不彻底，需几种酶协调作用才能彻底水解蛋白质。常用蛋白酶：胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶或糜蛋白酶及胃蛋白酶等。,(二)-氨基酸的一般结构,-carbon,Proteins are biological polymers made up of many-amino acid molecules that contain both an amine group and a carboxylic acid group,中文,根据你所学的化学知识，从下面的氨基酸结构通式可看出氨基酸具有哪些性质？,(二)-氨基酸的一般结构,-碳,蛋白质是由许多氨基酸分子组成的生物多聚体或者是生物大分子。这些氨基酸都有一个共同特点，含一个氨基和一个羧基，而且是-氨基，所以称-氨基酸。,英文,二、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,氨基酸有两种分类的方法：,（1）按侧链R基的结构（2）按侧链R基的极性,(一)常见的蛋白质氨基酸,（1）按侧链R基的结构分类,Aa,脂肪族氨基酸,芳香族氨基酸:,杂环氨基酸,一氨基一羧基氨基酸（中性氨基酸）,一氨基二羧基氨基酸（酸性氨基酸）及其酰胺:,二氨基一羧基氨基酸（碱性氨基酸）,Gly、,Val、,Leu、,Ile、,Ser,Thr、,Cys、,Met,Asp、,Glu、,Asn、,Gln,Arg、,Lys,Phe、,Tyr,His、,Trp、,Pro,(9),(4),(2),(2),(3),Ala、,甘氨酸（甘）,Glycine Gly G,丙氨酸（丙）,Alanine Ala A,NH3+,缬氨酸(缬),Valine Val V,NH3+,亮氨酸(亮),Leucine Leu L,异亮氨酸(异亮),Isoleucine Ile I,NH3+,CH 3 CH2 CH CH COO-,NH3+,CH 3,丝氨酸(丝),Serine Ser S,NH3+,苏氨酸(苏),Threonine Thr T,NH3+,CH3 CH CH COO-,NH3+,OH,半胱氨酸（半胱）,Cysteine Cys C,NH3+,胱氨酸的一半,甲硫氨酸（蛋氨酸）,Methionine Met M,NH3+,天冬氨酸,Aspartate Asp D,NH3+,谷氨酸,Glutamate Glu E,NH3+,天冬酰胺,Asparagine Asn N,NH3+,谷氨酰胺,Glutamine Gln Q,NH3+,NH2 C CH2 CH2 CH COO-,NH3+,O,精氨酸(精),Arginine Arg R,NH3+,NH2 C-NH-CH2-CH2-CH2-CH-COO-,NH3+,+NH2,胍基,赖氨酸,Lysine Lys K,NH3+,+NH3-CH2-CH2-CH2-CH2-CH-COO-,NH3+,苯丙氨酸,Phenylalanine Phe F,NH3+,酪氨酸,Tyrosine Tyr Y,NH3+,CH 2 CH COO-,NH3+,HO,组氨酸,Histidine His H,NH3+,CH 2 CH COO-,NH3+,HC,C,NH,CH,HN,+,咪唑基,色氨酸,Tryptophan Try W（Trp）,NH3+,CH 2 CH COO-,NH3+,NH,吲哚基,苯并吡咯环,脯氨酸,Proline Pro P,CH2-CH2-CH2-CH-COO-,脯氨酸,Proline Pro P,（2）按侧链R基的极性分,Aa,极性氨基酸,非极性氨基酸 Phe、Ala、Val、Leu、Ile、Met、Trp、Pro,不带电荷的极性氨基酸,Gly、Ser、Thr、Cys、Tyr、Asn、Gln,带正电荷的极性氨基酸Arg、Lys、His,带负电荷的极性氨基酸Asp、Glu、,(7),（3）,(2),(8),三、氨基酸的酸碱化学,()氨基酸的兼性离子形式(二)氨基酸的解离(三)氨基酸的等电点(四)氨基酸的甲醛滴定（五）氨基酸的物理性质小结,(一)氨基酸的兼性离子形式,氨基酸的-C上连接了一个羧基和一个氨基，在中性水溶液中，羧基就会放出质子，而氨基接受质子，这样就使一个中性形式的氨基酸分子变成了带正、负电荷相等的两性离子.见下图,(二)氨基酸的解离,氨基酸在水中的两性离子既能像酸一样放出质子。,C,R,H,H2N,C,R,COO-,H+H+,H3N+,COO-,作为酸,也能像碱一样接受质子,氨基酸具有酸碱性质，是一类两性电解质。,C,R,COOH,C,R,COO-,H,H3N+,作为碱,H3N+,H+H+,(三)氨基酸的等电点,向氨基酸两性离子溶液中加酸，两性离子的COO-就接受H+，氨基酸变为正离子，在电场中向负极移动。向氨基酸两性离子溶液中加碱，两性离子的-NH3+就放出H+，氨基酸变为负离子，在电场中向正极移动。这里我们总可以找到某一个pH值使氨基酸所带的净电荷为“零”，在电场中不移动，这时溶液的pH值就是该氨基酸的等电点，isoelectric point 以pI 表示。如图所示,0.1,0.05,0.05,0.1,0,0,2,4,6,8,10,12,14,pK1=2.34,pK2=9.60,pI=5.97,pH,加入的H+mol数,加入的OH-mol数,CH2,COOH,H3N+,(Gly+),COO-,CH2,H3N+,(Gly),(Gly-),Gly+=Gly,Gly=Gly-,甘氨酸的滴定曲线,Aa,Aa+,Aa_,实验证明，在pI时氨基酸主要以两性离子形式存在，但也有少量数量相等的正负离子，还有极少量中性分子，每一种氨基酸都有各自的等电点。氨基酸的pI可由实验测定，也可根据氨基酸羧基和氨基的pK值（即解离常数的负对数）来确定，pK的编号通常是从酸性最强基团的解离开始，分别用pK1，pK2表示.,一氨基一羧基氨基酸，如丙氨酸：pK1（-COOH）=2.34，pK2（-NH3+）=9.69,pI=(pK1+pK2)/2,氨基酸的两性解离：,以甘氨酸为例：pK1=2.34 pK2=9.60 pI=5.97,阳离子 两性离子 阴离子,pH=pI=(pK1+pK2)/2,从左向右是用NaOH滴定的曲线，溶液的pH由小到大逐渐升高；从右向左是用盐酸滴定的曲线，溶液的pH由大到小逐渐降低。曲线中从左向右第一个拐点是氨基酸羧基解离50%的状态，第二个拐点是氨基酸的等电点，第三个拐点是氨基酸氨基解离50%的状态。,甘氨酸的酸碱滴定曲线,一氨基二羧基氨基酸,如天冬氨酸，在不同pH值时的解离情况如下图所示:,pI=(pK1+pK2)/2=1.88+3.65=2.77,二氨基一羧基氨基酸,如赖氨酸，在不同PH值时的解离情况如图所示,pI=(pK2+pK3)/2=8.95+10.53=9.74,综上所述，各种氨基酸的等电点为两性离子两侧两个pK的平均值。由于各种氨基酸都有特定的等电点，因此当溶液的pH值低于某氨基酸的等电点时，则该氨基酸带正电荷，在电场中向负极移动。若溶液的pH值高于等电点时，则该氨基酸带负电荷，在电场中向正极移动。当溶液的pH等于等电点时，氨基酸所带净电荷为零，在电场中不移动。,因此对一个含多种氨基酸的溶液来讲，在某一pH条件下，各种氨基酸所带电荷各不相同，利用这一性质可用电泳法、离子交换层析法等分离或制备氨基酸。另外当氨基酸处于等电点时，由于静电引力的作用，氨基酸的溶解度最小，容易沉淀，利用这一性质可以分离制备氨基酸。,(四)氨基酸的甲醛滴定,由于氨基酸具有酸、碱两性，不能直接用酸碱进行滴定，因为氨基酸的酸、碱滴定的等电点pH或过高或过低，没有适当的指示剂可被选用。而加入甲醛后，降低了氨基的碱性，因 而可以用NaOH直接滴定，选用酚酞作指示剂。（图）用于测定氨基酸含量及蛋白质水解程度,0.1,0.05,0.05,0.1,0,0,2,4,6,8,10,12,14,pK1=2.34,pK2=9.60,pI=5.97,pH,加入的H+mol数,加入的OH-mol数,CH2,COOH,H3N+,(Gly+),COO-,CH2,H3N+,(Gly),(Gly-),Gly+=Gly,Gly=Gly-,甘氨酸的滴定曲线,氨基酸的甲醛滴定,加甲醛和不加甲醛的甘氨酸滴定曲线,（五）氨基酸的物理性质（补充）,1、-氨基酸为无色晶体。2、熔点极高，一般在200以上。3、除Gly外，都有旋光性（D、L构型）。4、各种氨基酸在水中的溶解度差别很大，并能溶于极性溶剂（溶于稀酸，溶于稀碱），不溶于有机溶剂。,四、氨基酸的化学反应,(一)-氨基参加的反应(二)-羧基参加的反应(三)-氨基和-羧基共同参加的反应(四)侧链R基参加的反应,(一)-氨基参加的反应,烃基化反应（P136)-与2，4-二硝基氟苯（DNFB）反应,可用于鉴定多肽链的N端氨基酸,（黄色）,蛋白质多肽链结构,胰岛素,(一)-氨基参加的反应,烃基化反应(P137)-与异硫氰酸苯酯(PITC)的反应,可用于鉴定多肽或蛋白质的N端氨基酸,(一)-氨基参加的反应,与荧光胺反应,or 440nm for proline,(三)-氨基和-羧基共同参加的反应,与茚三酮的反应：凡含有-NH2的氨基酸与茚三酮反应可生成蓝紫色化合物，反应十分灵敏，几个微克氨基酸就能显色。根据反应所生成的蓝紫色的深浅，在570nm比色可知氨基酸的含量。多肽或蛋白质也能与茚三酮反应，但肽越大，灵敏度也越差。如图所示，脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应，则生成黄色产物，光吸收波长在440nm。氨基酸的其它性质如表所示。,(四)侧链R基参加的反应,与5，5-双硫基-双（2-硝基苯甲酸）反应（Ellman反应）见P142,反应中1分子的半胱氨酸引起1分子的硫代硝基苯甲酸的释放。它在pH8.0时,在412nm波长处有强烈的光吸收,可用分光光度法定量测定-SH基.,Cys,五、氨基酸的光学活性和光谱性质,()氨基酸的光学活性和立体化学（二）氨基酸的光谱性质,(一)氨基酸的光学活性和立体化学,构型：组成蛋白质的氨基酸除Gly以外都有手性碳原子，在三维空间上就有两种不同的排列方式，它们互为镜影，这两种不同的构型分别称为D-型和L-型，以丙氨酸为例，见图。如含两个手性碳原子，则有种立体异构体，分别称为-,-，别-和别-氨基酸。注:蛋白质中的氨基酸都是L-型。,旋光性,-碳原子 不对称碳、手性碳,互为镜影,旋光性：组成蛋白质的氨基酸除Gly以外，都有手性碳原子，所以都有旋光性，能使偏振光的偏振面的向左或向右旋转，向左旋转的称左旋，用“”号表示，向右旋转的称右旋，用“+”号表示。使偏振光的偏振面旋转的角度称旋光度。比旋光度是指被测物质的浓度为1g/ml，旋光管的长度为分米时测得的旋光度。,旋光仪,外消旋物：旋光物质在化学反应中经过消旋作用转变成D型和L型的等摩尔混合物，称（外）消旋物（racemate）。蛋白质用碱进行水解时，得到的氨基酸都是无旋光性的DL-消旋物。,内消旋物：旋光物质的两个不对称中心是相同的，分子内部的旋光性相互抵消，整个分子没有旋光性。这种物质称内消旋物质。如，胱氨酸(P144结构式）,光吸收：组成蛋白质的氨基酸中，Trp、Tyr和Phe对紫外光有一定的吸收，这是因为它们分子中含有苯环，是苯环的共轭双键造成的，这三种氨基酸的光吸收都在280nm附近，（如右图所示）。,（二）氨基酸的光谱性质,max：Tyr:275 nm Phe:258 nm Trp:279 nm,六、氨基酸混合物的分析分离,(一）分配层析法的一般原理（二）分配柱层析（三）纸层析（四）薄层层析（五）离子交换层析（六）气相层析（七）液相层析,Ala Leu Asp Pro Lys,五种标准氨基酸及其混合纸层析图谱,混合,(二)-羧基参加的反应,1、成盐和成酯反应(与碱或醇反应）2、成酰氯反应（与酰化试剂反应，多肽合成保护羧基）3、脱羧基反应（成胺）4、叠氮反应（与叠氮试剂反应，多肽合成保护羧基和氨基）,