生物化学第3章

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1、第三章 氨基酸 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 Date 一、氨基酸蛋白质的构件分子 （一）蛋白质的水解 蛋白质的水解可分为完全水解和部分水解两种情况。 （1）酸水解 常用H2SO4 (4mol/L)和HCl (6mol/L)进行水 解。色氨酸破坏，天冬酰胺、谷胺酰胺脱酰胺基。 （2）碱水解 用5mol/L的NaOH水解，氨基酸消旋，色氨酸 稳定。 （3）酶水解 水解位点特异，为部分水解。用于一级结构 分析。 Date （二）氨基酸的一般结构 1809年发现Asp，1938年发

2、现Thr，目前已发现180多种。但 是组成蛋白质的aa常见的有20种，称为基本氨基酸或蛋白 质氨基酸（编码蛋白质的氨基酸），还有一些称为稀有氨 基酸，是多肽合成后由基本aa经酶促修饰而来。此外还有 存在于生物体内但不组成蛋白质的非蛋白质氨基酸(约150 种)。 （1）具有酸性的COOH基 及碱性的NH2基，为两性电 解质。 （2）如果RH，则具有不 对称碳原子，因而是光活性 物质。 Date Date Date Date 旋光性 在天然氨基酸中，只有甘氨酸无旋光性，因为只有 含不对称碳的氨基酸才有旋光作用。甘氨酸无不对称碳故无 旋光性。 极性 从氨基酸在不同溶剂中的溶解度和氨基酸的R基团在溶

3、剂中的定位，可知有些氨基酸的R残基是亲水性的称极性基( 如酸基、碱基、脂族醇、酰胺基)，有的是疏水性的称非极 性基(如脂族和芳香族支链)。含极性基团的氨基酸称极性氨 基酸，含非极性基团的氨基酸称非极性氨基酸。 极性基可同其他相应基团形成氢键或离子键。非极性基团( 疏水性基团)相互间的作用对天然蛋白质分子的空间构象和 稳定性都起极大作用。 Date 二、氨基酸的分类 （一）常见的蛋白质氨基酸 1、按照R基的化学结构 （1）脂肪簇氨基酸 中性氨基酸：Gly、Ala、Val、Leu、Ile 含羟基或硫氨基酸：Ser、Thr、Cys、Met 酸性氨基酸及其酰胺：Asp、Glu、Asn、Gln 碱性氨基

4、酸：Lys、Arg （2）芳香簇氨基酸Phe、Tyr、Trp （3）杂环簇氨基酸His、Pro Date Date Date Date Date Date Date 2.按R的极性性质 （1）非极性R基氨基酸 Ala、Val、Leu、Ile、Pro、Phe、Trp、Met （2）不带电荷的极性R基氨基酸 Gly、Ser、Thr、Cys、Tyr、Asn、Gln （3）带正电荷的R基氨基酸 （4）带负电荷的R基氨基酸 Lys、Arg、His Asp、Glu Date Date Date Date Date Gly0Ser-0.3 Glu-2.5 Lys-3.0 Ala0.5Asn-0.2 Asp-

5、2.5 Arg-3.0 Met1.3Gln-0.2 His0.5 Pro1.4Thr0.4 Val1.5Cys1.0 Leu1.8Tyr2.3 Ile1.8 Phe2.5 Trp3.4 侧链极性(疏水性程度) Date 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的胍基碱性很强，与NaOH相当。 His是一个弱碱，是天然的缓冲剂，它往往存在于许多酶的活 性中心。 非极性aa一般形成蛋白质的疏水核心，带电荷的aa和极性 aa位于表面。 酶的活性中心：His、Ser、Cys Date （二）不常见的蛋白质氨基酸 有些不常见的氨基酸在某些蛋白质中存在，是由相应的常 见氨基酸经修

6、饰而来。 在结缔组织的胶原蛋白中有5-羟赖氨酸、4-羟脯氨酸；肌 球蛋白含有甲基化的氨基酸（6-N-甲基赖氨酸 ）；凝血 酶原中发现了羧基谷氨酸；细菌紫膜质中存在焦谷氨 酸；甲状腺蛋白中Tyr的衍生物： 3.5 -二碘酪氨酸、 甲状腺素；等。 Date Date （三）非蛋白质氨基酸 除参与蛋白质组成的20多种氨基酸外，生物体内存在大量的 氨基酸中间代谢产物，它们不是蛋白质的结构单元，但在生 物体内具有很多生物学功能。 （1）L-型氨基酸的衍生物：L-瓜氨酸和L-鸟氨酸 （2）D-型氨基酸：D-Glu、D-Ala（肽聚糖中）、D-Phe（短 杆菌肽S） （3）-、-、-氨基酸 ：-Ala（泛素

7、的前体）、- 氨基丁酸（神经递质）。 Date 三、氨基酸的酸碱化学 （一）氨基酸的兼性离子形式 -氨基酸都含有-COOH和-NH2，都是不挥发的结晶固体， 熔点200-350，不溶于非极性溶剂，而易溶于水，这些 性质与典型的羧酸（R-COOH）或胺（R-NH2）明显不同。 三个现象： 晶体溶点高离子晶格，不是分子晶格。 不溶于非极性溶剂极性分子 介电常数高（氨基酸使水的介电常数增高，而乙醇、丙 酮使水的介电常数降低。）水溶液中的氨基酸是极性分 子。 Date 原因：-羧基pK1在2.0左右，当pH3.5，-羧基 以-COO-形式存在。-氨基pK2在9.4左右，当pH pI时，氨基酸带负电荷，

8、-COOH解离成-COO-，向 正极移动。 pH = pI时，氨基酸净电荷为零。 pH pI时，氨基酸带正电荷，-NH2解离成-NH3+，向负 极移动。 Date 四、氨基酸的化学性质 （一）氨基参加的反应 1.与亚硝酸的反应 氨基酸的-氨基定量地与亚硝酸作用产生羟酸和N2，所生 成的N2可用气体分析仪器加以测定，这是Van Slyke氏氨基 氮测定法的原理。 Date 2.与甲醛的反应 氨基酸两性离子的NH3+是弱酸，其pKa 为9.7左右，完全离解时溶液的pH约为 10，超出酸碱滴定指示剂的显色范 围，不能用一般指示剂，例如酚酞， 作酸碱滴定。但当氨基酸的氨基与中 性甲醛结合成氨基酸二羟甲

9、基衍生物 后，其氨基的碱性即大大减少，反应 向右进行，两性离子中NH3+基的离解 度增加，释出H+质子，NH3+的pKa值降 低到6.5左右，溶液的pH降至6.7左右 ，此时NH3+离解释出的H+即可以酚酞作 指示剂用标准NaOH溶液加以滴定。每 释出的一个H+就相当于一个氨基酸。 甲醛滴定可用来测定蛋白质的水解程 度。 当氨基酸溶液中存在1mol/L甲醛时， 滴定终点由pHl2左右移至9附近，亦即 酚酞指示剂的变色区域。这就是甲醛 滴定法的基础。 Date 3.酰基化和烃基化反应 氨基酸氨基的一个H可被酰基或烃基(包括环烃及其衍生物) 取代，这些取代基对氨基酸的氨基有保护作用。 Date （

10、生物体内）在酶和ATP存在条件下，羧酸也可与氨基酸的氨 基作用，形成酰基化产物。 苯甲酸与Gly的氨基的酰基化反应是生物体内解毒作用的一个 典型的例子。 苯甲酸是食品防腐剂，在生物体内转变成N-苯甲酰-Gly后， 可经尿排出。 Date -氨基中的氮是一 个亲核中心，能发生 亲核取代反应。 强亲电的有机物能与 -NH2发生烷基化反 应。 第一次大战中使用的 芥子气，它的主要作 用是使氨基酸的- 氨基烷基化，从而破 坏蛋白质的正常功能 。 Sanger反应 二硝基苯基氨基酸（DNP-氨基酸），黄色，层析法 鉴定，被Sanger用来测定多肽的NH2末端氨基酸。 Edman反应 PTH-氨基酸，无

11、色，可以用层析 法分离鉴定。被 Edman用来鉴定 多肽的NH2末端氨 基酸。 Date Date Date 4.形成西佛碱反应 氨基酸的氨基与醛类反应，生成西佛碱。 西佛碱是以氨基酸为底物的某些酶促反应例如转氨基 反应的中间物。 Date 5.脱氨基化学 氨基酸经氧化剂或酶(如氨基酸氧化酶)的作用即脱出氨产 生酮酸。 氨基酸的氨基还可通过酶的作用将氨基转移给酮酸以形 成新氨基酸。 Date （二）羧基参加的反应 氨基酸在有HCl(干氯化氢气)存在下与无水甲醇或乙醇作用 即产生氨基酸甲酯或乙酯。 1.成酯和成盐反应 如将氨基酸与NaOH起反应，则得氨基酸钠盐。 当氨基酸的羧基变成乙酯(或甲酯)

12、，或钠盐后。羧基的化 学性质就被掩蔽了(或者说羧基被保护了)，而氨基的化学 性质就突出地显示出来(或者说氨基被活化了)，可与酰基 结合。 Date 酰化氨基酸同PCl5或PCl3在低温下起作用，其COOH基即 可变为COCl基： 2.酰氯化反应 这个反应可使氨基酸的羧基活化，使之易与另一氨基酸的 氨基结合，在合成肽的工作上是常用的。 Date 在体外，氨基酸酯与氨(在醇溶液中或无水状态)作用即可 形成氨基酸酰胺。 3.成酰胺反应 动、植物机体在ATP及天冬酰胺合成酶存在情况下可利用 NH+4与天冬氨酸作用合成天冬酰胺；同样，谷氨酸与NH+4 作用产生谷氨酰胺。 Date 生物体内的氨基酸经脱羧

13、酶(一种催化氨基酸脱羧反应的生 物催化剂)作用就放出CO2和产生相应的胺。 4.脱羧反应 大肠杆菌含有一种谷氨酸脱羧酶专使谷氨酸脱羧。 人体和动物体中的胺也是由于氨基酸脱羧产生的。 Date 氨基酸可以通过酰基化和酯化先将自由氨基酸变为酰化氨 基酸甲酯，然后与联氨和HNO2作用使变成叠氮化合物。 5.叠氮反应 这个反应有使氨基酸的羧基活化的作用，在人工合成肽的 工作中也是常用的。 Date （二）氨基和羧基共同参加的反应 1.与茚三酮反应 Date 从理论上讲，一个氨基酸的氨基与另一氨基酸的羧基可以 缩合成肽，其键称肽键。 2.成肽反应 Date Date 根据此原理，曾利用氨基酸氨基和竣基的

14、某些特有反应合 成了若干人工肽链。但必须指出，生物机体利用氨基酸合 成肽链的方式并不如此简单，而是通过一系列复杂过程来 完成的(详见蛋白质的生物合成)。 Date （四）侧链R基参加的反应 氨基酸的侧链基团R有下列几种： 1苯环(苯丙氨酸及酪氨酸) 2酚基(酪氨酸) 3OH基(丝氨酸、苏氨酸) 4SH基及SS键(半胱氨酸及胱氨酸) 5吲哚基(色氨酸) 6胍基(精氨酸) 7咪唑基(组氨酸) Date 酪氨酸的酚基在3和5位上容易发生亲电取代反应，例如发 生碘化或硝化，分别生成一碘酪氨酸和二碘酪氨酸或一硝 基酪氨酸和二硝基酪氨酸： Date 酪氨酸的酚基还可以与重氮化合物（如对氨基苯磺酸的重氮 盐

15、)结合生成桔黄色的化合物： 这就是Pauly反应，可用于检测酪氨酸。 Date 组氨酸的侧链咪唑基与重氮苯磺酸也能形成相似的化 合物，但颜色稍有差异，是棕红色。 精氨酸的侧链胍基在硼酸钠缓冲液(pH 89，2535） 中，与1，2环己二酮反应，生成缩合物： 在胰蛋白酶水解肽段时，用于保护Arg的NH2，减少作用位点。 Date 色氨酸的侧链吲哚基在温和条件下可被N溴代琥珀酰亚胺氧 化。此反应可用于分光光度法测定蛋白质中色氨酸的含量， 并能在色氨酸和酪氨酸残基处选择性化学断裂肽键。 蛋氨酸侧链上的甲硫基是一个很强的亲核基团，与烃化试剂 如甲基碘容易形成锍盐。 Date 生成的侧链带有正电荷(+N

16、H3)，它为胰蛋白酶水解肽链提供 了一个新位点，这对氨基酸顺序测定是很有用的。同时此反应也 可用来保护肽链上的SH基、以防止被重新氧化为二硫键。 Date 半胱氨酸可与二硫硝基苯甲酸(缩写为DTNB)或称Ellman氏 试剂发生硫醇二硫化物交换反应： 反应中1分子的半胱氨酸引起1分子的硫硝基苯甲酸的释放 ，它在pH 8.0时，在412nm波长处有强烈的光吸收，因此 可利用比色法定量测定一SH基。 Date 硫基很容易受空气或其他氧化剂氧化。 硫醇一般遇到的只有两种氧化衍生物：二硫化物和磺酸。 2R-SH 1/2O2 R-S-S-R + H2O2 半胱氨酸的SH基可与另一个SH基结合成二硫键(SS)。 SH与SS成一氧化还原体系，在机体氧化还原作用中有 一定作用。二硫键存在于多种肽和蛋白质分子中，胰岛素分 子中有3个二硫键，核糖核酸酶分子中有4个二硫键。二硫键 对蛋白质和多肽分子的