氨基酸和多肽的生物有机化学

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1、氨基酸和多肽的生物 有机化学洛阳师院化学系有机化学教研室第二章蛋白质存在于所蛋白质存在于所 有的生物细胞中有的生物细胞中 ，是构成生物体，是构成生物体 最基本的最基本的结构结构物物 质和功能物质质和功能物质。 蛋白质是生命活蛋白质是生命活 动的物质基础，动的物质基础， 它参与了几乎所它参与了几乎所 有的生命活动过有的生命活动过 程程。第一节 概 述一、蛋白质的定义蛋白质：是一切生物体中普遍存在的，由天然氨基酸通过肽键连接而成 的生物大分子；其种类繁多，各具有一定的相对分子质量，复杂的分子结构 和特定的生物功能；是表达生物遗传性状的一类主要物质。二、蛋白质在生命中的重要性早在1878年，思格斯就

2、在反杜林论中指出：“生命是蛋白体的存在方 式，这种存在方式本质上就在于这些蛋白体的化学组成部分的不断的自我更 新。” 可以看出，第一，蛋白体是生命的物质基础；第二，生命是物质运动的 特殊形式，是蛋白体的存在方式；第三，这种存在方式的本质就是蛋白体与 其外部自然界不断的新陈代谢。现代生物化学的实践完全证实并发展了恩格 斯的论断1.蛋白质是生物体内必不可少的重要成分 蛋白质占干重 人体中（中年人）人体 45% 水55%细菌 50%80% 蛋白质19%真菌 14%52% 脂肪19%酵母菌 14%50% 糖类1%白地菌50% 无机盐7%2.蛋白质是一种生物功能的主要体现者（1）酶的催化作用（2）调节作

3、用(多肽类激素)（3）运输功能（4）运动功能（5）免疫保护作用(干扰素)（6）接受、传递信息的受体（7）毒蛋白3.外源蛋白质有营养功能，可作为生产加工的对象.三、蛋白质的组成1.元素组成蛋白质是一类含氮有机化合物，除含有碳、氢、氧外，还有氮和少量的 硫。某些蛋白质还含有其他一些元素，主要是磷、铁、碘、碘、锌和铜等。这 些元素在蛋白质中的组成百分比约为：碳 50氢 7氧 23氮 16%硫 03其他 微 量氮占生物组织中所有含氮物质的绝大部分。因此，可以将生物组 织的含氮量近似地看作蛋白质的含氮量。由于大多数蛋白质的含氮量 接近于16%，所以，可以根据生物样品中的含氮量来计算蛋白质的大概 含量 蛋

4、白质含量的测定： 凯氏定氮法(测定氮的经典方法)优点：对原料无选择性，仪器简单，方法也简单；缺点：易将无机氮(如核酸中的氮)都归入蛋白质中,不精确。一般，样品含氮量平均在16%，取其倒数100/16=6.25，即为 蛋白质换算系数，其含义是样品中每存在1g元素氮，就说明含有 6.25g 蛋白质）；故： 蛋白质含量=氮的量100/166.25除了上法外，还有紫外比色法双缩脲法 Folin酚考马斯亮兰G250比色法 （条件：蛋白质必须是可溶的）2.化学组成（两种类型）单纯蛋白质：水解为 -氨基酸结合蛋白质=单纯蛋白质+辅基第二节 氨基酸化学一、氨基酸的结构与分类(2). 除甘氨酸外,其它所有氨基酸

5、分子中的-碳原子都为不对称碳原子,所以 ：A.氨基酸都具有旋光性。B.每一种氨基酸都具有D-型和L-型两种立体异构 体。目前已知的天然蛋白质中氨基酸都为L-型。1.氨基酸的结构氨基酸是蛋白质水解的最终产物，是组成蛋白质的基本单位。从蛋白质 水解物中分离出来的氨基酸有二十种，除脯氨酸和羟脯氨酸外，这些天然氨 基酸在结构上的共同特点为： (1). 与羧基相邻的-碳原子上都有一个氨基，因而称为-氨基酸COOH H2N CH -碳原子基团R R基团-氨基酸基本结构通式2.常见氨基酸的分类中性AA （1）按R基团的酸碱性分 酸性AA碱性AA（2）按R基团的 疏水性R基团AA电性质分 不带电荷极性R基团的

6、AA带电荷R基团的AA脂肪族A （3）按R基团的化学结构分 芳香族AA杂环族AA3.构成蛋白质的20种氨基酸4.人体所需的八种必需氨基酸 赖氨酸(Lys) 缬氨酸(Val) 蛋氨酸(Met)色氨酸(Try) 亮氨酸(Leu) 异亮氨酸(Ile)酪氨酸(Thr) 苯丙氨酸(Phe)婴儿时期所需: 精氨酸(Arg)、组氨酸(His)早产儿所需：色氨酸(Try)、半胱氨酸(Cys).几种重要的不常见氨基酸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、

7、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二.氨基酸的重要理化性质 1.一般物理性质常见氨基酸均为无色结晶,其形状因构型而异(1)溶解性：各种氨基酸在水中的溶解度差别很大，并能溶解于稀酸或稀 碱中，但不能溶解于有机溶剂。通常酒精能把氨基酸从其溶液中沉淀 析出。 (2) 熔点：氨基酸的熔点极高，一般在200以上。 (3) 味感：其味随不同氨基酸有所不同，有的无味、有的为甜、有的味苦 ，谷氨酸的单钠盐有鲜味，是味精的主要成分。 (4)旋光性：除甘氨酸外，氨基酸都具有旋光性，能使偏振光平面向左或 向右旋转，左旋者通常用（-）表示，右旋者用（+）表示。 (5)光吸收：构成蛋白质的20种

8、氨基酸在可见光区都没有光吸收，但在远 紫外区(97%以上）；B.B.知道蛋白质的分子量；C.C.知道蛋白质由几个亚基组成；D.D.测定蛋白质的氨基酸组成；并根据分子量计算每种氨基酸的个数。E.E.测定水解液中的氨量，计算酰胺的含量。(2)测定步骤测定步骤多肽链的拆分：由多条多 肽链组成的蛋白质分子，必须先 进行拆分。几条多肽链借助非共 价键连接在一起，称为寡聚蛋白 质，如，血红蛋白为四聚体，烯 醇化酶为二聚体；可用8mol/L尿 素或6mol/L盐酸胍处理，即可分 开多肽链(亚基).测定蛋白质分子中多肽链 的数目：通过测定末端氨基 酸残基的摩尔数与蛋白质分 子量之间的关系，即可确定 多肽链的数

9、目。 二硫键的断裂：几条多肽 链通过二硫键交联在一起。 可在可用8mol/L尿素或 6mol/L盐酸胍存在下，用过 量的-巯基乙醇处理，使二 硫键还原为巯基，然后用烷 基化试剂保护生成的巯基， 以防止它重新被氧化。可以 通过加入盐酸胍方法解离多 肽链之间的非共价力；应用 过甲酸氧化法或巯基还原法 拆分多肽链间的二硫键。巯基的保护测定每条多肽链的氨基酸组成，并计算出氨基酸成分的分子比； 分析多肽链的N-末端和C-末端末端氨基酸的测定：多肽链端基氨基酸分为两类，N-端氨基酸和C-端氨基 酸。在肽链氨基酸顺序分析中，最重要的是N-端氨基酸分析法。末端氨基酸测 定的主要方法有：n n二硝基氟苯（二硝基

10、氟苯（DNFBDNFB）法法n n丹磺酰氯法丹磺酰氯法: :在碱性条件下，丹磺酰氯（二甲氨基萘磺酰氯）可 以与N-端氨基酸的游离氨基作用，得到丹磺酰-氨基酸。此法 的优点是丹磺酰-氨基酸有很强的荧光性质，检测灵敏度可以 达到110-9mol。C.C.肼解法：肼解法：此法是多肽链C-端氨基酸分析法。多肽与肼在无 水条件下加热，C-端氨基酸即从肽链上解离出来，其余的氨基 酸则变成肼化物。肼化物能够与苯甲醛缩合成不溶于水的物质而与C-端氨基酸分离。n n氨肽酶法：氨肽酶法：氨肽酶是一种肽链外切酶，它能从多肽链的N-端逐个的 向里水解。根基不同的反应时间测出酶水解所释放出的氨基酸种类 和数量，按反应时

11、间和氨基酸残基释放量作动力学曲线，从而知道 蛋白质的N-末端残基顺序。最常用的氨肽酶是亮氨酸氨肽酶，水解 以亮氨酸残基为N-末端的肽键速度最大。n羧肽酶法：羧肽酶是一种肽链外切酶，它能从多肽链的C-端逐个的 水解。根基不同的反应时间测出酶水解所释放出的氨基酸种类和数 量，从而知道蛋白质的C-末端残基顺序。目前常用的羧肽酶有四种 ：A,B,C和Y；A和B来自胰脏；C来自柑桔叶；Y来自面包酵母。羧肽 酶A能水解除Pro,Arg和Lys以外的所有C-末端氨基酸残基；B只能水 解Arg和Lys为C-末端残基的肽键。多肽链断裂成多个肽段，可采用两种或多种不同的断裂方法将多肽样品断裂成 两套或多套肽段或肽

12、碎片，并将其分离开来。多肽的选择性降解的方法有：A.酶解法:胰蛋白酶，糜蛋白酶，胃蛋白酶，嗜热菌蛋白酶，羧肽酶和 氨肽酶B.化学法：溴化氰水解法，它能选择性地切割由甲硫氨酸的羧基所形成的肽键。测定每个肽段的氨基酸顺序。 确定肽段在多肽链中的次序：利用两套或多套肽段的氨基酸顺序彼此间 的交错重叠，拼凑出整条多肽链的氨基酸顺序。 确定原多肽链重二硫键的位置：一般采用胃蛋白酶处理没有断开二硫键 的多肽链，再利用双向电泳技术分离出各个肽段，用过甲酸处理后， 将每个肽段进行组成及顺序分析，然后同其它方法分析的肽段进行比 较，确定二硫键的位置。三.蛋白质的空间结构1.蛋白质的二级结构蛋白质的二级(Seco

13、ndary)结构是指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走 向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。主要有-螺 旋、-折叠、-转角。(1). -螺旋在-螺旋中肽平面的键 长和键角一定,肽键的原子排 列呈反式构型,相邻的肽平面 构成两面角. 多肽链中的各个肽平面围 绕同一轴旋转，形成螺旋结 构，螺旋一周，沿轴上升的 距离即螺距为0.54nm,含3.6 个氨基酸残基；两个氨基酸 之间的距离0.15nm. 肽链内形成氢键，氢键的 取向几乎与轴平行，第一个 氨基酸残基的酰胺基团的- CO基与第四个氨基酸残基酰 胺基团的-NH基形成氢键。 蛋白质分子为右手-螺旋 。左手和右手螺旋（

14、2） -折叠-折叠是由两条或多条几乎完全伸 展的肽链平行排列，通过链间的氢键交 联而形成的。肽链的主链呈锯齿桩折叠 构象。 在-折叠中，-碳原子总是处于折叠 的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱 角上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的 轴心距为0.35nm. -折叠结构的氢键主要是由两条肽 链之间形成的；也可以在同一肽链的不 同部分之间形成。几乎所有肽键都参与 链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近 垂直。 -折叠有两种类型。一种为平行式， 即所有肽链的N-端都在同一边。另一种 为反平行式，即相邻两条肽链的方向相 反。（3） -转角在-转角部分，由四个氨基酸 残基组成.四个形成转角的残基中 ，第三个一般

15、均为甘氨酸残基弯 曲处的第一个氨基酸残基的 -C=O 和第四个残基的 N-H 之间形成氢 键，形成一个不很稳定的环状结构 。这类结构主要存在于球状蛋白分 子中。（）自由回转没有一定规律的松散肽链结构，但仍是紧密有序的稳定结构，通过主链间 及主链与侧链间氢键维持其构象不同的蛋白质，自由回转的数量和形式各不 相同分两类： 紧密环 连接条带超二级结构和结构域 （）超二级结构在蛋白质分子中，由 若干相邻的二级结构单元 组合在一起，彼此相互作 用，形成有规则的、在空 间上能辨认的二级结构组 合体。几种类型的超二级 结构： ； 超二级结构在结构 层次上高于二级结构，但 没有聚集成具有功能的结 构域 （）结构域对于较大的蛋白