第2章 蛋白质的构件-氨基酸
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第二章 蛋白质的构件-氨基酸
研究历史： ➢十八世纪，法国化学家Antoine Fourcroy和其他一些 研究者发现蛋白质是一类独特的生物分子（加热或者 酸处理产生絮凝）。
Antoine Fourcroy (1755~1809)
➢荷兰化学家Gerhardus Johannes Mulder最早对蛋白质进 行了描述：对常见的蛋白质进行元素分析发现几乎所有 的蛋白质都可以用相同的经验分子式 C400H620N100O120P1S1 表示，因此他认为蛋白质由一种单一的很大的分子组成。 他随后鉴定了蛋白质的降解产物，并发现其中含有氨基 酸例如亮氨酸，并且测得它的分子量为131 Da（真实值 为131.17）。
CryoEM image of GroEL suspended in vitreous ice at 50,000 X magnification.
➢1994年，Marc Wilkins提出蛋白质组(proteome)的概念 (The proteome is the entire set of proteins expressed by
“for his discovery that enzymes can be crystallized”
➢1951年与1952年，Frederick Sanger 分别准确的测定了牛胰岛素的B链与A 链的氨基酸序列。证实蛋白质是由氨 基酸的聚合物形成的线性分子。
Frederick Sanger （1918～2013） Received The Nobel Prize in Chemistry in 1958 "for his work on the structure of proteins, especially that of insulin"
NH2
│
源自文库
干燥，HCl
R–CH–COOH + C2H5OH 回流
NH3Cl │ R–CH–COOC2H5 + H2O
➢成酰氯反应（保护氨基，活化羧基）
HN–保护基 │ R–CH–COOH + PCl5
HN–保护基 │ R–CH–COOCl + POCl3 + HCl
➢脱羧反应
NH2 │ R–CH–COOH
（一）常见的蛋白质氨基酸 ➢按照R基的化学结构 脂肪族、芳香族和杂环族 ➢按R基的极性大小 非极性，脂肪族R基氨基酸
非极性芳香族R基氨基酸
极性不带电荷R基氨基酸
带正电荷R基氨基酸 带负电荷R基氨基酸
（二）不常见的蛋白质氨基酸 ➢由常见氨基酸经修饰而来
Proline
4-Hydroxyproline
Ka1
[A0 ][H ] [A ]
Ka2
[A-][H ] [A0 ]
[A0]=[A-], Ka2=[H+] pKa2=pH
[A+]=[A0], Ka1=[H+] pKa1=pH
0.1 M glycine at 25 °C
根据pK值可以计算在任一pH条件下的氨基酸各种离子
的比例。
pH
pKa
三、α-氨基酸的一般结构
➢结构通式
a carboxyl group(羧基)
an amino group（氨基）
side chains, or R groups
R基
➢氨基酸通过形成肽键连接成长链
➢大多数氨基酸在中性pH时以兼性离子(zwitterion, formerly dipolar ion)状态存在。
➢1951年，Linus Pauling结合他对血红蛋白的研究，以及 对肽链和肽平面化学结构的理论研究，提出了α螺旋和β 折叠是蛋白质二级结构的基本构建单元的理论。这一理 论成为当代生物化学基本理论之一，影响深远。
Linus Carl Pauling (1901～1994)
Receive The Nobel Prize in Chemistry in 1954 “for his research into the nature of the chemical bond and its application to the elucidation of the structure of complex
（二）α-氨基反应
脱羧酶
R–CH2–NH2 + CO2
➢与亚硝酸盐反应
NH2 │ R–CH–COOH + HNO2
a genome, cell, tissue or organism at a certain time)。
对蛋白质特别是其结构和功能进行大规模研究的蛋白质 组学也应运而生。 ➢伴随着人类基因组计划完成而产生的生 物信息学，使蛋白质的结构预测可以通过 计算机完成，这为蛋白质结构的解析提供 了新的方法。
“standing in front”。
➢1926年，Sumner从刀豆中得到脲酶结晶，并证明其化
学本质为蛋白质，从而阐明了蛋白质的重要功能之一为
生命体内的催化分子。
Jöns Jacob Berzelius （1779～1848）
James B. Sumner (1887-1955)
Receive the Nobel prize in chemistry in 1946
二、蛋白质的水解 ➢酸水解：
完全水解 不引起消旋，得到的全为L-氨基酸 色氨酸完全破坏 含羟基的氨基酸有一部分被分解 天冬酰胺和谷氨酰胺的酰胺基被水解
➢碱水解 完全水解 氨基酸产生消旋，得到的为D-氨基酸和L-氨基酸 的等摩尔的混合物 精氨酸脱氨 色氨酸不被破坏
➢酶水解 部分水解 作用温和，不产生消旋，也不破坏氨基酸 水解时间较长
substances“ and Nobel Peace Prize in 1962 ”for his campaign against nuclear weapons testing” .
➢1958年，Marx Perutz与John Cowdery Kendrew分别成 功解析了血红蛋白(hemoglobin)和肌红蛋白(myoglobin)的 结构。
噻吩
组氨酸
2，有机化合物碳原子的编号 ➢确定母体； ➢从母体的碳原子开始编号； ➢表示取代基（取代有机化合物中氢原子的基团）的位 置时，根据与母体碳原子的距离依次编为αβγδ
3，极性化合物与非极性化合物 ➢非极性化合物：分子内电荷分布对称（正负电荷重心 重合） 双原子分子：H2，O2，N2 分子由极性键构成，但几何结构对称：CH4，CCl4，CO2 ➢极性化合物：分子内电荷分布不对称（正负电荷重心 不重合）。
➢氨基酸在水中的兼性离子既可以作为酸，又可以作 为碱起作用，因此是一种两性电解质。
➢氨基酸的解离：以甘氨酸为例
A+
A0
A-
➢每一步的解离常数(dissociation constant)为：
Ka1
[A0 ][H ] [A ]
Ka2
[A-][H ] [A0 ]
➢氨基酸解离常数的求法：滴定曲线
四、氨基酸的分类 ➢各种生物中已经发现的氨基酸有近300种。 ➢参与蛋白质组成的常见氨基酸只有20种，称为基本 氨基酸或蛋白质氨基酸。 ➢其余绝大部分氨基酸不参与组成蛋白质，称为非蛋 白质氨基酸，它们是在已合成的肽链上由常见的氨基 酸经由专一的酶催化而形成。
有机化学知识复习
1，有机化合物按照碳链分类 ➢脂肪族化合物：链状烃类（只有碳和氢两种原子）及 除芳香族化合物以外的环状烃类及其衍生物的总称； ➢芳香族化合物：含有苯环的化合物； ➢杂环化合物：由碳原子和非碳原子共同参与成环的化 合物。
➢1959年，Kauzmann基于对蛋白质变性的研究，提出疏 水相互作用是蛋白质折叠与空间结构稳定的重要作用力。
Walter J. Kauzmann (1916~2009)
➢上个世纪60年代与80年代，X-射线衍射技术以及核 磁共振技术对蛋白结构的解析达到了原子级分辨率。
➢1984年，冷冻电镜(cryo-electron microscopy, cryo-EM) 开始应用于对蛋白质结构的解析。该技术可以反映蛋白 质在天然状态下的空间结构，而且对样品的分子量没有 限制，因此特别适合于研究各种复合体的结构，还可以 用于研究膜蛋白、病毒、亚细胞器构等。目前在结构生 物学的研究中得到广泛的应用，但有时分辨率不高。
➢R基可解离的氨基酸的滴定曲线
➢各种氨基酸的解离常数比较 所有氨基酸中，仅组氨酸的 咪唑基的pKa值为6.0，在pH 7附近有明显的缓冲容量。
Histidine ionization. Histidine can bind or release protons near physiological pH.
➢ 除甘氨酸外，其它19种氨基酸都具有旋光性，有的 氨基酸还有不止一个手性中心。
一个手性中心 D和L两种构型
两个手性中心 D和L，D-别和L-别四种构型
➢不同氨基酸具有不同的比旋光度，可以作为鉴别不 同氨基酸的根据。
➢ α-氨基酸的物理性质： 白色晶体，每种氨基酸都有特殊的结晶形状 熔点很高 除胱氨酸和酪氨酸外，其余氨基酸都能溶于水。 脯氨酸还能溶于乙醇或乙醚中
lg[[
质 质
子 子
受 供
体 体
] ]
➢氨基酸酸性与碱性的强弱
Effect of the chemical environment on pKa. The pKa values for the ionizable groups in glycine are lower than those for simple, methylsubstituted amino and carboxyl groups. These downward perturbations of pKa are due to intramolecular interactions.
（二）氨基酸的等电点 ➢氨基酸所带净电荷为零时的pH，称为等电点 (isoelectric point, pI)。 ➢等电点时氨基酸在电场中既不向正极移动，也不向负 极移动。
➢等电点在数值上为兼性离子两侧pKa的算术平均值。
➢ 不同pH值下氨基酸所带净电荷和电量
-
高于等电点时，氨基酸带负电荷；低于等电点时， 氨基酸带正电荷。
Marc Wilkins
一、蛋白质的化学组成与分类 ➢蛋白质的化学组成: C, H, O, N，少量的S，以及其 它的一些元素。 ➢不同蛋白质的平均含氮量为16%，这是凯氏定氮法 测定蛋白质含量的基础。
蛋白质含量 蛋白氮 16%
➢蛋白质的分类 按照化学组成 简单蛋白质 结合蛋白质：蛋白质+非蛋白质的辅基(prosthetic group)（或称为配基或配体[ligand]） 其中简单蛋白质又可按照溶解度再进行分类，结合蛋 白质又可以按照辅基成分再进行分类 按照蛋白质的功能进行分类
在一定pH范围内，氨基酸溶液的pH值离等电点愈 远，氨基酸所携带的净电荷量愈大。
六、氨基酸的化学反应
亚硝酸盐反应 烃基化反应 酰化反应 脱氨基反应 西佛碱反应
成盐成酯反应 COOH 成酰氯反应 H2N C H 脱羧基反应
R
侧链反应
（一）α-羧基反应 ➢与NaOH等形成盐（羧基保护反应） ➢成酯（羧基保护反应）
Gerardus Johannes Mulder (1802～1880)
➢1838年，Mulder的合作者Jöns Jacob Berzelius提出用
“protein”来描述这些分子。该术语来自于希腊文
πρωτεῖος (proteios),意为 “primary”, “in the lead”, or
➢不是经修饰，而是在蛋白质合成时掺入
（三）非蛋白质氨基酸 ➢200多种 ➢多是蛋白质中L型α-氨基酸衍生物 ➢有一些是β-，γ-，δ-氨基酸 ➢有些是D-型氨基酸
五、氨基酸的酸碱性质 （一）氨基酸的解离 ➢氨基酸在晶体和水中以兼性离子或偶极离子(dipolar ion)的形式存在，溶液中极少数为中性离子。
Marx Perutz (1914~2002)
John Cowdery Kendrew (1917~1997)
Shared the Nobel Prize in Chemistry in 1962
"for their studies of the structures of
globular proteins"
研究历史： ➢十八世纪，法国化学家Antoine Fourcroy和其他一些 研究者发现蛋白质是一类独特的生物分子（加热或者 酸处理产生絮凝）。
Antoine Fourcroy (1755~1809)
➢荷兰化学家Gerhardus Johannes Mulder最早对蛋白质进 行了描述：对常见的蛋白质进行元素分析发现几乎所有 的蛋白质都可以用相同的经验分子式 C400H620N100O120P1S1 表示，因此他认为蛋白质由一种单一的很大的分子组成。 他随后鉴定了蛋白质的降解产物，并发现其中含有氨基 酸例如亮氨酸，并且测得它的分子量为131 Da（真实值 为131.17）。
CryoEM image of GroEL suspended in vitreous ice at 50,000 X magnification.
➢1994年，Marc Wilkins提出蛋白质组(proteome)的概念 (The proteome is the entire set of proteins expressed by
“for his discovery that enzymes can be crystallized”
➢1951年与1952年，Frederick Sanger 分别准确的测定了牛胰岛素的B链与A 链的氨基酸序列。证实蛋白质是由氨 基酸的聚合物形成的线性分子。
Frederick Sanger （1918～2013） Received The Nobel Prize in Chemistry in 1958 "for his work on the structure of proteins, especially that of insulin"
NH2
│
源自文库
干燥，HCl
R–CH–COOH + C2H5OH 回流
NH3Cl │ R–CH–COOC2H5 + H2O
➢成酰氯反应（保护氨基，活化羧基）
HN–保护基 │ R–CH–COOH + PCl5
HN–保护基 │ R–CH–COOCl + POCl3 + HCl
➢脱羧反应
NH2 │ R–CH–COOH
（一）常见的蛋白质氨基酸 ➢按照R基的化学结构 脂肪族、芳香族和杂环族 ➢按R基的极性大小 非极性，脂肪族R基氨基酸
非极性芳香族R基氨基酸
极性不带电荷R基氨基酸
带正电荷R基氨基酸 带负电荷R基氨基酸
（二）不常见的蛋白质氨基酸 ➢由常见氨基酸经修饰而来
Proline
4-Hydroxyproline
Ka1
[A0 ][H ] [A ]
Ka2
[A-][H ] [A0 ]
[A0]=[A-], Ka2=[H+] pKa2=pH
[A+]=[A0], Ka1=[H+] pKa1=pH
0.1 M glycine at 25 °C
根据pK值可以计算在任一pH条件下的氨基酸各种离子
的比例。
pH
pKa
三、α-氨基酸的一般结构
➢结构通式
a carboxyl group(羧基)
an amino group（氨基）
side chains, or R groups
R基
➢氨基酸通过形成肽键连接成长链
➢大多数氨基酸在中性pH时以兼性离子(zwitterion, formerly dipolar ion)状态存在。
➢1951年，Linus Pauling结合他对血红蛋白的研究，以及 对肽链和肽平面化学结构的理论研究，提出了α螺旋和β 折叠是蛋白质二级结构的基本构建单元的理论。这一理 论成为当代生物化学基本理论之一，影响深远。
Linus Carl Pauling (1901～1994)
Receive The Nobel Prize in Chemistry in 1954 “for his research into the nature of the chemical bond and its application to the elucidation of the structure of complex
（二）α-氨基反应
脱羧酶
R–CH2–NH2 + CO2
➢与亚硝酸盐反应
NH2 │ R–CH–COOH + HNO2
a genome, cell, tissue or organism at a certain time)。
对蛋白质特别是其结构和功能进行大规模研究的蛋白质 组学也应运而生。 ➢伴随着人类基因组计划完成而产生的生 物信息学，使蛋白质的结构预测可以通过 计算机完成，这为蛋白质结构的解析提供 了新的方法。
“standing in front”。
➢1926年，Sumner从刀豆中得到脲酶结晶，并证明其化
学本质为蛋白质，从而阐明了蛋白质的重要功能之一为
生命体内的催化分子。
Jöns Jacob Berzelius （1779～1848）
James B. Sumner (1887-1955)
Receive the Nobel prize in chemistry in 1946
二、蛋白质的水解 ➢酸水解：
完全水解 不引起消旋，得到的全为L-氨基酸 色氨酸完全破坏 含羟基的氨基酸有一部分被分解 天冬酰胺和谷氨酰胺的酰胺基被水解
➢碱水解 完全水解 氨基酸产生消旋，得到的为D-氨基酸和L-氨基酸 的等摩尔的混合物 精氨酸脱氨 色氨酸不被破坏
➢酶水解 部分水解 作用温和，不产生消旋，也不破坏氨基酸 水解时间较长
substances“ and Nobel Peace Prize in 1962 ”for his campaign against nuclear weapons testing” .
➢1958年，Marx Perutz与John Cowdery Kendrew分别成 功解析了血红蛋白(hemoglobin)和肌红蛋白(myoglobin)的 结构。
噻吩
组氨酸
2，有机化合物碳原子的编号 ➢确定母体； ➢从母体的碳原子开始编号； ➢表示取代基（取代有机化合物中氢原子的基团）的位 置时，根据与母体碳原子的距离依次编为αβγδ
3，极性化合物与非极性化合物 ➢非极性化合物：分子内电荷分布对称（正负电荷重心 重合） 双原子分子：H2，O2，N2 分子由极性键构成，但几何结构对称：CH4，CCl4，CO2 ➢极性化合物：分子内电荷分布不对称（正负电荷重心 不重合）。
➢氨基酸在水中的兼性离子既可以作为酸，又可以作 为碱起作用，因此是一种两性电解质。
➢氨基酸的解离：以甘氨酸为例
A+
A0
A-
➢每一步的解离常数(dissociation constant)为：
Ka1
[A0 ][H ] [A ]
Ka2
[A-][H ] [A0 ]
➢氨基酸解离常数的求法：滴定曲线
四、氨基酸的分类 ➢各种生物中已经发现的氨基酸有近300种。 ➢参与蛋白质组成的常见氨基酸只有20种，称为基本 氨基酸或蛋白质氨基酸。 ➢其余绝大部分氨基酸不参与组成蛋白质，称为非蛋 白质氨基酸，它们是在已合成的肽链上由常见的氨基 酸经由专一的酶催化而形成。
有机化学知识复习
1，有机化合物按照碳链分类 ➢脂肪族化合物：链状烃类（只有碳和氢两种原子）及 除芳香族化合物以外的环状烃类及其衍生物的总称； ➢芳香族化合物：含有苯环的化合物； ➢杂环化合物：由碳原子和非碳原子共同参与成环的化 合物。
➢1959年，Kauzmann基于对蛋白质变性的研究，提出疏 水相互作用是蛋白质折叠与空间结构稳定的重要作用力。
Walter J. Kauzmann (1916~2009)
➢上个世纪60年代与80年代，X-射线衍射技术以及核 磁共振技术对蛋白结构的解析达到了原子级分辨率。
➢1984年，冷冻电镜(cryo-electron microscopy, cryo-EM) 开始应用于对蛋白质结构的解析。该技术可以反映蛋白 质在天然状态下的空间结构，而且对样品的分子量没有 限制，因此特别适合于研究各种复合体的结构，还可以 用于研究膜蛋白、病毒、亚细胞器构等。目前在结构生 物学的研究中得到广泛的应用，但有时分辨率不高。
➢R基可解离的氨基酸的滴定曲线
➢各种氨基酸的解离常数比较 所有氨基酸中，仅组氨酸的 咪唑基的pKa值为6.0，在pH 7附近有明显的缓冲容量。
Histidine ionization. Histidine can bind or release protons near physiological pH.
➢ 除甘氨酸外，其它19种氨基酸都具有旋光性，有的 氨基酸还有不止一个手性中心。
一个手性中心 D和L两种构型
两个手性中心 D和L，D-别和L-别四种构型
➢不同氨基酸具有不同的比旋光度，可以作为鉴别不 同氨基酸的根据。
➢ α-氨基酸的物理性质： 白色晶体，每种氨基酸都有特殊的结晶形状 熔点很高 除胱氨酸和酪氨酸外，其余氨基酸都能溶于水。 脯氨酸还能溶于乙醇或乙醚中
lg[[
质 质
子 子
受 供
体 体
] ]
➢氨基酸酸性与碱性的强弱
Effect of the chemical environment on pKa. The pKa values for the ionizable groups in glycine are lower than those for simple, methylsubstituted amino and carboxyl groups. These downward perturbations of pKa are due to intramolecular interactions.
（二）氨基酸的等电点 ➢氨基酸所带净电荷为零时的pH，称为等电点 (isoelectric point, pI)。 ➢等电点时氨基酸在电场中既不向正极移动，也不向负 极移动。
➢等电点在数值上为兼性离子两侧pKa的算术平均值。
➢ 不同pH值下氨基酸所带净电荷和电量
-
高于等电点时，氨基酸带负电荷；低于等电点时， 氨基酸带正电荷。
Marc Wilkins
一、蛋白质的化学组成与分类 ➢蛋白质的化学组成: C, H, O, N，少量的S，以及其 它的一些元素。 ➢不同蛋白质的平均含氮量为16%，这是凯氏定氮法 测定蛋白质含量的基础。
蛋白质含量 蛋白氮 16%
➢蛋白质的分类 按照化学组成 简单蛋白质 结合蛋白质：蛋白质+非蛋白质的辅基(prosthetic group)（或称为配基或配体[ligand]） 其中简单蛋白质又可按照溶解度再进行分类，结合蛋 白质又可以按照辅基成分再进行分类 按照蛋白质的功能进行分类
在一定pH范围内，氨基酸溶液的pH值离等电点愈 远，氨基酸所携带的净电荷量愈大。
六、氨基酸的化学反应
亚硝酸盐反应 烃基化反应 酰化反应 脱氨基反应 西佛碱反应
成盐成酯反应 COOH 成酰氯反应 H2N C H 脱羧基反应
R
侧链反应
（一）α-羧基反应 ➢与NaOH等形成盐（羧基保护反应） ➢成酯（羧基保护反应）
Gerardus Johannes Mulder (1802～1880)
➢1838年，Mulder的合作者Jöns Jacob Berzelius提出用
“protein”来描述这些分子。该术语来自于希腊文
πρωτεῖος (proteios),意为 “primary”, “in the lead”, or
➢不是经修饰，而是在蛋白质合成时掺入
（三）非蛋白质氨基酸 ➢200多种 ➢多是蛋白质中L型α-氨基酸衍生物 ➢有一些是β-，γ-，δ-氨基酸 ➢有些是D-型氨基酸
五、氨基酸的酸碱性质 （一）氨基酸的解离 ➢氨基酸在晶体和水中以兼性离子或偶极离子(dipolar ion)的形式存在，溶液中极少数为中性离子。
Marx Perutz (1914~2002)
John Cowdery Kendrew (1917~1997)
Shared the Nobel Prize in Chemistry in 1962
"for their studies of the structures of
globular proteins"