专业课生物化学第三章 氨基酸

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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。
此反应可被巯基试剂逆转
6、半胱氨酸侧链上的巯基:
反应性能很高,在微碱性条件下,巯基发生解离形 成硫醇阴离子(-CH2-S-),能与卤化烷例如碘乙酸,碘 乙酰胺,甲基碘等迅速反应,生成相应的稳定烷基衍 生物。
半胱氨酸的巯基能打开乙撑亚胺,即氨丙啶的环.
第3章:氨基酸
第一节:氨基酸的结构与分类
第二节:氨基酸的酸碱化学
第三节:氨基酸的化学性质
第四节:氨基酸的光学活性和光谱性质
第一节(一):氨基酸的结构
一、氨基酸—— 组成蛋白质的基本单位
1、酸水解: 盐酸或硫酸回流煮沸20小时。 不引起消旋作用,得到L-氨基酸。色氨酸完全被破坏;羟基氨 基酸、天冬酰胺、谷胺酰胺部分被破坏。 2、碱水解:氢氧化钠共煮10—20小时。 产物是D型和L型氨基酸的混合物。产生消旋现象。多数氨基酸 遭到破坏。色氨酸稳定。 3、酶水解: 胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶水解。 不产生消旋作用,也不破坏氨基酸。水解不彻底。
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pH8.0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-SH基。
二硫键的形成和打开 1、二硫键的形成
在痕量的金属离子如Cu2+,Fe2+,C02+和Mn2+ 存在下,巯基在空气中氧化显著提高。这些离子 可能是反应所需的催化剂。
3. 碱性氨基酸(+)
1、非极性R基(中性-非极性氨基酸)
共8种氨基酸,4种带脂肪烃侧链的氨基酸;2种含芳香环 氨基酸;1种含巯基氨基酸和1种甘氨酸。它们在水中的溶 解度比极性氨基酸小。
2、不带电荷的极性R基(中性-极性氨基酸)
共7种氨基酸,易溶于水,Ser、Thr和tyr中侧链的极性 是由羟基造成;Trp、Asn和Gln的极性是由酰胺基引起,半 胱氨酸是由于含巯基。其中Cys和Tyr的极性最强。
5、脱氨基反应:
氨基酸在生物体内经氨基酸氧化酶催化即脱去α -氨 基而转变成酮酸。
二、α-羧基参加的反应
1、成盐反应: 氨基酸与碱作用生成盐,例如与氢氧化钠 反应得氨基酸钠盐,其中重金属盐不溶于水。
2、成酯反应
氨基酸的羧基被醇酯化后,形成相应的酯。
氨基酸
氨基酸乙酯的盐酸盐
当氨基酸的羧基变成甲酯、乙酯或钠盐后,羧 基被保护,而氨基被活化,容易和酰基或烃基结 合。
3、烃基化反应:
氨基酸氨基的一个H原子可被烃基取代,如与2,4二硝基氟苯在弱碱性溶液中发生亲核芳环取代反应而 生成二硝基苯基氨基酸。
此反应被用来鉴定多肽或蛋白质的NH2末端氨基酸。
4、形成西佛碱反应:
α -氨基能与醛类化合物反应生成弱碱,即西佛氏碱。
西佛氏碱是以氨基酸为底物的某些酶促反应,如转 氨基反应的中间物。
• 自然界中的氨基酸有300余种,组成人体蛋白 质的氨基酸20种。 • L-氨基酸(甘氨酸除外)
COO
+
CH 3 R H
H
C
NH3
甘氨酸 丙氨酸 L-氨基酸的通式
第一节(二):氨基酸的分类
根据R基的化学结构或极性大小分成三大类:
非极性疏水性氨基酸 1. 中性氨基酸 极性氨基酸 2. 酸性氨基酸(-)
氨基酸的旋光符号和大小取决于它的R基性 质,并且与测定的溶液pH有关。这是因为不同 pH值条件下氨基和羧基的解离状态不同。 比旋光度是α-氨基酸的物理常数之一,也是 鉴别各种氨基酸的一种根据。
二硫苏糖醇
胱氨酸
二硫化物
半胱氨酸
反应中,二硫苏糖醇形成一个含分子内二硫键的稳 定六元环,因此平衡向右方移动。生成半胱氨酸残基及 相应的二硫化物。
氨基酸的呈色反应
反应
双缩脲反应 Millon反应 黄色反应 乙醛酸反应 坂口反应 茚三酮反应
试剂
NaOH,稀CuSO4 Millon,硝酸,亚硝酸 HNO3及NH3 乙醛酸H2SO4 次氯酸钠,萘酚,NaOH CuSO4磷钨酸-钼酸 茚三酮
计算等电点pH值时,先写出其解离公式;后取兼性离子两侧 基团的pK值的平均值
三个可解离基团的氨基酸
1、天冬氨酸(-)的解离公式
等电点时,天冬氨酸主要以兼性离子(Ro)存在,[R+]和 [R-]很小而且相等,R2-的量可忽略不计,因此:
2、赖氨酸(+)的解离公式
等电点时,赖氨酸主要以兼性离子(Ro)存在,[R+]和[R-] 很小而且相等,R2+的量可忽略不计,因此:
多重光学异构
有些氨基酸除了α 碳原子是一个不对称碳原子外,还有第 二个不对称碳原子。因此可以存在四种光学异构体,它们分 别称为D-、L-、 D-别-和L-别-氨基酸。以苏氨酸为例。
L-和D-、L-别—和D—别—各为一对对映体,分别组成一 个外消旋物。苏氨酸和别 — 苏氨酸之间不存在互成物体与 镜象的关系。实验表明四种异构体,在蛋自质中只发现其 中一种,即L-苏氨酸。
颜色
紫或粉 红色 黄、橘黄 紫红 红色 蓝色 紫蓝色
反应基团
2个以上肽链 酚基 苯环 吲哚 胍基 酚基 游离氨羧基
Folin酚试剂反应
第四节:氨基酸的光学活性和光谱性质
D型与L型氨基酸(Gly除外)
氨基在右的为D型,氨基在左的为L型。
左旋与右旋氨基酸
在旋光计上使偏振光平面向左旋转[-],使偏振光平面向右旋 转[+]。
第三节:氨基酸的化学反应 一、α -氨基参加的反应 1、与亚硝酸反应:
氨基酸的氨基在室温下与亚硝酸作用生成氮气,其反 应式如下:
在标准条件下测定生成的氮气体积,即可计算出氨基 酸的量。
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。
除苄氧甲酰氯外,酰化试剂还有叔丁氧甲酰氯、对 甲苯磺酰氯以及邻苯二甲酸酐等。这些酰化试剂在多肽和 蛋白质的人工合成中被用作氨基的保护试剂。
1、酪氨酸的酚羟基:
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。
酪氨酸的酚基还可以与重氮化合物(例如对氨基 苯磺酸的重氮盐)结合生成桔黄色的化合物。
2、组氨酸的侧链眯唑基:
与重氮苯磺酸也能形成相似的化合物,但颜色稍有差 异,呈棕红色。
3、成酰氯反应:
氨基酸的氨基用适当的保护基,如苄氧甲酰 基保护后,其羧基可与二氯亚砜或五氯化磷作 用生成酰氯。
此反应可使氨基酸羧基活化,使它易与另一 氨基酸的氨基结合,因此在多肽人工合成中是常 用的。
4、脱羧基反应:
在生物体内氨基酸经氨基酸脱羧酶作用, 放出二氧化碳并生成相应的一级胺:
5、叠氮反应:
等电点(isoelectric point, pI) :
氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及 程度相等时溶液的pH值。
等电点时氨基酸为兼性离子,呈电中性。
中性分子 兼性离子
氨基酸在晶体或水中主要是以兼性离子的形式存在
二、氨基酸的解离
依照Bronsted-Lowry的酸碱质子理论,酸是质子(H+)的供 体,碱是质子的受体。
1、生成的侧链带有正电荷(ε -NH3),它为胰蛋白酶水解 肽链提供了一个新位点,对氨基酸顺序测定很有用。 2、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。
巯基能和各种金属离子形成稳定程度不等的络合物。 常用的有一价有机汞制剂,如与对氯汞苯甲酸形成络合 物。
半胱氨酸可与二硫硝基苯甲酸或称Ellman氏试剂发 生硫醇-二硫化物交换反应 .
NH2
用滴定曲线的方法测定表观解离常数
在生理pH内,aa 的羧基 和氨基全部解离 基于氨基酸所带基 团均可解离 具有这种性质的物质称两 性电解质; 酸碱滴定法 带有相反基团的分子叫两 性离子; 得到弱酸弱碱曲线 滴定中 根据氨基酸上可解 Gly阳离子(R+) -)和两性离 、阴离子( 离基团的R p K值计算 子( R°)的比例随pH而 等电点 变; 当溶液中只有两性离子时 pK:解离常数 ,pH = pI
R CH COOH NH2
Ka1
[ A ][ H ] Ka2= [ A0 ]
-NH3+的解离常数
-COOH的解离常数
Ka2
R CH COOH NH3+
+OH+H+
+OH R CH COOR CH COO-
NH3+
+H+
pH<pI
阳离子 (A+)
pH=pI
氨基酸的兼性离子 (A0)
pH>pI
阴离子 (A-)
20种氨基酸FLASH
几种特殊氨基酸 • 脯氨酸 (亚氨基酸)
CH2 CH2
CH2 CHCOONH2+

半胱氨酸
-SH HS-CH -CH-COO + 2 2
-OOC-CH-CH
+NH 3
-HH
+NH
3
-OOC-CH-CH
+NH 3
-S S-CH -CH-COO 2 2
+NH 3
二硫键
胱氨酸
氨基酸的简写符号
3、带负电荷的R基氨基酸(酸性氨基酸)
共 2 种氨基酸: 分子内含有两个羧基,第二个羧基在 pH6-7范围内也完全解离,因此分子带负电荷。
4、带正电荷的R基氨基酸(碱性氨基酸)
共3种氨基酸:在pH7时携带净正电荷。Lys除α 氨基外, 在脂肪链的 ε 位置上还有一个氨基; Arg 含有一个带正电 荷的胍基;His有一个弱碱性的咪唑基。
什么叫消旋物?
旋光性物质在化学反应中,只要其不对称原 子经过对称状态的中间阶段,就会发生消旋作用 并转变为D型和L型的等摩尔混合物,称消旋物。
什么叫内消旋氨基酸?
胱氨酸是一种特殊情况,可以出现三种情况
1、组成胱氨酸的二个半胱氨酸都是D型或L型,这两个异构体都 具有旋光性; 2、如果组成胱氨酸的半胱氨酸分别是D型和L型,这时一个不对 称中心的构型将是另一个不对称中心的构型的镜象,因此分子内部互 相抵消而无旋光性。这种胱氨酸异构体称为内消旋胱氨酸。
丙氨酸 精氨酸
天冬酰胺
天冬氨酸 天冬酰胺和或天冬氨酸 半胱氨酸 谷氨酰胺 谷氨酸 谷氨酰胺和或谷氨酸 甘氨酸 组氨酸 异亮氨酸 亮氨酸 赖氨酸 甲硫氨酸 苯丙氨酸 脯氨酸 丝氨酸 苏氨酸 色氨酸 酪氨酸 缬氨酸
第二节:氨基酸的酸碱化学 一、氨基酸的兼性离子形式
氨基酸的二种可能存在形式 两性解离及等电点
氨基酸的氨基通过酰化加以保护,羧基经酯化转变 为甲酯,然后与肼和亚硝酸反应即变成叠氮化合物。
此反应使氨基酸的羧基活化。氨基酸叠氮化合物常用 于肽的人工合成。
三、α-氨基和α-羧基共同参加的反应
1. 茚三酮反应:
最大吸收峰 在波长570 nm,用于氨 基酸定性定 量分析。
两个亚氨基酸--脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应并 不释放NH3,而直接生成黄色化合物。
2、二硫键的打开 1) 受氧化剂影响而被打开:
过甲酸可以定量地打开二硫键,生成磺基丙氨酸残基。
胱氨酸
过甲酸
磺基丙氨酸
甲酸
2) 受还原剂影响而被打开:
还原剂(如:巯基乙醇,巯基乙酸和二硫苏糖醇)都能 打开二硫键物
巯基化合物(巯基乙醇和巯基乙酸)能打开二硫键, 生成半胱氨酸残基及相应的二硫化物。
酸碱的相互关系如下
这里原始的酸(HA)和生成的碱(A-)被称为共轭酸碱对。 酸和碱有同一性:互为存在的条件,在一定条件下,又各 向着和自己相反的方面转化。
根据这个理论,氨基酸在水中的偶极离子既起 酸(质子供体)的作用,也起碱(质子受体)的作用, 因此是两性电解质。
质子供体
质子受体
Ka1=
[ A 0 ][ H ] [ A ]
R+=R0
R0=R-
甘氨酸解离曲线
等电点相当于该氨基酸两性离子状态两侧基团pK值之和的一半
pI=½ (pKa1+pKa2)
对侧链R基不解离的中性氨基酸:
pI=1/2( pK1+ pK2)
等电点pH值与离子浓度无关,取决于兼性离子两侧基团的pK值
对有3个可解离基团的酸或碱性氨基酸:
pI=1/2( pKa1+ pKa2)
3、精氨酸的侧链胍基:
在硼酸钠缓冲液(pH8-9, 25-35℃)中,与1,2-环己 二酮反应,生成缩合物:
4、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。
5、蛋氨酸侧链上的甲硫基:
最大吸收峰440nm
2、成肽反应
O NH2-CH-C H
甘氨酸
+
OH
O NH-CH-C H
甘氨酸
H
OH
-HOH
O O NH2-CH-C-N-CH-C H HH OH
甘氨酰甘氨酸
肽键
四、侧链R基参加的反应 氨基酸侧链功能基团
羟基,酚基,巯基,吲哚基,眯唑基,胍 基、甲硫基以及非α-氨基和非α-羧基等。
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