生物化学 氨基酸和多肽

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生物界蛋白质种类约在1010-1012数量级,分子量 范围:6000-1000,000 道乐顿(dalton), 归根结 底, 蛋白质由20种基本氨基酸—所组成。 多肽是由氨基酸以酰胺键形式连接而成的线形 大分子。多肽被合成后,可能就能够执行其功 能,也可能其结构还要发生更多的化学修饰。 蛋白质还要发生特定的折叠,成为固定的三维 结构,蛋白质的生物功能决定于它的高级结构, 高级结构是由一级结构即氨基酸序列决定的。
O
C
O 茚三酮
ONH4 C N C
DNP氨基酸(黄色)

鉴定多肽N-端氨基酸的重要方法
氨基酸的化学性质
-NH2参与的反应
(5)形成西佛碱反应—与醛酮的加成消除反应
R' C H O + H2N R C H COOH R' C H N R C COOH
H 西佛碱
西佛碱是以氨基酸为底物的某些酶促反应的 中间物,例如:转氨基反应。
氨基酸的化学性质

氨基酸
3.2 氨基酸
已发现天然氨基酸180种,参与蛋白质组成的
基本氨基酸只有20种。 作为蛋白质结构单元的氨基酸均为L--氨基酸 (以D-甘油醛为参考物),某些蛋白质还含有若 干种不常见的氨基酸,它们都有是基本氨基酸的 衍生物。
氨基酸的结构和分类
3.2.1 氨基酸的结构和分类
除脯氨酸外,蛋白质氨基酸在结构上的共 同点是与羧基相邻的-碳上都有一个氨基,因 此称为 -氨基酸, 结构通式:
3.1 氨基酸、多肽和蛋白质
1. 蛋白质的化学组成 蛋白质中各元素组成百分比约为:
C 50%; H 7%; O 23%; N S 0-3%;其它 微量

16%;

生物组织中的含氮量近似地看作蛋白质的含 氮量 蛋白质含量(克)=每克生物样品中含氮的 克数 6.25
2. 氨基酸是蛋白质的基本结构单元
外,酰化反应还广泛用于保护氨基以及肽链的 N-末端氨基酸测定等。
氨基酸的化学性质
-NH2参与的反应
(4)烃基化反应

-NH2上的H原子被烃基取代,例:与2,4-二 硝基氟苯(2,4-dinitroflurobenzene DNFB, FDNB)反应
R O2N F NO2 R O2 N NH CH COOH + HF NO2 + HN 2 CH COOH 弱碱中
不变部分
COOC H H2N CH2 H2C CH2
可变部分
Pro
氨基酸的结构和分类
二十种基本氨基酸的结构式:
中性非极性氨基酸
氨基酸的结构和分类
中性极性氨基酸
酸性氨基酸
碱性氨基酸
氨基酸的结构和分类
不常见的氨基酸:
由常见氨基酸衍生而来
HO COOH N H 4-羟基脯氨酸 NH2CH2CH(CH 2)2CHCOOH OH NH2 5-羟基赖氨酸

氨基酸的化学性质
3.2.4 氨基酸的化学性质
主要指-氨基和-羧基以及侧链上的官 能团所参与的反应。 1. -NH2参与的反应
-NH2特点和发生反应类型?
-氨基中氮原子是一个很好的亲核中心, 所以能够发生亲核加成或取代反应。
氨基酸的化学性质
-NH2参与的反应
(1) 与甲醛发生羟甲基化反应


氨基酸的酸碱性质
用标准NaOH滴定,以 加入的NaOH的摩尔 数对pH 作图, 得到滴 定曲线B段 碱量为0.5 mol 时, 对 应一拐点pH 9.60, 此 时有一半的A0变成A- , 根据pH=pK2’+lg[A-] /[A0], pH=pK2’= 9.60 净电荷为0时的pH值 即为氨基酸的等电点 pI (isoelectric point)
COOCH2 NH3+ pK2' COO+ CH2 + H
NH2 HCHO COOCH2
COO HCHO CH2
NHCH2OH
N(CH2OH)2

氨基被羟甲基化后,碱性下降,其 pK2’值减少23个pH单位,移至7附 近。这时可以用酚酞作为碱滴定氨 基酸氨基的指示剂。 由于此法与碱滴定普通的一元酸相 同,因而可以用来直接测定氨基酸 的浓度。
-羧基参与的反应
(4)叠氮化反应—羧基活化的一种方法

酰基氨基酸的甲酯或乙酯与无水肼反应,再与 亚硝酸反应。氨基酸叠氮化合物常用于肽的人 工合成。
R CH COOCH3 NH2NH2 CH3OH R CH CONHNH2 HNO2 H2O,N2 R CH CON3 NHPG NHPG 酰化氨基酸酰肼 NHPG 酰化氨基酸叠氮
第3章 蛋白质(Protein)
最重要的一 类生物大分 子,存在于 所有的生物 细胞中,是 构成生物体 最基本的结 构物质和功 能物质。

氨基酸 多肽 蛋白质 蛋白质的结构 多肽的化学合成
蛋白质功能的多样性
蛋白质是最重要的一类生物大分子, 存在于所 有的生物细胞中,是构成生物体最基本的结构物质 和功能物质, 参与了几乎所有的生命过程:催化作 用、生物调节、物质转运、免疫作用、运动、结构 成分、贮存等。 (1)催化 作为生物体新陈代谢的催化剂—酶,酶 是蛋白质中最大的一类,酶的催化效率远大于合成 的催化剂。酶催化的反应速率为非催化速率的1016 倍。 (2)调节 许多蛋白质能调节其他蛋白质执行其生 理功能的能力,如:胰兰氏小岛及细胞分泌的胰 岛素,是调节动物体内血糖代谢的一种激素。
蛋白质功能的多样性
(3)物质转运 如:红细胞里的血红蛋白 输送氧气,将氧气从肺转运到其他组织; 血清清蛋白将脂肪酸从脂肪组织转运到 各器官。 (4)防御和进攻 免疫球蛋白(抗体), 抗体是在外来的蛋白质或其他高分子化 合物即所谓抗原的影响下由淋巴细胞产 生,并能与相应的抗原结合而排除外来 物质对生物体的干扰。 (5)运动 某些蛋白质赋予细胞以运动 的能力,肌肉收缩和细胞游动是细胞具 有这种能力的代表。如:肌动蛋白和肌 球蛋白。
氨基酸的酸碱性质
1. 氨基酸的两性解离
例:中性氨基酸的分步解离:
COOH H3N C R 正离子 (A )
+
H
K'1 - H+ +H
+
COO H3N C R 两性离子(A0) (等电点pI) H
K'2 - H+ +H
+
COO H 2N C R 负离子(A-) H
第一步解离, 第二步解离,
[ A0 ][ H ] K1 [ A ]
氨基酸的化学性质
-NH2参与的反应
(3)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,例如:与苄氧 甲酰氯(carbobenzyloxychloride)反应
弱碱 CH2O C Cl + H2N CH COONa 后酸化 O R O R
CH2O C NH CH COOH + Na+ + ClN-苄氧甲酰基氨基酸
(2)成酯反应
例:氨基酸在无水乙醇中通入干燥氯化氢或加入
二氯亚砜,回流生成氨基酸乙酯的盐酸盐。
CH NH2 COOH + C2H5OH 干燥 HCl 回流 R CH COOC2H5
R
+ H2O
NH2 HCl
生成活性酯的反应:
-NH2被保护后,与对硝基苯酚反应
R CH COOH + HO NH PG O SOCl2 R CH C O NO2 NH PG NO2
活性酯是合成氨基酸酰基衍生物的重要中间体。
氨基酸的化学性质
-羧基参与的反应
(3)成酰卤的反应-使羧基活化 —NH2被保护后,与PCl3、PCl5 或亚硫酰氯 反应:
R CH PCl3,PCl5或SOCl2 R COOH CH COCl
NHPG
NHPG
使羧基活化,在多肽人工合成中常用
氨基酸的化学性质
CH3NHCH2CH2(CH2)2CHCOOH 6-N-甲基赖氨酸 NH 2
3.2.2 氨基酸的旋光性


氨基酸的构型 (指-碳的构型) , 除甘氨酸外,氨基酸中的-C原子是一个不对称碳原子,因此 都具有旋光度。 比旋光度是-氨基酸的物理常数之一,也是鉴别 各种氨基酸的重要依据。(教材表3.2)
O +H2O C O -H2O O 水合茚三酮 O OH C OH
Байду номын сангаас
O 茚三酮
氨基酸的化学性质
O R OH C OH O 水合茚三酮
+ H2N 弱酸性
-氨基和-羧基共同参加的反应
O H C
+
CH
COOH O
R
CHO
+
NH3
+
OH
CO2
还原茚三酮
O H C OH O 还原茚三酮 + 2NH3 +
O
(5) 脱羧反应
-
OOCCH 2CH2CHCOO- 谷氨酸脱羧酶 -OOCCH2CH2CH 2NH3+ + CO2 NH 3+ Glu 氨基丁酸
氨基酸的化学性质
-氨基和-羧基共同参加的反应
3. -氨基和-羧基共同参加的反应
(1)与茚三酮反应 -氨基酸与茚三酮在弱酸性溶液中共热,氨基酸 即发生氧化脱氨生成酮酸,酮酸脱羧生成醛。茚 三酮则成为还原茚三酮。
-NH2参与的反应
(6)脱氨基反应
在氨基酸氧化酶作用下,发生脱氨基反应生成-
酮酸:
NH3+ R CH COO
-
氧化酶 R
O C COO
-
+ NH4+
在转氨酶催化下,-氨基可以转移到-酮酸上
NH3+
-
O C
丙酮酸
OOCCH2CH2
CH COO- + H3C O
COO-
谷丙转氨酶
NH3+ COO-
-
OOCCH2CH2 C COO-
酮戊二酸
+ CH3 C H
-羧基参与的反应 氨基酸的化学性质
2. -羧基参与的反应 成盐、成酯、成酰氯、成酰胺、脱羧、叠 氮化反应 (1)成盐反应 与碱作用即生成盐,例如:与NaOH 反应。碱金属盐溶于水,重金属盐不溶 于水。
氨基酸的化学性质
-羧基参与的反应
蛋白质功能的多样性
(6) 结构成分 建造和维持生物体的结构,给细胞 和组织提供强度和保护。如:构成毛发,角,蹄, 甲的-角蛋白(keratin);存在于骨、腱、韧、带、 皮的胶原蛋白。
蛋白质功能的多样性
(7)贮存 贮藏氨基酸,用作有机体及其胚 胎或幼体生长发育的原料。
(8)异常功能 如:应乐果甜蛋白有着极高 的甜度。
[ A ][ H ] K2 [ A0 ]

如何求解 K1’和K2’?
氨基酸pK值的求解:
滴定从甘氨酸(1.0
mol)溶液开


用标准盐酸滴定,以加入的盐酸 的摩尔数对pH 作图, 得到滴定 曲线A段 酸量为0.5 mol 时, 对应一拐点 pH 2.34, 此时有一半的A0 变成 A+,根据pH=pK1’+lg[A0]/[A+] pK1’ = pH= 2.34
氨基酸的化学性质
-NH2参与的反应
酰化试剂还 有:
CH3
O H3C
O S Cl O 对甲苯磺酰氯 H3C N CH3
H3C C O C Cl CH3 叔丁氧甲酰氯 O
O O 邻苯二甲酸酐 O S O Cl 丹磺酰氯
丹磺酰氯被用于多肽链N端氨基酸的标记和微量
氨基酸定量测定。
氨基酸的酰化反应是多肽合成的基本反应。此
氨基酸的酸碱性质
结论:
求解等电点的公式:
中性氨基酸的等电点:
pI = (pK1’+pK2’)/2
侧链含有可解离基团的氨基酸等电点
酸性氨基酸: pI=(pK1’+pK’RCOO-)/2
碱性氨基酸: pI=(pK2’+pK’RNH2)/2
电泳现象:
当溶液的pH大于等电点时,氨基酸带有净负电 荷,在电场中向正极运动。 当溶液的pH小于等电点时,氨基酸带有净正电 荷,在电场中向负极运动。

氨基酸的化学性质
-NH2参与的反应
(2)与亚硝酸反应-重氮化反应
NH2 R

CH COOH
+ HNO2
室温
OH R CH COOH + N2 + H2O

在标准条件下,测定生成N2体积,可计算出氨基 酸的量,范斯来克 (Van Slyke)-法测定氨基N的基 础。 注意:生成的N2只有一半来自氨基酸。
氨基酸的酸碱性质
3.2.3 氨基酸的酸碱性质


氨基酸熔点高,一般在200 oC 以上如:甘氨酸 在233 oC 溶解并分解, 普通有机化合物如二苯 胺,溶点为53 oC. 大多数氨基酸都能溶于水,水溶液具有较高的 介电常数。
说明:氨基酸在晶体或在水中主要是以两性离子 形式存在,不带电荷的中性分子为少数。
氨基酸的酸碱性质
结论:
净电荷为0时的pH值即为氨基酸的等电点,对
侧链不含解离基团的中性氨基酸:
pI = (pK1’+pK2’)/2
氨基酸的酸碱性质
酸性氨基酸:谷氨酸的滴定曲线pI=(pK1’+pKR’ )/2
pK1’ pKR’ pK2’
氨基酸的酸碱性质
碱性氨基酸: 组氨酸的滴定曲线 pI=(pKR’+pK2’)/2
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