生物化学 第3章 氨基酸

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第3章 氨基酸
氨基酸-蛋白质的构件分子
(一)蛋白质的水解
根据水解程度
完全水解 氨基酸混合物
不完全水解
大小不等的肽和氨基酸
加酸、 加碱、 加酶
蛋白质

氨基酸
氨基酸是蛋白质的基本组成单位
蛋白质的基本结构单位──氨基酸
一、 氨基酸的结构通式 二、二十种常见的蛋白质氨基酸分类、结构 及三字符号 三、氨基酸的性质

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。 R-CH-COOH +R′X NH2
R′=酰基或烃基
R-CH-COOH +HX NHR′
X=卤素(Cl, F)
(1)酰基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。 酰化试剂:苄氧酰氯、叔丁氧甲酰氯、对-甲苯磺酰氯、
R-CH-COOH NH3+
正离子(+) pH<等电点
-H+ +H+
R-CH-COONH3+
兼性离子 pH=等电点
-H+ +H+
R-CH-COONH2
负离子(-) pH>等电点
在适当的酸碱度时,氨基酸的氨基和羧基的解离度
完全相等。此时,[正离子]=[负离子],净电荷为
零,在电场中既不向阳极移动,也不向阴极移动, 成为两性离子。这时氨基酸所处溶液的pH值称为 该氨基酸的等电点,以pI符号表示。
光学性质
1、旋光性:除甘氨酸外,所有天然α-氨基酸都有不 对称碳原子,因此所有天然氨基酸都具有旋光性。 2、紫外吸收光谱:参与蛋白质组成的20种氨基酸中 色氨酸(Trp)、酪氨酸(Tyr)和苯丙氨酸(Phe)的R基
团中含有苯环共轭双键系统,在紫外光区显示特
征的吸收谱带,最大光吸收(max)分别为280、
酸性氨基酸及其酰胺
碱性氨基酸
芳香族氨基酸
杂环族氨基酸
吡咯 环
咪唑 基
His经常参与酶的活性中心的构成,它是唯一
一个R基(咪唑基)的pKa值在7附近的AA.
根据R-基团的极性,将氨基酸分为两类:
非极性氨基酸: Ala,Val,Leu,Ile,Phe,Trp,Met,Pro (8个)
极性不带电荷:Ser,Thr, Tyr, 极性氨基酸:根据pH7时 是否带电
2
pK´2+pK´R
2
可见,氨基酸的pI值等于该氨基酸的两性离子状态 两侧的基团pK′值之和的二分之一。
等电点的应用:
1.氨基酸在等电点时溶解度最小。
2.利用不同氨基酸等电点不同,可利用电泳的方式
分离氨基酸。
氨基酸的化学反应
(一)由氨基参加的反应
(二)由羧基参加的反应( 自学 )
(三)由氨基和羧基共同参加的反应
侧链上有解离基团的氨基酸的pI如何计算?
(1)首先氨基酸完全质子化; (2)写出其解离方程式: ①先解离α-COOH, 再解离侧链基团上的COOH; ②再解离α-NH3+, 最后解离侧链基团上的NH3+。 (3)标出各解离步骤的pK值,最后以两性离子状态
两侧基团pK值之和的一半计算其等电点。
例如: ( 1 ) Glu 的 pK1(α-COOH)=2.19 , 值。 ( 2 ) Lys 的 pK1(α-COOH)=2.18, pK2(αpK2(γ-
电荷的离子形式。
氨基酸的解离
依照Bronsted-Lowry的酸碱质子理论,氨基酸在水中的两性离子既 起酸(质子供体)的作用,又起碱(质子受体)的作用。
作为质 子供体 作为质 子受体
H-CH-COONH3+ H-CH-COONH3+ +H+
H-CH-COO- +H+ NH2 H-CH-COOH NH3+
(三)由氨基和羧基共同参加的反应
1. 两性解离
2.与茚三酮的反应 3.形成肽键 4. 离子交换反应
茚三酮在弱酸中与α-氨基酸共热,引起氨基酸的
氧化脱氨、脱羧反应,最后,茚三酮与反应产物——氨 和还原茚三酮反应,生成紫色物质(λmax=570nm)。
加热 (弱酸)
还原性茚三 酮
+
水合茚三酮(无 色)
非极性氨基酸
极性不带电荷
按理说应 是极性氨 基酸
带正电荷的R基氨基酸
带负电荷的R基氨基酸
三、氨基酸的性质
两性解离和等电点 重要化学反应 光学性质
氨基酸的兼性离子形式
R-CH-COOH
R-CH-COONH3+
NH2
兼性离子:是指在同一个氨基酸分子上同时带有能
解离出质子的-NH3+正离子和能接受质子的COO-负离子,使同一氨基酸分子带有正、负两种
二、氨基酸的分类
根据侧链基团的结构将20中常见氨基酸分为3大类
中性氨基酸(一氨基一羧基氨基酸)(5种)
含羟基氨基酸 (2种)
脂肪族氨基酸 含硫氨基酸(2种) 酸性氨基酸及其酰胺 (4种)
碱性氨基酸(二氨基一羧基氨基酸 )(2种)
芳香族氨基酸: Phe, Tyr,Trp 杂环族氨基酸: His, Pro
邻苯二甲酸酐
★丹磺酰氯(DNS-cl,5—二甲基氨基萘-1-磺酰氯)
常用于多肽链—NH2末端氨基酸的标记和微量氨
基酸的定量测定。
N Gly—Ala—Ser—Leu—Phe C→→
DNS—Gly—Ala—Ser—Leu—Phe C 水解 DNS—Gly、 Ala、 Ser、 Leu、 Phe
DNS-AA在紫外光激发后发黄色荧光。
四、氨基酸混合物的分析分离
一、 α-氨基酸的一般结构
① 与羧基相邻的α-碳原子上都有一个氨基,所 以称为α-氨基酸(脯氨酸除外)。 ②只有连在α-碳原子上的R基团是可变的,即 各种氨基酸的区别就在于R基的不同。

除R为H(即Gly)外,其余氨基酸的α-碳原子
都为不对称碳原子(具有旋光性)。
氨基酸结构 通式
275、和257nm。由于大多数蛋白质都含有这些氨
基酸残基,因此用紫外分光光度法可测定蛋白质 含量。
蛋白质在280nm有最大 光吸收,可用分光光度 法测定样品中蛋白质含量。
四、氨基酸混合物的分析分离
(一)基于电荷性质差异的分离方法。
(二)基于分配系数(极性)差异的分离方法——
分配层析。
(三)气液层析(气相层析、气相色谱)。
氨基酸的带电状况与溶液的pH有关。改变pH可
以使氨基酸带上正电荷或负电荷,也可使处于兼
性离子状态。
知道了氨基酸的解离常数,pI怎么求?
当氨基酸完全质子化时(即处于酸性溶液时),再 用碱滴定 H-CH-COOH
k1
k2 Ka1
H-CH-COONH3+ Gly±
k3
k4 Ka2
H-CH-COONH2
Gly-
+
NH3
CO2
RCH O
+ 2NH3 + 茚三酮
还原性茚三 酮
3H20
紫色化合物
Pro、Hy-Pro与茚三酮直接形成黄色化合物( λmax=440nm)
3、成肽反应
4. 离子交换反应
R-CH-COOH NH3+ R-CH-COOH + A+
+ MA+
阳离子 交换剂
NH3M
氨基酸盐
氨基酸 (在酸性溶液中)
(四)由侧链R基团产生的反应
(一)由氨基参加的反应
1. 与HNO2的反应
2. 酰基化和羟基化反应
3.形成西佛碱反应(自学)
4.脱氨基反应(自学)
1. 与HNO2的反应
R-CH-COOH +HNO2 NH2 R-CH-COOH +N2 +H2O OH
这是Van Slyke氏氨基氮测定法的原理
2.酰基化和羟基化反应
COOH)=4.25,pK3(α- NH3+)=9.67,计算其pI
NH3+)=8.95,pK3(ε- NH3+)=10.53,计算其
pI值。
氨基酸等电点的计算
一氨基一羧基AA 的等电点计算:
pI= pI= pI=
pK´1+pK´2
2
pK´1+pK´R
一氨基二羧基AA 的等电点计算:
二氨基一羧基AA 的等电点计算:
NH3+
Gly+
a1
[Gly
±][H+]
Ka1
=
[Gly±]
[H+]
Ka2
整理得
Ka1·Ka2=[H+]2 pKa1+pKa2=2pH
ห้องสมุดไป่ตู้
两边取对数
pKa1+pKa2 pH= =pI 2
结论:
氨基酸的等电点相当于该氨基酸的两性
离子状态两侧基团pK值之和的一半。
即pI=1/2(pKa1+pKa2)

必需AA 非必需AA 一氨基一羧基AA
Asn, Gln, Cys,Gly(7种) 极性带正电荷:Lys,Arg, His(3种)
极性带负电荷: Asp , Glu(2种)
据营养 学分类
人的必需氨基酸
据氨基、羧 基数分类
二氨基一羧基AA(Lys、His、Arg)
一氨基二羧基AA(Glu、Asp)
Lys Trp Phe Val Met Leu Ile Thr Arg、His
R-CH-COONH2
氨基酸 (在碱性溶液中)
R-CH-COOM + MB阴离子 交换剂
+ B-
NH2
氨基酸盐
分离氨基酸的柱层析法就是根据这个原理设计的。
(四) 侧链R基参加的反应(自学)

用于蛋白质的化学修饰
1. 苯环(Phe和Tyr) 2. 酚基(Tyr) 3. OH基(Ser, Thr) 4. SH基及-S-S-键(Cys, Cys-CYs) 5. 吲哚基(Trp) 6. 胍基(Arg) 7. 咪唑基(His)
(四)高效液相层析(HPLC)。
(一)基于电荷性质差异的分离方法
1、 电泳分离
Glu 、 Leu 、 His 、 Lys , 4 种 混 合 样 , 在 pH6.0时,泳动方向及相对速度:
Glu Leu His
Lys
pI 3.22 5.98 7.59 9.74
2、 离子交换柱层析 磺酸型阳离子交换树脂
P152
氨基酸在树脂上结合的牢固程度取决于:
1.氨基酸与树脂上解离基团之间的静电引力。
2.氨基酸与树脂基质聚苯乙烯之间的疏水作用。
(二)基于分配系数(极性)差异的分离方法 ——分配层析
1、 纸层析 固定相:吸附水 流动相:丁醇、醋酸、水

分配系数
在流动相中分配系数越大,移动越快。

基本步骤:
点样、展层、现色、定性(定量)
(2) 烃基化反应常用于蛋白质的N端氨基酸分析
A. 与二硝基氟苯的反应
B. 氨基酸与苯异硫氰酸(PITH)的反应
Sanger 反应
2.4一二硝基氟苯(DNFB) 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
苯异硫氰酸酯,PITC 苯乙内酰硫脲衍生物(PTH-氨基酸), 无色,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
中性氨基酸
甘氨酸(Gly,G)
丙氨酸(Ala, A)
缬氨酸(Val, V)
异亮氨酸含 有两个手性 碳
亮氨酸(Leu, L)
异亮氨酸(Ile, I)
含羟基氨基酸
丝氨酸(Ser, S)
苏氨酸(Thr, T)
含有羟基的两个氨基酸,苏氨酸含有2个手性碳原子
含硫氨基酸
体内代谢甲 基的供体
半胱氨酸(Cys, C) 甲硫氨酸(Met, M)

α-碳原子上带有酸性的羧基和一个碱性的氨 基,在一定条件下都可解离,是两性电离。
二、氨基酸的分类
蛋白质氨基酸: 蛋白质中常见的20种氨基酸
稀有的蛋白质氨基酸:蛋白质组成中,除上述20种
常见氨基酸外,从少数蛋白质中还分离出一些稀
有氨基酸,它们都是相应常见氨基酸的衍生物。 如4-羟脯氨酸、5-羟赖氨酸等。 非蛋白质氨基酸:不参与蛋白质组成,在生物体内 呈游离或结合态的氨基酸。
氨基酸的等电点求法:
1.先写出解离方程式; 2.找出中性分子状态; 3.中性状态分子两边的解离常数的平均值即为pI。
氨基酸的解离常数可用测定滴定曲线的实验方法求 得

以甘氨酸(Gly)为例
氨基酸各基团的表观解离常数见表3-3.

根据平衡常数公式可得:
pH=pKa+lg[质子受体]/[质子供体]
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