蛋白质的构件氨基酸及多肽

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1、第 2章 蛋 白 质 掌 握 蛋 白 质 的 基 本 构 成 单 体 氨 基 酸 的 结 构 特 点 ， 从 各 氨基 酸 的 结 构 特 点 上 理 解 氨 基 酸 的 分 类 。 掌 握 氨 基 酸 的 理 化 性 质 ， 重 点 掌 握 两 性 电 离 与 等 电 点 含 义 。 掌 握 蛋 白 质 一 级 结 构 的 概 念 。 重 点 掌 握 蛋 白 质 二 级 结 构 的 概 念 ， 二 级 结 构 的 基 本 类 型 ： -螺 旋 及 -折 叠 的 结 构 特 点 ； 了 解 几 种 常 见 纤 维 状 蛋 白 质 的 结构 特 性 ； 了 解 超 二 级 结 构 及 结 构 域

2、 的 概 念 。 了 解 蛋 白 质 三 级 结 构 、 四 级 结 构 的 概 念 及 稳 定 因 素 。 理 解 蛋 白 质 结 构 与 功 能 的 关 系 。 掌 握 蛋 白 质 的 理 化 性 质 ： 胶 体 性 质 、 两 性 电 离 与 等 电 点 、 沉淀 作 用 、 变 性 作 用 以 及 这 些 性 质 的 生 理 意 义 及 实 践 意 义 。 2.1 氨 基 酸 2.1.1蛋 白 质 氨 基 酸 的 一 般 结 构 及 其 分 类 除 甘 氨 酸 和 脯 氨 酸 外 ， 其 他 均 具 有 如 下结 构 通 式 。-氨 基 酸 2.1.1蛋 白 质 氨 基 酸 的 一 般

3、 结 构 及 其 分 类 氨 基 酸 分 类 的 方 法 有 多 种 ， 目 前 常 以 氨 基 酸 的 R基 团 的结 构 和 性 质 作 为 氨 基 酸 分 类 的 基 础 。 根 据 R基 团 的 结 构 可 将 20种 氨 基 酸 分 为 七 类 ： R为 脂肪 族 基 团 的 氨 基 酸 ； R为 芳 香 族 基 团 的 氨 基 酸 ； R为 含 硫 基 团 的 氨 基 酸 ； R为 含 羟 基 基 团 的 氨 基 酸 ； R为 碱 性 基 团 的 氨 基 酸 ； R为 酸 性 基 团 的 氨 基 酸 ； R为 含 酰 胺 基 团 的 氨 基 酸 。 2.1.1蛋 白 质 氨 基 酸

4、 的 一 般 结 构 及 其 分 类 根 据 R基 团 的 极 性 可 将 氨 基 酸 分 为 四 类 ： 非 极 性 R基团 氨 基 酸 ； 极 性 不 带 电 荷 R基 团 氨 基 酸 ； R基 团 带负 电 荷 的 氨 基 酸 ； R基 团 带 正 电 荷 的 氨 基 酸 。 这 种 分类 方 法 更 有 利 于 说 明 不 同 氨 基 酸 在 蛋 白 质 结 构 和 功 能上 的 作 用 。 氨 基 酸 的 名 称 常 使 用 三 字 母 的 简 写 符 号 表 示 ， 有 时 也使 用 单 个 字 母 简 写 符 号 表 示 。 氨 基 酸 的 结 构 甘 氨 酸 G lycine

5、脂 肪 族 氨 基 酸 H 2N CH C H OH O 氨 基 酸 的 结 构 脂 肪 族 氨 基 酸 H 2N CH C CH 3 OH O 甘 氨 酸 G lycine 丙 氨 酸 Alanine 氨 基 酸 的 结 构 甘 氨 酸 G lycine 丙 氨 酸 Alanine缬 氨 酸 Valine 脂 肪 族 氨 基 酸 H 2N CH C CH OH O CH 3 CH 3 氨 基 酸 的 结 构 甘 氨 酸 G lycine 丙 氨 酸 Alanine缬 氨 酸 Valine亮 氨 酸 Leucine 脂 肪 族 氨 基 酸 H 2N CH CCH 2 OHO CH CH 3CH

6、 3 氨 基 酸 的 结 构 甘 氨 酸 G lycine 丙 氨 酸 Alanine缬 氨 酸 Valine亮 氨 酸 Leucine异 亮 氨 酸 Ileucine 脂 肪 族 氨 基 酸 H 2N CH CCH OHOCH 3CH 2CH 3 氨 基 酸 的 结 构 甘 氨 酸 G lycine 丙 氨 酸 Alanine缬 氨 酸 Valine亮 氨 酸 Leucine异 亮 氨 酸 Ileucine脯 氨 酸 Proline 亚 氨 基 酸 HN C OH O 氨 基 酸 的 结 构 甘 氨 酸 G lycine 丙 氨 酸 Alanine缬 氨 酸 Valine亮 氨 酸 Leuc

7、ine异 亮 氨 酸 Ileucine脯 氨 酸 Proline甲 硫 氨 酸 Methionine 含 硫 氨 基 酸 H 2N CH CCH 2 OHO CH 2S CH 3 氨 基 酸 的 结 构 甘 氨 酸 G lycine 丙 氨 酸 Alanine缬 氨 酸 Valine亮 氨 酸 Leucine异 亮 氨 酸 Ileucine脯 氨 酸 Proline甲 硫 氨 酸 Methionine 半 胱 氨 酸 Cysteine 含 硫 氨 基 酸H 2N CH CCH 2 OHOSH 氨 基 酸 的 结 构 芳 香 族 氨 基 酸苯 丙 氨 酸Phenylalanine H 2N CH

8、 CCH 2 OHO 氨 基 酸 的 结 构 芳 香 族 氨 基 酸苯 丙 氨 酸Phenylalanine酪 氨 酸Tyrosine H 2N CH CCH 2 OHO OH 氨 基 酸 的 结 构 碱 性 氨 基 酸精 氨 酸 Arginine赖 氨 酸 Lysine组 氨 酸 H istidine H 2N CH CCH 2 OHO N NH 氨 基 酸 的 结 构 天 冬 氨 酸 Aspartate 酸 性 氨 基 酸 H 2N CH CCH 2 OHO COH O 氨 基 酸 的 结 构 天 冬 氨 酸 Aspartate 谷 氨 酸 G lutamate 酸 性 氨 基 酸 H 2

9、N CH CCH 2 OHO CH 2C OH O 氨 基 酸 的 结 构 丝 氨 酸 Serine 含 羟 基 氨 基 酸 H 2N CH CCH 2 OHO OH 氨 基 酸 的 结 构 丝 氨 酸 Serine 苏 氨 酸 Threonine 含 羟 基 氨 基 酸 H 2N CH CCH OHOOH CH 3 氨 基 酸 的 结 构 天 冬 酰 胺 Asparagine 含 酰 胺 氨 基 酸 H 2N CH CCH 2 OHO CNH 2 O 氨 基 酸 的 结 构 天 冬 酰 胺 Asparagine谷 酰 胺 G lutamine 含 酰 胺 氨 基 酸 H 2N CH CCH

10、2 OHO CH 2C NH 2 O 1、 氨 基 酸 的 光 吸 收 及 旋 光 性 除 甘 氨 酸 外 ， 氨 基 酸 均 含 有 一 个 手 性 -碳 原 子 ， 因 此 都 具有 旋 光 性 。 比 旋 光 度 是 氨 基 酸 的 重 要 物 理 常 数 之 一 ， 是 鉴别 各 种 氨 基 酸 的 重 要 依 据 。 偏 振 光 透 过 1dm旋 光 管 及 1g/mL旋 光 物 质 的 溶 液 ， 在 一 定 温度 下 测 得 的 旋 光 度 ， 称 为 比 旋 光 度 。 a=100a/lc， a为 比 旋 度 、 a为 旋 度 值 、 l为 旋 光 管 长（ 单 位 为 dm）

11、 、 c为 每 100ml溶 液 中 的 样 品 重 量 （ 单 位 为 g） 2.1.2 氨 基 酸 的 理 化 性 质 氨 基 酸 的 光 吸 收 构 成 蛋 白 质 的 20种 氨 基 酸 在 可 见 光 区 都 没 有 光吸 收 ， 但 在 远 紫 外 区 (220nm)均 有 光 吸 收 。 在 近 紫 外 区 (220-300nm)只 有 酪 氨 酸 、 苯 丙 氨 酸和 色 氨 酸 有 吸 收 光 的 能 力 。 酪 氨 酸 的 max 275nm， 275=1.4x103; 苯 丙 氨 酸 的 max 257nm， 257=2.0 x102; 色 氨 酸 的 max 280nm

12、， 280=5.6x103; A=-lgT= cl 2、 氨 基 酸 的 离 解 性 质 及 等 电 点 氨 基 酸 在 结 晶 形 态 或 在 水 溶 液 中 ， 并 不 是 以 游 离 的 羧 基或 氨 基 形 式 存 在 ， 而 是 离 解 成 两 性 离 子 。 在 两 性 离 子 中 ，氨 基 是 以 质 子 化 (-NH3+)形 式 存 在 ， 羧 基 是 以 离 解 状 态 (-COO-)存 在 。 在 不 同 的 pH条 件 下 ， 两 性 离 子 的 状 态 也 随 之 发 生 变 化 。 pH 1 7 10 净 电 荷 +1 0 -1 正 离 子 两 性 离 子 负 离 子

13、 等 电 点 PI 氨 基 酸 的 等 电 点 在 一 定 的 pH条 件 下 ， 氨 基 酸 分 子 中 所 带 的 正 电 荷 和 负 电荷 数 相 同 ， 即 净 电 荷 为 零 ， 此 时 溶 液 的 pH称 为 该 种 氨 基酸 的 等 电 点 （ isoelectric point） ， 用 符 号 pI表 示 。 当 溶 液 的 pH等 于 等 电 点 即 pH=pI时 ， 溶 液 中 的 氨 基 酸 净电 荷 为 零 ， 在 电 场 中 既 不 向 正 极 移 动 ， 也 不 向 负 极 移 动 ，主 要 以 两 性 离 子 存 在 ， 但 也 有 少 量 的 而 且 数 量

14、相 等 的 正 、负 离 子 ， 还 有 极 少 量 的 中 性 分 子 ； 并 且 ， 由 于 静 电 作 用 ，此 时 氨 基 酸 的 溶 解 度 最 小 。 当 溶 液 的 pH小 于 等 电 点 即 pHpI时 ， 氨 基 酸 带 负 电 荷 ， 在 电 场 中 向 正 极 移 动 。 氨 基 酸 的 等 电 点 氨 基 酸 的 等 电 点 侧 链 不 含 离 解 基 团 的 中 性 氨 基 酸 ， 其 等 电 点 是 它 的pK 1和 pK 2的 算 术 平 均 值 ： pI = (pK 1 + pK 2 )/2 同 样 ， 对 于 侧 链 含 有 可 解 离 基 团 的 氨 基 酸

15、 ， 其 pI值也 决 定 于 两 性 离 子 两 边 的 pK 值 的 算 术 平 均 值 。 酸 性 氨 基 酸 ： pI = (pK 1 + pK R-COO- )/2 碱 性 氨 基 酸 ： pI = (pK 2 + pK R-NH2 )/2 计 算 氨 基 酸 的 pI 和 氨 基 酸 溶 液 的 pH 3. 氨 基 酸 的 化 学 性 质 氨 基 酸 的 化 学 反 应 主 要 是 指 氨 基 酸 分 子 中 的 -氨 基 和 -羧 基以 及 R基 团 所 参 与 的 反 应 。 下 面 着 重 介 绍 几 种 在 蛋 白 质 化 学及 结 构 测 定 中 具 有 重 要 意 义

16、的 化 学 反 应 。 1） 茚 三 酮 反 应 （ Ninhydrin reaction） 茚 三 酮 2） 桑 格 反 应 （ Sanger reaction） Sanger反 应 由 弗 雷 德 里 克 桑 格 （ Frederick Sanger） 首 先 发 现 ， 是氨 基 酸 与 2,4-二 硝 基 氟 苯 的 反 应 。 在 弱 碱 性 （ pH 8 9） 、 暗 处 、室 温 或 40 条 件 下 ， 氨 基 酸 的 -氨 基 很 容 易 与 2,4-二 硝 基 氟 苯（ 2,4-dinitrofluorobenzene， FDNB） 反 应 ， 生 成 黄 色 的 2,4-

17、二 硝 基氨 基 酸 （ dinitrophenyl amino acid， DNP-氨 基 酸 ） 。 4. 氨 基 酸 的 溶 解 性 质 氨 基 酸 多 为 无 色 晶 型 固 体 。 在 有 机 化 合 物 中 ，氨 基 酸 属 于 熔 点 高 的 化 合 物 ， 其 熔 点 约 为 200300 。 氨 基 酸 不 溶 于 石 油 醚 、 苯 等 非 极 性 溶 剂 ，有 一 定 的 水 溶 性 。 不 同 的 氨 基 酸 在 水 中 的 溶 解度 相 差 较 大 ， 常 见 氨 基 酸 溶 解 度 见 表 2-7。 2.1.3 氨 基 酸 混 合 物 的 分 离 和 分 析为 了

18、测 定 蛋 白 质 中 氨 基 酸 的 含 量 、 组 成 或 从 蛋 白质 水 解 液 中 制 取 氨 基 酸 ， 都 需 要 对 氨 基 酸 混 合 物进 行 分 析 和 分 离 工 作 。 其 方 法 较 多 ， 而 目 前 使 用较 多 的 是 层 析 法 。 氨 基 酸 的 分 离 分 析 层 析 法 ： 也 称 色 谱 法 （ chromatography） ，是 一 种 物 理 的 分 离 方 法 。 它 是 利 用 混 合 物 中各 组 分 的 物 理 化 学 性 质 的 差 别 ， 使 各 组 分 以不 同 程 度 分 布 在 两 个 相 中 ， 其 中 一 个 相 为 固定

19、 的 （ 称 为 固 定 相 ） ， 另 一 个 相 则 流 过 此 固定 相 （ 称 为 流 动 相 ） 并 使 各 组 分 以 不 同 速 度移 动 ， 从 而 达 到 分 离 。 按 层 析 原 理 分 类 名 称 分 离 原 理吸 附 层 析 法 组 份 在 吸 附 剂 表 面 吸 附 固 定 相 （ 吸 附剂 ） ， 各 能 力 不 同分 配 层 析 法 各 组 份 在 流 动 相 和 静 止 液 相 （ 固 相 ）中 的 分 配 系 数 不 同离 子 交 换 层 析 法 固 定 相 是 离 子 交 换 剂 ， 各 组 份 与 离 子交 换 剂 亲 和 力 不 同凝 胶 层 析 法

20、固 定 相 是 多 孔 凝 胶 ， 各 组 份 的 分 子 大小 不 同 ， 因 而 在 凝 胶 上 受 阻 滞 的 程 度不 同亲 和 层 析 法 固 定 相 只 能 与 一 种 待 分 离 组 份 专 一 结合 ， 以 此 和 无 亲 和 力 的 其 它 组 份 分 离 1、 肽 的 基 本 问 题一 个 氨 基 酸 的 氨 基 与 另 一 个 氨 基酸 的 羧 基 之 间 失 水 形 成 的 酰 胺 键称 为 肽 键 ， 所 形 成 的 化 合 物 称 为肽 。由 两 个 氨 基 酸 组 成 的 肽 称 为 二 肽 ，由 多 个 氨 基 酸 组 成 的 肽 则 称 为 多肽 。 组 成

21、多 肽 的 氨 基 酸 单 元 称 为氨 基 酸 残 基 。 2.2 肽 在 多 肽 链 中 ， 氨 基 酸 残 基 按 一 定 的 顺 序 排 列 ， 这 种 排 列 顺 序 称 为氨 基 酸 顺 序 通 常 在 多 肽 链 的 一 端 含 有 一 个 游 离 的 -氨 基 ， 称 为 氨 基 端 或 N-端 ；在 另 一 端 含 有 一 个 游 离 的 -羧 基 ， 称 为 羧 基 端 或 C-端 。 氨 基 酸 的 顺 序 是 从 N-端 的 氨 基 酸 残 基 开 始 ， 以 C-端 氨 基 酸 残 基 为 终 点 的 排 列 顺 序 。 如 上 述 五 肽 可 表 示 为 ： Ser

22、-Val-Tyr-Asp-GlnC C N C C N C C N C C N CCH2 CH CH2 CH2 CH2 COO -OH CO 2H CH2CONH2OHCH3H3N + O O O OH H H H HH H H HSer Val Tyr Asp GlnCH3N-端 C-端肽键 2.肽 键 的 结 构肽 键 的 特 点 是 氮 原 子 上 的 孤 对 电 子 与 羰 基 具 有 明 显 的 共 轭 作 用 。 组 成 肽 键 的 原 子 处 于 同 一 平 面 。肽 键 中 的 C-N键 具 有 部 分 双 键 性 质 ， 不 能 自 由 旋 转 。在 大 多 数 情 况 下

23、， 以 反 式 结 构 存 在 。 顺 反 构 型 体 定 义 立 体 异 构 的 一 种 ， 由 于双 键 不 能 自 由 旋 转 引 起 的 ，一 般 指 烯 烃 的 双 键 ， 也 有C=N双 键 ， N=N双 键 及 环 状等 化 合 物 的 顺 反 异 构 。 顺 式 异 构 体 ： 两 个 相 同 原 子或 基 团 在 双 键 同 一 侧 的 为 顺式 异 构 体 ， 也 用 cis- 来 表 示 。 反 式 异 构 体 ： 两 个 相 同 原 子或 基 团 分 别 在 双 键 两 侧 的 为反 式 异 构 体 ， 也 用 trans- 来表 示 。 3、 多 肽 的 理 化 性

24、质 （ 1） 多 肽 的 两 性 离 解 :主 要 决 定 于 游 离 末 端 -NH2、 游离 末 端 -COOH 以 及 侧 链 R基 上 可 解 离 功 能 基 团 。 在 长 肽或 蛋 白 质 中 ， 可 解 离 功 能 基 团 主 要 是 侧 链 上 的 。 多 肽 的等 电 点 ， 随 着 肽 链 内 酸 性 氨 基 酸 残 基 数 的 增 加 而 下 降 ，随 着 肽 链 内 碱 性 氨 基 酸 残 基 数 的 增 加 而 上 升 。（ 2） 旋 光 性 ：一 般 短 肽 的 旋 光 度 等 于 其 各 个 氨 基 酸 的 旋 光 度 的 总 和 。蛋 白 质 水 解 得 到 的

25、 各 种 短 肽 ， 只 要 不 发 生 消 旋 作 用 ， 也具 有 旋 光 性 。 n （ 3） .多 肽 链 的 反 应 ：n A. 多 肽 链 的 水 解 ；n B. 氨 基 酸 的 邻 基 反 应n C. 颜 色 反 应 茚 三 酮 反 应 的 原 理 在 加 热 条 件 下 ， 氨 基 酸 或 肽 与 茚 三 酮 反 应 生 成 紫 色 （ 与 脯 氨 酸 反 应 生成 红 色 ） 化 合 物 的 反 应 。 双 缩 脲 反 应 的 原 理 在 碱 性 溶 液 中 ， 双 缩 脲 （ NH2-CO-NH-CO-NH2） 与 Cu 2+结 合 ， 生 成 紫红 色 的 络 合 物 ，

26、 这 一 呈 色 反 应 成 为 双 缩 脲 反 应 。 蛋 白 质 分 子 中 含 有 两 个以 上 的 肽 键 ， 具 有 类 似 于 双 缩 脲 的 结 构 ， 因 此 能 发 生 双 缩 脲 反 应 。 生 成 的 紫 红 色 络 合 物 ， 其 颜 色 深 浅 与 蛋 白 质 的 浓 度 成 正 比 ， 而 与 蛋 白 质的 分 子 质 量 及 氨 基 酸 成 分 无 关 。 4、 天 然 存 在 的 重 要 多 肽 在 生 物 体 中 ， 多 肽 最 重 要 的 存 在 形 式 是 作 为 蛋 白 质 的 亚单 位 。但 是 ， 也 有 许 多 分 子 量 比 较 小 的 多 肽 以 游 离 状 态 存 在 。这 类 多 肽 通 常 都 具 有 特 殊 的 生 理 功 能 ， 常 称 为 活 性 肽 。如 ： 脑 啡 肽 ； 激 素 类 多 肽 ； 抗 生 素 类 多 肽 ； 谷 胱 甘 肽 ；蛇 毒 多 肽 等 。 谷 胱 甘 肽 (glutathione, G SH ) G SH 过 氧化 物 酶H2O2 2GSH 2H2O GSSG G SH 还 原 酶NADPH+H+ NADP+