武汉大学有机化学氨基酸、肽和蛋白质

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1、第 十 四 章氨 基 酸 、 肽 和 蛋 白 质 Amino Acids, Peptides and Protein 本 章 主 要 内 容一 、 氨 基 酸 (Amino Acid)（ 重 点 内 容 ） （ 一 ） 结 构 特 点 （ 二 ） 20 种 基 本 氨 基 酸 （ 三 ） 氨 基 酸 的 特 性 （ 四 ） 氨 基 酸 的 合 成 与 拆 分二 、 肽 (Peptides)三 、 蛋 白 质 (Proteins)（ 简 述 ） 一 、 Amino Acidl 分 子 中 既 含 有 氨 基 ， 又 含 有 羧 基 的 化 合物 统 称 为 氨 基 酸 。l 组 成 肽 和 蛋

2、白 质 的 结 构 单 元 分 子 a- amino Acid CH3CHCOOH COOHNH2NH2 NH2CH2CH2COOH NH2CH2CH2CH2COOHa-amino acid -amino acid -amino acid o-amino benzoic acid 一 、 Amino Acids（ 一 ） Configuration When R H, a-C is a chiral carbon, there are two stereoisomers (D and L- a- amino acid) The amino acids in protein molecules

3、are the L- a - amino acids. 20 standard amino acids in proteins H2N HCOOHR H NH2COOHRL-a-amino acid D-a-amino acid （ 二 ） 20 standard amino acids +H3N COO-H +H2NCOO- H +H3N COO-HCH3 +H3N COO-HCH(CH3)2 +H3N COO-HCH2 +H3N COO-HCH(CH3)CH(CH3)2 CH2CH3 Glycine (Gly) Alanine (Ala) Valine (Val) Leucine (Leu

4、) Isoleucine (Ile) Proline (Pro) 甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸 亮氨酸 异亮氨酸 脯氨酸 1. Nonpolar, aliphalic R groups (6) 一 、 氨 基 酸 (Amino Acids)（ 二 ） 20 standard amino acidsUV 特 征 吸 收 ： l = 280 nm +H3N COO-HCH2 +H3N COO-HCH2 +H3N COO-HCH2 Phenylalanine (Phe) Tyrosine (Tyr) Tryptophan (Try)苯丙氨酸 酪氨酸 色氨酸 2. Aromatic R groups (3)

5、 NHOH （ 二 ） 20 standard amino acids+H 3N COO-HCH2OH +H3N COO-HCHOH +H3N COO-HCH2SH +H3N COO-HCH2 +H3N COO-HCH2CH2SCH3 CONH2Serine (Ser) Threonine (Thr) Cysteine (Cys)Methionine (Met) Asparagine (Asn) Glutamine (Gln)丝氨酸 苏氨酸 半胱氨酸甲硫氨酸（蛋氨酸） 门冬酰胺 谷氨酰胺 3. Polar, uncharged R groups (6)CH 3 +H3N COO-HCH2CH2

6、CONH2 一 、 Amino Acids（ 二 ） 20 standard amino acidsAcidic amino acidscontaining two carboxylic groups +H3N COO-HCH2COO-Aspartate (Asp) Glutamate(Glu) 门冬氨酸 谷氨酸 +H3N COO-HCH2CH2COO-4. Negatively charged R groups (2) （ 二 ） 20 standard amino acidsBasic amino acids containing two amino groups +H3N COO-HCH

7、2CH2 Lysine (Lys) Arginine (Arg)赖氨酸 精氨酸 +H3N COO-HCH2CH2CH 2 5. Positively charged R groups (3) CH2CH2NH3+ NHCNH2NH2+ +H3N COO-HH2CHN NHguanidino imidazoleHistidine 组氨酸 Histidine (酸 碱 催 化 中 的 重 要 氨 基 酸 ) COOH CH2H3N COOH H2CH3N pKa=6.00HN N N NH COOH H2CH3N HN NH+ COOH H2CH3N +HN NH H+ -H+ Essential

8、 amino acidslThe amino acids that must obtain from our diets because we either cannot synthesize them at all or cannot synthesize them in adequate amountsl10 essential amino acids: Val, Leu, Ile, Thr, Met, Lys, Arg, Phe, His, Try 一 、 Amino Acids（ 三 ） Properties of Amino Acids1. 旋 光 性 (optical activi

9、ty)2. 酸 碱 性 (acid-base properties) (1) 氨 基 酸 既 是 酸 又 是 碱 +H3N C HCOO-R物 理 性 质 ： 高 熔 点 固 体 ； 易 溶 于 水 ， 不 溶 于 非 极 性 溶 剂 。氨 基 酸 在 结 晶 状 态 或 在 接 近 中 性 的 溶 液 中 ， 是以 两 性 离 子 (dipolar ion) 的 形 式 存 在 的 。 是 一种 内 盐 (inner salt)。 Amino acid act either as an base (proton acceptor)R C COO-NH3+H R C COO-NH2H + H+

10、R C COO -NH3+H R C COOHNH3+H+ H+Amino acids are ampholytes (两 性 电 解 质 )。 2. 酸 碱 性 （ Acid-Base Properties）(1) 氨 基 酸 既 是 酸 又 是 碱 Amino acid act either as an acid (proton donor) 2. 酸 碱 性 （ Acid-Base Properties） (2) Isoelectric Point (氨 基 酸 的 等 电 点 )如 果 在 某 一 pH 值 下 ， 氨 基 酸 所 带 正 电 荷 的 数 目与 负 电 荷 的 数 目

11、正 好 相 等 ， 即 净 电 荷 为 零 ， 则称 该 pH 值 为 该 氨 基 酸 的 等 电 点 (pI)。R C COO-NH3+H I1 1+ R C COO-NH2HIII1Low pH High pHOH-H+K1R C COOHNH3+HII1 OH-H+K2 等 电 点 时 ， amino acids 几 乎 全 部 以 两 性离 子 I 的 形 式 存 在 , 并 伴 以 极 少 量 、 严 格相 等 的 II 和 III。 处 于 等 电 点 的 氨 基 酸 ， 其 溶 解 度 最 小 。 pI 与 解 离 常 数 pK间 的 关 系 Neutral amino acid

12、s: pI = (pK1 + pK2)/2 Acidic amino acids : pI = (pK1 + pKRCOOH)/2 Basic amino acids : pI = (pK1 + pKRNH2)/22.酸 碱 性 （ Acid-Base Properties） (2) Isoelectric Point Titration Curve and pI Calculation of pI (1)HC COOH NH3 HC COO NH2 HC COOpK1 pK2 low pH pI high pH电荷 1 1 1 1 编号 H3N CH3 CH3 CH3 Calculation

13、 of pI (2)N+H3CH2CH2CH2CH2CHCOOHNH 3 pK1 N+H3CH2CH2CH2CH2CHCOO-NH3pK2N+H 3CH2CH2CH2CH2CHCOO-NH2 pKNH2 NH2CH2CH2CH2CH2CHCOO-NH22 2 1 1 1 1 Calculation of pI (3)HOOCCH2CH2CHCOOHNH 3 pK1 HOOCCH2CH2CHCOO-NH3pKCOOH-OOCCH 2CH2CHCOO-NH3 pK2 -OOCCH2CH2CHCOO-NH222 1 1 11 (2) Isoelectric Point pH pI, 样 品 带 负

14、电 荷 ， 样 品 点 向 阳 极 移 动 pH = pI, 样 品 不 带 电 荷 ， 样 品 点 不 移 动 纸 电 泳 (Paper electrophoresis) (2) Isoelectric Point例 题 与 习 题现 在 有 四 个 氨 基 酸 ： 苯 丙 氨 酸 pI=5.5、 脯 氨 酸 pI=6.3、 门 冬氨 酸 pI=2.8和 赖 氨 酸 pI=9.7， 请 问 在 以 下 pH条 件 下 进 行 电泳 ， 各 氨 基 酸 的 主 要 存 在 形 式 是 什 么 ？ 在 外 电 场 作 用 下 ，移 向 阳 极 还 是 阴 极 ？ 苯 丙 氨 酸 脯 氨 酸 门

15、冬 氨 酸 赖 氨 酸（ 1） pH=7.0（ 2） pH=6.0（ 3） pH=5.0（ 4） pH=2.0 正 阴 极 正 阴 极 负 阳 极 正 阴 极负 阳 极 负 阳 极 负 阳 极 正 阴 极正 阴 极 正 阴 极 正 阴 极 正 阴 极负 阳 极 正 阴 极 负 阳 极 正 阴 极 3. Chemical Reactions of Amino Acids1) a-氨 基 酸 的 特 殊 反 应 ： 分 子 间 失 水 茚 三 酮 反 应 （ 鉴 别 反 应 ） O O OHOH R C COO-NH3 +H O O N O- O+ Ninhydrin a-amino acid P

16、urple product (or yellow for Pro) H3C NH2CO OH HO O NH2CH3+ HN NHOOH3C CH3+ 2 H2O 3. Chemical Reactions of Amino Acids 2) 合 成 中 的 a-氨 基 酸 的 保 护 反 应 ： 羧 基 的 保 护 H2N CO O proline CH2Ph OHHCl(气体) H2N CO OCH2Ph CHH3N CH2PhCO OCH2Ph H2，Pd CHH3N CH2PhCOO H3C+phenylalamine benzyl ester phenylalamine toluen

17、e 氨 基 的 保 护3. 氨 基 酸 的 化 学 反 应2) 合 成 中 的 a-氨 基 酸 的 保 护 反 应 ： CHH2N CH2CH(CH3)2COOH leucine C O ClPhCH2O CHHN CH2CH(CH3)2COOHCOPhCH2O N-benzyloxycarbonyl leucine CH2 O CO NHCHCCH3O Val Phe NH2CHCCH3O Val Phe + CO2 + CH3 H2/Pd 4. Synthesis of Amino acid1) 还 原 氨 化 法2) a-卤 代 酸 的 氨 化3) Gabriel-丙 二 酸 酯 合 成

18、 法4) Strecker合 成 法 消 旋 产 物 4. Synthesis of Amino acid1) 还 原 氨 化 法 实 际 是 一 步 完 成 ， 又 称 为 仿 生 合 成 CR O COOa-酮酸(a-ketoacid) + NH3 (过量) CR COONH NH4亚胺(imine) H2/Pd CHR NH2 COO(D，L)-a-amino acid CPhCH2 COOHO3-phenyl-2-oxopropanoic acidNH3，H2/Pd CHPhCH2 NH2 COO NH4(D，L)-phenylalanine(ammonium salt)(30%) C

19、HOOCCH2CH2 COOO + NH4 N HH CNH2sugar2-ketoglutaric acid + O + H enzyme CHHOOCCH2CH2 NH3 COO +L-glutamic acid NHsugar NH2ONAD + H2ONADH 与 生 物合 成 极为 相 似 4. Synthesis of Amino acid2） -卤 代 酸 的 氨 化 采 用 大 大 过 量 的 氨邻 位 羧 基 的 影 响 ， 降 低 了 -氨 基 的 亲 核 性 能因 此 ， 反 应 可 以 得 到 很 好 地 控 制 CRH2C OHOcarboxylic acid(1)B

20、r2/PBr3(2)H2O CRHC OHOBra-bromo acid NH3(大大过量) (D，L)-a-amino acid(ammoniusm salt)CHC OOR NH2 NH4 4. Synthesis of Amino acid3） Gabriel-丙 二 酸 酯 合 成 法 用 这 种 方 法 可 以 得 到 其 他 合 成 方 法 难 以 得 到 的 -氨 基 酸 ， 如 甲 硫 氨 酸 （ 蛋 氨 酸 ） CHCOOC2H5COOC2H5Br N N O O K OO CHCOOEtCOOEt NOO CCOOEtCOOEtR (1)OH-(2)RX H+，H2O CC

21、OOHCOOHRH3N CO2加热 CHH3N R COOH(L，D)-a-amino acid 4. Synthesis of Amino acid4） Strecker合 成 法 最 早 发 现 的 合 成 方 法 CH3CHO + NH3 + HCN H2O CH3C HCNNH2 H3O+ CH3C HCOOHNH3(D，L)-alamine(60%)反 应 机 理 如 下 ： CR HO + NH3aldehyde H+ imine- H2O CR HN H H CN CR HNH HCN CR HCNNH2a-amino nitrile H3O+ CR COOHHNH3（D，L）-

22、a-amino acid(acidic form) 5. Resolution of D- and L-Amino acidsL-amino acidD-amino acid +纯手性碱(或酸) L-氨基酸盐D-氨基酸盐 分离(重结晶，色谱法等)COOH H2N R H H NH2RCOOHL-AAD-AA COOHHRH3CCHN H COOHNHCCH3R O O acylase COOHH2N R H COOHH R NHCCH3L-AAacetyl-D-AAO racemic amino acid (CH3CO)2O 化 学 法 非 对 映 异 构 体酶 法 6. Asymmetric

23、 Synthesis of D- and L-a-Amino acids N YXH2N OH* N YXNC COOR * Hydrogenation N YXNC COOH RH * * Hydrogenolysis H2N CHR COOH* + N YXH OH*HydrazonolactoneOptical pure amino acid . .C CO OR OH H2O例 1： Corey 法 利 用 不 对 称 前 体 合 成 方 法 6. Asymmetric Synthesis of D- and L-a-Amino acids例 2： 利 用 铑 催 化 剂 的 不 对

24、称 催 化 氢 化 反 应 OPPh2OPPh2 Rh +BF4 R3 COOR1NHR2 H2催化剂 R3 COOR1NHR2* H, H2O+ R3 COOHNH2蒋氏催化剂*讨 论 题 ： 查 阅 文 献 ， 了 解 手 性 纯 氨 基 酸 的 合 成 研 究 进 展 ， 小 结 主 要 的 不 对 称 合 成 途 径 。 二 、 肽 (Peptides)Peptides 由 两 个 以 上 氨 基 酸 通 过 肽键 （ 酰 胺 键 ） 连 接 起 来 的 化 合 物 。二 肽 （ dipeptide） ： 2 amino acid residues寡 肽 （ oligopeptide

25、） ： 210 amino acid residues多 肽 （ polypeptide ） ： 10 amino acid residues蛋 白 质 （ protein ） ： molecular weight 10 Kd 二 、 肽 (Peptides) 自 然 界 存 在 多 种 肽 类 物 质 ， 如 ： 青 霉 素 短 杆 菌 肽 S NHOOC HN ROOSPenicillineL-Val D-Cys脑 啡 肽Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu leucine enkephalinTyr-Gly-Gly-Phe-Met methionine enkephalin L-Val

26、D-Orn L-pro D-PheL-Leu L-OrnL-ValL-Pro L-PheL-Lue gramicidin S 肽 的 结 构 特 征 ： Peptide bond 一 分 子氨 基 酸 的 羧 基 与 另 一 分 子 氨 基 酸 的 氨 基 失 去一 分 子 水 而 形 成 的 酰 胺 键 。 H2N C C OHHR1 O NH C COOHHR2H H2N C CHR1 O HN C COOHHR2peptide bondH2O 二 、 肽 (Peptides)任 何 羧 酸 的 羧 基 与 任 何 胺 的 氨 基 形 成 的 酰 胺 键 是 肽 键 吗 ？ Peptide

27、 Bonds肽 键 的 平 面 特 征 二 、 肽 (Peptides)n 肽 链 的 氨 基 酸 顺 序 与 命 名思 考 题 ： Are Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu and Leu-Ala-Tyr- Gly-Ser same peptides?+H3NHCC NHCH2C NHCHC NHCHC NHCHCOO-O CH3O CH2CH2OOHOH2C CH(CH3)2OHSer Gly Tyr Ala LeuN-terminate C-terminate命 名 以 C-端 氨 基 酸 为 母 体丝 氨 酰 -甘 氨 酰 -色 氨 酰 -丙 氨 酰 -亮 氨 酸 二 硫 键 D

28、isulfide bond The S-S bond in disulfide.二 、 肽 (Peptides) R SH2 氧化 硫醇 二硫化物 RS SR Disulfide Bonds Hair:Straight or curly?烫 发 的 过 程 是 一 个 旧 二硫 键 还 原 打 开 而 后 又 氧化 形 成 新 的 二 硫 键 过 程 n Determining the structure of peptides 1. 氨 基 酸 组 分 分 析 2. 氨 基 酸 顺 序 分 析二 、 肽 (Peptides) 纯多肽或蛋白质 二硫键的拆分 各条肽链 选择性水解(至少两种方法)

29、 小肽段 氨基酸顺序分析 各肽段的氨基酸顺序(至少两组) 叠加法 肽链的氨基酸顺序 肽 中 氨 基 酸 组 分 分 析 The number and kinds of amino acids 6 N HCl, heating at 100oC for 24 h automated amino acid analyzer Amino Acids Analyzer 肽 中 氨 基 酸 顺 序 分 析 从 N-端 测 序 ： Edman降 解 法 ： 可 用 于 自 动 测 序 N C SPITC NH CHH R1 CO NH CHR2 CO+ N-端氨基酸第一步 CHNNHSPh CHR1 C

30、NHO CHR2 CO HNCCHNHR 1 C S O PhNH CHR2 COHN CH CNSR1 ONHH CHPh R2 CO HNCH NS O PhR1 + CHNh2 R2 CO第二步 第三步 PTH=苯乙内酰硫脲 (phenylthiohydrantoin)PTH-氨基酸PITC=异硫氰酸苯脂(phenyl isothiocyanate) HF H+ 适 用 于 50肽 肽 中 氨 基 酸 顺 序 分 析 C-端 氨 基 酸 残 基 的 分 析 ： 羧 肽 酶羧 肽 酶 是 肽 链 外 切 酶 （ exopeptidase） ， 即 它 专 门催 化 水 解 肽 链 末 端

31、（ 即 C-端 ） 的 肽 键 。 CHHN R1 C NHO CHR2 C NHO CHR3 C OO 羧肽酶断裂位点羧 肽 酶 A水 解 断 裂 那 些 不 是 Arg和 Lys的 C-端 氨 基 酸羧 肽 酶 B则 仅 水 解 断 裂 C-端 为 Arg或 Lys的 氨 基 酸 肽 中 氨 基 酸 顺 序 分 析 多 肽 链 的 选 择 性 水 解 ： 酶 法 和 化 学 法化 学 法 溴 化 氰 水 解 法 ， 选 择 性 切 割 甲 硫 氨 酸 的羧 基 所 形 成 的 肽 键 。 CHHN CH2 CCH2 NHOSH3C CHR CO + CBr N+-S CNH 3C -Br-

32、 +H2OHCH2C H2C OC HNHCHN NH CHR CO + CHH3N R CO高丝氨酸内酯(homoserine lactone) CHHN CH2 CCH2 NHOSH3C CHR COC NO O 肽 中 氨 基 酸 顺 序 分 析 采 用 重 叠 法 得 出 整 个 肽 链 的 氨 基 酸 顺 序 T-1T-2 T-3T-4GASMALIKNGAAWHDFNPIDPR QCVHSDWLIACGPMTKT-2 T-3placed at N-terminus palced at C-terminusC-1 C-2C-3NGAAWHDFNPIDPRGASM TKQCVHSDAL

33、IKWLIACGPM NGAAWHDFNPIDPRGASMALIKWLIACGPMTKQCVHSDN-terminus C-terminusT-2 T-3T-4T-1C-1 C-3 C-2 disulfide 二 、 肽 (Peptides)Preparation of PeptidesThere are three ways to obtain a peptides: Purification from tissue Genetic engineering Direct chemical synthesis（ 化 学 合 成 ） to synthesize Asp-Phe-OMe (Aspa

34、rtame or NutraSweet, 150 sweeter than sucrose) Asp + Phe DCC 1. Asp-Phe2. Phe-Asp3. Asp-Asp4. Phe-Phe -Asp-Phe Chemical Synthesis of Peptides 经 典 合 成 法 N-端 氨 基 保 护 羧 基 的 活 化 与 第 二 个 氨 基 酸 偶 联 再 活 化 羧 基 与 第 三 个 氨 基 酸 偶 联 .去 保 护 benzyl choroformateCH2 O CO Cl + CHH2N CH3 CO OHAla CH2 O CO NH CHCH3 COH

35、O + HCl氯代甲酸苄基酯 (Z-Cl) Z-Ala 苄氧羰基(carbobenzoxy group)，简称Cbz或Z NHCHZ CH3 COO + NHCHZ CH3 COO NCHNprotontransferDCC 亚胺酯(imidate)protected activatedCNN CNNH NHCHZ C NCHNOCH3 CHNH(H3C)2HC COO O H tetrahedral intermediate NHCHZ CCH3 O NHCHCOCH(CH3)2O + HNCHNOZ-Ala-Val dicyclohexylureanew peptide bond OCCH

36、NH2OCH(CH3)2+ . Chemical Synthesis of Peptides Solid-Phase Peptide Synthesis (1962, R. Bruce Merrifield) CH2Cl CH2OOCCHNH-tBocCHNHR1-OOC tBoc R1cold CF3COOH CH2OOCCHNH3+R1 CH2OOCCHNHCOCHNH-tBocR1 CHNHR2-OOC tBocR2 cold CF3COOHHF Hydrolysis -OOCCHNHCOCHNHCOR1 R2 (From C-terminate to N-terminate) Inso

37、luble polystyrene bead Chemical Synthesis of Peptides Solid-Phase Peptide Synthesis (1962, R. Bruce Merrifield) A B C D E固 相 合 成 示 意 图 Chemical Synthesis of Peptides组 合 合 成 法 ： 一 次 合 成 多 种 肽 的 混 合 物 （ 多 肽 库 ）混 合 裂 分 法三 次 合 成 就 得 到 27个 三 肽 的 三 种 混 合 物 库 Chemical Synthesis of Peptides组 合 合 成 法 ： 一 次 合

38、 成 多 种 肽 的 混 合 物 （ 多 肽 库 ）光 印 迹 法 （ 光 控 合 成 法 或 光 定 向 法 ）紫 外 光 照 后 后 切 除 保 护 基 ， 得 到 的 自 由 氨 基 可 以进 一 步 反 应 光 印 迹 法 （ 光 控 合 成 法 或 光 定 向 法 ）采 用 蒙 板 覆 盖 控 制 UV灯 照 射 区 域 ， 则 在 定 点 区 域 发 生 反 应 光 印 迹 法 （ 光 控 合 成 法 或 光 定 向 法 ）多 次 改 换 蒙 板 覆 盖 区 域 ， 则 得 到 不 同 区 域 的 不 同 的多 肽 化 合 物 Biosynthesis of Peptides Am

39、ino acid sequences can be deduced from DNA sequences. Each amino acid is encoded by a specific sequence of three nucleotides (triplet) known as the genetic code. DNA mRNA Proteintranscription tRNAtranslation 三 、 蛋 白 质 （ Proteins)nPrimary structure of proteins the sequence of amino acids in the chain

40、 abd the location of aa the disulfide bridges 三 、 蛋 白 质 （ Proteins)nSecondary structure of proteins the conformation of segments of the backbone chain of a protein. stabilized by hydrogen bonds a-helix： 由 链 内 氢 键 维 系 -pleated sheet： 由 链 间 氢 键 维 系 Secondary structure 三 、 蛋 白 质 （ Proteins)nTertiary st

41、ructure of proteins the three-dimensional arrangement of all the atoms in the protein. stabilized by disulfide bonds, hydrogen bonds, electrostatic attractions, hydrophobic interactions 三 、 蛋 白 质 （ Proteins)nQuaternary structure of proteins the way the subunits are arranged in space. held by hydrogen bonds, electrostatic attractions, hydrophobic interactions monomer, dimer, trimer, tetramer, hexamer, etc. 本 章 主 要 内 容一 、 氨 基 酸 (Amino Acid)（ 重 点 内 容 ） （ 一 ） 结 构 特 点 （ 二 ） 20 种 基 本 氨 基 酸 （ 三 ） 氨 基 酸 的 特 性 （ 四 ） 氨 基 酸 的 合 成 与 拆 分二 、 肽 (Peptides)三 、 蛋 白 质 (Proteins)（ 简 述 ）