蛋白质化学1氨基酸

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1、主 讲 教 师 ： 季 祥 【 目 的 与 要 求 】 1.1 蛋 白 质 通 论 1.2 蛋 白 质 的 分 子 组 成 氨 基 酸 1.了 解 蛋 白 质 对 生 物 体 的 重 要 意 义 。2.了 解 蛋 白 质 的 分 类 ， 掌 握 蛋 白 质 元 素 组 成 的 特 点 。3.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 。4.掌 握 氨 基 酸 的 理 化 性 质 ， 重 点 掌 握 两 性 电 离 与 等 电 点 含 义 、 茚 三 酮 反 应 及 其 应 用

2、 。 目 的 与 要 求 5.掌 握 蛋 白 质 一 级 结 构 的 概 念 ； 了 解 蛋 白 质 一 级 结 构 的 测 定 方 法 与 思 路 ， 学 会 分 析 简 单 多 肽 的 氨 基 酸 顺 序 。6.理 解 并 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 的 概 念 。7.了 解 蛋 白 质 三 级 结 构 、 四 级 结 构 的 概 念 及 稳 定 因 素 。 8.充

3、 分 理 解 蛋 白 质 结 构 与 功 能 的 关 系 ； 从 核 糖 核 酸 酶 的 变 性 与 复 性 实 验 理 解 一 级 结 构 与 空 间 结 构 的 关 系 ； 以 细 胞 色 素 C等 为 例 充 分 理 解 一 级 结 构 与 蛋 白 质 生 物 学 功 能 的 关 系 ； 从 血 红 蛋 白 与 肌 红 蛋 白 的 结 构 特 性 理 解 蛋 白 质 空 间 结 构 与 生 物 学 功 能 的 关 系 。9.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

4、 理 意 义 及 实 践 意 义 。10.了 解 蛋 白 质 分 离 提 纯 的 常 用 方 法 及 基 本 原 理 。 一 . 蛋 白 质 的 生 物 学 意 义(一 ) 蛋 白 质 是 生 命 活 动 的 物 质 基 础 生 物 体 内 的 蛋 白 质 是 除 水 以 外 ， 机 体组 织 中 最 多 的 组 分 ， 占 人 体 干 重 的 45%，占 细 菌 干 重 的 50 70% 。 (二 ) 蛋 白 质 的 生 物 学 功 能1.作 为 生 物 催 化 剂 ： 在 体 内 催 化 各 种 物 质 代 谢 反 应 的酶 几 乎 都 是 蛋 白 质 。2.调 节 代 谢 反 应 ： 一

5、 些 激 素 是 蛋 白 质 或 肽 ， 如 胰 岛 素 、生 长 素 。3.运 输 载 体 ： 如 红 细 胞 中 运 输 O2、 CO2要 靠Hb(Hemoglobin血 红 蛋 白 )、 运 输 脂 类 物 质 的 是 载 脂蛋 白 、 运 铁 蛋 白 等 转 运 蛋 白 或 叫 载 体 蛋 白 。4.参 与 机 体 的 运 动 ： 如 心 跳 、 胃 肠 蠕 动 等 ， 依 靠 与 肌肉 收 缩 有 关 的 蛋 白 质 来 实 现 ， 如 肌 球 蛋 白 、 肌 动 蛋 白 。 5.参 与 机 体 的 防 御 ： 机 体 抵 抗 外 来 侵 害 的 防 御 机 能 ， 靠抗 体 ， 抗

6、 体 也 称 免 疫 球 蛋 白 ， 是 蛋 白 质 。6.接 受 传 递 信 息 ： 如 口 腔 中 的 味 觉 蛋 白 、 视 网 膜 中 的 视觉 蛋 白 。7.调 节 或 控 制 细 胞 的 生 长 、 分 化 、 遗 传 信 息 的 表 达 。8.其 它 ： 如 鸡 蛋 清 蛋 白 、 牛 奶 中 的 酪 蛋 白 是 营 养 和 储存 蛋 白 ； 胶 原 蛋 白 、 纤 维 蛋 白 等 属 于 结 构 蛋 白 。 还 有 甜味 蛋 白 、 毒 素 蛋 白 等 都 具 有 特 异 的 生 物 学 功 能 。 所 以 ， 我 们 不 难 理 解 ， 为 什 么 说 没 有 蛋 白 质 就

7、 没 有 生 命 。 二 、 蛋 白 质 的 分 类1.根 据 分 子 形 状 分 ： 球 状 蛋 白 质 、 纤 维 状 蛋 白 质2.根 据 功 能 分 ： 活 性 蛋 白 质 、 结 构 蛋 白 质 。3.根 据 组 成 分 ：（ 1） 简 单 蛋 白 质 ： 清 蛋 白 、 球 蛋 白 、 谷 蛋 白 、醇 溶 谷 蛋 白 、 组 蛋 白 、 精 蛋 白 、 硬 蛋 白 。（ 2） 结 合 蛋 白 质 ： 色 素 蛋 白 、 金 属 蛋 白 、 磷 蛋白 、 核 蛋 白 、 脂 蛋 白 、 糖 蛋 白 。4.根 据 营 养 价 值 分 ： 完 全 蛋 白 质 、 不 完 全 蛋 白 质

8、 。 三 . 蛋 白 质 的 元 素 组 成 蛋 白 质 是 有 机 化 合 物 ， 离 不 开 C、 H、 O三 种 元 素 ， 还 含 有N、 P、 S、 金 属 元 素 等 。 含 量 % ： 50 55 6 7 20 23 15 17 0.3 3 微 量 或 无 元 素 组 成 ： C H O N S 其 它 蛋 白 质 中 N是 特 征 元 素 ， 且 含 量 恒 定 ， 为 16%左 右 ， 即 16克氮 /100克 蛋 白 质 ， 故 可 以 用 定 氮 法 测 量 蛋 白 质 含 量 ， 即 ： 每100克 蛋 白 质 含 氮 16克 ， 100/16=6.25克 蛋 白 质

9、含 氮 1克 。 所 以 ，每 克 样 品 含 氮 量 6.25 100=100克 样 品 蛋 白 质 含 量 （ 克 %） 。 有 些 蛋 白 质 含 有 其 他 微 量 元 素 ： P、 Fe、 Cu、 Mn、 Zn、 Co、Mo、 I 等 。 蛋白质是分子量很大的生物分子 1均一的蛋白质它的所有分子在AA的组成和顺序以及肽链的长度方面是相同的 2寡聚蛋白质某些蛋白质是由两个或更多个蛋白质亚基（多肽链）通过非共价结合而成的。特点：a.可解离成亚基，但相当稳定；b.可以结晶的形式从组织中分离；c. 有此蛋白质以寡聚蛋白质表现其活性的。 3 简单蛋白质AA残基数目的估算。 AA残基的数目蛋白分

10、子量/110 因为，AA残基的平均分子量12818110。 四 .蛋白质的大小与分子量 一 . 蛋 白 质 的 水 解1.酸 水 解 条 件 ： 5 10倍 的 20%的 盐 酸 煮 沸 回 流 16 24小 时 ，或 加 压 于 120 水 解 2小 时 。 优 点 ： 可 蒸 发 除 去 盐 酸 ， 水 解 彻 底 ， 终 产 物 为L- -氨 基 酸 ， 产 物 单 一 ， 无 消 旋 现 象 。 缺 点 ： 色 氨 酸 破 坏 ， 并 产 生 一 种 黑 色 的 物 质 ： 腐黑 质 ， 水 解 液 呈 黑 色 。 2. 碱 水 解条 件 ： 4mol/L Ba(OH)2或 6mol/

11、L NaOH煮 沸 6小 时 。优 点 ： 水 解 彻 底 ， 色 氨 酸 不 被 破 坏 ， 水 解 液 清 亮 。缺 点 ： 产 生 消 旋 产 物 ， 破 坏 的 氨 基 酸 多 ， 一 般 很 少 使 用 。3. 蛋 白 酶 水 解条 件 ： 蛋 白 酶 如 胰 蛋 白 酶 、 糜 蛋 白 酶 ， 常 温 37 40 ， pH值 5 8 。优 点 ： 氨 基 酸 不 被 破 坏 ， 不 发 生 消 旋 现 象 。缺 点 ： 水 解 不 完 全 ， 中 间 产 物 多 。 蛋 白 质 酸 碱 水 解 常 用 于 蛋 白 质 的 组 成 分 析 ， 而 酶 水 解用 于 制 备 蛋 白 质

12、 水 解 产 物 。 二 、 蛋 白 质 分 子 的 基 本 组 成 单 位 氨 基 酸（ 一 ） 氨 基 酸 的 结 构 通 式 ： 1、 构 成 蛋 白 质 的 氨基 酸 均 为 L- -氨 基 酸。 2、 除 R为 H（ 甘 氨 酸） 外 ， 其 余 氨 基 酸 均 具有 旋 光 性 。 3、 各 种 氨 基 酸 的 区别 在 于 侧 基 R基 上 。 从 氨 基 酸 的 结 构 通 式可 以 看 出 ：H （ 二 ） 氨 基 酸 的 构 型 ： 构 成 蛋 白 质 的 氨 基 酸 除 甘 氨 酸 外 ， 均含 有 -碳 原 子 ， 在 空 间 各 原 子 有 两 种 排列 方 式 ：

13、L-构 型 与 D-构 型 ， 它 们 的 关 系 就像 左 右 手 的 关 系 ， 互 为 镜 像 关 系 ， 下 图 以丙 氨 酸 为 例 ： （ 三 ） 氨 基 酸 的 结 构 与 分 类1、 按 氨 基 酸 分 子 中 羧 基 与 氨 基 的 数 目 分 ： （ 1） 酸 性 氨 基 酸 ： 一 氨 基 二 羧 基 氨 基 酸 ， 有 ： 天 冬 氨 酸 、谷 氨 酸 、（ 2） 碱 性 氨 基 酸 ： 二 氨 基 一 羧 基 氨 基 酸 ， 有 ： 赖 氨 酸 、精 氨 酸 、 组 氨 酸（ 3） 中 性 氨 基 酸 ： 一 氨 基 一 羧 基 氨 基 酸 ， 有 ： 甘 氨 酸 、

14、丙 氨 酸 、 缬 氨 酸 、 亮 氨 酸 、 异 亮 氨 酸 、 甲 硫 氨 酸 、 半 胱 氨 酸、 苯 丙 氨 酸 、 色 氨 酸 、 酪 氨 酸 、 脯 氨 酸 、 天 冬 酰 胺 、 谷 氨 酰胺 、 丝 氨 酸 、 苏 氨 酸 。 2、 按 侧 基 R基 的 结 构 特 点 分 ： （ 1） 脂 肪 族 氨 基 酸（ 2） 芳 香 族 氨 基 酸 ： 苯 丙 氨 酸 、 色 氨 酸 、 酪 氨 酸（ 3） 杂 环 氨 基 酸 ： 脯 氨 酸 、 组 氨 酸3、 按 侧 基 R基 与 水 的 关 系 分 ： （ 1） 非 极 性 氨 基 酸 ： 有 甘 氨 酸 、 丙 氨 酸 、 缬

15、 氨 酸 、 亮 氨 酸 、异 亮 氨 酸 、 甲 硫 氨 酸 、 半 胱 氨 酸 、 苯 丙 氨 酸 、 色 氨 酸 、 酪氨 酸 、 脯 氨 酸 。（ 2） 极 性 不 带 电 氨 基 酸 ： 天 冬 酰 胺 、 谷 氨 酰 胺 、 丝 氨 酸 、苏 氨 酸 。（ 3） 极 性 带 电 氨 基 酸 ： 天 冬 氨 酸 、 谷 氨 酸 、 赖 氨 酸 、 精 氨酸 、 组 氨 酸 。 4、 按 氨 基 酸 是 否 能 在 人 体 内 合 成 分 ： （ 1） 必 需 氨 基 酸 ： 指 人 体 内 不 能 合 成 的 氨 基 酸 ， 必 须 从 食 物中 摄 取 ， 有 八 种 ： 赖 氨

16、酸 、 色 氨 酸 、 甲 硫 氨 酸 、 苯 丙 氨 酸 、缬 氨 酸 、 亮 氨 酸 、 异 亮 氨 酸 、 苏 氨 酸 。（ 2） 非 必 需 氨 基 酸 ： 指 人 体 内 可 以 合 成 的 氨 基 酸 。 有 十 种 。（ 3） 半 必 需 氨 基 酸 ： 指 人 体 内 可 以 合 成 但 合 成 量 不 能 满 足 人体 需 要 （ 特 别 是 婴 幼 儿 时 期 ） 的 氨 基 酸 ， 有 两 种 ： 组 氨 酸 、精 氨 酸 。 二 十 种 氨 基 酸 的 名 称 和 结 构 如 图 所 示 : 注：二十种氨基酸的结构特点支 链 氨 基 酸 ： 缬 氨 酸 、 亮 氨 酸

17、， 异 亮 氨 酸含 羟 基 的 氨 基 酸 ： 丝 氨 酸 、 苏 氨 酸含 硫 的 氨 基 酸 ： 半 胱 氨 酸 （ 含 巯 基 ） 、 甲 硫 氨 酸 （ 含 硫 甲 基 ）含 苯 环 的 氨 基 酸 ： 苯 丙 氨 酸 、 色 氨 酸 、 酪 氨 酸含 胍 基 的 氨 基 酸 ： 精 氨 酸含 咪 唑 基 的 氨 基 酸 ： 组 氨 酸亚 氨 基 酸 ： 脯 氨 酸含 酰 胺 的 氨 基 酸 ： 天 冬 酰 胺 、 谷 氨 酰 胺含 吲 哚 基 的 氨 基 酸 ： 色 氨 酸含 -氨 基 的 氨 基 酸 ： 赖 氨 酸 （ 四 ） 蛋 白 质 中 不 常 见 的 氨 基 酸羟 -脯

18、氨 酸 、 羟 -赖 氨 酸 、 r-羧 基 谷 氨 酸 、 6-氮 -甲 基 赖 氨 酸 （ 五 ） 非 蛋 白 氨 基 酸 鸟 氨 酸 、 胍 氨 酸 、 高 半 胱 氨 酸 、 高 丝 氨 酸 、-丙 氨 酸 、-氨 基 丁 酸 等 三 .氨 基 酸 的 理 化 性 质（ 一 ） 物 理 性 质1.形 态 ： 均 为 白 色 结 晶 或 粉 末 ， 不 同 氨 基 酸 的 晶 型 结 构不 同 。2.溶 解 性 ： 一 般 都 溶 于 水 ， 不 溶 或 微 溶 于 醇 ， 不 溶 于 丙酮 ， 在 稀 酸 和 稀 碱 中 溶 解 性 好 。3.熔 点 ： 氨 基 酸 的 熔 点 一 般

19、 都 比 较 高 ， 一 般 都 大 于 200 ，超 过 熔 点 以 上 氨 基 酸 分 解 产 生 胺 和 二 氧 化 碳 。 4.旋 光 性 ： 除 甘 氨 酸 外 的 氨 基 酸 均 有 旋 光 性 ， 含 手 性 碳 。5.光 吸 收 ： 氨 基 酸 在 可 见 光 范 围 内 无 光 吸 收 ， 在 近 紫 外区 含 苯 环 氨 基 酸 有 光 的 吸 收 。 （ 二 ） 化 学 性 质1.氨 基 酸 的 两 性 电 离 及 等 电 点 ： 氨 基 酸 既 含 有 氨 基 ， 可 接 受 H+， 又 含 有 羧 基 ， 可 电 离出 H+， 所 以 氨 基 酸 具 有 酸 碱 两

20、性 性 质 。 通 常 情 况 下 ， 氨基 酸 以 两 性 离 子 的 形 式 存 在 ， 如 下 图 所 示 ： 从 上 图 可 知 ： 氨 基 酸 在 酸 性 环 境 中 ， 主 要 以 阳 离 子 的 形式 存 在 ， 在 碱 性 环 境 中 ， 主 要 以 阴 离 子 的 形 式 存 在 。 在 某 一pH环 境 下 ， 以 两 性 离 子 （ 兼 性 离 子 ） 的 形 式 存 在 。 该 pH称 为该 氨 基 酸 的 等 电 点 。 所 以 氨 基 酸 的 等 电 点 可 以 定 义 为 ： 氨 基酸 所 带 正 负 电 荷 相 等 时 的 溶 液 pH。 氨 基 酸 的 水 溶

21、 液 既 可 被 酸 滴 定 ， 又 可 被 碱滴 定 ， 应 该 具 有 两 性 电 离 的 性 质 ， 现 以 甘 氨酸 为 例 来 说 明 氨 基 酸 两 性 电 离 的 特 点 。 左 图 是 甘 氨 酸 的 电 离 酸碱 滴 定 曲 线 ， 从 左 向 右 是用 NaOH滴 定 的 曲 线 ， 溶 液的 pH由 小 到 大 逐 渐 升 高 ；从 右 向 左 是 用 盐 酸 滴 定 的曲 线 ， 溶 液 的 pH由 大 到 小逐 渐 降 低 。 曲 线 中 从 左 向右 第 一 个 拐 点 是 氨 基 酸 羧基 解 离 50%的 状 态 ， 第 二个 拐 点 是 氨 基 酸 的 等 电

22、 点 ，第 三 个 拐 点 是 氨 基 酸 氨 基解 离 50%的 状 态 。 通 过 氨 基 酸 的 滴 定 曲 线 ， 可 用 下 列 Henderson-Hasselbalch 方 程 求 出 各 解 离 基 团 的 解 离 常 数 （ pK ） ： 根 据 pK 可 求 出 氨 基 酸 的 等 电 点 ， 可 由 其 等 电点 左 右 两 个 pK ， 值 的 算 术 平 均 值 求 出 。 中 性 氨 基 酸 ： pI=(pK 1 + pK 2)/2pK 1为 -羧 基 的 解 离 常 数 ,pK 2为 -氨 基 的 解 离 常 数 。氨 基 酸 等 电 点 的 计 算 二 十 种

23、氨 基 酸 的 pK， 及 等 电 点 ： 2.由 -氨 基 参 加 的 反 应 ： (1) 与 亚 硝 酸 反 应 ： 放 出 氮 气 ， 氮 气 的 一 半 来 自 氨 基氮 ， 一 半 来 自 亚 硝 酸 ， 在 通 常 情 况 下 测 定 生 成 的 氮 气的 体 积 量 可 计 算 氨 基 酸 的 量 ， 此 反 应 可 用 于 测 定 蛋 白质 的 水 解 程 度 。 (2) 与 甲 醛 的 反 应 ： 用 过 量 的 中 性 甲 醛 与 氨 基 酸 反 应 ， 可 游 离出 氢 离 子 ， 然 后 用 NaOH滴 定 ， 从 消 耗 的 碱 量 可 以 计 算 出 氨 基 酸的

24、含 量 。 此 法 称 为 间 接 滴 定 法 。 (3) 与 2,4-二 硝 基 氟 苯 （ 2,4-DNFB） 的 反 应 （ Sanger反 应 ） ： 生 成 黄 色 的 二 硝 基 苯 -氨 基 酸 衍 生 物 。(4) 与 苯 异 硫 氰 酸 酯 （ PITC） 反 应 （ Edman反 应 ） ： 生 成 苯 乙 内 酰 硫 脲 -氨 基 酸 。(5) 与 丹 磺 酰 氯 （ DNS-Cl） 的 反 应 ： 生 成 荧 光 物 质 DNS-氨 基 酸 。（ 3） 、 (4)、 (5)反 应 用 于 蛋 白 质 的 N-末 端 的 测 定 。 3. -羧 基 参 加 的 反 应 ：

25、 (1)与 碱 反 应 成 盐 (2)与 醇 反 应 成 酯 (3)与 酰 化 试 剂 反 应 成 酰 氯 4. -氨 基 与 -羧 基 共 同 参 加 的 反 应 -与 茚 三 酮 的 反 应：除 脯 氨 酸 与 羟 脯 氨 酸 外 ， 可 与 其 它 氨 基 酸 生 成 蓝 紫 色 化 合 物 。脯 氨 酸 与 羟 脯 氨 酸 为 黄 色 化 合 物 。 反应要点A.该反应由NH2与COOH共同参与，-氨基酸特有B.茚三酮是强氧化剂C.该反应非常灵敏，可在570nm测定吸光值D. 测定范围：0.550g/ml E.脯氨酸与茚三酮直接生成黄色物质，440nm测定（不释放NH3） ，谷氨酰胺和

26、天门冬酰胺与茚三酮直接生成棕色物质。应用：A.氨基酸定量分析（先用层析法分离）B.氨基酸自动分析仪： 用阳离子交换树脂，将样品中的氨基酸分离，自动定性定量，记录结果。 4. -氨 基 与 -羧 基 共 同 参 加 的 反 应 -与 茚 三 酮 的 反 应 4. -氨 基 与 -羧 基 共 同 参 加 的 反 应 -成 肽 反 应 (1) Millon反 应 ： 检 测 Tyr或 含 Tyr的 蛋 白 质 的 反 应 。 Millon试 剂 ： 汞 的 硝 酸 盐 与 亚 硝 酸 盐 溶 液 。 产 物 ： 红 色 的 化 合 物 。(2) Folin反 应 ： 检 测 Tyr或 含 Tyr的

27、蛋 白 质 的 反 应 。 Folin试 剂 ： 磷 钼 酸 、 磷 钨 酸 混 合 溶 液 。 产 物 ： 蓝 色 的 钼 蓝 、 钨 蓝 。(3) 坂 口 反 应 ： 检 测 Arg或 含 Arg的 蛋 白 质 的 反 应 。 坂 口 试 剂 ： 萘 酚 的 碱 性 次 溴 酸 钠 溶 液 。 产 物 ： 砖 红 色 的 沉 淀 。5.侧 链 反 应 （ 颜 色 反 应 ） ： (4) Pauly反 应 ： 检 测 His、 Tyr及 含 His、 Tyr蛋 白 质 的 反 应。试 剂 ： 对 氨 基 苯 磺 酸 盐 酸 溶 液 、 亚 硝 酸 钠 、 碳 酸 钠 混 合 溶 液产 物 ：

28、 橘 红 色 的 化 合 物 。(5) 乙 醛 酸 的 反 应 ： 检 测 Trp或 含 Trp蛋 白 质 的 反 应 。 当 Trp与 乙 醛 酸 和 浓 硫 酸 在 试 管 中 叠 加 时 ， 产 生 分 层 现 象 ，界 面 出 现 紫 色 环 。(6) Cys的 反 应 ： Cys或 含 Cys蛋 白 质 与 亚 硝 基 亚 铁 氰 酸 钠 在 稀氨 的 溶 液 中 ， 产 生 一 种 红 色 的 化 合 物 。 四 .氨 基 酸 的 分 离 测 定（ 一 ） 层 析 法 层 析 法 是 利 用 被 分 离 样 品 混 合 物 中 各 组 分的 化 学 性 质 的 差 异 ， 使 各

29、组 分 以 不 同 程 度 分 布在 两 个 相 中 ， 这 两 个 相 一 个 为 固 定 相 ， 另 一 个为 流 动 相 。 当 流 动 相 流 进 固 定 相 时 ， 由 于 各 组分 在 两 相 中 的 分 配 情 况 不 同 或 电 荷 分 布 不 同 或离 子 亲 和 力 不 同 等 ， 而 以 不 同 的 速 度 前 进 ， 从而 达 到 分 离 的 目 的 。 常 见 的 层 析 法 有 ： 滤 纸 层 析 、 薄 层 层 析 、 离 子 交 换 层 析 、 亲 和 层 析（ 二 ） 电 泳 法 电 泳 是 指 带 电 的 颗 粒 在 电 场 中 向 着 以 其 颗 粒 所带 电 荷 相 反 的 电 极 移 动 的 现 象 。 【 目 的 与 要 求 】 1.1 蛋 白 质 通 论 1.2 蛋 白 质 的 分 子 组 成 氨 基 酸