氨基酸結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

生物化學(xué),氨基酸結(jié)構(gòu)與性質(zhì),1.掌握蛋白質(zhì)的基本構(gòu)成單體：氨基酸的結(jié)構(gòu) 特點(diǎn)，從各氨基酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)上理解氨基酸 的分類。2.掌握氨基酸的理化性質(zhì)，重點(diǎn)掌握兩性電離 與等電點(diǎn)含義。3 氨基酸的化學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用,目的與要求,蛋白質(zhì)的元素組成,蛋白質(zhì)是有機(jī)化合物，離不開(kāi)C、H、O三種元素，還含有N、P、S、金屬元素等。,含量% ： 5055 67 2023 1517 0.33 微量或無(wú),元素組成 ： C H O N S 其它,蛋白質(zhì)中N是特征元素，且含量恒定，為16%左右 ，即16克氮/100克蛋白質(zhì)，故可以用定氮法測(cè)量蛋白質(zhì)含量，即：每100克蛋白質(zhì)含氮16克，100/16=6.25克蛋白質(zhì)含氮1克。所以，每克樣品含氮量6.25100=100克樣品蛋白質(zhì)含量（克%）。,有些蛋白質(zhì)含有其他微量元素：P、Fe、Cu、Mn、Zn、Co、Mo、I 等。,一 蛋白質(zhì)的水解,1.酸水解,條件：510倍的20%的鹽酸煮沸回流1624小時(shí)，或加壓于120水解2小時(shí)。,優(yōu)點(diǎn)：可蒸發(fā)除去鹽酸，水解徹底，終產(chǎn)物為L(zhǎng)-氨基酸，產(chǎn)物單一，無(wú)消旋現(xiàn)象。,缺點(diǎn)：色氨酸破壞，并產(chǎn)生一種黑色的物質(zhì)：腐黑質(zhì)，水解液呈黑色。,2. 堿水解,條件：4mol/L Ba(OH)2或6mol/L NaOH煮沸6小時(shí)。,優(yōu)點(diǎn)：水解徹底，色氨酸不被破壞，水解液清亮。,缺點(diǎn)：產(chǎn)生消旋產(chǎn)物，破壞的氨基酸多，一般很少使用。,3. 蛋白酶水解,條件：蛋白酶如胰蛋白酶、糜蛋白酶，常溫3740， pH值58 。,優(yōu)點(diǎn)：氨基酸不被破壞，不發(fā)生消旋現(xiàn)象。,缺點(diǎn)：水解不完全，中間產(chǎn)物多。,蛋白質(zhì)酸堿水解常用于蛋白質(zhì)的組成分析，而酶水解用于制備蛋白質(zhì)水解產(chǎn)物。,二、蛋白質(zhì)分子的基本組成單位氨基酸,（一）氨基酸的結(jié)構(gòu)通式：,1、構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸均為L(zhǎng)-氨基酸。2、除R為H（甘氨酸）外，其余氨基酸均具有旋光性。3、各種氨基酸的區(qū)別在于側(cè)基R基上。,從氨基酸的結(jié)構(gòu)通式可以看出：,（二）氨基酸的構(gòu)型：,構(gòu)成蛋白質(zhì)的氨基酸除甘氨酸外，均含有-碳原子，在空間各原子有兩種排列方式：L-構(gòu)型與D-構(gòu)型，它們的關(guān)系就像左右手的關(guān)系，互為鏡像關(guān)系，下圖以丙氨酸為例：,（三）氨基酸的結(jié)構(gòu)與分類,1、按氨基酸分子中羧基與氨基的數(shù)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）堿性氨基酸：二氨基一羧基氨基酸 ，有：賴氨酸、精氨酸、組氨酸（3）中性氨基酸：一氨基一羧基氨基酸，有：甘氨酸、丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、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、絲氨酸、蘇氨酸。,2、按側(cè)基R基的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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）雜環(huán)氨基酸：脯氨酸、組氨酸,3、按側(cè)基R基與水的關(guān)系分：,（1）非極性氨基酸：有丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、甲硫氨酸、半胱氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、酪氨酸、脯氨酸。（2）極性不帶電氨基酸：甘氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、絲氨酸、蘇氨酸。（3）極性帶電氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸、賴氨酸、精氨酸、組氨酸。,4、按氨基酸是否能在人體內(nèi)合成分：,（1）必需氨基酸：指人體內(nèi)不能合成的氨基酸，必須從食物中攝取，有八種：賴氨酸、色氨酸、甲硫氨酸、苯丙氨酸、纈氨酸、亮氨酸、異亮氨酸、蘇氨酸。（2）非必需氨基酸：指人體內(nèi)可以合成的氨基酸。有十種。（3）半必需氨基酸：指人體內(nèi)可以合成但合成量不能滿足人體需要（特別是嬰幼兒時(shí)期）的氨基酸，有兩種：組氨酸、精氨酸。,二十種氨基酸的名稱和結(jié)構(gòu)如圖所示:,注：二十種氨基酸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)支鏈氨基酸：纈氨酸、亮氨酸，異亮氨酸含羥基的氨基酸：絲氨酸、蘇氨酸含硫的氨基酸：半胱氨酸（含巰基）、 甲硫氨酸（含硫甲基）含苯環(huán)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：組氨酸亞氨基酸：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：賴氨酸,（四）蛋白質(zhì)中不常見(jiàn)的氨基酸,羥-脯氨酸、羥-賴氨酸、-羧基谷氨酸、6-氮-甲基賴氨酸,（五）非蛋白氨基酸,鳥(niǎo)氨酸、胍氨酸、高半胱氨酸、高絲氨酸、-丙氨酸、-氨基丁酸等,三.氨基酸的理化性質(zhì),（一）物理性質(zhì),1.形態(tài)：均為白色結(jié)晶或粉末，不同氨基酸的晶型結(jié)構(gòu)不同。2.溶解性：一般都溶于水，不溶或微溶于醇，不溶于丙酮，在稀酸和稀堿中溶解性好。3.熔點(diǎn)：氨基酸的熔點(diǎn)一般都比較高，一般都大于200，超過(guò)熔點(diǎn)以上氨基酸分解產(chǎn)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。5.光吸收：氨基酸在可見(jiàn)光范圍內(nèi)無(wú)光吸收，在近紫外區(qū)含苯環(huán)氨基酸有光的吸收。,（二）化學(xué)性質(zhì),1.氨基酸的兩性電離及等電點(diǎn)：,氨基酸既含有氨基，可接受H+，又含有羧基，可電離出H+，所以氨基酸具有酸堿兩性性質(zhì)。通常情況下，氨基酸以兩性離子的形式存在，如下圖所示：,從上圖可知：氨基酸在酸性環(huán)境中，主要以陽(yáng)離子的形式存在，在堿性環(huán)境中，主要以陰離子的形式存在。在某一pH環(huán)境下，以兩性離子（兼性離子）的形式存在。該pH稱為該氨基酸的等電點(diǎn)。所以氨基酸的等電點(diǎn)可以定義為：氨基酸所帶正負(fù)電荷相等時(shí)的溶液pH。,氨基酸的水溶液既可被酸滴定，又可被堿滴定，應(yīng)該具有兩性電離的性質(zhì)，現(xiàn)以甘氨酸為例來(lái)說(shuō)明氨基酸兩性電離的特點(diǎn)。,左圖是甘氨酸的電離酸堿滴定曲線，從左向右是用NaOH滴定的曲線，溶液的pH由小到大逐漸升高；從右向左是用鹽酸滴定的曲線，溶液的pH由大到小逐漸降低。曲線中從左向右第一個(gè)拐點(diǎn)是氨基酸羧基解離50%的狀態(tài)，第二個(gè)拐點(diǎn)是氨基酸的等電點(diǎn)，第三個(gè)拐點(diǎn)是氨基酸氨基解離50%的狀態(tài)。,通過(guò)氨基酸的滴定曲線，可用下列 Henderson-Hasselbalch 方程求出各解離基團(tuán)的解離常數(shù)（pK）：,根據(jù)pK可求出氨基酸的等電點(diǎn)，可由其等電點(diǎn)左右兩個(gè)pK，值的算術(shù)平均值求出。,中性氨基酸：,pI=(pK1 + pK2)/2,pK1為-羧基的解 離常數(shù),pK2為-氨基的解 離常數(shù)。,氨基酸等電點(diǎn)的計(jì)算,二十種氨基酸的pK，及等電點(diǎn)：,2.由-氨基參加的反應(yīng)：,(1) 與亞硝酸反應(yīng)：放出氮?dú)?，氮?dú)獾囊话雭?lái)自氨基氮，一半來(lái)自亞硝酸，在通常情況下測(cè)定生成的氮?dú)獾捏w積量可計(jì)算氨基酸的量，此反應(yīng)可用于測(cè)定蛋白質(zhì)的水解程度。,(2) 與甲醛的反應(yīng)：用過(guò)量的中性甲醛與氨基酸反應(yīng)，可游離出氫離子，然后用NaOH滴定，從消耗的堿量可以計(jì)算出氨基酸的含量。此法稱為間接滴定法。,(3) 與2,4-二硝基氟苯（2,4-DNFB）的反應(yīng)（Sanger反應(yīng)）：在堿性條件下生成黃色的二硝基苯-氨基酸衍生物。,(4) 與苯異硫氰酸酯（PITC）反應(yīng)（Edman反應(yīng)）：生成苯乙內(nèi)酰硫脲-氨基酸。,(5) 與丹磺酰氯（DNS-Cl）的反應(yīng)：堿性環(huán)境生成熒光物質(zhì)DNS-氨基酸。,（3）、(4)、(5)反應(yīng)用于蛋白質(zhì)的N-末端的測(cè)定。,3.-羧基參加的反應(yīng)： (1)與堿反應(yīng)成鹽 (2)與醇反應(yīng)成酯 (3)與酰化試劑反應(yīng)成酰氯,4.-氨基與-羧基共同參加的反應(yīng) 與茚三酮的反應(yīng)：除脯氨酸與羥脯氨酸外，可與其它氨基酸生成藍(lán)紫色化合物。脯氨酸與羥脯氨酸為黃色化合物。,(1)Millon反應(yīng)：檢測(cè)Tyr或含Tyr的蛋白質(zhì)的反應(yīng)。 Millon試劑：汞的硝酸鹽與亞硝酸鹽溶液。 產(chǎn)物：紅色的化合物。(2)Folin反應(yīng)：檢測(cè)Tyr或含Tyr的蛋白質(zhì)的反應(yīng)。 Folin試劑：磷鉬酸、磷鎢酸混合溶液。 產(chǎn)物：藍(lán)色的鉬藍(lán)、鎢藍(lán)。(3)坂口反應(yīng)：檢測(cè)Arg或含Arg的蛋白質(zhì)的反應(yīng)。 坂口試劑：萘酚的堿性次溴酸鈉溶液。 產(chǎn)物：磚紅色的沉淀。,5.側(cè)鏈反應(yīng)（顏色反應(yīng)）：,(4)Pauly反應(yīng)：檢測(cè)His、Tyr及含His、Tyr蛋白質(zhì)的反應(yīng)。試劑：對(duì)氨基苯磺酸鹽酸溶液、亞硝酸鈉、碳酸鈉混合溶液產(chǎn)物：橘紅色的化合物。(5) 乙醛酸的反應(yīng)：檢測(cè)Trp或含Trp蛋白質(zhì)的反應(yīng)。 當(dāng)Trp與乙醛酸和濃硫酸在試管中疊加時(shí)，產(chǎn)生分層現(xiàn)象，界面出現(xiàn)紫色環(huán)。(6) Cys的反應(yīng)：Cys或含Cys蛋白質(zhì)與亞硝基亞鐵氰酸鈉在稀氨的溶液中，產(chǎn)生一種紅色的化合物。,四.氨基酸的分離測(cè)定,（一）層析法,層析法是利用被分離樣品混合物中