天津大學生物化學課件Lecture02AminoAcidsPeptide

1、第一章第一章 蛋白質(zhì)化學蛋白質(zhì)化學 氨基酸氨基酸 肽肽 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)的組成蛋白質(zhì)的組成 蛋白質(zhì)是生物體的細胞和組織的主要組成蛋白質(zhì)是生物體的細胞和組織的主要組成成分成分, 也是生物體形態(tài)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎也是生物體形態(tài)結(jié)構(gòu)的物質(zhì)基礎 催化生物體內(nèi)所有化學反應的酶，絕大多催化生物體內(nèi)所有化學反應的酶，絕大多數(shù)是蛋白質(zhì)數(shù)是蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)一般含碳蛋白質(zhì)一般含碳5055%, 氫氫68%, 氧氧2023%, 氮氮1518%, 硫硫04%, 有的還含有有的還含有磷、鐵、鋅、銅、鉬、碘等元素磷、鐵、鋅、銅、鉬、碘等元素蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 蛋白質(zhì)是由許多不同的蛋白質(zhì)是由許多不同的-氨基酸按一定的序列氨基酸按一定的

2、序列通過酰胺鍵縮合而成通過酰胺鍵縮合而成, 具有較穩(wěn)定的構(gòu)象并具有具有較穩(wěn)定的構(gòu)象并具有一定生物功能的生物大分子一定生物功能的生物大分子H2N HCCNHCHCHNOR1OR2HCCHN HCCOHR3ORnO天然氨基酸結(jié)構(gòu)天然氨基酸結(jié)構(gòu)CCOOHH2NRHside chain(側(cè)鏈側(cè)鏈)carboxylic group(羧基羧基)-hydrogen（-氫）氫）amino group(氨基氨基)-carbon-碳碳天然氨基酸兩種結(jié)構(gòu)形式天然氨基酸兩種結(jié)構(gòu)形式非離子形式非離子形式 兩性離子形式兩性離子形式Nonionic form Zwitterion formCCOOHH2NRHCCOO-H3

3、NRH二十種二十種標準標準氨基酸氨基酸(一一) 甘氨酸甘氨酸 丙氨酸丙氨酸 纈氨酸纈氨酸 亮氨酸亮氨酸 異亮氨酸異亮氨酸CCOO-H3NHHGlycine (Gly) GCCOO-H3NCH3HAlanine (Ala) ACCOO-H3NCHHValine (Val) VH3CCH3CCOO-H3NCH2HLeucine (Leu) LCHCH3H3CCCOO-H3NCHHIsoleucine (Ile) IH3CCH2CH3Aliphatic amino acids二十種二十種標準標準氨基酸氨基酸(二二) 絲氨酸絲氨酸 半胱氨酸半胱氨酸 蘇氨酸蘇氨酸 蛋氨酸蛋氨酸CCOO-H3NCH2HS

4、erine (Ser) SOHCCOO-H3NCH2HCysteine (Cys) CSHCCOO-H3NCHOHHThreonine (Thr) TCH3CCOO-H3NCH2HMethionine (Met) MCH2SCH3Amino acids with hydroxyl- or sulfur-containing side chains二十種二十種標準標準氨基酸氨基酸(三三) 苯丙氨酸苯丙氨酸 酪氨酸酪氨酸 色氨酸色氨酸 脯氨酸脯氨酸CCOO-H3NCH2HPhenylalanine (Phe) FCCOO-H3NCH2HTyrosine (Tyr) YCCOO-H3NCH2HTry

5、ptophan (Trp) WCCOO-H2NCH2HProline (Pro) POHNHH2CCH2Aromatic amino acidsCyclic amino acid二十種二十種標準標準氨基酸氨基酸(四四) 組氨酸組氨酸 賴氨酸賴氨酸 精氨酸精氨酸CCOO-H3NCH2HHistidine (His) HCCOO-H3NCH2HLysine (Lys) KCH2CCOO-H3NCH2HArginine (Arg) RCH2NHHNCH2CH2NH3CH2NHCNH2NH2Basic amino acids二十種二十種標準標準氨基酸氨基酸(五五)天冬氨酸天冬氨酸 谷氨酸谷氨酸 天冬酰

6、胺天冬酰胺 谷氨酰胺谷氨酰胺CCOO-H3NCH2HAspartic acid (Asp) DCCCOO-H3NCH2HGlutamic acid (Glu) ECH2CCOO-H3NCH2HAsparagine (Asn) NCCCOO-H3NCH2HGlutamine (Gln) QCH2COO-COO-ONH2Acidic amino acidsONH220種標準氨基酸的結(jié)構(gòu)特點小結(jié)種標準氨基酸的結(jié)構(gòu)特點小結(jié) 都是都是-氨基酸，都可看作是甘氨酸的衍生氨基酸，都可看作是甘氨酸的衍生物，不同的是側(cè)鏈物，不同的是側(cè)鏈；除了甘氨酸外，也都可；除了甘氨酸外，也都可看作是丙氨酸的衍生物看作是丙氨酸的

7、衍生物 只含有只含有C、H、O、N和和S五種元素五種元素 -氨基參與成環(huán)的只有脯氨酸氨基參與成環(huán)的只有脯氨酸CCOO-H2NCH2HH2CCH2Proline (Pro) P脯氨酸脯氨酸20種種標準標準氨基酸的名稱和縮寫氨基酸的名稱和縮寫(一一)中文名中文名英文名英文名三字縮寫三字縮寫單字縮單字縮寫寫絲氨酸絲氨酸SerineSerS半胱氨酸半胱氨酸CysteineCysC組氨酸組氨酸HistidineHisH纈氨酸纈氨酸ValineValV異亮氨酸異亮氨酸IsoleucineIleI蛋氨酸蛋氨酸MethionineMetM20種種標準標準氨基酸的名稱和縮寫氨基酸的名稱和縮寫(二二)中文名中文名

8、英文名英文名三字縮寫三字縮寫單字縮單字縮寫寫丙氨酸丙氨酸AlanineAlaA天冬氨酸天冬氨酸 Aspartic acidAspD天冬酰胺天冬酰胺 AsparagineAsnN精氨酸精氨酸ArginineArgR20種種標準標準氨基酸的名稱和縮寫氨基酸的名稱和縮寫(三三)中文名中文名英文名英文名三字縮三字縮寫寫單字縮單字縮寫寫甘氨酸甘氨酸GlycineGlyG谷氨酸谷氨酸Glutamic acidGluE谷氨酰胺谷氨酰胺 GlutamineGlnQ20種種標準標準氨基酸的名稱和縮寫氨基酸的名稱和縮寫(四四)中文名中文名英文名英文名三字縮三字縮寫寫單字縮寫單字縮寫蘇氨酸蘇氨酸ThreonineT

9、hrT色氨酸色氨酸TryptophanTrpW酪氨酸酪氨酸TyrosineTyrY20種種標準標準氨基酸的名稱和縮寫氨基酸的名稱和縮寫(五五)中文名中文名英文名英文名三字縮三字縮寫寫單字縮單字縮寫寫亮氨酸亮氨酸LeucineLeuL賴氨酸賴氨酸LysineLysK脯氨酸脯氨酸ProlineProP苯丙氨酸苯丙氨酸 PhenylalaninePheF20種種標準標準氨基酸的名稱和縮寫氨基酸的名稱和縮寫(六六) 單字縮寫未用的六個字母單字縮寫未用的六個字母 B J O U X ZJOB ZUX在蛋白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的非標準氨基酸在蛋白質(zhì)中發(fā)現(xiàn)的非標準氨基酸HNH2CCCH2CCOOHHHOHCH3NHCO

10、OHCH2CHCNCHNHH3CCH3NHCOOHCH2CHHOOCCOOHCH3NHCOOHCH2OPO3H24-Hydroxyproline 3-Methylhistidine -Carboxyglutamic Phosphotyrosine都可看作標準氨基酸的修飾物都可看作標準氨基酸的修飾物在蛋白質(zhì)中未發(fā)現(xiàn)的氨基酸在蛋白質(zhì)中未發(fā)現(xiàn)的氨基酸CH2COOHCH2NH3CH2COOHCH2CH2NH3CCOOHCH2CH2CH2H3NHNH3CCOOHCH2CH2CH2H3NHNHH2NO -Alanine -Aminobutyric acidOrnithineCitrulline鳥氨酸鳥氨酸

11、 瓜氨酸瓜氨酸Urey-Miller experimentMiller, S. L., et al. Science 117, 528 (1953)CH4 NH3 H2O H2aminoacidUrey-Miller experiment resultsThe two-dimensional paper chromatogram of the amino acids produced from the sparkingexperiment. spots. 1 = Aspartic acid; 2 = glycine; 3 = -alanine; 4 = -alanine; and 5 = -a

12、mino-n-butyricacid. Spots labeled A and B where not identified. Miller, S. L., et al. Science 117, 528 (1953)手性The Mirror of Venus (1898), Sir Edward Burne-Jones/Museu Calouste Gulbenkian Lisbon/The Bridgeman Art Library氨基酸的手性氨基酸的手性 L-甘油醛甘油醛 D-甘油醛甘油醛 L-絲氨酸絲氨酸 D-絲氨酸絲氨酸CHOHCHOCH2OHCHOHCHOCH2OHCH2NHCOO

13、HCH2OHCHNH2COOHCH2OH表示手性分子的表示手性分子的(R,S)系統(tǒng)系統(tǒng)CHHOCHOCH2OHOHOHCCH2OHHL-Glyceraldehyde(S)-GlyceraldehydeCOHHCHOCH2OHOHHOH2CCHOHD-Glyceraldehyde(R)-Glyceraldehyde氨基酸的氨基酸的(R,S)系統(tǒng)表示系統(tǒng)表示CHH3NCOO-CH3NH3-OOCCH3HL-Alanine(S)-AlanineCHH3NCOO-CH2SHNH3-OOCCH2SHHL-Cysteine(R)-Cysteine20種種標準標準氨基酸的手性小結(jié)氨基酸的手性小結(jié) 構(gòu)成生命體

14、中蛋白質(zhì)的構(gòu)成生命體中蛋白質(zhì)的20種種標準標準氨基酸除甘氨酸外都具有手性，氨基酸除甘氨酸外都具有手性，而且而且-碳均為碳均為L-構(gòu)型構(gòu)型(除半胱氨酸除半胱氨酸外，又都為外，又都為S-構(gòu)型）構(gòu)型） 哥德巴赫猜想哥德巴赫猜想：任何大于任何大于4的偶數(shù)的偶數(shù)都可表示為兩個素數(shù)之和。都可表示為兩個素數(shù)之和。來自隕石的氨基酸來自隕石的氨基酸Amino acids found in Murchison meteorite, which struck the Earth on September 28, 1969, near Murchison, Australia. These amino acids h

15、ave an L-enantiomeric excess of 2-9%. Cronin, J. R. & Pizzarello, S. Enantiomeric excesses in meteoritic amino acids. Science 275, 951-955 (1997)CH3CH2CHCCOOHNH3H3CH3C2-amino-2,3-dimethyl-pentanoic acidCH3CH2CCOOHNH3H3CCH2CH2CCOOHNH3H3CCH3Isovaline -Methynorvaline氨基酸的手性放大氨基酸的手性放大D-PheL-Phe (1% e

16、e)水溶液水溶液緩慢蒸發(fā)緩慢蒸發(fā)D-PheL-Phe (40% ee)溶液溶液D-PheL-Phe消旋晶體消旋晶體D-PheL-Phe (90% ee)溶液溶液緩慢蒸發(fā)緩慢蒸發(fā)Breslow, R. & Levine, M. R. PNAS 103, 12979-12980 (2006).氨基酸的性質(zhì)氨基酸的性質(zhì) 理化性質(zhì)理化性質(zhì) 等電點等電點 光譜性質(zhì)光譜性質(zhì) 檢測檢測氨基酸的重要理化性質(zhì)氨基酸的重要理化性質(zhì) -氨基酸為無色晶體氨基酸為無色晶體, 熔點極高熔點極高, 一般在一般在200C以上。以上。 溶于水、稀酸和稀堿溶于水、稀酸和稀堿, 但不溶于有機溶劑，但不溶于有機溶劑，因此通常

17、可用酒精把氨基酸從溶液中沉淀因此通常可用酒精把氨基酸從溶液中沉淀出來。出來。 氨基酸是兩性電解質(zhì)氨基酸是兩性電解質(zhì)氨基酸的酸堿平衡氨基酸的酸堿平衡 K1-OHH+ K2-OHH+CHCOOHNH3RCHCOO-NH3RCHCOO-NH2RHenderson-Hasselbalch EquationH+ + A-Ka = H+ A- / HApH = pKa + lg(A- / HA)HA甘氨酸的滴定曲線甘氨酸的滴定曲線H3NCH2COOHH3NCH2COO-H2NCH2COO-pK1pK2-H+-H+H+H+組氨酸的滴定曲線組氨酸的滴定曲線二十種二十種標準標準氨基酸氨基酸(四四) 組氨酸組氨酸

18、 賴氨酸賴氨酸 精氨酸精氨酸CCOO-H3NCH2HHistidine (His) HCCOO-H3NCH2HLysine (Lys) KCH2CCOO-H3NCH2HArginine (Arg) RCH2NHHNCH2CH2NH3CH2NHCNH2NH2Basic amino acids二十種二十種標準標準氨基酸氨基酸(五五)天冬氨酸天冬氨酸 谷氨酸谷氨酸 天冬酰胺天冬酰胺 谷氨酰胺谷氨酰胺CCOO-H3NCH2HAspartic acid (Asp) DCCCOO-H3NCH2HGlutamic acid (Glu) ECH2CCOO-H3NCH2HAsparagine (Asn) NCC

19、COO-H3NCH2HGlutamine (Gln) QCH2COO-COO-ONH2Acidic amino acidsONH2氨基酸的等電點氨基酸的等電點 當調(diào)節(jié)氨基酸溶液的當調(diào)節(jié)氨基酸溶液的pH，使氨基，使氨基酸所帶凈電荷為零，在電場中既酸所帶凈電荷為零，在電場中既不向陰極移動也不向陽極移動，不向陰極移動也不向陽極移動，此時氨基酸溶液的此時氨基酸溶液的pH值稱為該氨值稱為該氨基酸的等電點，以符號基酸的等電點，以符號pI表示表示 氨基酸的等電點可由其分子上解氨基酸的等電點可由其分子上解離基團的解離常數(shù)來計算離基團的解離常數(shù)來計算丙氨酸的等電點丙氨酸的等電點等電點的等電點的pH值值 pI =

20、 (pK1 + pK2)/2 = (2.34 + 9.69)/2 = 6.02 K1-OHH+ K2-OHH+CHCOOHNH3CH3CHCOO-NH3CH3CHCOO-NH2CH3天冬氨酸的等電點天冬氨酸的等電點 K1-OHH+ K2-OHH+CHCOOHNH3CH2CHCOO-NH3CH2CHCOO-NH3CH2COOHCOOHCOO-CHCOO-NH2CH2COO- K3-OHH+pI = (pK1 + pK2)/2 =(1.88 + 3.65)/2 = 2.77賴氨酸的等電點賴氨酸的等電點pI = (pK2 + pK3)/2 =(8.95 + 10.53)/2 = 9.74 K1-OH

21、H+ K2-OHH+CHCOOHNH3(CH2)4CHCOO-NH3(CH2)4CHCOO-NH2(CH2)4NH3NH3NH3CHCOO-NH2(CH2)4NH2 K3-OHH+等電點的應用等電點的應用 在等電點時，氨基酸的溶解度最在等電點時，氨基酸的溶解度最小，容易沉淀，此性質(zhì)可用于分小，容易沉淀，此性質(zhì)可用于分離及制備某些氨基酸離及制備某些氨基酸 各種氨基酸的等電點不同，可以各種氨基酸的等電點不同，可以通過電泳法、離子交換法進行氨通過電泳法、離子交換法進行氨基酸混合物的分離或制備基酸混合物的分離或制備各種氨基酸在各種氨基酸在25時時pI近似值近似值氨基酸氨基酸pI氨基酸氨基酸pI氨基酸氨

22、基酸pI甘氨酸甘氨酸5.97半胱氨酸半胱氨酸5.07精氨酸精氨酸10.76丙氨酸丙氨酸6.0蛋氨酸蛋氨酸5.74苯丙氨酸苯丙氨酸 5.48纈氨酸纈氨酸5.96天冬氨酸天冬氨酸2.77酪氨酸酪氨酸5.66亮氨酸亮氨酸5.98天冬酰胺天冬酰胺5.41色氨酸色氨酸5.89異亮氨酸異亮氨酸6.02谷氨酸谷氨酸3.22組氨酸組氨酸7.59絲氨酸絲氨酸5.68谷氨酰胺谷氨酰胺5.65脯氨酸脯氨酸6.30蘇氨酸蘇氨酸6.18賴氨酸賴氨酸9.74羥脯氨酸羥脯氨酸 5.83氨基酸的光譜性質(zhì)氨基酸的光譜性質(zhì)-紅外、紫外紅外、紫外 氨基酸在可見光區(qū)無吸收，幾個氨基酸在氨基酸在可見光區(qū)無吸收，幾個氨基酸在紫外區(qū)有吸收

23、，所有氨基酸在紅外區(qū)都有紫外區(qū)有吸收，所有氨基酸在紅外區(qū)都有吸收吸收 只有芳香氨基酸如苯丙氨酸，色氨酸和酪只有芳香氨基酸如苯丙氨酸，色氨酸和酪氨酸在氨酸在250nm以上有吸收以上有吸收 芳香氨基酸還展示弱的熒光，尤其是色氨芳香氨基酸還展示弱的熒光，尤其是色氨酸能發(fā)出磷光酸能發(fā)出磷光芳香氨基酸的紫外光譜芳香氨基酸的紫外光譜纈氨酸的氫譜纈氨酸的氫譜H3NCCOOHHCHCH3H3Caabcdabcd苯丙氨酸的氫譜苯丙氨酸的氫譜H3NCCOOHHCH2C6H5abcdabcd氨基酸混合物的分離和分析氨基酸混合物的分離和分析 根據(jù)氨基酸不同的物理和化學性質(zhì)，特別根據(jù)氨基酸不同的物理和化學性質(zhì)，特別是離

24、子化行為和溶解度方面的差異，可以是離子化行為和溶解度方面的差異，可以建立不同的分析分離方法建立不同的分析分離方法 氨基酸的色譜分離分析，就是根據(jù)氨基酸氨基酸的色譜分離分析，就是根據(jù)氨基酸在兩相中的分配系數(shù)不同，使其在兩相中在兩相中的分配系數(shù)不同，使其在兩相中反復分配從而達到分離分析的目的，最常反復分配從而達到分離分析的目的，最常用的是高壓液相色譜（用的是高壓液相色譜（HPLC）色譜柱分離氨基酸色譜柱分離氨基酸離子交換色譜離子交換色譜SO-OOO CH2O-OStrongly acidic, polystyrene resin(Dowex-50)Weakly acidic, carboxymethyl(CM) celluloseCation exchange mediaCH2NCH3CH3CH3O CH2CH2NCH2CH3HCH2CH3Strong basic, polystyrene resin(Dowex-1)Weakly basic, diethylaminoethyl(DEAE) celluloseAnion exchange media離子交換柱分析氨基酸離子交換柱分析氨基酸Ion exchange column: Ambe