蛋白質的基本組件

關于蛋白質的基本組件第一講蛋白質的基本組件氨基酸的結構氨基酸的分類氨基酸的物理性質氨基酸的化學性質氨基酸的代謝合成肽單位與肽鏈第2頁,共72頁，2024年2月25日，星期天關于組成蛋白質的氨基酸結構，正確的說法是：

()A,在α-碳原子上都結合有氨基或亞氨基B,所有的α-碳原子都是不對稱碳原子C,組成人體的氨基酸除一種外都是L型D,脯氨酸是唯一的一種亞氨基酸E,不同氨基酸的R基團大部分都是相同的A,C,D第3頁,共72頁，2024年2月25日，星期天一、-氨基酸的基本結構分子中既有氨基又有羧基的化合物叫氨基酸。天然存在的氨基酸有300余種，但組成蛋白質的氨基酸僅有20種，都是-氨基酸。其中苯丙氨酸、色氨酸、賴氨酸、蛋氨酸、纈氨酸、蘇氨酸、亮氨酸、異亮氨酸八種氨基酸人體不能自身合成，

需要從食物中攝取。

本講主要討論-氨基酸。1.結構

-氨基酸是羧酸分子中烴基上的-H原子被-NH2取代得到的衍生物，其結構通式為：具有

-氨基和

-羧基是各種氨基酸的共性。各種氨基酸在結構上的差異主要是其側鏈基團R的不同。第4頁,共72頁，2024年2月25日，星期天COO-Rgroup氨基羧基L-FormAminoAcidaH=GlycineCH3=AlanineHN3+HJuangRH(2003)Biochemistry第5頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2.命名氨基酸的命名與其它取代酸相似，以羧酸為母體，將-NH2看作取代基即可。由于眾多的氨基酸都來自各種蛋白質，因此，大都有俗名。

甘氨酸-氨基乙酸-氨基丙酸丙氨酸纈氨酸3-甲基-2-氨基丁酸亮氨酸4-甲基-2-氨基戊酸異亮氨酸3-甲基-2-氨基戊酸第6頁,共72頁，2024年2月25日，星期天絲氨酸蘇氨酸半胱氨酸蛋氨酸2-氨基-3-羥基丙酸2-氨基-3-羥基丁酸2-氨基-3-巰基丙酸2-氨基-4-甲硫基丁酸天冬氨酸谷氨酸2-氨基丁二酸2-氨基戊二酸第7頁,共72頁，2024年2月25日，星期天賴氨酸精氨酸2,6-二氨基己酸2-氨基-5-胍基戊酸脯氨酸色氨酸組氨酸吡咯啶2-甲酸3-(-吲哚基)-2-氨基丙酸3-(5’-咪唑基)-2-氨基丙酸苯丙氨酸3-苯基-2-氨基丙酸酪氨酸3-對羥苯基-2-氨基丙酸第8頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

3.-氨基酸的構型

構型(configuration)是一個分子中原子的特定空間排布，當一種構型改變?yōu)榱砗头N構型時必須有共價鍵的斷裂和重新形成。不同構型分子間除鏡面操作外不能以任何方式重合。組成蛋白質的氨基酸除甘氨酸外，其它氨基酸分子中碳原子均為手性碳原子，因此都具有旋光性。大多數(shù)-氨基酸都只有一個手性碳原子，其構型一般用D/L法來標記。若有兩個或更多的手性碳原子，則以距羧基最近的手性碳原子為基準來標記其構型。

自然界存在的氨基酸大多為L-型。動物體內的酶只對L-氨基酸代謝，而對D-氨基酸不起作用。第9頁,共72頁，2024年2月25日，星期天氨基酸有鏡像異構體aa鏡像化性相同、物性(旋光度)不同立體構造不同(算是異構體)

返回地球上的生物大都采用L-form氨基酸。幾年前分析一顆外層空間來的隕石，發(fā)現(xiàn)其中的L-form氨基酸的比例大于D-form者，令人推想地球上的生物使用L-form氨基酸可能有其原因。第10頁,共72頁，2024年2月25日，星期天以H為頂點，沿H→Cα鍵方向觀察各組成基團的投影，如果順時針方向能得到“CORN”的就是L-型分子；不能則為D-型。第11頁,共72頁，2024年2月25日，星期天優(yōu)勢構象與旋轉異構體構象(conformation)是指組成分子的原子或基團繞單鍵旋轉而形成的不同空間排布。 顯然，一種構象轉變?yōu)榱硪环N構象不要求有共價鍵的斷裂和重新形成，在化學上也難以區(qū)分和分離。 對兩個四面體配位的碳原子，“交錯構象”(staggedconfromation)是能量上最有利的排布，其一個碳原子的取代基正好處于另一個碳原子的兩個取代基之間。側鏈中的每一個這種C原子，都有三種交錯構象，它們彼此以120°旋轉相關。 對已精確測定的蛋白質結構的分析顯示，大多數(shù)氨基酸殘基的側鏈都有一種或少數(shù)幾種交錯構象作為優(yōu)勢構象最經常出現(xiàn)在天然蛋白質中，稱為旋轉異構體(rotamer)。目前，在國際上已經收集這些優(yōu)勢構象，建立旋轉異構體庫，作為一種基本工具應用于蛋白質結構的計算機模型構建中。

第12頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第13頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第一講蛋白質的基本組件氨基酸的結構氨基酸的分類氨基酸的物理性質氨基酸的化學性質氨基酸的代謝合成肽單位與肽鏈第14頁,共72頁，2024年2月25日，星期天二、氨基酸的分類各種氨基酸所不同者在于側鏈，分類也是以此為據(jù)。氨基酸的分類方式很多，可以按它們的極性和帶電荷的性質分類，也可按它們側鏈基團的結構分類。以下是幾種常用的分類方式：（1）根據(jù)氨基酸分子中烴基的不同可分為脂肪氨基酸、芳香氨基酸和雜環(huán)氨基酸。脂肪氨基酸芳香氨基酸雜環(huán)氨基酸第15頁,共72頁，2024年2月25日，星期天GlyAlaValLeuIlePheTyrTrpCysMetSS各式氨基酸的大小樣式齊全第16頁,共72頁，2024年2月25日，星期天--+++SS有大有小有正有負有極性非極性

形形色色的氨基酸側基返回第17頁,共72頁，2024年2月25日，星期天脂肪氨基酸第18頁,共72頁，2024年2月25日，星期天芳香氨基酸第19頁,共72頁，2024年2月25日，星期天雜環(huán)氨基酸第20頁,共72頁，2024年2月25日，星期天（2）根據(jù)氨基和羧基的相對位置不同可分為-氨基酸、-氨基酸和-氨基酸。-氨基酸-氨基酸-氨基酸

組成蛋白質的氨基酸主要是-氨基酸。（3）根據(jù)氨基與羧基的相對數(shù)目不同可分為中性氨基酸、酸性氨基酸和堿性氨基酸。中性氨基酸堿性氨基酸酸性氨基酸中性氨基酸并非一定為中性物質，這里的中性是指氨基酸分子中氨基與羧基的數(shù)目相等。第21頁,共72頁，2024年2月25日，星期天返回第22頁,共72頁，2024年2月25日，星期天（4）根據(jù)側鏈基團極性的不同可分為疏水氨基酸和極性氨基酸兩類；后者又可據(jù)帶電性的不同分為不帶電和帶電兩類。帶電氨基酸第23頁,共72頁，2024年2月25日，星期天極性氨基酸第24頁,共72頁，2024年2月25日，星期天疏水氨基酸第25頁,共72頁，2024年2月25日，星期天疏水氨基酸殘基的側鏈一般沒有化學反應性，其共同的特性是疏于與水相互作用，趨于彼此間或與其他非極性原子相互作用，這種疏水相互作用是多肽鏈折疊的原初推動力。所有蛋白質分子都有一部分這類殘基密堆積在內部，形成疏水內核，這也是穩(wěn)定蛋白質三維結構的主要因素。第26頁,共72頁，2024年2月25日，星期天POLARNON-POLARTyrHisGlyAcidicNeutralBasicAspGluGlnCysAsnSerThrLysArgAlaValIleLeuMetPheTrpPro氨基酸的極性分類『極性或非極性，是蛋白質性質之所系?！籎uangRH(2003)Biochemistry比較難以分類的氨基酸(如Tyr,Gly,His)，其性質就比較模糊，但也各有其存在目的，而且經常有相當重要的角色。第27頁,共72頁，2024年2月25日，星期天氨基酸側鏈的幾個要點Usefulnotesonsidechainproperties:HisistheonlysidechainthattitratesnearphysiologicalpH.H組氨酸的咪唑基pK值接近于中性，在生理條件下組氨酸常處于可逆的解離狀態(tài)，并往往能和Fe2+等金屬離子形成配位化合物。見教材P20-30第28頁,共72頁，2024年2月25日，星期天2) LysandArgarepositivelycharged(basic)atphysiologicalpH. Lys和Arg帶有堿性的側鏈基團，此基團在pH9以下處于正電狀態(tài)。Lys側鏈上的氨基很容易發(fā)生?；?、烷化、芳基化和咪基化等反應。Arg側鏈由3個非極性的甲基和一個強堿性的δ

胍基構成，pKa值約為12。其胍基在天然蛋白質存在的整個pH范圍都是解離的。KR第29頁,共72頁，2024年2月25日，星期天AspandGluarenegativelycharged(acidic)atphysiologicalpH.

其側鏈羥基的pKa值分別為3.9和4.3，故在生理條件下離解為電負性基團，它們也可整合金屬離子。它們側鏈相差一個-CH3，使它們對主鏈的相互作用有不同的趨向性，從而對肽鏈的構象和化學反應都有顯著不同的影響。DE第30頁,共72頁，2024年2月25日，星期天AsnandGlnresemblebackbonepeptide.

既是H+的供體，又是H+的受體，這種特性與蛋白質的結構和功能有重要聯(lián)系。NQ第31頁,共72頁，2024年2月25日，星期天ProhasstrongerstereochemicalconstraintsthananyotherresiduewithonlyonevariablebackboneangleanditlacksthenormalbackboneNHforhydrogenbonding.Pisactuallyquitesoluble,althoughitisusuallyclassifiedasahydrophobicresidue. 亞氨基酸Pro是構造最不一樣的氨基酸，它的側基含有三個碳，由

-碳出發(fā)后，回去與旁邊的氮原子結合，形成一個五元環(huán)，對N-C

的旋轉形成制約，使蛋白質的長鏈必須轉折成固定角度；因此在蛋白質的構象上，有非常重要的影響力，遇有Pro必出現(xiàn)劇烈轉折。P劇烈轉折Pro第32頁,共72頁，2024年2月25日，星期天Glyhasthesmallestsidechain,itisoftenrequiredwheremainchainsmustapproacheachotherveryclosely.Glyismoreflexiblethanotherresidues.

缺乏長側鏈的制約使多肽鏈在Gly殘基出現(xiàn)的地方具有顯著的構象柔性。Gly可在廣泛的構象空間中出現(xiàn)。G第33頁,共72頁，2024年2月25日，星期天Cyshasasulphydrylgroup(-SH)thatcanactasaredoxcenter. 巰基被氧化可以去掉氫，雙雙結合形成雙硫鍵，把兩條肽鏈連結在一起，對蛋白質構象有很大貢獻。這種反應是可逆的。 兩個獨立的Cys之間，也可以雙雙氧化巰基后形成二元體，特稱為胱氨酸(cystine)，縮寫成為(Cys)2。注意英文寫法的不同。CCysSHCysSHCysSCysSCystineCysteine雙硫鍵第34頁,共72頁，2024年2月25日，星期天Disulfide-bondformation.

Thedrawingillustratestheformationofacovalentdisulfidebondbetweenthesidechainsofneighboringcysteineresiduesinaprotein.

第35頁,共72頁，2024年2月25日，星期天8) Methasathioletherlinkagewithtwoloneelectronpairs. Met的硫并非硫醇，而是被甲基化，因此無法如Cys般形成雙硫鍵，但它是一個非常奇特的氨基酸，任何蛋白質的翻譯，其第一個氨基酸一定是Met。M第36頁,共72頁，2024年2月25日，星期天Ser,Thr,andTyrhavehydroxylic(-OH)sidechainsthatcaneitherbehydrogenbonddonororacceptor.

有著不同程度的化學反應性。SYT第37頁,共72頁，2024年2月25日，星期天Phe(F),Trp(W),andTyr(Y)havearomaticsidechainsandcanmediatecation-pinteractions.Theycanformstackinginteractionswithnucleotidebases.

是使蛋白質產生紫外線吸收和熒光特性的主要因素。色氨酸的結構比其它氨基酸復雜，在蛋白質中含量最低，其在蛋白質結構與功能中的作用是一個重要的研究課題。FWY第38頁,共72頁，2024年2月25日，星期天這三種氨基酸對于介質環(huán)境非常敏感，常常作為蛋白質結構變化的非常有用的探針。

max/nmPhe:257.4Tyr:274.6Trp:279.8第39頁,共72頁，2024年2月25日，星期天His0.360

Cys0.210 Ser0.130Lys0.100 Thr0.100 Asn0.080Arg0.055 Gln0.050 Glu0.050Asp0.045 Ile0.005 Tyr0.040Val0.060 Gly0.070 Phe0.120Trp0.140 Leu0.180 Pro0.200Ala0.025 Met0.02511)氨基酸殘基在活性部位出現(xiàn)的幾率第40頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第一講蛋白質的基本組件氨基酸的結構氨基酸的分類氨基酸的物理性質氨基酸的化學性質氨基酸的代謝合成肽單位與肽鏈第41頁,共72頁，2024年2月25日，星期天三、-氨基酸的物理性質1、溶解性大多數(shù)氨基酸為無色晶體，除胱氨酸、酪氨酸外，都可溶于水；除脯氨酸、半胱氨酸外，都難溶于有機溶劑。2、旋光性除甘氨酸外，其它氨基酸都具有旋光性。3、熔點氨基酸的熔點遠高于其異構體羥基酰胺，這是因為-氨基酸是以內鹽形式存在。m.p232℃118℃第42頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第一講蛋白質的基本組件氨基酸的結構氨基酸的分類氨基酸的物理性質氨基酸的化學性質氨基酸的代謝合成肽單位與肽鏈第43頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

四、氨基酸的化學性質

-氨基酸分子中既含有氨基，又有羧基，因此，它應具有胺和羧酸的通性。由于-NH2與-COOH共存于一個分子中，因此，它又有一些特性。1、氨基的性質

（1）與亞硝酸反應+HNO2+N2↑收集反應放出的氮氣，可用來測定氨基酸的含量，這種測定氨基酸含量的方法稱為范斯萊克（Vanslyke）氨基測定法。（2）與甲醛反應甲醛甲醛第44頁,共72頁，2024年2月25日，星期天甲醛與-氨基酸分子中的氨基反應，向氨基上導入兩個吸電子基團（CH2OH），從而使氨基的堿性消失。因此，可用一般的酸堿滴定法來測定氨基酸的含量。（3）與水合茚三酮反應++NH3

++藍紫色第45頁,共72頁，2024年2月25日，星期天-氨基酸與水合茚三酮溶液一起加熱，生成藍紫色物質，利用這個反應，可對-氨基酸進行定性鑒定。

2、羧基的反應（1）脫羧將-氨基酸加熱時，可脫去CO2得到胺。Ba(OH)2△尸胺（2）與氨反應無水乙醇干HClNH3生物體內利用這個反應在體內貯存氮源。第46頁,共72頁，2024年2月25日，星期天3、氨基和羧基同時參與的反應（1）兩性與等電點由于-氨基酸分子中既含有-NH2又有-COOH，因此，它既具有酸性，又具有堿性，它不但可以與酸、堿作用生成鹽，而且自身可發(fā)生中和反應生成內鹽。+H++OH-內鹽分子中氨基帶正電荷，羧基帶負電荷，即在氨基酸分子中，既有正電荷，又有負電荷，稱之為偶極離子或兩性離子。第47頁,共72頁，2024年2月25日，星期天當氨基酸與酸作用時，H+有利于-NH2解離而抑制-COOH基解離，氨基酸帶正電荷；當與堿作用時，OH-將有利于-COOH解離而抑制-NH2解離，氨基酸帶負電荷。H+H+OH-OH-帶負電荷帶正電荷兩性離子由上面的反應式可以看出，-氨基酸分子所帶電荷與該溶液的酸堿度有關，我們可以通過控制溶液的pH值，使氨基酸分子帶上不同電荷。對某一種氨基酸，總有一個pH值，在這個pH值下，氨基酸分子所帶的正電荷和負電荷恰好相等，即對外表現(xiàn)凈電荷為零，此時氨基酸溶液的pH值稱為該氨基酸的等電點，用pI表示。

若pH>pI，則氨基酸分子帶負電荷；若pH<pI，則氨基酸分子帶正電荷；若pH=pI，則氨基酸分子不帶電荷。第48頁,共72頁，2024年2月25日，星期天若將帶有電荷的氨基酸分子置于電場中，則會發(fā)生移動，若氨基酸分子帶正電荷時，向陰極移動；若氨基酸分子帶正電荷，則向陽極移動。這種帶電粒子在電場中的移動現(xiàn)象稱為電泳。利用電泳方法可以分離、提純氨基酸，這種方法稱為電泳法。一般來講，中性氨基酸的等電點（pI）為6.2～6.8；堿性氨基酸的等電點為9.7～10.7；酸性氨基酸的等電點為2.8～3.2。氨基酸在等電點時溶解度最小，可用于氨基酸的分離。（2）受熱脫水反應-氨基酸加熱時可發(fā)生分子間脫水，生成交酰胺。-2H2O第49頁,共72頁，2024年2月25日，星期天（4）失羧、失氨反應在酶的作用下，某些氨基酸可同時失去羧基和氨得到醇。異丁醇異戊醇異戊醇、異丁醇又稱為雜醇油。（3）與金屬反應氨基酸分子中的-COOH可以與金屬生成鹽。但由于該鹽分子中尚有-NH2，而-NH2上有孤對電子，因此，孤對電子可以與金屬原子形成配價鍵而得到穩(wěn)定絡合物?！臼忻姘被狎镶}】藍色絡合物第50頁,共72頁，2024年2月25日，星期天（5）成肽反應兩分子-氨基酸發(fā)生反應，一分子aa提供-NH2，另一分子aa提供-COOH，脫去一分子水，生成以酰胺鍵相連的化合物，叫做肽。酰胺鍵在蛋白質化學中又稱為肽鍵。+-H2O第51頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第一講蛋白質的基本組件氨基酸的結構氨基酸的分類氨基酸的物理性質氨基酸的化學性質氨基酸的代謝合成肽單位與肽鏈第52頁,共72頁，2024年2月25日，星期天五、氨基酸代謝與合成和脂肪酸與葡萄糖相反，氨基酸除了合成蛋白質和其它生物分子所需以外，不能儲存于體內，也無法排出體外。多余的氨基酸會進行脫胺作用而形成代謝中間物進行其它代謝作用如檸檬酸循環(huán)、進入肝中產生葡萄糖、脂肪酸合成，或者其碳骨架參與其它氨基酸的合成，無法合成者稱之為必需氨基酸。第53頁,共72頁，2024年2月25日，星期天第一講蛋白質的基本組件氨基酸的結構氨基酸的分類氨基酸的物理性質氨基酸的化學性質氨基酸的代謝合成肽單位與肽鏈第54頁,共72頁，2024年2月25日，星期天

20種氨基酸的平均分子量為128，某蛋白質由100個氨基酸構成(僅為一條多肽鏈)，問該蛋白質的分子量是多少()問題A.12800B.11000C.11018D.7800C第55頁,共72頁，2024年2月25日，星期天關于肽鍵與肽的下列描述，哪些是正確的：

()A,肽鍵具有部分雙鍵性質B,是核酸分子中的基本結構鍵C,含兩個肽鍵的肽稱三肽D,肽鏈水解下來的氨基酸稱氨基酸殘基E,蛋白質的肽鏈也叫寡肽A,C第56頁,共72頁，2024年2月25日，星期天肽鍵與多肽

一個氨基酸的羧基和另一個氨基酸的氨基脫水縮合形成的共價連接稱為肽鍵(peptidebond)。20種氨基酸在蛋白質中是通過肽鍵連接在一起的。

多個氨基酸通過肽鍵連接在一起構成多肽鏈(polypeptidechain)。

寡肽：含有10個左右氨基酸殘基(如二肽、五肽、八肽) 多肽：含10－20個氨基酸殘基 蛋白質：含幾十個到數(shù)千個氨基酸殘基

六、肽單位與肽鏈第57頁,共72頁，2024年2月25日，星期天NH2COOH1NH2COOH2NH2C

NCOOHOH21兩個氨基酸分子頭尾連接起來肽鍵

的形成脫水(脫水劑)碳化二亞胺Carbodiimide第58頁,共72頁，2024年2月25日，星期天NCC

HNC●肽鍵雖是單鍵卻具有局部雙鍵性質O●肽鍵周邊六個原子在同一平面上●

前后兩個氨基酸的

-carbon在對角

(trans)C肽鍵的特性sp2sp2肽鍵看似單鍵，但C-N鍵旁的C=O雙鍵會與它產生共振，因此具有雙鍵的性質；且中心的C與N原子都是使用sp2軌道，因此其前后六個原子都躺在同一平面上，稱為肽平面(如上圖虛線所圍起)。注意每一個氨基酸的中心是

碳，而兩個

碳之間是以肽平面連在一起，因此蛋白質可以說是由許多肽平面以

碳為接點連成的。第59頁,共72頁，2024年2月25日，星期天肽鍵不能旋轉，具有反式(trans)和順式(cis)兩種構型在反式構型中，相鄰C

原子之間有0.38nm的距離，而在順式中只有0.32nm。因而在順式肽構型中原子間的推斥力較大，能量上處于不利狀態(tài)，其穩(wěn)定性只有反式肽的千分之一。脯氨酸由于其具有特殊結構，由它的氨端形成的順式肽鍵與反式肽鍵的能量比為1:4。因此，非脯氨酸順式肽鍵在天然蛋白質中很少出現(xiàn)，頻率僅為0.05%，出現(xiàn)者大多位于結構或活性重要部位。第60頁,共72頁，2024年2月25日，星期天為何肽鍵(-C-N-)具有雙鍵性質？氮原子上面有一對lonepair電子，是以p軌道繞行在平面的上下兩邊；而–C=O的雙鍵，是碳與氧原子的兩對p軌道所形成。因此在O=C-N上總共有三個p軌道，有時碳與氮的p軌道會混在一起，形成短暫的雙鍵；也可以把這三個p軌道的電子，一起混成為一個類似共振的綜合軌道，使得肽鍵具有雙鍵的性質。如此混成所形成的雙鍵，造成肽鍵無法自由轉動，也就是說肽平面所包含的六個原子，必須平躺在同一平面上，它們具有確定的鍵長和鍵角，是多肽鏈中的剛性結構，稱為肽單位(peptideunit)，也叫肽鍵平面。有序連接的肽單位就是多肽鏈的主鏈。因此，從結構上看，肽單位和側鏈基團是蛋白質分子的基本建筑模塊(BuildingBlocks)。第61頁,共72頁，2024年2月25日，星期天p軌道電子共振使

肽鍵具雙鍵特性

HCCNCOlonepair電子第62頁,共72頁，2024年2月25日，星期天兩個肽鍵平面的交接點為a-碳以肽鍵平面連接成多肽長鏈注意a-碳上面接有各種大小不等的基團第63頁,共72頁，2024年2月25日，星期天多肽鏈中由肽鍵連接的部分稱為主鏈(mainchain或backbone)，它在所有氨基酸中都是相同的；氨基酸在形成肽鍵后保留的部分稱為氨基酸殘基(aminoacidresidue)。氨基酸的側鏈從主鏈的C

原子伸出。一條肽鏈的兩端有不同結構和性質：一端的氨基酸殘基帶有游離氨基，稱為氨基端或N端；另一端的氨基酸殘基帶有游離羧基，稱為羧基端或C端。第64頁,共72頁，2024年2月25日，星期天多肽鏈的構象