第五章蛋白質(zhì)：氨基酸化學(xué)課件

1、第二節(jié) 氨基酸化學(xué) 蛋白質(zhì)分子的基本結(jié)構(gòu)單位氨基酸存在自然界中的氨基酸有300余種，但組成人體蛋白質(zhì)常見的氨基酸僅有20種，且均屬 L-氨基酸（甘氨酸除外）。（一）氨基酸一般結(jié)構(gòu)式H甘氨酸CH3丙氨酸L-氨基酸的通式R左側(cè)右側(cè)L型D型L-氨基酸（甘氨酸除外）（二）氨基酸分類非極性R基氨基酸：8不帶電荷的極性氨基酸：7帶正電荷的R基氨基酸：堿性氨基酸 3帶負(fù)電荷R基氨基酸：酸性氨基酸 2根據(jù)側(cè)鏈R的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)分類非極性R基氨基酸非極性R基氨基酸R基疏水性大小 Ala Met Pro Val Leu Ile Phe Trp這類氨基酸R基的疏水性，在維持蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)中起著重要作用。非極性氨基酸R

2、基團(tuán)間可形成疏水作用力絲氨酸 serine Ser S 5.68酪氨酸 tyrosine Try Y 5.66 半胱氨酸 cysteine Cys C 5.07 蛋氨酸 methionine Met M 5.74天冬酰胺 asparagine Asn N 5.41 谷氨酰胺 glutamine Gln Q 5.65 蘇氨酸 threonine Thr T 5.602.不帶電荷的極性R基氨基酸天冬氨酸 aspartic acid Asp D 2.97谷氨酸 glutamic acid Glu E 3.22賴氨酸 lysine Lys K 9.74精氨酸 arginine Arg R 10.76組

3、氨酸 histidine His H 7.593. 帶負(fù)電荷的R基氨基酸4. 帶正電荷的R基氨基酸根據(jù)來源分：內(nèi)源氨基酸和外源氨基酸從營養(yǎng)學(xué)角度分：必需氨基酸和非必需氨基酸 根據(jù)是否組成蛋白質(zhì)來分：蛋白質(zhì)中常見氨基酸、非蛋白氨基酸必需氨基酸（essential amino acid）： 指人體（或其它脊椎動物）不能合成或合成速度遠(yuǎn)不適應(yīng)機(jī)體的需要，必需由食物蛋白供給，這些氨基酸稱為必需氨基酸。共有8種其作用分別是： 賴氨酸（Lysine ）：促進(jìn)大腦發(fā)育，是肝及膽的組成成分，能促進(jìn)脂肪代謝，調(diào)節(jié)松果腺、乳腺、黃體及卵巢，防止細(xì)胞退化； 色氨酸（Tryptophane）：促進(jìn)胃液及胰液的產(chǎn)生；

4、苯丙氨酸（Phenylalanine）：參與消除腎及膀胱功能的損耗； 蛋氨酸（又叫甲硫氨酸）（Methionine）；參與組成血紅蛋白、組織與血清，有促進(jìn)脾臟、胰臟及淋巴的功能； 蘇氨酸（Threonine）：有轉(zhuǎn)變某些氨基酸達(dá)到平衡的功能； 異亮氨酸（Isoleucine ）：參與胸腺、脾臟及腦下腺的調(diào)節(jié)以及代謝；腦下腺屬總司令部作用于甲狀腺、性腺； 亮氨酸（Leucine ）：作用平衡異亮氨酸； 纈氨酸（Valine）：作用于黃體、乳腺及卵巢。8種人體必需氨基酸的記憶口訣 借一兩本蛋色書來 諧音: 借(纈氨酸), 一(異亮氨酸),兩(亮氨酸),本(苯丙氨酸),蛋(蛋氨酸),色(色氨酸),書

5、(蘇氨酸),來(賴氨酸). 笨蛋來宿舍，晾一晾鞋 笨（苯丙氨酸）蛋（蛋氨酸）來（賴氨酸）宿（蘇氨酸）舍（色氨酸），晾（亮氨酸）一晾（異亮氨酸）鞋（纈氨酸）另外：1、蛋白質(zhì)中的很多氨基酸是經(jīng)過加工修飾的修飾氨基酸 如：脯氨酸 羥基化 成 羥脯氨酸 賴氨酸 羥基化 成 羥賴氨酸2、半胱氨酸Cys常以胱氨酸的形式存在Hydrogen bonds氫鍵 一些功能基團(tuán)如OH, -SH, -NH3+,H2O等之間可形成氫鍵 半胱氨酸 +胱氨酸二硫鍵-HHHS-CH2-CH-COO-HS-CH2-C-COO-+NH3-OOC-CH-CH2-S+NH3S-CH2-CH-COO-OOC-CH-CH2-S+NH3S

6、-CH2-CH-COO-+NH3胰島素 (Insulin)依賴二硫鍵維持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性二硫鍵 (Disulfide bond) 維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定蘇氨酸絲氨酸酪氨酸-OH 基的H可被其它化學(xué)基團(tuán)，如磷酸基P取代. 其他分類方式側(cè)鏈含羥基的氨基酸21（三）、氨基酸的理化性質(zhì)1. 兩性解離及等電點氨基酸是兩性電解質(zhì)，其解離程度取決于所處溶液的酸堿度。+OH-+H+氨基酸堿性酸性22氨基酸在酸性溶液中能解離成正（陽）離子，在堿性溶液中能解離成陰（負(fù)）離子，這種性質(zhì)叫兩性電離或兩性解離。23pH=pI氨基酸的兼性離子 CHNH2COOHRCHNH2COOHR+OH-pHpI陰離子+H+pHpI陽離子等電點

7、(isoelectric point, pI)帶電狀態(tài)判定： pI-pH （正數(shù)帶正電，負(fù)數(shù)帶負(fù)電）pH pI正電荷 兩性離子 負(fù)電荷負(fù)極移動（電場中） 不移動 正極移動等電點（isoelectric point, pI）：在某一pH環(huán)境中，氨基酸解離成陽性離子及陰性離子的趨勢相等，所帶凈電荷為零，在電場中不泳動。此時，氨基酸所處環(huán)境的pH值稱為該氨基酸的等電點。以丙氨酸為例計算等電點pI=2pK1+pK2一氨基一羧基AA的等電點計算：氨基酸有時被用作緩沖劑，緩沖劑是當(dāng)加入酸或堿時具有抗pH改變的溶液，緩沖劑起作用的pH范圍稱為緩沖范圍，通常定義為pK+1至pK-1。生理pH條件下那些氨基酸具

8、有緩沖作用？20種基本氨基酸中只有組氨酸的咪唑基的pK最接近生理pH值（游離氨基酸中為6.00，在多肽鏈中為7.35 ） ，是在生理pH條件下唯一具有緩沖能力的氨基酸。（血紅蛋白）苯丙氨酸、色氨酸和酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。2. 芳香族氨基酸紫外吸收 色氨酸、酪氨酸的最大吸收峰在 280 nm 附近。大多數(shù)蛋白質(zhì)含有這兩種氨基酸殘基，所以測定蛋白質(zhì)溶液280nm的光吸收值是分析溶液中蛋白質(zhì)含量的快速簡便的方法。芳香族氨基酸的紫外吸收 茚三酮反應(yīng)：氨基酸可與茚三酮縮合產(chǎn)生藍(lán)紫色化合物，最大吸收峰在570nm。 該反應(yīng)可作為蛋白質(zhì)定性、定量分析的基礎(chǔ)。3. 顯色反應(yīng) -氨基和-羧基

9、共同參與的反應(yīng)水合茚三酮(無色)NH3CO2 RCHO+還原性茚三酮+(弱酸)加熱水合茚三酮3H20紫色化合物570nm+ 2NH3 +還原性茚三酮用途：常用于氨基酸的定性或定量分析。茚三酮水合茚三酮脯氨酸與茚三酮反應(yīng)的產(chǎn)物：N+黃色化合物（ max=440nm） 小 結(jié)AA的結(jié)構(gòu)通式AA的分類AA的理化性質(zhì) 一般物理性質(zhì) AA的兩性解離(等電點及其計算) AA的化學(xué)反應(yīng)（蛋白質(zhì)的化學(xué)修飾）第三節(jié) 蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)一、肽鍵和肽鏈（一）氨基酸的成肽反應(yīng)肽鍵+-HOH甘氨酰甘氨酸肽鍵肽鍵：一個氨基酸的羧基與另一個氨基酸的氨基脫去一分子水形成的酰胺鍵。肽：氨基酸之間通過肽鍵連接而成的化合物二肽：由兩

10、個氨基酸組成的肽稱為二肽。由三個氨基酸組成的肽稱為三肽。十肽以下的統(tǒng)稱為寡肽。多肽：由多個氨基酸組成的肽則稱為。（多寡無嚴(yán)格之分）氨基酸殘基：組成多肽的氨基酸分子因脫水縮合而殘缺不全稱為。多肽鏈：由數(shù)十個到數(shù)百個氨基酸分別借肽鍵相互連接即成。蛋白質(zhì)：由一條或多條多肽鏈以特殊方式結(jié)合而成的生物大分子。蛋白質(zhì)與多肽并無嚴(yán)格的界線，通常是將分子量在10000道爾頓以上的多肽稱為蛋白質(zhì)。氨基酸順序：在多肽鏈中，氨基酸殘基按一定的順序排列，這種排列順序稱為。氨基酸的順序是從N-端的氨基酸殘基開始，以C-端氨基酸殘基為終點的排列順序，即N C方向 。N 末端：多肽鏈中有自由氨基的一端C 末端：多肽鏈中有自

11、由羧基的一端多肽鏈有方向性： Ala-Tyr-Asp-GlyN CN端C端N末端C末端牛核糖核酸酶第三節(jié) 蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子的基本結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)二、三、四級結(jié)構(gòu)定義：蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)指多肽鏈中氨基酸的排列順序。(包括蛋白質(zhì)分子中所有的二硫鍵的位置）主要的維系鍵：肽鍵，有些蛋白質(zhì)還包括二硫鍵。二、 蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)一級結(jié)構(gòu)是蛋白質(zhì)空間構(gòu)象和特異生物學(xué)功能的基礎(chǔ)。蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)重要性遺傳病鐮刀貧血病的發(fā)現(xiàn) 事情發(fā)生在1904年，美國東部NewYork ,NewYork city, 當(dāng)時有一位黑人大學(xué)生Smark(18歲），找一位醫(yī)生（Ingram)看病，自覺頭昏、發(fā)燒、呼

12、吸困難。醫(yī)生對Smark 進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)病人眼睛有黃疸，心跳有雜音，沒有發(fā)現(xiàn)寄生蟲，只發(fā)現(xiàn)Red blood cell 350萬/mm3，Blood platelet 25萬/ mm3, White blood cell5000/ mm3. 根據(jù)正常人的數(shù)值（RBC500萬/ mm3，WBC6000/ mm3， BP15.6萬/ mm3）診斷病人為貧血癥。 血紅蛋白是高等生物體內(nèi)負(fù)責(zé)運載氧的一種蛋白質(zhì)。人體內(nèi)的血紅蛋白由四個亞基構(gòu)成，分別為兩個亞基和兩個亞基，它既可以載氧，又可以運走CO2。后來Ingram醫(yī)生又對病人取血，鏡檢，發(fā)現(xiàn)病人的紅血球的是半月型的（形狀象鐮刀）。 把血紅蛋白的一級

13、結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。首先用胰蛋白酶水解HB，得到28個肽段，采用紙上層析分離與電泳相結(jié)合的方法對這些肽與正常的進(jìn)行比較。 發(fā)現(xiàn)27個肽一樣，只有一個肽段是不同的。把這個異常的肽段剪下來，進(jìn)行測序。結(jié)果是鏈上的一個8肽。Hba: H2N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-COOHHbs: H2N-Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Glu-Lys-COOH 正常型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Lys -鏈 鐮刀型 -Val-His-Leu-Thr-Pro-Val-Lys -鏈三、蛋白質(zhì)分子的二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)是指多肽鏈骨架中原子的局

14、部空間排列，不包括氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象。丙氨酸酪氨酸天冬氨酸甘氨酸主要的維系鍵： 氫鍵 （一） 肽單元肽單元：肽鍵中的四個原子和與之相鄰的兩個碳原子基本位于同一剛性平面上，構(gòu)成一個肽單元。54肽鍵的CN鍵在一定程度上具有雙鍵性質(zhì)，不能自由旋轉(zhuǎn)，它們所相連的四個原子處于同一平面，稱肽鍵平面肽單元55兩個肽平面以一個C為中心發(fā)生旋轉(zhuǎn)多肽鏈可以看成是多個肽平面組成天然存在的重要多肽在生物體中，多肽最重要的存在形式是作為蛋白質(zhì)的亞單位。但是，生物體也有許多分子量比較小的多肽以游離狀態(tài)存在。這類多肽通常都具有特殊的生理功能，常稱為活性肽（active peptide）。如：腦啡肽；激素類多肽；抗生素類多

15、肽；谷胱甘肽；蛇毒多肽等。 CO-NH-CH-CO-NH-CH2-COOHCH2CH2CHNH2COOHCH2SH谷胱甘肽廣泛存在于動物肝臟、血液、酵母和小麥胚芽中： 在小腸內(nèi)可以被完全吸收，它能維持紅細(xì)胞膜的完整性，對于需要巰基的酶有保護(hù)和恢復(fù)活性的功能，它是多種酶的輔酶或輔基，可以參與氨基酸的吸收及轉(zhuǎn)運，參與高鐵血紅蛋白的還原作用及促進(jìn)鐵的吸收。2GSHGS-SG谷胱甘肽的作用： （1）解毒。GSH能與進(jìn)入機(jī)體的有毒化合物、重金屬離子或致癌物質(zhì)等相結(jié)合，并促其排出體外，起到中和解毒作用。 （2）防治輻射病及輻射防護(hù) 。GSH對于放射線、放射性藥物或由于抗腫瘤藥物引起的白細(xì)胞減少等癥狀能起到

16、保護(hù)作用。 （3）保護(hù)肝臟 （4）抗過敏。GSH能夠糾正乙酰膽堿、膽堿酯酶的不平衡，起到抗過敏作用。（5）改善某些疾病的病程和癥狀 SH還可保護(hù)細(xì)胞膜，使之免遭氧化性破壞，防止紅細(xì)胞溶血及促進(jìn)高鐵血紅蛋白的還原，對缺氧血癥、惡心及肝臟疾病引起的不適具有緩解作用 。（6）養(yǎng)顏美容護(hù)膚 。可防止皮膚老化及色素沉著，減少黑色素的形成，改善皮膚抗氧化能力并使皮膚產(chǎn)生光澤 +H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Met-COO- Met-腦啡肽 +H3N-Tyr-Gly-Gly-Phe-Leu-COO- Leu-腦啡肽 L-Leu-D-Phe-L-Pro-L-Val L-Orn L-Orn L-Val

17、-L-Pro-D-Phe-L-Leu 短桿菌肽S(環(huán)十肽)由細(xì)菌分泌的多肽，有時也都含有D-氨基酸和一些非蛋白氨基酸。如鳥氨酸（Ornithine, 縮寫為 Orn）。 （二）蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)類型螺旋折疊轉(zhuǎn)角-凸起無規(guī)則卷曲The Nobel Prize in Chemistry 1954Linus Carl Pauling 1901-1994-螺旋 （-Helix ）RRRRRR3.6個氨基酸殘基（1）每個螺旋有3.6個氨基酸殘基，螺距為0.54nm。（2）肽鍵平面與螺旋長軸平行，兩圈螺旋之間形成氫鍵（AA1AA4）， 穩(wěn)定螺旋。氫鍵主要化學(xué)力：氫鍵（3）多肽鏈以肽鍵平面為單位,盤曲成一個右手

18、螺旋；-螺旋的橫截面（綠色圓圈表示R基團(tuán)） 要點：單鏈右旋一圈3.6殘基上升0.54nm形成51氫鍵且全部平行R基指向外側(cè) 維系-螺旋的氫鍵影響螺旋形成穩(wěn)定的因素 （1）R基的大小：較大的難形成，存在空間位阻，如多聚Ile （2）R基的電荷性質(zhì)：不帶電荷易形成，同種電荷的互斥效應(yīng) （3） Pro：-NH參與環(huán)的形成 無法提供質(zhì)子，不能形成鏈 （4）甘氨酸由于側(cè)鏈太小，構(gòu)象不穩(wěn)定，也是螺旋的破壞者。你知道燙發(fā)的原理嗎？永久性卷發(fā)是一項生物化學(xué)工程-角蛋白 原纖維 細(xì)胞-螺旋角質(zhì)層（鱗狀細(xì)胞） 微纖維 微纖維 大纖維主要由-螺旋結(jié)構(gòu)組成，三股右手-螺旋向左纏繞形成原纖維，原纖維排列成“9+2”的電

19、纜式結(jié)構(gòu)稱微纖維，成百根微纖維結(jié)合成大纖維 a-keratins: Permanent waving of hair乙醇酸 溴酸鈉 胱氨酸 762. -片層（ -折疊， -pleated sheets） -片層是由若干肽段或肽鏈排列起來所形成的扇面狀片層構(gòu)象，其結(jié)構(gòu)特征為：主鏈骨架伸展呈鋸齒狀,R基團(tuán)位于片層的上、下方77（2） 相鄰主鏈之間借氫鍵維系，氫鍵方向與折疊長軸垂直-片層N端N端C端C端氫鍵COCOCOCOHN-折疊的片層結(jié)構(gòu)和-股之間的氫鍵要點： 肽鏈伸展，形成鏈間氫鍵（成為片層），R-基處于片層上下79(3)若兩條肽鏈走向相同，稱順平行折疊；反之為反平行折疊N端N端C端C端N端N

20、端C端C端指伸展的肽鏈形成180的U形回折。-轉(zhuǎn)角具有如下特征：（1）肽鏈骨架以180回折而改變了肽鏈的方向；（2）由肽鏈上四個連續(xù)的氨基酸殘基組成，其中n位氨基酸殘基的-C=O與n3位氨基酸殘基的-NH形成氫鍵；（3）Gly和Pro經(jīng)常出現(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)之中；（4）有利于反平行-折疊的形成，這是因為-轉(zhuǎn)角改變了肽鏈的走向，促進(jìn)相鄰的肽段各自作為-股，形成-折疊。3. -轉(zhuǎn)角4. -凸起-凸起是由于-折疊股中額外插入一個氨基酸殘基，使原來連續(xù)的氫鍵結(jié)構(gòu)被打破，從而使肽鏈產(chǎn)生的一種彎曲凸起結(jié)構(gòu)。-凸起主要發(fā)現(xiàn)在反平行-折疊之中，只有約5%的-凸起出現(xiàn)在平行的-折疊結(jié)構(gòu)之中。-凸起也能改變多肽鏈的走向

21、，但沒有-轉(zhuǎn)角那樣明顯。在蛋白質(zhì)分子中，除了上述四種有規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)以外，還有一些極不規(guī)則的二級結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)統(tǒng)稱為無規(guī)則卷曲。一般說來，無規(guī)則卷曲無固定的走向，有時以環(huán)的形式存在，但也不是任意變動的，它的2個二面角（,）也有個變化范圍。將相鄰二級結(jié)構(gòu)連結(jié)在一起的環(huán)結(jié)構(gòu)（黃色）5. 無規(guī)卷曲84RNA酶的分子結(jié)構(gòu)-螺旋-折疊-轉(zhuǎn)角無規(guī)卷曲二級結(jié)構(gòu)維持力量：氫鍵（三）蛋白質(zhì)超二級結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域1.超二級結(jié)構(gòu)(super secondary structure) 相鄰的二級結(jié)構(gòu)單元可組合在一起，相互作用，形成有規(guī)則，在空間上能辨認(rèn)的二級結(jié)構(gòu)組合體，充當(dāng)三級結(jié)構(gòu)的構(gòu)件，稱為超二級結(jié)構(gòu)，也稱motif（

22、模體，模序）。 超二級結(jié)構(gòu)的形成主要是氨基酸殘基側(cè)鏈基團(tuán)間相互作用的結(jié)果。常見類型： ：由兩股或三股右手螺旋彼此纏繞形成的左手超螺旋。 ：由一級結(jié)構(gòu)上連續(xù)的反平行折疊通過緊湊的轉(zhuǎn)角連接而成。：折疊之間由螺旋或無規(guī)卷曲連接超二級結(jié)構(gòu)類型A. B. 單元C. Rossman折疊D. 發(fā)夾；E. 曲折；F. 希臘鑰匙拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)-發(fā)夾環(huán)卷曲螺旋 -螺旋細(xì)胞色素C的結(jié)構(gòu)細(xì)胞核抗原的結(jié)構(gòu)纖溶酶原的結(jié)構(gòu)2、結(jié)構(gòu)域大分子蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)?？煞指畛梢粋€或數(shù)個球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行使其功能，稱為結(jié)構(gòu)域(domain) 。根據(jù)占優(yōu)勢的二級結(jié)構(gòu)元件的類型，結(jié)構(gòu)域可分為五大類：（1）結(jié)構(gòu)域完全由-螺旋組

23、成；（2）-結(jié)構(gòu)域只含有-折疊、-轉(zhuǎn)角和不規(guī)則環(huán)結(jié)構(gòu)；（3）/-結(jié)構(gòu)域由-股和起連接的-螺旋片斷組成；（4）+-結(jié)構(gòu)域由獨立的-螺旋區(qū)和-折疊區(qū)組成；（5）交聯(lián)結(jié)構(gòu)域缺乏特定的二級結(jié)構(gòu)元件，但由幾個二硫鍵或金屬離子起穩(wěn)定作用。大腸桿菌DNA 聚合酶具有三個結(jié)構(gòu)域免疫球蛋白G的空間填充模型免疫球蛋白和神經(jīng)酰胺酶-結(jié)構(gòu)域(四)、蛋白質(zhì)分子的三級結(jié)構(gòu)1.三級結(jié)構(gòu)指整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對空間 位置，即一條多肽鏈的整體構(gòu)象。肌紅蛋白的三級結(jié)構(gòu)由153個氨基酸殘基組成的單鏈蛋白8個螺旋+無規(guī)卷曲球形結(jié)構(gòu)2.主要化學(xué)鍵：疏水鍵、離子鍵、氫鍵、范德華引力維系三級結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的化學(xué)鍵氫鍵 在穩(wěn)定蛋白質(zhì)中起著極其重要的作用，是維持蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的主要作用力。 此外，氫鍵還可以在側(cè)鏈與側(cè)鏈、側(cè)鏈與介質(zhì)水、主鏈肽基與側(cè)鏈或主鏈肽基與水之間形成。疏水作用:由非極性基團(tuán)受到水分子排斥相互聚集在一起的作用力疏水作用示意圖疏水作用疏水作用范德華力是分子間的吸引力，這是一種普遍存在的作用力，是一個原子的原子核吸引另一個原子外圍電子所產(chǎn)生的作用力。它是一種比較弱的、非特異性的作用力