Pro是唯一的一种环状结构的氨基酸,它的α-亚氨基是环的部分,因此具有特殊的刚性结构。它在 蛋白质空间结构中具有极重要的作用,一般出现在两段a螺旋之间的转角处,Po残基所在的位置必然发 生骨架方向的变化, ◆必需氨基酸: 成年人:Leu、le、Ⅷal、Thr、Met 婴儿期:Arg和His供给不足,属半必须氨基酸。 必须氨基酸在人体内不能合成,是由于人体内不能合成这些氨基酸的碳架(α-酮酸) 2、按照R基的极性性质(能否与水形成氢键20种基本aa,可以分为4类 侧链极性(疏水性程度) -03 Glu-2.5 Ala0.5Asn-02 Asp.5 Arg|-3.0 Met 1.3 GIn 0.2 His.5 Pro 14 Thr 0.4 ys 0 Phe 2.5 T 3.4 (1)、非极性氨基酸 9种,包括:甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、甲硫氨酸氨酸、脯氨 酸,这类氨基酸的R基都是疏水性的,在维持蛋白质的三维结构中起着重要作用。 (2)、不带电何的极性氨基酸 6种,丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺。这类氨基酸的侧链都能与水形成 氢键,因此很容易溶于水 酪氨酸的OH磷酸化是一个十分普遍的调控机制,Ser和Thr的OH往往与糖链相连,As和Gh的NH 很容易形成氢键,因此能增加蛋白质的稳定性。 (3)、带负电荷的aa(酸性aa) 2种,在pH6-7时,谷氨酸和天冬氨酸的第二个羧基解离,因此,带负电何 (4)、带正电何的aa(碱性aa) 3种,Ag、Ls、His。在pH7时带净正电荷 当胶原蛋白中的Iys侧链氧化时能形成很强的分子间内)联。Arg的胚基碱性很强,与NaOH相当 His是一个弱碱,在p7时约10%质子化,是天然的缓冲剂,它往往存在于许多酶的活性中心。 酶的活性中心:Hs、Ser、Cys 非极性a一般位于蛋白质的疏水核心,带电荷的a和极性aa位于表面
６ Pro 是唯一的一种环状结构的氨基酸，它的α-亚氨基是环的一部分，因此具有特殊的刚性结构。它在 蛋白质空间结构中具有极重要的作用，一般出现在两段 α-螺旋之间的转角处，Pro 残基所在的位置必然发 生骨架方向的变化， ◆ 必需氨基酸： 成年人：Leu、Ile、Val、Thr、Met、Trp、Lys、Phe 婴儿期：Arg 和His 供给不足，属半必须氨基酸。 必须氨基酸在人体内不能合成，是由于人体内不能合成这些氨基酸的碳架（α-酮酸） 2、 按照 R 基的极性性质(能否与水形成氢键)20 种基本aa，可以分为4 类： 侧链极性(疏水性程度) Gly 0 Ser -0.3 Glu -2.5 Lys -3.0 Ala 0.5 Asn -0.2 Asp -2.5 Arg -3.0 Met 1.3 Gln -0.2 His 0.5 Pro 1.4 Thr 0.4 Val 1.5 Cys 1.0 Leu 1.8 Tyr 2.3 Ile 1.8 Phe 2.5 Trp 3.4 （1）、 非极性氨基酸 9 种，包括：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异氨酸、苯丙氨酸、色氨酸、甲硫氨酸氨酸、脯氨 酸，这类氨基酸的R 基都是疏水性的，在维持蛋白质的三维结构中起着重要作用。 （2）、 不带电何的极性氨基酸 6 种，丝氨酸、苏氨酸、酪氨酸、半胱氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺。这类氨基酸的侧链都能与水形成 氢键，因此很容易溶于水。 酪氨酸的-OH磷酸化是一个十分普遍的调控机制，Ser和Thr的-OH往往与糖链相连，Asn和Gln的-NH2 很容易形成氢键，因此能增加蛋白质的稳定性。 （3）、 带负电荷的 aa(酸性 aa) 2 种，在 pH6~7 时，谷氨酸和天冬氨酸的第二个羧基解离，因此，带负电何。 （4）、 带正电何的 aa(碱性 aa) 3 种，Arg、Lys、His。在pH7 时带净正电荷。 当胶原蛋白中的 Lys 侧链氧化时能形成很强的分子间(内)交联。Arg 的胚基碱性很强，与 NaOH 相当。 His 是一个弱碱，在pH7 时约10%质子化，是天然的缓冲剂，它往往存在于许多酶的活性中心。 酶的活性中心：His、Ser、Cys 非极性 aa 一般位于蛋白质的疏水核心，带电荷的aa 和极性 aa 位于表面
(二)非编码的蛋白质氨基酸 也称修饰氨基酸,是在蛋白质合成后,由基本氨基酸修饰而来。 Prothrombin(凝血酶原中含有γ-羧基谷氨酸,能结合Ca2+。 结缔组织中最丰富的蛋白质胶原蛋白含有大量4羟脯氨酸和5-羟赖氨酸。 图3-10修饰a的结构 (1)4羟脯氨酸 (2)5-羟赖氨酸 这两种氨基酸主要存在于结缔组织的纤维状蛋白(如胶原蛋白)中。 (3)6N-甲基赖氨酸(存在于肌球蛋白中) (4)r-羧基谷氨酸 存在于凝血酶原及某些具有结合Ca离子功能的蛋白质中。 (5)Tyr的衍生物:3.5-二-碘酪氨酸、甲状腺素(甲状腺蛋白中) (6)锁链素由4个Iys组成(弹性蛋白中)。 非蛋白质氨基酸 除参与蛋白质组成的20多种氨基酸外,生物体内存在大量的氨基酸中间代谢产物,它们不是蛋白质 的结构单元,但在生物体内具有很多生物学功能,如尿素循环中的L瓜氨酸和L鸟氨酸。 (1)L型α-氨基酸的衍生物 L-瓜氨酸 L-鸟氨酸 (2)D型氨基酸 D-Gu、D-Ala(肽聚糖中)、D-Phe(短杆菌肽S) (3)β-、y、δ-氨基酸 β-Ala(泛素的前体)、γ氨基J酸(神经递质)。 四、氨基酸的构型、旋光性和光吸收 1、氨基酸的构型 除〔外,19种氨基酸的α-碳原子都是不对称碳原子,因此有两种光学异构体,而Thr和Ie的β 碳原子也是不对称的,因此Thr、le各有两个不对称碳原子,有四种光学异构体 图P86L-苏氨酸D-苏氨酸L-别一苏D-别苏 构成蛋白质的氨基酸均属L-型(L苏氨酸),大部分游离氨基酸也是L型 7
７ （二） 非编码的蛋白质氨基酸 也称修饰氨基酸，是在蛋白质合成后，由基本氨基酸修饰而来。 Prothrombin(凝血酶原)中含有-羧基谷氨酸，能结合 Ca2+。 结缔组织中最丰富的蛋白质胶原蛋白含有大量 4-羟脯氨酸和5-羟赖氨酸。 图 3-10 修饰 aa 的结构 （1）4-羟脯氨酸 （2）5-羟赖氨酸 这两种氨基酸主要存在于结缔组织的纤维状蛋白（如胶原蛋白）中。 （3）6-N-甲基赖氨酸（存在于肌球蛋白中） (4)г-羧基谷氨酸 存在于凝血酶原及某些具有结合 Ca 2+离子功能的蛋白质中。 （5）Tyr 的衍生物： 3.5 -二碘酪氨酸、甲状腺素 （甲状腺蛋白中） （6）锁链素由 4 个Lys 组成（弹性蛋白中）。 （三） 非蛋白质氨基酸 除参与蛋白质组成的 20 多种氨基酸外，生物体内存在大量的氨基酸中间代谢产物，它们不是蛋白质 的结构单元，但在生物体内具有很多生物学功能，如尿素循环中的L-瓜氨酸和 L-鸟氨酸。 （1）L-型 α –氨基酸的衍生物 L-瓜氨酸 图 L-鸟氨酸 图 （2）D-型氨基酸 D-Glu、D-Ala（肽聚糖中）、D-Phe（短杆菌肽S） （3）β-、γ-、δ-氨基酸 β-Ala（泛素的前体）、γ-氨基丁酸（神经递质）。 四、 氨基酸的构型、旋光性和光吸收 1、 氨基酸的构型 除 Gly 外，19 种氨基酸的α-碳原子都是不对称碳原子，因此有两种光学异构体，而 Thr 和 Ile 的β- 碳原子也是不对称的，因此Thr、Ile 各有两个不对称碳原子，有四种光学异构体。 图 P86 L-苏氨酸 D-苏氨酸 L-别一苏 D-别-苏 构成蛋白质的氨基酸均属L-型（L-苏氨酸），大部分游离氨基酸也是L-型
2、旋光性 20种氨基酸中,只有G无手性碳。Th、Ile各有两个手性碳。其余17种氨基酸的L型与D型互为 镜象关系,互称光学异构体(对映体,或立体异构体)。一个异构体的溶液可使偏振光逆时针旋转(记为(一)) 另一个异构体可使偏振光顺时针旋转(计为(+)),称为旋光性 光学异构体的其它理化性质完全相同。 外消旋物:D型和L型的等摩尔混合物。 L-苏氨酸和D苏氨酸、Ⅰ别·苏氨酸和D别-苏氨酸分别组成消旋物,而L(D-)苏氨酸和L(D-) 别一苏氨酸则是非对映体。 旋光性物质在化学反应时经过对称的过度态时会发生消旋现象。蛋白质在与碱共热水解时或用一般的 化学方法人工合成氨基酸时也会得到无旋光性的D-、L-消旋物。 内消旋物:分子内消旋 胱氨酸有三种立体异构体:L-胱氨酸、D-胱氨酸、内消旋胱氨酸。 L-胱氨酸和D胱氨酸是外消旋物 图P86 L-胱氨酸 D-胱氨酸内消旋胱氨酸:(分子内部互相抵消而无旋光性 蛋白质中L型基酸的比旋光度 P87蛋白质中L型氨基酸的比旋光度。 氨基酸的旋光符号和大小取决于它的R基的性质,并与溶液的PHI值有关(PHⅠ值影响氨基和羧基的 解离)。 3、氨基酸的光吸收性 20种氨基酸在可见光区域无光吸收,在远紫外区((220mm)均有光吸收,在近紫外区(220-300nm) 只有Tyr、Phe、Tp有吸收。 Ir、Phe、Tp的R基含有共轭双键,在220-30om紫外区有吸收。 λ(nm) T 275 14×103 Phe 257 20×102 5.6×103 Lambert-Beer 4=-7=r=6cL 五、氨基酸的酸碱性质(重点) 1、氨基酸在晶体和水溶液中主要以兼性离子形式存在 α-氨基酸都含有COOH和NH,都是不挥发的结晶固体,熔点200-350℃,不溶于非极性溶剂,而 易溶于水,这些性质与典型的羧酸( R-COOH)或胺(RNH2)明显不同。 三个现象 ①晶体溶点高→离子晶格,不是分子晶格。 ②不溶于非极性溶剂→极性分子
８ 2、 旋光性 20 种氨基酸中，只有 Gly 无手性碳。Thr、Ile 各有两个手性碳。其余 17 种氨基酸的 L 型与 D型互为 镜象关系，互称光学异构体（对映体，或立体异构体）。一个异构体的溶液可使偏振光逆时针旋转（记为（一））。 另一个异构体可使偏振光顺时针旋转（计为（+）），称为旋光性。 光学异构体的其它理化性质完全相同。 外消旋物：D-型和L-型的等摩尔混合物。 L-苏氨酸和 D-苏氨酸、L-别一苏氨酸和 D-别-苏氨酸分别组成消旋物，而 L-（D-）苏氨酸和 L-（D-） 别一苏氨酸则是非对映体。 旋光性物质在化学反应时经过对称的过度态时会发生消旋现象。蛋白质在与碱共热水解时或用一般的 化学方法人工合成氨基酸时也会得到无旋光性的D-、L-消旋物。。 内消旋物：分子内消旋 胱氨酸有三种立体异构体：L-胱氨酸、D-胱氨酸、内消旋胱氨酸。 L-胱氨酸和 D-胱氨酸是外消旋物 图 P86 L-胱氨酸 D-胱氨酸 内消旋胱氨酸：（分子内部互相抵消而无旋光性） 蛋白质中L 型氨基酸的比旋光度 P 87 蛋白质中 L 型氨基酸的比旋光度。 氨基酸的旋光符号和大小取决于它的 R 基的性质，并与溶液的 PH 值有关（PH 值影响氨基和羧基的 解离）。 3、 氨基酸的光吸收性 20 种氨基酸在可见光区域无光吸收，在远紫外区（〈220nm〉均有光吸收，在近紫外区（220-300nm） 只有 Tyr、Phe、Trp 有吸收。 Tyr、Phe、Trp 的 R 基含有共轭双键，在 220-300nm紫外区有吸收。 λ（nm） ε Tyr 275 1.4×103 Phe 257 2.0×102 Trp 280 5.6×103 Lambert-Beer： 五、 氨基酸的酸碱性质（重点） 1、 氨基酸在晶体和水溶液中主要以兼性离子形式存在 α-氨基酸都含有-COOH 和-NH2，都是不挥发的结晶固体，熔点 200-350℃，不溶于非极性溶剂，而 易溶于水，这些性质与典型的羧酸（R-COOH）或胺（R-NH2）明显不同。 三个现象： ①晶体溶点高→离子晶格，不是分子晶格。 ②不溶于非极性溶剂→极性分子 = − = = c L T I I I A lg lg . 0
③介电常数高(氨基酸使水的介电常数增高,而乙醇、丙酮使水的介电常数降低。)→水溶液中的氨 基酸是极性分子。 原因:a羧基pK在20左右,当pH3.5,a羧基以COO形式存在。a-氨基pK2在94左右,当 pH<80时,a-氨基以aNH3形式存在。在phB35-80时,带有相反电荷,因此氨基酸在水溶液中是以两 性离子离子形式存在。 Gly溶点232℃比相应的乙酸(165℃)、乙胺(805℃)高,可推测氨基酸在晶体状态也是以两性离 子形式存在。 图 2、氨基酸的两性解离和酸碱滴定曲线 HA pH-pKog共轭碱/[共轭酸 pOH=pKb4+leg共轭酸/[共轭碱 (1)pH>pKa时,[碱>[酸 pH=pKa时,[碱=[酸] pH<pKa时,[酸]>[碱] (2)pKd就是[碱]=[酸时溶液的p值,K就是此时溶液的] (3)当碱=[酸时,溶液的pH值等于pK (4)Gily的两性解离和滴定曲线 图3-14Gily的滴定曲线 在pH234和pf960处,Gily具有缓冲能力。 滴定开始时,溶液中主要是Gly+。 起点:100%Gly+净电荷:+1 第一拐点 50%Gly+,50%Gl平均净电荷:+05 第二拐点:100%Gly2净电荷:0等电点p 第三拐点:50%Gly2,509%Gly平均净电荷:05 终点: 100%Gly净电荷:-1 第一拐点:pH=pK+gly]/G+],pHpK=234 第二拐点:100%Gy3,净电荷为0,此时的p值称氨基酸的等电点pl 第三拐点:pH=pK2+gGyG]pK=96 Gly的等电点 IGly[] [Gly]
９ ③介电常数高（氨基酸使水的介电常数增高，而乙醇、丙酮使水的介电常数降低。）→水溶液中的氨 基酸是极性分子。 原因：α-羧基 pK1在 2.0 左右，当 pH>3.5，α-羧基以-COO-形式存在。α-氨基 pK2在 9.4 左右，当 pH<8.0 时，α-氨基以α-NH+ 3形式存在。在 pH3.5-8.0 时，带有相反电荷，因此氨基酸在水溶液中是以两 性离子离子形式存在。 Gly 溶点 232℃比相应的乙酸（16.5℃）、乙胺（-80.5℃）高，可推测氨基酸在晶体状态也是以两性离 子形式存在。 图 2、 氨基酸的两性解离和酸碱滴定曲线 HA A- + H+ pH=pKa / +Log[共轭碱]／[共轭酸] pOH=pKb /+Log[共轭酸]／[共轭碱] （1）pH > pKa / 时，[碱] > [酸] pH = pKa / 时，[碱] = [酸] pH < pKa / 时， [酸] > [碱] （2） pKa / 就是[碱] =[酸]时溶液的 pH 值，Ka /就是此时溶液的[H+ ] （3）当[碱] = [酸]时，溶液的pH 值等于pKa / （4）Gly 的两性解离和滴定曲线 图 3-14 Gly 的滴定曲线 在 pH2.34 和 pH9.60 处，Gly 具有缓冲能力。 滴定开始时，溶液中主要是Gly+。 起点：100% Gly+ 净电荷：+1 第一拐点： 50%Gly+ ，50%Gly± 平均净电荷：+0.5 第二拐点： 100%Gly± 净电荷：0 等电点 pI 第三拐点： 50%Gly± ， 50%Gly- 平均净电荷：-0.5 终点： 100% Gly- 净电荷：-1 第一拐点：pH=pK+lg[Gly± ]/[Gly+ ]，pH=pK1=2.34 第二拐点：100%Gly±，净电荷为0，此时的pH 值称氨基酸的等电点pI。 第三拐点：pH=pK2+lg[Gly- ]/[Gly± ]=pK2=9.6 Gly 的等电点： [ ] [ ][ ] 1 + + = Gly Gly H K
等电点时:[Gy-Gly+ IGly[H] IGly I K1·K2=2Gb [G] 等电点时氢离子浓度用I表示 I=KIK2 PF=/2(pKI+pK2) 中性ay=pn- COOH pK-M1 酸性asK- COOH PAR 碱性aapl pKa -Nh, pKg 氨基酸在等电点状态下,溶解度最小 pH>pI时,氨基酸带负电荷,OOOH解离成COO,向正极移动。 Ⅰ=pI时,氨基酸净电荷为零 pH<pI时,氨基酸带正电荷,NH2解离成NH3,向负极移动。 以Gy为例 pH>2.34 正 +1.0—+0.5 pH=234 正 0.5 H-597正 597~pH<960负 0--0.5 H>9 负 0.5--1.0 问题: (1)pH=pK/时,缓冲能力最大,等电点时缓冲能力最小。为什么? (2)p的计算(氨基酸,寡肽),等电点时各组分的比例分析 (3)不同pH下的组成分析和电泳行为 pH>pI时,氨基酸带负电荷,COOH解离成COO,向正极移动 pH=pl时,氨基酸净电荷为零,溶解度最 pH<pI时,氨基酸带正电荷,NH2解离成NH3,向负极移动。 (4)利用p和p确定各种氨基酸适合的酸碱缓冲范围 (5)计算不同氨基酸水溶液的pH值 (6)绘制滴定曲线(GLu) 根据P2页表3-7中Gu的数据( pKI aCOOH219,pK2aNH967, pKRR-COOH425,p322) ①绘出滴定曲线 ②指出Gu和Gu各一半时的pH值 ③指出Gu总是带正电荷的pH范围 ④指出Gu*和G能作为缓冲液使用的p范围
１０ 等电点时：[Gly-]=[Gly+] 等电点时氢离子浓度用 I 表示 I 2=K1·K2 PI=1/2(pK1+pK2) 氨基酸在等电点状态下，溶解度最小 pH > pI 时，氨基酸带负电荷，-COOH 解离成-COO-，向正极移动。 pH = pI 时，氨基酸净电荷为零 pH < pI 时，氨基酸带正电荷，-NH2解离成-N+H3，向负极移动。 以 Gly 为例 pH>2.34 正 +1.0 — +0.5 pH=2.34 正 +0.5 2.34<pH<5.97 正 0.5 — 0 5.97<pH<9.60 负 0 — -0.5 pH>9.60 负 -0.5 — -1.0 问题： （1）pH = pKa / 时，缓冲能力最大，等电点时缓冲能力最小。为什么？ （2）pI 的计算（氨基酸，寡肽），等电点时各组分的比例分析 （3）不同pH 下的组成分析和电泳行为 pH > pI 时，氨基酸带负电荷，-COOH 解离成-COO-，向正极移动。 pH = pI 时，氨基酸净电荷为零，溶解度最小 pH < pI 时，氨基酸带正电荷，-NH2解离成-N+H3，向负极移动。 （4）利用pI 和 pKa /确定各种氨基酸适合的酸碱缓冲范围 （5）计算不同氨基酸水溶液的pH 值 （6）绘制滴定曲线（Glu） 根据 P92 页表 3-7 中 Glu 的数据（pK1α-COOH 2.19， pK2α-N+H39.67，pKR R-COOH 4.25，pI 3.22） ①绘出滴定曲线 ②指出 Glu-和 Glu=各一半时的pH 值 ③指出 Glu 总是带正电荷的pH 范围 ④指出 Glu±和 Glu-能作为缓冲液使用的pH 范围 [ ] [ ] [ ] [ ] [ ][ ] 2 1 2 2 + − + − + • = • = Gly Gly K K H Gly Gly H K 2 . 2 . 2 . 3 3 R R pK NH pK a apI pK COOH pK a apI pK COOH pK NH a apI + + + − = − = − − = 碱性 酸性 中性