第一章 蛋白质的化学

1. 第一章 蛋白质的化学 • 第一节氨基酸 • 第二节蛋白质的共价结构 • 第三节蛋白质的三维结构 • 第四节蛋白质的结构与功能 • 第五节蛋白质的分离纯化和鉴定

2. 第一节 氨基酸（amino acid） • 一、氨基酸—蛋白质的构件分子 • 二、氨基酸的分类 • 三、氨基酸的酸碱化学 • 四、氨基酸的化学反应 • 五、氨基酸的物理性质 • 六、氨基酸的分析分离

3. 一、氨基酸—蛋白质的构件分子 （一）蛋白质的水解 蛋白质—→蛋白胨—→多肽—→二肽—→氨基酸 蛋白质和多肽的肽键与一般的酰胺键一样可以被酸碱或蛋白酶催化水解，酸或碱能够将多肽完全水解，酶水解一般是部分水解.

4. 1、酸水解 • 常用6 mol/L的盐酸或4 mol/L的硫酸在105-110℃条件下进行水解，反应时间约20小时。 • 此法的优点是不引起消旋，得到的是L-氨基酸。 • 缺点是色氨酸被沸酸完全破坏；含有羟基的氨基酸如丝氨酸或苏氨酸有一小部分被分解；天门冬酰胺和谷氨酰胺侧链的酰胺基被水解成了羧基。

5. 2、碱水解 • 一般用5 mol/L氢氧化钠煮沸10-20小时。 • 由于水解过程中许多氨基酸都受到不同程度的破坏；产生消旋现象，其产物是D-型和L-型氨基酸的混合物。 • 该法的优点是色氨酸在水解中不受破坏

6. 3、酶水解 • 应用酶水解多肽不会破坏氨基酸，也不会发生消旋化。但水解往往不彻底，产物为较小的肽段。 • 目前用于蛋白质肽链断裂的蛋白水解酶（proteolytic enzyme）或称蛋白酶（proteinase）已有十多种。 • 最常见的蛋白水解酶有以下几种：胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶、嗜热菌蛋白酶。

7. （二）α-氨基酸的一般结构 • 蛋白质都由20种常见氨基酸（基本氨基酸）组成。 • 氨基酸的结构通式：19种氨基酸具有一级氨基（-NH3+）和羧基（-COOH）结合到α碳原子（Cα），同时结合到（Cα）上的是H原子和各种侧链（R）；Pro具有二级氨基（α-亚氨基酸）。

8. L-α-氨基酸的结构通式 从氨基酸的结构通式可以看出： 1、构成蛋白质的氨基酸均为L—α—氨基酸。 2、 除R为H（甘氨酸）外，其余氨基酸均具有旋光性。 3、各种氨基酸的区别在于侧基R基上。

9. 氨基酸的构型： 构成蛋白质的氨基酸除甘氨酸外，均含有α—碳原子，在空间各原子有两种排列方式：L—构型与D—构型，它们的关系就像左右手的关系，互为镜像关系，下图以丙氨酸为例：

10. 二、氨基酸的分类 • （一）根据来源分：内源氨基酸和外源氨基酸 • （二）从营养学角度分：必需氨基酸和非必需氨基酸 • （三）根据是否组成蛋白质来分：蛋白质中常见氨基酸、蛋白质中稀有氨基酸和非蛋白氨基酸

11. 1、蛋白质中常见氨基酸的结构 主要区别在侧链R基的不同 甘氨酸 Glycine 脂肪族氨基酸（中性） 氨基乙酸

12. 氨基酸的结构 脂肪族氨基酸（中性） 甘氨酸 Glycine 丙氨酸Alanine -氨基丙酸

13. 氨基酸的结构 甘氨酸 Glycine 丙氨酸Alanine 缬氨酸Valine 脂肪族氨基酸（中性） -氨基异戊酸

14. 氨基酸的结构 甘氨酸 Glycine 丙氨酸Alanine 缬氨酸Valine 亮氨酸Leucine 脂肪族氨基酸（中性） -氨基异己酸

15. 氨基酸的结构 甘氨酸 Glycine 丙氨酸Alanine 缬氨酸Valine 亮氨酸Leucine 异亮氨酸Ileucine 脂肪族氨基酸（中性） 2 -氨基--甲基戊酸

16. 氨基酸的结构 亚氨基酸（杂环） 甘氨酸 Glycine 丙氨酸Alanine 缬氨酸Valine 亮氨酸Leucine 异亮氨酸 Ileucine 脯氨酸Proline -吡咯烷基--羧酸

17. 氨基酸的结构 甘氨酸 Glycine 丙氨酸Alanine 缬氨酸Valine 亮氨酸Leucine 异亮氨酸Ileucine 脯氨酸Proline 甲硫氨酸Methionine 脂肪族氨基酸（含硫）  -氨基--甲硫基丁酸

18.  -氨基--巯基丙酸 氨基酸的结构 甘氨酸 Glycine 丙氨酸Alanine 缬氨酸Valine 亮氨酸Leucine 异亮氨酸Ileucine 脯氨酸Proline 甲硫氨酸Methionine 半胱氨酸Cysteine 脂肪族氨基酸（含硫）

19. 氨基酸的结构 精氨酸Arginine 脂肪族氨基酸（碱性）  -氨基--胍基戊酸

20. 氨基酸的结构 精氨酸 Arginine 赖氨酸Lysine 脂肪族氨基酸（碱性） ，-二氨基己酸

21. 氨基酸的结构 精氨酸 Arginine 赖氨酸Lysine 组氨酸Histidine 碱性氨基酸（杂环）  -氨基--咪唑基丙酸

22. 氨基酸的结构 天冬氨酸Aspartate 脂肪族氨基酸（酸性）  -氨基丁二酸

23. 氨基酸的结构 天冬氨酸 Aspartate 谷氨酸Glutamate 脂肪族氨基酸（酸性）  -氨基戊二酸

24. 氨基酸的结构 脂肪族氨基酸（含羟基） 丝氨酸Serine  -氨基--羟基丙酸

25. 氨基酸的结构 丝氨酸Serine 苏氨酸Threonine 脂肪族氨基酸（含羟基）  -氨基--羟基丁酸

26. 氨基酸的结构 天冬酰胺Asparagine 脂肪族氨基酸（含酰胺）

27. 氨基酸的结构 天冬酰胺 Asparagine 谷酰胺Glutamine 脂肪族氨基酸（含酰胺）

28. 氨基酸的结构 芳香族氨基酸 苯丙氨酸 Phenylalanine  -氨基--苯基丙酸

29. 氨基酸的结构 芳香族氨基酸 苯丙氨酸 Phenylalanine 酪氨酸 Tyrosine  -氨基--对羟苯基丙酸

30. 氨基酸的结构 芳香族氨基酸 苯丙氨酸 Phenylalanine 酪氨酸 Tyrosine 色氨酸 Tryptophan Trp  -氨基--吲哚基丙酸

31. 按R基极性分类20种常见氨基酸 (1)非极性R基团氨基酸：8种—AlaVal Leu Ile Phe Pro Met Trp (2)极性不带电荷R基团氨基酸：7种—Ser Thr Asn Gln Tyr CysGly (3)带负电荷R基团氨基酸：2种—Asp Glu (4)带正电荷R基团氨基酸：3种—Lys Arg His

32. 根据R侧链基团解离性质的不同，可将氨基酸进行分类：根据R侧链基团解离性质的不同，可将氨基酸进行分类： 1.酸性氨基酸——Glu，Asp；侧链基团在中性溶液中解离后带负电荷的氨基酸。 2.碱性氨基酸——His，Arg，Lys；侧链基团在中性溶液中解离后带正电荷的氨基酸。

33. 3.中性氨基酸——侧链基团在中性溶液中不发生解离，因而不带电荷的氨基酸。可分为： • 极性氨基酸： Gly，Tyr，Cys，Ser，Thr，Asn，Gln； • 非极性氨基酸：Ala，Val，Leu，Ile，Pro，Phe ，Met，Trp 。

34. 2.蛋白质中几种重要的稀有氨基酸 • 在少数蛋白质中分离出一些不常见的氨基酸，通常称为不常见蛋白质氨基酸。 • 这些氨基酸都是由相应的基本氨基酸衍生而来的。 • 其中重要的有4-羟基脯氨酸、5-羟基赖氨酸、N-甲基赖氨酸、和3,5-二碘酪氨酸等。这些不常见蛋白质氨基酸的结构如下。

35. 3.非蛋白氨基酸 广泛存在于各种细胞和组织中，呈游离或结合态，但并不存在蛋白质中的一类氨基酸，大部分也是蛋白质氨基酸的衍生物。 H2N-CH2-CH2-COOH H2N-CH2-CH2-CH2-COOH -丙氨酸 -氨基丁酸

36. 三、氨基酸的酸碱化学 1.氨基酸的兼性离子形式 氨基酸的两个重要性质：氨基酸晶体的熔点 高（200C）；氨基酸使水的介电常数增高。 H +H3N-C-COO- R 氨基酸在水溶液中或在晶体状态时都以兼性离子形式存在。

37. 2.氨基酸的两性解离 • 在不同的pH条件下，两性离子的状态也随之发生变化。 pH 1 7 10 净电荷 +1 0 -1 正离子 两性离子 负离子 等电点pI 在同一个氨基酸分子上带有能放出质子的—NH3+正离子（酸）和能接受质子的—COO-负离子（碱），为两性电解质。

38. 在酸性溶液 k1’在晶体状态或水溶液中k2’在碱性溶液中 中的氨基酸 的氨基酸 的氨基酸 R+ R± R- k1’ =[R±][ H+]/[ R+] k2’=[R-][ H+]/[ R±] k1’和k2’分别是—COOH和+H3N—的表观解离常数。 表观解离常数可用测定滴定曲线方法求得（拐点）。 当[R±]=[ R+]时，pH=p k1’ , 当[R±]=[ R-]时，pH=pk2’

39. 丙氨酸的解离： • N+H3 N+H3 • OH-[ Ala ] [H+] • H3C C COOH H3C C COO- + H+ K’1= • [Ala+] • H H • Ala+ Ala • N+H3 NH2 • OH-[Ala-] [H+] • H3C C COO- H3C C COO- + H+ K’2= • [Ala ] • H H • AlaAla- • K´1、K´2分别代表α-COOH和α-NH3+的表观解离常数，若侧链R基有可解离的基团，其表观解离常数用K´R表示。 酸性溶液中 两性离子状态

40. 当1mol/L的丙氨酸溶于水时，溶液的pH约为6，此时丙氨酸为两性离子状态Ala 物质的表观解离常数可以用测定滴定曲线的实验方法求得。 丙氨酸的滴定曲线： Ala- 13 B pK´2=9.69 Ala Ala- 7 pH pI=6.02 Ala A pK´1=2.34 Ala+ Ala Ala+ 0 1.0 0.5 0 0.5 1.0 HCl NaOH 丙氨酸的滴定曲线

41. 利用Handerson-Hasselbalch公式 pH= pk’+㏒[质子受体]/[质子供体]， 已知pk1’ pk2’，可求出任一pH下一 种氨基酸的各种离子的比例。

42. 氨基酸的等电点（isoeletric point）及其计算 氨基酸的等电点：当外液pH为某一pH值时，氨基酸处于兼性离子状态，氨基酸分子中少数解离时，所含的-NH3+和-COO-数目正好相等，即氨基酸净电荷为0。氨基酸在电场中既不向正极也不向负极移动，这一pH值即为氨基酸的等电点，简称pI。 氨基酸等电点的计算：侧链不含离解基团的中性氨基酸，其等电点是它的pK’1和pK’2的算术平均值：pI = (pK’1 + pK’2)/2 同样，对于侧链含有可解离基团的氨基酸，其pI值也决定于两性离子两边的pK’值的算术平均值。 酸性氨基酸： pI = (pK’1 + pK’R-COO-)/2 硷性氨基酸： pI= (pK’2 + pK’R-NH2 )/2

43. 对侧链不解离的氨基酸，如Gly k1’ =[R±][ H+]/[ R+] k2’=[R-][ H+]/[ R±] 在pI，[R-]=[ R+] k1’ .k2’=[ H+]2 pH=（pk’1+pk’ 2）/2=pI

44. 对侧链解离的氨基酸，如Asp Asp+ Asp± Asp- Asp＝ k1 k2 k3 在pI时，主要以Asp±存在，[Asp-]和[ Asp+]很小且相等，[Asp＝]可忽略。 k1’ =[Asp±][ H+]/[ Asp +] k2’=[Asp -][ H+]/[ Asp±] pI=（p k’1+p k’ 2）/2 如Lys Lys++ Lys+ Lys± Lys- k1 k2 k3 在pI时，主要以Lys±存在，[Lys -]和[Lys +]很小且相等，[Lys++]可忽略。 pI=（pk’2+p k’ 3）/2

47. 二十种氨基酸的pK，及等电点

48. 3.氨基酸的甲醛滴定 ． 羟甲基衍生物 用途：可以用来直接测定氨基酸。 （滴定终点由12左右移至9附近,即酚酞的变色区域)

49. 等电点: 1.某氨基酸的等电点即为该氨基酸两性离子两边的pK值和的一半。 2.在氨基酸等电点以上任何pH，AA带净的负电荷，在电场中向阳极移动；在氨基酸等电点以下任何pH，AA带净的正电荷，在电场中向阴极移动。 3.在一定pH范围中，溶液的pH离AA等电点愈远，AA带净电荷愈多。

50. 四、氨基酸的化学反应 成盐成酯反应 成酰氯反应 脱羧基反应 叠氮反应 亚硝酸盐反应 烃基化反应 酰化反应 脱氨基反应 西佛碱反应 侧链反应