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酸性氨基酸和碱性氨基酸的特性

王镜岩生物化学考研题库

第3章氨基酸

节:氨基酸

蛋白质是生物功能的主要载体,而氨基酸是蛋白质的构件分子。自然界存在的成千上万种蛋白质,在结构和功能上的惊人的多样性主要由氨基酸的内在性质造成的。

1.蛋白质水解

蛋白质和多肽的肽键可被催化水解

(1)酸水解(H2SO4;HCl):

优点:不引起消旋作用。

缺点:色氨酸被破坏,部分羟基氨基酸被分解,天冬酰胺和谷氨酰胺的酰胺基被水解下来。

(2)碱水解(NaOH):

①优点:色氨酸是稳定的

②缺点:多数氨基酸遭到不同程度的破坏,并且产生消旋现象。

(3)酶水解:

①优点:不产生消旋,也不破坏氨基酸

②缺点:部分水解,需要多种酶协同作用才能使蛋白质完全水解;需时较长。

2.氨基酸的结构

地球上天然形成的AA180种以上。

构成蛋白质的常见AA只有20余种(更确切地说为19种氨基酸和一种亚氨基酸即脯氨酸),且都是α-氨基酸。

大多数AA在中性pH时呈兼性离子状态:

(1)除甘氨酸外,19种AA都具有旋光性。

(2)除胱氨酸和酪氨酸外,其余AA都能溶于水。

(3)蛋白质中发现的氨基酸都是L型的。

节:氨基酸的分类

生物体中发现的氨基酸180多种,大多数是不参加蛋白质组成,这些称为非蛋白质氨基酸。

蛋白质组成的常见氨基酸或称基本氨基酸只有20种,称为蛋白质氨基酸。

存在某些蛋白质的不常见氨基酸都是肽链上由常见氨基酸修饰转化而来。

1.常见的蛋白质氨基酸

常见氨基酸分类:

(1)按R基的化学结构20种常见氨基酸可分为:

①脂肪族氨基酸

a.中性氨基酸

b.含羟基或硫氨基酸

c.酸性氨基酸及其酰胺

d.碱性氨基酸

②芳香族氨基酸

③杂环族氨基酸

(2)按R基的极性性质,20种常见氨基酸可分为:

①非极性R基氨基酸

②不带电荷的极性R基氨基酸

③带正电荷的R基氨基酸

④带负电荷的R基氨基酸

(3)按R基的化学结构分类:

①脂肪族aa

a.中性aa

b.含羟基或硫aa

c.酸性aa及其酰胺

d.碱性aa

②芳香族aa

③杂环aa

(4)按R基的极性性质分类:

①非极性R基aa

②不带电荷的极性R基aa

③带正电荷的R基aa

④带负电荷的R基aa

2.不常见的蛋白质氨基酸

由常见aa经修饰而来。

(1)4-羟脯氨酸主要存在结缔组织的胶原蛋白

(2)5-羟赖氨酸主要存在结缔组织的胶原蛋白

(3)g-羧基谷氨酸主要存在凝血酶原和一些与血液凝固有关的蛋白质中

(4)6-N-甲基赖氨酸存在某些肌肉蛋白如肌球蛋白

3.非蛋白质氨基酸

(1)150多种

(2)多是蛋白质中L型α-AA衍生物

(3)有一些是β-,γ-,δ-AA

(4)有些甚至是D-型AA

节:氨基酸的酸碱性质

1.兼性离子

过去常认为氨基酸在晶体甚至水溶液中是以不解离的中性分子存在,也就是一般的有机物。

后来发现,AA晶体熔点很高,此外,AA能使水的介电常数增高。如何解释这个事实呢?

如果AA在晶体或水中主要以兼性离子(偶极离子)形式存在,不带电荷的中性分子为数极少,就很好解释这个问题了。

静电吸引>范德华力

兼性离子形式的AA是强极性分子

2.氨基酸的解离

根据酸碱质子理论,酸是质子(H+)的供体,碱是质子的受体,因此酸和碱有同一性,在一定条件下,各自向相反方面转化。——AA是一类两性电解质。

AA完全质子化时,可看成是多元酸

侧链不解离中性AA可看作二元酸

酸性和碱性AA可看作三元酸

(1)根据Handerson-Hasselbalch方程:

(2)氨基酸解离步骤:

①第一步解离常数

②第二步解离常数

共轭酸的解离常数按其酸性递降顺序编号为Ka1和Ka2

甘氨酸滴定曲线

氨基酸的解离常数可用测定滴定曲线的实验方法求得

滴定拐点就是兼性离子有一半变成阳离子或阴离子,也就是[A-]=[A0]或[A0]=[A+],所以拐点处的pH值就是解离常数的对数值。

氨基酸中的a-COOH基的酸性要比相应的脂肪酸强上百甚至几百倍,而a-氨基的碱性明显低于其相应的胺类。当氨基酸溶液在低pH时,氨基以带正电荷的形式存在,带正电荷的氨基通过静电相互作用(诱导效应)使羧基更容易失去质子,成为更强的酸。而与之对应的是在羧基影响下,氨基更不容易捕获质子

(3)侧链R基可解离的氨基酸解离及滴定:

①酸性氨基酸

谷氨酸的解离

谷氨酸的滴定

图中的pK1;pKR;pK2分别代表前面的pKa1;pKa2;pKa3

②碱性氨基酸

赖氨酸的解离

组氨酸的滴定

图中的pK1;pKR;pK2分别代表前面的pKa1;pKa2;pKa3

3.氨基酸的等电点

(1)当溶液为某一pH值时,AA主要以兼性离子的形式存在,分子中所含的正负电荷数目相等,净电荷为0。这一pH值即为AA的等电点(pI)。

(2)在pI时,AA在电场中既不向正极也不向负极移动,即处于两性离子状态。

侧链不含离解基团的中性AA等电点公式推导:

两公式相乘:

等电点时,[A-]=[A+]

如以I代表等电点的[H+]

两边取对数

(3)对于侧链含有可解离基团R的AA

pI取决于兼性离子(A0)两边pKa值的算术平均值。因为等电点时,氨基酸主要以兼性离子(A0)存在,[A+]和[A-]很小而且相等,A2-或A2+的量可以忽略不计。

酸性AA:pI=(pKa1+pKa2)/2

碱性AA:pI=(pKa2+pKa3)/2

节:氨基酸的化学反应

主要指其α-氨基和α-羧基以及侧链上的功能基团R参与的反应。

1.α-氨基参加的反应

(1)与亚硝酸反应

(2)与酰化试剂反应

(3)烃基化反应

(4)形成Schiff’s碱反应

(5)脱氨基反应

①VanSlyke法测氨基氮(体积)的基础。

②N2中的1/2为氨基氮。

氨基酸定量和蛋白质水解程度的测定。

③苄氧酰氯

苄氧酰氨基酸

氨基酸氨基的保护措施,在多肽和蛋白质人工合成中作为氨基保护试剂

丹磺酰氯-N末端aa标记和微量aa定量。

Sanger法测定N末端氨基酸基础

④苯异硫氰酸酯PITC

⑤重复测定多肽链N端AA排列顺序,设计出“多肽顺序自动分析仪”

原理:将肽与异硫氰酸苯酯(PITC试剂)在pH8-9下作用,肽的NH2末端接到异硫氰酸苯酯的C原子上生成苯异硫甲氨酰肽,简称PTC-肽,在强酸作用下,可使靠近PTC基的氨基酸环化,肽键断裂形成乙内酰苯硫脲氨基酸(PTH-氨基酸)和一个失去末端氨基酸的肽链。此肽不被破坏,因而又可出现一个新的N-末端。重复以上的步骤,继续与PTH试剂作用,继续分析,乙内酰苯硫脲氨基酸是无色的,用有机溶剂抽提后,用高效液相层析法分离鉴定。这就是多肽顺序自动分析仪的工作原理。

西佛碱是以氨基酸为底物的某些酶促反应例如转氨基反应的中间物

在生物体内经AA氧化酶催化即脱去α-氨基而转变为酮酸。

2.α-羧基参加的反应

(1)成盐或成酯反应

(2)成酰氯反应

(3)脱羧基反应

(4)叠氮反应:

①与NaOH等形成盐

②成酯

成酰氯反应

保护氨基活化羧基,常用于多肽人工合成

3.α-羧基和α-氨基都参加的反应

(1)与茚三酮反应

(2)成肽反应:

①Pro和Hpro无游离氨基,只能形成黄色化合物(440nm);

②可鉴定某化合物是否有可能是AA;如果是AA可用

③测压法

④分光光度法——定量测定AA的含量

4.侧链R基参加的反应

(1)Tyr(酪氨酸)

(2)碱性AA

(3)带硫AA

①Tyr酚基在3和5位上易发生亲电取代反应,如碘化和硝化

②Pauly反应

a.Tyr酚基还可和重氮化合物结合生成橘黄色的化合物——用于检测Tyr

b.His侧链咪唑基与重氮苯磺酸生成棕红色化合物

c.Arg侧链胍基与环己二酮生成缩合物

保护胍基,用于氨基酸序列分析以及结构与功能研究

d.Trp侧链吲哚基能被

N-溴代琥珀酰亚胺氧化——分光光度法测定蛋白质中Trp含量

e.Met侧链上甲硫基:强亲核基团与烃化试剂成锍盐

此反应能被巯基试剂逆转,逆转后,两甲基除去的机会相等,多用于14C的同位素标记。

此反应提供了胰蛋白酶水解位点,另外还保护-SH基不被重新氧化成二硫键。

f.巯基能和各种金属离子(对氯汞苯甲酸)形成稳定程度不等的络合物,使酶失活。

此反应也是蛋白质结晶学中制备重原子衍生物最常用的方法。

g.Cys的巯基不稳定,易被氧化成二硫键

巯基在有痕量的金属离子如:Cu2+,Fe2+,Co2+或Mn2+时,易被氧化

Cys中的二硫键可被氧化剂(过甲酸)以及还原剂(巯基化合物)打开。

节:AA的光学活性和光谱性质

1.AA的光学活性和立体化学

(1)a-氨基酸的a-碳是一个不对称原子(除了甘氨酸),因此具有旋光性。也分为两种构型D型和L型

(2)苏氨酸,异亮氨酸,羟脯氨酸和羟赖氨酸除了a-碳原子外,还有第二个不对称碳原子。因此有四种光学异构体。它们分别称为L-,D-,L-别-,D-别-氨基酸。

(3)胱氨酸的两个不对称中心是相同的,存在D和L两个异构体以及内消旋Cystine

(4)氨基酸的旋光性

氨基酸的旋光符号和大小取决于它的R基性质,并且与测定的溶液pH有关,这是因为在不同的pH条件下氨基和羧基的解离状况不同。

2.氨基酸的光谱性质

(1)紫外吸收光谱:

①可见光区:无吸收

②远紫外和红外区:都吸收

③近紫外区(200—400nm):芳香族氨基酸Tyr/Trp/Phe才有吸收

原因:含有苯环共轭p键系统-C=C-C=C-C=C-C=C-

(2)核磁共振波谱

核磁共振应用

最初,核磁共振技术主要用于核物理研究方面,用它测量各种原子核的磁矩,误差仅是0.003%~0.005%;迄今,它已广泛应用于化学、食品、医学、生物学、遗传学等学科领域,已成为在这些领域开展研究工作的有力工具,甚至是某些领域(如:化学、医学诊断、药物学等)常规分析中不可缺少的手段。1985年,维特里希等人公布了第一次利用NMR法测定的溶液中蛋白质———蛋白酶抑制剂IIA的结构(如图所示)。1990年用NMR测定的蛋白质结构有23个,而到1994年一年测定的蛋白质结构数上升到100个。

节:氨基酸混合物的分析分离

1.分配层析法的一般原理

层析/色谱——利用AA成分分配系数的差异

分配系数(Kd):当溶质在两种互不相溶的溶剂中分配时,在一定温度达到平衡后,溶质在两相中的浓度比值。

有效分配系数(Keff);VA,VB分别代表A相和B相的体积。溶质的有效分配系数可以调整两相的体积比而加以改变。

(1)逆流分溶的分离规律:

①分配系数大的物质移动越快

②转移次数越多(即分溶管越多),分溶曲线的峰形越窄而高。

(2)层析系统:

①按两相所处状态分:

②按操作形式分:

③按层析原理分:

2.分配柱层析

填充物为亲水性的不溶物质如纤维素、淀粉、硅胶等,支持剂吸附着一层不会流动的水,可以看着为固定相,沿固定相流过的是与它互不相溶的溶剂(苯酚,正丁醇)收集的组分用茚三酮显色定量。得出洗脱曲线。

3.纸层析

4.薄层层析

5.离子交换层析

6.气液层析

(1)层析系统的流动相为气体,如氢、氦、氮,固定相为涂渍在固体颗粒表面的液体,此层析技术为气液层析

(2)氨基酸由于含有各种极性基团,气化十分困难,必须转化为易挥发化合物才能进行层析

(3)PTH-氨基酸,然后经三甲基硅烷基化,便可得到很好气化的氨基酸衍生物。

7.高效液相层析

(1)HPLC的特点:

①使用的固定相支持剂颗粒很细,表面积大

②溶剂系统采用高压,因此洗脱速度增大

(2)多种类型的柱层析都可用HPLC来代替,例如分配层析,离子交换层析,吸附层析以及凝胶过滤。

王镜岩《生物化学》考研笔记(第3章氨基酸),王镜岩生物化学考研题库

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