第三章氨基酸.docx

第3章氨基酸四大类生物分子中蛋白质是生物功能的主要载体，而氨基酸（amino acid）是蛋白质的构件分子。自然界中存成千上万在的种蛋白质，在结构和功能上的惊人的多样性归根结底是由20种常见氨基酸的内在性质造成的。这些性质包括聚合能力，特有的酸碱性质，侧链的结构及其化学功能的多样性，手性。本章主要讲述这些性质，它们是讨论蛋白质和酶的结构、功能以及许多其他有关问题的基础。一、氨基酸—蛋白质的构件分子（一）蛋白质的水解一百多年前就开始了关于蛋白质的化学研究。在早期的研究中，水解作用提供了关于蛋白质组成和结构的极其价值的资料。蛋白质可以被酸、碱或蛋白酶催化水解。在水解过程中，逐渐降解成相对分子质量越来越小的肽段（peptide fragment），直到最后成为氨基酸的混合物。根据蛋白质的水解程度，可分为完全水解和部分水解两种情况。完全水解或称彻底水解，得到的水解产物是各种氨基酸的混合物。部分水解即不完全水解，得到的产物是各种大小不等的肽段和氨基酸。下面简略地介绍酸、碱和酶3种水解方法及其优缺点：酸水解常用H2SO4或HCl进行水解。一般6mol/L HCl，4mol/L H2SO4；回流煮沸20h左右可使蛋白质完全水解。酸水解的优点是不引起消旋作用（racemization），得到的是L-氨基酸。缺点是色氨酸完全被沸酸所破坏，羟基氨基酸（丝氨酸及苏氨酸）有一小部分被分解，同时天冬氨酸和谷氨酰胺的酰胺基被水解下来。碱水解一般与5mol/L NaOH共煮10~20h，即可使蛋白质完全水解。水解过程中多数氨基酸遭到不同程度的破坏，并且产生消旋现象，所得产物是D-和L-氨基酸的混合物，称消旋物（见本章氨基酸的光学活性部分）。此外，碱水解所需时间较长。因此酶法主要用于部分水解。常用的蛋白酶有胰蛋白酶（trypsin）、胰凝乳蛋白酶或称糜蛋白酶（chymotrypsin）以及胃蛋白酶（pepsin）等，它们主要用于蛋白质一级结构分析以获得蛋白质的部分水解产物。（二）α-氨基酸的一般结构从蛋白质水解产物中分离出来的常见氨基酸只有20种（更确切地说为19种氨基酸和1种亚氨基酸即脯氨酸）。除脯氨酸及其衍生物外，这些氨基酸在结构上的共同点是与羧基相邻的α-碳原子（Cα）上都有一个氨基，因此称为α-氨基酸。连接在α-碳上的还有一个氢原子和一个可变的侧链，称R基，各种氨基酸的区别就在于R基的不同。α-氨基酸的结构通式见图3-1.因为氨基酸同时含有氨基和羧基，所以它们能以首尾相连的方式进行聚合反应，除去一分子水形成一个共价酰胺键或称肽键：在水溶液中此反应的平衡有利于肽键的水解，因此在生物系统或实验室中形成肽键都是以输入能量的间接方式进行的（见第4章和下册第38章）。氨基酸在中性pH时，羧基以-COO-，氨基以-NH3+形式存在。着样的氨基酸分子含有一个正电荷和一个负电荷，称为兼性离子。α-氨基酸除R基为氢（甘氨酸）以外，其α-碳原子实一个手性碳原子，因此都具有旋光性。并且蛋白质中发现的氨基酸都是L型的。α-氨基酸都是白色晶体，熔点很高，一般在200℃以上。每种氨基酸都有特殊的晶体形状。利用结晶形状可以鉴别各种氨基酸。除胱氨酸和酪氨酸外，一般都能溶于水。脯氨酸和羟脯氨酸还能溶于乙醇或乙醚中。二、氨基酸的分类从各种生物体中发现的氨基酸已有180多种，但是参与蛋白质组成的常见氨基酸或称基本氨基酸只有20种。此外在某些蛋白质中还存在若干种不常见的氨基酸，它们都是在已合成的肽链上由常见的氨基酸经专一酶催化的化学修饰转化而来的。180多种天然氨基酸中，大多数是不参与蛋白质组成的，这些氨基酸被称为非蛋白质氨基酸。参与蛋白质组成的20种氨基酸称为蛋白质氨基酸。为表达蛋白质或多肽结构的需要，氨基酸的名称常使用三字母的简写符号表示，有时也使用单字母的简写符号表示，后者主要用于表达长多肽链的氨基酸序列。这两套简写符号见于表3-1。常见的蛋白质氨基酸前面说过，各种氨基酸的区别就在于侧链R基的不同。这样组成蛋白质的20种常见氨基酸可以按R基的化学结构或极性大小进行分类。按R基的化学结构20种常见氨基酸可分为脂肪族、芳香族和杂环族3类，其中以脂肪族氨基酸为最多。脂肪族氨基酸（1）中性氨基酸①甘氨酸（氨基乙酸）是唯一不含手性碳原子的氨基酸，因此不具旋光性。②丙氨酸（α-氨基丙酸）③缬氨酸（α-氨基-β-甲基丁酸）④亮氨酸（α-氨基-γ-甲基戊酸）⑤异亮氨酸（α-氨酸-β-甲基戊酸）（2）含羟基或硫氢氨基酸（图3-3）⑥丝氨酸（α-氨基-β-羟基丙酸）⑦苏氨酸（α-氨基-β-羟基丁酸）⑧半胱氨酸（α-氨基-β-巯基丙酸）在蛋白质中经常以其氧化型的胱氨酸存在。胱氨酸是由两个半胱氨酸通过它们侧链上的-SH基氧化成共价的二硫桥（disulfide bridge）连接而成的。⑨甲硫氨酸或称蛋氨酸（