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2015全国生物奥赛辅导课件:氨基酸


第四节 蛋白质

一、蛋白质的一般特性
(一)蛋白质的含量 细胞干重的50% 生物膜约占60-70% 分布广:所有器官、组织都含有蛋白质;细胞的
各个部分都含有蛋白质。

含量高:蛋白质是细胞内最丰富的有机分子,占
人体干重的45%,某些组织含量更高,例如脾、肺
及横纹肌等高达80%。
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br /> 一、蛋白质的一般特性
(二)蛋白质的生物学功能 1.结构成分

机体的结构蛋白:头发、骨骼、牙齿、肌肉等

纤维蛋白: 胶原蛋白、弹性蛋白、 角蛋白、丝心蛋白等。

一、蛋白质的一般特性
(二)蛋白质的生物学功能 2.调控功能 参与基因调控:组蛋白、非组蛋白等 参与代谢调控:如激素或生长因子等

一、蛋白质的一般特性
(二)蛋白质的生物学功能 3.酶的催化功能

一、蛋白质的一般特性
(二)蛋白质的生物学功能 4.防御和进攻功能

抗原抗体反应 凝血机制

一、蛋白质的一般特性
(二)蛋白质的生物学功能 5.运动功能 肌肉的收缩:肌动蛋白、肌球蛋白等 鞭毛、纤毛摆动:微管蛋白 胞内细胞器运动:动力蛋白、驱动蛋白等

一、蛋白质的一般特性
(二)蛋白质的生物学功能 6.转运功能

血红蛋白 ——运输氧 铜蓝蛋白 ——运输铜

一、蛋白质的一般特性
(二)蛋白质的生物学功能 7.信息传递 信号传导中的受体、信息分子等

8.细胞识别

9.氧化供能

一、蛋白质的一般特性
(三)蛋白质的相对分子质量 6000—6000000或更大 (四)蛋白质的元素组成 C 50 ~ 55 % 主 6~ 8 % 要 H 元 O 20 ~ 23 % 素 15 ~ 18 % 组 N 成 S 0~4 %

有些蛋白质还含有少量的P、Fe、Zn、Cu、Mn、Mo、I等。

一、蛋白质的一般特性
(四)蛋白质的元素组成 ? 蛋白质元素组成特点: 各种蛋白质的含氮量很接近,平均为16%。 凯氏定氮法: 由于体内的含氮物质以蛋白质为主,因此, 只要测定生物样品中的含氮量,就可以根据以下 公式推算出蛋白质的大致含量: 每克样品中蛋白质的含量 (g) = 每克样品含氮克数×6.25 1/16%
1克氮相当于6.25克蛋白质,为测定样品中蛋白质含量的依据

二、氨基酸
(一)氨基酸的结构和类型 1.结构及旋光性

α

L- α-氨基酸

二、氨基酸
(一)氨基酸的结构和类型 1.结构及旋光性 L-甘油醛 α-氨基酸有两种构型:
D-甘油醛

D构型和L构型
它们是与甘油醛相比较 而决定的。凡是与L-甘 油醛构型相同的,就定义 为L-氨基酸,反之为D -氨基酸。

L-丙氨酸

D-丙氨酸

二、氨基酸
(一)氨基酸的结构和类型 1.结构及旋光性 1. 基本氨基酸中,除 脯氨酸 外 其余均属于L-α-氨基酸。 2. 除 甘氨酸 外,氨基酸都具有 旋光性。左旋(-)或右旋(+)

COOH │ H2 N — C — H │ R

Gly —— 没有手性

Pro —— 亚氨基酸

二、氨基酸
(一)氨基酸的结构和类型 2.分类 存在自然界中的氨基酸有 300 余种,但 组成人体蛋白质的基本氨基酸仅有20种。 分类依据 :R基团的结构不同 1. 脂肪族氨基酸 2. 芳香族氨基酸 3. 杂环族氨基酸 分类依据 :R基团的极性不同 1. 非极性R基氨基酸(疏水性) 2. 不带电荷的极性R基氨基酸 3. 带正电荷的R基氨基酸(碱性) 4. 带负电荷的R基氨基酸(酸性)

二、氨基酸
(一)氨基酸的结构和类型 2.分类 (1)侧链含烃链的氨基酸的非极性脂肪族氨基酸
?

此类氨基酸有丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、 甲硫氨酸和脯氨酸,或称为疏水性氨基酸 此类氨基酸在水溶液中溶解度小。

?

(非)脯丙缬

甲亮色异苯

(2)侧链含芳香基团的氨基酸的非极性芳香族氨基酸
? ? ?

此类氨基酸有苯丙氨酸和色氨酸;

其侧链分别由苯基和吲哚基;
苯基的疏水较强;吲哚基在一定的条件下可解离。

(极)丝苏半甘酪谷天

(3)侧链有极性但不带电荷的氨基酸是极性中性氨基酸
?

此类氨基酸有甘氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、苏氨酸、 酪氨酸、天冬氨酸和谷氨酰胺; 此类氨基酸易溶于水。

? ?

半胱氨酸的巯基和酪氨酸的酚羟基,失去质子的倾向 较此类其他氨基酸为大,极性最强。

(酸)谷天 (4)侧链含负性解离基团的氨基酸是酸性氨基酸
? ?

此类氨基酸有谷氨酸、天冬氨酸; 其侧链都含有羧基,均可解离而带负电荷;

(Glu,E)

(Asp, D)

(碱)赖组精 (5)侧链含正性解离基团的氨基酸属于碱性氨基酸
? ?

此类氨基酸有赖氨酸、精氨酸和组氨酸; 其侧链分别含有氨基、胍基、和咪唑基,均可发 生质子化,使之带正电荷。

精氨酸 赖氨酸 (lysine,Lys, K)(arginine,Arg,R)

组氨酸 (histidine, His,H)

二、氨基酸
(一)氨基酸的结构和类型 2.分类 甲缬赖异苯亮色苏 分类依据 :按营养状况分 1.必需氨基酸 :人和动物体内需要而又不能自身合 成,必须由食物供应的氨基酸。 甲硫氨酸(Met)、苏氨酸(Thr)、色氨酸(Trp)、 缬氨酸(Val)、赖氨酸(Lys) 、苯丙氨酸(Phe)、 异亮氨酸(Ile)、亮氨酸(Leu)

2.半必需氨基酸 :尽管自身可以合成,但合成量不能 满足需要,尤其是婴幼儿,不能自身合成的氨基酸。 组氨酸(His),精氨酸(Arg) 3.非必需氨基酸 :其他可已在体内合成以满足需要的 氨基酸。

二、氨基酸
(一)氨基酸的结构和类型 特殊氨基酸

1.脯氨酸-含有环状二级氨基(亚氨基酸)

二、氨基酸
(一)氨基酸的结构和类型 特殊氨基酸 2.蛋白质中的很多氨基酸是经过加工修饰的——修 饰氨基酸,具有新的结构和功能 如:脯氨酸、赖氨酸羟基化
HO N H COOH

H2NCH2CHCH2CH2CHCOOH OH NH2

5- 羟基赖氨酸 I CH3NHCH2CHCH2CH2CHCOOH HO CH2CHCOOH NH2 NH2 I 6-N- 甲基赖氨酸 3,5- 二碘酪氨酸

4- 羟基脯氨酸

胶原中出现的羟基氨基酸残基是形成坚韧的胶原纤维的必要条件; 甲状腺球蛋白中带有甲状腺素等碘化酪氨酸残基。

二、氨基酸
(一)氨基酸的结构和类型 特殊氨基酸 3.半胱氨酸常以胱氨酸的形式存在,有稳定蛋白质 分子构象和使蛋白质折叠起来的作用。

二硫键

半胱氨酸

胱氨酸

二、氨基酸
(一)氨基酸的结构和类型 特殊氨基酸

4.自然界中还存在一些并不是蛋白质组分的非蛋白氨
基酸,已经发现有200余种,具有不同的功能。

5.细菌中含有多种D-α-氨基酸:细菌细胞壁D-丙
氨酸、短杆菌肽和多粘菌肽中D-亮氨酸……

二、氨基酸
(二)氨基酸的酸碱性质和等电点 1.酸碱性质
?

从结构上看,氨基酸分子中含有羧基(-COOH)和氨基 (-NH2)
从物理化学性质上看,氨基酸具有盐的某些属性:白 色晶体、熔点很高(200℃以上分解),不同程度溶于 水而不溶于有机溶剂(不同一般的羧酸和胺)。

?

?

氨基酸在结晶形态或水溶液中,并不是以游离的羧基 或氨基形式存在;而是解离成两性离子,氨基以-NH3+ 形式存在,羧基以-COO-存在

二、氨基酸
(二)氨基酸的酸碱性质和等电点 1.酸碱性质

氨基酸分子在水溶液中或 在晶体状态时都以离子形式存 在,而且是以两性离子的形式 存在。
在同一个氨基酸分子上带 有能放出质子的—NH3+正离子 和能接受质子的—COO-负离子 ,为两性电解质。很少会以不 解离的中性分子形式存在。

中性分子形式

两性离子形式

二、氨基酸
(二)氨基酸的酸碱性质和等电点 1.酸碱性质 氨基酸是两性电解质,其解离程度取决于所 处溶液的pH值。

R CH COOH + + +H NH3
在酸性溶液中的氨基酸

+OH-

+OH+H+

在晶体或水溶液中的氨基酸

在碱性溶液中的氨基酸

pH<pI
阳离子

兼性离子

pH=pI

pH>pI
阴离子

二、氨基酸
(二)氨基酸的酸碱性质和等电点 2.等电点(pI) 在某一特定pH的溶液中,氨基酸分子上的-NH3+基 和-COO-基的解离程度完全相等,以两性离子形式存在 ,即氨基酸所带净电荷为零(即正负电荷数相等), 在电场中既不向阳极也不向阴极移动,呈电中性。此 时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点。

二、氨基酸
(二)氨基酸的酸碱性质和等电点 2.等电点(pI)

等电点时氨基酸的特点:
1.净电荷数等于零,在电场中不移动;

2.此时氨基酸的溶解度最小,容易沉淀。
3.由于羧基解离度大于氨基的解离度,所以含一个

氨基和一个羧基的中性氨基酸的等电点都在pH6.0
左右。碱性氨基酸(二氨基一羧基)的等电点较大, 酸性氨基酸(一氨基二羧基)的等电点较小。

二、氨基酸
(二)氨基酸的酸碱性质和等电点 2.等电点(pI) 等电点的测定: 1.用酸碱滴定方法测定; 2.按氨基酸分子上可解离基团的pK值计算 pK值:解离常数(K)的负对数,数值等于该解离基团 有一半被解离时的pH值。 pK的编号通常以酸性最强的 基团的解离开始。 等电点相当于该氨基酸的两性离子状态两侧的基团 pK值之和的一半。

pI=(pK1+pK2)/2

二、氨基酸
(二)氨基酸的酸碱性质和等电点 2.等电点(pI)

氨基酸等电点特征的应用
1.混合氨基酸的分离或制备;

2.判断在某一pH值下氨基酸的带电性。
pH > pI时,氨基酸带净负电荷,在电场中将向正极移动; pH < pI时,氨基酸带净正电荷,在电场中将向负极移动; pH = pI时,氨基酸所带净电荷为零,在电场中在原点不动。

二、氨基酸
(二)氨基酸的分离和分析鉴定 1.根据氨基酸溶解度不同为原理 层析技术 是利用混合物中各组分的物理化学性质

的差别,使各组分以不同程度分布在两相中,其中

一相为固定相(可以固相、液相或半固相),另一
相流过此相的称作流动相(可以液相或气相),并

使各组分以不同速度移动,从而达到分离的目的。
可分离物质 糖类、有机酸、氨基酸、核苷等

二、氨基酸
(二)氨基酸的分离和分析鉴定 1.根据氨基酸溶解度不同为原理

固定相 在层析过程中起分离作用而不随层析过程移动
的物质。如纸层析中固定相是滤纸纤维中结合的水。

固定相被看成是样品移动的阻力。
流动相 在层析过程中因其本身流动而推动样品移动的

物质。如纸层析中流动相是有机溶剂。

层析的分类
名称 分配层析 离子交换层析 吸附层析 亲和层析 凝胶层析 操作方式 纸层析 薄层层析 离子交换柱层析 吸附薄层层析 气体吸附层析 酶与底物 抗原与抗体 凝胶过滤 固定相 液体 固体 固体 固体 固体 流动相 液体 液体 液体 气体 液体 液体 分离依据 溶解度 带电性 静电引力 吸附力 配体专一性 分子大小

二、氨基酸
(二)氨基酸的分离和分析鉴定 1.根据氨基酸溶解度不同为原理 (1)纸层析法 是分离鉴定蛋白质的氨基酸组成的重要方法。 纸纤维上的 –OH 基具有亲水性,所以能吸附一 层水作为固定相,而通常把有机溶剂作为流动相。

流动相流经支持物时与固定相间连续抽提,使物质
在两相间不断地分配而得到分离。

具体操作: 1、层析滤纸准备:取层析滤纸一张。在纸的一端距边 缘2~3 cm处用铅笔划一条直线。 2、点样:用毛细管将氨基酸样品点在此直线位置上。 3、扩展 :将点有样品的滤纸直立于培养皿中(点样的 一端在下,扩展剂的液面需低于点样线1 cm),待溶 剂上升约15 cm时即取出滤纸,自然干燥或用吹风机热 风吹干。 4、显色:用喷雾器均匀喷上0.1%茚三酮正丁醇溶液, 用热风吹干即可显出各层析斑点,加以鉴定。

纸色谱小实验动画演示

二、氨基酸
(二)氨基酸的分离和分析鉴定 1.根据氨基酸溶解度不同为原理 (2)薄层层析法 通常指以支持剂为固定相的一种液相色谱法。 即将固定相在玻璃、金属或塑料等光洁的表面上均 匀地铺成薄层,试样点在薄层的一端,流动相借毛 细作用流经固定相,使被分离的物质展开。 优点:快速(数十秒—数十分钟) 、分辨率高、 所需样品量微和操作简便。

薄层板的制作 用专门的涂布器把浆状的支持剂(纤维素、硅 胶、氧化铝、聚酰胺等)均匀地涂在薄层板(玻璃 板、金属板或弹性塑料板)上,干燥( 110℃活化) 后即可使用。

展开方式 (1)近水平展开:将点样后的薄层板下端浸入展开剂 0.5cm,薄层上端垫高使薄层与水平成5-10? 的角。 (2)上行展开:将点样后的薄层放在盛有展开剂的直立 型的展开槽中,展开剂由薄层下端借毛细管作用上 升至前沿。 (3)下行展开 (4)双向展开

薄 层 板

玻璃板上涂吸附剂

上行法 层 析 缸 层 析 缸

下行法

滤纸条 展开剂

薄层板 展开剂

薄层板

二、氨基酸
(二)氨基酸的分离和分析鉴定 1.根据氨基酸等电点不同为原理 (1)离子交换柱层析法 指用离子交换剂(具有离子交换性能的物质)作 固定相,利用它与流动相中的离子能进行可逆的交换 性质来分离离子型化合物的层析方法。 是以离子间相互作用为基础的氨基酸分离方法。 其基本原理是利用离子交换剂对不同氨基酸吸附能力 的差异进行的分离。可以实现对氨基酸分组或实现单 一的成分分离。

二、氨基酸
(二)氨基酸的分离和分析鉴定 1.根据氨基酸等电点不同为原理 (1)离子交换柱层析法 离子交换剂(固定相) 基质:具有网状结构的高分子聚合物。稳定,不溶于水 ,不溶于酸、碱和一般有机溶剂。如:聚苯乙烯、纤维 素、葡聚糖、琼脂糖。 电荷基团(活性基团):与高分子聚合物共价结合,形 成一个带电的活性基团。 平衡离子(反离子):是结合于电荷基团上的相反离子 ,它能与溶液中其它的离子基团发生可逆的交换反应。

离子交换剂(固定相)
? ?⊕ ? ⊕ ⊕ ⊕ ? ? ⊕ ⊕
平衡离子 电荷基团 基质

⊕ ? ⊕

⊕ ?

?

? ⊕

阴离子交换剂 平衡离子:阴离子 与负电荷混合物发生交换

阳离子交换剂 平衡离子:阳离子 与正电荷混合物发生交换

二、氨基酸
(二)氨基酸的分离和分析鉴定 1.根据氨基酸等电点不同为原理 (1)离子交换柱层析法 调节相应氨基酸溶液的pH值,使相应氨基酸呈阳离 子或阴离子。 选用阳离子交换树脂或阴离子交换树脂进行离子交 换层析而分离得到相应的氨基酸。 如:pH值为3时,交换能力大小: 碱性氨基酸>中性氨基酸>酸性氨基酸

按载体种类不同 1.离子交换树脂:主要有聚苯乙烯树脂
据所含交换基团的性质分:

阳离子交换树脂 强酸型:含磺酸基团 (R-SO3H) 中等酸型:含磷酸基团 (-O-PO2H4) 弱酸型:含酚基、羧基(-COOH) 阴离子交换树脂 强碱型:含季胺基团 [-N+(CH3)3] 弱碱型:含叔胺、伯胺基团[-N(CH3)2 ] 阴离子交换树脂对化学试剂及热都不如阳离子 交换树脂稳定。

2.离子交换纤维素 阴离子交换纤维素 —如:DEAE-纤维素 pH8.6以下分离中性或酸性物质,具二乙胺乙基 阳离子交换纤维素—如:CM-纤维素 一般pH>4条件下使用,具有羧甲基

3.离子交换凝胶— 分离大分子物质 如:葡聚糖、聚丙烯酰胺、琼脂糖

二、氨基酸
(二)氨基酸的分离和分析鉴定 1.根据氨基酸等电点不同为原理 (2)沉淀法 调节溶液的 pH 值等于某种氨基酸的 pI 时,该 氨基酸会由于静电引力的作用,溶解度最小,容 易发生沉淀。


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