结构生物化学 - 01 蛋白质的结构与功能

氨基酸(Amino acids)

氨基酸是同时含有氨基(-NH2)和羧基(-OH)的有机小分子。

R
|
H2N-C-COOH
|
H

不同的但计算侧链基团R不同。

氨基酸是肽的组成单位,也是其他生物分子合成的前体或原料,例如:

  • 核苷酸从头合成需要谷氨酰胺、甘氨酸和天冬氨酸
  • 肾上腺素由酪氨酸变来,组胺由组氨酸变来
  • 用于扩张血管的气体信号分子一氧化氮来源于精氨酸
  • 一种气体激素(也是植物激素)乙烯由甲硫氨酸变来
  • 氨基酸脱氨基后留下的碳骨架可以充当葡萄糖和酮体的原料,也可以进一步分解从而给机体供能

蛋白质氨基酸与非蛋白质氨基酸(Proteinogenic AA & non-protenogenic AA)

自然界中已经发现的氨基酸有300种以上,但目前只有22种直接参与蛋白质合成。这22种氨基酸也被称为蛋白质氨基酸,也称为标准氨基酸(standard amino acids),其他所有的氨基酸是非蛋白质氨基酸。

为什么这22种氨基酸可以在蛋白质合成中直接参入到蛋白质分子中呢?

一种氨基酸要想在翻译的时候能够直接参入蛋白质分子中,则必须先跟一种特定的tRNA结合,由酶催化,形成氨酰-tRNA。只有蛋白质氨基酸才有能够跟自己结合的tRNA。

  • 7种非极性氨基酸:甘氨酸、丙氨酸、脯氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸。他们的侧链是疏水的。
  • 6种极性但生理PH状态不带电荷的氨基酸:丝氨酸、苏氨酸、谷氨酰胺、天冬氨酸、半胱氨酸、吡咯赖氨酸。
  • 3种极性带正电荷的氨基酸:精氨酸、赖氨酸、组氨酸。它们也呈碱性。
  • 3种极性带负电荷的氨基酸:天冬氨酸、谷氨酸、硒代半胱氨酸。其中谷氨酸和天冬氨酸为酸性氨基酸。
  • 3种芳香族氨基酸:苯丙氨酸、酪氨酸、色氨酸。它们的苯环上有共轭双键,有紫外吸收性质,最大吸收峰是280nm。

按照发现顺序,第21种氨基酸硒代半胱氨酸只存在于少数蛋白质中,那些蛋白质叫做含硒蛋白。第22种氨基酸吡咯赖氨酸更为罕见,只在少数可以产生甲烷的古菌体内发现。

遗传密码子一共有64个,其中61种用于编码20种常见的蛋白质氨基酸,另3种为终止密码子。而硒代半胱氨酸和吡咯赖氨酸由3种终止密码子中的2种在特殊情况下编码。

几种常见的非蛋白质氨基酸(可能是天然的,也可能是蛋白质氨基酸的修饰产物)

非蛋白质氨基酸 存在于
瓜氨酸 尿素循环
鸟氨酸 尿素循环
胱氨酸 2个半胱氨酸的氧化产物
r-氨基丁酸(r-GABA) 神经递质
羟脯氨酸 脯氨酸的羟基化产物

其中瓜氨酸不存在于蛋白质中,但在体内存在,对尿素形成极为重要。

疏水氨基酸和亲水氨基酸(Hydrophobic & Hydrophilic AAs)

疏水氨基酸侧链为非极性,不喜欢水。包括:苯丙氨酸、色氨酸、缬氨酸、脯氨酸、亮氨酸、丙氨酸、异亮氨酸、甲硫氨酸、甘氨酸。

亲水氨基酸侧链为极性,喜欢水。包括:硒代半胱氨酸、精氨酸、组氨酸、谷氨酸、谷氨酰胺、半胱氨酸、天冬氨酸、天冬酰胺、赖氨酸、苏氨酸、酪氨酸、吡咯赖氨酸、丝氨酸。

记住氨基酸是疏水还是亲水有以下作用:

  • 有助于理解蛋白质是如何折叠的以及蛋白质的三维结构是如何稳定的
    疏水氨基酸是驱动蛋白质折叠最重要的动力。它们的疏水侧链基团彼此结合在一起,形成疏水核心。当蛋白质折叠完成后,疏水核心是稳定蛋白质结构最重要的化学键(疏水键)。

  • 有助于判断那些氨基酸可以利用它们的侧链参与酶的催化
    所有的酶都有活性中心,活性中心直接催化化学反应。在活性中心上有亲水氨基酸和疏水氨基酸,只有亲水氨基酸会去催化化学反应,因为疏水氨基酸的侧链基团从化学角度来说是惰性的。

  • 有助判断哪些氨基酸的侧链可以被化学修饰以调节酶活性
    酶的共价修饰调节需要对酶分子上一些特殊的氨基酸残基的侧链进行化学修饰,比如磷酸化修饰、甲基化修饰等等。只有亲水氨基酸可以做到。

  • 有助于判断哪些氨基酸参与DNA和蛋白质之间序列特异性相互作用
    细胞核中有许多重要蛋白质会跟DNA发生特异性结合,这需要蛋白质能够有效识别DNA分子上特殊的碱基序列。这些蛋白质其实是通过亲水氨基酸的侧链基团所带有的氢键供体或氢键受体。主要是通过跟DNA双螺旋暴露在大沟里面的碱基的氢键供体和受体形成特异性的氢键来起识别作用的。

必须氨基酸和非必须氨基酸(Essential & Non-essential AAs)

2种半必需氨基酸,包括组氨酸和精氨酸,虽然可以合成,一般情况下合成量已经可以满足需求,但某些条件下(如青少年发育、孕妇怀孕期间对氨基酸需求量比较大)需要从食物补充。

8种必须氨基酸:缬氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、色氨酸、苏氨酸、赖氨酸。

氨基酸的英文缩写(Abbreviations for 22 AAs)

序号 中文 英文 缩写 单字母缩写
1 丙氨酸 Alanine Ala A
2 精氨酸 Arginine Arg R
3 天冬酰胺 Asparagine Asn N
4 天冬氨酸 Aspartic Acid Asp D
5 半胱氨酸 Cysteine Cys C
6 谷氨酰胺 Clutamine Gln Q
7 谷氨酸 Glutamic Acid Glu E
8 甘氨酸 Glycine Gly G
9 组氨酸 Histidine His H
10 异亮氨酸 Isoleucine Ile I
11 亮氨酸 Leucine Leu L
12 赖氨酸 Lysine Lys K
13 甲硫氨酸 Methionine Met M
14 苯丙氨酸 Phenylalanine Phe F
15 脯氨酸 Proline Pro P
16 丝氨酸 Serine Ser S
17 苏氨酸 Threonine Thr T
18 色氨酸 Tryptophan Trp W
19 酪氨酸 Tyrosine Tyr Y
20 缬氨酸 Valine Val V
21 硒代半胱氨酸 Selenocysteine Sec U
22 吡咯赖氨酸 Pyrrolysine Pyl O
. 天冬氨酸
/ 天冬酰胺
Asparagine
/ Aspatic Acid
Asx B
. 谷氨酰胺
/ 谷氨酸
Glutamine
/ Glutamic Acid
Glx Z

氨基酸的缩合反应 AA Condensation reaction

在一定条件下,一个氨基酸分子的氨基可以和另一个氨基酸分子的羧基发生缩合反应,脱去一分子水,以酰胺键或肽键相连形成肽。此反应是肽的人工合成或生物合成的分子基础。

氨基酸的手性 Chirality of Amino Acids

除了甘氨酸,其余氨基酸均至少含有一个不对称碳原子(苏氨酸和异亮氨酸有两个手性碳),因此都具有手性(chirality)。如果以L型甘油醛和D型甘油醛为参照物,具有不对称碳原子的氨基酸就有L型和D型两种对映异构体(enantiomer)或镜像异构体。

实验证明,蛋白质分子中的不对称氨基酸都是L型,这是由于氨基酸和tRNA结合时候的酶具有立体专一性,只能识别L型氨基酸。

D型氨基酸仅存在于一些特殊的抗菌肽(如短杆菌肽)和细菌细胞壁的主要成分——肽聚糖之中,它们不能参入到在核糖体上合成的多肽或蛋白质分子之中。

必须指出的是,氨基酸的D型和L型与氨基酸的旋光方向没有必然的联系,也就是说,某些L型氨基酸使偏振光的振动方向顺时针旋转(正值),而另一些则是逆时针旋转(负值)。一种氨基酸的旋光方向需要通过实验(旋光仪)来测定。

氨基酸的两性解离与等电点 Acid & base dissociation of amino acids and PI

由于氨基酸同时带有氨基和羧基,氨基是一个碱性的基团,羧基是一个酸性的基团,所以氨基酸具有两性解离的性质,即可以以两性离子的形式存在。

具有两性解离性质的分子就具有等电点。等电点是一个特殊的PH值,在这个PH值下相应的两性解离分子所带的净电荷刚好是0。

如何确定氨基酸的等电点

  • 实验测定-滴定
  • 计算

茚三酮反应 Reaction with Ninhydrin

氨基酸与水合茚三酮一起在水中加热,可以发生反应,产生蓝紫色物质,被称为茚三酮反应。所有的氨基酸以及具有游离α-氨基和α-羟基的肽和蛋白质都可以与茚三酮起反应,并产生蓝紫色物质,只有脯氨酸和它的修饰产物(羟脯氨酸)与茚三酮反应生成黄色物质。

可以用于纸层析后看氨基酸所处的位置,也可以用于刑侦——采集指纹。

Sanger反应 Reaction with DNFB