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胺 基 酸
● 1 胺基酸基本構造● 2 胺基酸分類● 3 胜肽● 4 胺基酸的離子性質:
4.1 解離度4.2 等電點
一級構造
蛋白質的四級構造
四級構造
二級構造
三級構造
Nelson & Cox (2000) Lehninger Principles of Biochemistry (3e) p.129
胺基酸
COO-
R group
胺基
酸基
L-Form Amino Acid
H = GlycineCH3 = Alanine
H N3+
H
Juang RH (2007) BCbasics
sp3
胺基酸有鏡像異構物
α α鏡 像
化性相同、物性 (旋光度) 不同立體構造不同 (算是異構物)
Juang RH (2007) BCbasics
Leu L
-C-C-CONH2-C-CONH2
-C-COOH -C-C-COOH
-H -CH3
-C-OH -C-SH
-C-C-S-C PPro
-C-C CN N+
-C-C-C-C-NH3+ -C-
-C- -OH
-C-N
雙和線
環狀線
中央線
南港線
中山線
西北線
Aliphatic
Amide
Acidic
Imino acid,Circular
Basic
SulfurHydroxy
Aromatic-C-C-C-N-C-NN+
=
C-C-C-C
C-C-C-C
C C-C
CC CHN C-COOH
α-C-COH
Gln QAsn N
Asp D Glu EPhe F
Arg R
Lys K
His H
Gly G AAAla VVal IIle
YTyr
Ser S
Thr T Met M
Cys C
胺基酸地下鐵道圖
Trp W
Non-polar
Polar
Juan
g R
H (2
007)
BC
basi
cs
PO
LAR
NO
N-
PO
LAR
Tyr His
Gly
Acidic Neutral Basic
Asp
Glu GlnCys
Asn Ser
Thr Lys
Arg
AlaVal
IleLeu Met
Phe TrpPro
胺基酸的極性分類
『極性或非極性,是蛋白質性質之所繫。』
Juang RH (2007) Biochemistry
Gly Ala Val Leu Ile
Phe Tyr Trp Cys Met
S S
Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.20
各式胺基酸的大小樣式齊全
-SH -S-CH3
雙硫鍵
劇烈轉折Pro
Cys
SH
CysSH
Cys
S
Cys S
Cystine
Stryer (1995) Biochemistry (4e) p.25, 32
兩種胺基酸對蛋白質構造影響很大
Cysteine
Bio-
Lab 廣
告C
ell 8
3 (4
), 19
95
-
-+
+ +
S
S
有大有小
有正有負
有極性非極性
形形色色的胺基酸側基
NH2 COOH1 NH2 COOH2
NH2 C N COOHO
H21
兩個胺基酸分子頭尾連接起來
胜肽鍵的形成
脫水Carbodiimide
Juang RH (2007) BCbasics
N
C
C
α
α
H
NN
C
●● 胜肽鍵 雖是單鍵卻有雙鍵性質
O
●● 胜肽鍵 周邊六個原子在同一平面上
●● 前後兩個胺基酸的 α-carbon 在對角 (trans)
C
胜肽鍵的特性
spsp22 spsp22
Juang RH (2007) BCbasics
sp2 + p sp2 + lp
p 軌道電子共振使胜肽鍵具雙鍵特性
HCC N
CO
Juang RH (2007) BCbasics
兩胜肽鍵平面的交接點為 α-碳
以胜肽鍵平面連接成多肽長鏈
注意 α-碳上面接有各種大小不等的基團Mathews et al (2000) Biochemistry (3e) p.136
單位小分子 N-C-C-N-C-C-N-C-C
α-碳為中心 N-C-C-N-C-C-N-C-Cα α α
兩端胺基酸 NN-C-C-N-C-C-N-C-CC
胜鍵的定位 N-C-C-N-C-C-N-C-C
如何檢視一段胜肽
Juang RH (2007) BCbasics
●●腦啡 Enkephalin (YGGFM)●●代糖 L-Aspartame (L-Asp-Phe-CH3)●●短鏈荷爾蒙 Oxytocin, Vasopressin●●抗生素 Gramicidin S (含 D-amino acid)
色胺酸 (安眠效果) Tryptophan
麩酸鈉 (味素) Sodium Glutamate
具有生理功能的胜肽或胺基酸
胺基酸
Juang RH (2007) BCbasics
H3N+– CH – C – N – CH – C – O – CH3
COO-
CH2 O OCH2
H
L-Aspartyl-L-phenylalanine methyl ester
Aspartame
Cam
pbel
l (19
99) B
ioch
emis
try (3
e) p
.95
阿斯巴甜
腦啡與其受體結合後可以產生鎮痛與麻醉效果
嗎啡可以模擬腦啡的作用因此有類似鎮痛、麻醉的效用
牛頓雜誌 (1991) 第 164 期, p.48-49
嗎啡與腦啡有相似分子構形而與腦啡受體結合
EnkephalinMorphine
Tyr
Gly
GlyPhe Met
Dressler & Potter (1991) Discovering Enzymes, p.247
胺 基 酸
● 1 胺基酸基本構造● 2 胺基酸分類● 3 胜肽● 4 胺基酸的離子性質:
4.1 解離度4.2 等電點
重新看水分子構造
永久的偶極性
陰電性
O 3.5N 3.0C 2.5H 2.1
由各種原子所組合成的官能基,
因為原子間陰電性的不同,造成
官能機的極性大小不同,反應性
也有所差異。
● 水分子的極性
● 水的介電常數
● 水分子間的氫鍵
● 水與 pH 的關係
C-C
+δ
-δ有機化合物
官能基
O
lplp
地球早期的大氣成分 H2 CH4 NH3 H2O
CC
CH3
COOH
RNH2
- +
Juang RH (2007) BCbasics
陰電性對分子化學性質的重大影響
HOH H+ + OH-
3.5
2.1 2.1
[10-7 M] [10-7 M]
氫與氧的懸殊陰電性造成氫的解離
電子都被氧原子搶去
[55 M]
OH H
Juang RH (2007) BCbasics
氫離子
-
H1.008
1
hydride
+
1s
-
氫原子
+-
+質子-
氫離子 hydride → 氫原子 hydrogen → 質子 proton
-
Juang RH (2007) BCbasics
黃河
長江
The University Atlas (1978) p.86
東亞地形圖
中 國
AH A- + H+CH3COOH CH3COO
-
HCl Cl- + H+強酸
pH = pKa + log [A-][AH]
Ka
H-H公式
弱酸或弱鹼才可作為緩衝分子
Juang RH (2007) BCbasics
(1) Ka 的定義
(2) 兩邊取 log
(3) 移項
(4) 定義 -log 為 p
分解右邊 log
Henderson-Hasselbalch 公式描述緩衝液分子的解離常數與其緩衝作用的機制
Ka = [A-] [H+]
[AH]
logKa = [A-][AH]
log[H+]
logKa = log[H+] +[A-][AH]
log
-log[H+] = -logKa +[A-][AH]
log
pH = pKa +[A-][AH]log
如何推導公式
Juang RH (2007) BCbasics
◎ Ka 平衡式做數學轉換一、兩邊取 log二、移項取出 [H+]三、定義 p 為 -log (pH = -log [H+])
醋酸的 pKa
★
CH3COOH = CH3COO- + H+
Ka = =[A-] [H+]
[AH]1
105
例如 乙酸
◎ Ka是平衡後兩邊的濃度比
(pKa = 5)
pH = pKa +[A-][AH]
logH-H公式
已解離
未解離
AH A- + H+
pH = 常數 pKa? ….. 當 [A-] = [AH], log 1 = 0
弱酸如何作為緩衝分子
Juang RH (2007) BCbasics
[OH-]
pH
5
可作為緩衝的 pH 範圍(恰等於其 pKa)
pH = pKa +[A-][AH]
logH-H公式
已解離
未解離
[OH-]
pH 水
pKa
乙酸
弱酸在其 pKa 上下有緩衝作用
★
Juang RH (2007) BCbasics6 = 5 + 1
101
高低
Proton: 最小且最多的生物粒子,影響酸鹼度及分子帶電性質
H+
lone pair electrons
HH
H+
NHH
N胺基
H+
AmpholyteAmpholyte: 一個分子上同時帶有正電及負電基團
酸 基 CO
O
HC
O
O
質子可以吸著或脫離基團
pKa
Juang RH (2007) BCbasics
低高 pKa
COOH
NH2 H+
COO-R-C-H
NH2 H+
R-C-HCOO-
NH2R-C-H
酸性環境 中性環境 鹼性環境
+1 -10
pK1 ~ 2
pK2 ~ 9
等電點
5.5
Juang RH (2007) BCbasics
Zwitterion
12
9
6
3
0外加 [OH] →
★
★
pK1
pK2
環境pH
pIH-C-RCOO-
NH2 H+
等電點 =
pK1 + pK22
胺基酸的緩衝作用範圍
Juang RH (2007) BCbasics
環境酸鹼度影響蛋白質的淨電荷
+Net Charge of a Protein
Buffer pH
Isoelectric point,pI
-
3456789
10
0 -Juang RH (2007) BCbasics
pKa = 1.8~2.4pKa = 3.9~4.3
pKa = 6.0pKa = 8.3pKa = 10
pKa = 8.8~11pKa = 10~12.5
+ H+
+ H+
+ H+
+ H+
+ H+
+ H+
+ H+
-COOH -COO-α α-COOH -COO-R R
-Imidazole·H+ -ImidazoleHis His-SH -S-Cys Cys-OH -O-Tyr Tyr
-NH3+ -NH2α α-NH3+ -NH2R R
pKa 越小質子越容易放出
胺基酸中有很多可以釋出質子或接受質子的基團
各種胺基酸基團的離子化與其 pKa
His 是唯一具有近中性 pKa 基團 (imidazole) 的胺基酸α酸基或胺基的 pKa 都比 R 基團上面者要低 (較容易解離)
Juang RH (2007) BCbasics
在蛋白質中的胺基酸基團 pKa 會受到環境影響而改變 (蛋白質微環境)
Amino acids -COOH -NH2 -RGly G 2.34 9.60Ala A 2.34 9.69Val V 2.32 9.62Leu L 2.36 9.68Ile I 2.36 9.68Ser S 2.21 9.15Thr T 2.63 10.4Met M 2.28 9.21Phe F 1.83 9.13Trp W 2.38 9.39Asn N 2.02 8.80Gln Q 2.17 9.13Pro P 1.99 10.6Asp D 2.09 9.82 3.86Glu E 2.19 9.67 4.25His H 1.82 9.17 6.0Cys C 1.71 10.8 8.33Tyr Y 2.20 9.11 10.07Lys K 2.18 8.95 10.53Arg R 2.17 9.04 12.48
pK1
pK1
pK2
pK2
pK3
[OH-]
pH
等電點
等電點?
pK1 + pK22
三個 pKa
兩個 pKa
?
?
具有多個解離基團的胺基酸
Juang RH (2007) BCbasics
HOOC-CH2-C-COOHNH3+
H
HOOC-CH2-C-COO-
NH3+
H
-OOC-CH2-C-COO-
NH3+
H
-OOC-CH2-C-COO-
NH2
H
+1
0
-1
-2
pK1 = 2.1
pK2 = 3.9
pK3 = 9.8
2.1 + 3.92
= 3.0
first
second
third
Isoelectric point
取 pI 前後的兩個 pK 值平均
pK1
pK2
pK3
Aspartic acid
+1
0
-1
-2
Juang RH (2007) BCbasics
[OH]
Zwitterion
Amino(1) 2007AAmino(2) 2007A