مواضيع المحاضرة: Amino acids & proteins
background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

1

Amino Acids 

Proteins

Biochemistry 3070


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

2

• Proteins are linear  copolymers  built from 

monomeric units called  amino acids.

• Twenty amino acids are commonly found in 

proteins.

• These amino acids contain a variety  of different 

functional groups:

– Alcohols

(R-OH)

– Phenols

(Ph-OH)

– Carboxylic  acids

(R-COOH)

– Thiols

(R-SH)

– Amines

(R-NH

2

)

– and others…


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

3

• Protein function depends on  both

– amino acid content, and
– amino acid sequence.

• Protein fold into diverse shapes such as

– spherical
– elipsoidal
– long strands, etc.

• All information for 3-D structure is 

contained in the linear sequence of amino 
acids.


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

4

• To understand protein function, we must 

first understand the nature of amino acids.

• Amino acids are essentially α-amino acids:

alpha carbon (IUPAC  #2 position)

H

2

– C – COOH

|

R

• When R is not H, the alpha carbon 

is asymetric, giving rise to isomers.


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

5

Only L-amino acids are constituents  of proteins.

“L” and “D” isomeric  nomenclature is similar  to the 

“R” and “S” utilized  in modern organic chemistry.


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

6

• Carboxylic acids are traditional Bronsted-

Lowery acids, donating a proton in 
aqueous solution.

• The pKa for caroboxylic acids is normally 

around 2 to 5.  That is, the pH at which 
these acids are 50% ionized:

R-COO

H

R-COO

-

+  

H

+

pH= [less than 2]    

[above 5]


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

7

• Amino groups function as bases, 

accepting a proton.

• The pKa for amino groups is usually 

around 9 

– 10.  Again, at the pKa these 

groups are 50% ionized:

R-N

H

3

+

R-NH

2

+  

H

+

pH=      [below 8]     

[above 9]


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

8

• Even though both acids and amines are present in the 

same molecule, they mostly behave  as though they were 
separate  entities:


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

9


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

10

• Summary:
At low pH, proton concentration [H+]is high.  

Therefore, both amines and carboxylic 
acids are protonated. (

-NH

3

+

&

-COOH

)

At high pH, proton concentration is low.  

Therefore, both amines and carboxylic 
acids are deprotonated. (

-NH

2

-COO

-

)

At neutral pH, amines are protonated(

-NH

3

+

and carboxylates are deprotonated

(-COO

-

)


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

11

• “Zwitter” Ions:
• Ions bearing two charges were named 

zwitter ions by German scientists;  the 
name still applies today, especially for 
amino acids at neutral pH:

+

H

3

– CH

2

– COO

-


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

12

Acid-Base Properties of Amino Acids

Draw the following chemical structures for glycine:

(Non-existent form:) 

H

2

N

– CH

2

-

COOH

pH=1:

pH=7:

pH=12:


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

13

Acid-Base Properties of Amino Acids

Draw the following chemical structures for glycine:

(Non-existent form:) 

H

2

N

– CH

2

-

COOH

pH=1:

+

H

3

N

– CH

2

-

COOH

pH=7:

pH=12:


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

14

Acid-Base Properties of Amino Acids

Draw the following chemical structures for glycine:

(Non-existent form:) 

H

2

N

– CH

2

-

COOH

pH=1:

+

H

3

N

– CH

2

-

COOH

pH=7:

+

H

3

N

– CH

2

COO

-

pH=12:


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

15

Acid-Base Properties of Amino Acids

Draw the following chemical structures for glycine:

(Non-existent form:) 

H

2

N

– CH

2

-

COOH

pH=1:

+

H

3

N

– CH

2

-

COOH

pH=7:

+

H

3

N

– CH

2

COO

-

pH=12:

H

2

N

– CH

2

COO

-


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

16

Low pH

Neutral pH

High pH


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

17

Amino acids:  (Aliphatic)


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

18

• Amino acid Proline

(The only secondary (2°

) amino acid or (“imino” acid.)


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

19

• Amino acids (Aromatic)


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

20

• Amino acids (Alcohols)


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

21

• Amino acids (Sulfur)


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

22

• Amino acids (Acids and related amides)


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

23

• Amino acids (Basic)


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

24

• Histidine (Acid/Base Activity)


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

25


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

26


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

27

Essential Amino Acids:

Isoleucine

Leucine

Lysine

Methionine

Phenylalanine 

a

Threonine

Tryptophan 

a

Valine

Arginine 

b

Histidine 

b

a

Aromatic               

b

Probably essential


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

28

• Amino acids are polymerized via amide or 

“peptide” bonds:


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

29

• Copolymer of amino acids:

– a “polypeptide”

Definition:  

Amino acid polymers of 

≤50 amino acids are called 

polypeptides, peptides, oligopeptides, etc.

Amino acids polymer of >50 amino acids are called “

proteins

.”


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

30


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

31

• An example  of a “dipeptide”  is the sweetener 

Aspartame.

• Other names include:

– NutraSweet
– Equal
– Tri-Sweet
– Sanecta

• IUPAC Name:

N-L- α – Aspartyl-L-phenylalanine 1-methyl ester”

Abbreviated Structure:

Asp 

– Phe - OCH3


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

32

• Cross links between peptide chains:

– Disulfide  linkages between individual 

cyst

e

ines” are called “cystines:”


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

33

• Insulin is the smallest protein, with 51 

amino acids in two chains linked by 
cystine (disulfide) cross links:


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

34

• Peptide bonds have partial double bond 

character due to resonance that limits 
rotation about this bond:


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

35


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

36

Levels of Protein Structure

• Primary (1°) Protein Structure

– linear  sequence of amino acids. 

• Secondary (2°) Protein Structure

– localized  regional  structures

• Teritary (3°) Protein Structure

– overal  shape of proteins

• Quaternary (4°) Protein Structure

– interactions  between proteins


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

37

Protein Structure:

• Twisting about various bonds in the 

polypeptide backbone gives proteins a 
variety of shapes.

• Bond angles give rise to secondary 

structures.  Then, localized secondary 
structures help drive the peptide folding 
that gives rise to tertiary structure.


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

38

Secondary Structure in Proteins:
• Pauling and Corey proposed two 

secondary structures in proteins many 
years before they were actually proven:

alpha

– helix

beta

- sheet

Both of these secondary protein structures 
are stabilized by hydrogen bonding between 
the carbonyl oxygen atoms and the nitrogen 
atoms of amino acids in the protein chain.


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

39

• The alpha (α) – helix:


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

40

• beta – sheet   (

antiparallel

):


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

41

• beta – sheet (

artistic representations

):


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

42

Examples of 

beta

-sheet domains in proteins:


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

43

• Tertiary (3°) Structure of Protein

Water-soluble proteins fold into compact structures with nonpolar cores.


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

44

Tertiary (3°) Structure the Protein Myoglobin

Water-soluble proteins fold into compact structures with non-polar cores.


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

45

• In the case of myoglobin and many other 

proteins,  the majority  of hydrophobic amino 
acids (

yellow

)  are found inside in structure: 


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

46

• The Cro protein of Lambda bacteriophage 

is a dimer of identical subunits:


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

47

• Hemoglobin is a protein tetramer, 

containing two identical pairs of subunits:


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

48

• The coat of rhinovirus contains 60 copies 

of each of four subunits (240 total)!


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

49

• In 1961 Christian Anfinsen published a 

classic landmark work that clearly showed 
tertiary structure was determined by 
primary structure!

• His experiment was a classic example of 

well-designed experiments that did not 
require expensive equipment or years of 
work.

• It deserves our attention.  


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

50

• Anfinson chose the enzyme, 

ribonuclease

for his experiments.  This enzyme 
hydrolyzes RNA and is composed of a 
single polypeptide chain with 124 amino 
acids.

• Four disulfide (cystine) linkages are 

observed in the active enzyme that 
stabilize the 3-D (3°) shape of the enzyme. 

• The enzyme functions only when its        

3° structure is properly aligned.


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

51

• Amino acid sequence of ribonuclease:


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

52

Anfinson used two chemicals to disrupt the 

enzyme’s 3° structure [

D

ENATURATION 

]

1. urea - disrupts hydrogen bonds

2.

β-mercaptoethanol – reduces disulfide bonds


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

53

Anfinson’s Experiment:


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

54

He also used dialysis  to separate  these chemicals 

from the enzyme  in different  orders.


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

55

• By adding either one of these two 

chemicals to the surrounding medium, it is 
not removed during dialysis.

• In essence, Anfinson could remove either 

the urea or the 

β-mercaptoethanol in any 

order he chose.

• The order made a big difference in the 

enzymes ability to recover from the 
treatment!


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

56

Anfinson’s Experiment:

Experiment #1:

1.

Add both urea and 

β-mercaptoethanol to a solution of enzyme.  

Activity is lost.

2.

Remove urea by dialysis;  then remove 

β-mercaptoethanol by dialysis. 

Activity is recovered 100%!

Experiment #2:

1.

Add both urea and 

β-mercaptoethanol to a solution of enzyme.  

Activity is lost. 

2.

Remove 

β-mercaptoethanol by dialysis;  then remove urea by dialysis. 

Only ~1% of activity is recovered.

N = 8

= 64, 1/64 ~ 1%

Experiment #3:

1.

Add 

β-mercaptoethanol to the solution from Exp.#2.  Then, remove 

urea by dialysis;  

2.

Finally, remove 

β-mercaptoethanol by dialysis. 

Activity is recovered 

100%! 


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

57

Anfinson’s 
Experiment:


background image

Biochemistry 3070 

– Amino Acids & Proteins

58

End of Lecture Slides 

for

Amino Acids & Proteins

Credits:  Most of the diagrams used in these slides were  taken from Stryer,  et.al, Biochemistry, 5

th

Ed., Freeman 

Press, Chapters  3-4 (Our course textbook).




رفعت المحاضرة من قبل: Ridha Abdulrahman
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 125 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل