氨基酸组成分析.ppt

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1、第三章 氨基酸组成分析 氨基酸是一种小分子的两性化合物，分子质量在75 200Da之间，其化学通式为R-CH(NH2)-COOH，在生物体 内出现的氨基酸都是L型，仅在少数微生物来源的多肽中出 现D型氨基酸。 氨基酸分析技术的发展始于1820年，由Braconnot最早 将甘氨酸从白明胶水解物中分离出来，但直到21世纪，用 化学方法或微生物方法测定氨基酸，仍是一项持续数周或数 月的繁琐的工作。 色谱技术的引入为氨基酸分析打开了一扇新的大门。 1941年，Martin等运用色层法分析氨基酸，主要采用乙酰 化氨基酸在硅胶柱上或滤纸上半定量；随后，Moore、 Stein应用离子交换柱直接分离游离的

2、氨基酸，在1958年， Spackman、Stein、Moore制造了自动化的氨基酸分析 仪，使氨基酸定量分析进入了一个崭新的阶段，至今仍是 经典的方法。 第一节 氨基酸组成分析的目的 现代分离提纯技术的发展使蛋白质操作微量化，但也给 定量带来了困难，一般很难通过常规的称量或测蛋白质溶液 在280nm的光吸收值来准确定量蛋白质。所以如果在蛋白 质酶解或测序前，取蛋白质样品的一部分进行氨基酸组成分 析，根据结果便可以推算出蛋白量的可靠值。 另外，在蛋白质测序中有时遇到测不出结果的情况， 一种可能是蛋白质的N端封闭， 另一种可能则是样品本身不是蛋白质或绝大部分是非蛋白质 物质， 解决这个问题的很好

3、途径便是做氨基酸组成分析以确定样品 的成分。 除了蛋白质研究和重组蛋白需要测定氨基酸组成外，医学 上也需要测定血液或各种体液中的游离氨基酸。 第二节 蛋白质的水解方法 氨基酸分析的第一步是将蛋白质或多肽水解，常规方法是采用 5.7mol/L盐酸在真空状况下于110水解24h，也有在150下快速水 解90min。 Waters公司有商品化仪器(水解工作台)出售。将100500mol的 蛋白质或肽转移到水解指管中冷冻抽干，在水解反应器中加入 5.7mol/L盐酸200l，含2苯酚(m/V)，将指管置于反应器中，抽真 空并充氮气反复三次(图3.1c，真空控制也是实验重复性的一项重要因 素)110保温

4、22h。其中，苯酚是作为一种抗氧化剂来防止半胱氨酸 (Cys)和甲硫氨酸(Met)的氧化。如果遇到一些不易裂解的肽键，如 ValVal，IleLeu等，水解时间可适当延长至72h，但长时间水解会 部分破坏含羟基的氨基酸丝氨酸(Ser)，苏氨酸(Thr)，酪氨酸(Tyr)。 影响氨基酸分析结果的三大因素是：水解、衍生、色谱。 水解是第一步，水解的完全与否对结果影响很大。在实验中 通常采用一些标准蛋白质，如细胞色素c(Cyt c)、核糖核酸 酶(RNase)或胰岛素(insulin)为标样进行水解、衍生和色 谱分析来计算回收，从而考验蛋白质分析的可靠程度和评价 方法的适用性。 但由于各种蛋门质含有

5、的氨基酸多少不同，并且每一种氨 基酸的量也不一样，有的氨基酸含量可多到十几个，有的 氨基酸含量只有12个，这影响到氨基酸的回收。生物应 用公司（ABI）曾设计过一种“测试肽”，即人工合成18种不 同氨基酸的肽(除Gln、Asn外)，这样每种氨基酸出现的频 率都是1，用此肽来校正回收，看来机会均等，是一种可以 采纳的方法，但在实际样品中，不太可能出现这种理想情 况。 第三节 特殊氨基酸的保护和定量 不同条件下，各种氨基酸的回收有所不同，但色氨酸均遭 破坏，通常解决方法有以下5种。 1.水解酸中加添加剂 这些添加剂包括琉基乙酸和-琉基乙醇，我们通过实验 认为液相水解时加入巯基乙醇对色氨酸保护效果较

6、好，色氨 酸的回收可达80。有报道Perkin-Elmer公司针对其产品 ABI420A的特点，推出试剂十二烷基硫醇，专门保护色氨 酸，据称回收率达97。 2.有机酸 3mol/L 巯基乙磺酸(mercaptoethanesulfonic acid) 或4mol/L甲磺酸(methane-sul-fonie acid)在水解时对色 氨酸有一定的保护作用。 3碱 用氢氧化钠和氢氧化钡代替酸水解，可保护色氨酸不被破坏。 4酶 蛋白酶水解法有时也有应用，其优点是条件温和，对天冬酰胺和谷氨 酰胺及色氨酸均无破坏作用，但酶水解法往往不完全，必须用酸水解法 校正。 5光谱法 分光光度法和二阶微分光谱法可测

7、定色氨酸，前者应用较早，在蛋白 质分子中，如不含半胱氨酸和其他有干扰的发色基团的氨基酸，根据其 在6mol/L盐酸胍的中性溶液中的紫外吸收，测定色氨酸和酪氨酸的含 量，此经验公式只适用于色氨酸对酪氨酸的比值为0.21时的情况。酪 氨酸常被用来确定蛋白质中芳香族氨基酸的含量，计算公式复杂。 Hewlett Packard公司推出的DAD检测器配合其化学工作站软件， 能较方便地在线检测并定量肽段中的色氨酸。 虽然蛋白质和多肽的氨基酸分析法对大多数氨基酸是快速、准确和灵 敏的，但在半胱氨酸定量时仍遇到很大困难，解决这个问题的途径有两 种，一种是还原烷化法，另一种是氧化法。 (1)还原烷化法 产生能抗

8、水解的半胱氨酸衍生物。烷化试剂包括4乙烯 吡啶和碘代乙酸。但这些方法有缺点，为了确保试剂接近巯 基，还原和氧化通常在变性剂存在下进行，多余试剂和变性 剂要用HPLC、沉淀法或透析去除，每一步都可能造成样品的 损失，特别是对于小肽和微量样品，而且烷化反应如果不仔 细控制条件，可能导致半胱氨酸以外其他残基的衍生。 (2)氧化法 氧化反应被用来转化半胱氨酸和胱氨酸成为半胱磺酸，过 甲酸氧化反应的缺点是它会影响其他氨基酸特别是甲硫氨酸 会转变成甲硫氨酸砜，酪氨酸会降解。为克服这一 缺点，必 须准备能分析两次的样品量，一次提供半胱氨酸数据，另一 次则提供其他氨基酸的组成数据。 第四节 氨基酸组成原位分析

9、 如果蛋白质样品采用电泳法(如SDS-PAGE)分离，则很难从凝胶中洗 脱下来，可采用电印迹法把样品转移到PVDF膜上，然后在PVDF膜上直 接进行盐酸水解和氨基酸分析，称之为原位(in situ)分析。因为通常 所用聚丙烯酰胺凝胶分离系统中含大量甘氨酸和Tris盐，易干扰氨基酸 原位分析，故改用CAPS缓冲系统以减少影响。另外，在膜上做氨基酸 组成分析时可以做一个空白对照，具体操作时将含蛋白条带的PVDF膜 割下，另取一条相同面积的转移膜作为空白，分别置于水解指管中,加入 70l含7(m/V)巯基乙酸的6mol/L盐酸以防止抽真空时膜片的漂 出，将水解指管放入水解反应器中，在反应器底部加入2

10、00l含7巯基 乙酸的6mol/L盐酸，110真空水解24h，水解结束后用200l含30 甲醇的0.1mol/L盐酸反复三次将氨基酸从PVDF膜中抽提出来，以便 进行下一步的分析。 第五节 衍生方法及原理 从衍生角度看，氨基酸分析可以分为柱后反应法和柱前衍生法两大 类。前一种方法是将游离氨基酸经过色谱柱分离后，各种氨基酸再与显 色剂(茚三酮、荧光胺、邻苯二甲醛)作用，这种方法比较稳定，对样品 预处理要求低，容易定量和自动化操作，不足之处在于检测灵敏度不高 (100pmol以上)，分析时间长(蛋白质水解液需1h而某些生理样品则需 4h以上)。另一种方法是将氨基酸和化学耦联试剂先反应生成氨基酸的

11、衍生物，然后再用色谱柱将各种衍生物分离，直接检测衍生物的光吸收 或荧光发射，此法可检测OPA-、PTC、PTH、DABS、Dansyl- 和DABTH-氨基酸，分析灵敏度高，可利用HPLC进行氨基酸分析，缺 点是有的衍生物不稳定，衍生试剂可能干扰氨基酸检测。 以下是几种常见的氨基酸分析方法。 (1)茚三酮法 Spackman等人最早将茚三酮试剂运用到氨基酸组成分 析上。离子交换层析后，各种氨基酸与茚三酮反应形成紫色 化合物，最大光吸收在570nm，摩尔消光系数2X104，茚 三酮和二级胺(脯氨酸和羟脯氨酸)形成黄色产物，在 440nm检出，摩尔消光系数3X103。目前此法的灵敏度可 达100p

12、mol，但茚三酮试剂易氧化，必须隔绝空气避光保 存，试剂本身黏性大，需要有个柱后混合器才能与氨基酸充 分反应，对仪器要求较高。 (2)柱后荧光胺法 20世纪70年代合成了荧光胺，它能在室温下迅速和一级 胺发生反应，其荧光产物的激发波长Ex390nm，发射波长 Em475nm。次级胺可以用N-Chlorosuccinimide(NCS) 氧化生成相应的初级胺后再与荧光胺反应而检出。 (3)邻苯二甲醛(OPA)法 OPA最早是被作为柱后衍生试剂而引进的，后来也逐渐应用于柱前反 应中。 OPA能在还原剂巯基乙醇存在下和一级胺产生具有很强荧光的异 吲哚衍生物，反应迅速，在室温下1min即可完成，反应络

13、合物的 Ex340360nm，Em455nm，灵敏度比茚三酮法高，在 OPA中加入 SDS或表面活性剂Brij35，不但能提高赖氨酸和羟赖氨酸的稳定性， 而且能提高它们的荧光度。缺点是不能检测次级氨基酸，但可用稀的 Na-hypochlorite在碱性条件下氧化成相应的一级胺，然后再与OPA反 应。 0PA/FMOC作为柱前衍生剂能同时与一级胺和二级胺反应，室温下只 需几分钟，Hewlett Packard公司改用巯基丙酸(3-MPA)引代替巯基乙 醇。由于3-MPA的加入，异吲哚衍生物疏水性降低，使出峰时间提前， 过量的FMOC及其分解产物的出峰时间在最后，被洗脱出的次级氨基酸 之后，不干扰

14、分析结果。 (4)PTC-AA分析法 属柱前衍生法，源于Edman降解法测定蛋白质的一级结 构。异硫氰酸苯酯(PITC)能在碱性条件下和氨基酸反应， 生成PTC-AA，此法分析灵敏度和荧光胺、OPA的荧光法 相同，优点是能同时检出初级和次级氨基酸，在254nm检 出，缺点是操作繁琐，水和盐的副反应敏感，要求较高的操 作技术。 (5)Dansyl-Cl法 能与所有氨基酸柱前反应形成高稳定性的荧光产物，但反 应耗时。 (6)Dabsyl-Cl法 灵敏度是Dansyl-Cl法1/5，但由于反应产生有色衍生 物，能方便地在254nm和425nm处用紫外检测。有报道用 DABITC代替Dabsyl-Cl

15、，反应产生DABTH-AA，在酸性 环境中显红色，易在254nm，269nm和436nm检测。 第七节 结 语 影响氨基酸分析准确性和重复性的因素有三个： 一是样品的水解。水解时间、水解温度、真空度、样品是否 被氧化等，都影响实验的结果； 二是氨基酸的有效的衍生情况； 三是氨基酸色层分离好坏。不同样品采用不同的分析方法， 生理样品含有3050种氨基酸，用离子交换色谱柱后衍生 法比较合适，天然氨基酸、合成多肽样品的氨基酸测定多采 用反相色谱柱前衍生分析方法。食品和饲料中氨基酸分析采 用上述两种方法均可。因为反相色谱柱前衍生法具有快速和 灵敏的特点，在药物和手性氨基酸的分析中同样也获得广泛 的应用。 几种氨基酸分析法各有利弊，实验者应根据自己的 实际情况，如精确性、方便性、经济性等来选择合适的方 法。