氨基酸蛋白质核酸

有机化学 第15章氨基酸蛋白质核酸 Amino acids Proteins Peptides 返回

基本内容和重点要求 • 氨基酸的结构、分类、命名和性质 • 多肽 • 蛋白质的结构和性质 • 核酸的结构功能重点要求掌握氨基酸和蛋白质的化学性质及氨基酸的等电点、蛋白质的一级及二级结构等基本概念。返回

生命是物质的一种存在状态，它通过生长、代谢、繁殖和进化等一系列复杂现象来表达。蛋白质和一切生命活动总是连在一起的，蛋白质和核酸是生命的标志，是生命与非生命在化学组成上的主要区别。蛋白质存在于一切细胞中，它们是构成人体和动植物的基本材料，肌肉、毛发、皮肤、指甲、血清、血红蛋白、神经、激素、酶等都是由不同蛋白质组成的。蛋白质在有机体中供给肌体营养、输送氧气、防御疾病、控制代谢过程、传递遗传信息、负责机械运动等。核酸分子携带着遗传信息，在生物的个体发育、生长、繁殖和遗传变异等生命过程中起着极为重要的作用。生命是物质的一种存在状态，它通过生长、代谢、繁殖和进化等一系列复杂现象来表达。蛋白质和一切生命活动总是连在一起的，蛋白质和核酸是生命的标志，是生命与非生命在化学组成上的主要区别。蛋白质存在于一切细胞中，它们是构成人体和动植物的基本材料，肌肉、毛发、皮肤、指甲、血清、血红蛋白、神经、激素、酶等都是由不同蛋白质组成的。蛋白质在有机体中供给肌体营养、输送氧气、防御疾病、控制代谢过程、传递遗传信息、负责机械运动等。核酸分子携带着遗传信息，在生物的个体发育、生长、繁殖和遗传变异等生命过程中起着极为重要的作用。返回

自然界的生命是在氨基酸产生之后才逐渐诞生、进化的。目前发现的天然氨基酸约有300种，构成蛋白质的氨基酸约有30余种，其中常见的有20种，人们把这些氨基酸称为蛋白氨基酸。其他不参与蛋白质组成的氨基酸称为非蛋白氨基酸。这20种氨基酸以不同的数目、不同的连接方式组合，就可产生千百万种不同的蛋白质。自然界千变万化的生命，就这样产生了。所以氨基酸被称为生命的基石。返回

15.1 氨基酸 • 15.1.1 α-氨基酸的构型、分类和命名 • 15.1.2 α-氨基酸的物理性质 • 15.1.3 α-氨基酸的化学性质 • 15.1.4 氨基酸的合成返回

γ-氨基酸 α-氨基酸 ………… β-氨基酸 15.1.1 α-氨基酸的构型、分类和命名 • 羧酸分子中烃基上的一个或几个氢原子被氨基取代的化合物叫做氨基酸。根据氨基和羧基的相对位置返回

根据氨基和羧基的相对数目 氨基羧基数目相等中性氨基酸氨基数目多于羧基碱性氨基酸羧基数目多于氨基酸性氨基酸返回

氨基酸的构型 • 由蛋白质水解所得α-氨基酸的α碳原子的构型都是S型。但氨基酸习惯上用D/L标记其构型。由蛋白质水解所得α－氨基酸的α碳原子的构型都是L型的返回

氨基酸的命名 • 氨基酸的系统命名法是以羧酸为母体，氨基为取代基来命名的。但α-氨基酸通常按其来源或性质所得的俗名来称呼。 α-氨基乙酸 (甘氨酸) α，ε-二氨基己酸 (赖氨酸) β-氨基丙酸 α-氨基戊二酸 (谷氨酸) 返回

8种人体必需氨基酸： 缬氨酸(Val) 异亮氨酸(Ile) 亮氨酸(Leu) 蛋氨酸(Met) 苯丙氨酸(Phe) 苏氨酸(Thr) 赖氨酸(Lys) 色氨酸(Trp) 返回

15.1.2 α-氨基酸的物理性质 氨基酸分子中既含有氨基(碱性)又含有羧基(酸性)，所以是一种两性化合物。在固体状态下，羧基使氨基官能团质子化，形成内盐(即以两性离子的形式存在)。高极性的两性离子结构使得α-氨基酸能够形成强的晶格。因此它们中的大多数在有机溶剂中的溶解度都相当小，在水中有一定的溶解度，而且熔点比相应的羧酸或胺类要高，一般为200～300℃（许多氨基酸在接近熔点时分解）。 α-氨基酸一般为无色晶体，除甘氨酸外，其他的α-氨基酸都有旋光性。返回

15.1.3 α-氨基酸的化学性质 15.1.3.1 氨基酸的等电点(pI) • 氨基酸分子中含有氨基和羧基。它可以和酸生成盐，也可以和碱生成盐，所以氨基酸是两性物质。返回

氨基酸的等电点 碱性溶液中,负离子数量多，电解时氨基酸向阳极移动酸性溶液中,正离子数量多，电解时氨基酸向阴极移动在一定的pH值溶液中，正离子和负离子数量相等，且浓度都很低，而偶极离子浓度最高，此时电解，以偶极离子形式存在的氨基酸不移动。这时溶液的pH值就叫做氨基酸的等电点(Isoelectric point, pI)。返回

等电点pI 与解离常数pK间的关系 等电点不是中性点氨基酸在等电点时溶解度最小。可以利用这一性质，通过调整溶液的pH值，将等电点不同的氨基酸从氨基酸的混合溶液中分别分离出来中性氨基酸: pI = (pK1 + pK2)/2 一般为5.6～6.3 酸性氨基酸: pI = (pK1 + pKRCOOH)/2 一般为2.8～3.2 碱性氨基酸:pI = (pK1 + pKRNH2)/2 一般为7.6～10.8 上页下页返回退出

课堂练习： • 1. 下列氨基酸溶于水使之达到等电点应加酸还是加碱？ (1)赖氨酸等电点时pH>7，溶于水中使之达到等电点应当加碱 (2)甘氨酸等电点时pH<7，溶于水中使之达到等电点应当加酸 (3)谷氨酸等电点时pH<7，溶于水中使之达到等电点应当加酸返回

课堂练习： 2. 下列介质中各氨基酸的主要存在形式是什么？ (1)缬氨酸在pH=8时缬氨酸的等电点为pH=5.97，在pH=8时存在形式为： (2)丝氨酸在pH=1时丝氨酸的等电点为pH=5.68，在pH=1时存在形式为：返回

15.1.3.2 氨基酸中氨基的反应 (1) 与亚硝酸反应反应常用于蛋白质的化学修饰、水解程度测定及氨基酸的定量返回

(2) 氨基的酰化反应 酰化反应在多肽合中的用于保护氨基，一般选用苄氧甲酰氯作为酰化剂返回

（3）与卤代烃及醛、酮的反应 氨基具有亲核性，可与卤代烃（RX）及醛、酮作用。 N-（2,4-二硝基苯基）氨基酸 2,4-二硝基氟苯（DNFB）显黄色，可用于氨基酸的比色测定此反应可用于识别多肽或蛋白质的N-端氨基酸返回

（4）氧化脱氨反应 氨基酸分子的氨基可以被双氧水或高锰酸钾等氧化剂氧化，生成α-亚氨基酸，然后进一步水解，脱去氨基生成α-酮酸。生物体内在酶催化下，氨基酸也可发生氧化脱氨反应，这是生物体内蛋白质分解代谢的重要反应之一。返回

15.1.3.3 氨基酸中羧基的反应 （1）酯化及酰卤的生成保护及活化活化在肽的合成中用于羧基的保护及活化返回

（2）脱羧反应 将氨基酸缓缓加热或在高沸点溶剂中回流，可以发生脱羧反应生成胺。生物体内的脱羧酶也能催化氨基酸的脱羧反应，这些脱羧后的产物有着重要的生理功能。例如：组胺酸脱羧生成组胺。半赖氨酸脱羧生成1,5-戊二胺(尸胺)，这是蛋白质腐败发臭的主要原因。返回

15.1.3.4 氨基酸中氨基和羧基共同参与的反应 • α-氨基酸的水溶液遇水合茚三酮，能生成有颜色的产物。大多数氨基酸遇此试剂显蓝紫色。（1）与水合茚三酮的反应水合茚三酮蓝紫色反应常用于α-氨基酸的比色测定和色层分析的显色返回

（2）与金属离子形成配合物 某些氨基酸与某些金属离子能形成结晶型化合物，有时可以用来沉淀和鉴别某些氨基酸。例如二分子氨基酸与铜离子能形成深紫色配合物结晶：返回

（3）脱羧失氨作用 氨基酸在酶的作用下，同时脱去羧基和氨基得到醇。工业上发酵制取乙醇时，杂醇就是这样产生的。此外，一些氨基酸侧链具有的官能基团，如羟基、酚基、吲哚基、胍基、巯基及非α-氨基等，均可以发生相应的反应，这是进行蛋白质化学修饰的基础。α-氨基酸还可通过分子间的－NH2与－COOH缩合脱水形成多肽，该反应是形成蛋白质一级结构的基础。返回

15.1.3.5. 氨基酸的受热分解反应 不同的氨基酸分子受热时发生不同的反应。交酰胺 α-氨基酸不饱和酸 β-氨基酸 γ-(或δ-氨基酸) 内酰胺返回

15.1.4 氨基酸的合成 • 蛋白质在酸、碱或酶的作用下水解，最后生成多种α-氨基酸的混合物。将混合物用各种分离手段(如色层分离法、离子交换法等等)进行分离，即可分别得到各种氨基酸。返回

15.1.4.1 还原氨化法 • 还原氨化法实际是一步完成，又称为仿生合成。这个反应与生物合成极为相似。返回

15.1.4.2 由卤代酸氨解 • 卤代酸与过量的氨作用，可以生成氨基酸。例如：返回

15.1.4.3 由丙二酸酯制备 • 将丙二酸酯转化成N-乙酰胺基丙二酸酯，然后烷基化、水解，最后再脱羧，即可得到α-氨基酸。 (HNO2) N-乙酰胺基丙二酸酯返回

盖布瑞尔（Gabriel）法 • 将丙二酸酯转化成N-邻苯二甲酰亚胺基丙二酸酯，然后烷基化、水解，最后再脱羧，即可得到α-氨基酸。 N-邻苯二甲酰亚胺基丙二酸酯返回

15.1.4.4 斯特雷克合成法 亚胺 α-氨基丙腈返回

15.2蛋白质与肽 • 15.2.1 多肽及其分类 • 15.2.2 肽链的命名 • 15.2.3 多肽结构的测定 • 15.2.4 肽的合成 • 15.2.5 蛋白质 • 15.2.6 蛋白质的理化性质返回

15.2蛋白质与肽 15.2.1 多肽及其分类 • 多肽是含有多个α-氨基酸单元的聚合物，是蛋白质分子的一级结构。由两个氨基酸单元构成的是二肽，由三个氨基酸单元构称的是三肽，……。它们统称多肽，或简称肽。多肽可看作是由多个氨基酸分子，通过氨基和羧基之间脱水缩合而行成的。肽键返回

肽键肽键多肽链的通式 N端 C端返回

15.2.2 肽链的命名 • 肽链的命名以是以C-端氨基酸为母体，根据组成肽的氨基酸的顺序，从左到右依次命名，称为某氨酰某氨酰…某氨酸（简写为某、某、某）。命名为：丝氨酰-甘氨酰-色氨酰-丙氨酰-亮氨酸或是Ser-Gly-Tyr-Ala-Leu 肽分子中组成氨基酸残基一样，但是肽键的连接次序不同，不是同一种化合物。返回

15.2.3 多肽结构的测定 氨基酸的种类及数目将多肽在酸性溶液中进行水解，再用色层分离法把各种氨基酸分开，然后进行分析。氨基酸的排列次序用适当的化学方法，把多肽末端的氨基酸断裂下来。经分析，就可以知道多肽链的两端是那两个氨基酸。也叫末端分析。返回

末端分析 返回

15.2.4 肽的合成 • 要合成一种与天然多肽相同的化合物，必须把各种有旋光性的氨基酸按一定的顺序连接成一定长度的肽键。在需要使一种氨基酸的羧基和另一种氨基酸的氨基相结合时，要防止同一种氨基酸分子之间相互结合。因此，在合成时，必须把某些氨基或羧基保护起来，以便反应能按所要求的方式进行。而所选用的保护基团，必须符合以下条件：在以后脱除该保护基的条件下，肽键不会发生断裂。返回

防止生成 需要保护需要保护返回

羧基的保护 • 羧基常通过生成酯加以保护，碱性水解可除去保护。返回

氨基的保护 氨基可以通过与氯甲酸苄酯作用加以保护，因为氨基上的苄氧羰基很容易用催化氢解的方法除去。返回

15.2.4.1　化学合成法 实例：苯丙氨酰-甘氨酸二肽的合成（1）氨基保护苯丙氨酸（2）羧基保护甘氨酸返回

实例：苯丙氨酰-甘氨酸二肽的合成 （3）缩合生成酰胺 DCC：N, N′-二环己基碳二亚胺，为最常用的高效脱水剂。应用高效脱水剂可使羧基和氨基在温和的条件下生成酰胺(肽键)。返回

实例：苯丙氨酰-甘氨酸二肽的合成 （4）脱氨基保护（5）脱羧基保护苯丙氨酰-甘氨酸返回

15.2.4.2　固相合成法 • 1963年，R.B.Merrifield创立了将氨基酸的C末端固定在不溶性树脂上，然后在此树脂上依次缩合氨基酸，延长肽链、合成蛋白质的固相合成法。在固相法中，每步反应后只需简单地洗涤树脂，便可达到纯化目的。克服了经典液相合成法中的每一步产物都需纯化的困难，为自动化合成肽奠定了基础。　　 • 今天，固相法得到了很大发展，除了Merrifield所建立的Boc法(Boc:叔丁氧羰基)之外，又发展了Fmoc固相法(Fmoc:9-芴甲氧羰基)。以这两种方法为基础的各种肽自动合成仪也相继出现和发展，并仍在不断得到改造和完善。返回

C末端氨基酸与树脂结合 保护基的脱除、洗涤偶联、洗涤 + 重复偶联、洗涤脱保护基固相合成法原理保护基联接臂固相树脂 ……… 返回

保护基 • 在Boc合成法中，用酸来脱保护，反复地处理会使约1.4%的肽从树脂上脱落，合成的肽越大，这样的丢失越严重； Boc合成法也不适于合成含有色氨酸等对酸不稳定的肽类。 • Fmoc法与Boc法的根本区别在于采用了碱来脱保护，在合成一些含有在酸性条件下不稳定的氨基的残基的肽时，具有特别优越之处。 • Fmoc法和Boc法可互相补充。 Boc合成法(叔丁氧羰基)： Fmoc合成法(9-芴甲氧羰基)：返回

化学家介绍： • 梅里菲尔德，美国生物化学家和教育家。他在20世纪50和60年代发展的革新方法，是基于构想多肽合成的关键在于将第一个氨基酸固定在不溶性固体上，其他氨基酸随后便可一个接一个地连于固定端，顺序完成后所形成的链即可轻易地与固体分离。这一过程可利用机器操作，经证明效率很高。在激素和酶等物质的研究上，以及在胰岛素等药物和干扰素等物质的工业生产上有重大意义。梅里菲尔德因发展出这种依预定顺序合成氨酸链或多肽的简单而巧妙的方法而获得1984年诺贝尔化学奖。梅里菲尔德 (Robert Bruce Merrifield) 1921～返回

15.2.5 蛋白质 • 蛋白质是一切生命的物质基础，是肌体细胞的重要组成部分，是人体组织更新和修补的主要原料，没有蛋白质就没有生命。蛋白质是由20多种氨基酸组成，以氨基酸组成的数量和排列顺序不同，使人体中蛋白质多达10万种以上。它们的结构、功能千差万别，形成了生命的多样性和复杂性。 • 水解后只生成多种α-氨基酸的，叫做单纯蛋白质。水解后，除生成α-氨基酸外，还有非蛋白质物质(如糖、脂肪、色素、含磷化合物、含铁化合物等)生成的，叫做结合蛋白质。结合蛋白质中的非蛋白质部分，叫做辅基。返回

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