第十六章 氨基酸

1、AMINO ACID PEPTIDE PROTEINChapter 16 蛋白质和核酸是生物体内重要的功能大分子化合物，是蛋白质和核酸是生物体内重要的功能大分子化合物，是生命的物质基础。生命的物质基础。概概 述述 一切生命现象，如种族的繁衍、人种、生长、发育、疾病一切生命现象，如种族的繁衍、人种、生长、发育、疾病及死亡都与蛋白质和核酸有关。如果蛋白质和核酸在结构上及死亡都与蛋白质和核酸有关。如果蛋白质和核酸在结构上稍有改变，将会出现遗传、免疫缺陷疾病。同时蛋白质还是稍有改变，将会出现遗传、免疫缺陷疾病。同时蛋白质还是人类的三大营养物质之一。因此对蛋白质和核酸的研究是当人类的三大营养物质之一。因

2、此对蛋白质和核酸的研究是当代生命科学前沿课题，特别是人类基因组计划的完成和蛋白代生命科学前沿课题，特别是人类基因组计划的完成和蛋白质组学的发展，进一步使蛋白质和核酸的研究成为目前医学质组学的发展，进一步使蛋白质和核酸的研究成为目前医学研究最前沿和最热门的课题。研究最前沿和最热门的课题。 本章主要介绍组成蛋白质的基本单位本章主要介绍组成蛋白质的基本单位氨基酸的结构、氨基酸的结构、性质性质，以及蛋白质和核酸的组成、结构及其重要的化学性质。，以及蛋白质和核酸的组成、结构及其重要的化学性质。 蛋白质是生物体中一类具有极为重要生理功能的高分蛋白质是生物体中一类具有极为重要生理功能的高分子化合物。几乎一切

3、生命现象和所有细胞活动，最终都是通子化合物。几乎一切生命现象和所有细胞活动，最终都是通过蛋白质的表达实现的，因此没有蛋白质就没有生命。不同过蛋白质的表达实现的，因此没有蛋白质就没有生命。不同来源的蛋白质，在酸、碱或酶的作用下可以完全水解，得到来源的蛋白质，在酸、碱或酶的作用下可以完全水解，得到的最终产物是各种不同的的最终产物是各种不同的- 氨基酸的混合物，所以氨基酸的混合物，所以-氨基酸氨基酸是组成蛋白质的基本结构单位是组成蛋白质的基本结构单位。蛋白质水解过程可表示如下：。蛋白质水解过程可表示如下：1 1 氨氨 基基 酸酸蛋白质酶多肽 -氨基酸一、氨基酸的结构、分类和命名一、氨基酸的结构、分类

4、和命名（一）、结构（一）、结构 氨基酸是羧酸分子中碳链上的氢原子被氨基取代后的生成氨基酸是羧酸分子中碳链上的氢原子被氨基取代后的生成物。分子中物。分子中含有氨基和羧基两种官能团。含有氨基和羧基两种官能团。 氨基酸按分子中所含氨基酸按分子中所含NH2和和COOH的相对位置，可将的相对位置，可将其分为：其分为：RCHCOOHNH2氨基酸RCHCH2COOHNH2氨基酸RCHCH2CH2COOHNH2氨基酸 在这些类氨基酸中，与人关系最为密切的是在这些类氨基酸中，与人关系最为密切的是-氨基酸氨基酸。它。它是构成蛋白质的基本单元（约是构成蛋白质的基本单元（约20种种）。）。甘氨酸甘氨酸 Gly 其结构

5、分别如下：其结构分别如下：亮氨酸亮氨酸 Leu缬氨酸缬氨酸 Val 脯氨酸脯氨酸 Pro异亮氨酸异亮氨酸 Ile 甲硫甲硫(蛋蛋)氨酸氨酸 Met苯丙氨酸苯丙氨酸 Phe 丙氨酸丙氨酸 Ala色氨酸色氨酸 Trp 酪氨酸酪氨酸 Tyr 苏氨酸苏氨酸 Thr丝氨酸丝氨酸 Ser 半胱氨酸半胱氨酸 Cys谷氨酰胺谷氨酰胺 Gln天冬酰胺天冬酰胺 Asn天冬氨酸天冬氨酸 Asp 谷氨酸谷氨酸 Glu精氨酸精氨酸 Arg 组氨酸组氨酸 His赖氨酸赖氨酸 Lys 2,6-diaminohexanoic acid2-amino-5-guanidinopentanoic acid 上述上述20中氨基酸在生

6、物体内蛋白质合成过程中与相应的密中氨基酸在生物体内蛋白质合成过程中与相应的密码子对应，故又叫做码子对应，故又叫做编码氨基酸编码氨基酸（coding amino acid）。）。 蛋白质水解得到的氨基酸，其蛋白质水解得到的氨基酸，其构型均为构型均为L 型型。 氨基酸构型的标记通常采用氨基酸构型的标记通常采用D/L命名法；而分子中手性碳命名法；而分子中手性碳原子的标记则采用原子的标记则采用R/S命名法。命名法。COOHCH3HH2NSL -丙氨酸COOHCH3HH2NHOHSRL -苏氨酸 绝大多数绝大多数 - 氨基酸的氨基酸的C的的绝对构型为绝对构型为 S 型。型。半胱氨酸半胱氨酸除外除外R R

7、型型。（二）氨基酸的结构特点：（二）氨基酸的结构特点： 除除甘氨酸甘氨酸外，所有的氨基酸分子的外，所有的氨基酸分子的-碳原子都具碳原子都具手性碳原手性碳原子，子，因而都具有旋光性。其构型与甘油醛的关系是：因而都具有旋光性。其构型与甘油醛的关系是：OHCHOCH2OHHD -甘油醛COOHRHNH2D -氨基酸COOHRHH2NL -氨基酸CHOCH2OHHHOL -甘油醛（三）（三） - -氨基酸的分类氨基酸的分类1根据根据R-的不同的不同脂肪氨基酸芳环氨基酸杂环氨基酸COOHRHH2NL -氨基酸 H2NCH2COOH甘氨酸（ 2）.酸性氨基酸：酸性氨基酸： 分子中分子中NH2和和COOH的

8、数目相等。如：的数目相等。如： 分子中分子中NH2数目数目 COOH数目。数目。如：如： （ 3 ）.碱性氨基酸：碱性氨基酸： 分子中分子中COOH数目数目 NH2 数目。数目。如：如：根据氨基和羧基的数目根据氨基和羧基的数目（1）. 中性氨基酸：中性氨基酸：天冬氨酸天冬氨酸 Asp 谷氨酸谷氨酸 Glu精氨酸精氨酸 Arg 组氨酸组氨酸 His赖氨酸 Lys 3 3、按生理、按生理pHpH环境下环境下R R的极性分为的极性分为: :(1) 非极性或疏水性氨基酸：丙、缬、亮、异亮(2) 极性但不带电荷氨基酸：丝、苏、酪、半(3) 带负电荷氨基酸：天、谷(4) 带正电荷氨基酸：精、赖、组（四）、

9、命名（四）、命名天然氨基酸常使用俗名。即因其来源或性质而得名。天然氨基酸常使用俗名。即因其来源或性质而得名。 组成蛋白质的氨基酸还有英文缩写、单字符号。见表组成蛋白质的氨基酸还有英文缩写、单字符号。见表17-1 氨基酸的系统命名法：以羧酸为母体，将氨基作为取代基称氨基酸的系统命名法：以羧酸为母体，将氨基作为取代基称为为“氨基某酸氨基某酸”，氨基的位次用，氨基的位次用1、2、3或希腊字母或希腊字母、等表示。等表示。CH2COO-NH3+氨基乙酸氨基乙酸CH3CHCHCOO-CH3NH3+-甲基甲基-氨基丁酸氨基丁酸 alanineCH3CH2CHCHCOO-CH3NH3+-甲基甲基-氨基丁酸氨基

10、丁酸 isoleucineIleIglycineHOCOCH2CHNH3+CO2-天冬氨酸天冬氨酸 20多种多种-氨基酸氨基酸中，有八种是人体所需要的必需氨基酸中，有八种是人体所需要的必需氨基酸（essential amino acid）（）（即人体本身不能合成的氨基酸）。它即人体本身不能合成的氨基酸）。它们是：们是：二、营养必需氨基酸二、营养必需氨基酸缬缬氨酸、氨酸、亮亮氨酸、氨酸、异异亮氨酸、亮氨酸、苏苏氨酸、氨酸、 蛋蛋氨酸、氨酸、赖赖氨酸、氨酸、苯苯丙氨酸、丙氨酸、色色氨酸。氨酸。三、修饰氨基酸和非蛋白质氨基酸三、修饰氨基酸和非蛋白质氨基酸 有些氨基酸经酶催化修饰，生成一些有些氨基酸经

11、酶催化修饰，生成一些修饰氨基酸修饰氨基酸（modified amino acid），），其在生物体内没有相应的密码子，如胱氨酸、羟其在生物体内没有相应的密码子，如胱氨酸、羟脯氨酸等。还有一些脯氨酸等。还有一些-氨基酸、氨基酸、-氨基酸、氨基酸、-氨基酸，有些是氨基酸，有些是D-型的，以游离或结合形式分布于植物、动物和细菌内，称为非蛋型的，以游离或结合形式分布于植物、动物和细菌内，称为非蛋白质氨基酸如鸟氨酸、瓜氨酸等（白质氨基酸如鸟氨酸、瓜氨酸等（具体见教材具体见教材285页）页）。四、氨基酸的性质四、氨基酸的性质 组成蛋白质的氨基酸都是晶体。除甘氨酸外，其它氨组成蛋白质的氨基酸都是晶体。除甘氨

12、酸外，其它氨基酸都为手性分子，所以均具有旋光性。由于氨基酸具有基酸都为手性分子，所以均具有旋光性。由于氨基酸具有内盐的性质，偶极离子的极性大，它们分子间作用力的结内盐的性质，偶极离子的极性大，它们分子间作用力的结果，导致氨基酸的熔点较高，一般都在果，导致氨基酸的熔点较高，一般都在200 300 之间。之间。大多数氨基酸受热易分解放出二氧化碳。大多数氨基酸受热易分解放出二氧化碳。 - 氨基酸多难溶氨基酸多难溶于有机溶剂，而易溶于强酸和强碱等极性溶剂中。于有机溶剂，而易溶于强酸和强碱等极性溶剂中。物理性质物理性质化学性质化学性质（一）、氨基酸的酸碱性和等电点（一）、氨基酸的酸碱性和等电点 氨基酸的

13、化学性质，是由分子中所含的氨基、羧基和烃氨基酸的化学性质，是由分子中所含的氨基、羧基和烃基共同来决定的。其中氨基和羧基的反应，都是各种氨基酸基共同来决定的。其中氨基和羧基的反应，都是各种氨基酸所共有，此外氨基酸还具有一些特殊性质。所共有，此外氨基酸还具有一些特殊性质。1 1、酸碱性、酸碱性偶极离子（两性离子偶极离子（两性离子) 内盐内盐 zwitter-ion internal salt RCHNH2COOH酸酸 性性 碱碱 性性 RCHNH3+COO- 氨基酸在水溶液中所带电荷的状态，除决定于它本身的结构氨基酸在水溶液中所带电荷的状态，除决定于它本身的结构外，还取决于溶液的外，还取决于溶液的

14、 pH 值。在不同值。在不同 pH 值溶液中，氨基酸以阳值溶液中，氨基酸以阳离子、阴离子和两性离子（偶极离子）三种状态存在，它们之间离子、阴离子和两性离子（偶极离子）三种状态存在，它们之间形成动态平衡。形成动态平衡。2 2、氨基酸的等电点、氨基酸的等电点 在氨基酸的水溶液中，适当调节溶液的在氨基酸的水溶液中，适当调节溶液的 pH 值，使氨基值，使氨基酸以两性离子的形式存在，此时氨基酸所带的正负电荷相等，酸以两性离子的形式存在，此时氨基酸所带的正负电荷相等，氨基酸处于等电状态，分子中的净电荷为零，呈电中性，在电氨基酸处于等电状态，分子中的净电荷为零，呈电中性，在电场中不发生电泳。场中不发生电泳。

15、氨基酸处于等电状态时，溶液的氨基酸处于等电状态时，溶液的 pH 值，叫值，叫做该氨基酸的等电点做该氨基酸的等电点 ( isoelectric point )，用用 pI 表示。表示。 中性氨基酸的等电点小于中性氨基酸的等电点小于 7 ，一般在，一般在 5.0 6.5 之间。酸性之间。酸性氨基酸的等电点在氨基酸的等电点在 3 左右。碱性氨基酸的等电点都在左右。碱性氨基酸的等电点都在 7.5 10.8 之间。之间。阳 离子阴 离子两性离子( pHpI )ArgAlaAsppH=6.02 利用氨基酸等电点的性质，可以用电泳方法分离氨基酸。利用氨基酸等电点的性质，可以用电泳方法分离氨基酸。 当电泳池的

16、缓冲溶液当电泳池的缓冲溶液pH=6.02时，丙氨酸时，丙氨酸(Ala,pI=6.02)、精、精氨酸氨酸(Arg,pI=10.76) 、天冬氨酸、天冬氨酸(Asp,pI=2.98)存在的主要结构如存在的主要结构如下：下：CH2COO-CH3NH3+-OCOCH2CHNH3+CO2-H2NCNH2+NH(CH2)3CH2NH3+COOHArgAlaAsp （二）、氨基酸的脱羧反应（二）、氨基酸的脱羧反应 - 氨基酸与氢氧化钡一起加热，可以发生脱羧反应，失去氨基酸与氢氧化钡一起加热，可以发生脱羧反应，失去二氧化碳而得到胺。例如：二氧化碳而得到胺。例如：OH-RCHNH3+COO-RCH2NH2CO2

17、 生物体内脱羧反应，可在脱羧酶作用下进行。由赖氨酸脱羧生物体内脱羧反应，可在脱羧酶作用下进行。由赖氨酸脱羧可得到尸胺（尸毒）。肌球蛋白中的组氨酸，在脱羧酶的作用下，可得到尸胺（尸毒）。肌球蛋白中的组氨酸，在脱羧酶的作用下， 可脱羧生成组胺。组胺过多，在体内将引起变态反应。可脱羧生成组胺。组胺过多，在体内将引起变态反应。脱羧酶组氨酸组胺NNHCH2CHCO2-NH3+NNHCH2CH2NH2 （三）、氨基酸与亚硝酸反应三）、氨基酸与亚硝酸反应 含含 有伯氨基的氨基酸，可与亚硝酸反应，定量的放出氮有伯氨基的氨基酸，可与亚硝酸反应，定量的放出氮气，气，NH3+被被OH取代。取代。 若定量的测定出反应

18、中所放出的氮气的体积，即可计算若定量的测定出反应中所放出的氮气的体积，即可计算出氨基酸的含量，也可计算出氨基的数量。这个方法叫做出氨基酸的含量，也可计算出氨基的数量。这个方法叫做 Van Slyke 氨基氮测定法氨基氮测定法，常用于氨基酸和多肽的定量分析。，常用于氨基酸和多肽的定量分析。 脯氨酸脯氨酸分子中含有亚氨基，亚氨基不能与亚硝酸反应放分子中含有亚氨基，亚氨基不能与亚硝酸反应放出氮气。出氮气。RCHNH3+COO-HNO2N2H2ORCHCOOHOH （四）、氨基酸的显色反应（四）、氨基酸的显色反应1 1、氨基酸与茚三酮反应、氨基酸与茚三酮反应 - 氨基酸与茚三酮的水合物共热，经过一系列

19、反应，放氨基酸与茚三酮的水合物共热，经过一系列反应，放出二氧化碳，并生成一种紫色的化合物，叫做出二氧化碳，并生成一种紫色的化合物，叫做罗曼氏紫罗曼氏紫( Ruhemanns purple )。CO2罗曼氏紫OOOONOOOHOHH3NCHRCOO-H2ORCHO茚茚三酮水合茚三酮OOOOOOHOH-H2O+H2O 2 2、与丹酰氯的反应、与丹酰氯的反应N(CH3)2SO2Cl15H3N+ CH COO-RN(CH3)2SO2 NH CH COOH15RHCl 氨基酸与丹酰氯氨基酸与丹酰氯 ( dansyl chloride , DNSCl ) ( 学名叫学名叫做做 5 - N , N - 二甲氨基萘二甲氨基萘 - 1 - 磺酰氯磺酰氯 ) 进行磺酰化反应，分子进行磺酰化反应，分子中的中的 NH3+离子被磺酰化，生成丹酰基氨基酸，在紫外光的离子被磺酰化，生成丹酰基氨基酸，在紫外光的照射下呈强烈的黄