《有机化学》课件-21-1

第二十一章氨基酸、蛋白质和核酸

蛋白质(protein)存在于一切细胞中。它们是构成人体和动植物组织的基本材料，肌肉、毛发、皮肤、指甲、腱、神经、激素、抗体、血清、血红蛋白、酶等都是由不同蛋白质组成的。蛋白质在有机体中承担着多种生物功能，它们能供给机体营养，输送氧气，控制代谢过程，防御疾病、传递遗传信息，负责机械运动，执行保护机能，等等。可以说，蛋白质是生命的物质基础，是参与体内各种生物化学变化最重要的组分。生命的基本特征就是蛋白质的不断自我更新。

从化学上看，蛋白质是氨基酸的高聚物;氨基酸是构成蛋白质的“基石'因此要讨论蛋白质的结构和性质，首先要了解氨基酸。

在本章介绍与蛋白质有密切关系的另一类生物高分子化合物——核酸。21.1氨基酸

分子中既含有氨基（—NH2)，又含有羧基（—COOH)的化合物叫氨基酸（aminoacids)。根据氨基和羧基的相对位置不同，又可分为α-，β-，γ-或δ-氨基酸。组成蛋白质的几乎都是α-氨基酸。一、氨基酸的结构、分类和命名

在自然界存在的α-氨基酸(亦称天然氨基酸）目前已经知道的有一百多种，但组成蛋白质的氨基酸仅二十多种（见表21-1)。

天然氨基酸常使用俗名（根据来源或性质），例如，微具甜味的称为甘氨酸;最初从蚕丝中得到的氨基酸叫丝氨酸;最初由一种叫天门冬的幼苗中发现的称为天门冬氨酸。每种氨基酸都有缩写符号（即英文名称的头三个字母）。

从表21-1中可以看出，各种氨基酸的差别主要在于R基团的不同，而R基团的结构是多种多样的。在有些氨基酸的R基团中含有羟基、巯基、芳环或杂环，有的氨基酸分子中含有两个氨基或羧基。根据分子中氨基和羧基的数目可将氨基酸分为中性氨基酸（氨基和羧基数目相等）；酸性氨基酸(羧基数目大于氨基数）；碱性氨基酸(氨基数目大于羧基数）。例如：

天然氨基酸，除甘氨酸外，α碳原子都有手性，且都是L构型。氨基酸的构型是与乳酸相比而确定的（也就是从甘油醛导出来的）。例如，与L-乳酸相应的L-丙氨酸的构型是：

正像糖类化合物一样，氨基酸的构型习惯于用D,L标记法。如果用R/S法标记，那么天然氨基酸大多属于S构型。但也有R构型的，如L-半胱氨酸为R构型。二、氨基酸的性质

氨基酸是含有氨基和羧基的双官能团化合物，所以它们既具有羧酸的性质，又具有胺类的性质，同时还具有这两种官能团相互影响而赋于它们的某些特性。1.两性和等电点（isoelectricpoint)

氨基酸既含有碱性基团（—NH2)，又含有酸性基团（—COOH)。它们具有两性，与强酸或强碱作用都能生成盐。

胺与羧酸反应很容易形成铵盐，当氨基和羧基存在于同一分子时，可在分子内发生质子迁移而形成内盐（zwitterion):

氨基酸的某些物理和光谱性质表明，它们是以偶极离子（dipolarion)形式存在的分子中没有游离的—NH2或—COOH。例如，氨基酸一般在200°C以下不熔化，具有很高的熔点（实际上是分解点）。氨基酸可溶于水，而不溶于苯、醚等有机溶剂。这些都是由偶极离子结构所导致的特性。氨基酸的红外光谱上，没有典型的羧基（—C00H)伸展吸收峰（1725〜1700cm―1)，而只有C00-的伸展吸收峰（1650〜1545cm—1）。

氨基酸偶极离子作为两性物质，既能从一个强酸接受一个质子，又可向强碱给出一个质子。

若在氨基酸的平衡水溶液中加入酸，则生成正离子2,加碱生成负离子3。当把该溶液置于电场中，在强酸性条件下，氨基酸分子主要以正离子2存在，应向阴极移动;在强碱性条件下，氨基酸分子主要以负离子3存在，应向阳极移动。调节pH值，使平衡水溶液中的氨基酸分子主要以偶极离子1存在，其净电荷为零，氨基酸分子既不向阴极也不向阳极移动，此时溶液的pH值称为该氨基酸的等电点，简称pl(isoelectricpoint)。由于各种氨基酸结构不同，酸、碱性质不同，所以等电点也不尽相同。一般酸性氨基酸约为3，中性氨基酸约为6，碱性氨基酸约为9〜11。

氨基酸等电点可由相应氨基酸盐酸盐的pKa值求出。如丙氨酸盐酸盐，可看作一个二元酸，具有两个平衡常数K1和K2

用碱调节丙氨酸盐酸盐水溶液pH值，当加入0.5mol碱时，平衡中氨基酸正离子4的浓度与偶极离子5的相同，[4]=[5]此时溶液pH值等于pK1，实际上此溶液中只有50%的偶极离子5。当加入1.5mol碱时，溶液中氨基酸偶极离子5的浓度等于负离子6，[5]=[6]此时溶液的pH值等于pK2，溶液中也含50%偶极离子5。所以使丙氨酸完全以偶极离子5存在时，pH值应为pK1和pK2的平均值，这个pH值即为丙氨酸的等电点(pI),pI=(pK1+pK2)/2。根据表21-2数据，丙氨酸盐酸盐的pK1为2.3、pK2为9.7，可求出丙氨酸等电点为6.0:

又如赖氨酸的盐酸盐具有三个PK值，它的离解平衡可描述如下:

平衡中第二步离解可生成净电荷为零的偶极离子，它继续离解生成负离子的形式。根据表21-2中赖氨酸的pK值，可求出赖氨酸等电点（pI)约为9.8:

等电点是每一种氨基酸的特定常数。在等电点时，氨基酸的水溶解度最小，所以可利用不同氨基酸的等电点来进行分离提纯。用电泳技术分离氨基酸正是基于不同氨基酸具有不同等电点性质。问题21-1写出下列氨基酸在给定PH值的离子结构。(1)半胱氨酸(PH4.80) (2)精氨酸(PH10.95)问题21-2下列氨基酸在pH=6时，置于电场中，推测其移动方向。

(1)缬氨酸

（2)谷氨酸（3)赖氨酸2.羧基的反应3.氨基的反应

以上这些反应在化学上和生物体中都很重要，例如，氨基酸和HNO2反应，定量放出氮气，可用来测定—NH2的含量。氨基酸和甲醛反应可以在用酸碱滴定测羧基的含量时将氨基保护起来，避免干扰。氨基酸与2,4-二硝基氟苯的反应可用于多肽结构的N-端分析(见21.2节）。氨基酸氧化脱氨生成酮酸的反应在生物体内是在酶的催化下完成的，它是体内蛋白质分解代谢中的重要过程。4.与水合茚三酮的反应

α-氨基酸与水合茚三酮在碱性溶液中加热，发生氧化、脱氨、脱羧作用，最终生成蓝紫色物质。其反应过程为：

这是检验氨基酸的灵敏方法。与水合茚三酮反应，脯氨酸或羟脯氨酸显黄色。

在生化实验中，常常用纸层析、柱层析或薄层层析法分离氨基酸，当氨基酸分开后，总是利用水合茚三酮的显色来定性或定量测定各种氨基酸。5.氨基酸的受热反应

氨基酸的受热反应与相应的羟基酸的极为相似:α-氨基酸加热生成交酰胺或肽（关于肽见21.2节）;β-氨基酸加热生成α，β不饱和酸；γ-氨基酸加热生成内酰胺。

三、氨基酸的来源与合成

氨基酸不仅是组成蛋白质的结构单元，而且它们本身也是人体生长的重要营养物质，具有特殊的生理作用，因此氨基酸的生产和应用早就得到人们的重视。

生产氨基酸主要有以下四条途径:1.蛋白质的水解

由蛋白质水解制备氨基酸是从1820年开始的,这是一个最古老的方法。味精早期就是由小麦蛋白质—面筋水解得到。胱氨酸、半咣氨酸是由头发水解制得的。

蛋白质水解法的缺点是分离比较困难，因为水解时所得到的总是各种氨基酸的混合物。2.微生物发酵法

该法是以糖质原料(如淀粉、果糖、蔗糖)或以石油及其制品（如石蜡油、煤油、乙醇、醋酸)

为主要碳源，在其他氮、磷、钾等物质存在下,经过微生物发酵时生成氨基酸。1957年开始用该法生产谷氨酸（味精），目前谷氨酸发酵工艺生产的谷氨酸占世界年总产量(20万吨）中的大部分。微生物发酵法的原料价廉，在大多数情况下，由于细菌的特异作用，能直接得到L型氨基酸,无须再进行外消旋体的拆分。3.酶法

在酶的作用下，可将一定原料转化成L-氨基酸。酶法的特点是酶的催化选择性很强，生产过程简单，周期短，成本低，产率高，副产物少。目前利用酶法生产的氨基酸有L-丙氨酸,L-天门冬氨酸，L-赖氨酸,L-色氨酸，L-鸟氨酸等。4.合成法

为了经济、大量地生产氨基酸，还需要用化学合成法。合成氨基酸的主要方法有以下几种：

在这种反应中，常常有仲、叔胺衍生物生成，不易得到纯的产品。但在使用大量过量氨的情况下还是可以得到一定产率的氨基酸。例如：(6)氨基酸手性合成

用上述方法获得的氨基酸都是外消旋体，只有经过拆分才能得到L或D构型氨基酸。氨基酸不对称合成近年来发展很快，例如，利用膦铑手性络合催化剂可得到L或D构型的氨基酸，有的光学产率可达100%。最常用的催化剂是R-1，2-双（二苯基膦基）丙烷和铑的络合物,R-1,2-双（二苯基膦基）丙烷可被叫做R-prophose，它可作为配基。当用R-prohose与降冰片二烯反应后，可生成手性铑络合物，在溶剂（如乙醇）中用氢处理，

可得到氨基酸不对称合成的手性催化剂，其分子式为[Rh(R-prophose)(H2)(C2H5OH)2]+。当2-乙酰氨基丙烯酸在这个催化剂存在下氢化，可产生L-乙酰氨基丙酸，经水解得到L-丙氨酸。由于催化剂是手性的，加氢过程具有立体选择性，可成功地完成这个不对称合成。

当采用3位有取代基的(Z)-乙酰氨基丙烯酸时，利用这个膦铑催化剂的手性诱导作用经上述步骤可合成其他L-氨基酸。

在氨基酸手性合成中贡献最大的科学家之一是Knowks，他不仅在1968年首次合成出了催化氢化的催化剂，并不断地