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第三章 氨基酸

第三章 氨基酸. 一、氨基酸 —— 蛋白质的构件分子. 二、氨基酸的分类. 三、氨基酸的酸碱化学. 四、氨基酸的化学反应. 五、氨基酸的光学活性和光谱性质. 六、氨基酸混合物的分析分离. 一、氨基酸 —— 蛋白质的构件分子. （一）蛋白质的水解. 蛋白质的水解可分为完全水解和部分水解两种情况。. （ 1 ）酸水解 常用 H 2 SO 4 (4mol/L) 和 HCl (6mol/L) 进行水解。 色氨酸破坏，天冬酰胺、谷胺酰胺脱酰胺基。. （ 2 ）碱水解 用 5mol/L 的 NaOH 水解，氨基酸消旋，色氨酸稳定。.

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第三章 氨基酸

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  1. 第三章 氨基酸 一、氨基酸——蛋白质的构件分子 二、氨基酸的分类 三、氨基酸的酸碱化学 四、氨基酸的化学反应 五、氨基酸的光学活性和光谱性质 六、氨基酸混合物的分析分离

  2. 一、氨基酸——蛋白质的构件分子 （一）蛋白质的水解 蛋白质的水解可分为完全水解和部分水解两种情况。 （1）酸水解 常用H2SO4 (4mol/L)和HCl (6mol/L)进行水解。色氨酸破坏，天冬酰胺、谷胺酰胺脱酰胺基。 （2）碱水解 用5mol/L的NaOH水解，氨基酸消旋，色氨酸稳定。 （3）酶水解 水解位点特异，为部分水解。用于一级结构分析。 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  3.  （二）α－氨基酸的一般结构 1809年发现Asp，1938年发现Thr，目前已发现180多种。但是组成蛋白质的aa常见的有20种，称为基本氨基酸或蛋白质氨基酸（编码蛋白质的氨基酸），还有一些称为稀有氨基酸，是多肽合成后由基本aa经酶促修饰而来。此外还有存在于生物体内但不组成蛋白质的非蛋白质氨基酸(约150种)。 （1）具有酸性的—COOH基及碱性的—NH2基，为两性电解质。 （2）如果R≠H，则具有不对称碳原子，因而是光活性物质。

  4. 旋光性 在天然氨基酸中，只有甘氨酸无旋光性，因为只有含不对称碳的氨基酸才有旋光作用。甘氨酸无不对称碳故无旋光性。 极性 从氨基酸在不同溶剂中的溶解度和氨基酸的R基团在溶剂中的定位，可知有些氨基酸的R残基是亲水性的称极性基(如酸基、碱基、脂族醇、酰胺基)，有的是疏水性的称非极性基(如脂族和芳香族支链)。含极性基团的氨基酸称极性氨基酸，含非极性基团的氨基酸称非极性氨基酸。 极性基可同其他相应基团形成氢键或离子键。非极性基团(疏水性基团)相互间的作用对天然蛋白质分子的空间构象和稳定性都起极大作用。 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  5. 二、氨基酸的分类 （一）常见的蛋白质氨基酸 1、按照R基的化学结构 （1）脂肪簇氨基酸 ①中性氨基酸：Gly、Ala、Val、Leu、Ile ②含羟基或硫氨基酸：Ser、Thr、Cys、Met ③酸性氨基酸及其酰胺：Asp、Glu、Asn、Gln ④碱性氨基酸：Lys、Arg （2）芳香簇氨基酸 Phe、Tyr、Trp （3）杂环簇氨基酸 His、Pro

  6. 2.按R的极性性质 （1）非极性R基氨基酸 Ala、Val、Leu、Ile、Pro、Phe、Trp、Met （2）不带电荷的极性R基氨基酸 Gly、Ser、Thr、Cys、Tyr、Asn、Gln （3）带正电荷的R基氨基酸 Lys、Arg、His （4）带负电荷的R基氨基酸 Asp、Glu 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  7. 侧链极性(疏水性程度) 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  8. 胶原蛋白中的Lys侧链氧化时能形成很强的分子间(内)交联。胶原蛋白中的Lys侧链氧化时能形成很强的分子间(内)交联。 Arg的胍基碱性很强，与NaOH相当。 His是一个弱碱，是天然的缓冲剂，它往往存在于许多酶的活性中心。 非极性aa一般形成蛋白质的疏水核心，带电荷的aa和极性aa位于表面。 酶的活性中心：His、Ser、Cys 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  9. （二）不常见的蛋白质氨基酸 有些不常见的氨基酸在某些蛋白质中存在，是由相应的常见氨基酸经修饰而来。 在结缔组织的胶原蛋白中有5-羟赖氨酸、4-羟脯氨酸；肌球蛋白含有甲基化的氨基酸（6-N-甲基赖氨酸 ）；凝血酶原中发现了γ－羧基谷氨酸；细菌紫膜质中存在焦谷氨酸；甲状腺蛋白中Tyr的衍生物：3.5-二碘酪氨酸、甲状腺素；等。 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  10. 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  11. （三）非蛋白质氨基酸 除参与蛋白质组成的20多种氨基酸外，生物体内存在大量的氨基酸中间代谢产物，它们不是蛋白质的结构单元，但在生物体内具有很多生物学功能。 （1）L-型α–氨基酸的衍生物：L-瓜氨酸和L-鸟氨酸 （2）D-型氨基酸：D-Glu、D-Ala（肽聚糖中）、D-Phe（短杆菌肽S） （3）β-、γ-、δ-氨基酸 ：β-Ala（泛素的前体）、γ-氨基丁酸（神经递质）。 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  12. 三、氨基酸的酸碱化学 （一）氨基酸的兼性离子形式 α-氨基酸都含有-COOH和-NH2，都是不挥发的结晶固体，熔点200-350℃，不溶于非极性溶剂，而易溶于水，这些性质与典型的羧酸（R-COOH）或胺（R-NH2）明显不同。 三个现象： ①晶体溶点高→离子晶格，不是分子晶格。 ②不溶于非极性溶剂→极性分子 ③介电常数高（氨基酸使水的介电常数增高，而乙醇、丙酮使水的介电常数降低。）→水溶液中的氨基酸是极性分子。 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  13. 原因：α-羧基pK1在2.0左右，当pH>3.5，α-羧基以-COO-形式存在。α-氨基pK2在9.4左右，当pH<8.0时，α-氨基以α-NH3+形式存在。在pH3.5-8.0时，带有相反电荷，因此氨基酸在水溶液中是以两性离子离子形式存在。 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  14. HAA-+H+ （二）氨基酸的解离

  15. R R R NH3+ +OH- +OH- CH NH3+ CH CH NH2 + H+ + H+ COO COOH COO 氨基酸的两性解离性质及等电点（pI） (pK´1) (pK´2) pH< pI 净电荷为正 pH = pI 净电荷=0 pH > pI 净电荷为负 当氨基酸溶液在某一定pH值时，使某特定氨基酸分子上所带正负电荷相等，成为两性离子，在电场中既不向阳极也不向阴极移动，此时溶液的pH值即为该氨基酸的等电点(isoelctric point)。

  16. 在pH2.34和pH9.60处，Gly具有缓冲能力。 起点： 100% Gly+净电荷：+1 第一拐点： 50%Gly +，50%Gly±平均净电荷：+0.5 pH=pK+lg[Gly±]/[Gly+] = pK1 = 2.34 第二拐点： 100%Gly±净电荷：0 等电点pI 第三拐点： 50%Gly±，50%Gly-平均净电荷：-0.5 pH=pK2+lg[Gly-]/[Gly±]=pK2=9.6 终点： 100% Gly- 净电荷：-1 His咪唑基的pKa值为6.0，在pH7附近有明显的缓冲作用。在生理条件下，只有His有缓冲能力。血红蛋白中His含量高，在血液中具很强的缓冲能力。

  17. 一氨基一羧基AA的等电点计算： pK´1+pK´2 pI= 2 甘氨酸滴定曲线 甘氨酸盐酸盐（A+） 等电点甘氨酸（A） 甘氨酸钠（A-）

  18. 一氨基二羧基AA的等电点计算： 二氨基一羧基AA的等电点计算： pK´1+pK´2 pK´2+pK´3 pI= pI= 2 2

  19. （三）氨基酸的等电点 氨基酸在等电点状态下，溶解度最小。 pH>pI时，氨基酸带负电荷，-COOH解离成-COO-，向正极移动。 pH=pI时，氨基酸净电荷为零。 pH<pI时，氨基酸带正电荷，-NH2解离成-NH3+，向负极移动。 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  20. 四、氨基酸的化学性质 （一）α－氨基参加的反应 1.与亚硝酸的反应 氨基酸的α-氨基定量地与亚硝酸作用产生羟酸和N2，所生成的N2可用气体分析仪器加以测定，这是Van Slyke氏氨基氮测定法的原理。 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  21. 2.与甲醛的反应 氨基酸两性离子的NH3+是弱酸，其pKa为9.7左右，完全离解时溶液的pH约为10±，超出酸碱滴定指示剂的显色范围，不能用一般指示剂，例如酚酞，作酸碱滴定。但当氨基酸的氨基与中性甲醛结合成氨基酸二羟甲基衍生物后，其氨基的碱性即大大减少，反应向右进行，两性离子中NH3+基的离解度增加，释出H+质子，NH3+的pKa值降低到6.5左右，溶液的pH降至6.7左右，此时NH3+离解释出的H+即可以酚酞作指示剂用标准NaOH溶液加以滴定。每释出的一个H+就相当于一个氨基酸。甲醛滴定可用来测定蛋白质的水解程度。 当氨基酸溶液中存在1mol/L甲醛时，滴定终点由pHl2左右移至9附近，亦即酚酞指示剂的变色区域。这就是甲醛滴定法的基础。

  22. 3.酰基化和烃基化反应 氨基酸氨基的一个H可被酰基或烃基(包括环烃及其衍生物)取代，这些取代基对氨基酸的氨基有保护作用。

  23. （生物体内）在酶和ATP存在条件下，羧酸也可与氨基酸的氨基作用，形成酰基化产物。（生物体内）在酶和ATP存在条件下，羧酸也可与氨基酸的氨基作用，形成酰基化产物。 苯甲酸与Gly的氨基的酰基化反应是生物体内解毒作用的一个典型的例子。 苯甲酸是食品防腐剂，在生物体内转变成N-苯甲酰-Gly后，可经尿排出。 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  24. Sanger反应 α-氨基中的氮是一个亲核中心，能发生亲核取代反应。 强亲电的有机物能与α-NH2发生烷基化反应。 第一次大战中使用的芥子气，它的主要作用是使氨基酸的α-氨基烷基化，从而破坏蛋白质的正常功能。 二硝基苯基氨基酸（DNP-氨基酸），黄色，层析法鉴定，被Sanger用来测定多肽的NH2末端氨基酸。 Edman反应 PTH-氨基酸，无色，可以用层析法分离鉴定。被Edman用来鉴定多肽的NH2末端氨基酸。

  25. 4.形成西佛碱反应 氨基酸的α氨基与醛类反应，生成西佛碱。 西佛碱是以氨基酸为底物的某些酶促反应例如转氨基反应的中间物。 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  26. 5.脱氨基化学 氨基酸经氧化剂或酶(如氨基酸氧化酶)的作用即脱出氨产生酮酸。 氨基酸的氨基还可通过酶的作用将氨基转移给酮酸以形成新氨基酸。 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  27. （二）α－羧基参加的反应 1.成酯和成盐反应 氨基酸在有HCl(干氯化氢气)存在下与无水甲醇或乙醇作用即产生氨基酸甲酯或乙酯。 如将氨基酸与NaOH起反应，则得氨基酸钠盐。 当氨基酸的羧基变成乙酯(或甲酯)，或钠盐后。羧基的化学性质就被掩蔽了(或者说羧基被保护了)，而氨基的化学性质就突出地显示出来(或者说氨基被活化了)，可与酰基结合。 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  28. 2.酰氯化反应 酰化氨基酸同PCl5或PCl3在低温下起作用，其—COOH基即可变为—COCl基： 这个反应可使氨基酸的羧基活化，使之易与另一氨基酸的氨基结合，在合成肽的工作上是常用的。 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  29. 3.成酰胺反应 在体外，氨基酸酯与氨(在醇溶液中或无水状态)作用即可形成氨基酸酰胺。 动、植物机体在ATP及天冬酰胺合成酶存在情况下可利用NH+4与天冬氨酸作用合成天冬酰胺；同样，谷氨酸与NH+4作用产生谷氨酰胺。 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  30. 4.脱羧反应 生物体内的氨基酸经脱羧酶(一种催化氨基酸脱羧反应的生物催化剂)作用就放出CO2和产生相应的胺。 大肠杆菌含有一种谷氨酸脱羧酶专使谷氨酸脱羧。 人体和动物体中的胺也是由于氨基酸脱羧产生的。

  31. 5.叠氮反应 氨基酸可以通过酰基化和酯化先将自由氨基酸变为酰化氨基酸甲酯，然后与联氨和HNO2作用使变成叠氮化合物。 这个反应有使氨基酸的羧基活化的作用，在人工合成肽的工作中也是常用的。 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  32. （二）α－氨基和α－羧基共同参加的反应 1.与茚三酮反应

  33. 2.成肽反应 从理论上讲，一个氨基酸的氨基与另一氨基酸的羧基可以缩合成肽，其键称肽键。

  34. 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

  35. 根据此原理，曾利用氨基酸氨基和竣基的某些特有反应合成了若干人工肽链。但必须指出，生物机体利用氨基酸合成肽链的方式并不如此简单，而是通过一系列复杂过程来完成的(详见蛋白质的生物合成)。 楚雄师范学院化学与生命科学系 范树国

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