华中科技大学有机化学第十三章氨基酸.ppt
第十二章 氨 基 酸12.1 氨基酸 分子中含有氨基的羧酸叫做氨基酸(amino acid)。自然界中的氨基酸绝大多数是-氨基酸。-氨基酸是组成蛋白质的基本单位，蛋白质彻底水解生成-氨基酸。因此-氨基酸是生命的基础物质，在生命活动中起决定性的作用。一、-氨基酸的构型 与核酸中的遗传密码相应的组成蛋白质的20种氨基酸中，19种是-氨基酸，一种是亚氨基酸(脯氨酸)。在这些氨基酸中，除甘氨酸外都有旋光性，并且都是L-型的。,对于含有两个手性碳原子的-氨基酸，其构型仍由-碳原子决定。例如：,氨基酸的构型也可以用RS来表示，但习惯上用DL标记法。,二.-氨基酸的分类 在-氨基酸分子中，氨基和羧基的数目有时不是一个，氨基和羧基的数目也不一定相等。分子中氨基和羧基数目相等的为中性氨基酸；氨基的数目多于羧基的为碱基氨基酸；氨基的数目少于羧基的为酸性氨基酸。常见的20种氨基酸的名称、结构和分类见下表。常见氨基酸,三.-氨基酸的物理性质-氨基酸都是无色结晶，熔点较高，并且多数在熔化时分解。例如甘氨酸的熔点为262(分解)，而相应的乙酸的熔点仅165。所有的-氨基酸均溶于强酸或强碱中而不溶于乙醚、苯等非质子性溶剂中。各种-氨基酸在水中的溶解度大小不一，例如25时100克水中仅溶解0.01克胱氨酸，但能溶解162.3克脯氨酸。,四、-氨基酸的化学性质1两性与等电点-氨基酸分子中既含有碱性的氨基，又含有酸性的羧基，所以是两性化合物。例加,实际上，氨基酸分子本身的羧基或氨基能互相作用生成内盐：,内盐具有偶极和两种离子的性质，所以称为偶极离子或两性离子(zwitterion)。-氨基酸在固态时主要以两性离子的形式存在因而熔点较高。,-氨基酸在水溶液中有如下的平衡：,由于-氨基酸中羧基离解质子的能力和氨基接受质子的能力并不相等，因而在上述平衡体系中，负离子、正离子和两性离子的浓度并不相等。例如中性氨基酸在水溶液中，负离子的浓度比正离子的浓度要大一些。如调节。-氨基酸溶掖的酸碱性达到某一pH值，使正离子和负离子的浓度相等，此时-氨基酸主要以两性离子的形式存在，在电场中既不向阳极也不向阴极移动，这时溶液的pH值叫做该氨基酸的等电点(isoelectric point)，用符号p表示。由于各种-氨基酸分子中的氨基和羧基的数目不等且相对强度各异，因而其等电点也各不相同。从上表可以看到，中性氨基酸的p值略小于7，在5668之间；酸性氨基酸的值在2832之间；碱性氨基酸的值大于7，在76108之间。,将某-氨基酸溶液的pH值调节到大于它的PI值时，该-氨基酸就主要以负离子的形式存在，在电场中，向阳极移动；如将它的pH值调节到小于它的pI值时，该-氨基酸则主要以正离子的形式存在，在电场中向阴极移动。-氨基酸在等电点时，两性离子的浓度最大，在水中的溶解度最小，因而用调节等电点的方法可以分离氨基酸的混合物。,2酯化和酰化-氨基酸具有羧酸和胺的一般反应。例如羧基可以酯化，氨基可以酰化。,3与亚硝酸的反应-氨基酸中的氨基与亚硝酸作用时定量放出氮气。,测定放出氮气的体积，可计算出氨基的含量。这个方法叫做van sIyke 氨基测定法。,4与甲醛的反应-氨基酸的氨基能与甲醛迅速起反应，释出H+。,以酚酞作指示剂，用NaOH滴定可间接测定氨基的含量*,5与水合茚三酮的反应-氨基酸的水溶液用水合茚三酮处理时呈紫色。在反应中-氨基酸被氧化成醛，同时脱去氨基。,-氨基酸与水合茚三酮的反应十分灵敏，几微克-氨基酸就能显色，所以常用水合茚三酮为显色剂，定性鉴定-氨基酸。同时由于生成的紫色溶液在570nm有强吸收蜂，其强度与参加反应的氨基酸的量成正比，因而可以定量测定-氨基酸的含量。,6.失羧 将-氨基酸小心加热或在高沸点溶剂中回流，可失羧生成胺。例如赖氨酸失羧后便得到戊二胺(尸胺)：,细菌或动植物体内的脱羧酶作用于氨基酸，也能发生失羧反应。,7形成配合物 氨基酸中的羧基可与金属成盐，同时氨基氮原子上的未共用电子对，可与成盐的金属离子通过配位键而形成配合物。例如-氨基酸能与Cu2形成蓝色配合物晶体。,五、-氨基酸的制备方法1化学合成法(1)-卤代酸的氨化-卤代酸和过量的氨作用可以得到-氨基酸。,由于-氨基酸中氨基的碱性比脂肪伯胺弱，进一步烷基化的倾向较小，所以可得到较纯的-氨基酸。,2)斯特雷克尔(Strecker)合成 醛在氨存在下与氢氰酸加成生成-氨基腈，后者水解可生成-氨基酸。例如,3)丙二酸酯法 卤代丙二酸酯与邻苯二甲酰亚胺的盐作用生成N丙二酸酯邻苯二甲酰亚胺，后者经烷基化、水解脱羧可得到-氨基酸。,上述化学合成得到的-氨基酸都是外消旋体，必须进行拆分才能得到光学纯的。,2蛋白质水解法 蛋白质的酸性或碱性水解可得到多种-氨基酸的混合物，经分离纯化可得到天然的L氨基酸。例如动物的毛发经30盐酸水解得到水解液，调节其pH值到达48(等电点)时，即析出L胱氨酸的沉淀。,L胱氨酸与L半胱氨酸可通过氧化还原而相互转化：,3发酵法 用微生物发酵法生产-氨基酸，近年来获得了迅速的发展，目前大多数常见-氨基酸都可以用发酵法生产。发酵法有许多优点，原料来源丰富，产品都是L氨基酸，不需要拆分。例如L谷氨酸是由淀粉的微生物发酵得到。L谷氨酸的单钠盐是日常的调味品味精。,12.2 多 肽-氨基酸分子中的羧基与另一分子-氨基酸的氨基生成的酰胺叫做肽(Peptide)，肽分子中的酰胺键叫做肽键(peptide bond)。由多个-氨基酸分子用肽键连接而成的化合物叫做多肽(polypeptide)。,一、肽的结构和性质 蛋白质水解的中间产物为多肽，多肽进一步水解最后生成-氨基酸。根据组成肽分子的氨基酸的数目可分为二肽、三肽和多肽等。,书写肽的化学构造式时，一般把氨基的一端写在左边，称为N-端，把羧基的一端写在右边，称为C-端。式中R基可以相同，也可以不同。,肽的命名是以C端的氨基酸为母体，把肽链中其它的氨基酸中的酸字改成酰字，按顺序依次写在母体名称之前。为了书写方便，也常用缩写符号代替化学名称。例如甘氨酸和丙氨酸形成的两种二肽的构造式和名称为：,又例如谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸顺次连接形成的三肽的构造式和名称为：,多肽也是两性离子，也有等电点，在等电点时溶解度最小。多肽的性质与氨基酸极为相似。,生物体内除了由蛋白质部分水解生成的多肽之外，还存在一些游离的多肽，它们具有重要的生理功能。例如谷半胱甘肽是广泛存在于生物体细胞内的重要三肽，参与细胞的氧化还原过程。存在于垂体后叶腺中的催产素和增血压素都是由九个氨基酸组成的九肽，两者的结构十分相似，仅3、8位上两个氨基酸相异，但它们的生理作用完全不同。前者促进子宫和乳腺平滑肌收缩，临床用于引产和减少产后出血，后者增加血压和具抗利尿作用，临床用子治疗肺咯血和尿崩症。,二、多肽的合成两种氨基酸可以生成四种二肽。例如：,如要合成指定的二肽，如苯丙甘，必须把苯丙氨酸的氨基和甘氨酸的羧基保护起来，使肽键只能在指定的羧基和氨基之间生成，并且所选择的保护基团在肽键生成后应易于除去。另一方面必须使欲反应的羧基或氨基活化，以便肽键的顺利生成。此外，除甘氨酸之外的-氨基酸都是旋光的，因而必须注意任何一个反应条件都不可发生构型的转化或外消旋化。多肽的合成过程必须满足以上的严格要求。,氨基的保护 氨基常用苄氧羰基(简写作Z)和叔丁氧羰基(简写作BOC)保护。例如,生成肽键后，苄氧羰基可以用催化氢解的方法除去，叔丁氧羰基可以用无水酸处理除去。,2.羧基的保护羧基常用苄酯或叔丁酯保护。例加,苄酯可以用催化氢解的方法除去。叔丁酯可用温和酸性水解除去。,3.肽键的生成 要使已有保护基的两个氨基酸之间形成肽键，还需使欲反应的基团活化。常用的方法是加入羧基活化剂N,N-二环己基碳二亚胺(简写作DCC)。等摩尔的羧酸和胺在DCC存在下在室温可以迅速生成酰胺：,氨基保护或羧基保护的氨基酸不再是两性离子，它们可以溶于有机溶剂，在DCC存在下迅速反应生成肽键，除去保护基后使得到二肽。例如：,适当保护的氨基酸和二肽在DCC存在下再生成肽键，产物除去保护基后得到三肽。如此重复，可得到多肽。,4多肽的固相合成,在多肽的合成中，每生成一个肽键，都要经过官能团保护、官能团活化、形成肽键、去保护基等步骤，加上每一步产物的分离提纯，操作十分复杂和费时，且产率低。1962年Merrifield提出的固相合成法使多肽的合成取得重要突破。这个合成方法是在不溶性聚合物表面上进行。所用聚合物是以对二乙烯基苯交联的聚苯乙烯树脂。将树脂的部分苯环氯甲基化，然后与氨基被保护的氨基酸反应形成氨基酸的苄酯。除去保护基Z，加入氨基被保护的氨基酸及活化剂DCC，就可生成固定在聚合物上的二肽：,重复上述过程，可得到固定在聚合物上的三肽、四肽等。最后加入F3CCOOHHBr，使合成的多肽从聚合物上脱落下来。目前，已有计算机控制的多肽合成仪商品，每步反应的产率在99以上，多肽的合成已实现了自动化，推动了生物化学、分子生物学等学科的迅速发展。Merrifield获得1984年诺贝尔化学奖。多肽和蛋白质之间没有明确的界限，通常把分子量大于10 000(约100个左右氨基酸单位)且不能透过天然渗析膜的多肽称为蛋白质。,12.3 肽结构的测定,1氨基酸的分析 测定肽结构的第一步是断开二硫桥键，这个反应可以用过氧甲酸氧化来实现，没有二硫桥键，这一步就不需要了。过氧甲酸可将二硫桥键转变成磺酸基。第二步是测定全部氨基酸组成。一般采用6M盐酸在100120oC水解1024h,将肽键全部水解，然后用色层分离法分析。,2肽链中氨基酸残基序列的测定,人们常用端基分析及部分水解等方法来完成。,(1)N-端氨基酸的鉴定(或称氨端)鉴定氨端的方法有两种：a第一种由Frederick Sanger提出，称为Sanger法.,b第二种由Pehr Edman首先提出，称为Edman降解法。,(2)C端氨基酸的鉴定(或称羧端)测定C端氨基酸最成功的方法是酶催化法，而不是化学法，例如用羧肽酶可以有选择地切下C端氨基酸，因羧肽酶只断裂多肽链中与游离的-羧基相邻的肽健，如下虚线所示：,降解后的肽其C端可以继续为羧肽酶水解，因此可以测定C端氨基酸及其序列。,(3)肽键的部分水解 用专一的化学或酶催化水解生成较小的肽(或称碎片)，再用端基分析法鉴定，也是测定氨基酸顺序的一种有效方法。如溴化氰(BrCN)试剂，它只能使蛋氨酸的羧基位置上的肽键断裂；胰蛋白酶催化水解只断裂精氨酸和赖氨酸残基的羧基一侧的肽键。类似作用的酶还很多，如胰凝蛋白酶、胃蛋白酶、糜蛋白酶和葡萄球菌蛋白酶等，它们都有各自的选择性水解断键的作用。,
