华中科技大学有机化学第十三章氨基酸.ppt

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1、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

2、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

3、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

4、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。

5、,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，

6、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(Str

7、ecker)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

8、-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

9、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

10、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

11、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

12、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

13、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

14、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。,