专业课生物化学第三章 氨基酸

什么叫消旋物？
旋光性物质在化学反应中，只要其不对称原 子经过对称状态的中间阶段，就会发生消旋作用 并转变为D型和L型的等摩尔混合物，称消旋物。
什么叫内消旋氨基酸？
胱氨酸是一种特殊情况，可以出现三种情况
1、组成胱氨酸的二个半胱氨酸都是D型或L型，这两个异构体都 具有旋光性； 2、如果组成胱氨酸的半胱氨酸分别是D型和L型，这时一个不对 称中心的构型将是另一个不对称中心的构型的镜象，因此分子内部互 相抵消而无旋光性。这种胱氨酸异构体称为内消旋胱氨酸。
氨基酸的旋光符号和大小取决于它的R基性 质，并且与测定的溶液pH有关。这是因为不同 pH值条件下氨基和羧基的解离状态不同。 比旋光度是α-氨基酸的物理常数之一，也是 鉴别各种氨基酸的一种根据。
二硫苏糖醇
胱氨酸
二硫化物
半胱氨酸
反应中，二硫苏糖醇形成一个含分子内二硫键的稳 定六元环，因此平衡向右方移动。生成半胱氨酸残基及 相应的二硫化物。
氨基酸的呈色反应
反应
双缩脲反应 Millon反应 黄色反应 乙醛酸反应 坂口反应 茚三酮反应
试剂
NaOH,稀CuSO4 Millon,硝酸，亚硝酸 HNO3及NH3 乙醛酸H2SO4 次氯酸钠,萘酚，NaOH CuSO4磷钨酸-钼酸 茚三酮
是一个很强的亲核基团，与烃化试剂如甲基碘容 易形成锍盐。
此反应可被巯基试剂逆转
6、半胱氨酸侧链上的巯基：
反应性能很高，在微碱性条件下，巯基发生解离形 成硫醇阴离子(-CH2-S-)，能与卤化烷例如碘乙酸，碘 乙酰胺，甲基碘等迅速反应，生成相应的稳定烷基衍 生物。
半胱氨酸的巯基能打开乙撑亚胺，即氨丙啶的环.
1、酪氨酸的酚羟基：
在3和5位上容易发生亲电取代反应，例如发生碘 化或硝化，分别生成一碘酪氨酸和二碘酪氨酸或一硝 基酪氨酸和二硝基酪氨酸。
酪氨酸的酚基还可以与重氮化合物(例如对氨基 苯磺酸的重氮盐)结合生成桔黄色的化合物。
2、组氨酸的侧链眯唑基：
与重氮苯磺酸也能形成相似的化合物，但颜色稍有差 异，呈棕红色。
3、成酰氯反应：
氨基酸的氨基用适当的保护基，如苄氧甲酰 基保护后，其羧基可与二氯亚砜或五氯化磷作 用生成酰氯。
此反应可使氨基酸羧基活化，使它易与另一 氨基酸的氨基结合，因此在多肽人工合成中是常 用的。
4、脱羧基反应：
在生物体内氨基酸经氨基酸脱羧酶作用， 放出二氧化碳并生成相应的一级胺：
5、叠氮反应：
多重光学异构
有些氨基酸除了α 碳原子是一个不对称碳原子外，还有第 二个不对称碳原子。因此可以存在四种光学异构体，它们分 别称为D-、L-、 D-别-和L-别-氨基酸。以苏氨酸为例。
L-和D-、L-别—和D—别—各为一对对映体，分别组成一 个外消旋物。苏氨酸和别 — 苏氨酸之间不存在互成物体与 镜象的关系。实验表明四种异构体，在蛋自质中只发现其 中一种，即L-苏氨酸。
氨基酸的氨基通过酰化加以保护，羧基经酯化转变 为甲酯，然后与肼和亚硝酸反应即变成叠氮化合物。
此反应使氨基酸的羧基活化。氨基酸叠氮化合物常用 于肽的人工合成。
三、α-氨基和α-羧基共同参加的反应
1. 茚三酮反应:
最大吸收峰 在波长570 nm，用Байду номын сангаас氨 基酸定性定 量分析。
两个亚氨基酸--脯氨酸和羟脯氨酸与茚三酮反应并 不释放NH3，而直接生成黄色化合物。
3. 碱性氨基酸（+）
1、非极性R基(中性-非极性氨基酸)
共8种氨基酸,4种带脂肪烃侧链的氨基酸；2种含芳香环 氨基酸；1种含巯基氨基酸和1种甘氨酸。它们在水中的溶 解度比极性氨基酸小。
2、不带电荷的极性R基(中性-极性氨基酸)
共7种氨基酸，易溶于水，Ser、Thr和tyr中侧链的极性 是由羟基造成；Trp、Asn和Gln的极性是由酰胺基引起，半 胱氨酸是由于含巯基。其中Cys和Tyr的极性最强。
• 自然界中的氨基酸有300余种，组成人体蛋白 质的氨基酸20种。 • L-氨基酸（甘氨酸除外）
COO
+
CH 3 R H
H
C
NH3
甘氨酸 丙氨酸 L-氨基酸的通式
第一节（二）：氨基酸的分类
根据R基的化学结构或极性大小分成三大类：
非极性疏水性氨基酸 1. 中性氨基酸 极性氨基酸 2. 酸性氨基酸（－）
最大吸收峰440nm
2、成肽反应
O NH2-CH-C H
甘氨酸
+
OH
O NH-CH-C H
甘氨酸
H
OH
-HOH
O O NH2-CH-C-N-CH-C H HH OH
甘氨酰甘氨酸
肽键
四、侧链R基参加的反应 氨基酸侧链功能基团
羟基，酚基，巯基，吲哚基，眯唑基，胍 基、甲硫基以及非α-氨基和非α-羧基等。
R CH COOH NH2
Ka1
[ A ][ H ] Ka2= [ A0 ]
-NH3+的解离常数
-COOH的解离常数
Ka2
R CH COOH NH3+
+OH+H+
+OH R CH COOR CH COO-
NH3+
+H+
pH<pI
阳离子 (A+)
pH=pI
氨基酸的兼性离子 (A0)
pH>pI
阴离子 (A-)
丙氨酸 精氨酸
天冬酰胺
天冬氨酸 天冬酰胺和或天冬氨酸 半胱氨酸 谷氨酰胺 谷氨酸 谷氨酰胺和或谷氨酸 甘氨酸 组氨酸 异亮氨酸 亮氨酸 赖氨酸 甲硫氨酸 苯丙氨酸 脯氨酸 丝氨酸 苏氨酸 色氨酸 酪氨酸 缬氨酸
第二节：氨基酸的酸碱化学 一、氨基酸的兼性离子形式
氨基酸的二种可能存在形式 两性解离及等电点
3、精氨酸的侧链胍基：
在硼酸钠缓冲液(pH8-9, 25-35℃)中，与1，2-环己 二酮反应，生成缩合物：
4、色氨酸的侧链吲哚基：
在温和条件下可被N—溴代琥珀酰亚胺氧化。此反应 可用于分光光度法测定蛋白质中色氨酸的含量，并能在色 氨酸和酪氨酸残基处选择性化学断裂肽键。
5、蛋氨酸侧链上的甲硫基：
酸碱的相互关系如下
这里原始的酸(HA)和生成的碱(A-)被称为共轭酸碱对。 酸和碱有同一性：互为存在的条件，在一定条件下，又各 向着和自己相反的方面转化。
根据这个理论，氨基酸在水中的偶极离子既起 酸(质子供体)的作用，也起碱(质子受体)的作用， 因此是两性电解质。
质子供体
质子受体
Ka1=
[ A 0 ][ H ] [ A ]
第3章：氨基酸
第一节：氨基酸的结构与分类
第二节：氨基酸的酸碱化学
第三节：氨基酸的化学性质
第四节：氨基酸的光学活性和光谱性质
第一节（一）：氨基酸的结构
一、氨基酸—— 组成蛋白质的基本单位
1、酸水解： 盐酸或硫酸回流煮沸20小时。 不引起消旋作用，得到L-氨基酸。色氨酸完全被破坏；羟基氨 基酸、天冬酰胺、谷胺酰胺部分被破坏。 2、碱水解：氢氧化钠共煮10—20小时。 产物是D型和L型氨基酸的混合物。产生消旋现象。多数氨基酸 遭到破坏。色氨酸稳定。 3、酶水解： 胰蛋白酶、糜蛋白酶、胃蛋白酶水解。 不产生消旋作用，也不破坏氨基酸。水解不彻底。
3、带负电荷的R基氨基酸(酸性氨基酸)
共 2 种氨基酸： 分子内含有两个羧基，第二个羧基在 pH6-7范围内也完全解离，因此分子带负电荷。
4、带正电荷的R基氨基酸(碱性氨基酸)
共3种氨基酸：在pH7时携带净正电荷。Lys除α 氨基外， 在脂肪链的 ε 位置上还有一个氨基； Arg 含有一个带正电 荷的胍基；His有一个弱碱性的咪唑基。
R+=R0
R0=R-
甘氨酸解离曲线
等电点相当于该氨基酸两性离子状态两侧基团pK值之和的一半
pI=½ （pKa1+pKa2）
对侧链R基不解离的中性氨基酸：
pI=1/2（ pK1+ pK2）
等电点pH值与离子浓度无关，取决于兼性离子两侧基团的pK值
对有3个可解离基团的酸或碱性氨基酸：
pI=1/2（ pKa1+ pKa2）
计算等电点pH值时，先写出其解离公式；后取兼性离子两侧 基团的pK值的平均值
三个可解离基团的氨基酸
1、天冬氨酸(-)的解离公式
等电点时，天冬氨酸主要以兼性离子(Ro)存在，[R+]和 [R-]很小而且相等，R2-的量可忽略不计，因此：
2、赖氨酸(+)的解离公式
等电点时，赖氨酸主要以兼性离子(Ro)存在，[R+]和[R-] 很小而且相等，R2+的量可忽略不计，因此：
等电点(isoelectric point, pI) :
氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及 程度相等时溶液的pH值。
等电点时氨基酸为兼性离子，呈电中性。
中性分子 兼性离子
氨基酸在晶体或水中主要是以兼性离子的形式存在
二、氨基酸的解离
依照Bronsted-Lowry的酸碱质子理论，酸是质子(H+)的供 体，碱是质子的受体。
反应中1分子的半胱氨酸引起1分子的硫硝基苯甲酸的 释放。它在pH8．0时，在412nm波长处有强烈的光吸收， 因此可利用比色法定量测定-SH基。
二硫键的形成和打开 1、二硫键的形成
在痕量的金属离子如Cu2+，Fe2+，C02+和Mn2+ 存在下，巯基在空气中氧化显著提高。这些离子 可能是反应所需的催化剂。
3、烃基化反应：
氨基酸氨基的一个H原子可被烃基取代，如与2，4二硝基氟苯在弱碱性溶液中发生亲核芳环取代反应而 生成二硝基苯基氨基酸。
此反应被用来鉴定多肽或蛋白质的NH2末端氨基酸。
4、形成西佛碱反应：
α -氨基能与醛类化合物反应生成弱碱，即西佛氏碱。
西佛氏碱是以氨基酸为底物的某些酶促反应，如转 氨基反应的中间物。
20种氨基酸FLASH
几种特殊氨基酸 • 脯氨酸 （亚氨基酸）
CH2 CH2
CH2 CHCOONH2+

半胱氨酸
-SH HS-CH -CH-COO + 2 2
-OOC-CH-CH
+NH 3
-HH
+NH
3
-OOC-CH-CH
+NH 3
-S S-CH -CH-COO 2 2
+NH 3
二硫键
胱氨酸
氨基酸的简写符号
第三节：氨基酸的化学反应 一、α -氨基参加的反应 1、与亚硝酸反应：
氨基酸的氨基在室温下与亚硝酸作用生成氮气，其反 应式如下：
在标准条件下测定生成的氮气体积，即可计算出氨基 酸的量。
2、与酰化试剂反应：
氨基酸的氨基与酰氯或酸酐在弱碱溶液中发生作用时， 氨基即被酰基化。
除苄氧甲酰氯外，酰化试剂还有叔丁氧甲酰氯、对 甲苯磺酰氯以及邻苯二甲酸酐等。这些酰化试剂在多肽和 蛋白质的人工合成中被用作氨基的保护试剂。
颜色
紫或粉 红色 黄、橘黄 紫红 红色 蓝色 紫蓝色
反应基团
2个以上肽链 酚基 苯环 吲哚 胍基 酚基 游离氨羧基
Folin酚试剂反应
第四节：氨基酸的光学活性和光谱性质
D型与L型氨基酸（Gly除外）
氨基在右的为D型，氨基在左的为L型。
左旋与右旋氨基酸
在旋光计上使偏振光平面向左旋转[-]，使偏振光平面向右旋 转[+]。
NH2
用滴定曲线的方法测定表观解离常数
在生理pH内，aa 的羧基 和氨基全部解离 基于氨基酸所带基 团均可解离 具有这种性质的物质称两 性电解质； 酸碱滴定法 带有相反基团的分子叫两 性离子； 得到弱酸弱碱曲线 滴定中 根据氨基酸上可解 Gly阳离子（R+） -）和两性离 、阴离子（ 离基团的R p K值计算 子（ R°）的比例随pH而 等电点 变； 当溶液中只有两性离子时 pK：解离常数 ，pH = pI
2、二硫键的打开 1) 受氧化剂影响而被打开：
过甲酸可以定量地打开二硫键，生成磺基丙氨酸残基。
胱氨酸
过甲酸
磺基丙氨酸
甲酸
2) 受还原剂影响而被打开：
还原剂(如：巯基乙醇，巯基乙酸和二硫苏糖醇)都能 打开二硫键。
胱氨酸
半胱氨酸
二硫化物
巯基化合物(巯基乙醇和巯基乙酸)能打开二硫键， 生成半胱氨酸残基及相应的二硫化物。
5、脱氨基反应：
氨基酸在生物体内经氨基酸氧化酶催化即脱去α -氨 基而转变成酮酸。
二、α-羧基参加的反应
1、成盐反应： 氨基酸与碱作用生成盐，例如与氢氧化钠 反应得氨基酸钠盐，其中重金属盐不溶于水。
2、成酯反应
氨基酸的羧基被醇酯化后，形成相应的酯。
氨基酸
氨基酸乙酯的盐酸盐
当氨基酸的羧基变成甲酯、乙酯或钠盐后，羧 基被保护，而氨基被活化，容易和酰基或烃基结 合。
1、生成的侧链带有正电荷(ε -NH3)，它为胰蛋白酶水解 肽链提供了一个新位点，对氨基酸顺序测定很有用。 2、此反应也可用来保护肽链上的-SH基，以防止被重新 氧化为二硫键。
巯基能和各种金属离子形成稳定程度不等的络合物。 常用的有一价有机汞制剂，如与对氯汞苯甲酸形成络合 物。
半胱氨酸可与二硫硝基苯甲酸或称Ellman氏试剂发 生硫醇-二硫化物交换反应 .