華中科技大學(xué)有機(jī)化學(xué)氨基酸

華中科技大學(xué)有機(jī)化學(xué)氨基酸第1頁/共30頁對(duì)于含有兩個(gè)手性碳原子的-氨基酸，其構(gòu)型仍由-碳原子決定。例如：氨基酸的構(gòu)型也可以用R／S來表示，但習(xí)慣上用D／L標(biāo)記法。第2頁/共30頁

二.-氨基酸的分類在-氨基酸分子中，氨基和羧基的數(shù)目有時(shí)不是一個(gè)，氨基和羧基的數(shù)目也不一定相等。分子中氨基和羧基數(shù)目相等的為中性氨基酸；氨基的數(shù)目多于羧基的為堿基氨基酸；氨基的數(shù)目少于羧基的為酸性氨基酸。常見的20種氨基酸的名稱、結(jié)構(gòu)和分類見下表。

常見氨基酸第3頁/共30頁第4頁/共30頁三.-氨基酸的物理性質(zhì)

-氨基酸都是無色結(jié)晶，熔點(diǎn)較高，并且多數(shù)在熔化時(shí)分解。例如甘氨酸的熔點(diǎn)為262℃(分解)，而相應(yīng)的乙酸的熔點(diǎn)僅16．5℃。所有的-氨基酸均溶于強(qiáng)酸或強(qiáng)堿中而不溶于乙醚、苯等非質(zhì)子性溶劑中。各種-氨基酸在水中的溶解度大小不一，例如25℃時(shí)100克水中僅溶解0.01克胱氨酸，但能溶解162.3克脯氨酸。第5頁/共30頁四、-氨基酸的化學(xué)性質(zhì)1．兩性與等電點(diǎn)-氨基酸分子中既含有堿性的氨基，又含有酸性的羧基，所以是兩性化合物。例加實(shí)際上，氨基酸分子本身的羧基或氨基能互相作用生成內(nèi)鹽：

內(nèi)鹽具有偶極和兩種離子的性質(zhì)，所以稱為偶極離子或兩性離子(zwitterion)。-氨基酸在固態(tài)時(shí)主要以兩性離子的形式存在因而熔點(diǎn)較高。第6頁/共30頁-氨基酸在水溶液中有如下的平衡：

由于-氨基酸中羧基離解質(zhì)子的能力和氨基接受質(zhì)子的能力并不相等，因而在上述平衡體系中，負(fù)離子、正離子和兩性離子的濃度并不相等。例如中性氨基酸在水溶液中，負(fù)離子的濃度比正離子的濃度要大一些。如調(diào)節(jié)。-氨基酸溶掖的酸堿性達(dá)到某一pH值，使正離子和負(fù)離子的濃度相等，此時(shí)-氨基酸主要以兩性離子的形式存在，在電場(chǎng)中既不向陽極也不向陰極移動(dòng)，這時(shí)溶液的pH值叫做該氨基酸的等電點(diǎn)(isoelectricpoint)，用符號(hào)p表示。由于各種-氨基酸分子中的氨基和羧基的數(shù)目不等且相對(duì)強(qiáng)度各異，因而其等電點(diǎn)也各不相同。從上表可以看到，中性氨基酸的p值略小于7，在5．6—6．8之間；酸性氨基酸的值在2．8—3．2之間；堿性氨基酸的值大于7，在7．6—10．8之間。

將某-氨基酸溶液的pH值調(diào)節(jié)到大于它的PI值時(shí)，該-氨基酸就主要以負(fù)離子的形式存在，在電場(chǎng)中，向陽極移動(dòng)；如將它的pH值調(diào)節(jié)到小于它的pI值時(shí)，該-氨基酸則主要以正離子的形式存在，在電場(chǎng)中向陰極移動(dòng)。

-氨基酸在等電點(diǎn)時(shí)，兩性離子的濃度最大，在水中的溶解度最小，因而用調(diào)節(jié)等電點(diǎn)的方法可以分離氨基酸的混合物。第7頁/共30頁2．酯化和?；?氨基酸具有羧酸和胺的一般反應(yīng)。例如羧基可以酯化，氨基可以酰化。3．與亞硝酸的反應(yīng)-氨基酸中的氨基與亞硝酸作用時(shí)定量放出氮?dú)狻?/p>

測(cè)定放出氮?dú)獾捏w積，可計(jì)算出氨基的含量。這個(gè)方法叫做vansIyke氨基測(cè)定法。第8頁/共30頁4．與甲醛的反應(yīng)-氨基酸的氨基能與甲醛迅速起反應(yīng)，釋出H+。

以酚酞作指示劑，用NaOH滴定可間接測(cè)定氨基的含量*

第9頁/共30頁5．與水合茚三酮的反應(yīng)

-氨基酸的水溶液用水合茚三酮處理時(shí)呈紫色。在反應(yīng)中-氨基酸被氧化成醛，同時(shí)脫去氨基。

-氨基酸與水合茚三酮的反應(yīng)十分靈敏，幾微克-氨基酸就能顯色，所以常用水合茚三酮為顯色劑，定性鑒定-氨基酸。同時(shí)由于生成的紫色溶液在570nm有強(qiáng)吸收蜂，其強(qiáng)度與參加反應(yīng)的氨基酸的量成正比，因而可以定量測(cè)定-氨基酸的含量。第10頁/共30頁6.失羧將-氨基酸小心加熱或在高沸點(diǎn)溶劑中回流，可失羧生成胺。例如賴氨酸失羧后便得到戊二胺(尸胺)：細(xì)菌或動(dòng)植物體內(nèi)的脫羧酶作用于氨基酸，也能發(fā)生失羧反應(yīng)。7．形成配合物氨基酸中的羧基可與金屬成鹽，同時(shí)氨基氮原子上的未共用電子對(duì)，可與成鹽的金屬離子通過配位鍵而形成配合物。例如-氨基酸能與Cu2＋形成藍(lán)色配合物晶體。第11頁/共30頁五、-氨基酸的制備方法1．化學(xué)合成法(1)-鹵代酸的氨化-鹵代酸和過量的氨作用可以得到-氨基酸。

由于-氨基酸中氨基的堿性比脂肪伯胺弱，進(jìn)一步烷基化的傾向較小，所以可得到較純的-氨基酸。2)斯特雷克爾(Strecker)合成醛在氨存在下與氫氰酸加成生成-氨基腈，后者水解可生成-氨基酸。例如第12頁/共30頁3)丙二酸酯法鹵代丙二酸酯與鄰苯二甲酰亞胺的鹽作用生成N—丙二酸酯鄰苯二甲酰亞胺，后者經(jīng)烷基化、水解脫羧可得到-氨基酸。

上述化學(xué)合成得到的-氨基酸都是外消旋體，必須進(jìn)行拆分才能得到光學(xué)純的。第13頁/共30頁2．蛋白質(zhì)水解法蛋白質(zhì)的酸性或堿性水解可得到多種-氨基酸的混合物，經(jīng)分離純化可得到天然的L—氨基酸。例如動(dòng)物的毛發(fā)經(jīng)30％鹽酸水解得到水解液，調(diào)節(jié)其pH值到達(dá)4．8(等電點(diǎn))時(shí)，即析出L—胱氨酸的沉淀。L—胱氨酸與L—半胱氨酸可通過氧化還原而相互轉(zhuǎn)化：第14頁/共30頁3．發(fā)酵法用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)-氨基酸，近年來獲得了迅速的發(fā)展，目前大多數(shù)常見-氨基酸都可以用發(fā)酵法生產(chǎn)。發(fā)酵法有許多優(yōu)點(diǎn)，原料來源豐富，產(chǎn)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發(fā)酵得到。L—谷氨酸的單鈉鹽是日常的調(diào)味品味精。12.2多肽

-氨基酸分子中的羧基與另一分子-氨基酸的氨基生成的酰胺叫做肽(Peptide)，肽分子中的酰胺鍵叫做肽鍵(peptidebond)。由多個(gè)-氨基酸分子用肽鍵連接而成的化合物叫做多肽(polypeptide)。第15頁/共30頁

一、肽的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)蛋白質(zhì)水解的中間產(chǎn)物為多肽，多肽進(jìn)一步水解最后生成-氨基酸。根據(jù)組成肽分子的氨基酸的數(shù)目可分為二肽、三肽和多肽等。

書寫肽的化學(xué)構(gòu)造式時(shí)，一般把氨基的一端寫在左邊，稱為N-端，把羧基的一端寫在右邊，稱為C-端。式中R基可以相同，也可以不同。第16頁/共30頁

肽的命名是以C端的氨基酸為母體，把肽鏈中其它的氨基酸中的酸字改成酰字，按順序依次寫在母體名稱之前。為了書寫方便，也常用縮寫符號(hào)代替化學(xué)名稱。例如甘氨酸和丙氨酸形成的兩種二肽的構(gòu)造式和名稱為：又例如谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸順次連接形成的三肽的構(gòu)造式和名稱為：

多肽也是兩性離子，也有等電點(diǎn)，在等電點(diǎn)時(shí)溶解度最小。多肽的性質(zhì)與氨基酸極為相似。第17頁/共30頁

生物體內(nèi)除了由蛋白質(zhì)部分水解生成的多肽之外，還存在一些游離的多肽，它們具有重要的生理功能。例如谷半胱甘肽是廣泛存在于生物體細(xì)胞內(nèi)的重要三肽，參與細(xì)胞的氧化還原過程。存在于垂體后葉腺中的催產(chǎn)素和增血壓素都是由九個(gè)氨基酸組成的九肽，兩者的結(jié)構(gòu)十分相似，僅3、8位上兩個(gè)氨基酸相異，但它們的生理作用完全不同。前者促進(jìn)子宮和乳腺平滑肌收縮，臨床用于引產(chǎn)和減少產(chǎn)后出血，后者增加血壓和具抗利尿作用，臨床用子治療肺咯血和尿崩癥。第18頁/共30頁二、多肽的合成兩種氨基酸可以生成四種二肽。例如：

如要合成指定的二肽，如苯丙—甘，必須把苯丙氨酸的氨基和甘氨酸的羧基保護(hù)起來，使肽鍵只能在指定的羧基和氨基之間生成，并且所選擇的保護(hù)基團(tuán)在肽鍵生成后應(yīng)易于除去。另一方面必須使欲反應(yīng)的羧基或氨基活化，以便肽鍵的順利生成。此外，除甘氨酸之外的-氨基酸都是旋光的，因而必須注意任何一個(gè)反應(yīng)條件都不可發(fā)生構(gòu)型的轉(zhuǎn)化或外消旋化。多肽的合成過程必須滿足以上的嚴(yán)格要求。第19頁/共30頁氨基的保護(hù)氨基常用芐氧羰基(簡(jiǎn)寫作Z)和叔丁氧羰基(簡(jiǎn)寫作BOC)保護(hù)。例如

生成肽鍵后，芐氧羰基可以用催化氫解的方法除去，叔丁氧羰基可以用無水酸處理除去。第20頁/共30頁2.羧基的保護(hù)羧基常用芐酯或叔丁酯保護(hù)。例加芐酯可以用催化氫解的方法除去。叔丁酯可用溫和酸性水解除去。第21頁/共30頁3.肽鍵的生成要使已有保護(hù)基的兩個(gè)氨基酸之間形成肽鍵，還需使欲反應(yīng)的基團(tuán)活化。常用的方法是加入羧基活化劑N,N’-二環(huán)己基碳二亞胺(簡(jiǎn)寫作DCC)。等摩爾的羧酸和胺在DCC存在下在室溫可以迅速生成酰胺：第22頁/共30頁

氨基保護(hù)或羧基保護(hù)的氨基酸不再是兩性離子，它們可以溶于有機(jī)溶劑，在DCC存在下迅速反應(yīng)生成肽鍵，除去保護(hù)基后使得到二肽。例如：

適當(dāng)保護(hù)的氨基酸和二肽在DCC存在下再生成肽鍵，產(chǎn)物除去保護(hù)基后得到三肽。如此重復(fù)，可得到多肽。第23頁/共30頁4．多肽的固相合成

在多肽的合成中，每生成一個(gè)肽鍵，都要經(jīng)過官能團(tuán)保護(hù)、官能團(tuán)活化、形成肽鍵、去保護(hù)基等步驟，加上每一步產(chǎn)物的分離提純，操作十分復(fù)雜和費(fèi)時(shí)，且產(chǎn)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。這個(gè)合成方法是在不溶性聚合物表面上進(jìn)行。所用聚合物是以對(duì)二乙烯基苯交聯(lián)的聚苯乙烯樹脂。將樹脂的部分苯環(huán)氯甲基化，然后與氨基被保護(hù)的氨基酸反應(yīng)形成氨基酸的芐酯。除去保護(hù)基Z，加入氨基被保護(hù)的氨基酸及活化劑DCC，就可生成固定在聚合物上的二肽：第24頁/共30頁

重復(fù)上述過程，可得到固定在聚合物上的三肽、四肽等。最后加入F3CCOOH＋HBr，使合成的多肽從聚合物上脫落下來。目前，已有計(jì)算機(jī)控制的多肽合成儀商品，每步反應(yīng)的產(chǎn)率在99％以上，多肽的合成已實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，推動(dòng)了生物化學(xué)、分子生物學(xué)等學(xué)科的迅速發(fā)展。Merrifield獲得1984年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。多肽和蛋白質(zhì)之間沒有明確的界限，通常把分子量大于10000(約100個(gè)左右氨基酸單位)且不能透過天然滲析膜的多肽稱為蛋白質(zhì)。第25頁/共30頁12.3肽結(jié)構(gòu)的測(cè)定1．氨基酸的分析測(cè)定肽結(jié)構(gòu)的第一步是斷開二硫橋鍵，這個(gè)反應(yīng)可以用過氧甲酸氧化來實(shí)現(xiàn)，沒有二硫橋鍵，這一步就不需要了。過氧甲酸可將二硫橋鍵轉(zhuǎn)變成磺酸基。第二步是測(cè)定全部氨基酸組成。一般采用6M鹽酸在100—120oC水解10－24h,將肽鍵全部水解，然后用色層分離法分析。第26頁/共30頁2．肽鏈中氨基酸殘基序列的測(cè)定人們常用端基分析及部分水解等方法來完成。(1)N-端氨基酸的鑒定(或稱氨端)鑒定氨端的方法有兩種：a．第一種由FrederickSanger提出，稱為Sanger法.第27頁/共30頁b．第二種由PehrEdman首先提出，稱為Edman降解法。第28頁/共30頁(2)C—端氨基酸的鑒定(或稱羧端)

測(cè)定C—端氨基酸最成功的方法是酶催化法，而不是化學(xué)法，例如用羧肽酶可以有選擇地切下C—端氨基酸，因羧肽酶只斷裂多肽鏈中與游離的-羧基相鄰的肽健，如下虛線所示：