有机化学 Organic Chemistry 第十九章 氨基酸 蛋白质 核酸 1、氨基酸 2、多肽 3、蛋白质 4、核酸

蛋白质： 含氮的天然高聚物，生物体内一切组织的基本组成部分除水外，细胞内80％都是蛋白质。在生命现象中起重要的作用。人类的主要营养物质之一。 如： 酶（球蛋白）——机体内起催化作用 激素（蛋白质及其衍生物）——调解代谢 血红蛋白——运输O2和CO2 抗原抗体——免疫作用 蛋白质水解后都生成氨基酸

19-1 氨基酸 19-1-1 氨基酸的结构、分类和命名 一、结构 羧酸分子中羟基上的一个或几个氢原子被氨基取代的化合物叫做氨基酸。它们是构成蛋白质分子的基础。 二、分类、命名 可分为α-氨基酸、β-氨基酸、γ-氨基酸。 氨基酸可以按照系统命名法，以羧酸为母体，氨基 酸为取代基来命名。但α-氨基酸通常按其来源或性质所得的俗名来称呼。例如：

蛋白质水解可以得到各种α-氨基酸的混合物。 NH2CH2COOH α-氨基乙酸 甘氨酸 HOOC—CH2—CH2—CH—COOH NH2 α-氨基戊二酸 谷氨酸 NH2CH2CH2COOH β-氨基丙酸 丙氨酸 NH2CH2CH2CH2CH2CHCOOH NH2 α,ε二氨基已酸 赖氨酸 蛋白质水解可以得到各种α-氨基酸的混合物。

天然氨基酸： 蛋白质水解后得到的氨基酸都是 α－氨基酸。天然产氨基酸（除甘氨酸）都有旋光性，绝大多数为L构型， （少数微生物代谢产物是D构型）。 用 R、S 命名的则 L 构型的氨基酸多为 S 型，只有L－半光氨酸为 R 型。

下列氨基酸可组成无数蛋白质： 结构 名称 缩写 等电点 I、中性 (*为必要氨基酸，人体内不能合成，只能从食物中得到） 结构 名称 缩写 等电点 NH2CH2COOH 甘氨酸 Gly 5.97 I、中性 (*为必要氨基酸，人体内不能合成，只能从食物中得到） 丙氨酸 Ala 6.00 *颉氨酸 Val 5.96 *异亮氨酸 Ile 5.98

结构 名称 缩写 等电点 *亮氨酸 Leu 6.02 *苯丙氨酸 Phe 5.48 半光氨酸 Cys 5.07 *苏氨酸 Thr 5.6 结构 名称 缩写 等电点 *亮氨酸 Leu 6.02 *苯丙氨酸 Phe 5.48 半光氨酸 Cys 5.07 *苏氨酸 Thr 5.6 谷氨酸 Gln 5.56 天冬氨酸 Asn 5.07

结构 名称 缩写 等电点 *蛋氨酸 Met 5.47 丝氨酸 Ser 5.68 脯氨酸 pro 6.30 酪氨酸 Tyr 5.66 结构 名称 缩写 等电点 *蛋氨酸 Met 5.47 丝氨酸 Ser 5.68 脯氨酸 pro 6.30 酪氨酸 Tyr 5.66 *色氨酸 Trp 5.89

结构 名称 缩写 等电点 II 酸性 天冬氨酸 Asp 2.77 谷氨酸 Glu 3.22 III 碱性 *赖氨酸 Lys 9.74 结构 名称 缩写 等电点 II 酸性 天冬氨酸 Asp 2.77 谷氨酸 Glu 3.22 III 碱性 *赖氨酸 Lys 9.74 精氨酸 Arg 10.76 组氨酸 His 7.59

19-1-2 氨基酸的性质 α-氨基酸都是无色晶体，易溶于水而难溶于无水乙 醇乙醚，由蛋白质水解所得α-氨基酸，除甘氨酸外，都 具有旋光性。他们的α碳原子的结构类型都与L-甘油醛 相同，固都属于L型。 若用R-S标记法，这些α-氨基酸的α碳原子的构型 都是S型。

氨基酸分子中含有氨基和羧酸。他们具有氨基和羧基的典型性质。例如，羧基可以发生脂化反应，氨基可以发生酰基化反应；氨基与亚硝酸作用可转变为羟基。 用于定量分析，根据放出的N2的体积，可以算出样品的伯氨基的含量。

氨基酸还有一些特殊的性质。 (1) 酸碱性——两性和等电点 R α-氨基酸可以通过用通式NH2CHCOOH 表示 实际上是以偶级离子的形式存在的： 内盐

在水溶液中 在酸性溶液中，主要以正离子的形式存在。 在碱性溶液中，主要以负离子的形式存在。 氨基酸的等电点 在一定的pH值溶液中，正离子和负离子数量相等，且浓度都很低，而偶级离子浓度最高，此时电解，以偶级离子形式存在的氨基酸不移动。这溶液的pH值就叫做氨基酸的等电点。

等电点不是中性点； 氨基酸在等电点时的溶解度最小. (2) 水合茚三酮反应 这个颜色反应通常用于α-氨基酸的比色测定和色 层分析的显色。

与水含茚三酮的反应历程 紫色物质，用于α－氨基酸 的比色测定和纸层析显色

(3) 受热后的反应 α-氨基酸受热后，能在两分子之间发生脱水反应。 α-氨基酸受热后，容易脱去一分子氨，生成α,β不饱和羧酸。

γ-或δ-氨基酸受热后，容易分子内脱区一分子水。 分子中氨基和羧基相隔更远时，受热后可以多分子脱水，生成聚酰胺。

19-1-3 氨基酸的制备 1、由蛋白质水解——在酸、碱或酶的作用下水解得到多种-氨基酸混合物，分离得到。 2、由卤代酸氨解——羧酸在三溴化磷作用下与溴作用，生成-溴代酸，再与过量氨作用，生成：

3、由由醛（或酮）制备 4、由丙二酸酯制备 用盖布瑞尔法（P372）代替上法,可得比较纯产品。

N-邻苯二甲酰亚胺基丙二酸脂可用下法制得。

思考题 用苯、不超过3个碳原子的有机化合物、丙二酸脂以及 必要的试剂合成：⑴亮氨酸，⑵异亮氨酸，⑶苯丙氨 酸，⑷胳氨酸。

合成方法得到的氨基酸通常是外消旋体混合物，可用多种方法拆分。其中用酶拆分是重要的方法之一。 氨基酸的拆分 合成方法得到的氨基酸通常是外消旋体混合物，可用多种方法拆分。其中用酶拆分是重要的方法之一。 D-亮氨酸乙酰氨 L-亮氨酸 例：

多肽是含有多个氨基酸单元的聚合物。由两个氨基 酸单元构成的是二肽，由三个氨基酸单元构成的是三 19-2 多肽 多肽是含有多个氨基酸单元的聚合物。由两个氨基 酸单元构成的是二肽，由三个氨基酸单元构成的是三 肽，········余类推。它们统称多胎，或简称肽。 通过氨基和羧基之间脱水缩合而形成连接氨基酸单元的酰胺键（—CO—NH—）又叫做肽键。 后叶催产素——八肽 胰岛素——五十一肽 许多多肽本身有重要的生理作用

多肽链可用如下通式代表： 在肽链中，有氨基的一端叫做N端：有羧基的一断叫做C端。在写多肽结构时，通常把N端写在左边，C端写在右边，命名时由N端叫起，称为氨酰（基）某氨酸。常用简写来表示。例如：

天然多肽都是由不同的氨基酸组成的。 垂体后叶催产素 蛋白质也是由许多氨基酸单元通过肽键组成的。 蛋白质部分水解可以得到多肽。

19-2-1 多肽结构的测定 ——一般将多肽在酸性溶液中水解，再用色层分离法把各种氨基酸分开，然后进行分析。 ——氨基酸的排列顺序，则是通过末端分析的方法，配合部分水解，加以确定。

末端分析——用适当的化学方法，可以使多肽末端的氨基酸断裂，经过分析，就可以知道多肽链的两端是哪两个氨基酸，这就叫末端分析。降解了的肽链还可以再反复进行末端分析，就可以确定多肽链中蛋白质的连接次序。（一般结合部分水解的方法）

例如： 设某三肽完全水解后，可得到谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸。这三种氨基酸可以有六种排列顺序： 要推知该三肽是哪一种组合方式，可以把她部分水解。知道它们是谷·半胱和半胱·谷。由此可见，半胱氨酸是在三肽链的中间，谷氨酸在N端，甘氨酸在C端即该三肽的结构是：谷·半胱·甘

N端氨基酸的分析可用2，4-二硝基氟苯与多肽作用。

N端氨基酸的分析还可以用异硫氰酸苯脂与多肽作用。

C端氨基酸的分析，一般羧肽酶可以有选择地只把C 端氨基酸水解下来，对这个浙江省进行鉴定，就可以知 道原来C端是什么氨基酸。 C 端氨基酸的分析，一般是用在羧肽酶作用下水 解的方法。

推测出来的结构是否完全正确，需要通过多肽的合 成加以证实。 19-2-2 多肽的合成 推测出来的结构是否完全正确，需要通过多肽的合 成加以证实。 氨基酸按一定的次序连接起来 达到一定分子量 不外消旋化（缓和的条件） 要求： 另一方面，由于多肽与蛋白质有着密切的关系，在需要使一种氨基酸的羧基和另一种羧基酸的羧基相结合时，要防止同一种氨基酸分子之间相互结合。因此，在合成时，必须把某些氨基或羧基保护起来，以便反应能按所要求的方式进行。而所选用的保护基团，必须符合以下条件：在以后脱除该保护的条件下，肽键 不会发生断裂。

羧基常通过生成酯加以保护，因为酯比酰胺容 易水解，用碱性水解的方法，就可以把保护的基团 除去。

氨基可以通过与氯甲酸苄酯（C6H5CH2OCOCL） 作用加以保护，因为氨基上的苄氧基很容易用催化氢解 的方法除去。

例如：设要合成甘氨酰丙氨酸（甘.丙） 若直接用谷氨酸和丙氨酸脱水缩合，将得到四种 二肽的混合物： 如果采用下列反应，则可以得到所要求的二肽：

反复使用这样的方法，每次构成一个肽键，就可以把 各种氨基酸按一定的次序一个个地连接起来。多肽的合成是一项十分复杂的工作。例如，牛胰腺核糖核酸酶的多肽链已可合成出来，它是由124个氨基酸单元所构成的。

19-3 蛋白质 蛋白质是一类很重要的天然有机物，是生物体内一切组织的基础物质，并在生命现象和生命过程中起着决定的作用。 蛋白质主要由C、H、O、N、S等元素组成，有些还含有P、Fe、I等元素。 蛋白质基本上是由数百个、甚至数千个氨基酸所构成。 水解后只生成多种-氨基酸的，叫单纯蛋白质（如卵白蛋白、血清球蛋白、米精蛋白等）。

水解后除生成-氨基酸外，还有非蛋白质物质（如糖、脂肪、含磷化合物、含铁化合物等）生成的，叫结合蛋白质。（如：核蛋白、粘蛋白、肌肉中的脂蛋白、血红蛋白等）。结合蛋白中的非蛋白质部分，叫做辅基。 纤维蛋白（丝、毛、皮、角、爪和甲等） 球蛋白、酶和蛋白激素（溶于水、盐水、酸碱溶液 和乙醇等） 结合蛋白（与核酸、糖、脂肪及血红素等结合） 分类

按溶解度分类：一类不溶于水的纤维状蛋白质；一类是能溶于水、酸、碱或盐溶液的球状蛋白质。 19-3-1 蛋白质的分类和功能 按溶解度分类：一类不溶于水的纤维状蛋白质；一类是能溶于水、酸、碱或盐溶液的球状蛋白质。 纤维状蛋白质的分子形状是一条条线装的，分子中的多肽 链扭在一起或平行并列，且以氢键互相连接着。这类蛋 白质在水中不能溶解。纤维状蛋白质是动物组织的主要 结构材料，角蛋白、骨胶蛋白和肌蛋白都是纤维状蛋白 质。 球状蛋白质的分子形状是一团团球状的，它们的多肽链自身扭曲 折叠成特有的球形。在折叠时，分子内某些基团之间通过氢键、 二硫键或范德华引力相互作用着。分子中的疏水基团（如烃基等）分布在球形内部，而亲水基团（如—OH、—NH2、—SH、 —COOH等）分布在球形表面。因此，球状蛋白质的水溶性比较 大。例如酶、血红蛋白等都是球状蛋白。

蛋白质的功能 一方面是起组织结构的作用。例如，角蛋白组成皮肤、肌肉等。另一面，蛋白质起调节作用。例如：毛发、指甲、头角：骨胶蛋白组成腱、骨；肌球蛋白组成各种酶对生物化学反应起催化作用；血红蛋白在血液中，输送氧气；胰岛素调节葡萄糖的代谢；等等在生物体内起重要调节作用的各种酶，都是蛋白质。 常把酶叫做生物催化剂 酶的催化效率很高，并且有高度选择性 有的酶还具有立体专一性

19-3-2 蛋白质的性质 蛋白质和氨基酸一样，也是两性物质，与酸或碱都 能生成盐。不同的蛋白质有不同等电点。例如，卵清蛋 白为4.9，酪蛋白为4.6。胰岛素为5.3，血红蛋白.为6.8。 蛋白质是高分子化合物 水溶液具有胶体溶液的性质，不能透过半透膜，能够电泳； 蛋白质都具有旋光性； 蛋白质的变性通常都是不可逆的； 蛋白质虽然分子很大，但性质活泼，能发生多种颜色反应。

⑴缩二脲反应 蛋白质分子中都有—CO—NH—CHR—CO—NH 基团在蛋白质水溶液中加碱和硫酸铜溶液，即产生红 紫色。 ⑵黄色反应 分子中含有苯环的蛋白质，遇浓硝酸即显黄色， 这是苯环发生硝化的缘故。黄色溶液再用碱处理，就 会转为橙色。 ⑶水合茚三酮反应 蛋白质溶液与水合茚三酮溶液作用，也有颜色反应。但颜色与氨基酸的不太一样。

此外，蛋白质容易水解，酸、碱、酶能促进蛋白 质的水解。可得到多种α-氨基酸的混合物。如果部分 水解则得到分子较小的多肽。

19-3-3 蛋白质的结构 蛋白质的一级结构 多肽链中氨基酸的组成和排列次序. 蛋白质的二级结构 多肽链在空间不是任意排布的，由于某些基团之间的 氢键作用，肽链具有一定的构象. 蛋白质的三级结构 整个分子因链段的相互作用而扭曲,折叠成一定的形态. 蛋白质的四级结构 最后，几个各具有特定的1,2,3,级结构的多肽链在一起，或者有时还和辅基在一起，再以一定的关系相结合.

蛋白质多肽链的二级结构主要有两种形式：一种是 右螺旋型，又叫做α-螺旋型；另一种是褶纸型，又叫做 β-褶纸型。 α-螺旋型 多肽链结构 可示意如图

褶纸形多肽链结构示意图 肽链伸展在纸型的片面上，相邻的肽链又通过氢键 （图中虚线）相互连接。

蛋白质的三级结构是多肽链的进一步扭曲折叠。在 在扭折时，倾向于把亲水的极性基团露于表面，而疏水 的非极性基团包在中间。 肌红蛋白的空间结构如图

许多蛋白质由两个或两个以上的多肽链集合而形成蛋白质的四级结构。例如磷酸化酶就是由两条相同的多肽链组成的，只有两条肽链一起存在才有催化作用。 胰岛素含有两条多肽链，共有51个氨基酸单元:

19-4 核酸 核酸存在于一切生物体中，像蛋白质一样，也是生命的最基本物质。与一切生命活动及各种代谢有着密切的关系。在生物体内，核酸对遗传信息的储存、蛋白质的生物合成都起着决定性的作用。 核酸也是链状高分子化合物，组成核酸的单元是核苷酸。 在生物体内，核酸主要以核蛋白的形式存在。核蛋白是结合蛋白，核酸作为辅基与蛋白质结合在一起。 核酸在适当酶的催化下，或在弱碱作用下可以水解成核苷酸；如果温度升高，则进一步水解成核苷和磷酸；在无机酸作用下则完全水解： 19-4-1 核苷酸和核苷

核酸水解 由合算水解所得到的戊糖有两种，即核糖和2-脱氧核糖

按水解后得到的戊糖的不同，核酸可分为两类。 水解后得到核糖的，叫做核糖核酸（简称RNA）。 水解后得到2-脱氧核糖的，叫做脱氧核糖核算（简称 DNA）。 由核酸水解所得到的杂环碱都是嘌呤碱或嘧啶碱 RNA和DNA所含的嘌呤碱是相同的，即都含有腺嘌呤 和鸟嘌呤。但RNA和DNA所含的嘧啶碱不完全一样， RNA含有胞嘧啶和尿嘧啶，而DNA含有胞嘧啶和胸腺 嘧啶。

戊糖与杂环碱形成的苷叫做核苷。 RNA的四种核苷是：

DNA的四种核苷是：

核苷中糖的5为（核酸中糖的碳原子的位次以1,2, 3·····表示羟基，与磷酸所形成的酯叫做核苷酸。例如 核苷酸在碱溶液中水解，即失去磷酸生成核苷。

19-4-2 核酸的结构 核酸是由许多核苷酸单元所构成的高分子化合物。在核算分子，核苷酸单元是通过磷酸酯键，在戊糖的3位上联结起来，例如DNA结构：

一种核酸含有多种碱基。核酸链中，含不同碱基 的各种核苷酸是按一定的排列次序互相联结的，这就 形成了核酸的一级结构。 DNA具有双螺旋的二级结构，两条反向平行的D NA链，沿着一个轴，向右盘旋成双螺旋体，如图：

在双螺旋体中，一条脱氧核糖核酸链上的碱基与另 一条链上的碱基之间，通过氢键相互联结。嘌呤碱和嘧 啶碱碱两两成对：腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对成 氢键；鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对形成氢键。 双螺旋体一般不单独存在，而是与蛋白质以更复杂的形式相结合，形成具有各种生理活性的核蛋白。

核酸在生物体内主要与蛋白质结合成核酸蛋白存在。核酸具有极其重要的生理功能，是生物遗传的物质基础。 DNA主要存在于细胞核中，它们是遗传信息的携带者，DNA的结构决定生物合成蛋白质的特定结构，并保证把这种特性遗传给下一代。 RNA主要存在于细胞质中，它们是以DNA为模板而形成的，并且直接参加蛋白质的生物合成过程。 因此，DNA是RNA的模板，而RNA又是蛋白质的模板。存在于DNA分子上的遗传信息就这样由DNA传递给RNA，再传递给蛋白质。通过DNA的复制，遗传信息一代代传下去。 19-4-3 核酸的功能

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